Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Le bruit audible des machines électriques participe à leur impact environnemental et doit ête étudié à la conception. Cet article porte sur les vibrations et le bruit acoustique d'origine magnétique, dû aux forces de Maxwell, dans les machines asynchrones. Les différentes sources d'efforts harmoniques sont caractérisées analytiquement. Des outils de prédiction du niveau de bruit rayonné sont présentés, ainsi que différentes règles de conception. Enfin, des méthodes de caractérisation expérimentale et des exemples de diagnostic du comportement vibroacoustique des machines asynchrones sont expliqués.
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The acoustic noise of electrical machines participates to their environmental impact and must be studied at the design stage. This article deals with vibrations and the magnetically-induced acoustic noise due to Maxwell forces in asynchronous machines. The various sources of noise are characterized analytically. Prediction tools for the level of radiated noise are presented as well as various designing rules. Finally, experimental characterization methods and examples of the Vibroacoustics diagnostic of asynchronous machines are explained.
Auteur(s)
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Jean LE BESNERAIS : Docteur en génie électrique Ingénieur-chercheur chez EOMYS Engineering - Ingénieur de l'école centrale des Arts et Manufactures
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Vincent LANFRANCHI : Maître de conférences à l'université de technologie de Compiègne Laboratoire d'électromécanique de Compiègne (LEC)
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Michel HECQUET : Professeur à l'école centrale de Lille Responsable du département EEA (électronique électrotechnique automatique) Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance de Lille (L2EP)
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Pascal BROCHET : Professeur à l'école centrale de Lille, responsable de l'équipe OPTIMISATION, Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance de Lille (L2EP)
INTRODUCTION
Le bruit audible des machines électriques, qui participe à leur impact environnemental au même titre que leur consommation électrique ou leur recyclabilité, est devenu un critère majeur durant leur phase de conception, à la fois dans les applications industrielles, où l'exposition au bruit a un impact direct sur la santé, et dans les transports pour des raisons de confort acoustique.
Le niveau de bruit global d'une machine électrique provient de trois sources principales : le bruit d'origine mécanique (roulements, engrènements, etc.), le bruit d'origine aéraulique (ventilation) et le bruit d'origine magnétique. Dans les machines à courant alternatif, ce dernier peut dominer le niveau de bruit total à basse vitesse . Il est produit par les courants présents dans la machine asynchrone et se caractérise souvent par une désagréable émergence de raies acoustiques. Cette tonalité est par ailleurs pénalisée par la norme de limite de bruit CEI 60034-9 : la compréhension du phénomène de bruit d'origine magnétique est donc primordiale en vue de concevoir des machines silencieuses, ou de diagnostiquer et résoudre des problèmes de bruit sur des machines existantes. Les vibrations magnétiques sont également source de fatigue mécanique, ce qui dégrade la fiabilité de la machine électrique. Leur analyse et leur minimisation permet donc d'améliorer la durée de vie de la machine.
La prédiction du bruit d'origine magnétique relève de la modélisation multiphysique : elle nécessite à la fois un modèle électromagnétique de l'excitation de la machine et un modèle vibroacoustique de la structure excitée. De plus, le bruit doit être simulé en régime variable afin de prendre en compte les phénomènes de résonance : l'utilisation d'outils éléments finis électro-vibroacoustiques lors de la phase de conception soulève donc des difficultés, tant du point de vue du temps de calcul que du couplage numérique. Des modèles analytiques électromagnétique, vibratoire et acoustique ont donc été développés . Leur rapidité permet également de les coupler à un algorithme d'optimisation multi-objectif en vue de concevoir des machines à faible niveau de bruit magnétique, à faibles pulsations de couple et à haut rendement .
Si les pulsations de couple peuvent en effet provoquer du bruit et des vibrations supplémentaires, que l'on peut limiter en agissant par exemple sur les harmoniques de courant en fonctionnement , les moyens de prédiction et de réduction ne seront pas abordés dans le présent article.
Dans un premier temps, nous nous attacherons à caractériser l'ensemble des phénomènes susceptibles de produire du bruit audible d'origine magnétique dans les machines asynchrones de faible à forte puissance (quelques centaines de watts à quelques centaines de kilowatts). L'influence de l'alimentation par modulation de largeur d'impulsion (MLI) [E 3 967] [D 3 642] [D 3 643] sera également traitée, et certains aspects psychoacoustiques seront discutés. Dans un second temps, des outils de prédiction du bruit magnétique seront exposés (méthodes analytiques, graphiques et numériques). Des règles de conception permettant de réduire le bruit magnétique seront ensuite présentées. Enfin, nous verrons comment interpréter en pratique l'origine du bruit magnétique à l'aide de sonagrammes expérimentaux.
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MOTS-CLÉS
machines asynchrones comportement vibroacoustique bruit rayonné énergie transports électriques
KEYWORDS
induction machines | vibroacoustic behavior | radiated noise | energy | electrical transportation
VERSIONS
- Version archivée 1 de nov. 2008 par Jean LE BESNERAIS, Vincent LANFRANCHI, Michel HECQUET, Pascal BROCHET
- Version courante de mars 2021 par Jean LE BESNERAIS, Vincent LANFRANCHI, Michel HECQUET
DOI (Digital Object Identifier)
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Caractérisation des forces d'origine magnétique1. Sources de bruit audible d'origine magnétique
Le bruit d'origine magnétique (encore nommé bruit électrique, l'appellation de bruit électromagnétique étant réservée au domaine de la compatibilité électromagnétique) peut être défini comme le bruit audible généré par les forces magnétiques présentes dans la machine asynchrone, ces dernières étant elles-mêmes produites par des courants. Il a donc la propriété de cesser lorsque l'alimentation en courant est nulle, ce qui n'est pas le cas dans les machines synchrones à aimants permanents où, même à vide, les efforts magnétiques ne sont pas nuls. Plus précisément, les forces d'origine magnétique font vibrer la culasse de la machine à des fréquences audibles (de 20 Hz à 20 kHz), et ces vibrations sont transmises à l'air ambiant par la carcasse, générant du bruit. La surface des flasques est généralement trop faible pour contribuer significativement au rayonnement acoustique de la machine, les flasques n'étant sollicitées par les forces magnétiques que dans des cas particuliers comme celui des rotors ou stators à encoches inclinées.
Deux types de force à l'origine du bruit magnétique sont généralement distingués dans le domaine des machines électriques : les forces de Maxwell et les forces de magnétostriction.
1.1 Forces de Maxwell
Les forces de Maxwell, encore appelées force de réluctance magnétique, s'appliquent à l'interface de deux milieux magnétiques de différentes réluctivités. Dans les machines asynchrones, elles s'exercent en particulier à l'interface entre entrefer et tôle statorique. Les lignes de flux étant quasiment radiales lorsque le fer est peu saturé, ces forces de Maxwell sont surtout dirigées radialement (elles tirent la denture statorique vers le rotor). Il existe néanmoins des cas où leur composante tangentielle joue un rôle vibroacoustique significatif, notamment sur les turbines de forte puissance .
Dans les machines asynchrones, en négligeant la contribution de l'induction d'entrefer tangentielle aux efforts radiaux, les forces radiales de Maxwell FM par unité...
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Sources de bruit audible d'origine magnétique
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BERANEK (L.L.), VER (I.L.) - Noise and vibration control engineering (Ingénierie du contrôle des bruits et vibrations). - Wiley interscience (1992).
-
(2) - LE BESNERAIS (J.), FASQUELLE (A.), HECQUET (M.), LANFRANCHI (V.), BROCHET (P.), RANDRIA (A.) - A fast noise-predictive multiphysical model of the PWM-controlled induction machine. - Proc. of the International Conference on Electrical Machines (ICEM), sept. 2006.
-
(3) - LE BESNERAIS (J.), LANFRANCHI (V.), HECQUET (M.), BROCHET (P.) - Multi-objective optimization of the induction machine with minimization of audible electromagnetic noise. - European Physics Journal, 39, no 2, août 2007.
-
(4) - LE BESNERAIS (J.), LANFRANCHI (V.), HECQUET (M.), BROCHET (P.) - Multi-objective optimization of induction machines including mixed variables and noise minimization. - IEEE Trans. on Magn., 44, no 4, avril 2008.
-
(5) - MININGER (X.), GALOPIN (N.), BOUILLAUT (F.), GABSI (M.) - Analysis of electromagnetic strains on a structure such as switched reluctance machine. - European Physics Journal, 39, août 2007.
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NORMES
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Traction électrique – Machines électriques tournantes des véhicules ferroviaires et routiers –. Partie 2 : Moteurs à courant alternatif alimentés par convertisseurs électroniques. - CEI 60349-2 - 08-2002
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Machines électriques tournantes. Partie 9 : Limites de bruits. - CEI 60034-9 - 08-2002
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Machines électriques tournantes. Partie 14 : Vibration mécanique de certains machines de hauteur d'axe supérieure ou égale à 56 mm – Mesurage, évaluation et limites de la vibration. - CEI 60034-14 - 08-2002
-
Acoustique – Code d'essai par la mesure du bruit aérien émis par les machines électriques tournantes. - ISO 1680-EN 2168 -
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Vibration et chocs – Détermination expérimentale de la mobilité mécanique – Partie 2 : Mesurages avec utilisation d'une excitation de translation en un seul point au moyen d'un générateur de vibrations solidaire de ce point. - ISO 7626-2 - 1990
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