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NOTE DE L'ÉDITEUR
Cet article est la réédition actualisée de l’article D3581 intitulé « Bruit acoustique d’origine magnétique dans les machines synchrones » paru en 2013, rédigé par Jean LE BESNERAIS, Vincent LANFRANCHI, Pierre PELLEREY et Michel HECQUET.
RÉSUMÉ
Cet article porte sur les vibrations et le bruit acoustique d'origine magnétique, dû aux forces de Maxwell, dans les machines électriques tournantes synchrones (aimants permanents ou rotor bobiné - machines à réluctance variable exclues). Le phénomène de bruit magnétique y est analysé, et les différentes sources harmoniques d'efforts magnétiques sont caractérisées analytiquement en termes d'ordre spatial et de fréquence. Des outils analytiques et numériques de prédiction du niveau de bruit rayonné sont présentés, ainsi que différentes règles de conception silencieuse. Enfin, des données d'essais vibro-acoustiques sont interprétées.
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This article deals with magnetically induced vibration and acoustic noise, generated by Maxwell forces in synchronous rotating electrical machines (permanent magnet or wound rotor machines - to the exclusion of variable reluctance machines). The phenomenon of magnetic noise is analyzed, and the different sources of harmonic magnetic forces are characterized analytically in terms of wavenumber and frequency. Analytical and numerical tools which predict the level of radiated noise are presented, as well as various rules of silent design. In conclusion, vibro-acoustic test data are interpreted.
Auteur(s)
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Jean LE BESNERAIS : Ingénieur R&D EOMYS ENGINEERING, 121 rue de Chanzy 59260 Lille Hellemmes, France
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Pierre PELLEREY : Ingénieur-docteur en génie électromécanique
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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 de département (électronique électrotechnique automatique) - Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance de Lille (L2EP)
INTRODUCTION
Au même titre que leur rendement ou leur recyclabilité, le bruit acoustique émis par les machines électriques fait partie de leur impact environnemental. La proximité de plus en plus importante de l’homme avec ce type de machines, dans le cas d’applications industrielles ou dans le domaine des transports avec le véhicule électrique ou le tramway urbain, incite les ingénieurs à intégrer cette problématique en amont du processus de conception.
Dans le même temps, la minimisation des coûts des matières premières suggère des structures mécaniques de machines électriques plus déformables, donc plus bruyantes.
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 aérodynamique ou hydrodynamique (ventilation, turbulences, etc.) et le bruit d’origine électromagnétique. Ce dernier peut généralement dominer les autres sources de bruit, notamment à basse et moyenne vitesses où le bruit aéraulique est encore faible. De plus, le bruit acoustique d’origine magnétique se caractérise par des émergences fréquentielles pures perçues comme gênantes, dans la plage fréquentielle la plus sensible de l’oreille humaine. La compréhension des phénomènes à l’origine du bruit acoustique d’origine magnétique est donc primordiale en vue de concevoir des machines silencieuses, ou de diagnostiquer et de résoudre des problèmes vibro--acoustiques sur des machines existantes.
Le bruit d’origine magnétique est principalement lié à la création de forces magnétiques au sein de la machine électrique qui ont tendance à déformer ses parties magnétiques. Les déformations des parties magnétiques de la machine vont générer un rayonnement acoustique perceptible par l’oreille humaine. Prédire le bruit d’origine magnétique relève donc de la modélisation multiphysique : elle nécessite à la fois un modèle électromagnétique de la machine, permettant de déterminer les forces d’excitation, et un modèle vibro-acoustique de la structure excitée. De plus, le bruit doit être simulé en régime variable afin de prendre en compte les phénomènes de résonance lorsque les fréquences de l’excitation croisent celles des modes propres de la structure de la machine.
L’utilisation d’outils numériques de type éléments finis électromagnétiques et vibro-acoustiques lors de la phase de conception permet d’obtenir des niveaux de précision très appréciables. Cependant, cette modélisation soulève des difficultés, tant du point de vue du temps de calcul que du couplage numérique entre les différents modèles. Des modèles analytiques électromagnétique, vibratoire et acoustique ont donc été développés. Leur rapidité permet de les coupler à des algorithmes d’optimisation en vue de trouver les compromis optimaux entre des objectifs tels que la minimisation du bruit magnétique et la maximisation des performances électromécaniques.
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 synchrones, fractionnaires ou non, de types à aimants permanents, en surfaces ou enterrées, ou à rotor bobiné. Les machines à réluctance variable, ayant un comportement électrotechnique propre, ne seront pas directement abordées dans cet article. Malgré tout, les développements et les conseils de conception qui seront présentés sont globalement généralisables à ce type de technologie.
Dans un second temps, des outils de prédiction du bruit magnétique seront exposés (méthodes analytiques 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 spectrogrammes expérimentaux.
MOTS-CLÉS
vibration transport énergie machines synchrones bruit acoustique interpretation expérimentale règles de conception
KEYWORDS
vibration | transport | energy | synchronous machines | acoustic noise | experimental interpretation | design guidelines
VERSIONS
- Version archivée 1 de nov. 2013 par Jean LE BESNERAIS, Pierre PELLEREY, Vincent LANFRANCHI, Michel HECQUET
DOI (Digital Object Identifier)
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6. Conclusion
Le phénomène de bruit acoustique d’origine magnétique rayonné par les machines électriques est issu de l’interaction de plusieurs domaines de la physique. À ce titre, il est souvent complexe à appréhender et, bien qu’étudié depuis près d’un siècle, il demeure encore aujourd’hui un important sujet d’étude. Sa prise en compte dès la phase de conception requiert le développement d’outils multiphysiques, où les méthodes de type analytiques ou semi-analytiques sont appropriées en vue d’un couplage avec des outils d’optimisation.
Les composantes harmoniques du bruit magnétique sont sensibles à un grand nombre de paramètres parfois difficiles à estimer (harmoniques de courants, saturation...). Ainsi, même si des modèles analytiques permettent d’obtenir un certain nombre d’indications utiles sur l’origine du bruit produit par la machine, l’utilisation de modèles numériques est nécessaire afin de l’évaluer quantitativement. Lors de la démarche de conception et de la phase de développement, il existe donc un compromis entre temps de calcul et précision qui incitera l’ingénieur à utiliser l’un ou l’autre de ces modèles au cours du processus de conception.
Les règles de conception silencieuses présentées sont efficaces mais sont toujours à mettre en regard de leur influence parfois négative sur les performances globales de la machine (couple moyen, température, coût du processus de fabrication...).
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - GIBBS (W.J.) - Conformal transformations in electrical engineering. - Chapman and Hall, London, UK (1958).
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(2) - DUBAS (F.), ESPANET (C.) - Analytical solution of the magnetic field in permanent-magnet motors taking into account slotting effect : no-load vector potential and flux density calculation. - IEEE Trans. on Mag., vol. 45, n° 5 (2009).
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(4) - ZHU (Z.Q.), XIA (Z.P.), WU (L.J.), JEWELL (G.W.) - Analytical modelling and finite element computation of radial vibration force in fractional-slot permanent magnet brushless machines. - IEEE Trans. on Ind. Appl., vol. 46, n° 5 (2010).
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(5) - BELAHCEN (A.) - Magnetoelasticity, magnetic forces and magnetostriction in electrical machines. - Thèse, Helsinki University of Technology, Finland (2004).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
CEI 60034-9 Machines électriques tournantes – Partie 9 : Limites de bruit
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[B1] Electrical machines with reduced cogging US Patent 7714473 B2
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