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1 - SOURCES DE BRUIT AUDIBLE D'ORIGINE MAGNÉTIQUE

2 - CARACTÉRISATION DES FORCES D'ORIGINE MAGNÉTIQUE

3 - PRÉDICTION DU BRUIT AUDIBLE D'ORIGINE MAGNÉTIQUE

4 - RÈGLES DE CONCEPTION SILENCIEUSE

5 - DIAGNOSTIC DU BRUIT D'ORIGINE MAGNÉTIQUE

6 - CONCLUSION

| Réf : D3580 v1

Prédiction du bruit audible d'origine magnétique
Bruit audible d'origine magnétique dans les machines asynchrones

Auteur(s) : Jean LE BESNERAIS, Vincent LANFRANCHI, Michel HECQUET, Pascal BROCHET

Date de publication : 10 nov. 2008

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Auteur(s)

  • Jean LE BESNERAIS : Ingénieur ALSTOM Transport, doctorant au Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance de Lille (L2EP)-Ecole centrale de Lille - Ingénieur de l'Ecole centrale des arts et manufactures

  • Vincent LANFRANCHI : Maître de conférence à l'Université de technologie de Compiègne - Laboratoire d'électromécanique de Compiègne (LEC)

  • Michel HECQUET : Maître de conférence HDR à l'IUT de Lille1 / Université des sciences et technologies de Lille - Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance de Lille (L2EP)-Ecole centrale de Lille

  • Pascal BROCHET : Professeur à l'Ecole centrale de Lille, responsable de l'équipe OPTIMISATION - Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance de Lille (L2EP)-Ecole centrale de Lille

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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 de poids 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) ;

  • 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 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.

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 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 : l'utilisation d'outils éléments finis électro-vibro-acoustiques est alors inenvisageable, à la fois pour leur temps de calcul prohibitif et pour la difficulté d'en coupler les logiciels. 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 , ce dossier n'en abordera pas les moyens de prédiction ni de réduction.

Dans un premier temps, nous nous attachons 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 W à quelques centaines de kW). L'influence de l'alimentation par modulation de largeur d'impulsion (MLI)    est également traitée et certains aspects psycho-acoustiques sont discutés. Dans un second temps, des outils de prédiction du bruit magnétique sont exposés (méthodes analytiques, graphiques et numériques). Des règles de conception permettant de réduire le bruit magnétique sont ensuite présentées. Enfin, nous verrons comment interpréter en pratique l'origine du bruit magnétique à l'aide de sonagrammes expérimentaux.

Dans les Techniques de l'ingénieur, le lecteur se reportera utilement aux dossiers :

  • « Modulations MLI et MPI » ,

  • « Commande numérique des machines »  et .

  • « Conception assistée par ordinateur (CAO) : moteur asynchrone » 

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-d3580


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3. Prédiction du bruit audible d'origine magnétique

A partir des expressions des fréquences des raies magnétiques, il est possible de prédire à l'aide d'outils graphiques simples l'apparition de résonances en régime variable. Si l'on souhaite obtenir une estimation du niveau de bruit, la simulation numérique est indispensable. Dans les deux cas, il est nécessaire de calculer les principales fréquences naturelles de la machine, ce qui peut se faire à l'aide d'un logiciel éléments finis (cf. ) ou de manière analytique. Comme précisé en introduction, les méthodes analytiques sont ici privilégiées pour leur rapidité de calcul, qui permet de simuler le bruit en régime variable et de coupler le modèle à des outils d'optimisation.

3.1 Calcul analytique des fréquences naturelles

Les fréquences naturelles des modes circonférentiels de la machine peuvent se calculer analytiquement en l'assimilant à un anneau. On se propose ici de détailler les expressions des fréquences sans tenir compte du couplage entre la tôle et la carcasse, d'autres méthodes plus complexes permettant de l'intégrer    .

La fréquence naturelle du mode 0 s'écrit :

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BIBLIOGRAPHIE

  • (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, n° 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, n° 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.

  • ...

NORMES

  • 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

  • Machines électriques tournantes. Partie 9 : Limites de bruits. - CEI 60034-9 - 08 2002

  • 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

1 Outils

Logiciels élément finis électromagnétique FLUX

  http://www.cedrat-groupe.com/en/software-solutions/flux.html

Logiciel éléments finis vibratoire ANSYS (ansys.com) ou IDEAS

  http://www.ideas-eng.com

Logiciel éléments frontières SYSNOISE

  http://www.lmsintl.com/SYSNOISE

la combinaison de ces logiciels permet de calculer le bruit audible d'origine magnétique.

HAUT DE PAGE

2 Evènements

Congrès INTERNOISE

  http://www.internoise2008.org/homePage.htm

ICEM International Conference on Electrical Machines

http://icem.metu.edu.tr

EF Electrotechnique du futur

http://impact.inp-toulouse.fr/CSAME-EF2007/acceuil.html

COMPUMAG International Conference on the Computation of Electromagnetic Fields

http://www.compumag.co.uk

VANEM International Seminar on Vibrations and Acoustic Noise of Electric Machinery

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