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PHÉNOMÈNES DE BRUIT ET VIBRATIONS D’ORIGINE ÉLECTROMAGNÉTIQUE DANS LES TRANSPORTSCas d’une machine de traction ferroviaire

LE BESNERAIS Jean

SOURON Quentin*

13/04/[email protected]

EOMYS ENGINEERING – 121, rue de Chanzy 59260 Lille-Hellemmes FRANCE 1

PLAN

I. PRESENTATION

II. BRUITS ELECTROMAGNETIQUES : DEFINITION

III. SIMULATION : LOGICIEL MANATEE®

IV. ETUDE VIBROACOUSTIQUE D’UNE MACHINE DE TRACTION

V. CONCLUSION



I. PRESENTATION

• Jeune Entreprise Innovante créée en mai 2013, agrémentée CIR

• Siège social : ruche d’entreprises de Lille-Hellemmes (59)

• Activités : ingénierie & recherche appliquée, spécialisée en génie électrique

• 75% du CA à l’export

• Domaines : transports (ferroviaire, naval, aéronautique, automobile), énergie (éolien, hydrolien), industrie

• Spécialisée dans l’analyse vibratoire et acoustique des machines électriques

(mesures & simulations)



• Rayonnement acoustique provenant de la présence de champs électromagnétiques (électrique ou magnétique)

• Les transports électriques comprennent de nombreux systèmes électriques sources de champs électromagnétiques:

� Systèmes passifs : redresseurs, inductances, transformateurs, onduleurs…

� Systèmes actifs : ensemble des actionneurs électriques (en particulier, les moteurs de traction)

ATEC F

rance

ATEC F

rance



Les forces de Maxwell ont tendance à rapprocher le stator

du rotor

Les forces de magnétostriction ont tendance à « étirer » le fer le long des

lignes de champ

culasse

encoche

dents

STATOR

ROTOR

• Deux types d’efforts électromagnétiques interviennent dans les moteurs de traction :



• Cas d’étude: moteur de traction électrique asynchrone à cage d’écureuil utilisé dans la traction ferroviaire (Figure 1)

• Machine généralement accouplée à un réducteurFig.1 : Vue d’une machine asynchrone

Fig.2 : Voies de transferts vibratoires

• Voies de transfert des bruits et vibrations:Transfertvibratoire

Transfertacoustique

� Aérodynamique : ventilateur

� Mécanique : roulements, frottements…

� Electromagnétiques


III. SIMULATION : Logiciel MANATEE®

• MANATEE (Magnetic Acoustic Noise Analysis Tool for Electrical Engineering) : logiciel de simulation éléctromagnétique et vibro-acoustique des machines électriques

• Calcul rapide (quelques secondes pour un calcul en régime variable jusqu’à 20 kHz) des vibrations et bruits d’origine électromagnétique à vitesse variable


IV. ETUDE VIBROACOUSTIQUE : moteur de traction ferroviaire

• Caractéristiques de la machine

nombre de dents au stator ∶ �� = 36

nombre de dents au rotor ∶ �� = 28

nombre de paires de pôles ∶ � = 3

vitesse fixe nominale ∶ � = 1200 "#$

1170

380

Résonances correspondant à deux raies d’encochage excitant le mode d’ovalisation (2,0)


IV. ETUDE VIBROACOUSTIQUE : Harmoniques de denture

Alimentation sinus – Machineasynchrone à cage d’écureuil

• Excitation à l’origine de la résonance = excitation magnétique « de denture »

• Le nombre d’onde de l’effort est donné par:

�� % �� % 2� � 36 % 28 % 6 � 2

Dépend du nombre de dents au stator et au rotor

• Etude de sensibilité sur la variable �� pour minimiser le niveau de puissance sonore maximal &'(,*+,

Design initialDesign optimal

Evolution du niveau de puissance sonore avec

�� 24

-30 dB

10

IV. ETUDE VIBROACOUSTIQUE : Harmoniques de bobinage

Motif du bobinage – Machine initiale Motif du bobinage – Nouvelle distribution

Nouvelle résonance• Nouvelle résonance à 702 RPM

• Liée à l’ajout d’une raie excitant le mode (2,0)préalablement identifié

• Le motif de distribution du bobinage a un effet sur le niveau de puissance sonore de la machine


IV. ETUDE VIBROACOUSTIQUE : Harmoniques de saturation

• Non linéarité de la courbe B(H)

• Valeur de la tension ./ =0//

12

• Nouvelle raie acoustique près de l’harmonique de denture, de nombre d’onde 4 liée à la saturation

• Nombre d’onde �� % �� + 4� = 4

• Fréquence à vide 4 = 4�56

7+ 4

• Dans ce cas, pas de résonance mais peut en créer pour d’autres topologies

• ====

Raie de saturation

12

IV. ETUDE VIBROACOUSTIQUE : Harmoniques d’excentricités

Pas d’excentricité Excentricité statique Excentricité dynamique

Mouvement de rotation cylindrique

Mouvement de rotation conique

Combinaison des deux mouvements précédents

Nouvelle résonance

Spectre de puissance sonore pour une

excentricité statique de 10%

Nouvelle résonance

Spectre de puissance sonore pour une

excentricité dynamique de 15%


IV. ETUDE VIBROACOUSTIQUE : Harmoniques d’excentricités

Sonagramme pour une excentricité statique de 10% Sonagramme pour une excentricité dynamique de 15%

• L’excentricité statique module les excitations de denture par +/-1.

• L’excitation de nombre d’onde 8 = 2 est modulée et créé une excitation de nombre d’onde 3 entrant en résonance avec le mode (3,0).

• Excentricité dynamique = module les excitations à la fois en espace (comme la statique) et en temps.

• Dans le cas d’une excentricité dynamique, le mode est donc excité sur une plus large bande de fréquences.

IV. ETUDE VIBROACOUSTIQUE : Harmoniques de non circularité

Simulation d’un stator non-

circulaire avec 6 soudures

régulièrement espacées

• La non-circularité de l’entrefer peut être due à des effets:

� De segmentation� De soudure� De tolérance de conception� De déformations dues au poids� De dilatation thermique

Sonagramme de la machine initialeSonagramme de la machine non-circulaire

• Le sonagramme de la nouvelle géométrie est bien plus riche que celui de géométrie parfaitement circulaire


IV. ETUDE VIBROACOUSTIQUE : Harmoniques de MLI

Bruit « Haute » fréquence

• Présence de MLI : module l’ensemble des efforts magnétiques dans le temps par l’intermédiaire des courants

• Sur les sonagrammes : présence de raies en forme de « V » qui ne passent pas par l’origine si la fréquence de découpe est fixe (« asynchrone »)

• Ces raies peuvent exciter un mode de structure d’ordre 0 ou 2p (=6 dans notre cas)

• Leur excitation forcée augmente significativement le niveau sonore de la machine


V. CONCLUSION

• Bruit des systèmes de transports (automobile, ferroviaire, naval) = peut être dominé par un bruit électromagnétique

• Le niveau de bruit et de vibration d’origine magnétique dépend de paramètres de conception électrotechnique de commande : nombre d’encoches, niveau de saturation, stratégie d’alimentation…

• Des outils de simulations rapides comme MANATEE® permettent de prévoir l’effet de ces paramètres sur le niveau de bruit dès le stade de la conception


Merci pour votre attention

EOMYS ENGINEERING121, rue de Chanzy

59260 Lille-Hellemmes

www.eomys.comTel. : 09.81.36.63.46

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