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]
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PLAN
I. PRESENTATION
II. BRUITS ELECTROMAGNETIQUES : DEFINITION
III. SIMULATION : LOGICIEL MANATEE®
IV. ETUDE VIBROACOUSTIQUE D’UNE MACHINE DE TRACTION
V. CONCLUSION
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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)
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II. BRUITS ELECTROMAGNETIQUES : DEFINITION
• 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
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II. BRUITS ELECTROMAGNETIQUES : DEFINITION
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 :
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II. BRUITS ELECTROMAGNETIQUES : DEFINITION
• 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
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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
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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)
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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
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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
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IV. ETUDE VIBROACOUSTIQUE : Harmoniques de saturation
• Non linéarité de la courbe B(H)
• Valeur de la tension ./ =0//
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• 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%
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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
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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
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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
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Merci pour votre attention
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