Étude et optimisation du comportement vibro-acoustique des machines électriques : application au domaine automobile / Pierre Pellerey ; sous la direction de Vincent Lanfranchi et Guy Friedrich

Date :

Editeur / Publisher : [Lieu de publication inconnu] : [éditeur inconnu] , 2012

Type : Livre / Book

Type : Thèse / Thesis

Langue / Language : français / French

Catalogue Worldcat

Vibrations

Acoustique

Machines électriques

Automobiles

Optimisation mathématique

Modèles mathématiques

Éléments finis, Méthode des

Classification Dewey : 620.3

Lanfranchi, Vincent (19..-....) (Directeur de thèse / thesis advisor)

Friedrich, Guy (19..-....) (Directeur de thèse / thesis advisor)

Université de Technologie de Compiègne (Organisme de soutenance / degree-grantor)

École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) (Ecole doctorale associée à la thèse / doctoral school)

Résumé / Abstract : Cette étude s’intéresse au comportement vibro-acoustique des machines électriques dédiées à la traction automobile. Dans la littérature, l’étude vibro-acoustique des machines électriques repose généralement sur des formulations analytiques permettant de prédire, à la fois les forces magnétiques radiales d’entrefer à l’origine des déformations du stator, et les propriétés de mise en vibrations et de rayonnement acoustique de celui-ci. La présente contribution s’appuie aussi, dans une première partie, sur un certain nombre de développements analytiques, permettant de comprendre les propriétés des forces magnétiques et du comportement vibro-acoustique d’un stator. Dans un second temps, on utilise cependant des outils numériques de type éléments finis afin d’investiguer plus profondément les caractéristiques des différentes physiques et de leurs couplages. L’impact vibratoire des différentes composantes de l’excitation magnétique, radiales et tangentielles, au stator et au rotor et en fonction du point de fonctionnement sont par exemple clairement établies. On présente une méthodologie permettant de coupler des modèles éléments finis de type 2D magnétique et 3D structure afin de calculer précisément, et compte tenu des différentes voies de passages, les niveaux de vibrations d’origine magnétique d’une structure complexe de groupe moto-propulseur (structure comprenant une machine électrique synchrone à rotor bobinée, un réducteur et différents carters). Cette chaine de calcul couplée, validée expérimentalement sur une montée en régime complète, permettra de dépasser les limitations d’une modélisation analytique traditionnelle et mettra en évidence un certain nombre de phénomènes originaux. Cet outil numérique nous permettra d’investiguer l’impact vibro-acoustique d’un certain nombre de phénomènes physiques complexes comme les excentricités rotoriques, les harmoniques de courants, la composante tangentielle des efforts magnétiques et les vibrations rotoriques. L’étude de ces phénomènes mettra en évidence les variations de comportement vibro-acoustique entre un modèle parfait de machine simple, tel que généralement considéré dans les modélisations analytiques, et le comportement d’une structure complexe réelle. On propose finalement grâce à cet outil, un certain nombre d’optimisations du plan de tôles magnétique de la machine électrique permettant de réduire les niveaux vibro10 acoustique du groupe moto-propulseur. Ces optimisations, validées expérimentalement pour certaines d’entres elles, permettent d’établir qu’il existe des géométries permettant de réduire considérablement les niveaux acoustiques sans impacter les performances électrotechniques de la machine.

Résumé / Abstract : This study focuses on the vibro-acoustic behavior of the electrical machines dedicated to the automotive traction. The literature generally implies analytical formulations to predict both the air gap magnetic forces that deform the stator and the vibro-acoustic response of this one. In a first part, the present contribution also takes advantage of a certain amount of analytical developments to understand clearly the properties of the magnetic and vibro-acoustic phenomenon. However, numerical tools, such as finite element models, are used in a second part to investigate in details the characteristics of these two physics. We present a methodology to couple the 2D non-linear electromagnetic finite element model of the electrical machine to its associated 3D linear structural finite element model in an efficient way. The structural model takes into account, both the complexity of the complete power train (made of the wound rotor synchronous machine, the gearbox and different housings) and the different links between its elements (e.g. the contact between the rotor and the gearbox, the contacts between the housings ...). The results of this coupling, experimentally validated on a full run up with very good agreement (<5 dB), will allow to go over the limitations of the traditional analytical models and will highlight new phenomena. Then, this numerical tool will allow precisely investigating the vibro-acoustic impact of a certain amount of complex physic phenomena. Among which, the rotor dynamic eccentricities, the current supply harmonics, the tangential component of the air gap magnetic forces, the rotor vibrations... All these studies will demonstrate that the vibroacoustic behavior of a complex and real structure is far away from what is predicted by a simple model like generally used in the literature. Finally, we intend some optimizations of the electrical machine design to reduce the vibro-acoustic levels of the complete power train for the full working range. It is shown that it is possible to reduce in a significant way the vibrations without strongly affecting the machine performances.