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Avantages et inconvénients de la MRV
L’atout majeur de la machine à reluctance variable est son rotor entièrement passif, constitué d’un simple empilement de tôles sur un arbre. L’absence d’aimants, de bobinages tournants ou encore de contact glissant rend la machine particulièrement robuste, simple à produire et économe en maintenance.
Cette robustesse fait de la MRV une bonne candidate pour l’accroissement de la puissance massique des machines par l’augmentation de leur fréquence de rotation. Sa composition exempte d’aimants permanents renforce ce positionnement en autorisant son fonctionnement dans des conditions sévères de température, l’extraction de la chaleur dissipée au rotor pouvant s’avérer délicate en haute vitesse.
Cependant la machine à reluctance variable présente aussi des défauts que sont l’ondulation du couple qu’elle délivre ainsi que son comportement vibratoire et acoustique médiocre. L’ondulation du couple peut être réduite par des optimisations structurelles
[7, 8] ou par l’optimisation de la commande [9, 10, 11] tandis que les vibrations et le bruit, principaux freins à une utilisation plus massive des MRV, font l’objet de diverses techniques de réduction qui seront exposées plus loin dans ce chapitre.
Critères haute vitesse pour les machines électriques
L’augmentation de la vitesse de rotation d’une machine engendre des problématiques :
1. de tenue mécanique du rotor tant du point de vue des contraintes d’inertie que des phénomènes de vibration en exion ;
2. d’accroissement des pertes magnétiques (non abordé dans ce document) ;
3. de complexication du guidage en rotation du rotor ;
4. d’élévation du niveau de bruit généré.
Suivant l’application visée, les dimensions de la machine, son environnement, … toutes ces contraintes n’ont pas la même importance. De fait il n’existe pas de critère numérique universel permettant de distinguer les machines dites haute vitesse des machines classiques. Néanmoins une dénition est proposée dans l’ouvrage [12] :
À chaque fois que la vitesse de rotation intervient comme contrainte majeure, de façon directe ou indirecte, dans la conception ou le dimensionnement de la machine électrique, on parle de machine haute vitesse.
Sur la base de cette dénition nous pouvons dénir quatre critères correspondant à chacune des problématiques énoncées ci-dessus.
Tenue mécanique du rotor
Les problématiques de tenue mécanique du rotor excluent d’emblée les machines à rotors bobinés du cadre des machines hautes vitesses. Si de plus on ne conserve que les machines utilisées industriellement, ne restent alors que les machines à rotors passifs (MRV, machine à commutation de ux), les machines asynchrones à cage d’écureuil et les machines synchrones à aimants. L’étude de la littérature sur les machines rapides fait ressortir deux problèmes majeurs relevant de la tenue mécanique du rotor : la résistance aux contraintes introduites par le phénomène de centrifugation et les vibrations de exion de l’arbre rotorique. Ces deux phénomènes sont expliqués sur un rotor dont la forme est dénie sur la gure 1.3.
Guidage en rotation
Les technologies de guidage en rotation sont usuellement divisées en deux catégories suivant qu’il y ait ou non un contact solide entre le rotor et le stator.
Les technologies sans contact sont des méthodes actives d’isolement du rotor à l’aide d’un gaz sous pression (palier aérostatique), d’un liquide sous pression (palier hydrostatique) ou d’un champ magnétique (palier magnétique). Ces technologies autorisent des vitesses relatives élevées (> 200 m=s pour les paliers magnétiques) mais nécessitent une alimentation en énergie et un contrôle qui en compliquent l’utilisation, en particulier dans les application embarquées.
Les machines électriques font généralement intervenir des technologies de guidage en rotation avec contact. Les paliers hydrodynamiques de par leur bonne résistance aux charges radiales et les faibles vitesses périphériques (< 20m=s) qu’ils admettent sont réservés aux machines lentes au rotor lourd ou subissant des chocs et/ou des vibrations (machines de bateaux et concasseurs par exemple).
Les solutions par frottement de roulement (roulement à billes, à rouleaux, etc) sont utilisées dans quasiment tous les cas de fonctionnement à petite ou moyenne puissance en environnement normal 1 . La limitation en vitesse des roulements est principalement liée à deux phénomènes : la dilatation thermique due à l’élévation de température du fait des pertes par frottement et la centrifugation des éléments roulants [14]. Diérents types de roulements peuvent être choisis en fonction de conditions de fonctionnement : les roulements classiques (bagues, cages et éléments roulants en acier) acceptent usuellement des vitesses de l’ordre de 30 mètres par seconde (d’après les données des constructeurs pour des roulement à billes à contact radial) ; pour des applications plus rapides des roulements hybrides (bagues en aciers, éléments roulants en céramique) ont été développées. Les céramiques utilisées sont plus légères que l’acier (réduction des eets de centrifugation) et présentent un coecient de frottement avec l’acier plus faible que celui d’un contact acier/acier [16, 17]. Les constructeurs de ces roulements indiquent des vitesses atteignables de l’ordre de 130 m/s.
Il existe également des roulements entièrement en céramique couramment utilisés dans les broches des machines d’usinage à grande vitesse mais rares en dehors de cette application : leur fragilité impose un cycle de chaue avant leur utilisation qui limite leur utilisation dans les autres usages.
La multitude de solutions disponibles et les eorts déployés par les constructeurs de roulements tendent à minimiser l’importance du problème posé par le guidage en rotation du rotor dans les machines électriques.
1. ie pour des machines ne travaillant pas dans le vide, en présence de gaz explosifs ou lorsque le risque de contamination du milieu impose d’isoler le rotor du stator
Bruit
Les nuisances sonores engendrées par une machine électrique sont fortement dépendantes de la technologie de machine employée, des conditions de fonctionnement, et du voisinage de la machine. Cette multitude de paramètres fait qu’il n’existe pas de critère « haute vitesse » concernant le bruit. On pourra simplement évoquer que, de manière générale, le bruit rayonné par une machine électrique croit avec sa fréquence de rotation.
Les nuisances sonores sont parmi les plus subies par les populations citadines, lesquelles évoluent dans un environnement où les machines électriques sont fortement présentes, aussi l’estimation et la réduction du bruit des machines électriques constitue un domaine de recherche très actif.
Machine étudiée
La machine servant de support à cette étude est représentée sur la gure 1.5 et les principales caractéristiques de son stator sont reportées dans le tableau 1.1. Cette machine qui peut atteindre des vitesses de rotation élevées (65 000 tr/min) sous des tensions faibles (< 60 V) a servi de support à des études de réduction de bruit magnétique au sein du SATIE [1].
Bruit des machines haute vitesse
Notions d’acoustique
Un son (ou un bruit dans sa version nuisible) est une uctuation de pression du milieu ambiant, l’air en ce qui nous concerne, autour de la pression ambiante. Il est communément admis que l’on peut entendre des sons dont la fréquence est incluse entre 20 Hz et 20 kHz et pour une amplitude de l’oscillation de pression supérieure à 20 Pa, qui dénit le seuil d’audibilité (dans l’air pour une fréquence de 1000 Hz, là où la sensibilité de l’oreille est la plus élevée). A l’opposée du seuil d’audibilité se trouve le seuil de douleur, atteint pour des uctuations de pression de l’ordre de 63 Pa.
Notions de psychoacoustique
L’objectif des études de réduction de bruit est de réduire une gène acoustique. Entre la génération d’un bruit et la gène qu’il provoque interviennent les mécanismes physiologiques de conversion du bruit en signaux interprétables par le cerveau et les mécanismes psychologiques d’interprétation du bruit. Ces phénomènes, plus subjectifs que ceux intervenant dans la génération du bruit, sont regroupés sous le terme de psychoacoustique.
Si l’utilisation d’une échelle logarithmique est adaptée pour la quantication des niveaux de pression acoustique en raison de leur étendue, elle est également justiée par la réponse physiologique à l’intensité d’un son qui se résume sous la loi de Weber-Fechner :
la sensation croît linéairement avec le logarithme de l’excitation [19]. Cependant la seule utilisation d’une échelle logarithmique ne sut pas à prendre en compte les diérences de sensibilité acoustique des individus en fonction de la fréquence des sons. C’est la raison pour laquelle des ltres de pondération ont été établis sur la base des lignes isophoniques, c’est à dire des courbes de niveaux de pression acoustique en fonction de la fréquence le long desquelles la sensation d’intensité sonore est ressentie comme étant la même [20]. Le plus connu et plus utilisé de ces ltres de pondération est le ltre A (voir gure 1.6), les niveaux sonores pondérés A sont notés dBA ou dB(A) .
Le caractère logarithmique du récepteur acoustique que constitue l’oreille a pour conséquence que, dans les études de réduction de bruit, on s’attaquera toujours, s’il en existe une, à la source sonore de plus forte intensité.
Soulignons qu’il est possible de construire des estimateurs de gène sonore plus élaborés que le niveau d’intensité acoustique pondéré en prenant en compte plus de paramètres psychoacoustiques tels que, par exemple, la tonalité ou les variations de fréquence et d’intensité [21].
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Table des matières
Introduction
1 État de l’art sur le bruit des machines rapides
1 Cadre de l’étude
1.1 Intérêt
1.2 Structure d’étude
1.3 Critères haute vitesse pour les machines électriques
1.4 Machine étudiée
2 Bruit des machines haute vitesse
2.1 Notions d’acoustique
2.2 Sources de bruit dans les machines
2.3 Importance relative des diérentes sources de bruit
3 Techniques de réduction de bruit
3.1 Bruit magnétique des MRV
3.2 Bruit aéroacoustique
4 Conclusion du chapitre
2 Mise en place de l’outil de calcul
1 Méthodes de calcul en aéroacoustique
1.1 Résolution directe
1.2 Méthodes hybrides
1.3 Modèle de bruit retenu
2 Analyse préliminaire
2.1 Simplications géométriques
2.2 Cavité entrainée
2.3 Procédure de calcul direct
2.4 Résultats de l’analyse préliminaire
2.5 Bilan
3 Calcul CFD avec Fluent
3.1 Géométrie et maillage
3.2 Paramètres solveur CFD et déroulement du calcul Bruit aéroacoustique des MRV
4 Évaluation du niveau de bruit
4.1 Développement de Hanson et Parzych
4.2 Atténuation du stator
4.3 Méthodes alternatives basées sur le couple aérodynamique
5 Implémentation du post-traitement
5.1 Méthodologie
5.2 Discrétisation
5.3 Sources compactes
5.4 Calcul du couple électromagnétique
6 Conclusion du chapitre
3 Étude expérimentale
1 Présentation du dispositif expérimental
1.1 Machine étudiée
1.2 Dispositif de mesure
1.3 Protocole
1.4 Éléments d’analyse vibratoire du stator
2 Origine du bruit mesuré
2.1 Analyse des spectres acoustiques et vibratoires
2.2 Comparaison spectres machine allumée / machine éteinte
2.3 Bilan
3 Niveaux de puissance acoustique
3.1 Analyse des données expérimentales
3.2 Comparaison entre mesures et estimations
3.3 Correction de l’outil
3.4 Estimateur de niveau de puissance acoustique à partir du couple aérodynamique
4 Exploitation de l’outil
1 Variations autour de la géométrie existante
1.1 Réduction de la saillance du rotor
1.2 Eet de l’entrefer
1.3 Bilan
2 Autres formes de rotors
2.1 Géométries testées
2.2 Bilan
Conclusion générale
A Paramètres utilisés pour l’étape de CFD
B Éléments de calculs pour le développement d’Hanson et Parzych
1 Dérivation de la fonction de Green harmonique en champ lointain
1.1 Fonction de Green en champ lointain
1.2 Gradient de la fonction de Green harmonique en coordonnées cart ésiennes
1.3 Gradient de la fonction de Green harmonique en coordonnées cylindriques
2 Identité de Jacobi-Anger
C Calcul du niveau de pression acoustique moyen
D Dispositif de commande de la MRV
1 Principe
2 Partie analogique
2.1 Estimation de la position
2.2 Génération des signaux de commande
3 Partie numérique
3.1 Bloc AsserOmega
3.2 Bloc VmaxTable
3.3 Bloc MrvSupply
Bibliographie
Bruit
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