Contribution à l’étude du bruit acoustique d’origine magnétique en vue de la conception optimale de machines synchrones à griffes pour application automobile

par Antoine Tan-Kim

Thèse de doctorat en Génie Électrique : Unité de Recherche Laboratoire d'Électromécanique de Compiègne (LEC - EA 1006)

Sous la direction de Vincent Lanfranchi.

Soutenue le 04-12-2015

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) .


  • Résumé

    Cette thèse porte sur la simulation et la réduction du bruit acoustique d’origine magnétique des alternateurs à griffes ainsi que sur la compréhension des phénomènes mis en jeu dans la génération du bruit. La structure, les différents composants et les particularités du bruit acoustique de l’alternateur à griffes sont détaillés dans la première partie. La problématique ainsi que l’approche générale de cette thèse sont ensuite exposées. Cette approche se base sur la simulation du bruit acoustique d’origine magnétique. Un état de l’art des études sur le bruit acoustique d’origine magnétique des machines électriques est présenté dans la seconde partie. Les modèles électromagnétiques, mécaniques et acoustiques utilisés pour l’étude de ces machines ainsi que les principales solutions de réduction du bruit sont exposés. Les nouvelles approches de modélisation électromagnétique et vibro-acoustique de la machine à griffes sont développées dans la troisième partie. Deux modèles électromagnétiques sont étudiés : un modèle numérique qui repose sur l’utilisation de la méthode des éléments finis et un modèle hybride qui allie le modèle numérique à un modèle analytique. Ce dernier s’appuie sur la décomposition de l’induction magnétique dans l’entrefer en un produit d’une fonction de perméance avec une fonction de force magnétomotrice. Chaque fonction prend en compte les variations axiales dues à la géométrie des griffes. Ce modèle nécessite toutefois l’utilisation d’un modèle numérique afin de prendre en compte la saturation et les forces tangentielles. Un modèle mécanique purement numérique est ensuite construit. Il permet de prendre en compte la géométrie exacte des pièces ainsi que les contacts entre les pièces. Ce modèle mécanique est développé grâce à la corrélation avec des mesures et porte principalement sur trois parties de l’alternateur : le paquet de tôles du stator, le bobinage du stator et l’assemblage stator-paliers. Enfin, les simulations acoustiques avec les modèles numériques sont comparées aux mesures et permettent de retrouver les principaux pics de bruit des alternateurs. Dans la quatrième partie, des études de sensibilités sont menées afin de déterminer les paramètres les plus influents sur le bruit acoustique d’origine magnétique des machines à griffes. Ces études montrent l’influence importante de la géométrie du rotor, du bobinage stator et de la température sur le bruit. Les modifications de la structure ainsi que les imperfections étudiées (i.e. défauts de forme et excentricité) ont une influence moindre. Les caractéristiques des forces magnétiques ainsi que les influences des forces radiales et tangentielles sont ensuite exposées. Finalement, des exemples d’optimisation du rotor sont traités avec les deux modèles électromagnétiques (numérique et hybride). Un prototype est réalisé pour valider expérimentalement les résultats des simulations et un gain de 10 dB est obtenu sur la puissance acoustique.

  • Titre traduit

    Contribution to the study of audible magnetic noise for optimal design of claw-pole synchronous machines for automotive applications


  • Résumé

    This thesis aims at simulating and reducing the acoustic noise due to magnetic forces of claw-pole automotive alternators. It also aims at improving the understanding of the noise generation mechanisms. In the first part, the assembly of the claw-pole alternator and its different parts are described. The particularities of the acoustic noise of the alternator are also given. Then, the problem as well as the global approach, based on the vibro-acoustic simulation, are explained. The second part is a review of the studies on the acoustic noise from a magnetic origin of electrical machines. The models used to study these machines as well as the main noise reduction solutions are detailed. In the third part, new electromagnetic and vibro-acoustic models are developed. Two electromagnetic models are considered : a finite element model and a hybrid model which couples the finite element model with an analytical model. This analytical model computes the airgap magnetic flux density as the product of a permeance and a magnetomotive force functions. Each function takes the variations of the claw-pole geometry along the axial direction into account. Saturation and tangential forces are taken into account thanks to the finite element model. Then, a finite element mechanical model is developed. Three unknown parameters of the model are determined thanks to the correlation between the model and experimental data, namely : the equivalent materials of the stator stack and the windings and the contact conditions between the stator and the brackets. Finally, acoustic simulations are compared with measurements. A good correlation is achieved between simulated and measured noise peaks. In the fourth part, sensitivity studies are carried out in order to determine the most influential parameters on the acoustic noise of claw-pole alternators. These studies show the significant influence of the claw-pole geometry, the stator windings and the temperature on the acoustic noise. Structural modifications and studied faults have a smaller influence. Characteristics of the magnetic forces as well as the influences of radial and tangential forces are then detailed. In the end, optimizations with the finite element and the hybrid models are presented. A prototype is built and acoustic measurements show a 10 dB decrease of the sound power level.


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