Méthodes numériques appliquées au calcul des vibrations d’origine électromagnétique : schémas de projection des efforts magnétiques et développement de modèles réduits

Numerical methods applied to the computation of electromagnetic vibrations : magnetic force projection and model reduction

• Auteur / Autrice : Raphaël Pile
• Direction : Yvonnick Le Menach, Guillaume Parent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 20/01/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance (L2EP) - Laboratoire d’Électrotechnique et d’Électronique de Puissance - ULR 2697 / L2EP
• Jury : Président / Présidente : Georges Barakat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yvonnick Le Menach, Guillaume Parent, Anouar Belahcen, Emeline Reboul, François Henrotte, Jean-Philippe Lecointe, Thomas Henneron, Jean Le Besnerais
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Georges Barakat, Anouar Belahcen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Harmoniques (ondes électriques)

Moteurs à aimants permanents

Bruit électromagnétique

Simulation par ordinateur

Vibrations

Bruit

Machines électriques

Mots clés libres

Forces électromagnétiques

Couplage magnéto-mécanique

Electrical machines

Magneto-mechanical

Vibration

Magnetic force

Résumé

La présence d’harmoniques de forces électromagnétiques dans les machines électriques est généralement source de bruit acoustique et de vibrations (B&V). Ce phénomène doit être considéré dès les premières phases de conception pour respecter les normes en matière de B&V, en particulier dans le secteur automobile. Le niveau de B&V s’obtient à partir d’une simulation multi-physiques basée sur des modèles électromagnétiques, mécaniques et acoustiques, de préférence rapides et précis de manière à l’inclure le plus tôt possible dans la phase de conception. Cette thèse CIFRE est partie intégrante du programme de recherche interne de la société EOMYS ENGINEERING, qui développe et commercialise son logiciel MANATEE dédié à la simulation électromagnétique et vibroacoustique des machines électriques. Dans ce contexte de modélisation, cette thèse porte sur la méthode électromagnétique semi-analytique des sous-domaines pour le calcul des harmoniques de forces 2D dans l’entrefer d’une large variété de machines électriques, et se concentre particulièrement sur la Machine Synchrone à Aimant Permanents en Surface (MSAPS) et la machine asynchrone à cage d’écureuil. La thèse s’intéresse également à deux verrous scientifiques concernant la contribution des forces tangentielles au niveau de vibration global, et l’effet de modulation des dents qui apparaît dans les machines avec un nombre proche d’encoches et de pôles. A cet effet, un banc d’essai comprenant une machine bruyante particulière (une MSAPS avec 12 encoches et 10 pôles) et l’instrumentation nécessaire a été conçu et réalisé. Le banc d’essai vise enfin à comparer les différents modèles utilisés couramment dans les simulations B&V.

The presence of magnetic stress harmonics inside the electrical machine is generally responsible for vibrations and acoustic noise generation. This phenomenon is called e-NVH (Noise, Vibrations and Harshness due to electromagnetic excitations) and has to be considered in the machine design to meet with NVH standard requirements, especially in automotive applications. The e-NVH assertion requires a multiphysics simulation including electromagnetic, mechanical and acoustic models, which must be fast and accurate especially for early design stages. This industrial PhD thesis takes part of the internal research program of EOMYS ENGINEERING company, which develops and commercializes MANATEE software, dedicated to the e-NVH simulation of electrical machines. In this modeling context, the present thesis investigates and extends the semi-analytical electromagnetic model, called Subdomain Method (SDM), for the computation of two-dimensional airgap magnetic stress harmonics in various topologies of electrical machines, mainly focusing on Surface Permanent Magnet Synchronous Machines (SPMSMs) and Squirrel Cage Induction Machines (SCIMs). The thesis also investigates two scientific open questions concerning the contribution of circumferential excitations to the overall vibration level and the slotting modulation effect, which appears in electrical machines with a close number of poles and teeth. For this purpose, an experimental test rig including a particular noisy machine (a SPMSM with 12 slots and 10 poles) and appropriate sensors has been designed and built. The test rig also aims at benchmarking the different multiphysics models currently used in e-NVH simulation workflow.