Bruit électromagnétique dans les moteurs : définition, caractéristiques et causes

Bruit électromagnétique dans les moteursest un problème courant lors du fonctionnement du moteur. Il provient des ondes de force électromagnétiques générées par le champ magnétique alternatif dans l'entrefer entre le stator et le rotor, ainsi que de l'effet magnétostrictif du noyau de fer, qui induit des vibrations du noyau et du cadre de fer du stator et émet en outre du bruit. Distinct du bruit mécanique et du bruit aérodynamique, le bruit électromagnétique a des causes complexes et altère les performances opérationnelles des moteurs. Une compréhension approfondie de sa définition, de ses caractéristiques et de ses causes profondes constitue une condition préalable fondamentale à l'optimisation des performances du moteur et à la réduction du bruit. Plus précisément, il fait référence au bruit aérien rayonné vers l'extérieur lorsque des ondes de force électromagnétiques périodiques produites par le champ magnétique alternatif dans l'entrefer du stator - rotor déclenchent des vibrations forcées du noyau et du cadre du stator, ainsi qu'un bruit de vibration induit par l'effet magnétostrictif du noyau de fer.

Bruit électromagnétique dans les moteursse différencient clairement du bruit mécanique et du bruit aérodynamique par les caractéristiques typiques suivantes :

Une fois le moteur éteint, le rotor continue de tourner en raison de l'inertie, mais le bruit disparaît instantanément et complètement. Il s’agit de la méthode la plus simple pour distinguer le bruit électromagnétique des autres types de bruit. Lors des tests pratiques, la vitesse du moteur avant la coupure de courant doit être supérieure à la vitesse à laquelle un bruit électromagnétique suspecté se produit. Étant donné que la vitesse de rotation chute rapidement après une coupure de courant (en particulier pour les moteurs à aimants permanents), une vitesse d'arrêt relativement élevée est nécessaire pour garantir que la plage de vitesse de fonctionnement après la mise hors tension- couvre la plage de vitesse où le bruit électromagnétique apparaît.

Le bruit électromagnétique de basse-fréquence se présente généralement sous la forme d'un bourdonnement sourd et résonant principalement causé par des harmoniques de champ magnétique d'ordre inférieur- ; le bruit électromagnétique à haute -fréquence se manifeste par un sifflement ou un grincement aigu, qui provient principalement des harmoniques de modulation PWM, des harmoniques de fente et des harmoniques magnétiques d'ordre élevé-.

La résonance se produit lorsque la fréquence d'excitation des ondes de force électromagnétiques coïncide avec ou se rapproche de la fréquence de vibration naturelle du noyau et du châssis du stator, entraînant une augmentation exponentielle du niveau de bruit et entraînant un bruit anormal et intense.

Le mécanisme de formation du bruit électromagnétique suit la chaîne : distorsion du champ magnétique entrefer - → ondes de force électromagnétiques alternées → vibration structurelle forcée → rayonnement sonore, avec la distorsion du champ magnétique entrefer - comme cause principale.

1. Fluctuations de la force électromagnétique radiale induites par la distorsion du champ magnétique de l'entrefer

L'entrefer entre le stator et le rotor est le milieu central pour la transmission du champ magnétique à l'intérieur d'un moteur. Dans des conditions idéales, le champ magnétique de l'entrefer-suit une forme d'onde sinusoïdale standard avec des forces électromagnétiques uniformément réparties et symétriques, sans fluctuations périodiques, ne générant ainsi aucune vibration ni bruit. Cependant, dans les applications d'ingénierie pratiques, divers écarts de conception et de fabrication tels que l'appariement des emplacements des pôles, l'excentricité du stator et du rotor, les circuits magnétiques asymétriques et les courants de phase déséquilibrés déformeront le champ magnétique et généreront de nombreux champs magnétiques harmoniques. Lorsqu’ils se superposent au champ magnétique fondamental, ces champs harmoniques produisent des ondes de force électromagnétiques radiales d’ordres et de fréquences différents. Agissant comme des charges alternées périodiques sur les dents du stator et le noyau de fer, les forces radiales étirent et compriment continuellement la structure du stator pour induire des vibrations du stator à haute fréquence-. L'énergie vibratoire est transmise au châssis du moteur, agite l'air ambiant et forme finalement un bruit électromagnétique. Ce mécanisme principal représente plus de 80 % de l’énergie totale du bruit électromagnétique.

2. Excitation harmonique de fente provoquée par l'effet de fente

Des fentes usinées sur le stator et le rotor brisent l'uniformité des circuits magnétiques dans l'entrefer et déclenchent des champs magnétiques harmoniques dans les fentes. Les ouvertures des fentes du stator et du rotor entraînent des fluctuations périodiques de la densité de flux magnétique de l'entrefer, générant des forces électromagnétiques harmoniques des fentes avec des ordres fixes et des amplitudes stables. De telles forces harmoniques présentent des fréquences fixes et une forte capacité d'excitation, qui constituent la principale cause du sifflement électromagnétique à haute -fréquence dans les moteurs à aimants permanents et les moteurs à induction de petite et moyenne taille-. En particulier, lorsque les numéros d'encoches du stator et du rotor ne correspondent pas de manière raisonnable, l'amplitude des forces harmoniques des encoches augmente fortement, ce qui résonne facilement avec la structure du stator et aggrave les défauts de bruit. Par conséquent, la correspondance des emplacements du stator-rotor est un paramètre critique dans la conception du moteur. Cela doit être confirmé dès la phase de conception initiale, car les modifications ultérieures seront extrêmement difficiles.

3. Effet magnétostrictif et interférence des harmoniques de contrôle

D'une part, les tôles d'acier au silicium du noyau de fer du moteur subissent périodiquement de minuscules déformations d'expansion et de contraction sous des champs magnétiques alternatifs, connues sous le nom d'effet magnétostrictif. De telles -micro-déformations à haute fréquence entraînent des vibrations globales du noyau de fer et produisent un bourdonnement électromagnétique à basse -fréquence, particulièrement important dans les moteurs de grande-puissance dotés de noyaux de fer de grande-taille. D'autre part, les moteurs à vitesse variable-réglable en fréquence-sont alimentés par des convertisseurs de fréquence adoptant la modulation PWM. La modulation d'impulsions à ondes carrées-introduit d'abondantes harmoniques de tension et de courant à haute-fréquence, qui déforment davantage le champ magnétique de l'entrefer-, génèrent des ondes de force électromagnétiques à haute-fréquence et provoquent le bruit de sifflement unique à haute fréquence-des moteurs à fréquence variable-. De plus, l'excentricité de l'entrefer, la répartition asymétrique des enroulements, les erreurs de rotation des enroulements, la perméabilité magnétique incohérente des tôles d'acier au silicium et d'autres défauts aggraveront la distorsion du champ magnétique et intensifieront indirectement le bruit électromagnétique.

L'essence debruit électromagnétique dans les moteursLa réduction réside dans l’optimisation des harmoniques, parmi lesquelles les harmoniques de slot sont la priorité absolue. D'autres types d'harmoniques sont relativement plus faciles à optimiser et exercent une influence mineure sur le bruit électromagnétique. Les facteurs clés affectant les harmoniques des fentes comprennent l'appariement des pôles-, la largeur d'ouverture de la fente et la profondeur d'ouverture de la fente, qui doivent être évalués de manière exhaustive avec d'autres indicateurs de performances du moteur pendant la conception.