Classification de l’origine des vibrations et du bruit des machines

représentent une part importante des consommateurs de puissance, Tableau 1. Les exigences liées aux accords internationaux et l’évolution des normes conséquentes, obligent les concepteurs à accroître la puissance massique des machines électriques. Cette direction de recherche innovante a engendré des modifications plus que notables, en termes de coûts de fabrication, de temps de conception, de volume et de choix de matériaux destinés à la fabrication de ces Moteurs.

De cause à effet, ces profonds changements et innovations technologiques participent à la problématique du bruit magnétique. Le bruit des moteurs électriques est tributaire de trois

14 _{dB(A) : Cette grandeur varie fortement au cours du temps, la lettre A correspond à une pondération des faibles}

fréquences <1kHz et hautes fréquences >5kHz afin de correspondre à la sensibilité le l’oreille moyenne normale.

Capacité vibratoire de la machine Capacité de rayonnement de la machine Rayonnement et transmission du son Propagation du son Aptitude de perception du son

Potentiel Propriétés et _{caractéristiques}

Forces d’excitation Vibrations Système auditif humain Bruit acoustique Bruits - solidien - aérien Armature Aimants Denture Hauteur culasse Causes Paramètres ac ti fs : Phén omènes mult i- physi ques Paramètres pas sifs du sy stème

Source de bruit des machines électriques Milieu de propagation Récepteur

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grandes sources émettrices, à des points de fonctionnements qui dépendent de la vitesse de rotation, de la charge, de la fréquence et la nature du système d’alimentation.

Ces sources sont d’origine aérodynamique, mécanique, électromagnétique [46],[47],[48] illustrées Figure 31. Les vibrations et le bruit des machines électriques sont liés à des phénomènes multi-physiques dont les causes constituent les entrées conceptuels plus ou moins contrôlables, comme les enroulements qui constituent le bobinage statorique (armature), les aimants sources d’excitation de la machine, la configuration et le dimensionnement de l’ensemble des constituants de la structure (culasse, encochage)… enfin le procédé de ventilation de l’ensemble qui peut être forcé au moyen d’un moto- ventilateur ou naturel (brasseur d’air solidaire de l’arbre rotorique).

1.4.1.1.1 Le bruit aérodynamique

Le bruit d’origine aérodynamique est créé par l’écoulement de l’air au travers de la structure de la machine, il augmente pour des fonctionnements à moyennes et hautes vitesses de rotation. Il est dépendant de la ventilation associée à l’arbre tournant et des pièces mises en mouvement, génératrices de turbulences. En effet, le bruit rayonné par l’ensemble du rotor solidaire du ventilateur génère un bruit dit « tonal » et à large bande comprise entre 100 Hz et 10kHz,[49]. La Figure 32 illustre un exemple du spectre acoustique d’un ventilateur effectué dans une chambre anéchoïque15_{, on y observe la présence de raies situées aux}

fréquences de passage des pales, 𝑓𝑝 et de ses harmoniques, 𝑓𝑝ℎ, [50]. Notons que la largeur de

bande est ici limitée à 4 KHz.

15 _{En acoustique la dénomination anéchoïque qualifie un local dont les parois sont construites de manière à absorber}

entièrement les ondes sonores qui les frappent.

Bruit généré par le moteur

Origines

sources Magnétique Mécanique Aérodynamique

Dû à la conversion

électromagnétique Dû aux constituants de la machine

Modes vibratoires naturels de la structure

Fonction de transfert: Énergie vibratoire vers Energie Acoustique

Risque d’Excitation

Pour le spectre ci-dessus représentatif de la pression acoustique, on peut considérer un bruit de sirène produit par les pales du ventilateur (tonalité pure), des conduites de ventilation éventuelles ou bien encore par les constituants, propres à la machine en mouvement. La fréquence de la tonalité pure produite par les pales peut être calculée par la relation (1.4.1).

𝒇_𝒑= 𝒌 𝑵_𝒑𝒏_𝒎 (𝟏. 𝟒. 𝟏)

Avec k= {1, 2, 3…} ; Np le nombre de pales, nm vitesse de rotation angulaire en tr/s.

1.4.1.1.2 Le bruit mécanique

Le bruit mécanique est généré par les vibrations occasionnées par l’ensemble des constituants de la machine. On retrouve principalement l’ovalisation du rotor, la torsion de la fusée, l’excentricité de l’arbre (problème de montage et/ou démontage) du rotor sur lequel sont empilées les tôles magnétiques et les aimants. Le couplage à la charge entrainée qui peut être rigide, élastique et/ou déporté, les contacts glissants s’ils existent, l’alignement des paliers…Les roulements à billes sont implantés dans les flasques, l’ensemble constitue les paliers qui supportent l’arbre. Ces roulements, généralement de bonne qualité, ne génèrent pas de bruit intrinsèque. Les vibrations sont générées directement ou indirectement par les paliers et de manière solidienne, transmises aux éléments voisins pour produire du bruit audible couramment appelé « bruit de roulement ». L’amplitude des vibrations et le niveau audible du bruit de roulement sont fortement liés aux changements de la vitesse de rotation et de la charge radiale exercée sur les roulements à billes [51].

Les relations (1.4.2) et (1.4.3) permettent de déterminer l’amplitude des vibrations et le niveau audible des paliers suivant la vitesse de rotation N et de la charge radiale Q, respectivement illustrées par les Figure 33 a-b.

𝜟𝑳_𝑵 = 𝟐𝟎 𝒍𝒐𝒈𝑵𝒏+𝟏

𝑵_𝒏 (1.4.2)

𝜟𝑳_𝑸= 𝟐𝟎 𝒍𝒐𝒈𝑸𝒏+𝟏

𝑸_𝒏 (1.4.3)

Figure 32: Analyse spectrale d’un ventilateur axial automobile [50].

fp fph

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(a) (b)

On peut remarquer que les amplitudes des vibrations liées aux variations de charge ont un impact moindre en termes de bruit de roulement par rapport celles à liées aux variations de vitesse. On peut également remarquer que pour des vitesses relativement basses (100< N<1000 tr/mn), le niveau de bruit de roulement peut atteindre une valeur importante.

Enfin, comme nous l’avions précisé auparavant, le bruit des moteurs électriques est tributaire de trois grandes sources : aérodynamique, mécanique, électromagnétique. Par la suite, on s’intéressera spécifiquement au bruit d’origine magnétique qui peut dominer les autres sources à basse vitesse dans le cadre d’utilisation de machines électriques à vitesse variable.