2) Modélisation et optimisation électro-vibro-acoustique d’une machine
asynchrone appliquée à la traction ferroviaire’ (définition d’un nouveau rotor)
ANNEXES
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Lien avec les paragraphes (partie II §II.2. et II.3)
L’étude proposée a été réalisée dans le cadre de la thèse de Mr AIT-HAMMOUDA Amine [ref.] en relation avec Alstom-Transport ‘Ornans’ dans le cadre d’une convention CIFRE [Th.2].
Ces travaux ont été réalisés en partenariat avec l’IEMN et plus particulièrement M. Goueygou, Maître de Conférences au dépt. électronique et vibro-acoustique.
La problématique du bruit dans les transports ferroviaires est rappelée ainsi que les objectifs, puis le choix de l’approche est proposé. Enfin, de nombreuses comparaisons ont pu être effectuées par l’intermédiaire d’Alstom.
a) Contexte et objectif
Les moteurs de traction ferroviaire d’Alstom-Transport sont fabriqués sur le site d’Ornans (près de Besançon). Il est important de noter que le marché du ferroviaire reste encore un marché de petite série et que chaque contrat nécessite un développement nouveau ou une adaptation d’un moteur existant.
Il faut savoir qu’à l’heure actuelle, les moteurs de traction sont soumis à des normes acoustiques drastiques, chaque élément de la chaîne de traction recevant une allocation au niveau acoustique. Dans ce contexte, ALSTOM-Transport a pour objectif d’améliorer significativement le dimensionnement acoustique des systèmes de traction via la recherche du meilleur compromis entre acoustique, thermique et rendement électrique.
C’est un enjeu majeur de la compétitivité des matériels roulants ferroviaires. A titre d'exemple, à pleine vitesse train, le bruit des moteurs de traction auto-ventilés peut être du même niveau sonore que celui du contact roue-rail, voisin de 110 dBA;
Par conséquent, il est fondamental pour Alstom-Transport de disposer d’un modèle d’aide à la conception permettant de s’assurer, dès cette phase, de la fiabilité d’un nouveau moteur. En effet, Le fonctionnement du moteur asynchrone, la plus part du temps à vitesse variable, s’accompagne d’une production inévitable de vibrations. Celles-ci peuvent être gênantes pour la machine elle-même mais aussi pour son environnement. Il est donc nécessaire pour le constructeur de tenir compte du bruit et des vibrations dès la phase de conception.
Ainsi, les conceptions mécanique et électromagnétique ne peuvent plus se mener indépendamment et la conception des machines requiert une approche multi-physique.
Des outils et méthodes d'analyse existants permettent effectivement d’étudier ces phénomènes couplés, comme par exemple la Méthode des Eléments Finis (M.E.F) en magnétodynamique avec couplage circuit. Cependant, l’enchaînement de ces modèles électromagnétiques, vibro-acoustique ou thermiques utilisant la M.E.F demande des temps de calculs considérables surtout dans le cas d’un couplage ‘fort’. Ceci est d’ailleurs renforcé dans le cas d’une optimisation de la structure.
Notre objectif concerne la conception électromagnétique d’une machine asynchrone de traction ferroviaire d’une puissance élevée sous contraintes de minimisation du bruit aérien rayonné.
résultats de comparaisons sur trois rotors différents de 28 (machine initiale) – 26 (rotor disponible) et le 44 encoches (Zr).
Mesures vibratoires sur 3 rotors (réalisation d’un rotor 44 encoches [Th.2])
Mesures acoustiques sur 3 rotors
Ces mesures ont permis de valider notre modèle. Les résultats obtenus sur le rotor à 44 encoches montrent qu’effectivement, nous pouvions améliorer la machine existante (36-28).
Le RdP se base sur une perméance globale présentée en partie II §II.2.4. Le couplage vibro-acoustique est détaillé au §II.3.
ANNEXES
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b) Choix de l’approche
Dans le but de répondre à ce problème, un développement de modèles multi-physiques de type analytique doit être privilégié dans le cadre d’une démarche de conception de machines moins bruyantes.
Il nous faut développer des modèles paramétrés électromagnétiques couplés aux modèles vibratoire et acoustique. En effet, se limiter à la détermination des forces est inutile au niveau acoustique. Vous pouvez réduire l’amplitude des harmoniques les plus importants sans pour autant réduire le niveau acoustique. Il suffit par exemple d’une amplitude très faible pour un harmonique de rang quelconque mais avec un mode faible (mode 2 par exemple) pour obtenir un niveau acoustique élevé. Il suffit pour cela que ce mode forcé correspond à une fréquence naturelle et à un mode identique de la structure.
De plus, il paraît inutile d’augmenter l’épaisseur de la culasse, cela pouvant dans le cas d’une application à vitesse variable augmenter le niveau acoustique de la machine.
En conclusion, savoir quelle raie réduire ne nécessite pas de connaître précisément son amplitude. Sa fréquence, par contre, doit être parfaitement déterminée.
c) Description de la machine étudiée
Les machines réalisées par Alstom-Transport sont à 90% des machines de type asynchrone. La gamme de puissance étudiée varie de 100 à 700kW.
Figure 12 : Machines asynchrones appliquées à la traction ferroviaire.
Les machines asynchrones de traction chez Alstom-Transport sont à 80% à rotor droit du fait de leur conception (vrillage après réalisation du rotor complet).
Différentes machines ont été étudiées de 250 à 750kW. La description des paramètres et quelques résultats sont fournis au §III.2.1.2. Nous donnons ci-dessous uniquement les résultats de mesures suite à la réalisation d’un nouveau rotor comparé à des rotors existants [Th. 2].
Les résultats présentés ci-dessous sont repris de la thèse d’Amine Ait-Hammouda et concerne une machine de 250kW. Un prototype a été réalisé avec un stator comprenant 36 encoches stator (Zs) et un nouveau rotor comprenant 44 encoches. Nous présentons ci-dessous les
Montage d’un rotor de machines de traction Banc expérimental pour machines de traction
Prediction of the electromagnetic noise of an asynchronous machine using experimental designs.
M.Hecquet, A.Ait-Hammouda, M.Goueygou*, P.Brochet, A.Randria**. L2EP, Ecole Centrale de Lille, BP48, 59651 Villeneuve D'Ascq Cedex, France
* IEMN(vibro-acoustic dept.) Ecole Centrale de Lille. ** ALSTOM-TRANSPORT ORNANS.
e-mail: michel.hecquet@ec.lille.fr, ait-hammouda.amine@ec.lille.fr
Abstract – The aim of this paper is to use an analytical multi-
physical model - electromagnetic, mechanic and acoustic - in order to predict the electromagnetic noise of an asynchronous machine. This machine operating at variable speed generates vibrations that can be harmful for the machine itself and its environment. Thus, it is necessary for the manufacturer to take into account noise and vibration at the design stage. Acoustic measurements are performed in order to validate our multi- physical model. Afterwards, the experimental design method is used to build response surfaces of the noise with respect to the main factors.
INTRODUCTION
The majority of electric machines function at variable speed which generally induces noise and vibrations for a speed or a given frequency. For manufacturing industries but also with the increasingly rigorous European standards, it is necessary to take into account noise and vibration at of the design stage.
A classical method to study electromagnetic phenomena is the finite element method (F.E.M) in magneto-dynamics, including coupling circuit. However, in the case of strong coupling, taking into account the electromagnetic, vibro-acoustic, and thermal models at the same time would need a considerable computing time. This would make the structure optimization practically impossible. In order to solve this problem, an analytical multi-physical approach is considered instead. The aim of this work is to develop and use an analytical multi-physical model - electromagnetic, mechanic and acoustic - of an asynchronous machine.
The complete model was coded using data- processing tool MATLAB, making it possible to obtain a fast and simple prediction model of the acoustic noise. Three models are presented: electromagnetic, mechanical and acoustic. For each part, comparisons with F.E.M. results and experiments have been made.
Lastly, a study of sensitivity is presented in order to deduce the influential - or significant - factors on the noise. For that, the technique of the experimental designs is used. More particularly, the modelling of the noise will be achieved. Several response surfaces are given; they represent the noise according to influential factors, with respect to different speeds of the machine. These surfaces are useful to deduce the parts of the
ELECTROMAGNETIC MODEL OF THE ASYNCHRONOUS MACHINE
A. Induction and force in the air-gap
The method considered for calculation of induction in the air-gap is based on the product between the perméance of air-gap Λ and the magnetomotive force:
(1)
The goal is to determine the analytical expressions of the magnetomotive force and the permeance, by considering the different harmonics due to the winding and the stator rotor slots, responsible of the origin of the electromagnetic noise in electrical machines.
B. Analytical expression of the permeance.
The air-gap permeance is related to the geometry of the stator - rotor slots:
1) permeance related to the stator slots : The air-gap
permeance limited by a stator with slots and smooth rotor is given by:
(2) Where αs is the angular position compared to the axis of stator reference, Ns the number of stator slots per pair of pole.
2) permeance related to the rotor slots : The air-gap
permeance limited by a rotor with slots and one smooth stator is given by :
(3) Where θd is defined relative to the axes of two
reference teeth, one for the stator and one for the rotor and Nr the number of rotor slots per pole pair.
ANNEXES