Contribution à l’étude des couplages électro-magnéto-mécaniques pour l’acoustique des machines électriques d’un système de ventilation aéronautique

Contribution to the electro-magneto-mechanic strong coupling in the study of vibration of electrical motors of aeronautic ventilation systems

• Auteur / Autrice : Nicolas Abdelnour
• Direction : Vincent Lanfranchi, Jean-Daniel Chazot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Électrique : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (FRE UTC - CNRS 2012)
• Date : Soutenance le 19/09/2021
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ventilation

Modèles mathématiques

Multiphysique

Maxwell, Équations de

Éléments finis, Méthode des

Traitement du signal

Spectroscopie

Lutte contre le bruit

Électromagnétisme

Vibrations

Rotors

Moteurs électriques

Génie acoustique

Électromécanique

Mots clés libres

Ingénierie électro-mécanique

Modélisation

Modélisation analytique

Simulation multiphysique

Vibro-acoustique

Analyse spectrale

Méthode des sous-domaines

Electro-mechanical engineering

Mathematical models

Analytical modeling

Multiphysics simulation

Electric motors

Rotors

Acoustic

Vibration

Noise control

Spectral analysis

Signal processing

Subdomain method

Finite element method

Electromagnetism

Maxwell equations

Ventilation

Résumé

Le bruit ambiant entendu par les passagers d’un avion civil peut atteindre quatre-vingts décibels et être très dérangeant pour certains. Celui-ci provient en partie des systèmes de ventilation dont l’acoustique est devenue, ces dernières années, un critère important du cahier des charges pris en compte dès la conception. Il apparaît depuis quelques années de plus en plus de phénomènes de bruits d’origines électromagnétiques. Certains cas pratiques laissent à croire qu’ils pourraient être dues à l’installation de la ligne d’arbre dont le comportement dynamique générerait des excentricités. L’objectif des travaux présentés dans ce manuscrit est de proposer une modélisation analytique pour simuler la dynamique du rotor d’un moteur synchrone lorsque celui-ci est exposé aux forces électromagnétiques en jeu dans l’entrefer. Cette modélisation multiphysique permettant de simuler ces phénomènes se fait par le couplage de deux modèles : 1) Un modèle électromagnétique de calcul des forces électromagnétiques dans l’entrefer qui s’appliquent au rotor. L’induction magnétique dans l’entrefer est obtenue par la méthode des sous-domaines afin d’en déduire les pressions de Maxwell. 2) Un modèle mécanique du comportement dynamique de la ligne d’arbre exposée à ces forces. Le rotor est modélisé comme une poutre 1D de Timoshenko dont l’équation du mouvement d’un système gyroscopique dissipatif soumis à une résultante des pressions de Maxwell est résolue. Cette équation est résolue en temporel par un schéma aux différences finies de Crank-Nicholson. Le calcul complet se fait par le couplage fort multi-physique des deux modèles des calculs électromagnétiques et mécaniques qui s’alternent puisqu’ils modifient chacun à tour de rôles les données d’entrée de l’autre. Les résultats du modèle couplé ont permis la compréhension du mécanisme de création de phénomènes vibro-acoustiques observés expérimentalement sur les équipements. La finalité industrielle est de mieux maîtriser les tolérances et les paramètres qui conditionnent la naissance de ces vibrations et bruits indésirables (et donc de les éliminer) pour tendre vers des produits plus silencieux.

The noise heard by passengers on airplanes can reach eighty decibels and become a real burden. This noise mainly comes from the ventilation system. The acoustic of such sys-tems has become, during the past years, an important requirement of the specifications, and is taken into consideration in the design phase. Lately, many vibroacoustic phenomena seem to have an electromagnetic cause. Re-cent experiments have highlighted in the importance of the coupling between the shaft vibra-tions and the electromagnetic forces induced in the motor. It seems that those phenomena are due to the shaft implementation which dynamic behavior generates eccentricities. The aim of this work is to make an analytical model to simulate the dynamic of a synchronous motor rotor when it is exposed to the electromagnetic forces induced in the airgap. This multi-physic computation is made by coupling two models: 1) An electromagnetic model that computes the electromagnetic forces induced in the airgap that are applied to the rotor. The magnetic flux density is obtained with the subdomain method to deduct Maxwell pressure. 2) A mechanical model that computes the dynamic behavior of the rotor shaft when it is subjected to those electromagnetic forces. The rotor shaft is modeled as a 1D Timoshenko beam. Its motion equation is solved in temporal using the Crank Nicholson finite differential scheme. By coupling these two models, we obtain a strong and multi-physic complete compu-tation. The electromagnetic and mechanical computation steps alternate and the output data of one model is as an input data by the other model. The multi-physic results allowed the comprehension of the creation mechanism of some vibro-acoustic phenomena that appear during tests on fans. The industrial aim is to have a better control of the parameters that create high vibration and noise (and eliminate them) and tend towards quieter products.