Réduction des bruits et vibrations d'origine magnétique dans les machines synchrones par bobinage amortisseur

Reduction of electromagnetic noise and vibrations in synchronous machines using passive damper winding

• Auteur / Autrice : Sijie Ni
• Direction : Raphaël Romary, Bertrand Cassoret
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur Génie Electrique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 27/06/2023
• Etablissement(s) : Artois
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LSEE - Laboratoire Systèmes Electrotechniques et Environnement
• Jury : Président / Présidente : Vincent Lanfranchi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raphael Romary, Carole Henaux, Xavier Mininger, Frédéric Gillon, Bertrand Cassoret, Grégory Bauw, Jean Le besnerais
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carole Henaux, Xavier Mininger

Mots clés

Mots clés libres

Machines électriques

Bruit et vibrations

Bobinage

Machines synchrones

Amortisseur

Electrical machines

Noise and vibrations

Winding

Synchronous machines

Damper

Résumé

Cette thèse de doctorat présente une méthode passive de réduction des bruits et vibrations dans les machines synchrones à aimants permanents (MSAP), utilisant un enroulement amortisseur connecté à des condensateurs. Le principe est d'ajouter un enroulement auxiliaire dans les encoches du stator, court-circuité via des condensateurs externes. L'objectif du système amortisseur passif est de réduire les composantes harmoniques d’induction dans l'entrefer, réduisant ainsi les bruits et vibrations d’origine magnétique, en particulier les composantes aux hautes fréquences induites par la MLI. Tout d'abord, la thèse présente les origines du bruit et des vibrations ainsi que les méthodes existantes de réduction dans les machines électriques. En analysant des scénarios d'application complexes, la thèse met en évidence les avantages du système amortisseur passif. Deuxièmement, le modèle analytique des MSAP avec un système amortisseur est établi et des circuits électriques équivalents sont proposés dans le repère dq0. Troisièmement, des calculs analytiques basés sur des circuits électriques sont effectués et comparés aux simulations numériques par éléments finis pour étudier l'impact du système amortisseur dans les MSAP. Les résultats expérimentaux confirment l'efficacité du système et valident les études théoriques. Le niveau de bruit est réduit d'environ 6 à 14dB sous différentes conditions de fonctionnement. Il est constaté que le système amortisseur a un impact négatif sur le rendement de la machine et que l'enroulement amortisseur occupe inévitablement de l'espace dans les encoches du stator. Une étude d'optimisation paramétrique est ensuite réalisée pour étudier l'impact des différents facteurs sur le système amortisseur et sa performance sur la réduction du bruit et des vibrations. Une optimisation multi-objectifs basée sur le modèle analytique est finalement proposée pour équilibrer le volume de cuivre de l'amortisseur, l'effet de réduction du bruit et les pertes supplémentaires dues au système amortisseur, ce qui peut étendre l'application du système.

This Ph.D. dissertation introduces a passive method for noise and vibration reduction in Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSMs), using a damper winding connected to capacitors. The principle is to add an auxiliary winding into stator slots, short-circuited via external capacitors. The objective of the passive damper system is to reduce harmonic components in the air gap flux density, thus reducing electromagnetic noise and vibrations, especially PWM-induced high frequency components. First, the dissertation introduces the origins of noise and vibrations as well as existing NVH reduction methods in electrical machines. By analyzing complex application scenarios, the dissertation highlights the advantages of the passive damper system. Secondly, the analytical model of PMSMs with a damper system is established and equivalent electrical circuits are proposed in the dq0 frame. Thirdly, analytical computations based on electrical circuits are performed and compared to numerical FEM simulations to investigate the impact of damper system in PMSMs. Experimental results confirm the effectiveness of damper system and validate theoretical studies. The noise level is reduced by about 6 to 14dB under different operating conditions. It is found that the damper system has an impact on machine efficiency and damper winding slightly takes up stator slot space. A parametric optimization study is performed to investigate the impact of different factors on damper system and its NVH reduction performance. A multi-objective optimization based on the analytical model is finally proposed to balance damper copper volume, NVH reduction effect and additional machine losses due to damper system, which can further extend the application of passive damper system.