Cette thèse porte sur la simulation et la réduction du bruit acoustique d'origine magnétique des alternateurs à griffes ainsi que sur la compréhension des phénomènes mis en jeu dans la génération du bruit. La structure, les différents composants et les particularités du bruit acoustique de l'alternateur à griffes sont détaillés dans la première partie. La problématique ainsi que l'approche générale de cette thèse sont ensuite exposées. Cette approche se base sur la simulation du bruit acoustique d'origine magnétique. Un état de l'art des études sur le bruit acoustique d'origine magnétique des machines électriques est présenté dans la seconde partie. Les modèles électromagnétiques, mécaniques et acoustiques utilisés pour l'étude de ces machines ainsi que les principales solutions de réduction du bruit sont exposés. Les nouvelles approches de modélisation électromagnétique et vibro-acoustique de la machine à griffes sont développées dans la troisième partie. Deux modèles électromagnétiques sont étudiés : un modèle numérique qui repose sur l'utilisation de la méthode des éléments finis et un modèle hybride qui allie le modèle numérique à un modèle analytique. Ce dernier s'appuie sur la décomposition de l'induction magnétique dans l'entrefer en un produit d'une fonction de perméance avec une fonction de force magnétomotrice. Chaque fonction prend en compte les variations axiales dues à la géométrie des griffes. Ce modèle nécessite toutefois l'utilisation d'un modèle numérique afin de prendre en compte la saturation et les forces tangentielles. Un modèle mécanique purement numérique est ensuite construit. Il permet de prendre en compte la géométrie exacte des pièces ainsi que les contacts entre les pièces. Ce modèle mécanique est développé grâce à la corrélation avec des mesures et porte principalement sur trois parties de l'alternateur : le paquet de tôles du stator, le bobinage du stator et l'assemblage stator-paliers. Enfin, les simulations acoustiques avec les modèles numériques sont comparées aux mesures et permettent de retrouver les principaux pics de bruit des alternateurs. Dans la quatrième partie, des études de sensibilités sont menées afin de déterminer les paramètres les plus influents sur le bruit acoustique d'origine magnétique des machines à griffes. Ces études montrent l'influence importante de la géométrie du rotor, du bobinage stator et de la température sur le bruit. Les modifications de la structure ainsi que les imperfections étudiées (i.e. défauts de forme et excentricité) ont une influence moindre. Les caractéristiques des forces magnétiques ainsi que les influences des forces radiales et tangentielles sont ensuite exposées. Finalement, des exemples d'optimisation du rotor sont traités avec les deux modèles électromagnétiques (numérique et hybride). Un prototype est réalisé pour valider expérimentalement les résultats des simulations et un gain de 10 dB est obtenu sur la puissance acoustique.

Dans un contexte automobile électrique et hybride, la part des machines synchrones à aimants permanents s'est accrue exponentiellement. Cette évolution s'accompagne d'exigences en termes d'émissions vibro-acoustiques. En termes de dimensionnement de la chaîne de traction, l'analyse multiphysique du moteur s'avère être un enjeu crucial pour son développement. La nécessité de disposer de codes informatiques de conception possédant des temps de calcul faibles pour une précision maximale se fait ressentir pour l'exploration de solutions potentiellement performantes dans les premières étapes du processus de dimensionnement. A ce titre, les aspects vibratoires et acoustiques sont modélisés analytiquement et par éléments finis dans la présente thèse. Ainsi, au moyen du modèle magnétique, l'analyse magnéto-vibro-acoustique faiblement couplée (résolution itérative des différentes physiques) peut être réalisée.La thèse est découpée en quatre parties. La première expose un état de l'art sur les émissions vibro-acoustiques des machines et notamment la modélisation du bruit d'origine magnétique. Les problématiques de la modélisation sont détaillées. Dans une deuxième partie, les modèles sont largement décrits. Les modèles éléments finis sont validés expérimentalement. Une troisième partie se propose de valider les modèles analytiques par éléments finis, en complexifiant progressivement la géométrie d'une machine à aimants montés en surface à flux radial. Enfin, la dernière partie utilise les modèles éléments finis pour étudier des machines non-conventionnelles comme les machines à commutation de flux et les machines à aimants en surface à flux axial.

EN MATIERE D'ENTRAINEMENTS ELECTROMECANIQUES, LES ACHATS INDUSTRIELS S'ORIENTENT PRINCIPALEMENT VERS LES MACHINES ELECTRIQUES ASYNCHRONES QUI SONT REPUTES POUR LEUR ROBUSTESSE ET UN ENTRETIEN QUASI INEXISTANT. DESORMAIS, CES MACHINES SONT DE PLUS EN PLUS SOUVENT, NON PAS ALIMENTEES DIRECTEMENT PAR UN RESEAU POLYPHASE MAIS A L'AIDE D'UNE ELECTRONIQUE DE PUISSANCE. CETTE ALIMENTATION PERMET UN MEILLEUR CONTROLE DE LA MACHINE - COUPLE ET VITESSE DE ROTATION - AU RISQUE CEPENDANT D'UNE FORTE AUGMENTATION DU BRUIT ACOUSTIQUE. NOUS AVONS TENTE DE REDUIRE CES NUISANCES SONORES EN CONTROLANT A LA SOURCE LE COMPORTEMENT VIBRO-ACOUSTIQUE DE LA MACHINE, C'EST-A-DIRE EN CONTROLANT LES SOURCES DE VIBRATIONS D'ORIGINE ELECTROMAGNETIQUE. APRES AVOIR DECRIT LES DIFFERENTES STRATEGIES DE CONVERSIONS STATIQUES, NOUS AVONS MODELISE LE COMPORTEMENT ELECTROMECANIQUE D'UNE MACHINE ALIMENTEE PAR UN CONVERTISSEUR DE PUISSANCE. NOUS ANALYSONS ENSUITE LE COMPORTEMENT VIBRATOIRE DE LA MACHINE, PUIS ESTIMONS SON RAYONNEMENT SONORE. LES MODELES ETANT COMPLEXES, UNE IMPORTANTE VERIFICATION EXPERIMENTALE A ETE ENTREPRISE A TOUS LES STADES : MESURE DES TENSIONS, COURANTS, COUPLES, VIBRATIONS ET PRESSIONS ACOUSTIQUES. NOTRE TRAVAIL A CONSISTE A DEVELOPPER DES OUTILS, A LA FOIS, SIMPLES ET SUFFISAMMENT PRECIS, POUR ETRE UTILISABLES LORS DES PHASES DE PRE-DIMENSIONNEMENT DE L'ENSEMBLE MACHINE ASYNCHRONE-CONVERTISSEUR STATIQUE. CE TRAVAIL DOIT, NON SEULEMENT, PERMETTRE AU CONCEPTEUR DE MACHINE D'INTRODUIRE DANS CES PARAMETRES LA NOTION DE BRUIT, MAIS EGALEMENT, A L'ELECTRONICIEN DE PUISSANCE D'ADAPTER SA STRATEGIE DE COMMANDE ET DE CONVERSION STATIQUE A LA MACHINE DANS UNE PERSPECTIVE DE REDUCTION DU BRUIT.

Cette étude s’intéresse au comportement vibro-acoustique des machines électriques dédiées à la traction automobile. Dans la littérature, l’étude vibro-acoustique des machines électriques repose généralement sur des formulations analytiques permettant de prédire, à la fois les forces magnétiques radiales d’entrefer à l’origine des déformations du stator, et les propriétés de mise en vibrations et de rayonnement acoustique de celui-ci. La présente contribution s’appuie aussi, dans une première partie, sur un certain nombre de développements analytiques, permettant de comprendre les propriétés des forces magnétiques et du comportement vibro-acoustique d’un stator. Dans un second temps, on utilise cependant des outils numériques de type éléments finis afin d’investiguer plus profondément les caractéristiques des différentes physiques et de leurs couplages. L’impact vibratoire des différentes composantes de l’excitation magnétique, radiales et tangentielles, au stator et au rotor et en fonction du point de fonctionnement sont par exemple clairement établies. On présente une méthodologie permettant de coupler des modèles éléments finis de type 2D magnétique et 3D structure afin de calculer précisément, et compte tenu des différentes voies de passages, les niveaux de vibrations d’origine magnétique d’une structure complexe de groupe moto-propulseur (structure comprenant une machine électrique synchrone à rotor bobinée, un réducteur et différents carters). Cette chaine de calcul couplée, validée expérimentalement sur une montée en régime complète, permettra de dépasser les limitations d’une modélisation analytique traditionnelle et mettra en évidence un certain nombre de phénomènes originaux. Cet outil numérique nous permettra d’investiguer l’impact vibro-acoustique d’un certain nombre de phénomènes physiques complexes comme les excentricités rotoriques, les harmoniques de courants, la composante tangentielle des efforts magnétiques et les vibrations rotoriques. L’étude de ces phénomènes mettra en évidence les variations de comportement vibro-acoustique entre un modèle parfait de machine simple, tel que généralement considéré dans les modélisations analytiques, et le comportement d’une structure complexe réelle. On propose finalement grâce à cet outil, un certain nombre d’optimisations du plan de tôles magnétique de la machine électrique permettant de réduire les niveaux vibro10 acoustique du groupe moto-propulseur. Ces optimisations, validées expérimentalement pour certaines d’entres elles, permettent d’établir qu’il existe des géométries permettant de réduire considérablement les niveaux acoustiques sans impacter les performances électrotechniques de la machine.

Les travaux présentés dans ce mémoire traitent de la modélisation numérique dans l'hypothèse bidimensionnelle des phénomènes couples magneto-elastiques dans les dispositifs electromagnetiques. L'objectif est particulièrement cible a l'étude théorique et expérimentale des vibrations d'origine magnétique dans les machines a reluctance variable a double saillance. Dans le but de quantifier la réponse vibratoire d'une telle machine, nous avons introduit dans un code de calcul du champ magnétique, base sur la méthode des éléments finis, un module qui permet la détermination de la répartition des forces magnétiques locales pour calculer les déformations mécaniques résultantes. Le choix de la méthode de calcul de force magnétique, qui se base sur l'application locale du principe des travaux virtuels, a été justifie par la précision de cette méthode, sa generalite (milieux satures) et sa souplesse de mise en ouvre. L'analyse spectrale des forces magnétiques nous a permis de prédire quelles sont les modes de vibrations qui vont être excites. Le calcul du spectre des vibrations a été réalise en cherchant la solution de l'équation d'équilibre relative a chaque harmonique de force. Une analyse modale a été aussi effectuée pour déterminer les fréquences de résonance et les modes de vibrations associées. Parallèlement a cette approche numérique, nous avons analyse expérimentalement, en se basant sur des mesures accelerometriques, le comportement vibratoire de la machine. Grâce a cette analyse, nous avons pu valider le code de calcul des vibrations ainsi développe. L'ensemble de ces travaux a montre que la source principale du bruit acoustique, ou des vibrations qui le produisent, dans la machine d'étude réside sur l'action des forces magnétiques radiales d'attraction des dents statoriques et rotoriques en particulier lorsque celles-ci sont en conjonction. A la fin de ce mémoire, nous avons mis au point un modèle de couplage fort qui permet la résolution simultanée des problèmes couples magneto-elastiques. Ce type de modèle trouve son importance dans le cas ou les propriétés magnétiques et élastiques sont en forte interaction. Nous avons spécialement évoque dans cette partie le calcul des déformations des matériaux fortement magnétostrictifs et la résolution des problèmes de grandes déformations élastiques

Afin de définir une conception optimale d'un système électromécanique, celui-ci doit intégrer des contraintes toujours plus drastiques et de nombreux phénomènes physiques issus de : l'électromagnétique, l'aérothermique, l'électronique, la mécanique et l'acoustique. L'originalité de cette thèse est de proposer une modélisation multi-physique pour la conception reposant sur des modèles à constantes localisées : solution intermédiaire entre la modélisation analytique et numérique. Ces différents modèles permettront l'étude et la conception sous contraintes d'une machine synchrone à aimants permanents dédiée pour la traction ferroviaire. Les résultats de simulations seront comparés à des résultats éléments finis mais aussi à des essais expérimentaux. Ce modèle multi-physique est entièrement paramétré afin d'être associé à des outils d'optimisation. On utilisera ici une optimisation par essaim de particules pour chercher des compromis entre différents objectifs sous forme de Front de Pareto. Dans ce papier, nous ciblerons les objectifs suivants : le couple d'origine électromagnétique et le bruit d'origine électromagnétique. Finalement une étude de sensibilité valide la robustesse de la conception retenue quand celle-ci est soumise aux contraintes de fabrication. L'objectif étant de poser les bases d'un outil d'aide à la décision pour le choix d'une machine électrique.

Un modèle analytique de prédétermination du bruit magnétique des machines à réluctance variable à double saillance et une nouvelle technique de compensation active sont proposés. Le type de machine étudiée est présenté ainsi que les relations nécessaires à la détermination des déformations mécaniques et de l'intensité acoustique. Le cœur de notre recherche constitue l'établissement des expressions analytiques des forces magnétiques à l'origine des vibrations et du bruit. Une machine de type 8/6 développant 2kW permet de valider différents aspects avec la comparaison des valeurs théoriques et expérimentales des fréquences de résonance, des inductances propres ainsi que des spectres vibratoires et acoustiques. Après un état des procédés existants de réduction du bruit et de l'étude de l'influence des paramètres géométriques, une nouvelle technique de réduction active par injection de courants dans des enroulements auxiliaires est mise en évidence et validée sur un prototype commercialisé.