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.

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 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 le contexte des moteurs électriques automobiles, les phénomènes vibratoires d'origine magnétique soulèvent une problématique relativement récente. L'objectif de cette thèse est la mise au point d'un modèle multi-physique pertinent d'une machine électrique afin de réaliser quelques études spécifiques, d'optimiser la machine et de prendre en compte la variabilité du comportement vibratoire. La modélisation numérique s'appuie totalement sur des formulations analytiques afin de bien maîtriser les différentes physiques. Des mesures expérimentales sur la machine permettent une confrontation avec le modèle numérique multi-physique et une validation des choix de modélisation. Dans ce contexte de modélisation multi-physique, un outil de couplage est développé entre les modèles 2D électromagnétique et 3D mécanique afin d'évaluer les comportements vibratoires d'origine électromagnétique de la machine. Une attention particulière a été portée à la prise en compte des forces magnétiques radiales et surtout tangentielles sur le stator de la machine électrique. Une méthode d'optimisation, basée sur le principe d'une surface de réponse dynamique, est appliquée sur le modèle électromagnétique afin d'améliorer des paramètres de conception de la machine. Les incertitudes liées à la conception sont souvent nombreuses, notamment dans le domaine vibratoire. A cet effet, la méthode MSP (Modal Stability Procedure) prenant en compte la variabilité des paramètres matériaux est proposée. La formulation MSP pour l'élément 3D hexaédrique est développée et appliquée au stator électrique afin d'évaluer la variabilité des fréquences propres et des fonctions de réponse en fréquence.

Le contrôle de qualité est une tache très importante dans l'industrie. dans le cas étudie (contrôle des moteurs en fin de chaîne dans l'entreprise Valeo), les moteurs électriques sont contrôles par des opérateurs humains. ce contrôle, effectue en cabine isolée acoustiquement, comprend trois aspects: contrôle visuel, contrôle fonctionnel sur banc et contrôle vibro-acoustique subjectif, moteur tenu a la main par l'opérateur. le contrôle vibro-acoustique en fin de chaîne vise a séparer les bons des mauvais et a identifier certains types de défauts. il consiste a ranger les moteurs en 5 classes. le sujet de la thèse porte sur l'étude de la possibilité d'automatiser cette opération et remplacer le contrôle subjectif par un système de contrôle automatique a partir de mesures sur banc. l'objectif principal est ainsi de réaliser une classification supervisée a partir de mesures sur un banc-test. un banc d'analyse vibratoire a été conçu et réalise. les mesures vibratoires sont complétées par des mesures électriques pour déterminer les signatures des différents défauts. dans cette thèse, nous faisons l'état de l'art dans l'analyse de l'origine du bruit des machines, l'appréciation des nuisances acoustiques associées et leur mesure. ensuite, les sources de bruit du moto-reducteur étudie dans la thèse sont identifiées. une description du banc d'analyse est donnée: conception, réalisation, et test. les méthodes d'analyse des signaux et les paramètres retenus pour caractériser les machines sont, ensuite, abordes. en ce qui concerne la classification, les points suivants ont été traites: présélection des paramètres pertinents, rappel et performance des méthodes classiques, ainsi que des approches spécifiques adaptées aux données traitées. plusieurs approches de classification ont été comparées: seuillage sur les paramètres, réseau neuronal, analyse en composantes principales et analyse discriminante. le tri bon/mauvais est obtenu avec un excellent accord avec le classement subjectif. pour le tri entre défauts, les résultats sont moyens. avant même de chercher a les affiner il faut s'assurer de la reproductibilité du tri subjectif lui-même. les perspectives paraissent satisfaisantes