CETTE ETUDE SUR LES VIBRATIONS DES MOTEURS ASYNCHRONES MONOPHASES A PHASE AUXILIAIRE A POUR BUT PRINCIPAL DE REDUIRE LE BRUIT EMIS. UNE COMPREHENSION DES PHENOMENES D'ORIGINE ELECTROMAGNETIQUE, MECANIQUE OU AERODYNAMIQUE EST NECESSAIRE. LE DETAIL CONNU RELATIF AUX MESURES DU BRUIT ET DES VIBRATIONS EST RAPPELE. LES VIBRATIONS ELECTROMAGNETIQUES SONT CELLES QUI SONT AU CENTRE DE NOS PREOCCUPATIONS ET QUE L'ON CHERCHE A REDUIRE. CEPENDANT LES VIBRATIONS MECANIQUES NE DOIVENT PAS ETRE NEGLIGEES. LES EQUATIONS DE LA MECANIQUE PERMETTENT DE DECRIRE LES VIBRATIONS DE TRANSLATION, EN PLUS DES VIBRATIONS DE ROTATION DUES AUX VARIATIONS DU COUPLE. POUR PERMETTRE UNE INTERPRETATION DES SPECTRES RELEVES EXPERIMENTALEMENT, IL A ETE DEVELOPPE UN MODELE MATHEMATIQUE CAPABLE DE RENDRE COMPTE DES RAIES SPECTRALES LORS DU FONCTIONNEMENT DES MOTEURS ETUDIES. EN DEHORS DES RESONANCES DE STRUCTURE, CETTE DEMARCHE DE DISSOCIATION ET D'IDENTIFICATION DES RAIES SPECTRALES CONDUIT AUX MODES DE GENERATION DE BRUIT. UNE CONFRONTATION AVEC DES RESULTATS EXPERIMENTAUX EST FAITE AFIN DE VALIDER LA DEMARCHE D'IDENTIFICATION DES RAIES ET DE MONTRER L'IMPORTANCE SUR LE SPECTRE DE BRUIT : - DES VIBRATIONS D'ORIGINE ELECTROMAGNETIQUE - DES VIBRATIONS DE TRANSLATION - DES DEFORMATIONS DE FLEXION D'ARBRE - DES FREQUENCES PROPRES DES MOTEURS ETUDIES.

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.

CE DOCUMENT COMPREND DEUX PARTIES: L'UNE EST ORIENTEE SUR L'ANALYSE VIBRATOIRE DES MACHINES COURANT CONTINU ET L'AUTRE PORTE SUR L'ETUDE DES PROBLEMES A FRONTIERE OUVERTE. DANS LA PREMIERE PARTIE, NOUS NOUS INTERESSONS A LA MODELISATION DES VIBRATIONS D'ORIGINE ELECTROMAGNETIQUE DANS LES MACHINES A COURANT CONTINU. UNE ETUDE QUALITATIVE PREALABLE PERMET DE METTRE EN EVIDENCE CERTAINS PHENOMENES A L'ORIGINE DES VIBRATIONS. MAIS POUR OPTIMISER LES MACHINES SUR LE PLAN VIBRATOIRE, IL EST NECESSAIRE DE REALISER DES CALCULS QUANTITATIFS. AFIN DE FOURNIR AU CONCEPTEUR UN MOYEN D'ANALYSE DES VIBRATIONS MAGNETIQUES DANS LES MACHINES TOURNANTES, NOUS DEVELOPPONS UN OUTIL INFORMATIQUE QUI PERMET DE CALCULER PAR LA METHODE DES ELEMENTS FINIS LA FONCTION DE TRANSFERT ELECTROMECANIQUE EN REGIME DYNAMIQUE PERMANENT. CET OUTIL, BASE SUR UN TRANSFERT DE DONNEES ELECTROMAGNETIQUES VERS LA MECANIQUE PREND EN COMPTE LE MOUVEMENT DU ROTOR ET DETERMINE LA REPONSE MECANIQUE A PARTIR D'UNE ANALYSE DE FOURIER DES FORCES MAGNETIQUES. NOUS APPLIQUONS CET OUTIL SUR UNE MACHINE A COURANT CONTINU INDUSTRIELLE ET NOUS COMPARONS LES RESULTATS NUMERIQUES AUX MESURES EXPERIMENTALES. DANS LA DEUXIEME PARTIE, NOUS CONSIDERONS LES PROBLEMES ELECTROMAGNETIQUES POUR LESQUELS LE CHAMP MAGNETIQUE LOIN DU DISPOSITIF A ETUDIER NE PEUT ETRE NEGLIGE. NOUS DEVELOPPONS UNE TECHNIQUE BASEE SUR L'UTILISATION DE TRANSFORMATIONS GEOMETRIQUES QUI PERMET DE CALCULER LA REPARTITION DU CHAMP DE MANIERE RIGOUREUSE EN TOUT POINT DE L'ESPACE PAR LA METHODE DES ELEMENTS FINIS

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.

DEPUIS L'APPARITION DE L'ELECTRICITE, LA MULTIPLICATION DES APPAREILS MENAGERS, DES OUTILLAGES A MAINS, DES ACTIONNEURS ELECTRIQUES N'ONT CESSER D'AMELIORER NOTRE QUALITE DE VIE. CEPENDANT CES MACHINES ELECTRIQUES PEUVENT ETRE CONSIDEREES COMME DE VERITABLES GENERATEURS DE NUISANCES SONORES. POUR CETTE RAISON, LA COMPREHENSION DES PHENOMENES A L'ORIGINE DU BRUIT EMIS PAR LES MACHINES ELECTRIQUES EST UN SUJET D'ETUDE ACTUEL. DANS CE MEMOIRE, L'ORIGINE DU BRUIT QUI A ETE RETENUE PARMI TANT D'AUTRES, EST LA DEFORMATION DU STATOR OU PARTIE IMMOBILE DE CES MACHINES TOURNANTES. POUR PARVENIR A MODELISER ET CALCULER UN TEL PHENOMENE, IL EST TOUT D'ABORD NECESSAIRE DE RESOUDRE UN PREMIER PROBLEME COUPLE ELECTROMAGNETIQUE ET MECANIQUE, PERMETTANT DE SIMULER LE FONCTIONNEMENT DE LA MACHINE TOURNANTE. LA RESOLUTION D'UN SECOND PROBLEME COUPLE MECANIQUE ET ACOUSTIQUE PERMET ENFIN LE CALCUL DES NUISANCES SONORES GENEREES. DE CE FAIT, LA MODELISATION PRESENTEE DANS CE MEMOIRE CONCERNE CELLE DE COUPLAGES ENTRE PHENOMENES ELECTROMAGNETIQUES, MECANIQUES ET ACOUSTIQUES. LA METHODE NUMERIQUE DEVELOPPEE DANS CE MEMOIRE POUR RESOUDRE CES DEUX PROBLEMES REPOSE SUR L'UTILISATION DE LA METHODE DES ELEMENTS FINIS POUR LA DISCRETISATION EN ESPACE, COUPLEE AU SCHEMA DE NEWMARK POUR LA DISCRETISATION TEMPORELLE. PAR AILLEURS, LA MODELISATION, DEVELOPPEE DANS CE MEMOIRE, PERMETTANT DE SIMULER LE FONCTIONNEMENT DE LA MACHINE, PRESENTE L'AVANTAGE DE PERMETTRE DE CALCULER LES QUANTITES ELECTROMAGNETIQUES (INDUCTION MAGNETIQUE, EFFORTS ELECTROMAGNETIQUES INDUITS,) ET MECANIQUES (VITESSE DE ROTATION DE LA MACHINE, POSITION DU ROTOR PAR RAPPORT AU STATOR) A CHAQUE INSTANT DE L'INTERVALLE D'ETUDE, ET POUR UNE LARGE GAMME DES DIFFERENTS PARAMETRES DEFINISSANT LA CONTRIBUTION TANT GEOMETRIQUE QUE COMPORTEMENTALE (ELASTICITE, ELECTROMAGNETISME) DE MACHINES A RELUCTANCE VARIABLE. AINSI, GRACE A CETTE PARAMETRISATION, LE CALCUL DES SENSIBILITES DE LA REPONSE DE TELLES MACHINES, TANT EN TERME DE VITESSE DE ROTATION QUE DE NIVEAU SONORE DE PERTURBATIONS SONORES INDUITES, A DES VARIATIONS DE LEURS PARAMETRES DE DIMENSIONNEMENT, A ETE REALISE.