moteur électrique

E-Silence

« Conception silencieuse de machines électriques ; incertitudes et optimisation »

Contexte et problématique

Dans tous les secteurs industriels, les machines électriques émettent des bruits d’origine électromagnétique à composantes tonales aigues très désagréables en perception sonore.

  • Dans le secteur ferroviaire, les moteurs de traction sont à l’origine des bruits extérieurs et intérieurs.
  • Dans le secteur automobile, si les moteurs de traction apportent un plus sur le bruit extérieur, ce n’est pas le cas en bruit intérieur où ces bruits deviennent gênants. Dans un contexte d’augmentation des puissances massiques, cette problématique se renforcera dans les années à venir.
  • Les accessoires pour l’hybridation des motorisations thermiques et les actionneurs électriques présents dans un véhicule sont aussi concernés, le critère d’acceptation étant de ne pas les entendre.

Outre le niveau sonore important, une forte dispersion des niveaux de bruit – dépassant 5 dB – est constatée sur des échantillons en sortie de production. Cette dispersion nuit à l’image de qualité du produit.

Enjeux

01

Prendre en compte l’acoustique dès le début de la conception des machines électriques en développant des méthodes et outils permettant à l’ingénieur électrotechnique d’estimer rapidement l’impact du design électromagnétique sur les vibrations et le bruit rayonné au stade du pré-dimensionnement

02

Développer des méthodes d’optimisation de la topologie de machine électriques (fromes des dents, du rotor, des aimants, etc.) dans le but de réduire les excitations électromagnétiques « à la source » tout en préservant les performances de la machine et en tenant compte des tolérances de fabrications

03

Développer des techniques de réduction de modèles électromagnétique et dynamique des structures, afin de réduire les temps de calcul et de permettre des boucles d’optimisation rapides et la prise en compte des incertitudes dans les simulations

04

Démontrer l’intérêt de doter le résinage d’une fonction « acoustique », en optimisant une résine sur la machine

Points-clé de développement

01

Prendre en compte l’acoustique dès le début du cycle de la conception des machines pour estimer rapidement l’impact du design électromagnétique sur le bruit rayonné

02

Développer des méthodes d’optimisation multi-harmonique pour les formes des parties actives de la machine dans le but de réduire les excitations électromagnétiques « à la source »

03

Comprendre les phénomènes physiques à l’origine de la dispersion du bruit au moyen d’essais sur un lot de machines prélevées en sortie d’usine

04

Intégrer des méthodes permettant de prendre en compte les incertitudes dans les simulations

05

Développer des techniques de réduction de modèle électromagnétique et dynamique des structures, afin de réduire les temps de calcul

Résultats et présentation

Mise en œuvre et la validation de méthodes de calcul et d’optimisation pour la conception de machines électriques

Les travaux du projet ont démontré l’intérêt de coupler des techniques de réduction de modèles électromagnétique et mécanique pour réduire les temps de calcul. Dans le cas du moteur haute vitesse, le gain en temps de calcul dépasse les 60%. Ces méthodes offrent un potentiel important pour les études d’optimisation ou les études sur la dispersion liées aux incertitudes de fabrication, qui nécessitent toutes de nombreuses itérations de calcul.

Une technique d’optimisation multicritère robuste a été mise en place : cette méthode permet de réduire le bruit d’une machine pour plusieurs points de fonctionnement et/ou plusieurs fréquences, tout en maintenant les performances de la machine (couple, rendement).

Une méthode de calcul a été développée, permettant de modéliser et d’optimiser à des fins acoustiques les propriétés mécaniques des résines intervenant dans la fabrication de certains moteurs électriques.

Enfin, une partie de ces méthodes a été intégrée dans deux logiciels industriels (Flux et FluxMotor), qui permettent aux concepteurs d’analyser les performances vibroacoustiques des machines en réduisant le recours aux prototypes.

 

La mise sur le marché de ces méthodes constitue une avancée très prometteuse pour l’industrie, avec des champs d’applications très larges :

  • Elles peuvent s’appliquer à tous les stades de la conception : des études de pre-design où il faut rapidement pouvoir discriminer différents choix de conception, aux études de design de détail où les géométries sont finement optimisées.
  • Elles s’appliquent potentiellement à tous les types de machines électriques (machines synchrone ou asynchrone, machines à reluctance variable, machines à flux axial, etc.), pour tous les secteurs industriels.

 

Démonstration de la faisabilité de solutions techniques pour atténuer le bruit rayonné par les moteurs électriques

Dans le cadre d’un partenariat avec la société Von Roll, l’intérêt d’optimiser une résine d’imprégnation sur critères acoustiques a été démontré par l’expérimentation, avec des gains très significatifs (dans le cas de la machine haute vitesse de 30dB à 40dB), pour toute la plage de fonctionnement en température, définie au cahier des charges.

L’intérêt d’utiliser des stators avec les dents liées pour augmenter la rigidité du stator a également pu être montré (gain de l’ordre de 10dB à 20dB), confortant ainsi les choix de conception.

Enfin, une démarche permettant de corréler les tolérances géométriques de réalisation du stator de moteurs (par caractérisation au tomographe à rayon X) avec les niveaux de bruit rayonné, a été mise en place.

 

Impact économique

Le projet e-Silence a également permis à l’ensemble des partenaires industriels de maintenir et de créer des emplois pérennes au-delà de la durée du projet, via l’augmentation de chiffres d’affaire.

  • 25 à 30% du chiffre d’affaires MMT en 2021 et 2022 provient de travaux en lien avec la conception de moteur plus silencieux, exploitant ainsi les travaux du projet e-Silence.
  • Le projet permet à Vibratec de maintenir une avance sur sa concurrence. Pendant la durée du projet, le chiffre d’affaire autour de cette thématique a augmenté de 50% (représentant 4 ETP). Une augmentation équivalente est attendue dans les trois années qui viennent (augmentation du nombre de projet d’électrification dans l’automobile et l’aéronautique).
  • Altair a pu augmenter le niveau compétitif de ses logiciels par rapport aux concurrents et ainsi disposer d’atouts majeurs pour gagner des parts de marché : les nouvelles fonctionnalités introduites dans Flux et FluxMotor sont déjà utilisées par plusieurs clients, tant en France qu’à l’international. Le nombre de clients (surtout du secteur automobile) utilisant Flux et FluxMotor a augmenté de 20% et de 50% respectivement, entre 2020 et 2022. Une progression annuelle entre 20% et 30% est attendue pour les cinq prochaines années, compte-tenu des perspectives de croissance dans l’électrification des moyens de transport.

 

Chiffres clés

1.9 M€

de financement

42

mois de travail

3

publications scientifiques avec comité de lecture

9

conférences (dont 6 hors France)

9

webinars organisés par Vibratec

seul (5) ou avec la société SPIN (IT)

2

webinars organisés par Altair

1

participation au salon virtuelle CARA Automotive Techdays 2021

1

workshop E-silence en décembre 2022

Ce projet a été sélectionné dans le cadre de l’appel à projet FUI-AAP23 du Fond Unique Interministériel (FUI). Il est subventionné par la Banque Publique d’Investissement (BPI France) et la région AURA via le Fonds Européen de Développement Régional (FEDER – ce projet est cofinancé par l’Union Européenne)