[CRIEC] A Fast Noise-Predictive Multiphysical Simulation Tool of the PWM-Controlled Induction Machine

Authors Jean Le Besnerais ; Vincent Lanfranchi; Michel Hecquet; Pascal Brochet; Guy Friedrich
Status Published in: CRIEC
Date 2006
Keywords machine asynchrone, bruit magnétique, optimisation, modèles multiphysiques

Abstract

Les moteurs asynchrones à cage d’écureuil sont largement utilisés dans le domaine ferroviaire (trains, métros) pour leur facilité de réalisation industrielle et leur robustesse. Cependant, contrairement aux machines à courant continu, ils nécessitent dans leurs applications à vitesse variable d’être alimentés par un convertisseur statique (onduleur à Modulation à Largeur d’Impulsion). Ce dernier enrichit considérablement le spectre fréquentiel des forces électromagnétiques présentes dans l’entrefer, engendrant des bruits et des vibrations supplémentaires. La prédiction et le contrôle de ce « bruit magnétique » dans les chaînes de traction devient un enjeu de plus en plus important à mesure que des progrès sont effectués dans la réduction des autres sources de bruit comme celui d’origine aéraulique (ventilation) ou mécanique (roulements, frottement roue/rail). Un modèle électromagnétique a d’abord été développé afin de calculer l’induction de l’entrefer puis la force radiale appliquée sur la surface du stator. Les courants MLI y sont calculés à l’aide d’un modèle Simulink, et sur la base d’un schéma monophasé équivalent qui permet aussi de déterminer les performances de la machine (couple, rendement). Un modèle mécanique en déduit ensuite les vitesses de vibrations du stator. Un modèle acoustique calcule enfin les fréquences propres du moteur et le bruit rayonné par la machine. Ces différents modèles analytiques sont couplés sous Matlab dans un outil de simulation rapide. Celui-ci a été partiellement validé expérimentalement et par éléments finis (ANSYS pour les fréquences propres, FLUX2D pour l’induction). Des études de sensibilité par plans d’expérience ont été effectuées afin de déterminer les variables de conception les plus influentes dans la production de bruit magnétique. Une méthode d’optimisation multi-objectif sera ensuite appliquée afin de déterminer les meilleurs compromis (Pareto optimalité) entre bruit, performances, coût des matériaux, etc… Parallèlement, un second travail de thèse a pour objectif d’introduire le facteur thermique dans le modèle multiphysique (évaluation des pertes fer).

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A Fast Noise-Predictive Multiphysical Simulation Tool of the PWM controlled induction machine

Notes

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