Bruit magnétique et harmoniques d'encoches dans le moteur

Le bruit que vous entendez lorsqu'un moteur électrique fonctionne n'est pas entièrement d'origine mécanique. À côté du frottement des roulements et du bruit du ventilateur, il y a aussi le bruit magnétique , qui naît dans le circuit magnétique du moteur et se perçoit le plus souvent comme une tonalité fine, semblable à un sifflement. Ce bruit apparaît sous l'effet des encoches (slot) du stator et du rotor, de l'ondulation du champ magnétique dans l'entrefer et de la fréquence de découpage en fonctionnement sur variateur. Reconnaître et maîtriser le bruit magnétique sur les moteurs asynchrones AC DRG influence directement le confort acoustique comme la santé mécanique du moteur. Dans cet article, nous traitons en détail l'origine du bruit magnétique, la formation des harmoniques d'encoches et les méthodes de réduction.

Qu'est-ce que le bruit magnétique ?

Le bruit magnétique est le son produit par les forces électromagnétiques qui apparaissent dans l'entrefer du moteur et qui font vibrer le paquet de tôles du stator et du rotor. Le champ magnétique n'est pas constant dans l'entrefer ; il ondule dans l'espace et dans le temps. Ces forces ondulantes sollicitent la culasse du stator, en particulier dans la direction radiale, et le paquet de tôles commence à vibrer à certaines fréquences. Contrairement au bruit mécanique, le bruit magnétique est présent même lorsque le moteur tourne à vide, et son caractère change à mesure que la charge varie.

Les trois sources principales du son

Sur un moteur AC, le bruit total est la somme de trois composantes : mécanique (roulements, ventilateur, déséquilibre), aérodynamique (pales du ventilateur et flux d'air) et électromagnétique (bruit magnétique). Aux vitesses basses, la composante magnétique est dominante, tandis qu'aux vitesses élevées, le bruit du ventilateur passe au premier plan. Savoir faire cette distinction est le premier pas vers la bonne solution. Pour aborder le sujet dans son ensemble, notre article réduction du bruit et des vibrations dans le moteur électrique est un bon point de départ.

Le champ magnétique dans l'entrefer

L'origine du bruit magnétique est la répartition de la densité de flux magnétique dans l'entrefer. Sur un moteur idéal, cette répartition serait une sinusoïde parfaitement lisse ; cependant, sur les moteurs réels, l'onde de flux contient des harmoniques en raison de la répartition du bobinage, de la structure des encoches et des effets de saturation. Ces harmoniques déterminent les forces de Maxwell qui agissent sur la surface du fer.

Forces de Maxwell et vibration radiale

La force magnétique radiale dans l'entrefer est proportionnelle au carré de la densité de flux. Comme la densité de flux est composée de composantes à différentes fréquences, lorsque vous en prenez le carré, ces composantes se multiplient entre elles et des composantes de force naissent à de nouvelles fréquences. Ces forces déforment le fer du stator selon certains motifs, comme une peau de tambour ; c'est là la véritable cause du bruit magnétique.

Qu'est-ce qu'une encoche (slot) ?

Les tôles du stator et du rotor comportent des encoches dans lesquelles sont placés les fils du bobinage. Comme les encoches se comportent magnétiquement comme un vide, la perméabilité magnétique de l'entrefer varie périodiquement au niveau des encoches à mesure que le rotor tourne. Cette variation périodique ajoute des harmoniques supplémentaires au champ magnétique et constitue le facteur essentiel qui détermine le caractère du bruit.

Comment se forment les harmoniques d'encoches ?

Lorsque les encoches du rotor passent devant les encoches du stator, la réluctance de l'entrefer ondule. Cette ondulation module le champ magnétique principal et produit des composantes à haute fréquence appelées harmoniques d'encoches . La fréquence de ces harmoniques est directement liée au nombre d'encoches du rotor et à la vitesse de rotation ; c'est pourquoi, en regardant le spectre de bruit d'un moteur, la fréquence de passage d'encoches peut apparaître comme un pic.

Relation entre le nombre d'encoches du stator et du rotor

L'une des décisions de conception les plus critiques du point de vue du bruit magnétique est la combinaison du nombre d'encoches du stator et du rotor. Certains couples de nombres d'encoches produisent des motifs de force d'ordre faible (par exemple d'ordre 0, 1 ou 2), et comme ceux-ci font facilement vibrer le carter du stator, ils conduisent à un bruit élevé. Dans une bonne conception, les nombres d'encoches sont choisis de manière à réduire au minimum les forces d'ordre faible.

Ordre de la force et formes de modes

Le carter du stator a tendance à vibrer selon certaines « formes de modes » ; il peut s'agir de motifs de déformation ovales, triangulaires ou plus complexes. Lorsque l'ordre de la force magnétique coïncide avec la forme de mode propre du carter, une résonance se produit et le bruit augmente de manière spectaculaire. C'est pourquoi, en conception, on cherche à éviter la coïncidence entre l'ordre de la force magnétique et le nombre de modes mécaniques.

L'effet de la magnétostriction

Un autre phénomène physique qui contribue au bruit magnétique est la magnétostriction. Lorsque des matériaux ferromagnétiques comme le fer sont soumis à un champ magnétique, leurs dimensions varient dans une très faible proportion. Ces micro-variations dimensionnelles produisent des vibrations au double de la fréquence du réseau (100 Hz sur un réseau à 50 Hz) et à ses multiples. La magnétostriction est aussi la cause du bourdonnement des transformateurs et s'entend sur les moteurs comme un ronflement à basse fréquence.

La composante au double de la fréquence du réseau

Les forces de Maxwell comme la magnétostriction créent une composante dominante au double de la fréquence du réseau, car le champ magnétique change de sens deux fois par période. C'est pourquoi il est courant de voir, sur les moteurs alimentés en 50 Hz, un pic de vibration marqué autour de 100 Hz, et cela est totalement d'origine magnétique, il ne s'agit pas d'une panne mécanique.

Harmoniques de saturation

Lorsque le fer approche magnétiquement du point de saturation, le champ magnétique s'écarte de la sinusoïde et s'aplatit. Cet écart ajoute des harmoniques de rang impair à l'onde de flux. Les harmoniques de saturation augmentent le bruit en particulier à tension élevée ou en cas de surexcitation ; faites fonctionner le moteur à ses valeurs de plaque et le bruit diminuera de lui-même.

Bruit de découpage du variateur

Sur les moteurs entraînés par un variateur de fréquence, une source supplémentaire de bruit magnétique entre en jeu : le découpage PWM. Le variateur applique au moteur non pas une sinusoïde pure, mais une tension hachée à haute fréquence. Ces impulsions produisent des ondulations de courant à la fréquence de découpage et à ses multiples ; ces ondulations font à leur tour vibrer le fer du moteur et créent un son aigu caractéristique. Économie d'énergie avec un variateur de fréquence : notre article détaille l'interaction du variateur avec le moteur.

L'effet de la fréquence de découpage sur le son

Lorsqu'une fréquence de découpage basse (par exemple 2-4 kHz) est choisie, le son aigu peut tomber dans la bande où l'oreille est la plus sensible et devenir gênant. Augmenter la fréquence de découpage (8-16 kHz) porte ce son au-dessus de la bande audible et réduit ainsi le bruit perçu ; cependant, les pertes de découpage du variateur augmentent. Il faut ici établir un équilibre entre le confort acoustique et le rendement. Pour connaître les différences entre les modes de commande du variateur, vous pouvez consulter notre article différence entre commande V/f et vectorielle sur variateur .

Harmoniques de courant et pertes fer

Les harmoniques de courant issues du variateur ne créent pas seulement du bruit, mais aussi des pertes et un échauffement supplémentaires dans le paquet de tôles. Comme cette chaleur additionnelle peut influencer la durée de vie de l'isolation du moteur, le bruit et l'échauffement doivent être évalués ensemble. Pour la gestion de la température, notre article élévation de température du moteur (ΔT) vous sera utile.

Excentricité et irrégularité de l'entrefer

Si le centre du rotor ne se trouve pas exactement au milieu du stator, l'entrefer n'est pas égal sur toute la circonférence. Cette excentricité ajoute une modulation supplémentaire au champ magnétique de l'entrefer et augmente le bruit à certaines fréquences. L'excentricité statique (décentrage fixe) et l'excentricité dynamique (décentrage tournant avec le rotor) laissent des signatures spectrales différentes et peuvent être distinguées l'une de l'autre au diagnostic.

Différence entre puissance acoustique et pression acoustique

Dans le bruit magnétique, la grandeur que vous mesurez change le résultat. L'énergie acoustique totale rayonnée par le moteur est la puissance acoustique, tandis que ce qui est entendu en un point donné est la pression acoustique. Pour que les comparaisons soient équitables, il faut distinguer ces deux notions ; pour le détail, nous recommandons notre article puissance acoustique et pression acoustique du moteur (dB) .

Reconnaître le bruit magnétique dans le spectre

L'outil de diagnostic le plus puissant du bruit magnétique est l'analyse fréquentielle. Dans le spectre FFT, les pics au double de la fréquence du réseau, à la fréquence de passage d'encoches et à la fréquence de découpage trahissent l'origine magnétique. On peut ainsi distinguer avec certitude si le bruit est d'origine mécanique ou magnétique. Analyse vibratoire du moteur (spectre FFT) : notre article explique cette méthode pas à pas.

Réduction par inclinaison des encoches (skew)

L'une des méthodes de conception les plus efficaces pour réduire le bruit magnétique est l'inclinaison des encoches (skew). Lorsque les encoches du rotor ne sont pas placées parallèlement à l'axe mais avec une certaine inclinaison, l'effet des harmoniques d'encoches se répartit sur la longueur et s'amortit dans une large mesure. L'inclinaison des encoches appliquée sur les moteurs AC DRG abaisse sensiblement le bruit de passage d'encoches et la fluctuation de couple qui y est associée.

Réduction des harmoniques par la conception du bobinage

Le raccourcissement du pas de bobinage (bobinage à pas raccourci) et la répartition équilibrée du bobinage entre les phases réduisent le contenu harmonique du flux dans l'entrefer. Une onde de flux plus propre signifie moins d'harmoniques de force magnétique et donc un bruit plus faible. Il s'agit d'une mesure durable prise au stade de la conception.

Paquet de tôles et rigidité mécanique

Même si la force magnétique reste la même, si le carter du stator est conçu suffisamment rigide, il vibrera moins. Augmenter l'épaisseur de la culasse, renforcer le carter par des nervures et porter les fréquences propres hors de la bande de fonctionnement abaissent le bruit. Le but est ici d'éviter que l'excitation magnétique ne coïncide avec la zone de résonance du carter.

Mesures du côté du variateur

Porter la fréquence de découpage au-dessus de la bande audible, ajouter un filtre de sortie (filtre dU/dt ou filtre sinus) au moteur et respecter une longueur de câble appropriée réduisent le bruit d'origine variateur. Lorsque les paramètres d'entraînement sont correctement réglés, le bruit magnétique peut être ramené à des niveaux proches de ceux d'une alimentation directe sur réseau.

Montage et prévention de la résonance

Lorsque le moteur n'est pas fixé sur une assise solide, l'excitation magnétique peut être amplifiée et se propager par le socle ou la structure attachée. Des éléments de liaison souples, des plots antivibratoires et une surface de montage rigide empêchent la transmission du bruit magnétique à la structure. Le plus souvent, une amélioration du montage à faible coût réduit sensiblement le son perçu.

Maintenance et surveillance

Une irrégularité de l'entrefer, un paquet de tôles desserré ou une excentricité croissante peuvent aggraver le bruit magnétique avec le temps. Une mesure régulière des vibrations et une surveillance spectrale détectent ces évolutions de façon précoce. La croissance dans le temps des pics d'origine magnétique peut annoncer une dégradation mécanique.

Température et comportement magnétique

Les propriétés magnétiques du fer varient quelque peu avec la température ; sur un moteur qui chauffe, le chemin du flux et le comportement de saturation se décalent. Cela peut aussi modifier lentement le spectre de bruit magnétique au cours du fonctionnement. C'est pourquoi le son d'un moteur au premier instant de son démarrage peut différer de son son après une longue période sous charge. Cet effet indirect de l'échauffement sur le bruit magnétique explique pourquoi les mesures réalisées lorsque le moteur a atteint son équilibre thermique sont plus fiables.

L'effet du déséquilibre de tension

Sur une alimentation triphasée, le déséquilibre de tension entre les phases crée dans l'entrefer une composante de champ magnétique tournant en sens inverse. Cette composante entraîne à la fois un échauffement supplémentaire et des vibrations et un bruit supplémentaires aux multiples de la fréquence du réseau. C'est pourquoi, en cas de plainte de bruit, contrôler la tension d'alimentation est un premier pas pratique.

Démarrage progressif et bruit

En démarrage direct, le moteur absorbe au premier instant un courant élevé et les forces magnétiques qui en résultent créent une impulsion de bruit soudaine. Un démarrage maîtrisé avec un démarreur progressif ou un variateur répartit cette sollicitation magnétique soudaine et réduit à la fois le bruit et le stress mécanique. Dans les applications à démarrages-arrêts fréquents, cette différence est marquée tant pour le confort acoustique que pour la durée de vie du moteur.

Dans quelles applications est-il critique ?

Le bruit magnétique passe au premier plan là où le silence est important, dans les systèmes de climatisation et de ventilation, ainsi que dans les entraînements d'ascenseurs et de grues. Dans les applications qui changent de vitesse sous charge, le bruit du variateur s'y ajoute. Pour les applications de levage, notre article moteur électrique de grue et de levage contient des informations spécifiques au sujet.

Le bruit magnétique dans le choix industriel

Lors du choix d'un moteur, la valeur de bruit indiquée au catalogue correspond le plus souvent à une alimentation sur réseau ; si le moteur doit fonctionner avec un variateur, le bruit réel peut être différent. C'est pourquoi il faut évaluer l'application dans son ensemble. Pour une large gamme de moteurs, notre article moteurs électriques industriels aide au processus de choix.

Relation entre le bruit magnétique et la charge

Le courant absorbé par le moteur augmente à mesure que la charge croît, et les composantes du champ magnétique dans l'entrefer varient également en conséquence. C'est pourquoi un même moteur, qui paraît silencieux à vide, peut donner une tonalité sensiblement différente sous charge. En particulier lors d'un démarrage difficile, la multiplication du courant augmente temporairement les forces magnétiques et crée de brèves impulsions de bruit.

L'effet du nombre de pôles sur le bruit

Le nombre de pôles du moteur détermine à la fois la vitesse de rotation et la répartition spatiale du champ magnétique. Comme les moteurs à faible nombre de pôles (par exemple à 2 pôles) tournent à vitesse élevée, le bruit du ventilateur et le bruit magnétique se décalent vers une zone plus aiguë, tandis que sur les moteurs à nombre de pôles élevé, les motifs de force magnétique se concentrent à des ordres différents. L'interaction entre le nombre de pôles et le nombre d'encoches détermine directement les ordres de bruit. Pour voir en détail la relation entre le nombre de pôles et la vitesse, notre article nombre de pôles et vitesse dans le moteur électrique vous sera utile.

Relation avec la fluctuation de couple

Les harmoniques d'encoches ne produisent pas seulement du son ; elles entraînent aussi de petites fluctuations du couple de rotation. Cette fluctuation de couple (effet semblable au cogging) se ressent en particulier aux vitesses basses et se transforme en vibrations indésirables dans les applications exigeant un positionnement précis. Alors que l'inclinaison des encoches réduit cette fluctuation, un algorithme de commande approprié du côté du variateur assure également une rotation douce. Pour comprendre la relation entre la puissance, le couple et la vitesse, vous pouvez consulter notre article relation entre puissance, couple et vitesse dans le moteur .

Environnement de mesure acoustique

Lors de l'évaluation du bruit magnétique, l'environnement dans lequel la mesure est réalisée influence directement les résultats. Une mesure effectuée dans un atelier réverbérant peut ressortir plus élevée qu'en réalité, en raison de la réflexion du son sur les surfaces. Pour obtenir des résultats comparables, les mesures doivent être réalisées dans des conditions similaires, à une distance fixe du moteur et dans un environnement à faible bruit de fond. Sinon, comparer deux moteurs devient trompeur.

Erreurs fréquentes

Prendre le bruit magnétique pour une panne mécanique et remplacer inutilement des roulements, abaisser la fréquence de découpage au hasard et fixer le moteur sur une assise faible sont les erreurs les plus fréquemment rencontrées. Diagnostiquer d'abord correctement la source du son fait économiser à la fois du temps et de l'argent.

Un entraînement silencieux et stable avec DRG Motor

Le bruit magnétique est un phénomène qui peut être largement évité au stade de la conception, grâce à une bonne conception des encoches, à l'inclinaison des encoches, à un bobinage équilibré et à un paquet de tôles solide. Les moteurs asynchrones AC DRG sont produits en veillant à un faible bruit magnétique et à la compatibilité avec le fonctionnement sur variateur. Si vous souhaitez, dans votre application, le confort acoustique et la stabilité mécanique à la fois, consultez nos produits moteur électrique DRG ; déterminons ensemble le moteur adapté à votre besoin.