Essais combinés électriques et NVH

La transition actuelle vers l’électrification impose aux entreprises d’accélérer la mise sur le marché de leurs produits tout en réduisant les coûts. Notre solution intégrée permet de combiner les essais de chaîne de traction et les essais NVH afin de mieux comprendre les interactions et dépendances entre ces différents domaines.

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Le moteur électrique présente une courbe couple-vitesse particulièrement avantageuse, car il peut fournir un couple maximal non seulement à vitesse nulle, mais également sur une large plage de vitesses. Si cette capacité ouvre de nouvelles opportunités pour les systèmes d’entraînement électriques, elle introduit également certains défis par rapport aux moteurs à combustion interne. L’un de ces défis est l’ondulation de couple, qui a des implications directes sur la commande, la puissance délivrée, le bruit, les vibrations et la durabilité. L’ondulation de couple correspond aux variations du couple de sortie au cours de la rotation du moteur. Ce livre blanc se concentre sur la mesure de ces signaux et sur leurs implications en matière de bruit et de vibrations. L'article présente également plusieurs études de cas illustrant l’impact de l’ondulation de couple et ses effets sur les performances NVH.

Comprendre l’ondulation de couple

Le couple est souvent décrit comme une grandeur continue (DC), mais il comporte également une composante fréquentielle. Dans les moteurs électriques, le couple se compose d’une valeur moyenne DC accompagnée d’une composante cyclique. Cette composante présente une fréquence dépendant de la vitesse de rotation et une amplitude correspondant à un pourcentage de la valeur DC. Un exemple d’ondulation de couple est illustré dans la figure 1 : le couple moyen correspond à la composante DC, tandis que le couple mesuré avec une large bande passante révèle une ondulation d’environ ±2 Nm Bien que cette variation puisse sembler faible, les fréquences élevées associées à cette ondulation peuvent entraîner divers effets indésirables, tels que du bruit audible, des vibrations structurelles ou encore de la fatigue au niveau des engrenages. Pour réduire l’ondulation de couple, il est essentiel d’en comprendre les sources, notamment l’excitation électrique, la conception de la machine, les résonances mécaniques, l’alignement et les conditions de charge.

FIG. 1: PRINCIPE DE BASE D’UNE CONFIGURATION D’ESSAI POUR MESURER LES FORCES GÉNÉRÉES PAR LES CELLULES DE BATTERIE

Sources et effets de l’ondulation de couple

L’excitation électrique de la machine contribue à l’ondulation de couple, car le couple produit suit directement le courant. Un exemple extrême est celui des machines monophasées, dans lesquelles le couple présente une variation cyclique à deux fois la fréquence fondamentale ainsi qu’une composante de couple nulle. En augmentant le nombre de phases, il est possible de supprimer les passages par zéro et de réduire l’amplitude de l’ondulation, mais la fréquence de cette dernière augmente. La plupart des machines utilisent une architecture triphasée, ce qui constitue un compromis favorable pour réduire l’ondulation de couple sans toutefois la supprimer complètement.

Étant donné que le couple est généré par une excitation sinusoïdale, l’ondulation liée à cette excitation apparaît à la même fréquence que le signal électrique. Ainsi, lorsque la vitesse de rotation augmente, la fréquence de l’ondulation de couple augmente également. Par ailleurs, l’excitation n’étant jamais une sinusoïde parfaite, d’autres composantes d’ondulation apparaissent. Les onduleurs fonctionnant à haute fréquence sont largement utilisés, et la conception du bobinage influence également la distribution du courant. Ces facteurs contribuent donc à générer des composantes supplémentaires d’ondulation de couple.

La conception de la machine constitue également un facteur important. Dans toutes les machines électriques, l’ondulation de couple est influencée par la fonction de bobinage, et chaque type de machine présente une contribution supplémentaire liée à l’interaction entre les champs magnétiques du rotor et le fer du stator. Dans les machines à induction, l’amplitude de l’ondulation est généralement plus faible et peut être réduite grâce à l’inclinaison des barres du rotor. Avec l’utilisation croissante des machines à aimants permanents, il devient nécessaire de prendre en compte l’effet des aimants du rotor en plus de la fonction de bobinage et de l’inclinaison. Les aimants du rotor sont attirés par le fer du stator et, lorsque la machine tourne, ils s’alignent successivement avec chaque dent du stator. Comme le nombre d’aimants du rotor et le nombre d’encoches du stator sont fixes, cette composante d’ondulation de couple est également proportionnelle à la vitesse. La combinaison d’une amplitude élevée et de fréquences potentiellement importantes liées à la vitesse de rotation rend l’ondulation de couple dans les machines à aimants permanents particulièrement difficile à caractériser et à réduire.

Puisque l’excitation et la conception de la machine génèrent l’ondulation de couple, ces deux paramètres peuvent également être utilisés conjointement pour la réduire. Différentes architectures de machine, combinées à des stratégies de commande adaptées, peuvent ainsi contribuer à limiter l’ondulation de couple. Les progrès réalisés dans les technologies de retour d’information et dans les onduleurs permettent aujourd’hui d’améliorer considérablement les stratégies de réduction de l’ondulation de couple. Pour vérifier l’efficacité de ces méthodes, les ingénieurs doivent valider leurs conceptions à l’aide de mesures expérimentales.

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Comprendre l’ondulation de couple

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Sources et effets de l’ondulation de couple

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