Empilements de laminages SRM : forme des dents et réduction du bruit

Si l'on fait abstraction des astuces de contrôle et du marketing, la plupart des problèmes acoustiques d'un SRM se résument à un simple fait : le pile de laminage se comporte comme une fine coque résonnante, et la forme de la dent détermine quelles harmoniques de force frappent le plus fort cette coque. Considérez ces deux pièces comme un seul problème de conception couplé et vous pouvez généralement obtenir une réduction du bruit de plusieurs décibels sans perdre beaucoup de couple ou d'efficacité.

La pile de stratification est le véritable haut-parleur.

D'anciennes études sur les vibrations des SRM à quatre phases ont déjà montré que le bruit aérien dominant est causé par la déformation de l'empilement de tôles du stator, et non par le rotor ou le boîtier eux-mêmes. Les surfaces des dents subissent de fortes forces électromagnétiques radiales ; ces forces excitent les modes annulaires et locaux des dents de l'empilement de tôles, et l'acier se transforme en un radiateur acoustique très efficace.

Des travaux multiphysiques plus récents établissent un lien entre ce phénomène et le spectre spatio-temporel des forces radiales. Les forces exercées sur les dents peuvent être décomposées en ordres spatiaux autour de l'entrefer et en ordres temporels liés à la fréquence de commutation et à la vitesse mécanique. Lorsqu'un ordre temporel de la force radiale coïncide avec un mode structurel présentant le même schéma spatial sur le stator, des pics de vibration apparaissent. Dans les SRM, cela se produit souvent pour les harmoniques de force d'ordre (3N_0 \pm 1) autour de la circonférence, qui se manifestent sous forme de pics de bruit clairs qui ne varient pratiquement pas avec la vitesse.

Ainsi, alors que tout le monde parle généralement du « bruit SRM », le travail au niveau de la stratification et des dents est plus précis. Vous essayez de remodeler la répartition de la force radiale afin que les harmoniques les plus fortes s'éloignent des modes structurels sensibles ou s'estompent suffisamment pour ne plus entraîner efficacement aucun mode.

Les bases de la pile de stratification qui dominent discrètement le NVH

Les concepteurs fixent généralement très tôt l'épaisseur du joug, la longueur de la pile et l'ajustement du cadre, pour des raisons de saturation et de thermique, puis s'accommodent du comportement acoustique qui en résulte. C'est pratique, mais cela cache beaucoup de possibilités.

Les travaux sur les vibrations du stator ont montré que l'épaisseur de la culasse et la longueur de l'empilement déplacent les modes circonférentiels principaux de plusieurs centaines de hertz. Des culasses plus épaisses augmentent les fréquences naturelles et peuvent pousser les modes les plus défavorables au-dessus de la bande d'excitation électromagnétique principale, en particulier dans les machines à grande vitesse. Dans le même temps, la manière dont les lamelles sont fixées ou collées au châssis contrôle l'amortissement et les conditions aux limites. Une coque rigide à ajustement serré avec des plaques d'extrémité donne des formes modales très différentes de celles d'un empilement faiblement serré maintenu par des tirants.

Pour le travail sur la forme des dents, cela est important car vous ne concevez pas en fonction de fréquences abstraites. Vous concevez en fonction de la carte modale réelle de cet assemblage empilé spécifique. Modifiez la méthode de construction de la pile et vos pointes de dents magnifiquement réglées peuvent soudainement pousser l'énergie vers un ensemble modal différent. C'est pourquoi toute « optimisation de la géométrie des dents » qui ignore le modèle modal du stator assemblé a tendance à décevoir une fois que vous construisez le matériel.

La géométrie dentaire comme filtre spectral

Une fois la structure de la pile comprise, la forme des dents devient un moyen de rééquilibrer le spectre des forces radiales plutôt qu'un simple régulateur de densité de flux.

Des études analytiques et numériques sur les SRM montrent que la densité de force radiale sur chaque dent est à peu près proportionnelle au carré de la densité de flux locale dans l'entrefer. La densité de flux elle-même est extrêmement sensible à la forme de la pointe de la dent et à la saturation locale. Cela signifie que de petits changements géométriques à la pointe et à la racine de la dent peuvent produire des changements étonnamment importants dans la distribution spatiale de la force radiale, sans impact dramatique sur le couple moyen.

Quelques modèles apparaissent régulièrement dans la littérature et dans la pratique du tuning :

Les extrémités de dents lisses et arrondies, associées à des arcs polaires soigneusement choisis, ont tendance à adoucir la pente d'inductance près de la position alignée. Cela réduit les pics marqués de la force radiale lorsque le courant est encore élevé. Il a été démontré expérimentalement que les pôles de rotor courbés, associés à des extrémités de dents de stator correspondantes, réduisent les forces radiales et le bruit acoustique tout en perdant moins d'un demi-point de pourcentage d'efficacité dans certaines machines 8/6.

Les chanfreins ou petites encoches près des bords modifient la perméance locale en cas de chevauchement partiel. Lorsqu'elles sont réalisées dans un but harmonique précis, ces caractéristiques peuvent réduire certains ordres spatiaux spécifiques dans la force radiale, au prix d'un encombrement supplémentaire du flux ailleurs. Les articles qui combinent ce type de profilage des dents avec des angles de commutation ajustés font état de réductions notables du bruit sans pénaliser excessivement l'ondulation du couple.

La variation de la largeur des dents ou l'introduction de motifs à plusieurs dents autour du stator rompt la périodicité parfaite du champ de force. Une étude récente sur les modifications des stators et rotors à plusieurs dents met en évidence des combinaisons de dents trapézoïdales, de ponts polaires et de formes d'extrémités qui réduisent le bruit tout en conservant des performances électromagnétiques acceptables pour les entraînements à l'échelle automobile. Vous pouvez considérer ces motifs comme des « défauts » contrôlés qui répartissent intentionnellement la force radiale sur plusieurs ordres spatiaux au lieu d'un seul ordre dominant.

Aucune de ces astuces ne fonctionne isolément. Déplacez la pointe de la dent et la forme d'onde actuelle qui était auparavant optimale n'est plus tout à fait correcte, car le profil d'inductance par rapport à l'angle a changé. C'est pourquoi les géométries « finales » des dents résultent presque toujours d'une boucle impliquant à la fois des calculs de champ et des mesures NVH simples, plutôt que d'une optimisation statique unique.

Côté rotor : profilage des encoches et des pôles pour réduire le bruit et la prise au vent

La géométrie du rotor est souvent optimisée en priorité pour la densité de couple et la résistance à l'air. Le bruit vient s'ajouter à cela. Dans les SRM à très haute vitesse, en particulier les machines de traction qui tournent à plus de 10 000 tr/min, les pertes par frottement dans les larges fentes du rotor ne sont pas négligeables. Une étude réalisée en 2025 sur les SRM de traction pour les véhicules à trois roues a montré que la réduction de la surface des fentes grâce à une modification de leur forme pouvait réduire les pertes par frottement tout en améliorant le comportement acoustique, une fois que les changements de force radiale qui en résultaient avaient été capturés dans une simulation acoustique complète et validés expérimentalement.

D'autres travaux sur les SRM 8/6 ont testé la courbure des extrémités des pôles du rotor et les profils de pôles à segments multiples. En lissant l'arc polaire effectif et en évitant une saturation excessive au niveau des côtés des dents, ces conceptions ont réduit les pics de force radiale et la puissance sonore associée, avec un impact négligeable sur le rendement et la capacité de couple.

Du point de vue de la pile de laminages, le rotor est en réalité une source programmable d'excitation spatiale. Si vous ajustez la forme des dents du rotor sans vérifier les ordres spatiaux que vous renforcez, vous risquez de supprimer un sifflement pour en créer un autre, simplement à une fréquence différente. La meilleure solution consiste à extraire le spectre de force radiale au niveau des dents du stator pour chaque forme de rotor candidate, à l'aligner sur la carte des modes du stator et à rejeter toute forme qui augmente la force près des modes sensibles, même si son ondulation de couple semble légèrement meilleure.

Déviation dans la pile : plus qu'un simple « étalement de l'ondulation de couple »

Le biais est souvent présenté comme un remède générique contre les ondulations de couple et le bruit acoustique, mais les détails relatifs à la manière dont les empilements de laminages sont biaisés ont une grande importance.

En pratique, le décalage dans les SRM est généralement obtenu en faisant tourner les lamelles successives d'un petit angle, de sorte que l'empilement forme une hélice axiale. Cela peut être fait sur le stator, sur le rotor ou sur les deux. Des expériences menées avec des SRM monophasés et triphasés montrent que la combinaison du biais du stator et du rotor peut réduire considérablement les vibrations et le bruit acoustique, au prix d'une légère baisse du couple moyen et d'une augmentation des fuites de flux axial. Les études sur les lamelles biaisées font état de réductions de bruit de l'ordre de quelques décibels pour les configurations biaisées multicouches, ce qui est déjà perceptible à l'intérieur d'un habitacle de véhicule.

Pour la conception d'empilements laminés, cela signifie que le décalage n'est pas seulement un commutateur ; il s'agit d'un déphasage entre les champs de force radiaux le long de la direction axiale. L'excitation effective qui atteint un mode statorique donné est la somme axiale de ces contributions déphasées. Si votre mode dominant a une forme axiale assez uniforme, alors un pas de décalage proche d'un pas de pôle statorique provoquera une interférence destructive dans l'harmonique spatiale clé et aidera. Si vous avez des modes avec une forte variation axiale, un simple décalage uniforme peut ne pas être très efficace, et il vaut mieux opter pour un décalage par paliers ou des motifs mixtes où les sections de la pile sont décalées différemment.

Il y a également l'aspect mécanique. L'inclinaison des lamelles modifie la répartition de la charge entre les dents de la pile et peut légèrement modifier les modes de déformation eux-mêmes, en particulier dans les machines à faible longueur axiale. Elle complique également la fabrication, l'empilement et l'alignement des fentes pour les enroulements ou les canaux de refroidissement. Les gains doivent donc être évalués par rapport à ces difficultés pratiques, et pas seulement par rapport à un modèle FEA propre.

Comparaison des tactiques courantes de dent et de pile

Le tableau ci-dessous résume plusieurs techniques de stratification et de géométrie dentaire largement utilisées, ainsi que leur influence typique sur les forces, le bruit et le couple, sur la base des tendances rapportées dans les recherches récentes du SRM et les pratiques industrielles.

Les chiffres sont volontairement vagues, car les gains exacts dépendent fortement de la taille de la machine, de la combinaison pôle/fente et de la netteté avec laquelle vos spectres de force et structurels se croisent. Ce qui est utile, c'est la direction : quels boutons de conception ont tendance à pousser quelles parties du système couplé.

Astuces d'assemblage de piles que les modèles ignorent souvent

De nombreux modèles publiés considèrent que le paquet de tôles du stator est parfaitement collé ou parfaitement fixé au châssis. En réalité, il peut y avoir un contact partiel, de petits espaces ou des zones où le vernis et les languettes d'interverrouillage dominent la rigidité. Des études mécaniques expérimentales sur les stators SRM montrent que les conditions limites réelles peuvent modifier les fréquences naturelles de plusieurs dizaines de pour cent par rapport à des supports idéaux.

Pour atténuer le bruit, cela implique quelques mesures pratiques. L'uniformité de l'empilement des lamelles influe sur les modes de déformation axiaux. Si chaque paquet de lamelles est légèrement désaligné, vous introduisez involontairement des variations locales de déformation et de rigidité qui peuvent être bénéfiques ou néfastes. Une déformation aléatoire tend à ajouter un amortissement, mais peut également exciter des modes asymétriques qui n'étaient pas présents dans le modèle.

La force de serrage est également importante. Une force de serrage élevée comprime la pile, augmente la friction entre les laminages et peut ajouter un amortissement, mais elle peut également faire passer les modes à un niveau supérieur. Le moulage ou la résine entre la pile et le cadre peuvent fournir un amortissement important à certaines fréquences tout en créant de nouveaux modes couplés avec le boîtier à d'autres fréquences. Il est rare que tout soit bon ou mauvais, et vous ne voyez le compromis qu'une fois que vous avez assemblé et testé.

Ainsi, lorsque vous ajustez la forme des dents dans l'analyse par éléments finis (FEA), il est utile de prendre du recul et de vérifier si les conditions limites que vous avez supposées correspondent au processus d'assemblage réellement utilisé par l'usine. Parfois, un petit changement dans la façon dont la pile est pressée dans le cadre permet d'obtenir une réduction du bruit plus importante qu'un nouveau cycle de raffinement des pointes des dents.

Une boucle de conception réaliste pour la forme des dents et les empilements de stratification

La plupart des équipes disposent déjà d'un modèle électromagnétique 2D ou 3D du SRM et probablement d'un modèle structurel distinct du stator et du boîtier. La pièce manquante est généralement le couplage étroit entre eux au niveau de la surface des dents. Une boucle pratique pourrait ressembler à ceci, sans chercher à être mathématiquement parfaite.

Commencez par définir la conception initiale de la pile de laminages : épaisseur du collier, longueur de la pile, ajustement du cadre, concept de serrage. Effectuez une analyse modale structurelle sur le modèle assemblé stator-boîtier-enroulement et notez les modes principaux présentant un mouvement radial significatif des dents dans la bande de fréquences clé pour votre application. L'objectif est d'identifier un petit ensemble de modes « sensibles » plutôt que de se concentrer sur des dizaines de valeurs propres.

Ensuite, utilisez votre modèle électromagnétique pour calculer les distributions de force radiale sur chaque dent sur un ou deux cycles électriques à plusieurs points de fonctionnement. Projetez ces forces sur les modes spatiaux qui vous intéressent. Cela vous indique quelles parties du spectre de force radiale injectent réellement de l'énergie dans les modes réels, et pas seulement quelles harmoniques existent en théorie.

Une fois cette cartographie en main, commencez à ajuster les géométries des dents et des rotors. Les extrémités arrondies, les chanfreins, les arcs polaires modifiés et les motifs à dents multiples permettent tous de réduire la projection des forces radiales sur les modes de déformation sensibles, même si l'amplitude totale de la force ne change pratiquement pas. Les modifications de l'inclinaison et de la fourche se situent dans la même boucle : elles modifient le côté structurel plutôt que le côté électromagnétique.

Ce qui aide dans la pratique, ce n'est pas l'optimisation obsessionnelle d'une variable de conception, mais l'observation de la manière dont chaque modification fait évoluer trois chiffres : les harmoniques de force dominante, les modes structurels dominants et les mesures acoustiques simples telles que la puissance sonore ou le niveau global pondéré A dans une bande étroite autour du sifflement gênant. Les prototypes successifs, même à échelle réduite, donnent une bien meilleure idée que d'essayer de faire passer chaque décision par un seul optimiseur multi-objectifs.

Conclusion

Si vous travaillez sur un SRM et que les chiffres relatifs au bruit indiqués dans la fiche technique ne vous satisfont pas, vous pourriez être tenté de vous concentrer davantage sur les formes d'onde actuelles et les stratégies de conversion. Ces outils restent utiles. Mais les travaux menés au cours des dernières décennies ont mis en évidence un autre élément : dès lors que l'on considère la pile de tôles comme une coque élastique soumise à des forces radiales au niveau des dents, la géométrie des dents et la conception de la pile cessent d'être des « détails techniques » pour devenir une surface de contrôle NVH primaire. En optimisant ces éléments, vous réduisez la liste des problèmes acoustiques à résoudre dans le logiciel et facilitez considérablement la tâche de votre équipe de contrôle.