EP1787381A1 - Procede et dispositif de compensation des vibrations d'une machine electrique, et machines electriques ainsi equipees - Google Patents

Procede et dispositif de compensation des vibrations d'une machine electrique, et machines electriques ainsi equipees

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EP1787381A1
EP1787381A1 EP05805570A EP05805570A EP1787381A1 EP 1787381 A1 EP1787381 A1 EP 1787381A1 EP 05805570 A EP05805570 A EP 05805570A EP 05805570 A EP05805570 A EP 05805570A EP 1787381 A1 EP1787381 A1 EP 1787381A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
stator
excitation
piezoelectric actuators
piezoelectric
compensation device
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05805570A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Mohamed Khémis GABSI
Xavier Mininger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
École Normale Supérieure Paris-Saclay
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Normale Superieure de Cachan
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Ecole Normale Superieure de Cachan filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP1787381A1 publication Critical patent/EP1787381A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/0094—Structural association with other electrical or electronic devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching

Definitions

  • the present invention relates to a method of compensating vibrations of an electric machine. It also relates to a compensation device implementing the method according to the invention, as well as electrical machines equipped with this device.
  • electrical machine here means any electromechanical converter operating in motor or generator, rotating or linear structure, whatever the geometry.
  • These may be conventional electrical machines such as DC machines, asynchronous or synchronous machines, with or without permanent magnets, but also unconventional or special electrical machines such as variable reluctance or hybrid machines.
  • the magnetic circuit of the stator can be made in the form of a stack of sheets of ferromagnetic material or by molding or by any other available technique.
  • the vibrations of the stator of an electric machine in operation move the surrounding air and thus emit sound waves. These vibrations have their origins in the different stresses applied on the stator. Electromagnetic forces, and in particular their radial components, are often the main cause of vibrations. Mechanical or aerodynamic friction can also cause, especially for high speeds, annoying vibrations.
  • the object of the present invention is to remedy these drawbacks by proposing a method for effectively compensating the vibrations of an electric machine.
  • the vibration compensation method of an electric machine comprising a stator and a moving part, this stator being subjected to magnetic forces generated by an alternating electric excitation and leading to its deformation, is characterized in that it comprises an excitation of piezoelectric actuators fixed at predetermined locations of action on the outer surface of said stator, said piezoelectric actuators being arranged to provide the stator with controlled deformations to counter the deformations induced by the magnetic forces.
  • the invention proposes the use of piezoelectric actuators stuck to the stator and controlled in an appropriate manner. These actuators, under the action of a voltage, elongate or retract by deforming the structure of the machine. These deformations, opposed to those generating the acoustic noise, cancel any vibration of the stator.
  • These piezoelectric actuators may be made of PZT (titanium lead zirconate) material.
  • the location of the piezoelectric actuators has been determined by simulations based on finite element calculations, the aim being, on the one hand, to increase the efficiency of these actuators and, on the other hand, to minimize their number .
  • the excitation of the piezoelectric actuators is advantageously controlled substantially in phase opposition with respect to the magnetic forces to which the stator is subjected, and carried out at a frequency twice that of the alternating electric excitation.
  • the compensation method according to the invention further comprises a servocontrol of an excitation signal of the piezoelectric actuators as a function of an acceleration measurement measured at the external surface of the stator at a point of predetermined measure.
  • the vibration compensation is provided by two diametrically opposed piezoelectric actuators arranged on an axis of symmetry of the stator, these piezoelectric actuators being arranged to generate deformation forces substantially orthogonal to the axis of symmetry.
  • a device for compensating the vibrations of an electric machine comprising a stator and a moving part, this stator being subjected to magnetic forces generated by an alternating electrical excitation provided by means of power supply and leading to its deformation, characterized in that it comprises:
  • piezoelectric actuators fixed at predetermined positions of action on the external surface of the stator, these piezoelectric actuators being arranged to provide in the stator a controlled deformation to counteract the deformation induced by the magnetic forces, means for exciting the piezoelectric actuators , and
  • the piezoelectric actuators are fixed on areas of the outer surface of the stator, substantially flat and diametrically opposed along an axis of symmetry of the stator.
  • each piezoelectric actuator is substantially in the form of an elongated parallelepiped of small thickness, extending in length over all or part of the length of the stator, and in height over all or part of an arc connecting the two bases of two adjacent poles of the stator.
  • Each piezoelectric actuator is provided with two excitation electrodes connected in parallel with the excitation means.
  • the compensation device further comprises means for measuring the radial acceleration at the outer surface of the stator at a point situated substantially in the radial extension of a stator pole, and the means of control and the control means are arranged for controlling the controlled excitation voltage to minimize the acceleration signal from the radial acceleration measuring means.
  • the compensation device further comprises means for indirectly generating information on the magnetic forces acting on a pole and / or the radial acceleration on the surface of the stator, this information being provided to the control means for controlling the excitation means in servo mode.
  • These indirect means may comprise means for measuring the magnetic flux in a pole of the stator, and means for deriving an acceleration information from this flow measurement.
  • an electric machine equipped with a compensation device comprising a static part or stator and a movable part, characterized in that the stator is provided with piezoelectric actuators attached to predetermined areas of the outer surface of the stator, these piezoelectric actuators being arranged to generate mechanical forces on the stator to counteract the magnetic forces to which the stator is subjected.
  • FIGS. 1a and 1b illustrate the influence of the deformations of a piezoelectric pellet made of PZT material (titanium lead zirconate) bonded to an outer surface of the stator of an electric machine with salient poles, respectively in elongation and in contraction;
  • FIG. 2 schematically represents an electromagnetic model designed to validate the compensation method according to the invention;
  • FIG. 3 represents a schematic diagram of the electrical assembly of the model of FIG. 2;
  • FIG. 4 illustrates the influence of the level of voltage applied on a piezoelectric pellet, on the measured acceleration;
  • FIG. 5 illustrates a visualization of the deformation nodes on the stator of the validation model, provided with two diametrically opposed piezoelectric pads;
  • FIG. 6 illustrates mode 2 deformations undergone by the stator of the validation model
  • FIG. 7 schematically represents optimal dimensions of piezoelectric pellets for a given stator geometry
  • FIG. 8 illustrates a comparison between two acceleration spectra respectively measured and calculated by a finite element method, in the case of a current excitation
  • FIG. 9 illustrates a comparison between two acceleration spectra respectively measured and calculated by a finite element method, in the case of excitation of piezoelectric compensating pellets
  • FIG. 10 is a diagram of a circuit designed to generate two synchronized signals, respectively to feed a stator coil and to excite the piezoelectric pellets, for the implementation of the compensation method according to the invention.
  • FIG. 11 is a diagram of a servocontrol circuit designed to generate an excitation signal for the piezoelectric pellets servo-controlled on an acceleration measurement.
  • the physical principle underlying the compensation method according to the invention is to compensate for mechanical deformations undergone by stator plates 2 subjected to electromagnetic forces, inducing either an elongation or a contraction of determined localized action zones on the external surface of the stator laminations, by means of piezoelectric actuators stuck on these determined zones.
  • an elongation of the piezoelectric chip 11 bonded to an action zone SP leads to a deformation of ZN, ZN 'stator zones towards the inside, countering deformations of these zones induced by electromagnetic forces.
  • a contraction of the piezoelectric chip 11 will lead to deformations of the ZN, ZN 'stator zones towards the outside.
  • This electromagnetic model 1 comprises, with reference to FIG. 2, a magnetic circuit comprising two diametrical poles 40, 41 separated by a central gap 4 and a cylinder head in the form of two semicircular return arms 30, 31 each provided on their outer surfaces of SPO planar areas SP1 quadrature relative to the axis of the diametrical poles and provided to each receive a piezoelectric wafer 10, 11 acting as compensation actuator.
  • Each piezoelectric chip 10, 11 is provided with two excitation electrodes, including an electrode 12 disposed on the outer surface of the chip, across which a voltage Vpz is applied, with reference to FIGS. 2 and 3.
  • the validation model comprises furthermore, an excitation coil 3 designed to surround the two diametrical poles 40, 41 and fed by an alternating voltage generator Vbob, and an accelerometer A placed on the outer surface of the magnetic circuit, substantially in the axis of the diametrical poles 40 , 4L
  • the two piezoelectric pads 10, 11, diametrically opposed; are excited in parallel from an alternating voltage generator Vpz.
  • an acceleration response spectrum (A) of the type illustrated in FIG. 8 is observed, with a relative adequacy between the measured spectrum. and the spectrum calculated by a finite element method. If the piezoelectric pellets with variable frequency are excited, then a response spectrum of the acceleration (A) of the type illustrated in FIG. 9, which is close to that observed with a current excitation, is observed. concerns the resonance frequencies.
  • piezoelectric pellets must be energized to counter magnetic force displacement. Calculations have established that for a force of 1.1 N imposed on the teeth of a machine, a piezoelectric excitation voltage of less than 7 V is sufficient to cancel the displacements in the magnetic circuit. It has also been established that synchronization is required between the electromagnetic excitation and the piezoelectric compensation excitation.
  • a first converter DAC generates a supply voltage Vbob of the coil 3, for example with a frequency of 3.3 kHz, while a second converter DAC generates a voltage Vpzt from the double frequency signal and after an appropriate adjustment of the phase shift. .
  • each pellet-actuator PZT may have a thickness of about 1 mm, a height of about 13 mm and a length of about 60mm.
  • the PZT material used for producing the actuator-pellets may have the following formula:
  • Pb o . 89 (5 Ba Sr) o .n (Zr 0.52 Ti 0. 4 s) O 3 doped with 1% of manganese and fluorine in 1%.
  • the glue used to bond the actuator pellets to the stator receiving areas may be epoxy glue.

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Abstract

Procédé de compensation des vibrations d'une machine électrique comprenant un stator (2) et une partie mobile, ledit stator étant soumis à des forces magnétiques générées par une excitation électrique alternative et conduisant à sa déformation. Le procédé comprend une excitation d'actionneurs piézoélectriques (11) fixés en des emplacements d'action prédéterminés sur la surface externe du stator, ces actionneurs piézoélectriques étant agencés pour procurer dans ce stator des déformations contrôlées pour contrer les déformations induites par les forces magnétiques.

Description

« Procédé et dispositif de compensation des vibrations d'une machine électrique, et machines électriques ainsi équipées»
La présente invention concerne un procédé de compensation des vibrations d'une machine électrique. Elle vise également un dispositif de compensation mettant en œuvre le procédé selon l'invention, ainsi que des machines électriques équipées de ce dispositif.
Par machine électrique, on entend ici tout convertisseur électromécanique opérant en moteur ou en générateur, de structure tournante ou linéaire, quelle qu'en soit la géométrie. Il peut s'agir de machines électriques conventionnelles telles que des machines à courant continu, des machines asynchrones ou synchrones, avec ou sans aimants permanents, mais également des machines électriques non conventionnelles ou spéciales telles que des machines à réluctance variable ou hybrides. Le circuit magnétique du stator peut être réalisé sous la forme d'un empilement de tôles en matériau ferromagnétique ou bien par moulage ou par toute autre technique disponible. Les vibrations du stator d'une machine électrique en fonctionnement mettent en mouvement l'air environnant et émettent ainsi des ondes sonores. Ces vibrations trouvent leurs origines dans les différentes sollicitations appliquées sur le stator. Les forces électromagnétiques, et en particuliers leurs composantes radiales, représentent souvent la cause principale des vibrations. Les frottements mécaniques ou aérodynamiques peuvent aussi causer, surtout pour des vitesses élevées, des vibrations gênantes.
Il s'agit ici de minimiser ces vibrations, et donc le bruit acoustique des machines électriques, afin d'améliorer le confort des utilisateurs des ces machines et de leur éviter des nuisances de santé, en particulier des risques de surdité professionnelle.
Jusqu'à présent, de nombreux tentatives ont été effectuées pour atteindre une réduction relative du bruit, en concevant et en alimentant, d'une façon adéquate, les machines électriques.
Différents moyens de réduction du bruit basés sur la conception et l'alimentation des actionneurs ont été proposés. Mais ces moyens de réduction présentent des limites dans leur efficacité, en particulier pour des vitesses élevées. Les réductions obtenues sont donc insuffisantes et le bruit reste un souci majeur tant pour les fabricants des machines que pour les utilisateurs. Il existe aussi des techniques de compensation par des forces électromagnétiques. On ajoute des bobinages alimentés d'une façon adéquate générant ainsi des forces opposées à celles générant le bruit. Les principaux problèmes liés à cette méthode sont la nécessité d'une alimentation de puissance afin d'alimenter les bobinages de compensation, et l'interaction magnétique entre les bobinages principaux et ceux de compensation, ce qui rend la commande délicate.
Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé pour compenser efficacement les vibrations d'une machine électrique.
Suivant l'invention, le procédé de compensation des vibrations d'une machine électrique comprenant un stator et une partie mobile, ce stator étant soumis à des forces magnétiques générées par une excitation électrique alternative et conduisant à sa déformation, est caractérisé en ce qu'il comprend une excitation d'actionneurs piézoélectriques fixés en des emplacements d'action prédéterminés sur la surface externe dudit stator, lesdits actionneurs piézoélectriques étant agencés pour procurer au stator des déformations contrôlées pour contrer les déformations induites par les forces magnétiques.
Ainsi, afin de réduire les vibrations d'une machine électrique, l'invention propose l'utilisation d'actionneurs piézoélectriques collés sur le stator et commandés d'une façon adéquate. Ces actionneurs, sous l'action d'une tension électrique, s'allongent ou se rétractent en déformant la structure de la machine. Ces déformations, opposées à celles générant le bruit acoustique, annulent toute vibration du stator. Ces actionneurs piézoélectriques peuvent être réalisés en matériau PZT (titano zirconate de plomb ) .
L'emplacement des actionneurs piézoélectriques a été déterminé grâce à des simulations basées sur des calculs par éléments finis, le but étant, d'une part, d'augmenter l'efficacité de ces actionneurs et, d'autre part, de minimiser leur nombre. L'excitation des actionneurs piézoélectriques est avantageusement commandée sensiblement en opposition de phase par rapport aux forces magnétiques auxquelles le stator est soumis, et réalisée à une fréquence double de celle l'excitation électrique alternative.
Dans une forme préférée de l'invention, le procédé de compensation selon l'invention comprend en outre un asservissement d'un signal excitation des actionneurs piézoélectriques en fonction d'une mesure d'accélération mesurée à la surface externe du stator en un point de mesure prédéterminé. Lorsque le procédé de compensation est mis en œuvre sur une machine électrique tournante comprenant n paires de pôles statoriques, la compensation des vibrations est assurée par deux actionneurs piézoélectriques diamétralement opposés et disposés sur un axe de symétrie du stator, ces actionneurs piézoélectriques étant agencés pour générer des forces de déformation sensiblement orthogonales à l'axe de symétrie.
Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un dispositif de compensation des vibrations d'une machine électrique comprenant un stator et une partie mobile, ce stator étant soumis à des forces magnétiques générées par une excitation électrique alternative procurée par des moyens d'alimentation électrique et conduisant à sa déformation, caractérisé en ce qu'il comprend :
- des actionneurs piézoélectriques fixés en des emplacements d'action prédéterminés sur la surface externe du stator, ces actionneurs piézoélectriques étant agencés pour procurer dans le stator une déformation contrôlée pour contrer la déformation induite par les forces magnétiques, - des moyens pour exciter les actionneurs piézoélectriques, et
- des moyens pour commander les moyens d'excitation en synchronisme avec les moyens d'alimentation électrique de la machine.
Lorsque ce dispositif est mis en œuvre pour une machine électrique tournante comprenant n paires de pôles statoriques, les actionneurs piézoélectriques sont fixés sur des zones de la surface externe du stator, sensiblement planes et diamétralement opposées selon un axe de symétrie du stator.
Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, chaque actionneur piézoélectrique est sensiblement la forme d'un parallélépipède allongé de faible épaisseur, s 'étendant en longueur sur tout ou partie de la longueur du stator, et en hauteur sur tout ou partie d'un arc reliant les deux bases de deux pôles adjacents du stator.
Chaque actionneur piézoélectrique est pourvu de deux électrodes d'excitation reliées en parallèle aux moyens d'excitation.
Dans une première version de l'invention avec asservissement, le dispositif de compensation comprend en outre des moyens pour mesurer l'accélération radiale à la surface externe du stator en un point situé sensiblement dans le prolongement radial d'un pôle statorique, et les moyens de commande et les moyens de commande sont agencés pour un asservissement de la tension d'excitation réglé pour minimiser le signal d'accélération issu des moyens de mesure d'accélération radiale.
Dans une seconde version de l'invention avec asservissement, le dispositif de compensation comprend en outre des moyens pour générer de façon indirecte une information sur les forces magnétiques agissant sur un pôle et/ou l'accélération radiale à la surface du stator, cette information étant fournie aux moyens de commande pour commander les moyens d'excitation en mode d'asservissement.
Ces moyens indirects peuvent comprendre des moyens pour mesurer le flux magnétique dans un pôle du stator, et des moyens pour déduire de cette mesure de flux une information d' accélération.
Suivant encore un autre aspect de l'invention, il est proposé une machine électrique équipée d'un dispositif de compensation selon l'invention, cette machine électrique comprenant une partie statique ou stator et une partie mobile, caractérisée en ce que le stator est pourvu d'actionneurs piézoélectriques fixés en des zones prédéterminées de la surface externe du stator, ces actionneurs piézoélectriques étant disposés pour générer des efforts mécaniques sur le stator pour contrer les forces magnétiques auxquelles le stator est soumis.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en œuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels :
- les figures la et Ib illustrent l'influence des déformations d'une pastille piézoélectrique en matériau PZT (titano zirconate de plomb) collée sur une surface extérieure du stator d'une machine électrique à pôles saillants, respectivement en élongation et en contraction ; - la figure 2 représente schématiquement une maquette électromagnétique conçue pour valider le procédé de compensation selon l'invention ;
- la figure 3 représente un schéma de principe du montage électrique de la maquette de la figure 2 ; - la figure 4 illustre l'influence du niveau de tension appliquée sur une pastille piézoélectrique, sur l'accélération mesurée ; - la figure 5 illustre une visualisation des nœuds de déformation sur le stator de la maquette de validation, pourvu de deux pastilles piézoélectriques diamétralement opposées ;
-la figure 6 illustre des déformations de mode 2 subis par le stator de la maquette de validation ;
-la figure 7 représente schématiquement des dimensions optimales de pastilles piézoélectriques pour une géométrie donnée de stator ;
- la figure 8 illustre une comparaison entre deux spectres d'accélération respectivement mesuré et calculé par une méthode d'éléments finis, dans le cas d'une excitation e courant ;
- la figure 9 illustre une comparaison entre deux spectres d'accélération respectivement mesuré et calculé par une méthode d'éléments finis, dans le cas d'une excitation de pastilles piézoélectriques de compensation ;
- la figure 10 est un schéma d'un circuit conçu pour générer deux signaux synchronisés, respectivement pour alimenter une bobine statorique et pour exciter les pastilles piézoélectriques, pour la mise en œuvre du procédé de compensation selon l'invention,et
- la figure 11 est un schéma d'un circuit d'asservissement, conçu pour générer un signal d'excitation des pastilles piézoélectriques asservi sur une mesure d'accélération.
Le principe physique à la base du procédé de compensation selon l'invention consiste à compenser des déformations mécaniques subies par des tôles statoriques 2 soumises à des efforts électromagnétiques, en induisant soit une élongation, soit une contraction de zones d'action déterminées localisées sur la surface externe des tôles statoriques, au moyens d'actionneurs piézoélectriques collés sur ces zones déterminées.
Ainsi, comme l'illustre la figure la, une élongation de la pastille piézoélectrique 11 collée sur une zone d'action SP conduit à un déformation de zones statoriques ZN, ZN' vers l'intérieur, venant contrer des déformations de ces zones induites par des forces électromagnétiques. A l'opposé, une contraction de la pastille piézoélectrique 11 va conduire à des déformations des zones statoriques ZN, ZN' vers l'extérieur.
On va maintenant décrire, en référence aux figures 2 à 7, un exemple pratique de mise en œuvre et de validation du procédé selon l'invention, mettant en œuvre une maquette de validation. Cette maquette électromagnétique 1 comprend, en référence à la figure 2, un circuit magnétique comprenant deux pôles diamétraux 40, 41 séparés par un entrefer central 4 et une culasse sous la forme de deux bras de retour semi-circulaires 30, 31 pourvus chacun sur leur surfaces externes de zones planes d'action SPO, SPl en quadrature par rapport à l'axe des pôles diamétraux et prévues pour recevoir chacune une pastille piézoélectrique 10, 11 faisant fonction d'actionneur de compensation. Chaque pastille piézoélectrique 10, 11 est pourvue de deux électrodes d'excitation, dont une électrode 12 disposée sur la surface externe de la pastille, aux bornes desquelles est appliquée une tension Vpz, en référence aux figures 2 et 3. La maquette de validation comprend en outre une bobine d'excitation 3 conçue pour entourer les deux pôles diamétraux 40, 41 et alimentée par un générateur de tension alternative Vbob, et un accéléromètre A placé sur la surface externe du circuit magnétique, sensiblement dans l'axe des pôles diamétraux 40, 4L Les deux pastilles piézoélectriques 10, 11, diamétralement opposées; sont excitées en parallèle à partir d'un générateur de tension alternative Vpz.
Lorsque le circuit magnétique de la maquette de validation 1 est soumis à un champ magnétique alternatif créé par la circulation d'un courant alternatif dans la bobine 3, les extrémités des pôles diamétraux 40, 41 séparés par l'entrefer 4 subissent des forces d'attraction qui conduisent à une déformation alternative symétrique du circuit magnétique, qui se traduit notamment par un signal de sortie de l' accéléromètre A.
On observe ainsi, en référence à la figure 4, une modulation de l'amplitude du signal d'accélération en fonction de la tension appliquée aux bornes des pastilles piézoélectrique 10, 11. Plus cette tension appliquée VPZT est augmentée, plus l'amplitude d'accélération est diminuée, et par conséquent le bruit acoustique. Des travaux d'étude et de simulation des modes de vibration du circuit magnétique ont conduit à recommander l'usage de deux pastilles uniquement, afin de conserver la symétrie de la structure magnétique et d'éviter le mode 3 de vibration. La visualisation des nœuds N sur la figure 5 de simulation du mode 2 de vibration et la visualisation des déformations du circuit magnétique en mode 2 sur la figure 6, conduisent à préconiser une disposition des pastilles piézoélectriques dans l'axe orthogonal à l'axe des pôles.
Une étude mécanique a été effectuée afin de recherche des dimensions optimales des pastilles piézoélectriques, en prenant en compte, d'une part, une relation entre le moment linéique Mo sur chaque pastille piézoélectrique 10, 11 et la tension VPZT appliquée sur les électrodes de ces pastilles, et d'autre part, une relation entre la déformation Δy au niveau du point de mesure d'accélération et le moment linéique Mo. Cette étude a montré qu'il existe une valeur optimale ep de la pastille piézoélectrique, - dans le cas de la maquette de validation, un peu plus de 2 mm -, et que la déformation Δy est proportionnelle (en mode statique) à la longueur Ip de la pastille.
Lorsque l'on fait varier la fréquence du courant d'alimentation de la bobine d'excitation 3, on observe un spectre de réponse de l'accélération (A) du type illustré par la figure 8, avec une relative adéquation entre le spectre mesuré et le spectre calculé par une méthode d'éléments finis. Si l'on excite les pastilles piézoélectriques à fréquence variable, on observe alors un spectre de réponse de l'accélération (A) du type illustré par la figure 9, qui est voisin de celui observé avec une excitation par courant, notamment en ce qui concerne les fréquences de résonance.
Pour obtenir une efficacité maximale dans la compensation des vibrations et la réduction du bruit, les pastilles piézoélectriques doivent être alimentées de manière à contrer les déplacements dus aux forces magnétiques. Des calculs ont établi que pour une force de 1,1 N imposée sur les dents d'une machine, une tension d'excitation piézoélectrique de moins de 7 V suffit pour annuler les déplacements dans le circuit magnétique. Il a aussi été établi qu'une synchronisation était nécessaire entre l'excitation électromagnétique et l'excitation piézoélectrique de compensation.
Il existe plusieurs façons de produire deux signaux d'excitation synchronisés, et parmi elles, une voie consistant à utiliser l'outil logiciel Matlab Simulink® associé à un module Dspace®, comme l'illustre la figure 10. Le circuit de commande ainsi réalisé permet l'obtention d'un signal de fréquence double, au moyen de la fonction « Produit ». Un premier convertisseur DAC génère une tension Vbob d'alimentation de la bobine 3, par exemple avec une fréquence de 3.3 kHz, tandis qu'un second convertisseur DAC génère une tension Vpzt à partir du signal de fréquence double et après un réglage approprié du déphasage.
Pour obtenir une compensation efficace des vibrations en régime de vitesse variable et donc de vitesse variable, il est nécessaire d'asservir l'excitation des pastilles piézoélectriques de façon à minimiser l'accélération mesurée par l'accéléromètre A. Il a été établi que les méthodes conventionnelles d'asservissement ne peuvent pas être utilisées, ce qui conduit à l'utilisation d'un modèle d'état, comme illustré en figure 11. On réalise une fonction de transfert H(p) qui correspond à un second ordre passe-haut, avec seul le mode 2 retenu. Les actionneurs piézoélectriques sont ainsi commandés en opposition de phase par rapport aux forces magnétiques responsables des vibrations. II est à noter que l'on peut aussi prévoir une version du dispositif de compensation selon l'invention, dans laquelle l'information d'accélération peut être obtenue de façon indirecte, sans nécessiter l'utilisation d'un accéléromètre. On peut par exemple prévoir une mesure du flux magnétique dans un pôle statorique, et un traitement de cette mesure, pour en déduire, via une modélisation de la relation entre flux, force magnétique et accélération, une estimation de l'accélération instantanée dans le stator au niveau du pôle concerné. Ce traitement peut être implémenté dans un circuit spécialisé.
La tension d'alimentation des actionneurs piézoélectriques reste faible (quelques volts pour le cas étudié) et la puissance nécessaire est délivrée par un montage d'électronique à faibles signaux. A titre d'exemple non limitatif, pour une machine à réluctance variable ayant une longueur statorique de 60mm, chaque pastille-actionneur de matériau PZT peuvent avoir une épaisseur d'environ 1 mm, une hauteur d'environ 13mm et une longueur d'environ 60mm.
Le matériau PZT utilisé pour la réalisation des pastilles-actionneurs peut avoir la formule suivante :
Pbo.89 (Ba5Sr) o.n (Zr 0.52 Ti 0.4s) O3 dopée avec 1% de manganèse et fluorée à 1%.
Pour le choix et l'élaboration d' actionneurs piézoélectriques pouvant être mis en œuvre dans un dispositif de compensation selon l'invention, on pourra utilement se référer aux travaux réalisés par le Laboratoire de Génie Electrique et de Ferroélectricité
(LGEF) à l'INSA de Lyon. La colle utilisée pour coller les pastilles-actionneurs sur les zones de réception du stator peut être de la colle époxy.
Bien que la validation expérimentale qui vient d'être exposée ait été faite pour une structure à réluctance variable, la présente invention peut être appliquée à n'importe quel type de machine électrique. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de compensation des vibrations d'une machine électrique comprenant un stator et une partie mobile, ledit stator étant soumis à des forces magnétiques générées par une excitation électrique alternative et conduisant à sa déformation, caractérisé en ce qu'il comprend une excitation d'actionneurs piézoélectriques fixés en des emplacements d'action prédéterminés sur la surface externe dudit stator, lesdits actionneurs piézoélectriques étant agencés pour procurer dans ledit stator des déformations contrôlées pour contrer les déformation induites par les forces magnétiques.
2. Procédé de compensation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'excitation des actionneurs piézoélectriques est commandée sensiblement en opposition de phase par rapport aux forces magnétiques auxquelles le stator est soumis.
3. Procédé de compensation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'excitation des actionneurs piézoélectriques est réalisée à une fréquence double de celle l'excitation électrique alternative.
4. Procédé de compensation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un asservissement d'un signal excitation des actionneurs piézoélectriques en fonction d'une mesure d'accélération mesurée à la surface externe du stator en un point de mesure prédéterminé.
5. Procédé de compensation selon l'une des revendications précédentes, mis en œuvre sur une machine électrique tournante comprenant n paires de pôles statoriques, caractérisé en ce que la compensation des vibrations est assurée par deux actionneurs piézoélectriques diamétralement opposés et disposés sur un axe de symétrie du stator, lesdits actionneurs piézoélectriques étant agencés pour générer des forces de déformation sensiblement orthogonales audit axe de symétrie.
6. Dispositif de compensation des vibrations d'une machine électrique comprenant un stator (2) et une partie mobile, ledit stator étant soumis à des forces magnétiques générées par une excitation électrique alternative procurée par des moyens d'alimentation électrique et conduisant à sa déformation, caractérisé en ce qu'il comprend : - des actionneurs piézoélectriques (10, 11) fixés en des emplacements d'action prédéterminés sur la surface externe dudit stator, lesdits actionneurs piézoélectriques étant agencés pour procurer dans ledit stator une déformation contrôlée pour contrer la déformation induite par les forces magnétiques, - des moyens (Vpz) pour exciter lesdits actionneurs piézoélectriques, et - des moyens pour commander lesdits moyens d'excitation en synchronisme avec les moyens d'alimentation électrique de la machine.
7. Dispositif de compensation selon la revendication 6, mis en œuvre pour une machine électrique tournante comprenant n paires de pôles statoriques, caractérisé en ce que les actionneurs piézoélectriques (10, 11) sont fixés sur des zones de la surface externe du stator (2), sensiblement planes et diamétralement opposées selon un axe de symétrie dudit stator.
8. Dispositif de compensation selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque actionneur piézoélectrique (10, 11) est sensiblement la forme d'un parallélépipède allongé de faible épaisseur, s 'étendant en longueur sur tout ou partie de la longueur dudit stator, en hauteur sur tout ou partie d'un arc reliant les deux bases de deux pôles adjacents dudit stator.
9. Dispositif de compensation selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que chaque actionneur piézoélectrique (10, 11) est pourvu de deux électrodes (12) d'excitation reliées en parallèle aux moyens d'excitation.
10. Dispositif de compensation selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (A) pour mesurer l'accélération radiale à la surface externe du stator en un point situé sensiblement dans le prolongement radial d'un pôle statorique (40, 41), et en ce que les moyens d'excitation (Vpz) et les moyens de commande sont agencés pour un asservissement de la tension d'excitation réglé pour minimiser le signal d'accélération issu des moyens de mesure d'accélération radiale.
11. Dispositif de compensation selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour générer de façon indirecte une information sur les forces magnétiques agissant sur un pôle et/ou l'accélération radiale à la surface du stator (2), cette information étant fournie aux moyens de commande pour commander les moyens d'excitation (Vpz) en mode d'asservissement.
12. Dispositif de compensation selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens indirects comprennent des moyens pour mesurer le flux magnétique dans un pôle du stator (2).
13. Machine électrique équipée d'un dispositif de compensation selon l'une des revendications 6 à 12, cette machine électrique comprenant une partie statique ou stator (2) et une partie mobile, caractérisée en ce que le stator (2) est pourvu d'actionneurs piézoélectriques (10, 11) fixés en des zones prédéterminées de la surface externe dudit stator, ces actionneurs piézoélectriques étant disposés pour générer des efforts mécaniques sur le stator pour contrer les forces magnétiques auxquelles le stator est soumis.
14. Machine électrique tournante selon la revendication 13, dont le stator comprend n paires de pôles statoriques, caractérisée en ce que la surface externe dudit stator comprend sur tout ou partie de sa longueur, deux zone sensiblement planes, diamétralement opposées sur un axe de symétrie dudit stator, et prévues pour recevoir chacune un actionneur piézoélectrique de compensation.
15. Machine électrique tournante selon la revendication 14, caractérisée en ce que son stator est pourvu de moyens pour fournir, de façon directe ou indirecte, une information sur l'accélération radiale subie par un pôle dudit stator.
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