Etudes de cas
Face à un problème concret, les meilleurs atouts sont des connaissances approfondies en mécanique et en électromagnétisme, l'expérience acquise au fil des années et une bonne dose de sens physique. Ce qui permet, au-delà des calculs et des résultats de simulation, de comprendre en détail les phénomènes en jeu et de trouver des solutions adéquates. Voici quelques exemples.
Assemblage rotor
Problème
Un prototype de machine synchrone à aimants se mettait à vibrer de façon anormale au bout de quelques heures de fonctionnement chez le client.
Solution
Les calcul préliminaires ont indiqué que la machine tournait toujours bien en deçà de la première vitesse critique. Il ne pouvait donc s'agir d'un mode d'arbre. Une expertise attentive du rotor défaillant a mis en évidence un mauvais alignement des tôles à l'assemblage, qui avait causé en fonctionnement des contraintes excessives sur certaines parties du rotor qui s'étaient déformées. Les modifications appropriées ont été apportées au process d'assemblage et ont résolu le problème.
Niveau vibratoire anormal
Problème
Un client exigeait que les mesures de vibrations selon EN IEC 60034-14 sur ses moteurs avant livraison soient faites sur support rigide plutôt que sur suspension souple, comme l'usine en avait l'habitude. Dans ces conditions, le niveau vibratoire dépassait les critères d'acceptation, alors qu'il était était mesuré conforme dans les conditions de mesure habituelles.
Solution
Un analyse modale numérique, couplée aux mesures vibratoires, a pemis d'identifier que le support supposé rigide présentait des modes qui amplifiaient les niveaux vibratoires mesurés aux paliers de la machine. Les critères d'acceptation ont ainsi pu être revus en accord avec le client pour tenir compte de cet artefact de mesure.
Optimiser la résistance en fatigue
Problème
La généralisation des moteurs électriques à vitesse variable oblige à prendre en compte les fréquentes variations de l'effort centrifuge sur les rotors. Il est nécessaire de les dimensionner en fatigue, tout en tenant compte des contraintes électromagnétiques sur la conception et les matériaux.
Solution
Une méthodologie de dimensionnement spécifique a été développée. Ceci a été possible en comparant et adaptant des méthodes existantes, et en exploitant des essais sur éprouvettes et des essais d'endurance. Voir article.
Modes de défaillance sur rotor multimatériau
Problème
Un rotor à poles rapportés, constitué d'un assemblage complexe de pièces en aluminium usiné, de paquets de tôle ferromagnétiques et d'aimants présentait trop fréquemment des défaillances chez divers clients.
Solution
L'analyse des rotors défaillants et une modélisation détaillée de leur comportement en service a permis d'identifier plusieurs modes de défaillance dus à la fatigue, au fluage et à une instabilité thermomécanique. Les simulations ont ensuite servi à déterminer des limites de fonctionnement sûr en vitesse et en température.
Spécification d'essais vibratoires
Problème
Un moteur entrainant un compresseur d'air est soumis à de fortes vibrations. Le client, fabricant du compresseur, demandait de définir un essai vibratoire du moteur seul, qui garantisse la résistance du moteur aux vibrations réelles, sur toute la durée de vie du produit.
Solution
En s'appuyant sur des spécifications d'essai générales (EN60068, EN61373), sur le comportement modal du moteur et à partir de mesures de vibration sur compresseur, un plan d'essais a été défini, qui a été mise en oeuvre et a permis de valider la conception.
Liaison arbre-moyeu simple et robuste
Problème
La transmission du couple entre la masse rotorique et l'arbre d'un moteur électrique devient délicate lorsque la machine tourne à grande vitesse. Un simple serrage, qui convient pour de faibles vitesse de rotation, ne suffit plus lorsque l'effort centrifuge desserre l'assemblage. Quant à un assemblage claveté traditionnel, il implique un jeu inacceptable en cas d'inversion de couple ("backlash").
Solution
Une transmission par obstacle utilisant la plasticité de la tôle ferromagnétique a été mise en oeuvre avec succès. Elle garantit la transmission du couple dans tous les cas, l'absence de "backlash" et permet de larges tolérances de fabrication, sans nécessiter aucune pièce supplémentaire
Contact rotor-stator et multiphysique
Problème
Une rotor en porte-à-faux (c'est à dire sans palier à l'une de ses extrémités) se mettait à vibrer au point de toucher le stator dans une plage de vitesse bien précise. Calculs et mesures montraient qu'il ne pouvait s'agir d'un mode propre, car la première fréquence propre, quoiqu'assez basse, était largement au-dessus des vitesses de rotation.
Solution
De nombreuses investigations expérimentales (mesures vibratoires, mesures d'orbite, analyse modale expérimentale,…) ont permis de caractériser le problème sans toutefois en comprendre la cause. C'est finalement le développement d'un modèle couplé mécanique-électromagnétique qui a permis de reproduire et d'identifier la cause de l'instabilité observée, et d'orienter le choix des grandeurs critiques pour les futurs dimensionnments. Voir article
Résistance mécanique de bobinages imprégné
Problème
Dans le dimensionnement mécanique des rotors bobinés, la contribution des bobines de fil de cuivre imprégnées de vernis était inconnue. De façon conservative, elle n'était pas prise en compte, mais on souhaitait savoir s'il était possible d'en tirer parti.
Solution
L'investigation a été menée à la fois par une batterie d'essais de flexion 3 points sur des faisceaux éprouvettes et par différentes stratégies de modélisation. En tenant compte des propriétés très spécifiques du vernis d'imprégnation (en particulier sa sensibilité à la température), il a été possible d'en tirer des conséquences utiles sur le dimensionnement des rotors bobinés. Voir article
Conversion de mouvement optimisée
Problème
Pour la régulation d'un turbo à géométrie variable, le client souhaitait convertir le mouvement de rotation d'un actionneur en un mouvement de translation, avec une courbe d'effort bien définie et dans un encombrement réduit. De plus, le système devait être parfaitement réversible pour garantir un retour en position neutre en cas de défaillance (fonction "fail-safe")
Solution
Un mécanisme original a été développé et breveté (EP 1936236), qui présente à la fois les avantages d'une came et d'un engrenage : compacité, simplicité de fabrication, et courbe d'effort optimisée. En effet, la transmission peut être à la fois fortement non-linéaire (c'est à dire avec un rapport de réduction qui varie de façon importante avec la position), mais reste toujours réversible, même dans les positions ou le rapport de réduction est grand
Temps de réaction d'un actionneur électromagnétique
Problème
La constante de temps d'un actionneur rapide pour le positionnement d'une vanne était mal prédite par les modèles classiques à réseaux de perméance. Sa faible valeur était pourtant un argument de vente, et un modèle dynamique précis était exigé par le client.
Solution
Un modèle dynamique original à la fois précis et rapide en temps de calcul a été développé sur Matlab/Simulink, tenant compte d'un phénomène physique négligé auparavant : la diffusion du champ magnétique dans l'épaisseur du circuit fer. Le modèle a permis de reproduire fidèlement le comportement de l'actionneur et de prédire son temps de réaction précisément. Voir article