Avec l’électrification croissante des chaînes de traction, les exigences de performance imposées aux systèmes auxiliaires des véhicules évoluent sensiblement. Dans les véhicules équipés d’un moteur à combustion interne, le bruit de la chaîne de traction masquait en partie celui produit par les équipements auxiliaires. Dans les véhicules électriques à batterie, le niveau de bruit ambiant nettement plus faible rend ces sources beaucoup plus perceptibles. Les équipements de gestion thermique, notamment les soufflantes HVAC, les ventilateurs de refroidissement et les pompes électriques, font donc l’objet d’une attention croissante sur le plan acoustique.
Dans ces systèmes, le moteur électrique constitue une source majeure de bruit et d’excitations mécaniques. Au-delà du bruit aérien large bande, la qualité acoustique perçue peut être fortement influencée par des composantes tonales dues aux forces électromagnétiques, aux comportements de contact non linéaires ou aux résonances structurelles. Ces contraintes doivent être maîtrisées tout en conservant une densité de puissance élevée, puisqu’il faut fournir davantage de débit d’air ou de capacité de pompage dans un espace d’intégration limité et sous des conditions thermiques exigeantes.
Cet article présente une machine électrique développée par Moving Magnet Technologies afin d’améliorer les performances NVH. Sa conception repose sur un stator en deux parties doté d’une interface mécanique maîtrisée, qui cible l’une des principales sources d’excitations indésirables dans les assemblages de stators segmentés. L’objectif est de réduire le niveau de pression acoustique sur l’ensemble de la plage de vitesse tout en conservant un procédé de production en série robuste, sans élément d’amortissement supplémentaire.
2 Technologies existantes et défis à relever
La plupart des systèmes actuels de gestion thermique utilisent des moteurs à courant continu sans balais (BLDC) associés à une électronique intégrée. Si cette architecture offre des avantages en matière de rendement, de pilotage et d’intégration système, elle doit également répondre à des exigences de plus en plus élevées concernant le comportement NVH, la durée de vie, la compatibilité électromagnétique et les coûts.
Les architectures de moteurs se répartissent généralement en deux catégories : les conceptions à rotor externe et à rotor interne. Les machines à rotor externe offrent un encombrement compact et des conditions de refroidissement favorables, mais leurs performances acoustiques peuvent se dégrader, notamment à des vitesses de rotation élevées et dans les zones de fonctionnement où les excitations tonales deviennent plus marquées. Les machines à rotor interne peuvent offrir un meilleur comportement NVH au niveau du moteur, mais elles sont susceptibles de favoriser la transmission du bruit solidien aux composants voisins, ce qui peut nécessiter des mesures complémentaires au niveau du système.
Pour atténuer ces effets, les concepteurs ajoutent fréquemment des matériaux d’amortissement ou des dispositifs d’isolation tels que des résines, des mousses, des élastomères ou des éléments de découplage mécanique. Ces solutions augmentent toutefois le coût global du système, occupent davantage d’espace et complexifient la fabrication par des opérations telles que le dosage, la polymérisation, les reprises et les contrôles supplémentaires. Leur efficacité acoustique peut également varier en fonction de la dispersion des procédés et du vieillissement des matériaux.
Ainsi, même les solutions les plus matures présentent encore des limites lorsqu’il s’agit d’optimiser simultanément le NVH, le rendement et les coûts. Dans les stators en deux parties ou segmentés, les microcontacts d’origine mécanique et les excitations impulsionnelles constituent une source particulièrement importante de bruit indésirable. Pour répondre à cette problématique, une conception de stator a été développée afin de maîtriser le mécanisme de contact, d’améliorer la robustesse vis-à-vis des tolérances et d’optimiser le NVH sans ajouter de matériaux ni d’étapes de fabrication.
3 Stator en deux parties avec interface de contact maîtrisée
L’utilisation d’un stator en deux parties constitue une méthode éprouvée pour simplifier les opérations de bobinage. Ces assemblages comprennent généralement une partie dentée en étoile et une culasse séparée. Les tolérances de fabrication ne pouvant être totalement supprimées, de faibles jeux peuvent subsister entre ces éléments après assemblage. Sous l’effet des forces électromagnétiques, ces jeux peuvent générer des micro-impacts, des phénomènes liés au frottement et des effets de contact non linéaires. Les excitations impulsionnelles qui en résultent peuvent produire à la fois un bruit large bande et des composantes tonales distinctes.
Les approches conventionnelles consistent soit à créer une liaison rigide, qui transmet directement les vibrations, soit à conserver un jeu mécanique, qui autorise des contacts non maîtrisés. Lorsque la température, la vitesse et la charge évoluent, ces deux stratégies peuvent entraîner des variations du comportement acoustique.
Le concept présenté ici introduit une interface mécanique maîtrisée entre le bloc étoile et la culasse. Des géométries complémentaires créent une zone de contact ponctuelle définie, maintenue par une précharge élastique. Une souplesse mécanique spécifiquement intégrée à la partie étoile lui permet de rester continuellement en contact avec la culasse quelles que soient les conditions de fonctionnement.
Figure 1 Assemblage des composants du stator (© MMT)
Cette interface agit comme un filtre mécanique. L’association d’une zone de contact réduite et d’une précharge permet d’éviter les contacts impulsionnels, de limiter les excitations générées par le frottement et d’autoriser un déplacement relatif élastique maîtrisé qui atténue les excitations solidiennes. La conception présente également une forte tolérance aux variations de fabrication. Les écarts issus de la découpe et de l’empilage sont absorbés par la déformation élastique de la partie étoile, ce qui réduit par conception les jeux résiduels. L’état de contact maîtrisé stabilise le comportement mécanique sur toute la plage de fonctionnement et diminue la sensibilité à la dilatation thermique. La zone de contact étant limitée, l’usure est également réduite, ce qui contribue à préserver les performances acoustiques dans le temps.
Figure 2 Déformation de l’isthme lors du pivotement de la dent (© MMT)
La production repose sur des procédés industriels standards. Les tôles peuvent être fabriquées à l’aide d’outils de découpe conventionnels ou de matrices progressives, et les deux éléments du stator peuvent être intégrés dans un même plan de découpe afin d’améliorer l’utilisation de la matière et la maîtrise des coûts. L’opération d’empilage reste conventionnelle, sans pièce ajoutée ni étape de procédé supplémentaire. L’amélioration NVH est obtenue uniquement grâce à la géométrie des empilements de tôles. L’architecture autorise également différentes stratégies de bobinage, notamment le bobinage de la partie étoile ouverte avant l’assemblage final ou le préassemblage de l’unité bobinée afin de réduire le temps de cycle.
4 Bénéfices pour la gestion thermique des véhicules électriques
La gestion thermique des véhicules électriques constitue une application particulièrement exigeante. Les systèmes doivent fonctionner sur une large plage de vitesses, résister aux sollicitations thermiques et respecter simultanément des objectifs NVH stricts. Dans les soufflantes HVAC, les tonalités générées par le moteur influencent souvent la perception acoustique à faible vitesse de rotation, tandis que le bruit aérodynamique devient plus important lorsque la vitesse augmente. Les ventilateurs de refroidissement et les pompes ajoutent par ailleurs d’autres voies de couplage solidien avec le système complet.
Le stator proposé réduit le bruit directement à la source en supprimant les microcontacts et les excitations impulsionnelles au sein du moteur. Son interface préchargée maintient des conditions de contact homogènes sur toute la plage de température et évite les variations acoustiques liées aux jeux provoqués par la dilatation thermique. La suppression des matériaux d’amortissement supplémentaires réduit également l’encombrement et la complexité des procédés. Le moteur peut ainsi être intégré plus facilement dans des modules compacts de gestion thermique tout en limitant les compromis, au niveau système, entre NVH, coût et performances.
Le tableau 1 résume l’applicabilité du concept aux fonctions de gestion thermique automobile.
Tableau 1 Pertinence du concept pour les applications automobiles de gestion thermique
5 Méthodologie d’essai et performances mesurées
Le concept a été évalué à la fois au niveau du composant et du système complet. Des essais comparatifs avec des moteurs de référence ont mis en évidence une amélioration significative du comportement NVH sur l’ensemble de la plage de vitesse de rotation.
Les essais au niveau moteur ont été réalisés dans un environnement acoustique à faible bruit, avec une distance de microphone définie. Les résultats ont été analysés dans le domaine temps-fréquence. Des mesures complémentaires ont ensuite été effectuées après intégration du moteur dans un module HVAC, ce qui a permis d’évaluer la conception dans des conditions d’installation et aux limites représentatives.
Figure 3 Comparaison de moteurs HVAC : conception proposée et solutions de référence du marché (© MMT)
La figure 3 présente les mesures obtenues sur des moteurs HVAC. Au niveau du moteur, la pression acoustique de la machine proposée augmente progressivement avec la vitesse de rotation et ne présente pas de pics tonals marqués. Son spectre fréquentiel montre des composantes tonales plus faibles, en particulier autour des ordres d’excitation électromagnétique. Ce comportement est cohérent avec une réduction des excitations de contact de type impulsionnel et une interaction plus faible entre les forces électromagnétiques et les modes propres de la structure.
À titre de comparaison, les moteurs de référence présentent généralement soit un niveau de base plus élevé dès les faibles vitesses de rotation, soit de fortes composantes tonales associées aux phénomènes de contact mécanique et/ou aux excitations électromagnétiques. Selon l’architecture du moteur et le point de fonctionnement, des réductions du niveau de pression acoustique supérieures à 20 dB(A) peuvent être atteintes. Ce résultat souligne l’intérêt d’une stabilisation mécanique de l’interface de contact du stator pour les applications fortement contraintes en NVH.
Figure 4 Analyse en cascade des moteurs HVAC : conception proposée et solutions de référence du marché (© MMT)
Les essais réalisés avec le moteur intégré dans un module HVAC, présentés à la figure 4, confirment le bénéfice au niveau système. À des vitesses de rotation élevées, le bruit aérodynamique large bande domine de plus en plus le signal global, de sorte que les niveaux globaux de pression acoustique des différentes solutions tendent à converger. À faible vitesse, en revanche, le bruit d’écoulement reste limité et les composantes tonales liées au moteur deviennent plus perceptibles. Dans cette zone, un moteur de référence génère des tonalités clairement perceptibles, tandis que la conception proposée reste acoustiquement discrète. L’amélioration de la qualité sonore perçue qui en résulte réduit le risque de réclamations clients liées au NVH dans des conditions de fonctionnement particulièrement sensibles pour les occupants du véhicule.
Outre ses performances acoustiques, le moteur délivre une puissance élevée, permettant d’atteindre des vitesses de rotation supérieures sans augmentation correspondante du bruit perçu.
Figure 5 Comparaison de moteurs d’e-fan : conception proposée et solutions de référence du marché, mesures sans hélice (© MMT)‑
La figure 5 présente également l’évaluation des performances d’un moteur d’e-fan. La machine associe un faible niveau sonore à une puissance et un rendement élevés. D’après les mesures disponibles, elle atteint environ 49 dB(A) SPL à 1 300 W, avec un rendement supérieur à 91 %. Cette solution offre ainsi un équilibre entre NVH, rendement et densité de puissance, sans les compromis couramment rencontrés entre bruit, puissance et rendement dans les conceptions conventionnelles. Pour les systèmes d’e-fan et HVAC en particulier, ce résultat apporte une flexibilité supplémentaire dans la stratégie de fonctionnement, avec notamment une plus grande réserve de vitesse tout en limitant la présence acoustique.
6 Synthèse et perspectives
Le concept de stator en deux parties montre qu’une conception mécanique ciblée peut améliorer de manière significative les performances NVH des machines électriques. L’association d’une interface de contact ponctuelle définie et d’une précharge élastique maîtrise le couplage entre les éléments structurels, réduit les excitations de contact impulsionnelles et maintient un comportement acoustique stable malgré les variations de température et les tolérances de fabrication.
Cette conception reste compatible avec une production industrielle en série, car elle s’appuie sur des procédés de fabrication éprouvés et demeure robuste face aux tolérances de production. Aucun matériau d’amortissement ni aucune étape de fabrication supplémentaire n’étant nécessaire, le concept permet de réduire les coûts, les besoins d’intégration et les risques industriels.
Cette technologie constitue ainsi une solution évolutive et compétitive pour les systèmes de gestion thermique et offre une plus grande liberté de conception pour des entraînements silencieux et fortement intégrés. Elle peut également être étendue à d’autres applications de mobilité électrifiée et soutient une approche système dans laquelle les fonctions mécatroniques et fluidiques sont combinées au sein d’architectures fluidtroniques.
Auteurs
Bouali ROUACHED is R&D Engineer for Direct-Drive Motor at Moving Magnet Technologies S.A. in Besançon (France).
Arnaud HYPPIAS is Development Manager for Mechatronic & Fluidtronic systems at Moving Magnet Technologies S.A. in Besançon (France).
Damien LAFORGE is Business Unit Manager for Mechatronic & Fluidtronic systems at Moving Magnet Technologies S.A.in Besançon (France).