El fenómeno también se denomina ruido magnético audible, [1] ruido acústico electromagnético, vibración de laminación [2] o ruido acústico inducido electromagnéticamente, [3] o, más raramente, ruido eléctrico, [4] o "ruido de bobina", según la aplicación. . El término ruido electromagnético generalmente se evita ya que el término se utiliza en el campo de la compatibilidad electromagnética , que trata de radiofrecuencias. El término ruido eléctrico describe las perturbaciones eléctricas que ocurren en los circuitos electrónicos, no el sonido. Para este último uso, los términos vibraciones electromagnéticas [5] o vibraciones magnéticas [6] , centrándose en el fenómeno estructural, son menos ambiguos.
El ruido acústico y las vibraciones debidas a fuerzas electromagnéticas pueden verse como el recíproco de la microfónica , que describe cómo una vibración mecánica o un ruido acústico puede inducir una perturbación eléctrica no deseada.
Explicación general
Las fuerzas electromagnéticas se pueden definir como fuerzas que surgen de la presencia de un campo electromagnético.
Las fuerzas electromagnéticas en presencia de un campo magnético incluyen fuerzas equivalentes debidas al tensor de tensión de Maxwell , la magnetoestricción y la fuerza de Lorentz (también llamada fuerza de Laplace). [7]
Las fuerzas de Maxwell, también llamadas fuerzas de reluctancia, se concentran en la interfaz de cambios de alta reluuctividad magnética, por ejemplo entre el aire y un material ferromagnético en las máquinas eléctricas; también son responsables de la atracción o repulsión de dos imanes enfrentados. Las fuerzas de magnetoestricción se concentran dentro del propio material ferromagnético. Las fuerzas de Lorentz o de Laplace actúan sobre conductores sumergidos en un campo magnético externo.
Estos fenómenos pueden generar potencialmente vibraciones de las partes ferromagnéticas, conductoras, bobinas e imanes permanentes de dispositivos eléctricos, magnéticos y electromecánicos, lo que resulta en un sonido audible si la frecuencia de las vibraciones se encuentra entre 20 Hz y 20 kHz, y si el nivel de sonido es alto. suficiente para ser escuchado (por ejemplo, gran superficie de radiación y altos niveles de vibración). El nivel de vibración aumenta en caso de resonancia mecánica , cuando las fuerzas electromagnéticas coinciden con una frecuencia natural de modo estructural del componente activo (circuito magnético, bobina electromagnética o circuito eléctrico) o de su envolvente.
La frecuencia del ruido depende de la naturaleza de las fuerzas electromagnéticas (función cuadrática o lineal del campo eléctrico o campo magnético) y del contenido de frecuencia del campo electromagnético (en particular, si hay presente o no un componente de CC).
Ruido electromagnético y vibraciones en máquinas eléctricas.
El par electromagnético , que puede calcularse como el valor medio del tensor de tensión de Maxwell a lo largo del entrehierro, es una consecuencia de las fuerzas electromagnéticas en las máquinas eléctricas. Como fuerza estática, no genera vibraciones ni ruido acústico. Sin embargo, la ondulación del par (también llamada par dentado para máquinas síncronas de imanes permanentes en circuito abierto), que representa las variaciones armónicas del par electromagnético, es una fuerza dinámica que crea vibraciones torsionales tanto del rotor como del estator. La deflexión torsional de un cilindro simple no puede irradiar ruido acústico de manera eficiente, pero con condiciones límite particulares el estator puede irradiar ruido acústico bajo excitación por ondulación del par. [8] El ruido transmitido por la estructura también puede generarse por la ondulación del par cuando las vibraciones de la línea del eje del rotor se propagan al marco [9] y a la línea del eje.
Algunos armónicos de fuerza magnética tangencial pueden crear directamente vibraciones magnéticas y ruido acústico cuando se aplican a los dientes del estator: las fuerzas tangenciales crean un momento de flexión de los dientes del estator, lo que resulta en vibraciones radiales del yugo. [10]
Además de los armónicos de fuerza tangencial, la tensión de Maxwell también incluye armónicos de fuerza radial responsables de las vibraciones radiales del yugo, que a su vez pueden irradiar ruido acústico.
Ruido electromagnético y vibraciones en componentes pasivos.
Inductores
En los inductores, también llamados reactores o estranguladores, la energía magnética se almacena en el entrehierro del circuito magnético, donde se aplican grandes fuerzas de Maxwell. El ruido y las vibraciones resultantes dependen del material del entrehierro y de la geometría del circuito magnético. [11]
transformadores
En los transformadores, el ruido magnético y las vibraciones se generan por varios fenómenos dependiendo del caso de carga, que incluyen la fuerza de Lorentz en los devanados, [12] fuerzas de Maxwell en las uniones de las laminaciones y la magnetoestricción dentro del núcleo laminado.
Condensadores
Los condensadores también están sujetos a grandes fuerzas electrostáticas. Cuando la forma de onda de voltaje/corriente del capacitor no es constante y contiene armónicos de tiempo, aparecen algunas fuerzas eléctricas armónicas y se puede generar ruido acústico. [13]
Los condensadores ferroeléctricos también exhiben un efecto piezoeléctrico que puede ser una fuente de ruido audible. Este fenómeno se conoce como efecto del "condensador cantante". [14]
Efecto de resonancia en máquinas eléctricas.
En las máquinas eléctricas giratorias de flujo radial, la resonancia debida a fuerzas electromagnéticas es particular ya que ocurre en dos condiciones: debe haber una coincidencia entre la fuerza de excitación de Maxwell y la frecuencia natural del estator o rotor, y entre la forma modal del estator o rotor y la excitación. Número de onda armónica de Maxwell (periodicidad de la fuerza a lo largo del entrehierro). [15]
Como ejemplo, puede producirse una resonancia con la forma modal elíptica del estator si el número de onda de la fuerza es 2. En condiciones de resonancia, los máximos de la excitación electromagnética a lo largo del entrehierro y los máximos del desplazamiento de la forma modal están en fase.
Simulación numérica
Metodología
La simulación de ruidos y vibraciones inducidos electromagnéticamente es un proceso de modelado multifísico que se lleva a cabo en tres pasos:
cálculo de las fuerzas electromagnéticas
cálculo de las vibraciones magnéticas resultantes
cálculo del ruido magnético resultante
Generalmente se considera un problema débilmente acoplado: se supone que la deformación de la estructura bajo fuerzas electromagnéticas no cambia significativamente la distribución del campo electromagnético y la tensión electromagnética resultante.
Aplicación a máquinas eléctricas.
La evaluación del ruido magnético audible en máquinas eléctricas se puede realizar mediante tres métodos:
utilizando software de simulación electromagnética y vibroacústica dedicado (por ejemplo, MANATEE [16] )
utilizando software numérico electromagnético (por ejemplo, Flux, [17] Jmag, [18] Maxwell, [19] Opera [20] ), estructural (por ejemplo, Ansys Mechanical, Nastran, Optistruct) y acústico (por ejemplo, Actran, LMS, Sysnoise) junto con software numérico dedicado métodos de acoplamiento
utilizando un entorno de software de simulación numérica multifísica (por ejemplo, Comsol Multiphysics, [21] Ansys Workbench [22] )
Ejemplos de dispositivos sujetos a ruidos y vibraciones electromagnéticos
Dispositivos estáticos
Los dispositivos estáticos incluyen sistemas y componentes eléctricos utilizados en el almacenamiento de energía eléctrica o en la conversión de energía, como
Resistencias : las resistencias de frenado de los trenes eléctricos, utilizadas para disipar la energía eléctrica cuando la catenaria no es receptiva durante el frenado, pueden producir ruido acústico inducido electromagnéticamente.
Bobinas : en imágenes por resonancia magnética , el "ruido de la bobina" es la parte del ruido total del sistema atribuida a la bobina receptora, debido a su temperatura distinta de cero.
Dispositivos giratorios
Los dispositivos giratorios incluyen máquinas eléctricas giratorias de flujo radial y axial utilizadas para la conversión de energía eléctrica a mecánica, como
En dicho dispositivo, las fuerzas electromagnéticas dinámicas provienen de variaciones del campo magnético, que proviene de un devanado de CA constante o de una fuente de campo de CC giratoria (imán permanente o devanado de CC).
Fuentes de ruido magnético y vibraciones en máquinas eléctricas.
Las fuerzas electromagnéticas armónicas responsables del ruido magnético y las vibraciones en una máquina en buen estado pueden provenir de
En una máquina defectuosa, pueden producirse ruidos y vibraciones adicionales debidos a fuerzas electromagnéticas
excentricidades mecánicas estáticas y dinámicas [30]
entrehierro desigual [31]
desmagnetización
Corto circuitos
faltan cuñas magnéticas
La tracción magnética desequilibrada (UMP) describe la equivalencia electromagnética del desequilibrio giratorio mecánico : si las fuerzas electromagnéticas no están equilibradas, aparece una fuerza magnética neta distinta de cero en el estator y el rotor. Esta fuerza puede excitar el modo de flexión del rotor y crear vibraciones y ruidos adicionales.
Reducción de ruido electromagnético y vibraciones.
Reducción de ruido magnético y vibraciones en máquinas eléctricas.
Las técnicas de mitigación de NVH en máquinas eléctricas incluyen
Reducir la magnitud de las excitaciones electromagnéticas, independientemente de la respuesta estructural de la máquina eléctrica.
Reducir la magnitud de la respuesta estructural, independientemente de las excitaciones electromagnéticas.
aumentar la frecuencia fuera del rango de frecuencia audible
Reducción del "ruido de la bobina"
Las acciones de mitigación del ruido de la bobina incluyen:
añadir un poco de pegamento (por ejemplo, a menudo se añade una capa de pegamento en la parte superior de las bobinas de los televisores; con el paso de los años, este pegamento se degrada y el nivel de sonido aumenta)
cambiar la forma de la bobina (por ejemplo, cambiar la forma de la bobina a una figura de ocho en lugar de una forma de bobina tradicional)
aislar la bobina del resto del dispositivo para minimizar el ruido transmitido por la estructura
aumentar la amortiguación
Ilustraciones experimentales
Una fuerza electromagnética variable puede ser producida por una fuente móvil de campo magnético de CC (por ejemplo, un imán permanente giratorio o una bobina giratoria alimentada con corriente continua), o por una fuente constante de campo magnético de CA (por ejemplo, una bobina alimentada por una corriente variable).
Vibración forzada por un imán permanente giratorio.
Esta animación ilustra cómo una lámina ferromagnética puede deformarse debido al campo magnético de un imán giratorio. Corresponde a una máquina síncrona ideal de imanes permanentes de un par de polos con un estator sin ranuras.
Resonancia acústica mediante una bobina de frecuencia variable.
El efecto de resonancia de la vibración magnética con un modo estructural se puede ilustrar utilizando un diapasón hecho de hierro. Una punta del diapasón está enrollada con una bobina alimentada por una fuente de alimentación de frecuencia variable. Una densidad de flujo variable circula entre las dos puntas y algunas fuerzas magnéticas dinámicas aparecen entre las dos puntas al doble de la frecuencia de suministro. Cuando la frecuencia de la fuerza de excitación coincide con el modo fundamental del diapasón cercano a 400 Hz, se produce una fuerte resonancia acústica.
Ejemplos de archivos de audio
Motor PMSM (aplicación de tracción)
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enlaces externos
Video de un diapasón resonante excitado magnéticamente por una corriente de frecuencia variable en YouTube
Video de un diapasón excitado magnéticamente por una corriente de frecuencia fija en YouTube
Vídeo de un cilindro ferromagnético deformado por un imán giratorio en YouTube