El ruido (y vibración) acústico inducido electromagnéticamente , el ruido acústico excitado electromagnéticamente , o más comúnmente conocido como silbido de bobina , es un sonido audible producido directamente por materiales que vibran bajo la excitación de fuerzas electromagnéticas . Algunos ejemplos de este ruido incluyen el zumbido de la red , el zumbido de los transformadores , el zumbido de algunas máquinas eléctricas giratorias o el zumbido de las lámparas fluorescentes . El silbido de las líneas de transmisión de alto voltaje se debe a la descarga de corona , no al magnetismo.
El fenómeno también se denomina ruido magnético audible, [1] ruido electromagnético acústico, vibración de laminación [2] o ruido acústico inducido electromagnéticamente, [3] o, más raramente, ruido eléctrico, [4] o "ruido de bobina", según el solicitud. El término ruido electromagnético generalmente se evita ya que se usa en el campo de la compatibilidad electromagnética , que trata de las 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 microfonía , que describe cómo una vibración mecánica o un ruido acústico pueden 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 (solo campo eléctrico, solo campo magnético o ambos).
Las fuerzas electromagnéticas en presencia de un campo magnético incluyen fuerzas equivalentes debidas al tensor de tensión de Maxwell , la magnetostricción 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 reluctancia magnética, por ejemplo, entre el aire y un material ferromagnético en 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 Laplace actúan sobre conductores sumergidos en un campo magnético externo.
Las fuerzas electromagnéticas equivalentes debidas a la presencia de un campo eléctrico pueden implicar efectos electrostáticos , electroestrictivos y piezoeléctricos inversos .
Estos fenómenos pueden potencialmente generar vibraciones de las partes ferromagnéticas, conductoras, bobinas e imanes permanentes de dispositivos eléctricos, magnéticos y electromecánicos, resultando en un sonido audible si la frecuencia de 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 grandes niveles de vibración). El nivel de vibración aumenta en caso de resonancia mecánica , cuando las fuerzas electromagnéticas coinciden con un modo estructural de la frecuencia natural 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 un componente de CC está presente o no).
Ruido electromagnético y vibraciones en máquinas eléctricas
El par electromagnético , que se puede calcular como el valor medio del tensor de tensión de Maxwell a lo largo del espacio de aire, es una consecuencia de las fuerzas electromagnéticas en las máquinas eléctricas. Como fuerza estática, no genera vibraciones ni ruidos acústicos. 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 de contorno particulares, el estator puede irradiar ruido acústico bajo la excitación de la ondulación del par. [8] El ruido de estructura también se puede generar por la ondulación del par cuando las vibraciones de la línea del eje del rotor se propagan al bastidor [9] y 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 los 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 espacio de aire 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 son generados por varios fenómenos dependiendo del caso de carga que incluyen la fuerza de Lorentz en los devanados, [12] fuerzas de Maxwell en las juntas de las laminaciones y magnetostricción 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 de "capacitor de canto". [14]
Efecto de resonancia en máquinas eléctricas
En las máquinas eléctricas rotativas de flujo radial, la resonancia debida a las fuerzas electromagnéticas es particular, ya que se produce en dos condiciones: debe haber una coincidencia entre la fuerza excitante de Maxwell y la frecuencia natural del estator o rotor, y entre la forma modal del estator o rotor y la excitante. Número de onda armónico de Maxwell (periodicidad de la fuerza a lo largo del espacio de aire). [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 vibraciones y ruido 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 como 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 electromagnético y vibroacústico 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 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 vibraciones y ruidos electromagnéticos
Dispositivos estáticos
Los dispositivos estáticos incluyen sistemas y componentes eléctricos utilizados en el almacenamiento o conversión de energía eléctrica, como
- inductores
- transformadores [23]
- inversores de potencia
- condensadores
- 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 generar ruido acústico inducido electromagnéticamente
- bobinas : en la formación de imágenes por resonancia magnética , el "ruido de la bobina" es la parte del ruido total del sistema atribuido a la bobina receptora, debido a su temperatura distinta de cero.
Dispositivos giratorios
Los dispositivos giratorios incluyen máquinas eléctricas giratorias de flujo axial y radial que se utilizan para la conversión de energía eléctrica a mecánica, como
- motores de inducción [24]
- motores síncronos con imanes permanentes o rotor bobinado de CC
- motores de reluctancia conmutados
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 sana pueden provenir de
- Suministro de modulación de ancho de pulso de la máquina [25]
- efectos de ranurado [26] [27] [28]
- saturación magnética [29]
En una máquina defectuosa, el ruido y las vibraciones adicionales debido a fuerzas electromagnéticas pueden provenir de
- 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 mecánico giratorio : 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 vibraciones y ruido electromagnético
Reducción de ruido magnético y vibraciones en máquinas eléctricas
Las técnicas de mitigación de NVH en máquinas eléctricas incluyen [32]
- 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.
- Reducir las resonancias que se producen entre las excitaciones electromagnéticas y los modos estructurales.
Las técnicas de mitigación de vibraciones y ruido electromagnético en máquinas eléctricas incluyen:
- elegir la combinación correcta de ranura / poste y el diseño de bobinado
- evitando la coincidencia de resonancias entre el estator y las excitaciones electromagnéticas
- sesgando el estator o el rotor
- Implementación de técnicas de formación de polos / cambio de polos / emparejamiento de polos.
- Implementación de estrategias PWM de inyección de corriente armónica o espectro ensanchado.
- usando muescas / barreras de flujo en el estator o el rotor
- aumento de la amortiguación
Reducción del "ruido de la bobina"
Las acciones de mitigación del ruido de la bobina incluyen:
- agregue un poco de pegamento (por ejemplo, a menudo se agrega una capa de pegamento en la parte superior de las bobinas de televisión; con los años, este pegamento se degrada y aumenta el nivel de sonido)
- 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
Se puede producir una fuerza electromagnética variable mediante una fuente móvil de campo magnético de CC (por ejemplo, un imán permanente giratorio o una bobina giratoria alimentada con corriente CC) o mediante 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 se puede deformar una lámina ferromagnética debido al campo magnético de un imán giratorio. Corresponde a una máquina síncrona de imán permanente de un par de polos ideal con un estator sin ranuras.
Resonancia acústica por bobina de frecuencia variable
El efecto de resonancia de la vibración magnética con un modo estructural se puede ilustrar utilizando un diapasón de hierro. Una punta del diapasón se enrolla con una bobina alimentada por una fuente de alimentación de frecuencia variable. Una densidad de flujo variable circula entre las dos puntas y aparecen algunas fuerzas magnéticas dinámicas 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 cerca de 400 Hz, se produce una fuerte resonancia acústica.
Ejemplos de archivos de audio
Motor PMSM (aplicación de tracción)
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
- Video de un cilindro ferromagnético deformado por un imán giratorio en YouTube
Referencias
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