Avec l’avancement de l’électrification dans l’industrie automobile, le refroidissement actif est de plus en plus nécessaire. Lorsqu’un ventilateur est utilisé, le bruit peut devenir problématique. L’article suivant explique les options pour réduire le bruit et les considérations à prendre en compte.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
Avec l’avancement de l’électrification dans l’industrie automobile, le refroidissement actif est de plus en plus nécessaire. Lorsqu’un ventilateur est utilisé, le bruit aérien et structurel peut rapidement devenir problématique. Cet article explique les options pour réduire le bruit et les considérations à prendre en compte pour vous aider à choisir.
Les applications d’électronique de puissance avec une dissipation de puissance élevée, un espace d’installation réduit et des niveaux de bruit admissibles faibles sont de plus en plus courantes, poussant les conceptions de refroidissement actif (avec ventilateurs et dissipateurs de chaleur) aux limites de la faisabilité physique.
Divers facteurs doivent être pris en compte pour trouver la solution optimale, y compris l’interaction du ventilateur avec le système. Cependant, toute solution sera un compromis entre la taille, la vitesse, le son et le coût.
Image utilisée avec l’aimable accord de Bodo’s Power Systems [PDF]
Les ventilateurs peuvent être aussi silencieux qu’une souris lorsqu’ils soufflent à l’air libre, mais dès qu’ils sont installés dans un système, deux problèmes peuvent survenir :
- Bruit structurel. Les vibrations du ventilateur sont transportées et amplifiées par le système, comme dans un étui de violon.
- Bruit aérien. En raison du flux d’air du système, des turbulences supplémentaires peuvent survenir, créant un son similaire au fonctionnement d’une flûte.
Considérations et ajustements pour la réduction du bruit
Tout d’abord, faites attention au point de fonctionnement du ventilateur. Le bruit n’augmente pas toujours en ligne droite avec la vitesse du ventilateur. Par exemple, 50 % de RPM n’équivalent pas à 50 % du volume total du bruit. De plus, le volume à la vitesse maximale n’est pertinent que si le ventilateur est censé tourner à la vitesse maximale.
Les caractéristiques de tourbillon ou de flux diffèrent selon le type de ventilateur et la géométrie des pales du rotor. Les ventilateurs axiaux et centrifuges ne soufflent pas toujours en ligne droite ou ne soufflent pas la même quantité d’air à chaque point de leurs sorties d’air. Cela affecte le système car du bruit peut survenir si le flux d’air est perturbé.
Aspirer l’air du système peut réduire le niveau de bruit, mais un ventilateur doit supporter une température de travail plus élevée car il aspire tout l’air chaud, augmentant ainsi sa température.
En revanche, si un ventilateur souffle de l’air dans le système, il peut se concentrer sur un point chaud, si nécessaire, et disperser la chaleur ou la transporter loin de la source principale de chaleur du système. La position du ventilateur dans l’appareil par rapport à l’utilisateur peut également être un facteur décisif pour savoir quelle variante est la meilleure.
L’utilisation d’un ventilateur plus grand et son fonctionnement à une vitesse plus lente peut rapidement atténuer le bruit aérien en raison d’une vitesse de rotation plus faible, car un petit ventilateur devrait tourner plus vite pour obtenir un résultat similaire. Cependant, le point de fonctionnement respectif doit également être pris en compte dans ce cas. Un petit ventilateur, comparé à un ventilateur plus grand, a une ligne caractéristique plus raide au même point de fonctionnement sur une courbe PQ. Selon le point de fonctionnement, cela peut amener le petit ventilateur à fonctionner dans une zone plus optimale de sa courbe caractéristique. Par conséquent, il est plus silencieux que le grand ventilateur.
Cependant, « plus grand » ne se réfère pas toujours à la même chose. Cela peut signifier un scaling dans toutes les directions, les axes X et Y (largeur et hauteur), ou l’axe Z (épaisseur). Ce dernier cas augmente la pression. Le scaling sur les axes X et Y conduit à une augmentation à la fois de la pression et du flux d’air.
\[\.V \sim n\cdot D^{3}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,Débit\\
\Delta p\sim n^{2}\cdot D^{2}\cdot\rho\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,Pression\\
P\sim n^{3}\cdot D^{5}\cdot\rho\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,Puissance\\
n=Vitesse\,de\,Rotation\\
D=Dimension\,(xyz)\\
\rho=Densité\]
Figure 1. Lois de proportionnalité pour calculer l’impact sur la pression et le débit d’air.
Ajuster la géométrie des pales peut optimiser la courbe caractéristique du ventilateur pour le point de fonctionnement respectif et réduire le développement du bruit.
Changer le nombre de pales du rotor pour en avoir plus ou moins peut permettre au ventilateur de maintenir ses valeurs de performance tout en tournant plus lentement qu’auparavant. Il peut également tourner plus rapidement, mais en raison d’une moindre résistance, le volume du bruit n’augmente pas, voire diminue. Cela permet également d’influencer le spectre de fréquences.
La géométrie du boîtier du ventilateur peut être optimisée pour réduire ou modifier le flux de turbulences d’air entre le ventilateur et les ailettes, la grille de protection et les entrées et sorties d’air. Le système lui-même, que le ventilateur est censé refroidir, peut également être optimisé, par exemple en changeant la direction du flux d’air et l’espacement du ventilateur par rapport aux autres composants, ainsi qu’en scellant les trous, le bruit aérien peut être réduit, tandis que des amortisseurs de vibrations peuvent être utilisés pour diminuer ou éviter le bruit structurel.
Étapes d’optimisation
Pour optimiser le ventilateur et le système, vous devez prendre en compte :
- La consommation d’énergie
- La carte thermique (quelle est la zone à refroidir ? Quelle est la température maximale autorisée pour chaque composant ?)
- L’espace d’installation disponible, de préférence via un modèle 3D ou un échantillon
- La durée de vie requise
- La température ambiante, ainsi que la température maximale de soufflage => détermine les mesures nécessaires pour atteindre la durée de vie requise
Si possible, des informations sur les projets passés avec des exigences similaires doivent être obtenues. Deux à trois idées de concepts seront évaluées pour leur faisabilité et leur coût.
En conséquence, un ventilateur standard qui se rapproche le plus des exigences est sélectionné et testé, si disponible. Ces résultats de test sont ensuite utilisés comme référence, et le ventilateur standard peut devenir la base d’un ventilateur personnalisé.
Comment éviter le développement du bruit
Simulations
Les simulations aident à réduire le bruit aérien et à optimiser l’efficacité du système avant que le prototypage ne commence. Cela dit, le fabricant doit toujours réaliser les simulations car seul le fabricant connaît la géométrie exacte des pales de son ventilateur. Sans cela, il n’est possible que d’estimer approximativement le flux d’air du ventilateur. Cependant, le flux d’air du ventilateur est souvent un facteur décisif pour déterminer quelle forme un dissipateur de chaleur doit avoir, quelle orientation est la plus efficace, ou si la géométrie des pales du ventilateur doit être adaptée à un système existant.
Figure 2. Simulation de flux. Image utilisée avec l’aimable accord de Bodo’s Power Systems [PDF]
Une simulation pourrait montrer :
- Où le bruit aérien sera généré en raison du flux d’air
- Si le système a été conçu en tenant compte de l’interaction de tous les composants de gestion thermique
- Où du matériel pourrait être économisé ou remplacé si la gestion thermique était mieux alignée et ajustée pour fonctionner comme un seul système plutôt que comme des composants individuels.
Tests de composants individuels
Les tests de composants individuels sont l’endroit où commence l’optimisation du bruit. Il est important de noter qu’un nombre représentatif d’échantillons doit être testé et mesuré pour les résonances sur toute leur gamme de vitesses car :
- La vitesse et le bruit n’augmentent pas nécessairement de manière uniforme. En raison de certaines conditions, des pics de bruit peuvent survenir à certaines vitesses, ce qui signifie que, parfois, un ventilateur peut atteindre des niveaux de bruit plus élevés à des vitesses inférieures qu’à vitesse maximale.
- Le déséquilibre peut être un problème non seulement à vitesse maximale mais aussi à des vitesses inférieures. Cela peut produire des vibrations et du bruit et entraîner une durée de vie raccourcie.
- Le couple de cogging du moteur crée des vibrations qui peuvent entraîner des résonances audibles.
En fonction des résultats des tests de vibration et des spectres de bruit, des modifications appropriées doivent être apportées pour contrer les problèmes.
Chaque ajustement est testé à différents points de fonctionnement avec le système à des vitesses pertinentes et mesuré acoustiquement à l’aide d’échantillons imprimés en 3D ou usinés CNC. Il convient de noter qu’il ne s’agit pas seulement du niveau de pression acoustique global, mais aussi de la qualité sonore.
Exemple VW82469 : Aucun troisième bande ne doit dépasser plus de 3 dB de part et d’autre en même temps.
Figure 3. Diagramme du ventilateur seul avant optimisation du système (conforme à la norme). Image utilisée avec l’aimable accord de Bodo’s Power Systems [PDF]
Une fois le résultat souhaité obtenu, il est nécessaire de conditionner les ventilateurs, selon les exigences du client et les normes de l’industrie, c’est-à-dire exposer les ventilateurs à diverses conditions environnementales dans un environnement contrôlé, comme des températures très élevées et très basses, souvent alternées, de l’eau salée pulvérisée sous forme de bruine ou immergée dans un bain d’eau salée, et en faisant fonctionner les ventilateurs constamment pendant une très longue période dans certaines conditions.
Après le conditionnement ou à intervalles réguliers pendant le processus, l’influence du conditionnement sur les ventilateurs en termes de bruit et d’autres paramètres est testée en détail lors de tests de paramètres. Et si nécessaire, d’autres améliorations seront apportées.
La réalisation de telles séries de tests est souvent la norme dans les industries avec des exigences de fiabilité très élevées, telles que les secteurs automobile et énergétique. Les tests décrits et d’autres tests sont effectués en parallèle ou en séquence pour qualifier les ventilateurs pour une utilisation dans des conditions difficiles.
Tests de système
Après des simulations réussies et des tests sur des composants individuels ou en parallèle avec ceux-ci, des tests en système sont effectués en fonction de diverses normes industrielles, comme le VW82469, qui a été spécifiquement développé pour la caractérisation de la qualité sonore, ou les normes correspondantes d’autres fabricants. Les tests physiques sont nécessaires pour plusieurs raisons. Pour n’en nommer qu’un : une enquête spectrale comme le VW82469 ne peut pas encore être simulée de manière suffisamment fiable.
Figure 4. Diagramme du ventilateur dans le système (non conforme à la norme). Image utilisée avec l’aimable accord de Bodo’s Power Systems [PDF]
Ces tests font partie des étapes les plus importantes et finales pour éliminer virtuellement le risque de devoir re-concevoir le ventilateur ou le système peu de temps avant le début de la production en série. Dans ce contexte, une attention particulière doit être portée aux tests de vibration pour s’assurer qu’il n’y a pas de transmission ou d’amplification du bruit structurel car les vibrations dans le système peuvent être beaucoup plus prononcées que celles d’un ventilateur unique.
Dans les systèmes existants où seul le ventilateur est remplacé, les tests de système font souvent simplement partie des tests de paramètres pendant les phases B-Sample et C-Sample de chaque composant, c’est-à-dire pendant l’optimisation du bruit décrite sous « Tests de composants individuels ».
S’il se trouve qu’un système est développé en parallèle avec le ventilateur, et que la gestion thermique et le système sont censés être correctement alignés, les fabricants de ventilateurs ont besoin d’échantillons des systèmes de leurs clients, de préférence après le gel de conception, car toute déviation par rapport à la conception finale pourrait potentiellement contribuer à des résultats moins précis et prolonger l’optimisation.
Figure 5. Diagramme du ventilateur après optimisation dans le système (conforme à la norme). Image utilisée avec l’aimable accord de Bodo’s Power Systems [PDF]
Les ventilateurs conditionnés et neufs sont installés dans le système, et des tests de paramètres sont à nouveau effectués pendant la phase B-Sample. Le système et le ventilateur sont testés, généralement en plusieurs passages, et le ventilateur et le système sont optimisés. Cela pourrait être des modifications de composants de ventilateur ou de système, comme un dissipateur de chaleur retravaillé pour éliminer la résistance de l’air ou des ouvertures responsables du bruit ou d’autres inconvénients du système. Une fois l’optimisation avec les B-Samples terminée, les tests de validation de conception (DVT) commencent, pour lesquels des C-Samples comme des pièces outillées basées sur la conception finale résultant de la phase B-Sample seront utilisés. Normalement, il ne devrait plus y avoir de surprises dans la phase C-Sample, et au plus un réglage fin devrait se produire. Dans les cas où une exception se produit et qu’il y a des problèmes, un autre cycle d’optimisation et de tests suivrait. Sinon, les C-Samples seraient transférés en production en série à la fin des DVT.
Cet article est initialement apparu dans Bodo’s Power Systems [PDF] et est coécrit par Karsten Witt et Tobias Schult de Finepower GmbH.