Ruido acústico inducido electromagnéticamente
Tipo de sonido audible

El ruido acústico inducido electromagnéticamente (y vibración ), el ruido acústico excitado electromagnéticamente o más comúnmente conocido como zumbido 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 eléctrica , 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 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 porque el término se usa en el campo de la compatibilidad electromagnética , que trata con frecuencias de radio. El término ruido eléctrico describe perturbaciones eléctricas que ocurren en circuitos electrónicos, no 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 considerarse el recíproco de la microfónica , que describe cómo una vibración mecánica o un ruido acústico pueden inducir una perturbación eléctrica no deseada.

Explicación general

Las fuerzas electromagnéticas pueden definirse 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 , magnetostricción y fuerza de Lorentz (también llamada fuerza de Laplace). [7] Las fuerzas de Maxwell, también llamadas fuerzas de reluctancia, se concentran en la interfaz de altos cambios de 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 magnetostricción 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 involucrar efectos electrostáticos , electroestrictivos y piezoeléctricos inversos .

Estos fenómenos pueden generar vibraciones de las partes ferromagnéticas, conductoras, bobinas e imanes permanentes de dispositivos eléctricos, magnéticos y electromecánicos, dando como resultado un sonido audible si la frecuencia de las vibraciones se encuentra entre 20 Hz y 20 kHz, y si el nivel de sonido es lo suficientemente alto como 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 una frecuencia natural del modo estructural del componente activo (circuito magnético, bobina electromagnética o circuito eléctrico) o de su carcasa.

La frecuencia del ruido depende de la naturaleza de las fuerzas electromagnéticas (función cuadrática o lineal del campo eléctrico o del campo magnético) y del contenido de frecuencia del campo electromagnético (en particular, si hay o no un componente de CC).

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 entrehierro, es una consecuencia de las fuerzas electromagnéticas en las máquinas eléctricas. Como fuerza estática, no crea vibraciones ni ruido acústico. Sin embargo, la ondulación del par (también llamada par de cogging 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 radiar ruido acústico de manera eficiente, pero con condiciones de contorno particulares, el estator puede radiar ruido acústico bajo la excitación de la 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 bobinas de choque, 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 son generados por varios fenómenos dependiendo del caso de carga, que incluyen la fuerza de Lorentz en los devanados, [12] las fuerzas de Maxwell en las uniones de las laminaciones y la magnetostricción dentro del núcleo laminado.

Condensadores

Los condensadores también están sujetos a grandes fuerzas electrostáticas. Cuando la forma de onda de tensión/corriente del condensador no es constante y contiene armónicos temporales, aparecen algunas fuerzas eléctricas armónicas y se puede generar ruido acústico. [13] Los condensadores ferroeléctricos también presentan un efecto piezoeléctrico que puede ser fuente de ruido audible. Este fenómeno se conoce como el efecto del "condensador cantante". [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 ocurre en dos condiciones: debe haber una coincidencia entre la fuerza de Maxwell de excitación y la frecuencia natural del estator o rotor, y entre la forma modal del estator o rotor y el número de onda armónico de Maxwell de excitación (periodicidad de la fuerza a lo largo del entrehierro). [15]

Ejemplo de forma modal número 2 de un estator; los movimientos se han exagerado para fines de presentación.

A modo de ejemplo, puede producirse una resonancia con la forma modal elíptica del estator si el número de onda de 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 ruido y vibraciones inducidas 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 utilizando 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 métodos de acoplamiento dedicados
  • utilizando un entorno de software de simulación numérica multifísica (por ejemplo, Comsol Multiphysics, [21] Ansys Workbench [22] )

Ejemplos de dispositivos sometidos a ruidos y vibraciones electromagnéticas

Dispositivos estáticos

Los dispositivos estáticos incluyen sistemas y componentes eléctricos utilizados en el almacenamiento de energía eléctrica o la conversión de energía, como

Dispositivos rotatorios

Los dispositivos rotativos incluyen máquinas eléctricas rotativas de flujo radial y axial que se utilizan para la conversión de energía eléctrica a mecánica, como

En tal 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

En una máquina defectuosa, pueden surgir ruidos y vibraciones adicionales debido a fuerzas electromagnéticas.

  • excentricidades mecánicas estáticas y dinámicas [30]
  • entrehierro desigual [31]
  • desmagnetización
  • Cortocircuitos
  • Cuñas magnéticas faltantes

La fuerza magnética desequilibrada (UMP) describe la equivalencia electromagnética del desequilibrio mecánico rotatorio : 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 ruido adicionales.

Reducción de ruidos y vibraciones electromagnéticas

Reducción de ruidos magnéticos y vibraciones en máquinas eléctricas

Las técnicas de mitigación de NVH en máquinas eléctricas incluyen

  • reduciendo la magnitud de las excitaciones electromagnéticas, independientemente de la respuesta estructural de la máquina eléctrica
  • reduciendo la magnitud de la respuesta estructural, independientemente de las excitaciones electromagnéticas
  • reduciendo las resonancias que se producen entre las excitaciones electromagnéticas y los modos estructurales

Las técnicas de mitigación del ruido electromagnético y las vibraciones en máquinas eléctricas incluyen:

  • Elegir la combinación correcta de ranuras y polos y el diseño del bobinado
  • Evitar resonancias coincidentes entre el estator y las excitaciones electromagnéticas.
  • torciendo el estator o el rotor
  • Implementación de técnicas de modelado de polos / desplazamiento de polos / emparejamiento de polos
  • Implementación de estrategias de PWM de espectro ensanchado o inyección de corriente armónica
  • utilizando muescas / barreras de flujo en el estator o el rotor
  • Aumento de la amortiguación
  • 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 agrega una capa de pegamento en la parte superior de las bobinas de televisión; 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

Deflexión de un cilindro ferromagnético debido a un campo de excitación de imán permanente giratorio
Configuración del diapasón excitado electromagnéticamente

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 CC) o por una fuente constante de campo magnético de CA (por ejemplo, una bobina alimentada por una corriente variable).

Vibración forzada mediante 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 de imán permanente de un par de polos ideal 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 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 aparecen algunas fuerzas magnéticas dinámicas entre las dos puntas a una frecuencia dos veces mayor que la de la fuente de alimentación. Cuando la frecuencia de la fuerza de excitación coincide con el modo fundamental del diapasón cerca de los 400 Hz, se produce una fuerte resonancia acústica.

Ejemplos de archivos de audio

Motor PMSM (aplicación de tracción)

Ejemplo de ruido magnético procedente de un motor eléctrico del metro

Referencias

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  • Vídeo de un diapasón resonante excitado magnéticamente por una corriente de frecuencia variable en YouTube
  • Vídeo 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
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