Academic literature on the topic 'Tôles ferromagnétiques'

La corrélation entre l’évolution du matériau lors de la découpe des tôles minces et la dégradation des propriétés magnétiques constitue un point clé dans la conception des actionneurs électriques. De plus, la mesure des propriétés magnétiques constitue actuellement un outil de contrôle non destructif en essor dans l’industrie. Dans le cadre d’un projet sur ce thème, notre travail porte sur le développement d’un outil prédictif pour établir une corrélation entre le procédé de mise en forme qui est le découpage, l’état du matériau qui en résulte et les propriétés magnétiques de ce dernier. Cette étude s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre l’Université de Technologie de Compiègne, l’Université Laval (Québec, Canada) et le CETIM et elle a été décomposée en deux parties. La première partie a été consacrée à l’analyse et à la modélisation de la découpe. En ce qui concerne les aspects expérimentaux des travaux, des essais de tractions uniaxiale à différentes vitesses de déformation ont permis de déterminer le comportement mécanique du matériau et sa sensibilité à la vitesse. Par ailleurs, des essais de poinonnage et de cisaillage ont été effectués afin d’analyser l’influence de différentes paramètres du procédé tels que le jeu outil-matrice et la cadence (vitesse de découpe / déformation). En ce qui concerne les aspects numériques, la modélisation par éléments finis à nécessité l’utilisation de techniques et approches appropriées pour traiter les multiples non linéarités présentes dans ce genre de problèmes. Dans la deuxième partie nous nous sommes intéressés à la corrélation entre l’état mécanique du matériau et ses propriétés magnétique suite a un effet de poinonnage. Pour accéder à des quantités caractéristiques de l’état mécanique du matériau au voisinage du bord découpé, des essais de nanoindentation ont été combiné à l’identification inverse. Par ailleurs, des mesures magnétiques menées sur des éprouvettes de traction à différents taux de déformation ont permis d’établir une courbe d’évolution de la perméabilité magnétique en fonction de la déformation plastique. La combinaison de ces résultats nous a permis d’établir une corrélation entre l’état mécanique du matériau, notamment le taux de déformation plastique, et la dégradation de ses propriétés magnétiques (chute de perméabilité) au voisinage du bord découpé.
The correlation between material evolution when dealing with blanking process and the degradation of the magnetic properties constitutes a key point in the design of the electric machines. Moreover, the measurement of the magnetic properties currently constitutes a tool for non destructive testing in rise in industry. Within the framework of a project on this topic, our work concerns the development of a predictive tool to establish a correlation between the blanking process, the state of the material which results from it and the magnetic properties of this last. This study lies within the scope of a collaboration between the University of Technology of Compiegne, Laval University (Quebec, Canada) and CETIM and it were broken up into two parts. The first part was devoted to the analysis and modeling of blanking process. Concerning the experimental aspects of work, uniaxial tensile tests at various strain rates made it possible to reach the mechanical behaviour of material and its sensitivity at the velocity. In addition, blanking tests were carried out in order to analyze the influence of different parameters from the process such as the clearance punch-die and velocity (blanking velocity / strain rate). Concerning the numerical aspects, finite elements modeling need the use of techniques and approaches suitable to treat the multiples non-linearity’s present in this kind of problems. In the second part we were interested in the correlation between the mechanical state of material and its magnetic properties following a punching effect. To reach quantities characteristic of the mechanical state of material in the vicinity of the cut edge, nanoindentation tests were combined with technique of inverse identification. In addition, magnetic measurements carried out on tensile specimen with various strain rates allowed to establish the evolution curve of permeability according to the plastic strain. The combination of these results enabled us to establish a correlation between the mechanical state of material, in particular the plastic strain, and the degradation of its magnetic properties (falls of permeability) in the vicinity of the cut edge.

La difficulté majeure de la modélisation numérique par éléments finis des empilements de tôles contenant des défauts d’isolement réside dans le facteur multi-échelle (stator, courts-circuits et vernis isolants). En effet, cet important facteur d’échelle reste un défi pour la raison principale que la finesse de représentation dépend du nombre d’éléments utilisés, ce qui implique des tailles mémoires et des temps de calculs excessifs rendant la réalisation d’un maillage adapté à l’échelle de chaque milieu irréalisable. Ainsi, l’objectif de ce travail a été de modéliser des empilements de tôles contenant des défauts de type courts-circuits entre tôles avec précision tout en ayant des temps de calcul acceptables. Cela, en homogénéisant des volumes ne nécessitant pas forcément une grande précision et en laissant telles quelles les zones où se trouvent des défauts avec une modélisation fine. La difficulté se situe au niveau du couplage entre les parties homogénéisées et les matériaux hétérogènes. L’approche de couplage développée nous permet d’obtenir directement le régime permanent et de prendre en compte la nature non-linéaire des tôles ferromagnétiques. L’approche de couplage a été validée à partir de résultats issus d’une modélisation classique en considérant des défauts sous différentes conditions. Une modélisation thermique a également été développée pour nous permettre d’estimer l’élévation de température d’un défaut. Les résultats de notre approche de couplage montrent une bonne concordance et démontrent la capacité de l’approche à modéliser un empilement de tôles contenant des défauts avec précision tout en réduisant les temps de calculs
The major difficulty to model lamination stacks with defects using finite element method is the multi-scale nature of lamination stacks. Indeed, this important scale factor stays a challenge, because of the fineness of the representation that depends on the number of elements used, which implies memory sizes and excessive computation times making the realization of a fine mesh adapted to the scale of each subdomain unworkable. Thus, the objective of this work was to model lamination stacks containing short-circuit with precision with an acceptable number of unknowns and computation times, by homogenizing volumes that do not necessarily require great precision and leaving subdomains containing defects with fine modeling. The difficulty of this approach is the coupling between the homogenized parts and the heterogeneous materials. The coupling approach allows us to directly obtain the steady state and takes into account the non-linear nature of the ferromagnetic laminations. The coupling approach has been validated by comparing its results to a classical approach without homogenization, especially considering defects under different conditions. Thermal modeling has also been developed to estimate the temperature rise of a defect. Comparing the results of our coupling approach with a conventional approach shows good agreement. These results demonstrate the ability of the proposed coupling approach to model a lamination stacks with defects accurately with computation time reduction

Ces travaux de thèse sont consacrés à l’étude de l’influence du procédé de poinçonnage sur la résistance en fatigue à grand nombre de cycles de tôles minces ferromagnétiques. Étant donné leurs propriétés magnétiques améliorées, ces tôles en alliage fer-silicium sont de plus en plus utilisées pour la fabrication des moteurs électriques qui tournent à des vitesses élevées. En effet, les pertes magnétiques dans ces tôles sont réduites par l’augmentation de la taille de grain, la diminution de l’épaisseur en dessous du demi‒millimètre et l’ajustement du pourcentage de silicium. L’objectif de cette étude est d’élaborer une démarche de dimensionnement en fatigue HCF des pièces en tôles minces poinçonnées. La première étape de cette démarche est la caractérisation expérimentale du matériau étudié. Des essais de traction monotone quasi-statique et d’écrouissage cyclique en utilisant différentes conditions ont permis de déterminer les grandeurs caractéristiques de cet alliage et d’identifier un modèle de comportement mécanique cyclique utilisable pour les simulations par la méthode des éléments finis (EF). L’étude de la résistance en fatigue de cette tôle est réalisée en utilisant des géométries d’éprouvettes lisses et entaillées. Différents effets tel que le rapport de charge, la température (180°C) et le procédé sont ainsi étudiés. Étant donné son influence sur la tenue en fatigue, l’effet du procédé de poinçonnage est finement investigué. Les bords des éprouvettes de fatigue sont analysés en utilisant des techniques variées (observations microscopiques, profilométrie optique, micro‒dureté, diffraction des rayons X…). Ceci a permis d’identifier les mécanismes d’endommagement par fatigue des pièces en M330‒35A poinçonnées. Ensuite, différentes configurations d’éprouvettes sont utilisées pour quantifier l’influence des différents effets induits par le procédé tel que l’écrouissage, les contraintes résiduelles et les défauts géométriques sur la résistance en fatigue de l’alliage étudié. Les résultats des investigations sur les bords ont montré que l’amorçage des fissures est localisé sur un défaut de poinçonnage. Une stratégie qui permet d’identifier les défauts critiques est alors adoptée. Des simulations (EF) réalisées sur les défauts de poinçonnage ont permis de déterminer les champs mécaniques autour de ces défauts. Enfin, une stratégie de dimensionnement en fatigue qui s’appuie sur l’utilisation d’un critère de fatigue non‒local en post‒traitement des résultats des simulations par EF sur les défauts de poinçonnage est proposée
New electrical steel grades, with improved magnetic properties, are used to build electric motors. For these steel grades, the iron losses are reduced by adjusting the chemical composition (mostly the Si content), decreasing the thickness below 0.5 mm and increasing the grain size. The punching is used to produce electric motor components because it generates important alterations of sheet edges, this work aims at elaborating a HCf fatigue design strategy for thin punched electrical steel sheets. First, the quasi-static and cyclic behavior of this electric steel was studied through monotonic and cyclic tests. The behavior model of this material, which will be used in FE simulation, is then identified. The study of the high cycle fatigue (HCF) resistance of this material is performed using smooth and notched specimen’s geometries. The effect of stress ratio, temperature (180°C) and the punching process are considered. Due to its influence on the fatigue resistance, the effect of the punching process is finely investigated. Different experimental techniques such as microscopic observations, 3D surface topography, micro‒hardness and X‒ray diffraction are combined to characterize the specimen’s edges. To dissociate the respective influences of strain hardening, residual stresses and geometrical defects induced by the punching process, and to quantify the contribution of each parameter to the HCF resistance, different specimen’s configurations were tested. A strategy allowing the identification of the critical defects, on which fatigue crack initiation occurs, was adopted. The stress distribution around defects is determined from finite element analyses (FEA) on real defect geometries. A non‒local high cycle fatigue criterion is finally used as post‒processing of FEA to consider the effect of defects and the associated stress-strain gradients in the HCF strength assessment

Les machines électriques de forte puissance sont soumises à des contraintes mécaniques, thermiques et magnétiques sévères en fonctionnement. Pour assurer leur fiabilité et la continuité de leur opération, il est crucial de disposer d'informations en temps réel sur ces contraintes, souvent à l'échelle locale. Les technologies de capteurs sans fil et sans batterie, combinées à des techniques efficaces d'analyse des données et de traitement des signaux, sont indispensables pour répondre à ce besoin. Les ondes acoustiques de surface permettent de concevoir des capteurs sans fil et totalement passifs, capables de mesurer de nombreuses grandeurs physiques telles que la température, les contraintes mécaniques et le champ magnétique, grâce à une ingénierie avancée du design. Le travail réalisé dans cette thèse a permis de développer des capteurs SAW multi-grandeurs pour la mesure des déformations, de la température et du champ magnétique. Ces capteurs ont d'abord été calibrés sur des bancs d'essais en laboratoire, puis utilisés pour caractériser les propriétés mécaniques, telles que la magnétostriction, et les propriétés magnétiques, telles que les pertes magnétiques, des tôles ferromagnétiques employées dans la conception des machines électriques de forte puissance. La caractérisation des propriétés des tôles ferromagnétiques est cruciale pour plusieurs raisons : concevoir des systèmes électromagnétiques efficaces, minimiser les vibrations et les bruits indésirables, contrôler la dissipation d'énergie, prévenir la fatigue des matériaux, optimiser la conception des composants pour l'efficacité énergétique et développer des composants résistants à la chaleur pour la fiabilité et la durabilité... Le projet de thèse implique l'entreprise JEUMONT Electric (société de haute technologie spécialisée dans les solutions de conversion d'énergie), le groupe AIMAN-FILMS de l’IEMN et l'équipe Outils et Méthodes Numériques du L2EP. Chaque partenaire apporte des compétences spécifiques pour aborder l'instrumentation multi-physique des machines électriques de forte puissance
High-power electrical machines are subjected to severe mechanical, thermal, and magnetic stresses during operation. To ensure their reliability and continuous operation, it is crucial to have real-time information on these constraints, often at a local scale. Wireless and battery-free sensor technologies, combined with effective data analysis and signal processing techniques, are essential to meet this need. Surface acoustic waves (SAW) allow the design of wireless and completely passive sensors capable of measuring various physical quantities such as temperature, mechanical stress, and magnetic fields, thanks to advanced design engineering. The work carried out in this thesis has enabled the development of multi-quantity SAW sensors for measuring deformations, temperature, and magnetic fields. These sensors were first calibrated on laboratory test benches and then used to characterize the mechanical properties, such as magnetostriction, and magnetic properties, such as magnetic losses, of ferromagnetic sheets used in the design of high-power electrical machines. Characterizing the properties of ferromagnetic sheets is crucial for several reasons: designing efficient electromagnetic systems, minimizing vibrations and unwanted noise, controlling energy dissipation, preventing material fatigue, optimizing component design for energy efficiency, and developing heat-resistant components for reliability and durability. The thesis project involves JEUMONT Electric (a high-tech company specializing in energy conversion solutions), the AIMAN-FILMS group from IEMN, and the Numerical Tools and Methods team from L2EP. Each partner brings specific expertise to address the multi-physical instrumentation of high-power electrical machines

Un navire à coque ferromagnétique, sous l'influence du champ magnétique terrestre et de contraintes mécaniques, s'aimante, créant ainsi une anomalie locale du champ. L'immunisation en boucle fermée est un système permettant au bâtiment d'auto-évaluer cette anomalie et de la compenser en temps réel. La mise au point de ce système nécessite le développement d'un outil capable de prédire l'aimantation de la coque à chaque instant. Cette aimantation se décompose en deux parties: d'une part l'aimantation induite et d'autre part l'aimantation permanente. La première partie de ce travail s'attache à présenter les méthodes numériques permettant de calculer l'aimantation induite, c'est-à-dire la réaction du matériau plongé dans un champ inducteur. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés à des méthodes intégrales conduisant à des répartitions de charges et de dipôles tangentiels localisées sur la coque. La deuxième partie propose une méthode pour déterminer l'aimantation permanente. Cette aimantation dépendant de l'histoire magnétique du bâtiment (hystérésis, magnétostriction...), un calcul déterministe n'est pas envisageable. Il est alors nécessaire de faire intervenir des mesures de champ magnétique effectuées à l'intérieur de la coque pour l'évaluer. Le présent travail propose une approche originale pour résoudre ce problème inverse. Celui-ci étant mal posé, nous proposons un critère de choix de la solution basé, non pas sur une approche mathématique, mais sur la connaissance physique des phénomènes mis en jeu. Une fois un modèle d'aimantation obtenu, il est alors possible de calculer le champ à l'extérieur du bâtiment. Tous nos résultats ont été validés sur une maquette représentative d'un navire réel.

Dans ce travail de thèse, nous avons effectué des mesures de caractérisations magnétiques (cycles d’hystérésis, pertes, H_c…) à très haute température jusqu’à 600 °C, à l’aide d’un dispositif de caractérisation adapté à ces conditions extrêmes qui est un cadre Epstein que nous avons élaboré et réalisé. Sa validation a pu être vérifiée avec un cadre normalisé à température ambiante. Les mesures sont faites sur les deux types de tôles ferromagnétiques les plus utilisées : FeSi GO et NO. Les résultats montrent une réduction avec la température des pertes fer et des différents paramètres qui définissent le cycle d’hystérésis et dévoilent une similarité qui existe entre l’évolution du champ coercitif et les pertes par cycle. Par la suite, nous avons décrit les pertes et le champ coercitif en fonction de la température et la fréquence par des équations empiriques linéaires dans le cas de matériaux saturés et par une extension de l’équation de Bertotti à haute température via une identification de ses paramètres dans le cas des matériaux non saturés. Dans un deuxième temps, nous avons caractérisé l’isolation d’un conducteur destiné à être utilisé à haute température constitué par un fil guipé mica d’origine inorganique, en mesurant la tension des décharges partielles et de claquage. À partir de ces résultats, nous avons montré que l’inhomogénéité de cette isolation le long du conducteur provoque des décharges destructives sans l’apparition de décharge partielle. Ce type de fils est constitué d’une âme en cuivre entourée par une fine couche de nickel, l’influence de cette dernière a été magnétiquement caractérisée au cours de notre travail. L’ensemble de ces études confirment l’importance de la prise en compte des effets de la température élevée et répond aux besoins croissants d’améliorer l’efficacité énergétique dans les différentes utilisations du génie électrique
In this thesis work, we carried out a magnetic characterization measurements (hysteresis cycles, losses, H_c...) at very high temperatures up to 600 °C, using a characterization device adapted to these extremes conditions which is an Epstein frame that we have developed and implemented. Its validation is verified with a standard frame at ambient temperature. The measurements are performed by two types of ferromagnetic sheets mostly used: FeSi GO and NO. The results show a decrease with temperature in iron losses and different parameters which define the hysteresis cycle, and expose a similarity between the variation of coercive field and the losses per cycle. Subsequently, we described the losses and the coercive field as a function of temperature and frequency. That is done by a linear empirical equations in case of saturated materials and by an extension at high temperature of the Bertotti equation via an identification of its parameters in case of unsaturated materials. In a second phase, by measuring the voltage of partial discharge and of the electrical breakdown we characterized the insulation of a conductor intended to be used at a high temperature covered by mica; this later has an inorganic origin. These results show that the inhomogeneity of this insulation along of the conductor causes destructive discharges without appearance of partial discharges. This kind of wire consists of copper surrounded by a thin nickel layer and this later has been characterized magnetically during our work