Characterization and modelling of the magnetic behaviour of electrical steel under mechanical stress

Abstract

Abstract : In the present thesis, experimental and numerical aspects of the magnetic behaviour of thin steel sheets submitted to mechanical stresses are investigated. To begin with, the scientific and technological interest of the study is defined. Then, magnetic properties commonly encountered in electrical engineering are explained from the macroscopic to the microscopic scale, as a way to describe the different mechanisms involved in ferromagnetism. This knowledge is then applied to analyse the coupling existing between the magnetic response of a material and its mechanical state. In that sense, macroscopic manifestations of the inverse magnetomechanical phenomenon (Villari effect) are detailed. Sources of mechanical loads that emerge through the lifespan of an electrical steel lamination from manufacturing processes to in-use stress generation are also pointed out, proving once more the relevance of the study. Additionally, a quick introduction of the domain theory is proposed in order to clarify the physical basis of the magnetomechanical coupling. Afterwards, classical models used in electrical engineering are presented along with their extensions to take into account the effect of stress on magnetic properties: a review of Bertotti s loss separation method and of Jiles-Atherton-Sablik model is thus realized. The development of the magnetomechanical test bench is then addressed. In particular, the magnetic field direct measurement and the anti-buckling fixture conception are detailed. The developed modified-SST (Single Sheet Tester) here presented allows testing material magnetic properties under pulsating magnetizing flux and collinear unidirectional tensile or compressive stress, while strictly following international standards related to characterization of ferromagnetic materials. Obtained experimental results are explored and compared with references in both quantitative and qualitative ways. It is shown that the developed bench allows effective characterization of the magnetic hysteresis of a thin steel sheet under unidirectional stress (from -40 to 40MPa) following SST standards. The bench already includes features for the characterization of anhysteretic behaviour and magnetostriction, thus opening the path toward more complex standardized magnetoelastic tests. From the obtained measurement data, the parameters of the models for iron losses and hysteretic behaviour presented earlier are identified. Considering different sets of parameters, it is shown that those models can approach the magnetic behaviour under stress. Their respective intrinsic limitations and the ones encountered in the parameter identification process are analysed, and possible improvements are finally sketched. The developed test bench and the work realized on models open a wide range of research opportunities, original in Brazil, and following strong research trends consisting in including complex material behaviours and coupling in electrical engineering applications analysis.

Na presente tese, os aspectos experimentais e numéricos do comportamento magnético de lâminas finas de aço elétrico submetidas a esforços mecânicos são investigados. Primeiramente, o interesse científico e tecnológico de tal estudo é definido. Em seguida, as propriedades magnéticas comumente encontradas na engenharia elétrica são explicadas desde a escala macroscópica até a escala microscópica, a fim de descrever os diferentes mecanismos envolvidos no ferromagnetismo. Este conhecimento é aplicado à análise do acoplamento existente entre a resposta magnética de um material e o seu estado mecânico. Neste sentido, as manifestações macroscópicas do fenômeno magnetomecânico inverso (efeito Villari) são detalhadas. As fontes de carregamento mecânico que emergem ao longo da vida de uma lâmina de aço elétrico desde os processos de manufatura até a geração de esforços em condições de uso são também indicadas, comprovando a relevância do presente trabalho. Adicionalmente, uma breve introdução à teoria dos domínios é proposta com o intuito de clarificar as bases físicas no acoplamento magnetomecânico. Depois disso, modelos clássicos utilizados na engenharia elétrica são apresentados junto com as suas respetivas extensões, as quais permitem levar em conta o efeito do estresse nas propriedades magnéticas: uma revisão do método de separação de perdas de Bertotti e do modelo de Jiles-Atherton-Sablik é assim realizada. O desenvolvimento da bancada de testes magnetomecânicos é em seguida abordado. Em particular, a medição do campo magnetizante e a concepção da camisa anti-flambagem são detalhadas. A bancada de teste em chapa única (Single Sheet Tester, ou SST) assim modificada permite testar laminações finas de material sob condições de campo magnético pulsante e estresse de tração/compressão unidirecional colinear, respeitando estritamente os padrões internacionais relativos à caraterização de materiais ferromagnéticos. Os resultados experimentais obtidos são analisados e comparados com referências de modo quantitativo bem como qualitativo. Assim, é demostrado que a bancada de teste desenvolvida permite a caracterização efetiva da histerese magnética em lâminas de aço sob estresse unidirecional (desde -40 até 40 MPa), seguindo os padrões do SST. A bancada já inclui os recursos necessários à caracterização do comportamento anhisterético e magnetostritivo do material, abrindo assim o caminho para a realização de ensaios magnetoelásticos padronizados mais complexos. Dos resultados obtidos, os parâmetros dos modelos de perdas no ferro e do comportamento histerético previamente apresentados são identificados. Considerando vários conjuntos de parâmetros, é demostrado que estes modelos permitem se aproximar do comportamento magnético de um material sob estresse. As suas respectivas limitações internas assim como as encontradas no processo de identificação dos parâmetros são analisadas, e potenciais melhorias são finalmente propostas. O desenvolvimento da bancada de teste e o trabalho realizado sobre os modelos abrem numerosas oportunidades de pesquisa, originais no Brasil, e seguindo linhas de pesquisa fortes que consistem em incluir comportamentos complexos de materiais e acoplamentos na análise de aplicações para engenharia elétrica.