Texturisation laser sélective des aciers électriques orientés et non orientés pour l'optimisation de leur perméabilité et des pertes dans les machines électriques tournantes

Magnetic permeability and losses improvements by selective laser texturizing of grain-oriented and non-grain-oriented electrical steels in rotating electrical machines

• Auteur / Autrice : Préscillia Dupont
• Direction : Jérôme Fortin, Olivier Maloberti, Maxime Ployard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur. Génie Électrique
• Date : Soutenance le 19/12/2022
• Etablissement(s) : Amiens
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des technologies innovantes (Amiens ; 2004-....)
• Jury : Président / Présidente : Abdelmounaïm Tounzi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelkader Benabou, Stéphane Panier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Afef Kedous-Lebouc, Marie-Ange Raulet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitements de surfaces par laser

Matériaux ferromagnétiques

Mots clés libres

Matériaux magnétiques doux

Traitement par laser pulsé

Machines électriques tournantes

Pertes fer

Propriétés magnétiques

Aciers Electriques à Grains Orientés (GO) et Non Orientés (NO)

Soft magnetic materials

Pulsed laser treatment

Rotating electrical machines

Iron losses

Magnetic properties

Grain-Oriented (GO) and Non-Grain-Oriented (NO) Electrical Steels

Résumé

Les matériaux ferromagnétiques doux, souvent employés sous la forme de tôles laminées fines, sont utilisés dans les stators et rotors des machines électriques tournantes. Le rendement de ces machines est réduit par des pertes dites ''pertes fer'', dues aux mécanismes d'aimantation et aux courants induits. La nature du matériau reflétée par sa structure magnétique couplée à la géométrie, à l'anisotropie et à la texture de la surface sont autant de facteurs qui influent sur les performances électromagnétiques finales. Ces travaux de thèse ont donc pour objectif de proposer des matériaux magnétiques sur mesure par texturisation laser sélective de surface pour des dispositifs électromagnétiques tels que les machines électriques tournantes. L'applicabilité d'un tel procédé au niveau industriel pour des matériaux à grains orientés ou à grains non orientés dans les machines électriques nécessite de contrôler davantage la technologie et les spécifications du procédé dans le but d'optimiser les propriétés électromagnétiques. En effet, l'impact déterministe de cette technique sur la structure magnétique d'un matériau et ses performances observables (perméabilité magnétique et pertes fer) reste incomplètement appréhendé, modélisé et connu. Les conditions d'industrialisation doivent être analysée et optimisée vis-à-vis des contraintes techniques et économiques. On cherche donc ici à étudier l'impact d'une texturisation de surface par laser pulsé sur la structure magnétique en surface et en volume d'un matériau pour pouvoir les contrôler. L'adaptation des procédés laser avec augmentation de la vitesse de traitement est étudiée théoriquement, puis engagée et vérifiée expérimentalement pour correspondre aux ambitions d'industrialisation. Ainsi, ce travail effectué en très grande proximité avec le projet européen H2020 ESSIAL permettra de proposer différents traitements de surface adaptés aux machines tournantes pour ajuster certaines propriétés magnétiques, de façon théorique et expérimentale

Soft ferromagnetic materials, which are often used in the form of laminated sheets, compose rotating electrical machines' stators and rotors. The efficiency of those machines is reduced by losses called ''iron losses'', induced by magnetization mechanisms and eddy currents. Those magnetization reversal mechanisms can only be explained with the magnetic structure coupled to the material geometry, anisotropy and surface texture, which are also deterministic factors for the final electromagnetic performances. Then, present work aims at proposing tailor-made soft ferromagnetic materials by means of selective laser texturizing for electromagnetic devices such as rotating electrical machines. To apply such a process at an industrial level for grain-oriented and non-grain-oriented materials in electrical machines, it is necessary to better control the associated technology and specify the process in order to optimize electromagnetic properties. Indeed, the deterministic impact of this technic on a material's magnetic structure and its performances (magnetic permeability and iron losses) remains partially modelled and understood. The integration of such solution at the industrial scale must be analyzed and optimized regarding technical and economical constraints. In this work, the study of the impact of laser surface texturizing on magnetic structure (regarding surface and volume) of a material with the aim to control it is performed. Future industrialization requires to adapt the pulsed laser processes at a higher speed which has been theoretically studied, initiated and experimentally verified. To finish, present work performed in parallel with the H2020 European project ESSIAL will allow to propose different surface treatments adapted to rotating machines to adjust some quantifiable electromagnetic properties with the help of both experimental and theoretical tools