Modélisation des lois d'aimantation des aciers électriques à grains orientés avec prise en compte de la contrainte mécanique

Modeling of the magnetic behavior laws of grain-oriented electrical steels while considering mechanical stress

• Auteur / Autrice : Zhenxin Li
• Direction : Abdelkader Benabou, Shuhong Wang
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....) en cotutelle avec Université Jiaotong de Xi'an
• Ecole(s) doctorale(s) : ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : L2EP - Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique de Puissance de Lille

Mots clés

Mots clés libres

Aciers électriques à grains orientés

Loi d'aimantation

Modèle de Fiorillo

Orientation Distribution Function

Fiorillo's model

Grain oriented electrical steels

Magnetic behavior laws

Orientation Distribution Function

Résumé

Le noyau magnétique des dispositifs de conversion d‘énergie de fortes puissances, tels les turbo-alternateurs et les transformateurs de distribution, est usuellement fabriqué à partir de tôles magnétiques à grains orientés (GO). Celles-ci permettent de réduire les dimensions des dispositifs mais aussi d'améliorer leur efficacité énergétique. Néanmoins, les contraintes de mise en forme et d'exploitation des circuits magnétiques impactent les propriétés d'usage de ces tôles qui sont au cœur de la conversion d'énergie. D'une part, les pertes fer dans certaines conditions d'opération (sursaturation et/ou circulation tridimensionnelle du flux magnétique) peuvent conduire à des échauffements qui dégradent les performances, voire à la détérioration du dispositif. D'autre part, les contraintes mécaniques induites sur le noyau magnétique par les procédés de fabrication (découpe, assemblage…) modifient les propriétés magnétiques. Cette problématique, rendue complexe par la forte anisotropie magnétique des tôles GO, est un sujet de préoccupation pour les concepteurs qui doivent disposer de modèles de tôles GO fiables et précis pour les intégrer dans les outils de dimensionnement. Une modélisation multi-physique (magnéto-thermique et magnéto-mécanique) des tôles GO est proposée dans ce sujet en y associant une approche permettant d'adapter ces modèles pour une implémentation dans les outils numériques, notamment ceux basés sur les éléments finis. Le travail s'appuiera sur, d'une part, la caractérisation expérimentale de tôles GO sous sollicitations mécaniques et, d'autre part, sur le développement de modèles multi-physiques adaptés pour une implémentation numérique. Concernant les modèles de matériaux, deux types d'approches sont envisagées : l'une basée sur les données expérimentales (modèles dits d'interpolation) et l'autre basée sur la description physique du comportement des tôles GO (modèles de connaissance). Des combinaisons entre les deux approches pourront être mises en place. Ce dernier point sera principalement guidé par l'objectif de disposer de modèles multi-physiques rapides (et donc peu coûteux en temps de calcul) et adaptés pour l'implémentation numérique (résolution non-linéaire). Les développements seront ensuite appliqués à l'étude numérique d'un démonstrateur académique pour tester la fiabilité et la robustesse des modèles de matériaux en s'appuyant sur une validation expérimentale. Celle-ci sera effectuée sur un transformateur de taille réduite mais représentatif des phénomènes pouvant être rencontrés dans les transformateurs de puissance.

The magnetic cores of high power energy conversion devices, such as turbo generators and distribution transformers, are usually made from grain oriented (GO) electrical steels. Using such type of magnetic material makes it possible to reduce the dimensions of the devices but also to improve their energy efficiency. Nevertheless, the constraints of shaping and operation of magnetic circuits impact the usage properties of electrical steels, which are at the heart of energy conversion. On the one hand, iron losses under certain operating conditions (oversaturation and / or three-dimensional circulation of magnetic flux) can lead to overheating, which degrades the global performance, or even to irreversible deterioration of the device. On the other hand, the mechanical stresses induced on the magnetic core by the manufacturing processes (cutting, assembly, etc.) modify the magnetic properties. This problem, made complex by the strong magnetic anisotropy of GO sheets, is a matter of concern for designers who must have reliable and precise models of GO steels in order to integrate them in design tools. A multi-physical modeling (magneto-thermal and magneto-mechanical) of GO steels is proposed in this subject by associating an approach allowing to adapt these models for an implementation in numerical tools, in particular those based on finite element analysis.