Contribution à la prise en compte de l'anisotropie magnétique dans les codes de calculs par la méthode des éléments finis

Contribution to the consideration of magnetic anisotropy in finite element codes

• Auteur / Autrice : Abir Janbain
• Direction : Guillaume Parent, Anouar Belahcen
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur Génie Electrique
• Date : Inscription en doctorat le 01/06/2023
• Etablissement(s) : Artois en cotutelle avec Université d'Aalto
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LSEE - Laboratoire Systèmes Electrotechniques et Environnement

Mots clés

Mots clés libres

Acier à grains orientés

Acier à grains non orientés

Anisotropie magnétique

Magnetic anisotropy

Grain oriented steel

Non oriented steel

Résumé

Depuis plusieurs années, le laboratoire Systèmes Électriques et Environnement (LSEE) mène des recherches dans le domaine de la caractérisation et de la modélisation des aciers magnétiques à grains orientés [1]. Ce matériaux a deux particularités. Premièrement, il présente une très grande efficacité en termes de pertes fer par rapport aux aciers à grains non orientés, ce qui en fait un candidat particulièrement intéressant pour la conception de moteurs électriques embarqués avec un fort ratio puissance/puissance. Deuxièmement, il présente un comportement anisotrope très important, comportement très difficile à modéliser et à implémenter dans un code de calcul. Récemment, un modèle très prometteur permettant de prendre en compte n'importe quelle direction de magnétisation d'un acier donné tout en ne requérant qu'un nombre limité de mesures expérimentales a été développé au LSEE [2]. La prochaine étape consiste naturellement à l'implémentation dudit modèle dans un code de calcul. le groupe 'Computational Electromagnetics' de l'université Aalto en Finlande est spécialisé dans la modélisation et la simulation de machines électriques ainsi que dans la modélisation et la caractérisation de matériaux magnétiques. Les recherches qui y sont menées sont focalisées sur l'utilisation de ces modèles pour la conception et l'analyse de machines électrique à haute efficience, ainsi que leur commande. Le groupe a développé son propre code de calcul open source 3D Elmer. En parallèle, le groupe de travail possède d'excellents équipements pour l'étude des machines électriques. Le travail de thèse proposé sera focalisé sur l'implémentation du modèle magnétique mentionné précédemment, la simulation et l'analyse de machines électriques (synchrone ou asynchrone) composée d'aciers à grains orientés. Le travail sera par ailleurs réalisé en collaboration entre le LSEE et l'université Aalto. References : [1] S. Lopez, B. Cassoret, J.-F. Brudny, L. Lefebvre, and J.-N. Vincent, “Grain Oriented Steel Assembly Characterization for the Development of High Efficiency AC Rotating Electrical Machines,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 45, no. 10, pp. 4161–4164, Oct. 2009. [2] G. C. A. Tolentino, J. V. Leite, M. Rossi, O. Ninet, G. Parent, and J. Blaszkowski, “Modelling of magnetic anisotropy in electrical steel sheet by means of cumulative distribution functions of Gaussians,” IEEE Transactions on Magnetics, pp. 1–1, 2022.

For several years, the Laboratoire Systèmes Électriques et Environnement (LSEE) has been conducting research in the area of the characterization and the modeling of electrical steel with a focus on grain oriented electrical steel [1]. The particularity of that material is twofold. First, it presents a very high efficiency in terms of core losses compared to regular non oriented electrical steel, which makes it a worthwhile material for the building of embedded electrical motors since it allows a high improvement of their power-weight ratio. Second, it presents a very high anisotropic magnetic behavior, which is very hard to model, and thus to implement in magnetic simulation software. Recently, a very promising model that allows to account for any magnetization direction while requiring a very limited amount of experimental data to be fully defined has been developed [2] at the LSEE. The next step is now to implement that model inside a finite element method-based software. The group of Computational Electromechanics at Aalto University in Finland specializes in the modeling and simulation of electrical machines as well as the modelling and characterization of the underlying magnetic materials. The focus of the group is on the usage of these models for the design and analysis of high efficiency electrical machines and related tasks such as condition monitoring and control. The group has its own 2D finite element software and has also access to the open source 3D Elmer software. Besides that, the group has a large electrical machines and drives laboratory with excellent facilities. The computational electromechanics group is leading an eight-years center of excellence funded by the Academy of Finland. The thesis work will focus on this implementation, the simulation and the analysis of a wound field large power synchronous machine and induction machines. The thesis will be carried out in close cooperation between the LSEE in France and Aalto University in Finland. References : [1] S. Lopez, B. Cassoret, J.-F. Brudny, L. Lefebvre, and J.-N. Vincent, “Grain Oriented Steel Assembly Characterization for the Development of High Efficiency AC Rotating Electrical Machines,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 45, no. 10, pp. 4161–4164, Oct. 2009. [2] G. C. A. Tolentino, J. V. Leite, M. Rossi, O. Ninet, G. Parent, and J. Blaszkowski, “Modelling of magnetic anisotropy in electrical steel sheet by means of cumulative distribution functions of Gaussians,” IEEE Transactions on Magnetics, pp. 1–1, 2022.