Magnetic Hysteretic Characterization of Ferromagnetic Materials with Objectives towards Non-Destructive Evaluation of Material Degradation

Structurele componenten en machineonderdelen vervaardigd uit staal worden vaak onder veeleisende omstandigheden uitgebaat. Dit kan aanleiding geven tot materiaaldegradatieprocessen zoals verbrossing en metaalvermoeiing. Mettertijd kunnen deze microstructurele processen leiden tot een graduele verslechtering van de mechanische eigenschappen, en eventueel tot scheurgroei en breuk. Om dit te vermijden is het monitoren van de materiaalintegriteit van groot belang, wat uitgevoerd kan worden met behulp van niet-destructieve evaluatietechnieken. In dit doctoraatsonderzoek bestuderen we de mogelijkheden van magnetische hysteretische karakteriseringstechnieken voor het niet-destructief monitoren van toenemende materiaaldegradatie van ferromagnetisch constructiestaal. Dergelijke aanpak is gemotiveerd door de kennis dat magnetisch hysteretisch gedrag beïnvloed is door microstructurele materiaaleigenschappen. Anders geformuleerd, de verandering in de vorm van de magnetische hysteresislussen, experimenteel waargenomen op verschillende momenten tijdens de materiaaldegradatie, reflecteert de onderliggende microstructurele veranderingen en de degradatie van de mechanische eigenschappen. Een van de onderzochte onderwerpen is de verbrossing van ferritisch staal door neutronenbestraling. Dit effect kan schadelijk zijn voor het drukvat van een nucleaire reactor. De maximum-permeabiliteit vertoont een significante dalende trend met stijgende neutronendosis en met stijgende vloeigrens, hetgeen het potentieel aangeeft van de magnetische hysteretische evaluatie van verbrossing door neutronenbestraling. Een andere topic is het continu monitoren van metaalvermoeiing aan de hand van een magnetomechanische methode. Deze methode resulteert in informatie over de verschillende vermoeiingsstadia, alsook over het finale vermoeiingsstadium. De ontwikkelde magnetische en magnetomechanische karakteriseringstechnieken kunnen gebruikt worden voor de niet-destructieve evaluatie van mechanische en microstructurele eigenschappen, met als doelstelling de beoordeling van de materiaalintegriteit tijdens uitbating en/of voor de kwaliteitscontrole tijdens materiaalproductieprocessen

Magnetic non-destructive evaluation of fatigue damage progression

C

Impact of cut edges on magnetization curves and iron losses in e-machines for automotive traction

At last year\u27s edition of EVS, we presented an improved model for iron losses prediction in Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSM) [1]. The benefit of this model holds in that it fits more closely the real material behavior than the standard Steinmetz or Bertotti approaches [2], by including 1) magnetic material characteristics measured at high frequency and 2) an improved representation of iron losses at the approach to saturation (by introducing a higher order term in J). We are taking this model a step further by considering now another phenomenon impacting iron losses in electrical machines: the decrease of magnetic permeability and the increase of local hysteresis loss at the vicinity of lamination edges due to the cutting process. This paper presents a quantitative analysis of the impact of lamination processing (cutting, punching, etc) for high quality low loss electrical steels used in automotive traction applications. It is important to perform the analysis over a wide frequency range, because of the large speed range of PMSM drives in automotive applications and the presence of higher harmonics (PWM supply). Our approach consists in measuring the material characteristics for sample sets with different ratios of degraded vs. non degraded material and at various frequencies. Starting from that experimental data we propose a method to determine the local magnetization curves, as function of distance from the cut edge. These local material characteristics can then be implemented in a FE model so that the effect of punching on the machine performance can be determined quantitatively: (1) the cutting impact on magnetization modification allows more precise field calculations; (2) a proposition is made on the implementation of the cutting impact on the loss calculations in post processing via an enhanced version of the loss model developed in [1]

Magnetic Non Destructive Evaluation

C