Magnetostriction of Model Transformer Cores

Zsfassung in engl. SpracheTransformatoren gelten als traditionelle Elemente der Stromversorgung. Trotzdem laufen weltweite Forschungsbemühungen zur Verbesserung ihrer weichmagnetischen Kerne. Dafür maßgeblich ist eine zweifache Problematik. Einerseits ist es der Energieverlust, der bei zeitlich-räumlicher Hochrechnung äußerst große Ausmaße erreicht. Zweitens ist es die Geräuschentwicklung, die in zunehmender Weise als Umweltproblem eingestuft wird. Vor allem japanische Stahlproduzenten versuchen Verbesserungen auf beiden Ebenen zu erreichen, indem erstens die kristallinen Eigenschaften des Kernmaterials optimiert werden und zweitens durch Anwendung von Laser- oder Plasmabehandlung die effektive Anisotropie des Materials in kontinuierlicher Weise verbessert wird. Bedingung dafür ist ein verbessertes grundlegendes Verständnis der Materialeigenschaften, wozu die vorliegende Arbeit Beiträge liefern will. Spezifisches Ziel der Arbeit ist es, die für die Geräuschentwicklung sehr maßgebliche Magnetostriktion den energetisch wesentlichen Ummagnetisierungsverlusten gegenüber zu stellen. Bezüglich der Verluste hat sich gezeigt, dass sie für verschiedene Magnetisierungsmuster sehr unterschiedlich ausfallen können. So kann 2-dimensionale rotierende Magnetisierung (RM) zur Verlustverdopplung führen, wobei auch die Vektordynamik als wesentlich erkannt wurde. Durch die zunehmende Globalisierung des Energietransports gewinnen auch DC-Komponenten der Magnetisierung aktuelle Bedeutung, nicht nur für die Blechebene, sondern auch im Sinne 3-dimensionaler Magnetisierung. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde erstmals in systematischer Weise untersucht, inwieweit die erwähnten Magnetisierungsmuster auch für die Magnetostriktion bedeutsam sind, und somit für die Geräuschentwicklung. Erstmals berücksichtigt wurden auch normal zur Blechebene z-Flüsse im Sinne 3-dimensionaler Magnetisierung. Als Nebenaspekt wurde versucht, für die verschiedenartigen Muster und Darstellungsvarianten der Magnetostriktion systematische Definitionen zu entwickeln. Die weltweit steigende Kapitalisierung der Geräusche liefert Bedarf nach neuen Strategien, um beide Charakteristiken, sowohl die Verluste als auch die Magnetostriktion des Kerns gleichzeitig zu reduzieren. Das bedeutet, dass sie nicht getrennt voneinander, sondern in vergleichender Korrelation zueinander untersucht werden sollten. Wie schon erwähnt hängen die Kernverluste von einer Reihe von Parametern ab, die beim Betrieb des Transformators auf eine sehr komplizierte Weise variieren und miteinander verbunden sind. So stehen beispielsweise im T-Joint-Bereich des Kerns rotierende Magnetisierung in Wechselwirkung mit off-plane Fluss (z-Fluss) und mechanischen Verspannungen, die hier unvermeidlich sind. Einigermaßen bekannt sind die entsprechenden Auswirkungen auf die Verluste. Das primäre Ziel dieser Arbeit war es, zumindest ansatzweise zu ermitteln, ob entsprechende Abhängigkeiten auch für die Magnetostriktion zu finden sind. Dabei war a priori klar, dass die anfallende messtechnische Problematik ungleich komplizierter ausfallen wird. Im Speziellen waren große Probleme bei der - bisher in der Literatur nicht behandelten - Untersuchung lokaler Magnetostriktion im fertigen Modellkern zu erwarten. Und es sollte sich bewahrheiten, dass hier nur grobe Tendenzen aufzeigbar sind. Das einleitende Kapitel 1 beschreibt den Stand der Technik. Vorwiegend behandelt die Literatur alternierende Magnetisierung in Vorzugsrichtung, aber auch in verschiedenen Winkeln zu ihr. Auch 2-dimensionale rotierende Magneti­sierung wird behandelt, jedoch in wenig definierter und kaum systematischer Weise. Letztlich werden die bereits erwähnten Ziele der Arbeit näher formuliert. Das Kapitel 2 behandelt die verwendeten experimentellen Verfahren, die zur Untersuchung der Magnetostriktion, aber auch der Verluste und den zur Deutung wesentlichen Domänen benötigt wurden. Bereits vorhandene Messeinrichtungen wurden vor allem mit Hinblick auf 3D-Untersuchungen weiterentwickelt. Im Speziellen erweist sich die auf dem Poytingvektor basierende Verlustbestimmung als unbrauchbar. Sie wurde durch ein thermisches Verfahren ergänzt. Für Domänenanalysen am so genannten Rotational Single Sheet Tester (RSST) wurde ein quasi-dynamisches Verfahren entwickelt, das auf einer Simulation von Momentanvektoren der Magnetisierung beruht. Kapitel 3 beschreibt Resultate von RSST-Simulationen, wobei den Verlusten die entsprechende Magnetostriktion gegenüber gestellt wird. Für alternierende Magnetisierung werden in systematischer Weise verschiedene Kurven und Kennwerte der Magnetostriktion diskutiert. Der Schwerpunkt ist durch rotierende Magnetisierung gegeben, wofür in der vorliegenden Arbeit erstmals definierte, für die Praxis relevante Muster untersucht werden. Sowohl die Verluste als auch die peak-to-peak Magnetostriktionswerte steigen mit der Erhöhung der Induktion und des Achsenverhältnisses a an. Die Form des Induktionsmusters spielt eine wesentliche Rolle für die Verluste, welche bei (praxistypischer) rhombischer Magnetisierung sinken, während die Magnetostriktion weitgehend konstant ausfällt. Die Magnetisierungsdynamik des Induktionsvektors B ergibt einen deutlichen Anstieg der Wirbelstromverluste. Anderseits bleibt das Ausmaß der Magnetostriktion unverändert. Allerdings ergibt die für die Praxis typische erhöhte Dynamik starke Erhöhungen der Harmonischen, was für die Geräuschentwicklung wesentlich ist. Ein in der Walzrichtung eingeprägtes Gleichfeld - DC-Bias - führt bei hier erstmals durchgeführter Untersuchung zu Erhöhungen der Verluste. In ähnlicher Weise steigen die Peak-to-peak-Werte der Magnetostriktion stark an, analog zu von der Industrie beobachteten Zunahmen der Geräusche. Besonders deutlichen Einflüsss zeitigen alternierende Magnetisierung und rotierende Magnetierung mit kleinerem Achsenverhältnis. Dies deckt sich mit der Beobachtung verstärkten Auftretens von obliquen Domänen, die aus der Blechebene heraus magnetisiert sind und somit zu Materialverkürzungen in Walzrichtung führen. Kapitel 4 behandelt systematische Untersuchungen der Magnetostriktion an 1- und 3-phasigen Modell-Transformatorkernen, wie sie im Rahmen dieser Arbeit erstmals vorgenommen wurden. Für entsprechende Verlustmessungen wurde eine neuartige thermische Methode entwickelt, wobei ein Thermistorsensor durch enge Kanäle in das Kerninnere eingeführt wird. Die Messung der Magnetostriktion erwies sich als äußerst schwierig. Die lokal auftretenden Dehnungen zeigten bei scheinbar geringen Veränderungen des mechanischen Clampings sprunghafte Veränderungen, was offensichtlich auch auf veränderte Eigenschwingungen zurück zu führen ist. Die letztlich errechneten Magnetostriktionswerte entsprechen "idealen" Verfestigungen der Kerne. Maximale Verlustanstiege um 100% wurden in T-joint-Bereichen beobachtet. Die entsprechenden Anstiege der Magnetostriktion erreichen bis zu 1000%. Für Gleichflüsse kleiner Intensität (ca. 10 mT) zeigen sich in Schenkeln und Jochen Anstiege sowohl der Verluste als auch der Magnetostriktion. T-Joints mit rotierender Magnetisierung zeigen, wie zu erwarten, geringere Erhöhungen. Durch das Einprägen eines Gleichfeldes weisen alle lokalen Bereiche der beiden Kerne Erhöhungen der Magnetostriktion bei sehr starken Streuung auf. Vor allem in äußeren Schenkeln des dreiphasigen Kerns zeichnen sich deutliche Anstiege. Die Bereiche, die von vornherein hohe Magnetostriktion aufweisen - wie die T-joints - sind in einem geringeren Ausmaß betroffen. Insgesamt kann daraus geschlossen werden, dass das Gleichfeld durch die unterschiedlichen lokalen Anstiege der Magnetostriktion einen gewissen Ausgleichseffekt auf erhöhtem Niveau bewirkt. Durch das Gleichfeld entstehen überdies Anstiege der höheren Harmonischen in Bezug auf die Grundschwingung. Diese Harmonischen spielen für die Geräuschentwicklung eine erhebliche Rolle, wenn die physiologischen Charakteristiken des menschlichen Gehörs in Betracht gezogen werden. Gleichflüsse in z-Richtung führen zu Erhöhungen sowohl der Verluste als auch der Magnetostriktion. Kapitel 5 bringt einen systematischen Vergleich zwischen Verlusten und Magnetostriktion. Als grobe Tendenz zeigt sich, dass für Verluste nachteilige Faktoren auch für die Magnetostriktion nachteilig sind. Eine Ausnahme ist das Muster rotierender Magnetisierung, wobei erhöhte Dynamik aber zu verstärkten Harmonischen führt. Vergleiche wurden auch für die Kerne vorgenommen. Dazu wird dem gebräuchlichen Verlust-Building-Faktor LBF (loss building factor) ein analog definierter Magnetostriktions-Building-Faktor MBF gegenüber gestellt. Auch hier zeigen sich korrelierende Effekte. Doch ist ihr Ausmaß bei der Magnetostriktion meist stärker. Verluste steigen um bis zu 100% an, die Magnetostriktion um bis zu 1000%. DC-Bias verstärkt beide Mechanismen, wobei a priori gutes Verhalten aufweisende Regionen besonders stark betroffen sind. Das abschließende Kapitel 6 berichtet über die praktische Relevanz der Arbeit für die Industrie. Die durchgeführten Messungen zeigten durch die starken regionalen Unterschiede - sowohl für Magnetostriktion als auch für Verluste - die große Bedeutung der lokalen Untersuchungen. Darüber hinaus kann die Gegenüberstellung von den lokalen MS-Werten zu Verlusten für die Planung von Übertragungsnetzen hilfreich sein. Wichtige Erkenntnisse bringt die vorliegende Arbeit im Hinblick auf Einfluss von rotierender Magnetisierung und DC-Magnetisierung auf MS und Verluste. Je erfolgreicher die Methoden zur Reduzierung des Geräuschpegels und der Ummagnetisierungsverluste sind, umso größer wird die Relevanz der rotierenden Magnetisierung. Anderseits, wenn die Flussdichte zufolge einer unerwünschten DC-Magnetisierung angehoben wird, so sind die lokalen Magnetostriktionswerte und die Verluste von vorherein stark, und der relative Anstieg aufgrund RM wird deutlich kleiner.Transformers are important part of the electrical power infrastructure. The improvement of their magnetic cores is a subject of worldwide research. The researchers concentrate their efforts on two basic problems. On the one hand, the energy losses which reach a great extent considering the high amount of transformers worldwide, and on the other hand the audible noise which gains importance in the recent years due to increased environmental concerns. Especially the Japanese steel producers are trying to improve these two aspects, as they firstly optimize the crystal properties of the core steel and by means of laser or plasma treatments secondly the effective anisotropy of the materials. A significant requirement for this purpose is a basic understanding of the material properties. The current thesis claims to provide notable contributions to this aspect. The primary aim of the thesis is to present a comparison between magnetostriction as the most important factor for no-load audible noise, apart from magneto-static forces, and the energy relevant core losses. Power losses depend strongly on the magnetization pattern. Two-dimensional rotational magnetization may even double them, whereby the significance of the dynamics of the flux density vector was also recognized. The globalization of the energy transport and the rising implementation of electronics in the electric power delivery increase the importance of DC-components, not only for in-plane but also for the off-plane direction. In the context of the current thesis, the impact of the magnetization pattern on magnetostriction, hence on noise generation, was for the first time investigated in a systematic ways. The magnetic core was observed as a three-dimensional magnetization object considering fluxes perpendicular to the lamination plane (z-fluxes). For the different magnetostriction curves, clear, systematic and unambiguous definitions have been created as a further task. The strong capitalization of the audible noise yields need of new strategies for simultaneous reduction of both magnetostriction and losses of the core. It means that these two characteristics should not be separately investigated, but rather both together put in a correlation to each other. As already mentioned, the losses depend on a series of parameters which vary in the final core in complex ways. For example in T-joints, rotational magnetization on the one hand and off-plane flux and mechanical stress on the other hand interact with each other in a very specific way. However, the corresponding impacts on the losses are more or less known. The primary aim of the current was to investigate the corresponding dependencies for the second key characteristic, i.e. the magnetostriction. It was a priori known that the measuring techniques for magnetostriction are distinctly more complicated. Major problems were expected especially for the local investigations of the fabricated model cores where only rough tendencies can be found out. Chapter 1 reports on the state of the art. The literature concerns mainly magnetostriction under alternating magnetization in rolling direction (RD), but also under magnetization in different angels to RD. Two-dimensional magnetization has been investigated as well, but not in well-defined systematic ways. Finally, the already mentioned aims of the work are closer discussed. Chapter 2 describes the experimental methods used for the study of magnetostriction, but also for losses and the observation of magnetic domains. Already existing equipment was refined and adapted especially with regard to the 3D-investigations of the core steel. In particular, it is shown that a determination of losses under 3D-magnetization based on the electro-dynamical method is not possible. For that reason an additional thermal method in was developed for 3-D case. For the study of magnetic domains by means of the Rotational Single Sheet Tester (RSST), a new quasi-dynamic method was implemented based on the simulation of the instantaneous positions of the magnetic flux density vector. Chapter 3 reports on the achieved results of RSST-measurements. Furthermore, results and tendencies of losses are compared with each other. For alternating magnetization, different types of magnetostriction curves and parameters are discussed. An emphasis is given on rotational magnetization. For the first time, the current thesis puts the focus on industry-relevant, well-defined magnetization patterns. Magnetostriction and losses show similar increases with increases of both induction and axis ratio of the magnetization pattern. Its shape plays an important role for losses, which decreased for rhombic magnetization decrease, while it proves to be rather insignificant for magnetostriction. Increased dynamics of the flux density vector yields rising eddy current losses, while magnetostriction remains unaffected. However, the harmonics show high increases as being relevant for the audible noise. The impact of additional DC-Bias on magnetostriction was investigated for the first time. The DC-bias impressed in RD leads to increases of losses. Analogous to this, an increase of the peak-to-peak magnetostriction was observed which correlates with reports of the industry on increased noise due to DC-magnetization. In particular, strong increases were observed under alternating magnetization and under rotational magnetization with low axis ratio. It was confirmed by the observation of magnetic domains. They show increased occurrence of oblique domains magnetized out of the in-plane direction, therefore, causing a shrinkage in RD. Chapter 4 deals with a systematic study of magnetostriction on 1-phase and 3-phase model transformer cores performed for the first time in this work. For the corresponding loss measurement, a new thermal method was developed, using sensors inserted into narrow channels drilled through the core. The magnetostriction measurement proved to be rather difficult. Even small modifications of the mechanical clamping yields abrupt changes of local strain, which can be explained by changes of eigenvalues of the entire core. The magnetostriction values presented in the thesis consider the -ideal- state of clamping. Maximal increases of losses in the order of 100% were measured in T-joints. The corresponding increases of magnetostriction may even reach up to 1000%. For relatively low DC-fluxes (ca. 10mT) in normal direction (ND, perpendicular to the plane of lamination), increases of both magnetostriction and losses in the yokes and limbs were observed. T-joints show lower increases, as to be expected An impressed DC-bias leads to increases of magnetostriction in almost all local positions of the two investigated model cores with strong regional differences. Strong increases especially for the outer limb of the three-phase core were observed. Regions that show a priori high values like T-joints are less affected by the DC-magnetization, corresponding to an over-all balancing effect. Due to the DC-bias, an increase of the higher harmonics related to the fundamental components were observed with a high relevance for noise generation considering the physiological characteristics of the human ear. DC-fluxes in ND lead to increases of both losses and magnetostriction. Chapter 5 presents a direct comparison between losses and the magnetostriction. As a rough estimation, the negative impact factors for losses are also negative for magnetostriction. The magnetisation pattern is an exception from this general tendency, whereby the higher dynamics lead to increases of the higher harmonics. There are also exceptions concerning the mechanical stress, which causes increased magnetostriction in almost any constellation. Comparisons were carried out for the cores as well. Magnetostriction building factor (MBF) was defined analogous with the common used loss building factor (LBF). Similar tendencies between MBF and LBF are observed for the cores as well. However, the extent for the magnetostriction is greater. The losses increases up to 100% while the magnetostriction may even reach 1000%. Additional DC-Magnetisation leads to increase of both characteristics. The final chapter 6 reported on the practical relevance of the thesis for the industry. The performed measurements shows the importance of the local measurements for both magnetostriction and losses, due to their strong regional differences. The results from the comparison between the local values of magnetostriction with losses may help the improvement of the design of transmission systems. Significant finding yields the current thesis investigating the impact of rotational magnetisation and DC-magnetization simultaneously. If the magnetostriction due to alternating magnetization is reduced by improved grain orientation for example, the relative effect of magnetostriction due to rotational magnetization is enhanced. If on the other hand, the flux density is increased by DC-bias, the magnetostriction and noise are high a priori and their relative increase due to RM is insignificant.10

Physically consistent testing of large-frequency-band magnetic losses of non-oriented electric steel considering dynamic anisotropy

Non-oriented (NO) magnetic steels show gradually increasing relevance over an extended range of frequencies, in particular for electric drives. However, until now, data for corresponding characteristics like losses P are available in very restricted ways. A reason is that loss testers are standardized for technical low frequency (LF) until now. Here we report detailed loss data for three steel types, tested by broad-band single sheet testers that offer tests up to high frequency (HF), for values of f = 10 kHz, for steel samples of 500 × 170 mm2 (or 500 mm). In solving a specific problem of NO steel, very high values of H of magnetic field strength are considered by “True Field Air Flux Compensation.” For rising f, the three steels show strong, non-linear increases in losses P, up to about 100 W/kg. With respect to anisotropy, corresponding factors were defined for rolling direction and transverse direction (TD). The effective “field anisotropy” AH tends to show high values for LF but sinks dramatically for HF due to strong eddy currents. The analogously defined “loss anisotropy” AP is lower a priori. In addition, decreases in HF are less pronounced. The International Electrotechnical Commission-standardized “loss anisotropy factor” is generally lower by more than a factor of two, with values up to 30% for LF that may sink to zero for HF due to eddy current mechanisms that are rather independent from crystalline texture. In conclusion, for high dynamics, the effective anisotropy deviates completely from LF-based texture characteristics. Additional analyses of power functions prove that during a period of magnetization, strong anisotropy exists with respect to alignments of atomic moments, in particular for the TD

3D-Printed Detector Band for Magnetic Off-Plane Flux Measurements in Laminated Machine Cores

Laminated soft magnetic cores of transformers, rotating machines etc. may exhibit complex 3D flux distributions with pronounced normal fluxes (off-plane fluxes), perpendicular to the plane of magnetization. As recent research activities have shown, detections of off-plane fluxes tend to be essential for the optimization of core performances aiming at a reduction of core losses and of audible noise. Conventional sensors for off-plane flux measurements tend to be either of high thickness, influencing the measured fluxes significantly, or require laborious preparations. In the current work, thin novel detector bands for effective and simple off-plane flux detections in laminated machine cores were manufactured. They are printed in an automatic way by an in-house developed 3D/2D assembler. The latter enables a unique combination of conductive and non-conductive materials. The detector bands were effectively tested in the interior of a two-package, three-phase model transformer core. They proved to be mechanically resilient, even for strong clamping of the core