Temperature-dependent modelling of magnetic ageing of FeSi electrical steels

This paper deals with the temperature-dependent modelling of iron losses in the context of magnetic ageing of electricals steel used in high power electrical machines. First, two electrical steel sheet grades were heat treated at three temperatures in order to study the ageing effect evolution as a function of temperature. Results show a significant increase in iron losses for both steel grades. Then, considering the link between the macroscopic magnetic properties evolution (effect) and the microscopic precipitation (cause), the Johnson – Mehl – Avrami – Kolmogorov (JMAK) law describing the kinetics of precipitation was applied to model the time evolution of magnetic ageing. By coupling this model with the Arrhenius’ law, a model is developed to be able to predict the ageing for several temperature levels

Development and validation of an electrical and magnetic characterization device for massive parallelepiped specimens

Claw pole (CP) machine performances are strongly related to the electromagnetic properties of ferromagnetic materials. These properties are impacted by the manufacturing processes, in a heterogeneous way, as well as by the thermal behavior of the machine and mechanical constraints. Due to the complexity of CP geometry, extracted samples cannot respect the dimensions prescribed in international standards of electric and magnetic measurements. This paper proposes a specific methodology to characterize the electrical conductivity and the magnetic behavior of massive parallelepiped specimens extracted from different locations of a CP rotor

Magnetic ageing investigation of bulk low-carbon silicon steel

In this paper, the magnetic ageing of a bulk forged non-annealed magnetic core, used in claw pole synchronous machine, is investigated. The study is carried out by characterizing the material properties of two groups of samples subjected to a thermal ageing at 180 °C that corresponds to the maximum operating temperature of the claw pole rotor. The investigated characteristics are the electrical conductivity, the magnetic properties, the material microstructure and the Vickers hardness. They were characterized along with the ageing time. The results show that, during the thermal ageing, the hysteresis losses and the Vickers hardness have been affected by the magnetic ageing, whereas the electric conductivity and the normal B-H curve have not been modified. The microstructure analyses showed that carbides precipitates were the main cause behind the magnetic ageing. Moreover, the comparison between the results of two groups of samples revealed the possibility that the magnetic ageing of the material could have started during the manufacturing process of the magnetic core

Magneto-thermal characterization of bulk forged magnetic steel used in claw pole machine

During the operation of Claw Pole (CP) machines, and for some operating loads, the magnetic core temperature can reach 180°C in some hot spots. As a consequence, the core electromagnetic properties may considerably change, impacting the machine performances. In such a case, a deep knowledge of the electromagnetic behavior as a function of the temperature is required. In this paper, we present a dedicated study of the CP rotor made from a forged magnetic steel. In fact, the CP magnetic properties heterogeneity and the claw shape made it necessary to extract specific samples that are characterized with a miniaturized Single Sheet Tester (SST). To that end, this work proposes a specific methodology to characterize the electromagnetic properties of the CP rotor material as a function of the temperature in order to better predict the machine electrical performances, especially regarding the iron losses

Caractérisation et investigation des effets de la température d'utilisation sur les propriétés électromagnétiques des aciers magnétiques doux : application à la roue polaire de la machine à griffes

During electrical machine operation, in some hot spots, the temperature may reach high temperature levels. As a consequence, the electromagnetic properties of its components may considerably change, modifying the performance of the machine. These modifications can be reversible and disappear, once the core has cooled down, or the phenomena can be irreversible and then we refer to magnetic aging of the material. In our study, we are interested in effects of the operating temperature on the electromagnetic properties of the claw pole (CP) rotor used in CP machines. This massive component has a complex geometry, a manufacturing process and a material chemical composition different from the usual magnetic cores made of laminated electrical steels. Therefore, to study this kind of magnetic pieces, we propose a specific methodology to characterize electromagnetic properties at different temperatures, based on a miniaturization of the single sheet tester (SST). The characterization results show a clear temperature dependence of the electromagnetic properties, mainly for the electrical conductivity. As a result, the eddy current losses induced in the rotor decrease with temperature. Moreover, over time and under thermal stress, the CP material ages and its hysteresis losses increase. This phenomenon is due to the carbides precipitation. Consequently, a link between the kinetics of aging and that of precipitation is underlined and a model approach of the kinetic of isothermal ageing is proposed.En fonctionnement, la température au sein d’une machine électrique peut être élevée. En conséquence, les propriétés électromagnétiques de ses composants sont affectées modifiant ainsi les performances de la machine. Cette modification peut être réversible, c’est-à-dire que le matériau retrouve ses propriétés initiales avec la diminution de la température, comme elle peut être irréversible et on parle alors de vieillissement magnétique du matériau. Dans ces travaux, nous nous intéressons aux effets de la température de fonctionnement sur les caractéristiques électromagnétiques du matériau roue polaire (RP) de la machine à griffes. Cette pièce massive possède une géométrie complexe, une composition chimique ainsi qu’un procédé d’élaboration différents de ceux des noyaux magnétiques feuilletés majoritairement utilisés. Afin de s’adapter aux contraintes imposées, nous proposons une méthodologie spécifique de caractérisation des propriétés électromagnétiques à différentes températures, basée sur une miniaturisation du cadre à bande unique (SST). Les résultats de l’étude de l’effet de la température montrent une nette dépendance en température des propriétés électromagnétiques, principalement de la conductivité électrique, ce qui se traduit par une diminution des pertes par courants induits au rotor. Par ailleurs, au cours du temps, le matériau RP sous contrainte thermique, vieillit et ses pertes par hystérésis augmentent. Ce phénomène est dû à la précipitation des carbures. Par suite, un lien entre la cinétique du vieillissement et celle de la précipitation est souligné et une approche de modélisation de la cinétique du vieillissement, en condition isotherme est proposée

Characterization and investigation of the impact of machine operating temperature on soft magnetic material properties : application to a claw pole rotor

En fonctionnement, la température au sein d’une machine électrique peut être élevée. En conséquence, les propriétés électromagnétiques de ses composants sont affectées modifiant ainsi les performances de la machine. Cette modification peut être réversible, c’est-à-dire que le matériau retrouve ses propriétés initiales avec la diminution de la température, comme elle peut être irréversible et on parle alors de vieillissement magnétique du matériau. Dans ces travaux, nous nous intéressons aux effets de la température de fonctionnement sur les caractéristiques électromagnétiques du matériau roue polaire (RP) de la machine à griffes. Cette pièce massive possède une géométrie complexe, une composition chimique ainsi qu’un procédé d’élaboration différents de ceux des noyaux magnétiques feuilletés majoritairement utilisés. Afin de s’adapter aux contraintes imposées, nous proposons une méthodologie spécifique de caractérisation des propriétés électromagnétiques à différentes températures, basée sur une miniaturisation du cadre à bande unique (SST). Les résultats de l’étude de l’effet de la température montrent une nette dépendance en température des propriétés électromagnétiques, principalement de la conductivité électrique, ce qui se traduit par une diminution des pertes par courants induits au rotor. Par ailleurs, au cours du temps, le matériau RP sous contrainte thermique, vieillit et ses pertes par hystérésis augmentent. Ce phénomène est dû à la précipitation des carbures. Par suite, un lien entre la cinétique du vieillissement et celle de la précipitation est souligné et une approche de modélisation de la cinétique du vieillissement, en condition isotherme est proposée.During electrical machine operation, in some hot spots, the temperature may reach high temperature levels. As a consequence, the electromagnetic properties of its components may considerably change, modifying the performance of the machine. These modifications can be reversible and disappear, once the core has cooled down, or the phenomena can be irreversible and then we refer to magnetic aging of the material. In our study, we are interested in effects of the operating temperature on the electromagnetic properties of the claw pole (CP) rotor used in CP machines. This massive component has a complex geometry, a manufacturing process and a material chemical composition different from the usual magnetic cores made of laminated electrical steels. Therefore, to study this kind of magnetic pieces, we propose a specific methodology to characterize electromagnetic properties at different temperatures, based on a miniaturization of the single sheet tester (SST). The characterization results show a clear temperature dependence of the electromagnetic properties, mainly for the electrical conductivity. As a result, the eddy current losses induced in the rotor decrease with temperature. Moreover, over time and under thermal stress, the CP material ages and its hysteresis losses increase. This phenomenon is due to the carbides precipitation. Consequently, a link between the kinetics of aging and that of precipitation is underlined and a model approach of the kinetic of isothermal ageing is proposed