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The magnetic behavior of a lamination stack made of grain-oriented electrical steel (GOES) is investigated under non-conventional 3D magnetic flux excitations. An experimental demonstrator has been designed to study a normal orientation of the magnetic flux path, with regard to the lamination plane, combined with different in-plane orientations of the easy magnetization axis of the lamination stack. The results in terms of the magnetic flux distribution and the iron losses are presented and discussed.

Regularly used in power transformers, grain-oriented (GO) steels are also usually chosen for the manufacturing of the stator cores of hydro and turbo-generators. These steels are renowned for their high magnetic performances in the rolling direction (high permeability and low magnetic losses). Nevertheless, in a turbo-generator where GO steels are employed to reduce the size of the stator core, the magnetic flux flows through several successive directions within the plane of the steel. So, the anisotropic behavior of the GO steel has to be considered in the design step of the related devices in order to improve their energy efficiency as well as their diagnosis based on modeling. In this paper, an anisotropic phenomenological iron loss model, quite recently developed, has been studied and successfully implemented in a finite element method (FEM) simulation environment. The implementation has been validated against experimental data achieved on an industrial conventional GO grade typically used in turbogenerators. The results show a good agreement of the computational results with the experiments for both quasi-static and dynamic regimes.

The purpose of this study is to investigate, through finite element (FE) simulations, the effect of the demagnetizing field in Epstein characterization of grain-oriented electrical steels. A 3D finite element simulation has been realized to represent the parallel and X-stacking configurations in the Epstein frame. The numerical results have been compared with experimental measures. In a parallel configuration, the measured induction is actually the one in the material, whereas the resulting magnetic field differs from the applied one (in magnitude and angle) due to the shape anisotropy (demagnetizing field). In X-stacking configuration, the resulting magnetic field is close to the applied magnetic field (and then the supposed excitation field in the Epstein frame), whereas the magnetic induction has deviated from the axis of the strips.

In this research, we propose an ad hoc method for identifying adequate full permeability tensors for finite element method (FEM) simulation of grain oriented electrical steels (GOES). The tensors are obtained from dedicated measurements requiring only unidirectional excitation field. This method relies on the one hand, on the Enokizono approach which was originally established based on measurements under rotating field and on the other hand on the Fiorillo model of magnetization processes in GOES.

In this research, the magnetic behavior of a lamination stack made of grain-oriented electrical steel (GOES) is investigated under non-conventional 3D magnetic flux excitations. An experimental prototype has been designed to study different orientations of the magnetic flux path, with regard to the lamination plane, combined with different in-plane orientations of the GOES easy magnetization axis.

Grain-oriented (GO) materials are widely known for their strong anisotropic behavior. Their magnetic characteristics depend on the angle between the applied magnetic field and rolling direction (RD). However, these characteristics can be further modified according to their stacking configuration and to the influence of the demagnetizing field. In this paper, a 3-D finite element analysis is performed in order to study the effect of the parallel and x-stacking configuration on the magnetic properties of the lamination stack. The results are interpreted in terms of the demagnetizing field which vectorially combined with the applied field affects the magnetization.

Récemment, les gestionnaires de réseau et de système de transmission, comme le Réseau européen des gestionnaires de réseau de transport d'électricité (ENTSO-E), mettent en place des réglementations pour étendre la plage de fonctionnement des équipements connectés au réseau électrique. Les principaux objectifs de ces modifications sont : d'augmenter la flexibilité du réseau en le rendant capable de supporter des variations de fréquence et de tension (dues aux modifications de l'équilibre des puissances active et réactive) et de faciliter l'intégration et la production d'énergie renouvelable. Cependant, de nombreux équipements installés et raccordés au réseau n'ont pas été conçus pour être exploités dans ces plages de fonctionnement et leur utilisation dans ces conditions peut avoir un impact négatif sur le cycle de vie des équipements, en particulier dans les turbo-alternateurs.Les grands turbo-alternateurs, utilisés pour la production d'électricité dans les centrales nucléaires et hydroélectriques, sont impactés par ces nouvelles réglementations. Cet impact est particulièrement observé aux extrémités de ces machines électriques où les pertes fer sont susceptibles d'augmenter significativement. Ces pertes peuvent entraîner des échauffements, notamment des points chauds, qui peuvent conduire à la fusion de l’isolation entre les tôles du noyau du stator, provoquant ainsi des courts-circuits et des dommages irréversibles à l'équipement. Afin de pouvoir analyser et limiter l'impact des mécanismes physiques mis en jeu, la société EDF s’appuie sur des simulations numériques tridimensionnelles de la machine électrique pour calculer les pertes pour différents régimes de fonctionnement.Une partie de ce travail a déjà été réalisée au laboratoire L2EP, où le logiciel d'analyse par éléments finis code_Carmel a été adapté pour le calcul des pertes dans le noyau du stator et des pertes joule dans les modèles tridimensionnels. Cependant, la complexité physique des propriétés des circuits magnétiques aux extrémités des turbo-alternateurs doit être prise en compte pour obtenir des résultats fiables. En effet, compte tenu du schéma tridimensionnel du chemin du flux magnétique et des propriétés fortement anisotropes du circuit magnétique en acier électrique à grains orientés (GO), la description des pertes fer nécessite des modèles de matériaux magnétiques anisotropes précis combinés à une modélisation numérique efficace.Dans le cadre de ce travail de thèse, des modèles anisotropes dédiés aux aciers GO, notamment pour décrire la loi de comportement et les pertes fer, ont été étudiés puis implémentés dans un environnement de simulation par éléments finis (FEM) au sein du logiciel code_Carmel. La mise en œuvre a été validée par rapport à des données expérimentales obtenues sur un acier GO de qualité industrielle conventionnelle généralement utilisée dans les turbo-alternateurs. De plus, un démonstrateur expérimental a été développé pour étudier plus finement le comportement magnétique d'un empilement de tôles GO soumis à des excitations de flux magnétique 3D non conventionnelles. Un modèle numérique du démonstrateur expérimental a été développé et étudié, incluant les modèles de matériaux anisotropes, en comparant le comportement global du matériau GO ainsi que les pertes de fer dans l'échantillon d'intérêt.Les résultats montrent que, dans des configurations d'attaque de flux magnétique non conventionnelles, en particulier avec une attaque de flux magnétique normale au plan de laminage, les caractéristiques anisotropes de l’acier GO peuvent influencer la distribution du flux magnétique dans l'empilement de tôles étudié ainsi que les pertes de fer associées. Notamment, et comme attendu, les pertes par courants de Foucault classiques constituent la contribution majeure aux pertes fer dans l’empilement de tôles étudiées.