Contribution to the modeling of dynamic magnetisation and eddy currents in soft magnetic materials: measurements and simulations
CONTRIBUTION A LA MODELISATION DE LA DYNAMIQUE
D'AIMANTATION DANS LES MATERIAUX MAGNETIQUES DOUX : CARACTERISATION ET SIMULATION
Résumé
Soft magnetic materials (Fe, Ni, Co, ... amorphous, crystal or poly-crystal) are used in power electrical engineering to convert energy, to guide flux lines and to transmit information. Their main characteristic is to be easilly magnetised. They are also conducting and free currents are induced with time harmonics and transient signals. These last can be classicaly diffused at the macroscopic scale but also and
mainly locally induced in a moving microscopic magnetic structure. These damping effects and dynamic losses have got several consequences: power losses, time delay, signal distortion, remanence. We are interested in faithful models in order to understand soft
materials static and dynamic properties and to compute power electrical devices with accuracy. We have chosen to focus on microscopic eddy currents in addition to macroscopic ones, because they are at the origin of the dynamic hysteresis which is observed and measured.
After introducing the set of problems, stakes and state of the art; we began to build a theoretical material representation at the mesoscopic scale, between the microscopic and macroscopic ones, usable in material science and numerical simulation tools. So Matter-
Field Equations have been derived again with the physics of dynamic magnetisation reversal processes.
Then we tried to analyse the relevance and limits of our representation thanks to analytical calculations on simple and academic problems. We also carried out some calculations, measurements and experimental characterisations to confront theory and reality.
Finally, we have written, with the Finite Element Method, some dedicated electromagnetic formulations in 3-D and 2-D. We have confirmed them with simple test cases always comparing with standard and previous results, analytical calculations and experimental observations. First simple configurations of circuit breaking applications have also been investigated, studied and computed.
mainly locally induced in a moving microscopic magnetic structure. These damping effects and dynamic losses have got several consequences: power losses, time delay, signal distortion, remanence. We are interested in faithful models in order to understand soft
materials static and dynamic properties and to compute power electrical devices with accuracy. We have chosen to focus on microscopic eddy currents in addition to macroscopic ones, because they are at the origin of the dynamic hysteresis which is observed and measured.
After introducing the set of problems, stakes and state of the art; we began to build a theoretical material representation at the mesoscopic scale, between the microscopic and macroscopic ones, usable in material science and numerical simulation tools. So Matter-
Field Equations have been derived again with the physics of dynamic magnetisation reversal processes.
Then we tried to analyse the relevance and limits of our representation thanks to analytical calculations on simple and academic problems. We also carried out some calculations, measurements and experimental characterisations to confront theory and reality.
Finally, we have written, with the Finite Element Method, some dedicated electromagnetic formulations in 3-D and 2-D. We have confirmed them with simple test cases always comparing with standard and previous results, analytical calculations and experimental observations. First simple configurations of circuit breaking applications have also been investigated, studied and computed.
Les matériaux magnétiques doux (Fe, Ni, Co, ... sous forme cristalline, polycristalline ou amorphe) sont utilisés en électrotechnique pour convertir l'énergie, guider les lignes de flux et transmettre des signaux. Leur principale caractéristique est de s'aimanter aisément. Ces matériaux sont aussi conducteurs et des courants sont induits en régime transitoire et périodique. Ces derniers peuvent être classiquement
diffusés à une échelle macroscopique mais aussi et surtout localement induits dans une microstructure magnétique en mouvement et réarrangement incessant. Ces effets d'amortissement et de pertes dynamiques ont plusieurs conséquences parfois difficilement prévisibles:
des pertes d'énergie, des temps de retard, de la distorsion de signal et de la rémanence. Nous nous intéressons à la recherche de modèles
fidèles dans le but de comprendre les propriétés des matériaux ferromagnétiques doux en régime statique et dynamique et de simuler avec précision le comportement des dispositifs électrotechniques. Nous choisissons de nous concentrer particulièrement sur l'effet des courants induits microscopiques en plus de ceux macroscopiques, puisqu'ils sont à l'origine des pertes en excès et de l'hystérésis dynamique qui sont observées expérimentalement.
Après avoir longuement étudié la problématique, les enjeux et les modèles existants; nous avons entrepris la construction d'une représentation des matériaux à l'échelle mésoscopique, intermédiaire entre l'échelle microscopique et macroscopique, utilisable aussi bien en Ingénierie des Matériaux qu'en simulation numérique type Eléments Finis. Pour ce, les équations de champs dans la matière ont été redérivées en présence des processus physiques dynamiques mis en jeu.
Ensuite nous nous sommes attachés à résoudre analytiquement certains problèmes simples pour appréhender les apports et limites de
notre modélisation. Il s'est agit de comparer la théorie à l'expérience et de caractériser des échantillons sur bancs de mesure normalisés.
Enfin, nous avons mis en oeuvre, à l'aide d'une méthode numérique (la Méthode des Eléments Finis), des formulations électromagnétiques 3-D et 2-D dédiées. Nous les avons testées sur des cas tests simples en les comparant systématiquement aux résultats standards et antérieurs, aux calculs analytiques et aux observations. Des premières configurations simples d'applications de sécurité électrique ont aussi été simulées et étudiées : un transformateur de courant et un actionneur électromécanique.
diffusés à une échelle macroscopique mais aussi et surtout localement induits dans une microstructure magnétique en mouvement et réarrangement incessant. Ces effets d'amortissement et de pertes dynamiques ont plusieurs conséquences parfois difficilement prévisibles:
des pertes d'énergie, des temps de retard, de la distorsion de signal et de la rémanence. Nous nous intéressons à la recherche de modèles
fidèles dans le but de comprendre les propriétés des matériaux ferromagnétiques doux en régime statique et dynamique et de simuler avec précision le comportement des dispositifs électrotechniques. Nous choisissons de nous concentrer particulièrement sur l'effet des courants induits microscopiques en plus de ceux macroscopiques, puisqu'ils sont à l'origine des pertes en excès et de l'hystérésis dynamique qui sont observées expérimentalement.
Après avoir longuement étudié la problématique, les enjeux et les modèles existants; nous avons entrepris la construction d'une représentation des matériaux à l'échelle mésoscopique, intermédiaire entre l'échelle microscopique et macroscopique, utilisable aussi bien en Ingénierie des Matériaux qu'en simulation numérique type Eléments Finis. Pour ce, les équations de champs dans la matière ont été redérivées en présence des processus physiques dynamiques mis en jeu.
Ensuite nous nous sommes attachés à résoudre analytiquement certains problèmes simples pour appréhender les apports et limites de
notre modélisation. Il s'est agit de comparer la théorie à l'expérience et de caractériser des échantillons sur bancs de mesure normalisés.
Enfin, nous avons mis en oeuvre, à l'aide d'une méthode numérique (la Méthode des Eléments Finis), des formulations électromagnétiques 3-D et 2-D dédiées. Nous les avons testées sur des cas tests simples en les comparant systématiquement aux résultats standards et antérieurs, aux calculs analytiques et aux observations. Des premières configurations simples d'applications de sécurité électrique ont aussi été simulées et étudiées : un transformateur de courant et un actionneur électromécanique.
Mots clés
Transformateurs<br />de Courant
Actionneurs Electromécaniques
Electromagnétisme dans la Matière
Modélisation
Matériaux Magnétiques Doux
Pertes Fer
Hystérésis Dynamique
Caractérisations<br />Expérimentales
Formulations Electromagnétiques
Simulations Numériques par la Méthode des Eléments Finis
Capteurs
Domaines
Energie électrique
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