Soft magnetic materials have been widely used in electric motors, routers, and detectors. Tremendous studies have been conducted to report microstructural features corresponding to magnetic performance. The laser-based powder bed fusion (L-PBF) additive manufacturing technique was implemented to bulk-scale fabricate the Finemet nanocrystalline magnetic alloy. This research study aims to reveal the capability of replacing the traditional melt spinning process with decent bulk density and magnetic properties. Nanocrystalline materials originate from optimizing amorphous metallic alloys, resulting in low coercivity and high saturation magnetization by facilitating the formation of nanocrystals. An extremely high cooling rate is the foundational factor for controlling the microstructure. Selective Laser Melting (SLM) offers a layer thickness of 20-100 µm, naturally providing a cooling rate of 105 - 107 K/s. Subsequent melting will impact the microstructure by conducting heat continuously through the melt pools. The relationship between microstructural features and crystalline phase characterization is discussed. Magnetic characterization, in terms of saturation magnetization and coercivity, with various processing parameters, is investigated. / Master of Science / Additive manufacturing of Finemet soft magnetic materials to approach expected microstructure and magnetic properties open up the path of replacing traditional manufacturing techniques. Freedom of complicated near net morphology design and inter-layer microstructural control by manipulating processing parameters offer revolutionary fabrication process comparing to traditional casting and welding. The magnetic performance of soft magnetic materials in real life applications such as electric motor is depending on multiple factors. Thus, the fascinating magnetic properties of soft magnetic materials owing strict requirement of microstructure and crystallite size. Aside from magnetic properties, as-printed bulk density fabricated by SLM would hugely impact the overall mechanical properties and porosity. Thus, processing parameters optimization through experiment and characterization would significantly benefit this study. Afterwards, comparison groups of samples with decent bulk density were taken into characterizations to reveal the crystalline phases, microstructure of metallic phases with respect to the melt pool morphology and then magnetic property of coercivity and saturation magnetization were carefully analyzed.

La machine synchrone à griffes est un dispositif très utilisé comme alternateur dans l’automobile. La fabrication de cette machine, produite en masse, met en œuvre des procédés impactant les caractéristiques des matériaux ferromagnétiques et donc, in fine , les performances de l’alternateur. Ce travail de thèse est donc consacré à étudier l’impact du processus de fabrication d’un stator Slinky (basé sur un enroulement d’une bande de tôle plutôt qu’un empilement) sur les propriétés magnétiques. Pour ce faire, une première partie du travail consiste à quantifier l’impact de chaque procédé mis en œuvre. Le but est de séparer les procédés les plus fortement impactant. Une campagne de caractérisation magnétique, sur des échantillons prélevés avant et après chaque procédé, a été réalisée. Les résultats montrent que le procédé d’enroulement est l’étape la plus destructive à cause des déformations et des contraintes engendrées dans le plan de la tôle à la fois en traction et en compression. L’optimisation de ce procédé nécessite donc d’établir le lien entre les propriétés mécaniques et magnétiques. Nous proposons une nouvelle méthode de caractérisation magnéto-mécanique. Elle permet de réaliser une caractérisation magnétique sous chargement uni axial en traction et en compression. Enfin, nous présentons des résultats montrant l’évolution du comportement magnétique, d’un matériau FeSi NO, en fonction de la déformation et de la contrainte appliquée. / The synchronous claw pole machine represents a widely used device, as an alternator, in the automobile industry. The production of this machine implements a line of several processes which impact the characteristics of ferromagnetic materials and, ultimately, the performance of the alternator. Therefore, this work is devoted to studying the impact of the manufacturing processes of a Slinky stator (based on a rolled sheet metal strip rather than stacked sheets) on the magnetic properties. To reach our goal, a first task consists in quantifying the impact of each manufacturing process. The aim is to separate the most detrimental processes. Thus, a magnetic measurement campaign was carried out on samples withdrawn before and after each process.The results show that the rolling step represents the most detrimental process due to the generated stresses and strains in the plane of the sheet in both modes (tension and compression). Therefore, the optimization of this process requires setting up the link between the mechanical and magnetic properties. Hence, we propose a new method of magneto-mechanical characterization. It enables to carry out magnetic measurements under uniaxial loading (tension and compression). Finally, we present results showing the evolution of the magnetic behavior of a FeSi NO material depending on the applied stress and strain.

Este trabalho tem como objetivo o projeto, construção e análise do funcionamento de uma máquina elétrica síncrona trifásica com núcleo do rotor produzido a partir da metalurgia do pó e ímãs de neodímio-ferro-boro para aplicação em aerogeradores. Tomando como base a máquina elétrica modelo VTOP da fabricante Grupo Voges, foram realizadas mudanças na forma construtiva dos núcleos do estator e do rotor. O pacote chapas que compõem o núcleo do estator foi montado de maneira que as ranhuras apresentem um ângulo de inclinação de 10º ao longo de toda a extensão da máquina. Para o rotor, foi projetado e construído um núcleo através do processo de metalurgia do pó utilizando como matéria-prima pó de ferro puro. A esse novo núcleo foram acrescentados ímãs de neodímio-ferro-boro. Após a montagem dos componentes, a máquina elétrica foi ensaiada em uma bancada de testes. Paralelamente com a confecção do núcleo foi efetuada a simulação computacional da máquina com três tipos diferentes materiais no núcleo do rotor. Os resultados encontrados indicaram que a metalurgia do pó é uma alternativa viável para produção do núcleo de máquinas elétricas. Entretanto alterações na topologia e na forma de fixação dos ímãs são necessárias para um melhor desempenho. / This work aims at the design, construction and performance analysis of a three-phase synchronous electric machine with a rotor core produced by powder metallurgy and neodymium-iron-boron magnets for application in wind turbines. Based on the electric machine VTOP model of the manufacturer Grupo Voges, changes were carried out in the constructive form of the stator and rotor cores. The bundle of plates that make the role of stator core were mounted with a 10º slope along the entire length of the machine. For the rotor, a core was designed and built by employing powder metallurgy process using pure iron powder as raw material. The neodymium-iron-boron magnets were added to this new core. After assembling the components, the electric machine was tested on a test bench. Simultaneously with the core fabrication, the machine was simulated with three different materials in the rotor core. The results indicated that powder metallurgy is a viable alternative to produce the core of electric machines. However, changes in the topology and shape of the magnets are necessary for better assembly, improving the performance.

Este trabalho tem como objetivo o projeto, construção e análise do funcionamento de uma máquina elétrica síncrona trifásica com núcleo do rotor produzido a partir da metalurgia do pó e ímãs de neodímio-ferro-boro para aplicação em aerogeradores. Tomando como base a máquina elétrica modelo VTOP da fabricante Grupo Voges, foram realizadas mudanças na forma construtiva dos núcleos do estator e do rotor. O pacote chapas que compõem o núcleo do estator foi montado de maneira que as ranhuras apresentem um ângulo de inclinação de 10º ao longo de toda a extensão da máquina. Para o rotor, foi projetado e construído um núcleo através do processo de metalurgia do pó utilizando como matéria-prima pó de ferro puro. A esse novo núcleo foram acrescentados ímãs de neodímio-ferro-boro. Após a montagem dos componentes, a máquina elétrica foi ensaiada em uma bancada de testes. Paralelamente com a confecção do núcleo foi efetuada a simulação computacional da máquina com três tipos diferentes materiais no núcleo do rotor. Os resultados encontrados indicaram que a metalurgia do pó é uma alternativa viável para produção do núcleo de máquinas elétricas. Entretanto alterações na topologia e na forma de fixação dos ímãs são necessárias para um melhor desempenho. / This work aims at the design, construction and performance analysis of a three-phase synchronous electric machine with a rotor core produced by powder metallurgy and neodymium-iron-boron magnets for application in wind turbines. Based on the electric machine VTOP model of the manufacturer Grupo Voges, changes were carried out in the constructive form of the stator and rotor cores. The bundle of plates that make the role of stator core were mounted with a 10º slope along the entire length of the machine. For the rotor, a core was designed and built by employing powder metallurgy process using pure iron powder as raw material. The neodymium-iron-boron magnets were added to this new core. After assembling the components, the electric machine was tested on a test bench. Simultaneously with the core fabrication, the machine was simulated with three different materials in the rotor core. The results indicated that powder metallurgy is a viable alternative to produce the core of electric machines. However, changes in the topology and shape of the magnets are necessary for better assembly, improving the performance.

Este trabalho tem como objetivo o projeto, construção e análise do funcionamento de uma máquina elétrica síncrona trifásica com núcleo do rotor produzido a partir da metalurgia do pó e ímãs de neodímio-ferro-boro para aplicação em aerogeradores. Tomando como base a máquina elétrica modelo VTOP da fabricante Grupo Voges, foram realizadas mudanças na forma construtiva dos núcleos do estator e do rotor. O pacote chapas que compõem o núcleo do estator foi montado de maneira que as ranhuras apresentem um ângulo de inclinação de 10º ao longo de toda a extensão da máquina. Para o rotor, foi projetado e construído um núcleo através do processo de metalurgia do pó utilizando como matéria-prima pó de ferro puro. A esse novo núcleo foram acrescentados ímãs de neodímio-ferro-boro. Após a montagem dos componentes, a máquina elétrica foi ensaiada em uma bancada de testes. Paralelamente com a confecção do núcleo foi efetuada a simulação computacional da máquina com três tipos diferentes materiais no núcleo do rotor. Os resultados encontrados indicaram que a metalurgia do pó é uma alternativa viável para produção do núcleo de máquinas elétricas. Entretanto alterações na topologia e na forma de fixação dos ímãs são necessárias para um melhor desempenho. / This work aims at the design, construction and performance analysis of a three-phase synchronous electric machine with a rotor core produced by powder metallurgy and neodymium-iron-boron magnets for application in wind turbines. Based on the electric machine VTOP model of the manufacturer Grupo Voges, changes were carried out in the constructive form of the stator and rotor cores. The bundle of plates that make the role of stator core were mounted with a 10º slope along the entire length of the machine. For the rotor, a core was designed and built by employing powder metallurgy process using pure iron powder as raw material. The neodymium-iron-boron magnets were added to this new core. After assembling the components, the electric machine was tested on a test bench. Simultaneously with the core fabrication, the machine was simulated with three different materials in the rotor core. The results indicated that powder metallurgy is a viable alternative to produce the core of electric machines. However, changes in the topology and shape of the magnets are necessary for better assembly, improving the performance.

Amorphous ribbons of alloy composition Fe75B10Si15 are cast by melt spinning and annealed to partially nanocrystalline states. The magnetic properties are investigated by VSM and MTGA. Structure is examined using XRD and SEM. Results obtained show nanostructured material with excellent soft magnetism in samples annealed at temperatures below the crystallization temperature as well as enhancement of magnetic hardness for annealing at high temperatures. This validates Herzer’s Random Anisotropy model of magnetism in nanostructured materials and provides basis for further inquiry into tweaking alloy compositions and/or manipulating annealing parameters. Also, increase of Curie temperature is noted with respect to increasing annealing temperatures arising from stress relaxation, validating a study on the relationship between the two.

O presente trabalho objetiva o estudo, obtenção e caracterização da liga magnética macia Fe-Si-P produzida por metalurgia do pó convencional visando à futura aplicação em núcleos de máquinas elétricas, atualmente fabricados por estampagem de chapas. Escolheu-se com base em testes prévios a liga Fe-3%Si-0,75%P. Para a obtenção da liga, foi utilizada a rota de mecâno-síntese com diferentes tempos de moagem: 1 h, 3 h e 9 h, além do material sem moagem para comparação. Na sequência compactaram-se uniaxialmente a frio os corpos de prova a 600 MPa seguido de sinterização a 1150 ºC em atmosfera de gás argônio. A análise da influência do tempo de moagem nas propriedades físicas, mecânicas, magnéticas e elétricas no material sinterizado foi a meta central deste trabalho. A caracterização das propriedades físicas mostrou uma redução da densidade aparente do pó moído, um aumento da distribuição do tamanho de partícula e redução do mesmo com o aumento do tempo de moagem. No que se refere às propriedades magnéticas, evidenciou-se que o material moído durante 3h apresentou os melhores resultados de indução de saturação (1,15 T), apesar do aumento na coercitividade já previsto devido ao processo de mecâno-síntese. Além disso, a difração de raios-X detectou a formação da liga através da solução sólida dos elementos P e Si na matriz ferrita. A análise metalográfica revelou a diminuição do tamanho de grãos com o aumento do tempo de moagem. Por fim, realizou-se a simulação do protótipo para análise do desempenho do material visando à aplicação futura. Esta, realizada pelo método de elementos finitos em um núcleo de um gerador síncrono com ímãs permanentes de NdFeB resultou em uma densidade de fluxo (1,95T) para o material com 3h de moagem e um torque de apenas 13% inferior se comparado ao gerador convencional produzido com núcleos de chapas de aço elétrico. / The present work aims to study, obtaining and characterization of Fe-Si-P soft magnetic alloy produced by conventional powder metallurgy intended for the future application in electrical machines cores, currently manufactured by sheet metal forming. The alloy Fe-3%Si-0,75%P was chosen based on previous tests. To obtain the alloy was used mechanical alloying route with different milling times: 1 h, 3 h and 9 h, and the material without milling for comparison. In the sequence, the specimens were uniaxially cold compacted at 600 MPa followed by sintering at 1150 ° C in an atmosphere of argon. The analysis of the influence of milling time on the physical, mechanical, magnetic and electric properties of the sintered material was the central goal of this work. The physical properties characterization showed a reduction in the bulk apparent density of the milled powder, an increase in particle size distribution and reduction thereof with increasing milling time. As regards magnetic properties, it was observed that the milled material for 3 hours showed the best results of saturation induction (1.15 T), despite the increase in the coercivity as expected due to the inherent mechanical alloying process. Furthermore, the X-ray diffraction detected the alloy formation through the solid solution of P and Si elements in the ferrite matrix. The metallographic analysis showed the decrease in grain size with increasing milling time. Finally, were performed a simulation prototype for analysis of material performance in order to future implement. This, held by finite element method on a synchronous generator core with NdFeB permanent magnets, resulting in a flux density (1.95 T) for the material with 3h of milling and a torque of only 13% lower compared to conventional generator produced with cores of electric steel sheet.

O presente trabalho objetiva o estudo, obtenção e caracterização da liga magnética macia Fe-Si-P produzida por metalurgia do pó convencional visando à futura aplicação em núcleos de máquinas elétricas, atualmente fabricados por estampagem de chapas. Escolheu-se com base em testes prévios a liga Fe-3%Si-0,75%P. Para a obtenção da liga, foi utilizada a rota de mecâno-síntese com diferentes tempos de moagem: 1 h, 3 h e 9 h, além do material sem moagem para comparação. Na sequência compactaram-se uniaxialmente a frio os corpos de prova a 600 MPa seguido de sinterização a 1150 ºC em atmosfera de gás argônio. A análise da influência do tempo de moagem nas propriedades físicas, mecânicas, magnéticas e elétricas no material sinterizado foi a meta central deste trabalho. A caracterização das propriedades físicas mostrou uma redução da densidade aparente do pó moído, um aumento da distribuição do tamanho de partícula e redução do mesmo com o aumento do tempo de moagem. No que se refere às propriedades magnéticas, evidenciou-se que o material moído durante 3h apresentou os melhores resultados de indução de saturação (1,15 T), apesar do aumento na coercitividade já previsto devido ao processo de mecâno-síntese. Além disso, a difração de raios-X detectou a formação da liga através da solução sólida dos elementos P e Si na matriz ferrita. A análise metalográfica revelou a diminuição do tamanho de grãos com o aumento do tempo de moagem. Por fim, realizou-se a simulação do protótipo para análise do desempenho do material visando à aplicação futura. Esta, realizada pelo método de elementos finitos em um núcleo de um gerador síncrono com ímãs permanentes de NdFeB resultou em uma densidade de fluxo (1,95T) para o material com 3h de moagem e um torque de apenas 13% inferior se comparado ao gerador convencional produzido com núcleos de chapas de aço elétrico. / The present work aims to study, obtaining and characterization of Fe-Si-P soft magnetic alloy produced by conventional powder metallurgy intended for the future application in electrical machines cores, currently manufactured by sheet metal forming. The alloy Fe-3%Si-0,75%P was chosen based on previous tests. To obtain the alloy was used mechanical alloying route with different milling times: 1 h, 3 h and 9 h, and the material without milling for comparison. In the sequence, the specimens were uniaxially cold compacted at 600 MPa followed by sintering at 1150 ° C in an atmosphere of argon. The analysis of the influence of milling time on the physical, mechanical, magnetic and electric properties of the sintered material was the central goal of this work. The physical properties characterization showed a reduction in the bulk apparent density of the milled powder, an increase in particle size distribution and reduction thereof with increasing milling time. As regards magnetic properties, it was observed that the milled material for 3 hours showed the best results of saturation induction (1.15 T), despite the increase in the coercivity as expected due to the inherent mechanical alloying process. Furthermore, the X-ray diffraction detected the alloy formation through the solid solution of P and Si elements in the ferrite matrix. The metallographic analysis showed the decrease in grain size with increasing milling time. Finally, were performed a simulation prototype for analysis of material performance in order to future implement. This, held by finite element method on a synchronous generator core with NdFeB permanent magnets, resulting in a flux density (1.95 T) for the material with 3h of milling and a torque of only 13% lower compared to conventional generator produced with cores of electric steel sheet.

O presente trabalho objetiva o estudo, obtenção e caracterização da liga magnética macia Fe-Si-P produzida por metalurgia do pó convencional visando à futura aplicação em núcleos de máquinas elétricas, atualmente fabricados por estampagem de chapas. Escolheu-se com base em testes prévios a liga Fe-3%Si-0,75%P. Para a obtenção da liga, foi utilizada a rota de mecâno-síntese com diferentes tempos de moagem: 1 h, 3 h e 9 h, além do material sem moagem para comparação. Na sequência compactaram-se uniaxialmente a frio os corpos de prova a 600 MPa seguido de sinterização a 1150 ºC em atmosfera de gás argônio. A análise da influência do tempo de moagem nas propriedades físicas, mecânicas, magnéticas e elétricas no material sinterizado foi a meta central deste trabalho. A caracterização das propriedades físicas mostrou uma redução da densidade aparente do pó moído, um aumento da distribuição do tamanho de partícula e redução do mesmo com o aumento do tempo de moagem. No que se refere às propriedades magnéticas, evidenciou-se que o material moído durante 3h apresentou os melhores resultados de indução de saturação (1,15 T), apesar do aumento na coercitividade já previsto devido ao processo de mecâno-síntese. Além disso, a difração de raios-X detectou a formação da liga através da solução sólida dos elementos P e Si na matriz ferrita. A análise metalográfica revelou a diminuição do tamanho de grãos com o aumento do tempo de moagem. Por fim, realizou-se a simulação do protótipo para análise do desempenho do material visando à aplicação futura. Esta, realizada pelo método de elementos finitos em um núcleo de um gerador síncrono com ímãs permanentes de NdFeB resultou em uma densidade de fluxo (1,95T) para o material com 3h de moagem e um torque de apenas 13% inferior se comparado ao gerador convencional produzido com núcleos de chapas de aço elétrico. / The present work aims to study, obtaining and characterization of Fe-Si-P soft magnetic alloy produced by conventional powder metallurgy intended for the future application in electrical machines cores, currently manufactured by sheet metal forming. The alloy Fe-3%Si-0,75%P was chosen based on previous tests. To obtain the alloy was used mechanical alloying route with different milling times: 1 h, 3 h and 9 h, and the material without milling for comparison. In the sequence, the specimens were uniaxially cold compacted at 600 MPa followed by sintering at 1150 ° C in an atmosphere of argon. The analysis of the influence of milling time on the physical, mechanical, magnetic and electric properties of the sintered material was the central goal of this work. The physical properties characterization showed a reduction in the bulk apparent density of the milled powder, an increase in particle size distribution and reduction thereof with increasing milling time. As regards magnetic properties, it was observed that the milled material for 3 hours showed the best results of saturation induction (1.15 T), despite the increase in the coercivity as expected due to the inherent mechanical alloying process. Furthermore, the X-ray diffraction detected the alloy formation through the solid solution of P and Si elements in the ferrite matrix. The metallographic analysis showed the decrease in grain size with increasing milling time. Finally, were performed a simulation prototype for analysis of material performance in order to future implement. This, held by finite element method on a synchronous generator core with NdFeB permanent magnets, resulting in a flux density (1.95 T) for the material with 3h of milling and a torque of only 13% lower compared to conventional generator produced with cores of electric steel sheet.

La construction électrique reposant en grande partie sur l’utilisation des propriétés électromagnétiques du fer et de ses alliages, les concepteurs ont besoin d’une connaissance précise de ces propriétés. Les caractéristiques des matériaux magnétiques doux, typiquement celles de l’acier des roues polaires d'une machine à griffes, peuvent être notablement impactées par les procédés de fabrication. Celles-ci doivent alors être caractérisées directement sur la pièce finale. Dans ce travail, on propose une méthode de mesure non destructive combinant une démarche opératoire et la simulation par éléments finis afin de caractériser la conductivité électrique locale des roues polaires. Afin d’adapter les paramètres expérimentaux à la géométrie de la pièce considérée, et à l’aide d’un diagramme 5M (ou diagramme d'Ishikawa), une démarche d’optimisation de la méthode est entreprise. Puis l’incertitude de mesure est déterminée à l’aide de deux démarches différentes. Cette méthode est ensuite exploitée pour mener une étude sur une population de roues polaires extraites de la chaîne de production. Dans un second temps, la méthode est étendue pour la mesure de perméabilité incrémentale. Des essais sur tôles épaisses ont permis de valider l’approche proposée à l'aide du même type de capteur. Par ailleurs, une étude complémentaire par éléments finis 3D a permis de mettre en évidence les limites de l'approche analytique, notamment lorsque la perméabilité de la plaque et son épaisseur deviennent trop importantes. Finalement, cette méthode est appliquée au cas des roues polaire, dans le cadre d’une approche qualitative, en vue d’une application de type contrôle qualité. / Electrical energy conversion devices are based on the use of electromagnetic properties of iron and its alloys. Therefore, an accurate knowledge of these properties is required for the designers. The characteristics of the soft magnetic materials, typically those of a claw pole rotor, can be significantly impacted by the manufacturing processes. Consequently, these properties must be characterized directly on the manufactured magnetic piece. In this work, a non-destructive measurement method combining an operative approach and the finite element simulation is proposed to characterize the local electrical conductivity of the claw pole rotor. The choice of the experimental parameters associated to the claw pole rotor geometry is optimized using the Ishikawa diagram. Then, the measurement uncertainty is determined using two different approaches. This method is applied to perform a study on a population of claw pole rotors issued from the manufacturing chain. Secondly, the method is extended to incremental permeability measurement. Tests on thick sheets were realized to validate the proposed approach with the same type of sensor. Moreover, a complementary study in 3D finite element has emphasized the limitations of the analytical approach, especially when the permeability of the plate and its thickness become significant. Finally, this method is applied to the case of claw pole rotors through a qualitative approach for a quality control application.