Os aços elétricos apresentam uma enorme relevância para o mundo moderno, pois estão presentes na maioria das máquinas e aparelhos que funcionam a partir de energia elétrica. Existem duas classes de aços elétricos: Os aços elétricos de grão orientado (GO) e os aços elétricos de grão-não-orientado (GNO). Aços elétricos GNO são utilizados em motores elétricos. O rendimento energético dessas máquinas depende da permeabilidade e das perdas magnéticas. Durante a laminação a frio as propriedades magnéticas dos aços se modificam em conseqüência de mudanças estruturais e de textura que acompanham a deformação plástica. A evolução da textura e da microestrutura de deformação do aço elétrico de grão não orientado com 1,25% Si é descrita para graus de deformação entre 10 e 90%. A principal técnica de caracterização empregada foi à difração de elétrons retroespalhados (EBSD), acoplado ao microscópio eletrônico de varredura, que se mostrou bastante eficaz na caracterização da textura e da microestrutura de deformação, mesmo para altas taxas de deformação por laminação a frio. Uma mesma área selecionada também foi analisada, grão a grão, pela técnica de EBSD com vários graus de deformação. A distribuição de deformação na microestrutura em função do nível de deformação foi analisada qualitativamente. Regiões dos contornos de grãos apresentam altos níveis de deformação devido a suas altas densidades de discordâncias. Os grãos não rotacionam uniformemente quando submetidos à deformação. Subestruturas de deformação caracterizadas pela heterogeneidade de cores dentro dos grãos mostram a fragmentação do grão como resultado da operação de diferentes sistemas de deslizamento. Avaliou-se que possíveis efeitos da vizinhança não foram significativos e que orientação inicial do grão pode ser determinante na escolha da trajetória de rotação durante a deformação. / Electric steels are used in most of the machine and equipment using electrical energy. There are two classes of electric steels: Oriented grain electric steel (GO) and non-oriented electric steels (GNO). GNO electric steels are utilized in electrical motors. The energetic yield of these machines depends on magnetic permeability of the steels. This is a consequence of structural and textural changes which results from plastic deformation during manufacturing. Deformation texture and microstructure evolution for Fe-1,25% Si non oriented grain electric steel is presented for deformation levels between 10 and 90%. The main characterization technique utilized was Electron Backscattering Diffraction (EBSD) in a Scanning Electron Microscopy (SEM) which was very efficient in the characterization of deformation microstructure and texture, even for high deformation levels in cold rolling. A selected area was also analyzed, observing individual grains, by EBSD technique with different deformation levels. Grain boundaries show high deformation level due to these high deformation densities. Grains do not rotate uniformly when deformed. Deformation substructures characterized as different colors inside the grains show grain fragmentation due to the activation of different slip system. Possible neighborhood effects were evaluated, but they seemed to be not significant and the initial grain orientation was the main ground for the choice of the rotation trajectory during deformation.

O desenvolvimento de motores e equipamentos elétricos de alta eficiência energética tem representado um desafio para o desenvolvimento tecnológico. Além da criação de novos materiais, a busca pela melhoria nas propriedades daqueles já existentes surge como uma rota para otimização energética de motores elétricos. É nesse contexto que nos últimos anos as pesquisas em aços para aplicações magné-ticas, os aços elétricos, foram retomadas buscando novas rotas e processos de fa-bricação desses materiais aliando a redução de custos com a otimização das propri-edades do material. Com o aumento da produção surge a necessidade de desenvol-ver-se formas de inspeção para o controle de qualidade desses materiais que forne-çam resposta rápida e de baixo custo. Assim, surge como alternativa os métodos eletromagnéticos como ferramenta de inspeção por ensaios não destrutivos. Neste trabalho, buscou-se a otimização das propriedades de aços elétricos variando sua composição química e microestrutura, com o objetivo de estudar a influência nas propriedades magnéticas e, então, a aplicação dos métodos micromagnéticos para a inspeção da microestrutura do material com foco na criação de um método de inspe-ção para controle de qualidade que permita sua implementação durante o processo produtivo, sem a necessidade de extração de material para a detecção de defeitos e, dessa forma, foi possível verificar a viabilidade da ferramenta para esse fim. / The development of highly efficient electrical devices and engines comes up as a challenge for technological development. Summed up to new materials devel-opment, the improvement of material’s properties rises as a route for optimization of electrical machines. In this context, in the last years the researches on electrical steels have been focused on finding new manufacturing routes focused on cost re-duction and achievement of better magnetic properties, in order to waste less energy during work. Increases in steel volume production lead to a need to finding Low cost methods which supply fast results , for quality control and assurance for these mate-rials.. Electromagnetic methods show up as nondestructive tool for this purpose. In this work, several non-oriented electrical steel were prepared , with various micro-structural conditions which caused varying magnetic properties among the samples; micromagnetic methods were used as a tool for non-destructive evaluation of their microstructure and magnetic properties. The inspection aimed at building a model for in-production line quality assurance of this sort of material.

Os efeitos da textura e do tamanho de grão de bobina a quente (BQ) na evolução da textura durante o processamento de aços elétricos semiprocessados foram estudados no presente trabalho. Observou-se que o aumento do tamanho de grão da BQ não é eficiente para obtenção de altas intensidades de componente Goss () após recozimento intermediário quando a bobina a quente apresenta intensidades muito elevadas (em torno de 14 vezes o aleatório) de cubo rodado (). Foi confirmada a hipótese de que ocorre nucleação de grãos com orientação Goss e cubo na face () em bandas de transição de grãos de fibra gama (//DN). Além disso, os resultados sugerem que a textura da BQ é importante para a evolução da textura durante o processo, levando à texturas finais distintas. Observou-se também forte relação entre tamanho de grão inicial (da BQ) e após laminação a frio e recozimento intermediário. Quanto maior o tamanho de grão inicial, maior o tamanho de grão recristalizado. O mesmo comportamento ocorreu durante o recozimento final, etapa em que ocorre migração de contornos induzida por deformação. Quanto maior o tamanho de grão após recozimento intermediário, maior o tamanho de grão após laminação de encruamento e recozimento final. Resultados interessantes foram obtidos a partir de chapas produzidas por solidificação direcional, encontrando-se texturas finais próximas a ideal, principalmente quando se utilizaram laminações a 800ºC. / The grain size and hot band texture effects on the texture evolution during the semi processed electrical steels were studied in this work. The results show that the increase of the hot band grain size is not efficient to obtain high Goss intensities () after intermediate annealing, when the hot band texture presents high intensities (around 14 times random) of rotate cube (). The nucleation of Goss and cube grains () in transition bands of gama fiber grains (<111//DN) was observed. Moreover, the results found in this work suggest that hot band texture is determinant to the texture evolution during the process. Strong influences of hot band grain size in recrystallized grain size after intermediate annealing was found. Samples produced by coarse grains presented high recrystallized grain sizes. The same comportment after temper rolling and final annealing was found, when strain induced boundary migration occurs. Coarse grains after intermediate recrystallization let to high grain sizes after final annealing. Excellent textures for samples produced from directional casting were found, mainly when the sheets were rolled at 800ºC.

Le transformateur est aujourd’hui l’un des convertisseurs statiques les plus utilisé notamment dans la distribution électrique. Les tôles magnétiques servant à la construction de leurs circuits magnétiques sont devenues de plus en plus performantes permettant une réduction des pertes produites. Néanmoins, les tests normalisés permettant de caractériser les tôles magnétiques ne reflètent pas totalement le comportement énergétique du transformateur. De plus, une autre problématique a gagné en importance durant ces dernières années : le bruit acoustique émis. Malheureusement, il n’y pas encore de lien entre la qualité de la tôle à grains orientés choisie pour construire le circuit magnétique et le bruit acoustiques que va produire celui-ci. L’objectif de cette thèse est de répondre à cette double problématique à partir de tests simplifiés. En effet, de nombreux dispositifs expérimentaux et méthodologies ont été développés tels que la méthode des trois cadres, permettant d’étudier la répartition des pertes fer dans le transformateur, les circuits magnétiques décalés, permettant d’étudier les phénomènes à l’origine des bruit acoustique, et des modèles de transformateurs monophasés et triphasés. De plus, des simulations numériques ont été effectuées afin d’approfondir nos analyses des résultats expérimentaux. L’étude des dispositifs ont permis de mettre en évidence trois paramètres relatifs à la qualité des tôles magnétiques, entrainant des différences de répartition d’induction set donc des différences de répartition de pertes fer, d’une part, et de bruit acoustique dans les transformateurs, d’autre part. / The transformer is now a static converter most notably used in electrical distribution. The electrical steel sheet used in the construction of their magnetic circuits have become more efficient to reduce losses occurred. However, standardized tests to characterize the electromagnetic steel do not fully reflect the energy behavior of the transformer. In addition, another issue has gained importance in recent years: the acoustic noise. Unfortunately, there is no link between the quality of grain oriented steel selected to construct the magnetic circuit and acoustic noise that will produce it. The objective of this thesis is to answer this dual problem from simplified test. Indeed, many experimental devices and methodologies have been developed such as the method of three frames, to study the distribution of core losses in the transformer, the magnetic circuits shifted, to study phenomena at the origin of acoustic noise, and models of single and three phase transformers. In addition, numerical simulations were performed to deepen our analysis of the experimental results. The study of the devices have allowed to identify three parameters relating to the quality of grain oriented electrical steel, resulting from differences in the distribution of the flux density and therefore, first, the differences in distribution of core loss and, hand, acoustic noise in transformers.

Le travail présenté porte sur la définition et le développement d’un circuit magnétique pour moteurs à haut rendement de faible et moyenne puissances. Il est réalisé avec des tôles à Grains Orientés (GO) non-segmentées. Des expérimentations réalisées en champ unidirectionnel, destinées à comparer les caractéristiques globales de la structure GO à celles obtenues sur un assemblage classique composé de tôles à grains Non-Orientés (NO), permettent de conclure quant à l’efficacité de l’association proposée en termes de pertes fer. Des investigations au niveau local, accompagnées d’une modélisation numérique, conduisent à une analyse de la répartition interne du flux magnétique dans la structure, permettant de l’optimiser. Cette technique d’assemblage est ensuite testée en champ tournant sur des moteurs statiques. Les performances obtenues, sont de nouveau comparées à celles relevées sur une maquette NO. L’étape finale consiste à tester le principe développé sur des moteurs à induction réalisés avec la configuration GO. Diverses caractéristiques sont relevées ou estimées (norme CEI) et comparées à celles de la machine NO d’origine. L’efficacité de la structure GOse traduit par une réduction notable des pertes fer, notamment statiques, conduisant à accroître sensiblement le rendement global de la machine. / The work presented is focused on the design and development of a magnetic circuit for high efficiency motors of medium and small powers. It is built with non-segmented laminations of Grain Oriented (GO) steel. Experimentations on magnetic circuits excited under unidirectional magnetic field are performed. Such tests aim the comparison of the GO structure global characteristics with those of a classic one composed of Non-Oriented (NO) steel, allowing seeing the superiority of the GO structure in terms of iron losses. Local experimentations, followed by a numerical model, allow the analysis of the local distribution of the magnetic flux within the structure, leading to its optimisation. Such technique of assembly is then tested under rotational magnetic field. In that context, several experimentations are performed and its performance is compared with the one of a NO prototype. The final stage consists in testing the developed structure in induction motors built withthis GO assembly. Several characteristics are measured or estimated (IEC standard) and compared with those obtained on the initial NO motor. The GO structure efficiency leads to a remarkable reduction of the static losses, allowing the increase of the global efficiency of the motor.

Este trabalho discute o efeito do tamanho de grão e sobre o campo coercivo e perdas magnéticas em aços elétricos. Também foi avaliado o efeito da indução máxima sobre o campo coercivo. Partindo-se de chapas de aço elétrico 0,7%Si, extraídas de uma mesma bobina foram obtidos conjuntos de amostras com diferentes tamanhos de grão, na faixa entre 10 a 150m. Os diferentes tamanhos de grão foram medidos por dois métodos distintos: aumento do tamanho de grão por recristalização e aumento do tamanho de grão por crescimento. Sete conjuntos foram laminados, cada conjunto com um determinado grau de laminação, e posteriormente os conjuntos foram recozidos para sofrerem aumento do tamanho de grão por recristalização. Outros três conjuntos foram somente recozidos em tempos e temperaturas distintos e o aumento do tamanho de grão se deu por crescimento. Um conjunto passou por tratamento térmico para alívio das tensões introduzidas no corte. Os tamanhos de grão foram medidos por um método de análise semiautomático envolvendo a medição das áreas dos grãos individualmente e também pelo método dos interceptos. A caracterização magnética foi executada em regime quase estático para as induções máximas de 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4 e 1,5T e a 60Hz para 1,0 e 1,5T. Os resultados mostram uma relação de linearidade entre o campo coercivo e o inverso do tamanho de grão. As perdas histeréticas apresentam crescimento determinado por uma lei de potência com relação à indução máxima. / This work discusses about grain size effect on the coercive field and magnetic losses in electrical steel. Also, it was evaluated the maximum induction effect on the coercive field and hysteresis loss. Starting from 0,7%Si electrical steel sheet sets of samples with different grain sizes in the range between 10 to 150m were obtained. The different grain sizes were obtained by two different methods: grain size increase by recrystallization and grain size increase by grain growth. Seven sets were cold rolled, each set with a cold work degree. Three other sets were only annealed at different times and temperatures and the increase in grain size was characterized by growth. A set underwent heat treatment to relieve the stress brought into cut. The grain sizes were measured by a method of analysis involving semiautomatic measurement of areas of individual grains and also by the method of intercepts. The magnetic characterization was performed under quasi-static regime for the maximum inductions of 0.6, 0.8, 1.0, 1.2, 1.4 and 1.5 T and 60 Hz for 1.0 and 1.5 T. The results show a linear relation between the coercive field and the inverse grain size. Hysteresis losses presented a growth determined by a power law with respect to the maximal induction.

Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans le cadre de l'analyse et la modélisation de la distribution du champ magnétique dans les machines électriques à circuit magnétique feuilleté avec des tôles à grains orientés. L'anisotropie des tôles magnétiques des transformateurs induit des phénomènes 3D complexes au niveau des joints magnétiques où les tôles se chevauchent. Concernant l'augmentation de l'efficacité énergétique des machines tournantes, de nouvelles structures à base de tôles à grains orientés font leur apparition. Néanmoins, simuler finement en 3D un paquet de tôles minces recouvertes d'un isolant de quelques microns d'épaisseur conduit à des temps de calculs très importants.Dans cette optique, nous présentons une méthode d'homogénéisation dont le but est de définir les caractéristiques magnétiques équivalentes d'un empilement quelconque de tôles et d'entrefers. Sa formulation est basée sur la minimisation de l'énergie et la conservation du flux magnétique. Les résultats de cette méthode appliquée à un joint magnétique de transformateur à joints step-lap sont confrontés à des mesures expérimentales et à un modèle élément fini 3D. Ce dernier requiert de connaître les caractéristiques magnétiques des tôles dans les directions de laminage, transverse et normale. La détermination de la perméabilité des tôles dans la direction normale est problématique et constitue un point original de notre étude. Deux méthodes, analytique et numérique, s'appuient sur les mesuresd'un banc de caractérisation en régime statique pour déterminer cette perméabilité normale. / This thesis focuses on the analysis and the modeling the magnetic flux distribution in electrical machines with anisotropic laminated magnetic circuit. The anisotropy of magnetic sheets in transformers induces complex 3D phenomena in step-lap magnetic joints where the sheets are overlapped. Moreover, in order to increase the energy efficiency of rotating machines, new structures based on grain-oriented electrical steel are developed.However, an accurate 3D simulation of a laminated core with thin sheets and insulation of a few microns leads to very large computation time. In this context, we present a homogenization method, which purpose is to define the equivalent magnetic characteristics of any laminated core made of sheets and air gaps. Its formulation is based on the energy minimization and the magnetic flux conservation. The results of this method applied to a step-lap magnetic joint are compared with experimental measurements and a 3D finite element model. The latter requires to know the magnetic characteristics of the sheets in the rolling, transverse and normal directions. The determination of the sheets permeability in the normal direction is problematic and it constitutes an original point of our study.Two methods, analytical and numerical, based on measurements obtained with a static characterization bench makes possible the determination of the normale permeability.

Made available in DSpace on 2016-12-08T17:19:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 0 - Capa.pdf: 49375 bytes, checksum: a82e2fca3ff3a4c1780c4fe39da86057 (MD5) Previous issue date: 2010-07-05 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The TIG welding process (Tungsten Inert Gas), also known as GTAW (Gas Tungsten ArcWelding), is the most commonly used process for welding of thin plates where there is a need for an excellent control of the temperature applied on the piece. This paper presents a study carried out in partnership between the Department of Graduate Studies in Scienceand Materials Engineering and the Department of Industrial Engineering and Stamping of WEG Equipamentos Elétricos S.A Motors Division. It elaborates on the use of the experimental methodology DOE to investigate the influence of TIG welding process parameters, electrical current, welding speed and flow of the shielding gas on the quality of a piece fabricated with silicon electrical steel - ABNT 50F 466M, best known for its 50A 400 specification on the JIS standard. The first step of the study was the designing of the experiment to obtain welded pieces with different combinations of the parameters above mentioned and enable the evaluation of mechanical strength, fillet weld size, hardness and metallographic analysis of the test specimens. The information obtained with analysis of variance techniques (ANOVA) showed that the change in the levels of electrical current and welding speed promotes significant changes in final results. Furthermore, the different rates of gas flow tested caused no differences in response variables of the study. As a result, it was also possible to determine the combinations of these parameters that ensure the required quality and provide increased productivity, energy saving and reduced consumption of the shielding gas. / O processo de soldagem TIG (Tungsten Inert Gas), também conhecido como GTAW (Gas Tungsten Arc Welding), é o processo mais utilizado para a soldagem de chapas finas onde um excelente controle do aporte térmico à peça é necessário. Nesta dissertação é presentado um estudo realizado em parceria entre o Departamento de Pós-Graduação em Ciência e engenharia dos Materiais e os Departamentos de Engenharia Industrial e Estamparia da WEG Equipamentos Elétricos S.A. - Motores. Esse estudo envolveu a utilização da metodologia de delineamento experimental DOE para investigar a influência dos parâmetros do processo de soldagem TIG, corrente elétrica, velocidade de deslocamento da tocha e vazão do gás de proteção, na qualidade de uma peça fabricada com aço elétrico silicioso ABNT 50F 466M, mais conhecido pela classificação 50A 400 da norma JIS. Inicialmente foi elaborado o planejamento do experimento a fim de obter peças soldadas com diferentes combinações dos parâmetros acima mencionados e possibilitar a avaliação da resistência mecânica, dimensão dos cordões de solda, dureza e análise metalográfica dos corpos de prova. Os resultados obtidos, com o auxílio da técnica de análise de variância (ANOVA), mostraram que mudanças nos níveis de corrente e na velocidade de soldagem promoveram alterações significativas nos resultados. Por outro lado, as diferentes taxas de vazão de gás testadas não provocaram diferenças nas variáveis de resposta do estudo. Também foi possível determinar as combinações desses parâmetros que garantem a qualidade requerida e proporcionam aumento de produtividade, economia de energia elétrica e redução no consumo de gás de proteção.

本論文では，鉄損算出精度向上を目的としたプレイモデルによるヒステリシス特性を考慮した磁界解析の実用化に向けて，ヒステリシスモデルのモデリング精度向上，計算機の記憶容量低減，有限要素磁界解析の計算時間削減に関する手法を提案した．さらに，ヒステリシス特性の考慮の有無が解析結果に与える影響を検討し，提案したヒステリシス特性を考慮した有限要素磁界解析の実用性を明らかにした． / In order to achieve the highly accurate analysis of an iron loss for electric machines, this paper proposes finite element magnetic field analyses taking account of the hysteretic property by using the play model. As a consequence, it is verified that the proposed method can accurately estimate an iron loss of a magnetic materials and decrease computational costs. Furthermore, this paper investigates the influence of the hysteretic property in finite element magnetic field analyses to demonstrate its effectiveness. / 博士(工学) / Doctor of Philosophy in Engineering / 同志社大学 / Doshisha University

Les bobinages des machines électriques tournantes actuelles sont, pour la plupart, isolés avec des matériaux issus de la chimie organique. La limite en température des bobinages actuels se situe au-dessous de 240°C. L’augmentation significative de la température de fonctionnement d’une machine permettrait d’envisager, indirectement, une augmentation de la densité de courant dans les conducteurs actifs. Dans ces conditions, ces nouvelles machines peuvent présenter une puissance, tant massique que volumétrique, supérieures à celles exploitées actuellement. De plus, les matériaux magnétiques permettent vraisemblablement de fonctionner jusqu’à 800°C. La limite technologique actuelle pour les machines est clairement l’isolant des conducteurs électriques. Ce sujet de thèse propose de définir une approche théorique couplée à des validations expérimentales pour définir les matériaux les mieux adaptés aux machines hautes températures en termes de mise en œuvre et de performances électriques. La conception, repensée autour du bobinage, sera concrétisée par le calcul d’une machine asynchrone à haute température (400°C au cœur du bobinage). Le bobinage devra être placé au cœur de la démarche de conception des machines en adaptant les formes et les propriétés des circuits magnétiques aux caractéristiques des nouvelles bobines. / The windings that are currently used in electrical machines are mostly insulated based on organic insulation. The temperature limit of these windings is up to 240°C. Increasing the working temperature of electrical motors means, indirectly the increasing of current density on the main conductors. Therefore these new motors may provide a higher mass and volume power as classical machines. Furthermore, the magnetic materials can work up to 800 °C. Indeed, in reality technical limit today is the wire insulation. The objective of thesis is to define a theoretical approach combined with experimental validations for identify the appropriate electrical materials used on high-temperature electrical machines. Design is fixed around the winding, that will implemented by calculating a high-temperature asynchronous machine (400°C of windings). The windings are placed as the base of machine design and will determine the geometrical shape and properties of magnetic core.