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Submitted on 1 Jan 1997
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Quantification de l’aimantation locale dans les tôles de Fe-Si a grains non-orientés : application à l’étude de
l’impact des contraintes extérieures
Sandrine Defoug
To cite this version:
Sandrine Defoug. Quantification de l’aimantation locale dans les tôles de Fe-Si a grains non-orientés : application à l’étude de l’impact des contraintes extérieures. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1997, 7 (4), pp.803-808. �10.1051/jp3:1997155�. �jpa-00249613�
Quantification de l'aimantation locale dans [es t61es de Fe-Si h grains non.orientds : application h l'dtude de l'impact des
contraintes extdrieures
Sandrine Defoug
Groupe MatAriaux MagnAtiques SUPkLEC-Service klectrotechnique et klectromque Industrielle, Plateau de Moulon, 91192 Gif-sur-Yvette Cedex, France
(llequ le 24 mat 1996, rAvisA le 20 dAcembre 1996, acceptA le 9 janvier 1997)
PACS.75.50.Bb Fe and its alloys
PACS.75.60.Ch Domain walls and domain structure
PACS 75.80 +q Magnetomechanical and magnetoelectric effects, magnetostriction
R4sumd. Afin d'Atudier physiquement l'influence des interventions mAcaniques sur les per- formances magnAtiques des t61es de fer-silicium h grains non-orientAs, un banc expArimental de
visuahsation des domaines rnagnAtiques et une mAthodologie de quantification de l'aimantation
locale, facile h mettre en oauvre, ont AtA dAveloppAs Leur utihsation lors de l'Atude d'une t61e soumise h une traction prouve, par la diversitA des rAactions de l'aimantation locale, la richesse d'une telle Atude systArnatique.
Abstract. In order to study the physical influence of the mechanical actions on the magnetic performances on non-oriented silicon-iron sheets, an experimental bench to visualize magnetic domains and a quantitative methodology to determine easily the local magnetization have been developed. Their use, in the case of a sheet under stress prove, by the diversity of the local
magnetization, the great interest of such a systematic study
1. Introduction
Les mesures des pertes fer eflectuAes sur (es machines tournantes montrent que, mAme en rAgime
sinusoidal, elles sont beaucoup plus importantes que celles donnAes par le constructeur de t61es.
Cet (cart provient, principalement, des causes suivantes
la g40m4trie du circuit magn4tique, en particulier la pr4sence des encoches, gAnAre des distorsions de l'induction locale
(es actions mAcaniques d'assemblage des t61es dons un moteur (poinjonnage, serrage, -.-) dAgradent leur qualitAs magnAtiques-
Ces deux causes sont Atroitement (ides, la gAomAtrie du circuit magnAtique dAterminant
(es actions mAcaniques h accomphr et la dAgradation des performances se rApercutant sur
l'induction locale. De nombreuses Atudes macroscopiquis [1,2j, dans le cas du transformateur,
ont portA sur le rapport (appelA facteur de construction) entre (es pertes du systAme assemblA et celles de la t61e seule. Des Atudes par AlAments finis [3j ont complAtA partiellement l'Atude de
l'influence des distorsions locales. Si des relations entre le stress et le processus d'aimantation
globale ont pu Atre 4tablies [4j, (es explications au niveau des domaines magndtiques restent h d4velopper.
© Les kditions de Physique 1997
804 JOURNAL DE PHYSIQUE III N°4
systdme de visualisation
source lumineuse
prisme
polariseur
objectlf
dchantillon
Fig I SchAma de principe du montage [Scheme of principle of the experimental bench
L'approche que nous proposons est de nature causale, dons le sens off nous nous eflorcerons de comprendre (es ph4nomAnes physiques mis en jeu- Dans notre cas, il s'agit d'apprAhender
l'influence des interventions m4caniques sur l'aimantation locale. II nous faudra donc visualiser (es domaines dons (es t61es des moteurs (tAles de fer-silicium h grains Non-Orient4s N-O-), puis
41aborer une m4thodologie de connaissance de l'aimantation locale et enfin (valuer l'impact des contraintes m4caniques sur cette aimantation locale.
2. Visualisation des domaines magndtiques sur les t61es N.O.
L'4tude bibliographique a recens4 une seule approche [5] de visualisation des domaines magnA- tiques sur (es t61es de fer-silicium h grains Non-OrientAs (N-O.) utilis4es, gAndralement, dans (es machines Alectriques tournantes mais cette Atude n'a pas dAbouchA sur des images satis- faisantes. En eflet, des sp4cialistes [6] pr4voyaient de fortes diflicult4s h la visualisation des domaines sur ce type de t61es.
La m4thode de visualisation choisie se base sur l'eflet Kerr magn4to-optique- Le principe de l'eflet Kerr magn4to-optique r4side dans la variation de la polarisation d'une lumiAre r4fldchie par un mat4riau magn4tique par rapport h la polarisation incidente en fonction de l'aimantation
pr4sente au point de r4flexion. Cette variation de la polarisation est d4tectAe par la mise en
place d'un analyseur sur le trajet optique du rayon r4fl4chi, d'une cam4ra C-C-D- et si, le contraste est faible, d'une carte d'acquisition et de traitement d'images.
Le boric exp4rimental mis en ceuvre (Fig- I) est constituA d'une source de lumiAre blanche,
d'un microscope polarisant, d'une cari4ra C-C-D-, d'un moniteur de contr61e
et d'une carte
d'acquisition et de traitement d'images- Des volets microm4triques ont 4t4 instal14s au niveau du diaphragme d'ouverture afin de pouvoir maitrisei le plan et l'angle d'incidence des rayons
lumineux.
L'Alimination des caractAres non-magndtiques par la soustraction d'une image prise h sa- turation ne fournit pas de contraste satisfaisant [6,ii L'utilisation d'un moyennage d'images acquises sous l'action d'un champ sinusoidal d'excitation [8,9] de la t61e ayant mAme p4riode
que la p4riode de trarne de la cam4ra permet de s'aflranchir de ces ph4nomAnes parasites.
L'image ainsi obtenue pr4sente une aimantation moyennde nulle car tout le cycle d'hyst4r4sis
«
Fig- 2- Exernples d'irnages obtenues h partir d'une image de rAfArence rnoyennAe (taille d'une image : 200 ~rn x 200 ~rn).
[Images obtained with a magnetically averaged reference picture (size of an image: 200 ~rn x 200 ~m)
est d4crit pendant l'acquisition. On qualifie une telle image "d'image de r4f4rence moyenn4e magn4tiquement"
L'utilisation d'une telle image de r4fArence a permis de visualiser, pour la premiAre fois sur le Fe-Si N-D-, (es domaines magn4tiques comme le montre la figure 2.
3. M4thodologie quantitative
Une m4thodologie de d4termination de la direction de l'aimantation dans (es divers domaines consistant h acqu4rir 2 images de la mAme zone de l'Achantillon, sans modifier l'excitation de la t61e, pour 2 positions difl4rentes du polariseur et de l'analyseur, a 4tA d4velopp4e auparavant
par Hubert, Schlfer and Rave [6]. Cette m4thode a 4t4 test4e avec succAs sur des mat4riaux
h fort contraste magn4tique. Bien qu'intdressante, cette mAthode se heurte aux phAnomAnes
parasites lids, principalement, h la nAcessitA de saturer le matAriau ii, lo, llj.
Ainsi, nous avons AtA amends h dAvelopper une autre mAthodologie [12j, de caractAre gAnAral
et qui soit beaucoup plus aisde h mettre en ceuvre. Nous avons choisi la position de l'Achantillon
comme paramAtre expdrimental h faire varier entre (es prises. Dans la configuration expArimen-
tale choisie, la mesure du niveau de gris sur 2 images, h la mAme excitation, acquises h l'aide d'une image de r4fArence moyennAe magnAtiquement, diflArant par la position de l'4chantillon permet de calculer simplement l'angle a entre la direction de l'aimantation et l'axe longitudinal de la t61e par
mT AnT+ -AnT-
tga = = =
mL AnL, AnL
ok AnL, AnT+ et AnT- sont (es mesures des variations de niveaux de gris sur (es images
respectivement longitudinale (L) et transverses (T+ et T-). La mise en ceuvre de cette ml-
thodologie n4cessite que la rotation de l'Achantillon soit centrAe, tart du point de vue optique,
que pour le traitement d'images. Toutefois, ces centrages n'Atant jamais exacts, un ajustement
par translation numArique d'une des images pivotAe s'avAre indispensable.
Nous avons vArifi4 que (es 2 positions transverses T+ et T- fournissaient des images idefi-
tiques en forme et comp14mentaires en valeur de niveiux de gris. La m4thodologie propos4e
a aussi AtA validAe sur des exemples connus de configurations magn4tiques comme dans le cas de la figure 3 ok l'erreur d'estimation des parois est inf4rieure h 3,5°. Au centre de l'image,
l'aimantation pivote l4gArement, sans doute h cause de la prAsence de 2 rayures qui g4nArent
un stress local.
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Fig 3. a) Images acquises (taille d'une image 200 ~m x 200 ~m). b) Exemple d'estimation de l'aimantation locale par la mAthodologie dAveloppAe
[a) Acquired images (size of an image: 200 ~m x 200 ~m). b) Example of estimation of the local magnetization by the developed methodology.]
'~1~ ~~°
~~'
~'~k
- ',, .1
, f/
4 /
i~~
)©S
<
t ,
~~ '
~~~ > '
position T+
vot4e par d'image
Fig. 4. - a)
la) mages mplex structure. b) Calculated directions of the magnetization (a).]
Elle a ensuite permis la connaissance de la direction de l'aimantation sur des structures que (es raisonnements physiques classiques ne parviennent pas h expliquer, comme dans le cas de la figure 4. En eflet, on peut remarquer qu'une seule paroi est h 90° (en haut, h droite), une
seule h 180°, toutes (es autres semblent violer le principe de conservation du flux.
D'autres configurations complexes ont pu Atre rAvAlAes. L'exphcation de la direction calculAe de l'aimantation dans (es divers domaines peut s'expliquer, entre autres, par l'existence de
structures internes qui referment le flux en volume comme dans le cas simplifi4 de la figure 5.
Par son caractAre g4n4ral et simple h mettre en ceuvre, cette m4thodologie pourrait tout h fait Atre exploit4e sur tous (es types de matAriaux magn4tiques doux (c'est-h-dire ayant une
composante polaire nAgligeable).
4. Application : 4tude de l'impacj des contraintes extdrieures sur l'aimantation locale [13j
Un essai d'application de cette mAthodologie h l'Atude des modifications magnAtiques induites
par la mise en ceuvre dans une machine Alectrique toumante a AtA rAalis4. Parmi toutes (es
contraintes subies par la t61e lors de l'assemblage, nous avons choisi la contrainte de traction
Fig. 5. SchAma simplifiA de sous-structures internes.
[Simplified scheme of internal sub-structures.]
II /
a) b) c) d)
Fig 6 -a) Configuration initiale (structures secondaires importantes) b) Effet d'une lAgAre contrainte (les structures secondaires diminuent). c) Effet d'une contrainte plus importante (environ
10 N, structures secondaires peu importantes). d) ktat relhchA (les structures secondaires rAapparais-
sent)
la) Initial configuration (with many secondary structures) b) Influence of an slight stress (secondary
structures reduce) c) Influence of a more important stress (about 10 N, few secondary structures).
d) Released state (secondary structures reappear)
comme composante AlAmentaire des actions m4caniques subies. Pour ce type de travail, notre
mAthodologie a 4t4 utilis4e comme outil de quantification pratique et fiable.
Les 4tudes quantitatives eflectu4es h l'aide de notre boric exp4rimental et de notre algorithme
ont mis en 4vidence plusieurs exemples caractAristiques de modification de l'aimantation locale due h l'eflet de la traction, telles la rotation gAn4rale de la structure magn4tique, l'ancrage
des parois, l'augmentation du nombre des domaines, la rAduction des structures secondaires, l'4volution des sous-structures internes.
Nous avons arbitrairement choisi de pr4senter le ph4nomAne de r4duction des structures
secondaires (Fig. 6). Lorsqu'on r4pAte plusieurs fois cette action de traction, sur le mAme grain,
(es structures observ4es ne sont pas identiques, (es ph4nomAnes physiques locaux 4tant non-
r4p4titifs. Toutefois, on constate que le type de r4action de modification de l'aimantation locale
sous l'eflet d'une contrainte ext4rieure prAsente des aspects similaires. Ainsi pour ce grain,
sous l'eflet du stress, le nombre de domaines principaux s'accroit tandis que (es structures secondaires ont tendance h disparaitre, ce qui est sons doute do h une r40rganisation des
structures magndtiques internes.
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La diQersit4 des r4actions de l'aimantation locale sous l'impact de la contrainte de traction
t4moigne de la richesse qu'est susceptible d'oflrir une 4tude syst4matique statistique, se ba- sant sur la m4thodologie propos4e, de recherche de corr41ations entre (es diverses contraintes
apphqu4es au mat4riau et la d4formation des domaines magn4tiques engendrAe.
5. Conclusion
La mise en ceuvre d'un banc expArimental h eflet Kerr et la mAthodologie quantitative dAve-
loppAe ont permis d'amorcer l'Atude de l'influence des contraintes extArieures sur (es propriAtAs magnAtiques des t61es utilisAes couramment dans (es moteurs Alectriques. Pour ce type de travail, l'Atude rAalisAe propose dAsormais un outil de quantification de magnAtisation locale, pratique et fiable applicable h l'Atude d4taillAe des actions mAcaniques sur l'organisation de la t61e en domaines magnAtiques.
I long terme,
ce type de recherche permettra peut-Atre l'optimisation des proc#dAs de mise en forme du matAriau afin de minimiser le facteur de construction et donc (es pertes magn4tiques
des moteurs.
Remerciements
J'adresse ma reconnaissance h M. Kaczmarek, responsable du groupe Mat4riaux MagnAtiques
pour son aide prAcieuse. Je tiens 4galement h remercier la D-R-E-T- qui a financ4 en grande partie cette 4tude.
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