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Electromagnetic evaluation and quantification of welding process for packaging of electrical steel sheets
2025
Dissertation, RWTH Aachen University, 2025
Genehmigende Fakultät
Fak06
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-05-22
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Energietechnik (frei) ; Kraftwerktechnik (frei) ; Lamination packaging (frei) ; Technik/Wärmetechnik (frei) ; electrical steel (frei) ; electromagnetic characterization and simulation (frei) ; welding process (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3
Kurzfassung
Um einen mechanisch stabilen magnetischen Kern für elektromagnetische Energieumwandler wie elektrische Wechselstrommaschinen und Transformatoren zu gewährleisten, ist es wichtig, dass die Elektrobleche sicher miteinander paketiert worden sind. Das Schweißverfahren ist heute eine der am häufigsten genutzten Paketierungstechnologien. Dies liegt an der einfachen Integration in den Herstellungsprozess. Das komplexe Zusammenspiel zwischen thermischer Degradation und der Verschlechterung der elektromagnetischen Eigenschaften geschweißter Kerne erfordert eine Charakterisierung des Einflusses der Schweißpaketierung auf die elektromagnetischen Eigenschaften von nicht kornorientiertem (NO) Elektroblech, mit dem Ziel, ein lokal variierendes Materialmodell zu entwickeln. Die Untersuchungen des Einflusses der Prozessparameter der Schweißpaketierung auf die elektromagnetischen Eigenschaften der paketierten Eisenkerne zeigen die Vorteile des Einsatzes von Lasern mit niedriger Leistung, um die Verschlechterungseffekte der Schweißpaketierung zu minimieren. Es wurde beobachtet, dass mit zunehmender Laserleistung eine allgemeine Abnahme der Magnetisierbarkeit (relativer Permeabilität) und eine Zunahme des spezifischen Eisenverlusts auftreten, was auf den Rückgang des Temperaturgradienten zurückzuführen ist. Eine Erhöhung der Laser Fokuslage führte zu weniger Verschlechterung, da sie die Eindringtiefe der thermischen Energie (wärmebeeinträchtigte Zone) durch ihre Wirkung auf den resultierenden Temperaturgradienten reduziert. Ein höherer Arbeitsdruck wirkt sich positiv auf die Verringerung der elektromagnetischen Verschlechterung aus, indem er die Eindringtiefe der Energie reduziert. Insgesamt hängt der Einfluss dieses Drucks jedoch von der Bildung von Schweißdefekten ab, die durch hohe Energiedichten entstehen. Weiterhin zeigte die Analyse verschiedener Laser-Topologien, dass Hochleistungslaser mit größerem Faser-Durchmesser, die zu einer niedrigeren Leistungsdichte führen, eine geringere Verschlechterung der elektromagnetischen Eigenschaften der schweißpaketierten Eisenkerne im Vergleich zu Lasern mit kleineren Faser-Durchmessern bewirken. Dies ist teilweise auf die verringerte effektive Wärmebeeinträchtigung (Eindringtiefe) und die geringere Wahrscheinlichkeit der Bildung von Schweißdefekten aufgrund der reduzierten thermischen Energiedichte zurückzuführen. Die Quantifizierung des Einflusses der aufgebrachten Eigenspannung mittels verschiedener elektromagnetischer Charakterisierungsmethoden zeigt, dass eine niedrige Spannung die elektromagnetischen Eigenschaften durch die Verringerung des Widerstands gegen die Domänenwandbewegung verbessert, da die Spannung die freie Energie der Domäne beeinflusst. Mit zunehmender Spannung wird jedoch eine stärkere Verschlechterung der warmbehandelten Proben beobachtet. Das Verschlechterungsverhalten der bei unterschiedlichen Temperaturen warmbehandelten Proben ist frequenzabhängig, was auf die Beziehung zwischen der erhöhten Korngröße und den verschiedenen Komponenten des Eisenverlusts zurückzuführen ist. Abschließend bestätigt die festgestellte Vorteilhaftigkeit der Verwendung niedriger Laserleistung, einer erhöhten (positiven oder negativen) Laserfokuslage und eines optimalen Arbeitsdrucks die zweite Hypothese dieser Arbeit: Durch die Modifikation der Laser-Schweißparameter kann die Eigenspannung (interne Spannung) und die durchschnittliche Korngröße reduziert werden, was die Verschlechterung der elektromagnetischen Eigenschaften durch die Schweißpaketierung verringert. Die Charakterisierung der warmbehandelten Proben zeigt, dass die Auswirkungen der Eigenspannungen aufgrund von Temperaturänderungen größer sind als die Einflüsse der erhöhten Korngröße auf die elektromagnetischen Eigenschaften des Materials. Dies zeigt sich in den charakterisierten Verschlechterungen bei niedrigen Frequenzen, die auf die Villari-Effekte zurückzuführen sind, welche zu Verschlechterungen führt. Damit wird die erste Hypothese dieser Arbeit bestätigt: Die Effekte mikrostruktureller und residualer Spannungsänderungen auf die Magnetisierung und den Eisenverlust von Elektroblechen können quantifiziert werden. Zur Analyse und Bewertung des Einflusses der Schweißpaketierung mittels Simulation wurde ein lokal variierendes Materialmodell entwickelt, das die Veränderungen der elektromagnetischen Eigenschaften des geschweißten Eisenkerns aufgrund mikrostruktureller Degradation berücksichtigt. Es bildet die lokalen Variationen in den elektromagnetischen Eigenschaften (makroskopisch) ab, die durch Paketierungseffekte verursacht werden, in Verbindung mit den Veränderungen in Mikrostruktur und Eigenspannung (mikroskopisch). Die simulierten Ergebnisse zeigen eine generelle Abnahme der Magnetisierbarkeit und eine Zunahme des spezifischen Eisenverlusts des Eisenkerns durch erhöhte Eigenspannungen (verringerte Domänenwandbeweglichkeit), die mit der Schweißpaketierung verbunden sind. Die verringerte Beweglichkeit ist auf die blockierten Bewegungen der Domänenwände durch Gitterfehlstellen (erhöhte Eigenspannung) an den Korngrenzen zurückzuführen, die durch die Domänenrestrukturierung zur Minimierung der magnetischen freien Energie verursacht wird. Obwohl die Gesamtauswirkung des Schweißens auf die Excess-Verlustkomponenten im Allgemeinen positiv ist, da sie die Glätte der Domänenwände erhöht, führen Zunahmen der nichtlinearen Verluste zu einer Verschlechterung der Domänenform, was die Domänenbeweglichkeit im Sättigungsbereich behindert. Die Simulationsergebnisse bestätigen somit auch die dritte Arbeitshypothese: Eine Kombination aus experimentellen Tests und Simulationen ermöglicht eine getrennte Betrachtung der Auswirkungen der Schweißpaketierung auf die elektromagnetischen Eigenschaften des paketierten Eisenkerns.In order to ensure a mechanically stable magnetic core for electromagnetic energy converters such as electrical ac machines and transformers, it is essential that the electrical steel sheets are securely packaged together. The welding process is one of the most utilized packaging technologies nowadays. This is due to the ease of its integration into the manufacturing process. The complex interaction between the thermal degradation and the deterioration of the electromagnetic properties of welded cores necessitates the need to characterize the influence of weld-packaging on the electromagnetic properties of non-oriented (NO) electrical steel lamination with the view of developing a locally varying material model. The study on the impact of weld-packaging process parameters on the electromagnetic properties of packaged cores highlights the benefits of using low powered lasers to minimize the deterioration effect of weld-packaging. This is because, a general decrease in the magnetizability (relative permeability) and increase in specific iron loss is observed with increasing laser power due to decreases in temperature gradient. An increase in the laser focal position resulted in less deterioration, as it reduces the depth of thermal energy penetration (heat affected zone) through its impact on the resulting temperature gradient. Higher working pressure is observed to affect the electromagnetic property deterioration positively (reduction) through its impact on the reduction of the energy penetration depth. However, its overall influence on electromagnetic deterioration is dependent on the formation of weld defects resulting from the high energy densities. Furthermore, the analysis of the impact of different laser topologies revealed that high powered lasers with increased fibre diameter, leading to low power density, resulted in less deterioration of the electromagnetic properties of the weld-packaged cores in comparison to lasers with low fibre diameters. This is attributed in part to the reduced effective heat affected zone (penetration depth), resulting in low residual stress accruing from the low temperature gradient of the process, and partly due to decreased possibility of the weld defects formation because of the reduced thermal energy density. The quantification of the impact of applied stress using a series of electromagnetic characterization methods shows, that whereas, an improvement effect of low stress on the electromagnetic properties due to the reduced resistances to domain wall mobility resulting from the effect of stress on the free energy of the domain is seen, increased deterioration of the annealed samples is observed with increasing stress value. The deterioration behavior of the samples annealed at different temperatures is seen to be frequency dependent. This is because of the relationship between the increased average grain size and the different iron loss components. Conclusively, the determined advantage of using low laser power, increased (positive or negative) laser focal position and a determined optimal working pressure on the degradation effect of weld-packaging on the electromagnetic properties due to lower temperature gradient associated with the parameters validates the second hypothesis of this work, which states that a reduction in residual (internal) stresses and average grain size can be achieved with the modification of the laser welding process parameters. Characterization of the annealed samples shows that the effects of residual stress due to temperature changes are higher than the influences of increased grain size on the electromagnetic properties of the material. This is seen in the characterized deteriorations at low frequencies, which is due to Villari-reversal that leads to deteriorations. This validates the first hypothesis of this work, which states that the effects of micro-structural and residual stress changes on the magnetization and iron loss of electrical steel material can be quantified. In order to analyze and assess the impact of weld-packaging using simulation, a locally varying material model that accounts for the changes in the electromagnetic properties of the welded core due to the micro-structural degradation is developed. It maps the local variations in electromagnetic properties (macroscopic) caused by packaging effects with the changes in micro-structure and residual stress (microscopic). The simulated results show an overall decrease in the magnetizability and increase in specific iron loss of the core due to increased residual stress (reduced domain wall mobility) associated with weld-packaging. The reduced mobility is due to the obstructed domain wall movements resulting from the domain dislocations (increased residual stress) around the grain boundaries because of the domain restructuring aimed at minimizing the magnetic free energy. Although the overall impact of welding on excess loss components is generally positive due to increased domain wall smoothness, the increases in non-linear loss are due to increased domain shape deterioration, which hinders domain mobility at saturation results. The simulation results also verify the third working hypothesis, that a combination of experimental tests and simulations enables a separate consideration of the impacts of weld-packaging on the electromagnetic properties of the core.
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT031256429
Interne Identnummern
RWTH-2025-06772
Datensatz-ID: 1016145
Beteiligte Länder
Germany
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