无取向电工钢磁性能检验影响因素的研究

柳振方

【关键词】无取向电工钢；磁性能检验；校准；加工应力；重量

磁性能是判定无取向电工钢产品牌号的依据。磁性能测量数据的真实、准确，能够给予电工钢产品正确的评价。随着行业对磁性能检测精度需求越来越高，检测过程中的数据再现性、测试一致性等也引起人们的关注。磁性测量设备包含的交流磁性能测量仪，作为外接使用的爱泼斯坦方圈磁导计以及测磁试样的加工方法都会对磁性检测结果造成一定影响[1]。本文在实验室内通过一系列试验，对无取向电工钢磁性能检验体系中容易忽视的因素进行研究，并针对相关因素提出有效的控制方法。

1 磁性能检验介绍

1.1 磁性能简介

无取向电工钢的磁性能通常包含铁损和磁极化强度两项特性。无取向电工钢的铁损一般包括磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe和反常损耗Pa三个部分。由于反常损耗Pa很难从总损耗中分离出来，所以通常把涡流损耗Pe和反常损耗Pa统称为涡流损耗Pe。磁极化强度，也称磁感应强度，是铁芯单位面积上通过的磁力线数，也称磁通密度，单位为T。在制作电机、变压器时都优先选用磁感应强度高的材料，这样可以降低铁芯激磁电流，减少铁芯的铁损而达到节能的目的。

1.2 磁性能检验方法

磁极化强度和铁损的检验方法有两种，分别是GB/T 3655—2008《用爱泼斯坦方圈测量电工钢片（带）磁性能的方法》和GB/T 13789—2008《用单片测试仪测量电工钢片（带）磁性能的方法》，它们使用的样品尺寸不同，可根据情况选择其中一种。目前国内基本采用爱泼斯坦方圈法，在每卷电工钢带头、带尾取样。样片尺寸应满足GB/T 3655—2008 的要求：宽度方向为30 mm，公差为±0.2 mm；长度方向为280 mm≤l≤320 mm，公差为±0.5 mm，一般检测样品重量约0.5 kg。

爱泼斯坦方圈由初级线圈、次级线圈和作为试样的铁芯组成（见图1），它形成一个空载变压器，试验的钢带用双搭接接头连接成一个正方形，形成长度和横截面积都相等的四束，测试样品的边缘应无明显毛刺[2]。无取向电工钢的检测样品沿钢带的轧制方向和垂直于轧制方向同时取样，即在钢带的纵向和横向取样，片数为纵横向各半。

2 磁性测量设备的影响研究

2.1 标准样品核查

选用与待测无取向电工钢磁性能接近的标准样品进行设备核查，把磁性能测量仪、爱泼斯坦方圈等作为一个整体系统，将标准样品作为输入量，标准样品的检测结果作为输出量，通过标准样品检测结果与其标准值进行比对判定设备的准确性。

采用标准样品的测量来核查设备偏差的方法，只需具有相应的标准样品即可，整个过程操作简单，可以作为磁性能测量设备日常质量控制的手段，但该方法也有比较明显的缺点，对磁性能测量设备的设备误差来源不能确认。因为，采用标准样品来核查设备，一般情况只能实现2～6 个指定测试点的核查，但无取向电工钢的磁性能是非线性的。在测试过程中样品磁化后，磁场强度和磁感应强度都是非正弦的，波形因素会对磁性能测试结果有较大影响。另外，随着新能源汽车用驱动电机对电工钢材料的要求越来越苛刻，电工钢材料不断向低厚度方向发展，所以，强烈需要在中高频甚至超高频下进行磁性能测量，尤其是400 Hz 及以上频率。这就对磁性能测量仪中频率的准确性要求更高。而利用标准样品来核查磁性测量设备是不充分的，无法实现测量频率的核查，只针对特定测量条件有一定效果，所以，标准样品核查方法可以作为日常核查手段。

2.2 磁性测量设备校准

开展设备校准就必须针对各关键部件（励磁电源、频率计和功率表等）进行全面校准，通过对影响数据测量的关键部件的校准核查整个设备系统的不确定度。具有资质的校准机构对磁性能测量过程中各关键部件的输出量进行校准，同时使用标准样品对整个设备系统的一致性、再现性等进行核查评价，并根据评价结果对设备进行调整或校准。

由于磁性测量设备对无取向电工钢磁性能检测结果的准确性有明显影响，实验室在运行过程中应制定磁性测量设备各关键部件的定期校准计划，由具有资质的校准机构进行现场校准，并使用标准样品进行日常的期间核查，通过校准和期间核查来确保磁性测量设备测试的一致性和准确性[3]。

3 加工应力的影响研究

3.1 加工应力的产生

使用爱泼斯坦方圈进行磁性能检测的无取向电工钢样片一般使用剪板机、冲床等机加工设备进行加工，机加工过程中会在加工样片边部产生一定的加工应力，从而导致检测样品磁性能的恶化。

3.2 加工应力影响对比

选取某一牌号无取向电工钢片，分别使用普通剪板机、电工钢专用数控剪板机和中走丝线切割机，在同一位置按照GB/T 3655—2008 中要求的尺寸加工一套30 mm×300 mm的爱泼斯坦方圈试样，进行磁性能试验。试验结果如表1 所示。

对使用电工钢专用数控剪板机加工的样品，测试后再使用同一设备对其样品沿30 mm方向先后进行1/2、1/4 分切，每次重新拼接复原成30 mm宽度樣片，保持其他测试条件不变，进行磁性能试验，试验结果如表2 所示。

通过两组试验结果对比可以得出，采用不同的加工设备，以及多刀分切产生的剪切加工应力都会对测量结果产生影响。断面毛刺只是试样加工质量的基本表征，其本质为不同加工设备在加工过程中造成的弹性变形以及塑性变形的差别。因中走丝线切割机加工的样品毛刺远小于剪切加工产生的毛刺，所以选用中走丝线切割机加工样品的测试数据作为参照对比，而中走丝线切割机不适合目前实验室的批量加工。所以，实验室在加工制备试样时要选用电工钢专用剪切设备，并制定周期性的机加工设备维护计划，减少机加工应力的引入。

4 试样质量偏差的研究

4.1 试样质量与磁性能的关系

在磁性能检验中，要对待检样品进行称重。铁损是单位质量的铁损，因此试样的质量对所测铁损的结果会产生直接的影响。另外，在测量磁感应强度时要用到试样的截面积，试样的截面积由下式计算求得：

由上式可以看出，试样的质量与试样截面积成正比，而试样的截面积与磁感应强度成反比，因此，当试样的质量出现较大误差时，也会对磁感应强度的测量结果产生直接的影响。

4.2 质量偏差的控制

选取某一牌号无取向电工钢片，按照国家标准GB/T 3655—2008 的尺寸要求加工成一套30 mm×300 mm的爱泼斯坦方圈试样，在确保其他测试条件不变的情况下，分别改变试样的设定质量进行测试，测试结果见表3。

从试验结果可以得知，当设定质量大于试样的实际质量时，磁感应强度值就会降低（影响趋势见图2、图3）。在测量铁损时，由于试样的截面积与次级感应电压成正比关系，若设定质量大于实际的试样质量，那么用于计算次级感应电压的截面积就会大于实际的试样的截面积，造成次级电压升高和初级电流的增大，从而导致铁损值的升高。反之，当设定质量小于试样的实际质量时，磁感应强度就会升高，铁损值就会降低。因此，在进行磁性能检验，对试样进行称重前，要检查确认天平是否水平、归零，天平周边是否存在影响称量的其他物品，同时要确定试样实际质量是否采集到测试软件，设定重量与实际质量是否一致。

5 结论

1）利用标准样品来核查磁性测量设备是不充分的，只针对实验室选定的测试点具有一定效果。实验室应制定磁性测量设备各关键部件的定期校准计划，由具有资质的校准机构进行现场校准，并使用标准样品进行日常的期间核查，通过校准和期间核查来确保磁性测量设备测试的一致性和准确性。

2）实验室在针对无取向电工钢样片的加工制备时要选用电工钢专用剪切设备，并制定周期性的机加工设备维护计划，减少机加工应力的引入。

3）在进行磁性能检验前，要确认好试样质量。对试样进行称重时，要检查确认天平是否水平、归零，天平周边无其他影响称量的物品，同时要确定试样实际质量是否采集到测试软件，确保测试时的设定值与天平称量值一致。