無(wú)取向電工鋼磁性能檢驗(yàn)影響因素的研究

柳振方

【關(guān)鍵詞】無(wú)取向電工鋼；磁性能檢驗(yàn)；校準(zhǔn)；加工應(yīng)力；重量

磁性能是判定無(wú)取向電工鋼產(chǎn)品牌號(hào)的依據(jù)。磁性能測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)、準(zhǔn)確，能夠給予電工鋼產(chǎn)品正確的評(píng)價(jià)。隨著行業(yè)對(duì)磁性能檢測(cè)精度需求越來(lái)越高，檢測(cè)過(guò)程中的數(shù)據(jù)再現(xiàn)性、測(cè)試一致性等也引起人們的關(guān)注。磁性測(cè)量設(shè)備包含的交流磁性能測(cè)量?jī)x，作為外接使用的愛(ài)潑斯坦方圈磁導(dǎo)計(jì)以及測(cè)磁試樣的加工方法都會(huì)對(duì)磁性檢測(cè)結(jié)果造成一定影響[1]。本文在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過(guò)一系列試驗(yàn)，對(duì)無(wú)取向電工鋼磁性能檢驗(yàn)體系中容易忽視的因素進(jìn)行研究，并針對(duì)相關(guān)因素提出有效的控制方法。

1 磁性能檢驗(yàn)介紹

1.1 磁性能簡(jiǎn)介

無(wú)取向電工鋼的磁性能通常包含鐵損和磁極化強(qiáng)度兩項(xiàng)特性。無(wú)取向電工鋼的鐵損一般包括磁滯損耗Ph、渦流損耗Pe和反常損耗Pa三個(gè)部分。由于反常損耗Pa很難從總損耗中分離出來(lái)，所以通常把渦流損耗Pe和反常損耗Pa統(tǒng)稱為渦流損耗Pe。磁極化強(qiáng)度，也稱磁感應(yīng)強(qiáng)度，是鐵芯單位面積上通過(guò)的磁力線數(shù)，也稱磁通密度，單位為T。在制作電機(jī)、變壓器時(shí)都優(yōu)先選用磁感應(yīng)強(qiáng)度高的材料，這樣可以降低鐵芯激磁電流，減少鐵芯的鐵損而達(dá)到節(jié)能的目的。

1.2 磁性能檢驗(yàn)方法

磁極化強(qiáng)度和鐵損的檢驗(yàn)方法有兩種，分別是GB/T 3655—2008《用愛(ài)潑斯坦方圈測(cè)量電工鋼片（帶）磁性能的方法》和GB/T 13789—2008《用單片測(cè)試儀測(cè)量電工鋼片（帶）磁性能的方法》，它們使用的樣品尺寸不同，可根據(jù)情況選擇其中一種。目前國(guó)內(nèi)基本采用愛(ài)潑斯坦方圈法，在每卷電工鋼帶頭、帶尾取樣。樣片尺寸應(yīng)滿足GB/T 3655—2008 的要求：寬度方向?yàn)?0 mm，公差為±0.2 mm；長(zhǎng)度方向?yàn)?80 mm≤l≤320 mm，公差為±0.5 mm，一般檢測(cè)樣品重量約0.5 kg。

愛(ài)潑斯坦方圈由初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和作為試樣的鐵芯組成（見(jiàn)圖1），它形成一個(gè)空載變壓器，試驗(yàn)的鋼帶用雙搭接接頭連接成一個(gè)正方形，形成長(zhǎng)度和橫截面積都相等的四束，測(cè)試樣品的邊緣應(yīng)無(wú)明顯毛刺[2]。無(wú)取向電工鋼的檢測(cè)樣品沿鋼帶的軋制方向和垂直于軋制方向同時(shí)取樣，即在鋼帶的縱向和橫向取樣，片數(shù)為縱橫向各半。

2 磁性測(cè)量設(shè)備的影響研究

2.1 標(biāo)準(zhǔn)樣品核查

選用與待測(cè)無(wú)取向電工鋼磁性能接近的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行設(shè)備核查，把磁性能測(cè)量?jī)x、愛(ài)潑斯坦方圈等作為一個(gè)整體系統(tǒng)，將標(biāo)準(zhǔn)樣品作為輸入量，標(biāo)準(zhǔn)樣品的檢測(cè)結(jié)果作為輸出量，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)樣品檢測(cè)結(jié)果與其標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)判定設(shè)備的準(zhǔn)確性。

采用標(biāo)準(zhǔn)樣品的測(cè)量來(lái)核查設(shè)備偏差的方法，只需具有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)樣品即可，整個(gè)過(guò)程操作簡(jiǎn)單，可以作為磁性能測(cè)量設(shè)備日常質(zhì)量控制的手段，但該方法也有比較明顯的缺點(diǎn)，對(duì)磁性能測(cè)量設(shè)備的設(shè)備誤差來(lái)源不能確認(rèn)。因?yàn)椋捎脴?biāo)準(zhǔn)樣品來(lái)核查設(shè)備，一般情況只能實(shí)現(xiàn)2～6 個(gè)指定測(cè)試點(diǎn)的核查，但無(wú)取向電工鋼的磁性能是非線性的。在測(cè)試過(guò)程中樣品磁化后，磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度都是非正弦的，波形因素會(huì)對(duì)磁性能測(cè)試結(jié)果有較大影響。另外，隨著新能源汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)電工鋼材料的要求越來(lái)越苛刻，電工鋼材料不斷向低厚度方向發(fā)展，所以，強(qiáng)烈需要在中高頻甚至超高頻下進(jìn)行磁性能測(cè)量，尤其是400 Hz 及以上頻率。這就對(duì)磁性能測(cè)量?jī)x中頻率的準(zhǔn)確性要求更高。而利用標(biāo)準(zhǔn)樣品來(lái)核查磁性測(cè)量設(shè)備是不充分的，無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)量頻率的核查，只針對(duì)特定測(cè)量條件有一定效果，所以，標(biāo)準(zhǔn)樣品核查方法可以作為日常核查手段。

2.2 磁性測(cè)量設(shè)備校準(zhǔn)

開(kāi)展設(shè)備校準(zhǔn)就必須針對(duì)各關(guān)鍵部件（勵(lì)磁電源、頻率計(jì)和功率表等）進(jìn)行全面校準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)影響數(shù)據(jù)測(cè)量的關(guān)鍵部件的校準(zhǔn)核查整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)的不確定度。具有資質(zhì)的校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)對(duì)磁性能測(cè)量過(guò)程中各關(guān)鍵部件的輸出量進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)樣品對(duì)整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)的一致性、再現(xiàn)性等進(jìn)行核查評(píng)價(jià)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整或校準(zhǔn)。

由于磁性測(cè)量設(shè)備對(duì)無(wú)取向電工鋼磁性能檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性有明顯影響，實(shí)驗(yàn)室在運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)制定磁性測(cè)量設(shè)備各關(guān)鍵部件的定期校準(zhǔn)計(jì)劃，由具有資質(zhì)的校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，并使用標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行日常的期間核查，通過(guò)校準(zhǔn)和期間核查來(lái)確保磁性測(cè)量設(shè)備測(cè)試的一致性和準(zhǔn)確性[3]。

3 加工應(yīng)力的影響研究

3.1 加工應(yīng)力的產(chǎn)生

使用愛(ài)潑斯坦方圈進(jìn)行磁性能檢測(cè)的無(wú)取向電工鋼樣片一般使用剪板機(jī)、沖床等機(jī)加工設(shè)備進(jìn)行加工，機(jī)加工過(guò)程中會(huì)在加工樣片邊部產(chǎn)生一定的加工應(yīng)力，從而導(dǎo)致檢測(cè)樣品磁性能的惡化。

3.2 加工應(yīng)力影響對(duì)比

選取某一牌號(hào)無(wú)取向電工鋼片，分別使用普通剪板機(jī)、電工鋼專用數(shù)控剪板機(jī)和中走絲線切割機(jī)，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的愛(ài)潑斯坦方圈試樣，進(jìn)行磁性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

對(duì)使用電工鋼專用數(shù)控剪板機(jī)加工的樣品，測(cè)試后再使用同一設(shè)備對(duì)其樣品沿30 mm方向先后進(jìn)行1/2、1/4 分切，每次重新拼接復(fù)原成30 mm寬度樣片，保持其他測(cè)試條件不變，進(jìn)行磁性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

通過(guò)兩組試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以得出，采用不同的加工設(shè)備，以及多刀分切產(chǎn)生的剪切加工應(yīng)力都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。斷面毛刺只是試樣加工質(zhì)量的基本表征，其本質(zhì)為不同加工設(shè)備在加工過(guò)程中造成的彈性變形以及塑性變形的差別。因中走絲線切割機(jī)加工的樣品毛刺遠(yuǎn)小于剪切加工產(chǎn)生的毛刺，所以選用中走絲線切割機(jī)加工樣品的測(cè)試數(shù)據(jù)作為參照對(duì)比，而中走絲線切割機(jī)不適合目前實(shí)驗(yàn)室的批量加工。所以，實(shí)驗(yàn)室在加工制備試樣時(shí)要選用電工鋼專用剪切設(shè)備，并制定周期性的機(jī)加工設(shè)備維護(hù)計(jì)劃，減少機(jī)加工應(yīng)力的引入。

4 試樣質(zhì)量偏差的研究

4.1 試樣質(zhì)量與磁性能的關(guān)系

在磁性能檢驗(yàn)中，要對(duì)待檢樣品進(jìn)行稱重。鐵損是單位質(zhì)量的鐵損，因此試樣的質(zhì)量對(duì)所測(cè)鐵損的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生直接的影響。另外，在測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)要用到試樣的截面積，試樣的截面積由下式計(jì)算求得：

由上式可以看出，試樣的質(zhì)量與試樣截面積成正比，而試樣的截面積與磁感應(yīng)強(qiáng)度成反比，因此，當(dāng)試樣的質(zhì)量出現(xiàn)較大誤差時(shí)，也會(huì)對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生直接的影響。

4.2 質(zhì)量偏差的控制

選取某一牌號(hào)無(wú)取向電工鋼片，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3655—2008 的尺寸要求加工成一套30 mm×300 mm的愛(ài)潑斯坦方圈試樣，在確保其他測(cè)試條件不變的情況下，分別改變?cè)嚇拥脑O(shè)定質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

從試驗(yàn)結(jié)果可以得知，當(dāng)設(shè)定質(zhì)量大于試樣的實(shí)際質(zhì)量時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度值就會(huì)降低（影響趨勢(shì)見(jiàn)圖2、圖3）。在測(cè)量鐵損時(shí)，由于試樣的截面積與次級(jí)感應(yīng)電壓成正比關(guān)系，若設(shè)定質(zhì)量大于實(shí)際的試樣質(zhì)量，那么用于計(jì)算次級(jí)感應(yīng)電壓的截面積就會(huì)大于實(shí)際的試樣的截面積，造成次級(jí)電壓升高和初級(jí)電流的增大，從而導(dǎo)致鐵損值的升高。反之，當(dāng)設(shè)定質(zhì)量小于試樣的實(shí)際質(zhì)量時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度就會(huì)升高，鐵損值就會(huì)降低。因此，在進(jìn)行磁性能檢驗(yàn)，對(duì)試樣進(jìn)行稱重前，要檢查確認(rèn)天平是否水平、歸零，天平周邊是否存在影響稱量的其他物品，同時(shí)要確定試樣實(shí)際質(zhì)量是否采集到測(cè)試軟件，設(shè)定重量與實(shí)際質(zhì)量是否一致。

5 結(jié)論

1）利用標(biāo)準(zhǔn)樣品來(lái)核查磁性測(cè)量設(shè)備是不充分的，只針對(duì)實(shí)驗(yàn)室選定的測(cè)試點(diǎn)具有一定效果。實(shí)驗(yàn)室應(yīng)制定磁性測(cè)量設(shè)備各關(guān)鍵部件的定期校準(zhǔn)計(jì)劃，由具有資質(zhì)的校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，并使用標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行日常的期間核查，通過(guò)校準(zhǔn)和期間核查來(lái)確保磁性測(cè)量設(shè)備測(cè)試的一致性和準(zhǔn)確性。

2）實(shí)驗(yàn)室在針對(duì)無(wú)取向電工鋼樣片的加工制備時(shí)要選用電工鋼專用剪切設(shè)備，并制定周期性的機(jī)加工設(shè)備維護(hù)計(jì)劃，減少機(jī)加工應(yīng)力的引入。

3）在進(jìn)行磁性能檢驗(yàn)前，要確認(rèn)好試樣質(zhì)量。對(duì)試樣進(jìn)行稱重時(shí)，要檢查確認(rèn)天平是否水平、歸零，天平周邊無(wú)其他影響稱量的物品，同時(shí)要確定試樣實(shí)際質(zhì)量是否采集到測(cè)試軟件，確保測(cè)試時(shí)的設(shè)定值與天平稱量值一致。