柳振方

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

磁性能是判定無取向電工鋼產(chǎn)品牌號的依據(jù)。磁性能測量數(shù)據(jù)的真實、準(zhǔn)確，能夠給予電工鋼產(chǎn)品正確的評價。隨著行業(yè)對磁性能檢測精度需求越來越高，檢測過程中的數(shù)據(jù)再現(xiàn)性、測試一致性等也引起人們的關(guān)注。磁性測量設(shè)備包含的交流磁性能測量儀，作為外接使用的愛潑斯坦方圈磁導(dǎo)計以及測磁試樣的加工方法都會對磁性檢測結(jié)果造成一定影響[1]。本文在實驗室內(nèi)通過一系列試驗，對無取向電工鋼磁性能檢驗體系中容易忽視的因素進(jìn)行研究，并針對相關(guān)因素提出有效的控制方法。

1 磁性能檢驗介紹

1.1 磁性能簡介

無取向電工鋼的磁性能通常包含鐵損和磁極化強度兩項特性。無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三個部分。由于反常損耗Pa很難從總損耗中分離出來，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。磁極化強度，也稱磁感應(yīng)強度，是鐵芯單位面積上通過的磁力線數(shù)，也稱磁通密度，單位為T。在制作電機、變壓器時都優(yōu)先選用磁感應(yīng)強度高的材料，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 磁性能檢驗方法

磁極化強度和鐵損的檢驗方法有兩種，分別是GB/T 3655—2008《用愛潑斯坦方圈測量電工鋼片（帶）磁性能的方法》和GB/T 13789—2008《用單片測試儀測量電工鋼片（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。目前國內(nèi)基本采用愛潑斯坦方圈法，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：寬度方向為30 mm，公差為±0.2 mm；長度方向為280 mm≤l≤320 mm，公差為±0.5 mm，一般檢測樣品重量約0.5 kg。

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

2 磁性測量設(shè)備的影響研究

2.1 標(biāo)準(zhǔn)樣品核查

選用與待測無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，把磁性能測量儀、愛潑斯坦方圈等作為一個整體系統(tǒng)，將標(biāo)準(zhǔn)樣品作為輸入量，標(biāo)準(zhǔn)樣品的檢測結(jié)果作為輸出量，通過標(biāo)準(zhǔn)樣品檢測結(jié)果與其標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對判定設(shè)備的準(zhǔn)確性。

采用標(biāo)準(zhǔn)樣品的測量來核查設(shè)備偏差的方法，只需具有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)樣品即可，整個過程操作簡單，可以作為磁性能測量設(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，對磁性能測量設(shè)備的設(shè)備誤差來源不能確認(rèn)。因為，采用標(biāo)準(zhǔn)樣品來核查設(shè)備，一般情況只能實現(xiàn)2～6 個指定測試點的核查，但無取向電工鋼的磁性能是非線性的。在測試過程中樣品磁化后，磁場強度和磁感應(yīng)強度都是非正弦的，波形因素會對磁性能測試結(jié)果有較大影響。另外，隨著新能源汽車用驅(qū)動電機對電工鋼材料的要求越來越苛刻，電工鋼材料不斷向低厚度方向發(fā)展，所以，強烈需要在中高頻甚至超高頻下進(jìn)行磁性能測量，尤其是400 Hz 及以上頻率。這就對磁性能測量儀中頻率的準(zhǔn)確性要求更高。而利用標(biāo)準(zhǔn)樣品來核查磁性測量設(shè)備是不充分的，無法實現(xiàn)測量頻率的核查，只針對特定測量條件有一定效果，所以，標(biāo)準(zhǔn)樣品核查方法可以作為日常核查手段。

2.2 磁性測量設(shè)備校準(zhǔn)

開展設(shè)備校準(zhǔn)就必須針對各關(guān)鍵部件（勵磁電源、頻率計和功率表等）進(jìn)行全面校準(zhǔn)，通過對影響數(shù)據(jù)測量的關(guān)鍵部件的校準(zhǔn)核查整個設(shè)備系統(tǒng)的不確定度。具有資質(zhì)的校準(zhǔn)機構(gòu)對磁性能測量過程中各關(guān)鍵部件的輸出量進(jìn)行校準(zhǔn)，同時使用標(biāo)準(zhǔn)樣品對整個設(shè)備系統(tǒng)的一致性、再現(xiàn)性等進(jìn)行核查評價，并根據(jù)評價結(jié)果對設(shè)備進(jìn)行調(diào)整或校準(zhǔn)。

由于磁性測量設(shè)備對無取向電工鋼磁性能檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性有明顯影響，實驗室在運行過程中應(yīng)制定磁性測量設(shè)備各關(guān)鍵部件的定期校準(zhǔn)計劃，由具有資質(zhì)的校準(zhǔn)機構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)，并使用標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行日常的期間核查，通過校準(zhǔn)和期間核查來確保磁性測量設(shè)備測試的一致性和準(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

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

3.2 加工應(yīng)力影響對比

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

對使用電工鋼專用數(shù)控剪板機加工的樣品，測試后再使用同一設(shè)備對其樣品沿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，保持其他測試條件不變，進(jìn)行磁性能試驗，試驗結(jié)果如表2 所示。

通過兩組試驗結(jié)果對比可以得出，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)力都會對測量結(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加工樣品的測試數(shù)據(jù)作為參照對比，而中走絲線切割機不適合目前實驗室的批量加工。所以，實驗室在加工制備試樣時要選用電工鋼專用剪切設(shè)備，并制定周期性的機加工設(shè)備維護(hù)計劃，減少機加工應(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

在磁性能檢驗中，要對待檢樣品進(jìn)行稱重。鐵損是單位質(zhì)量的鐵損，因此試樣的質(zhì)量對所測鐵損的結(jié)果會產(chǎn)生直接的影響。另外，在測量磁感應(yīng)強度時要用到試樣的截面積，試樣的截面積由下式計算求得：

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)強度成反比，因此，當(dāng)試樣的質(zhì)量出現(xiàn)較大誤差時，也會對磁感應(yīng)強度的測量結(jié)果產(chǎn)生直接的影響。

4.2 質(zhì)量偏差的控制

選取某一牌號無取向電工鋼片，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3655—2008 的尺寸要求加工成一套30 mm×300 mm的愛潑斯坦方圈試樣，在確保其他測試條件不變的情況下，分別改變試樣的設(shè)定質(zhì)量進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表3。

從試驗結(jié)果可以得知，當(dāng)設(shè)定質(zhì)量大于試樣的實際質(zhì)量時，磁感應(yīng)強度值就會降低（影響趨勢見圖2、圖3）。在測量鐵損時，由于試樣的截面積與次級感應(yīng)電壓成正比關(guān)系，若設(shè)定質(zhì)量大于實際的試樣質(zhì)量，那么用于計算次級感應(yīng)電壓的截面積就會大于實際的試樣的截面積，造成次級電壓升高和初級電流的增大，從而導(dǎo)致鐵損值的升高。反之，當(dāng)設(shè)定質(zhì)量小于試樣的實際質(zhì)量時，磁感應(yīng)強度就會升高，鐵損值就會降低。因此，在進(jìn)行磁性能檢驗，對試樣進(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，同時要確定試樣實際質(zhì)量是否采集到測試軟件，設(shè)定重量與實際質(zhì)量是否一致。

5 結(jié)論

1）利用標(biāo)準(zhǔn)樣品來核查磁性測量設(shè)備是不充分的，只針對實驗室選定的測試點具有一定效果。實驗室應(yīng)制定磁性測量設(shè)備各關(guān)鍵部件的定期校準(zhǔn)計劃，由具有資質(zhì)的校準(zhǔn)機構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)，并使用標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行日常的期間核查，通過校準(zhǔn)和期間核查來確保磁性測量設(shè)備測試的一致性和準(zhǔn)確性。

2）實驗室在針對無取向電工鋼樣片的加工制備時要選用電工鋼專用剪切設(shè)備，并制定周期性的機加工設(shè)備維護(hù)計劃，減少機加工應(yīng)力的引入。

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