研究背景
各種規格的旋轉電機通常使用鋼片製造。要正確確定機器的尺寸，就必須充分了解疊片的磁性能。這些特性（如BH曲線和鐵損）會影響機器的性能參數，如空載電流和效率。
經驗表明，無論機器的大小/類型如何，在正確估算鐵損和空載電流方面始終存在一定程度的不確定性。在某些情況下，雖然在某些最常用的運行點上可以減少這種差異，但在機器運行條件的其餘範圍內，不確定性依然存在。
層壓板製造廠採用的測試條件與層壓板在機器中的測試條件截然不同。例如，目錄數據只適用於正弦磁通密度條件下的某些頻率。
另一方面，運行中的機器可能會受到由多種頻率組成的激勵，因此波形也不是正弦波。對20°C至220°C的溫度變化進行了討論，結果表明，隨着溫度的升高，磁導率在磁化曲線膝部之前的感應水平都會增加，而損耗密度在所有感應水平都會降低。
本研究旨在將頻率研究擴展至10kHz。波形和溫度研究將留待今後的工作中進行。
機械製造工藝的影響
層壓板有不同的切割方法。目錄數據反映的是鍘刀切割造成的損失，而機器製造過程中常見的切割工藝是沖孔。對於原型和特殊機器，首選切割方法是激光切割。有關這些切割技術的報告，如斷頭台、沖、激光切割和光腐蝕顯示，層壓板的磁性能確實對切割方法很敏感。
這些切割技術之間的比較表明，在60Hz和1.5T條件下，切割方法導致的損耗和磁導率變化可分別高達10%和20%。據報道，激光切割是最差的工藝，沖孔是最好的，而斷頭台則介於兩者之間。
然而，研究結果表明，衝壓與斷頭台切割樣品相比，沖孔會導致損耗增加20-30%，並且主要由於滯後損耗，滲透率會發生高達30%的變化。
機器中堆疊的定子和轉子疊片總是經過壓制，甚至可能在邊緣進行焊接。這兩種工藝都會影響疊片的磁特性。
在所有磁通密度水平下，這兩種工藝都會導致鐵損增加，而磁導率的變化只能在BH曲線的膝點處出現。目前的工作也在研究這些過程。目的是找到在設計階段將這些影響因素模擬為與目錄值的差異的方法。
退火（加熱到高溫）有時是為了減輕鐵的應力，從而減少鐵的損耗。退火工藝可使損耗降低50%，並使測試過的層壓樣品的磁導率變化3倍。但據報道，成品電機的損耗只降低了15%。這種通常在定子重繞操作過程中進行的工藝並未涉及。
在機器中使用時，層壓性能預測的不確定性可歸因於以下因素：鐵磁性物理模型的局限性。
層壓板製造商現場的測試條件（用於得出目錄數據）與層壓板在機器中的運行條件（如溫度、磁通密度波形、勵磁等）之間存在差異。
用於獲取目錄數據的層壓材料堆棧（在層壓材料製造商現場）與機器上使用的樣品之間的尺寸和方向差異層壓板的衝壓、焊接和壓制等電機製造工藝導致層壓板的磁性（和機械）性能下降。實際交付的層壓板性能的差異。
對可變磁化鋼材損耗進行正確建模的問題由來已久。為此，已報道的方法包括諧波求和法、經典（磁滯和渦流）損耗分離法的變體、經典加異常/過剩損耗法等。
鋼層壓板
鋼材等級的劃分是根據EN10106標準進行的。損耗和極化也在2.5kA/m、5kA/m和10kA/m的磁場強度水平下進行檢查。
損耗證書提供通過愛潑斯坦框架測試測得的每個線圈的損耗，並隨貨提供。定義這些測量值的相關標準是IEC60404-2和IEC60404-10。根據這些標準，應使用標準的25厘米愛潑斯坦框架進行測量。
因此，每個線圈都要根據相關的歐洲/美國標準進行測量，並在交付前進行分類。測試結果的準確性通過測試的可重複性來衡量，規定了根據誘導和頻率水平需要遵守的標準偏差（1.5%-5%）。
也可以使用標準愛潑斯坦框架以外的其他幾何形狀進行測試。一些線圈供應商也會在線圈全長相距1米的位置對每個線圈進行測量。為此，不需要製作特殊的測試樣本，而是使用所謂的在線測試儀對線圈進行測量。
這種在線損耗測試並非所有層疊線圈供應商的標準程序。在線測量值通常只在內部使用，因為它們並不遵循任何推薦標準。
在線圈製造廠，也有可能使用單個帶材測試儀（帶材尺寸與愛潑斯坦框架測量中使用的尺寸相同）和/或片材測試儀進行單獨測試。這些測量主要用於研究目的。
研究研究了兩種無取向鋼材牌號。其中一種是標準牌號M400-50A，另一種是定義為M680-50A的非標準牌號。M400-50A是一種0.5毫米厚的層壓板，最大損耗為4W/kg。這項研究涵蓋了約1400個線圈，這些線圈是為這兩種所需的等級所下的訂單而交付的。
大部分測量都是使用愛潑斯坦框架進行的。使用了三種不同的25厘米愛潑斯坦框架：低頻框架（5-200赫茲）、中頻框架（100-1000赫茲）和高頻框架（1-10千赫）。
PMS3000提供了精度規格。其精度接近標準實驗室所達到的精度，並滿足相關測量的國家和國際標準要求。此外，還對電機疊片和L形分段進行了測試。
交付的線圈
電工鋼以不同寬度和長度的線圈形式交付給電機製造商，一般重量約為20噸。
在這次比較中，對上述兩個等級各20個線圈進行了研究，以比較與交付線圈相關的各種損耗數據。在表I中，平均損耗值（在線線圈測試的平均值）與損耗證書（愛潑斯坦測試）以及最大和典型目錄數據進行了比較。
從表I中可以看出，損耗證書數據略高於線圈的平均損耗值，而典型目錄數據略低於線圈的平均損耗值。還可以看出，用於M680-50A分級的線圈的等級更高，可能是M530-50A。此外，我們還可以看到，使用最大目錄值會導致高估約16%的損耗。
平均損耗值和愛潑斯坦測試值之間的差異是由於：幾何形狀的差異；層壓材料的方向以及在線測試中使用的校準係數。
愛潑斯坦測試可能會得出更高的受測材料損耗值，這是由於邊緣處的額外渦流損耗、樣品的斷頭台切割、在愛潑斯坦測量中使用垂直於軋制方向切割的樣品，以及愛潑斯坦樣品取自線圈的末端區域，而這些區域的損耗通常略高。
還必須記住的是，在線測試是在實際線圈上進行的，而其他損耗值則是在從這些線圈端部切割下來的帶材上進行的愛潑斯坦框架測量測試。
表II將作為M400-50A和M680-50A材料交付的約1400個線圈的平均愛潑斯坦測試結果與典型目錄數據和最大目錄數據進行了比較。表二還提供了測量的愛潑斯坦測試結果的標準偏差。可以看出，訂購材料從未超過最大目錄損耗值。
此外，M400-50A的交付線圈比訂購的線圈好5%左右，而M680-50A的這一數字約為10%。損耗數字的標準偏差為5-10%。由於過程控制相對不嚴格，低等級質量的損耗值較高。
我們還發現，以M400-50A形式交付的卷材可以使用兩種不同的鋼種（M400-50A和更好的鋼種）進行生產，而以M680-50A形式交付的卷材則可以使用多種不同的標準鋼種進行生產。
對隨機抽取的屬於兩個銷售等級的20個線圈的連續損耗值進行了檢查。平均而言，兩個等級的相對標準偏差分別為：M400-50A0.87%，M680-50A1.1%。
這些數字給出了圍繞平均值的預期變化。因此，可以說數據點都緊緊圍繞着平均損耗值（從連續線圈損耗中獲得）。因此，平均損耗值更能代表線圈損耗。
各向異性
電氣設備中使用的層壓板在平行或垂直方向上具有不同的磁性。這些樣品疊放在一起，一半的樣品條在滾動方向上，另一半在橫向方向上。僅對平行切割方向和垂直切割方向的樣品進行了測試。
結果發現，平行切割方向樣品的感應峰值高於垂直切割方向的樣品。在BH曲線的膝蓋處之後，差異逐漸減小。
數據（一半平行一半垂直的樣品）位於這兩條曲線之間。垂直切割組的樣品損耗最大。從上圖可以看出，損耗差異隨着極化程度和頻率的增加而減小。
表III匯總了50赫茲的結果。可以看出，較好等級（即M400-50A）的差異更為顯著。加工過程增加了材料的各向異性，降低了損耗。
對於較小的設備（不超過1兆瓦），電機層壓件通常是從線圈上衝壓而成的單件。因此，平均而言，如果疊片樣品在製造過程中發生移動，切割方嚮應該不會有太大影響。樣品的這種逐步旋轉不應導致電機鐵芯的磁對稱。
對於大型設備（>1MW），電機疊片由多個徑向段組成。在這種情況下，用戶可以靈活選擇背面和齒的層疊方向。通常，在設計良好的機器中，齒部的磁通密度最高。因此，如上圖所示，切段時，齒的方嚮應平行於軋制方向，而背面區域的方嚮應垂直於軋制方向。
切割長度
尺寸差異通常用一種稱為切削長度的屬性來解釋，切削長度是被測樣品邊緣長度的總和。研究橫向尺寸敏感性的方法是改變試樣的寬度。測試時，沒有使用標準的30毫米寬條帶，而是使用兩根15毫米寬的條帶和三根10毫米寬的條帶並排堆疊，以佔據可用的30毫米橫向空間。
這樣，重量大致相同的試樣的切割長度大約增加了2或3倍。由於實際原因，使用了12個條帶（而不是16個）。結果發現，當切割長度增加或橫向尺寸減小時，損耗會增加。
上圖顯示了當尺寸減小3倍時M400-50A磁導率的下降情況。
上圖顯示了1T時的損耗變化。隨着頻率和感應的增加，損耗並沒有隨着切割長度的增加而增加。這表明受影響最大的是磁滯損耗。不過，在50赫茲和相關感應水平（1.2-1.6T）下，損耗的增加非常明顯，必須在設計時加以考慮。
向尺寸敏感性需要在設計工具中實現。這可以通過分別比較齒邊和背邊長度的總和與標準愛潑斯坦測試樣本的邊長，並使用類似上圖所提供的曲線來實現。這種影響對齒的影響最大，因為在齒上，磁通量被迫利用所有可用空間（包括邊緣），從而使橫向尺寸成為一個敏感參數。
切割技術
激光切割通常用於具有不常用的電機層疊布局的原型機或特殊機器。激光切割會對電工鋼的磁性能造成永久性破壞，因為邊緣會承受非常高的溫度。
為了研究激光切割對磁性能的影響，對10毫米寬和15毫米寬的帶材進行了激光切割。具有相同尺寸和材料的帶材也是通過斷頭台切割而成，並用作參考。由於實際原因，使用了12條（而不是16條）。測試材料為M680-50A。
上圖顯示了15毫米情況下的損耗變化。與斷頭台切割相比，激光切割的損耗在低感應水平時較高，但在高感應水平時較低。從圖中可以看出，激光切割只在中低感應水平時才會受到關注。這不是大多數機器的主要工作區域。因此，對於所有實際情況，在設計階段無需考慮層壓損失對激光切割的敏感性。
沖孔工藝會導致層壓材料的應力水平升高，這意味着鐵損耗增加。首先通過愛潑斯坦試驗研究了衝壓的影響。帶材是從大型機器定子層壓板的定子齒上切割下來的。在其中一種情況下，帶材邊緣的一部分是沖孔邊緣，而在另一種情況下，完整的邊緣是用斷頭台切割的。
這兩種樣品均取自同一層壓卷材。我們研究了M270-50A和M400-50A兩種材料，它們都有10毫米和15毫米寬的帶材。M270-50A的衝壓樣品對應的是磨損的工具，即需要按照標準工廠程序進行修磨（刷新）的工具。
M400-50A的打孔樣品對應的是非常鋒利的刀具，即剛剛按照標準工廠程序重新打磨過的刀具。結果發現，在20-100Hz的測試區域內，M270-50A的打孔樣品比純鍘刀切割樣品的損耗高。
對於M400-50A，在相同的測試區域，沖孔樣品的損耗比純鍘切樣品低0-1%。這些結果是對15毫米樣品的測試結果。在10毫米的情況下，差異又增加了0.5-1%。沖孔樣品的實際沖孔長度最多只能達到總切割長度的25%。因此，對於100%的沖孔邊緣比較，這些差異可能會增加4倍。
研究總結
我們探討了導致層壓磁性能偏離目錄值的不同因素。結果表明，各種電機製造工藝、橫向樣品尺寸和樣品方向確實會影響磁性能的變化。
