研究背景
各种规格的旋转电机通常使用钢片制造。要正确确定机器的尺寸，就必须充分了解叠片的磁性能。这些特性（如BH曲线和铁损）会影响机器的性能参数，如空载电流和效率。
经验表明，无论机器的大小/类型如何，在正确估算铁损和空载电流方面始终存在一定程度的不确定性。在某些情况下，虽然在某些最常用的运行点上可以减少这种差异，但在机器运行条件的其余范围内，不确定性依然存在。
层压板制造厂采用的测试条件与层压板在机器中的测试条件截然不同。例如，目录数据只适用于正弦磁通密度条件下的某些频率。
另一方面，运行中的机器可能会受到由多种频率组成的激励，因此波形也不是正弦波。对20°C至220°C的温度变化进行了讨论，结果表明，随着温度的升高，磁导率在磁化曲线膝部之前的感应水平都会增加，而损耗密度在所有感应水平都会降低。
本研究旨在将频率研究扩展至10kHz。波形和温度研究将留待今后的工作中进行。
机械制造工艺的影响
层压板有不同的切割方法。目录数据反映的是铡刀切割造成的损失，而机器制造过程中常见的切割工艺是冲孔。对于原型和特殊机器，首选切割方法是激光切割。有关这些切割技术的报告，如断头台、冲、激光切割和光腐蚀显示，层压板的磁性能确实对切割方法很敏感。
这些切割技术之间的比较表明，在60Hz和1.5T条件下，切割方法导致的损耗和磁导率变化可分别高达10%和20%。据报道，激光切割是最差的工艺，冲孔是最好的，而断头台则介于两者之间。
然而，研究结果表明，冲压与断头台切割样品相比，冲孔会导致损耗增加20-30%，并且主要由于滞后损耗，渗透率会发生高达30%的变化。
机器中堆叠的定子和转子叠片总是经过压制，甚至可能在边缘进行焊接。这两种工艺都会影响叠片的磁特性。
在所有磁通密度水平下，这两种工艺都会导致铁损增加，而磁导率的变化只能在BH曲线的膝点处出现。目前的工作也在研究这些过程。目的是找到在设计阶段将这些影响因素模拟为与目录值的差异的方法。
退火（加热到高温）有时是为了减轻铁的应力，从而减少铁的损耗。退火工艺可使损耗降低50%，并使测试过的层压样品的磁导率变化3倍。但据报道，成品电机的损耗只降低了15%。这种通常在定子重绕操作过程中进行的工艺并未涉及。
在机器中使用时，层压性能预测的不确定性可归因于以下因素：铁磁性物理模型的局限性。
层压板制造商现场的测试条件（用于得出目录数据）与层压板在机器中的运行条件（如温度、磁通密度波形、励磁等）之间存在差异。
用于获取目录数据的层压材料堆栈（在层压材料制造商现场）与机器上使用的样品之间的尺寸和方向差异层压板的冲压、焊接和压制等电机制造工艺导致层压板的磁性（和机械）性能下降。实际交付的层压板性能的差异。
对可变磁化钢材损耗进行正确建模的问题由来已久。为此，已报道的方法包括谐波求和法、经典（磁滞和涡流）损耗分离法的变体、经典加异常/过剩损耗法等。
钢层压板
钢材等级的划分是根据EN10106标准进行的。损耗和极化也在2.5kA/m、5kA/m和10kA/m的磁场强度水平下进行检查。
损耗证书提供通过爱泼斯坦框架测试测得的每个线圈的损耗，并随货提供。定义这些测量值的相关标准是IEC60404-2和IEC60404-10。根据这些标准，应使用标准的25厘米爱泼斯坦框架进行测量。
因此，每个线圈都要根据相关的欧洲/美国标准进行测量，并在交付前进行分类。测试结果的准确性通过测试的可重复性来衡量，规定了根据诱导和频率水平需要遵守的标准偏差（1.5%-5%）。
也可以使用标准爱泼斯坦框架以外的其他几何形状进行测试。一些线圈供应商也会在线圈全长相距1米的位置对每个线圈进行测量。为此，不需要制作特殊的测试样本，而是使用所谓的在线测试仪对线圈进行测量。
这种在线损耗测试并非所有层叠线圈供应商的标准程序。在线测量值通常只在内部使用，因为它们并不遵循任何推荐标准。
在线圈制造厂，也有可能使用单个带材测试仪（带材尺寸与爱泼斯坦框架测量中使用的尺寸相同）和/或片材测试仪进行单独测试。这些测量主要用于研究目的。
研究研究了两种无取向钢材牌号。其中一种是标准牌号M400-50A，另一种是定义为M680-50A的非标准牌号。M400-50A是一种0.5毫米厚的层压板，最大损耗为4W/kg。这项研究涵盖了约1400个线圈，这些线圈是为这两种所需的等级所下的订单而交付的。
大部分测量都是使用爱泼斯坦框架进行的。使用了三种不同的25厘米爱泼斯坦框架：低频框架（5-200赫兹）、中频框架（100-1000赫兹）和高频框架（1-10千赫）。
PMS3000提供了精度规格。其精度接近标准实验室所达到的精度，并满足相关测量的国家和国际标准要求。此外，还对电机叠片和L形分段进行了测试。
交付的线圈
电工钢以不同宽度和长度的线圈形式交付给电机制造商，一般重量约为20吨。
在这次比较中，对上述两个等级各20个线圈进行了研究，以比较与交付线圈相关的各种损耗数据。在表I中，平均损耗值（在线线圈测试的平均值）与损耗证书（爱泼斯坦测试）以及最大和典型目录数据进行了比较。
从表I中可以看出，损耗证书数据略高于线圈的平均损耗值，而典型目录数据略低于线圈的平均损耗值。还可以看出，用于M680-50A分级的线圈的等级更高，可能是M530-50A。此外，我们还可以看到，使用最大目录值会导致高估约16%的损耗。
平均损耗值和爱泼斯坦测试值之间的差异是由于：几何形状的差异；层压材料的方向以及在线测试中使用的校准系数。
爱泼斯坦测试可能会得出更高的受测材料损耗值，这是由于边缘处的额外涡流损耗、样品的断头台切割、在爱泼斯坦测量中使用垂直于轧制方向切割的样品，以及爱泼斯坦样品取自线圈的末端区域，而这些区域的损耗通常略高。
还必须记住的是，在线测试是在实际线圈上进行的，而其他损耗值则是在从这些线圈端部切割下来的带材上进行的爱泼斯坦框架测量测试。
表II将作为M400-50A和M680-50A材料交付的约1400个线圈的平均爱泼斯坦测试结果与典型目录数据和最大目录数据进行了比较。表二还提供了测量的爱泼斯坦测试结果的标准偏差。可以看出，订购材料从未超过最大目录损耗值。
此外，M400-50A的交付线圈比订购的线圈好5%左右，而M680-50A的这一数字约为10%。损耗数字的标准偏差为5-10%。由于过程控制相对不严格，低等级质量的损耗值较高。
我们还发现，以M400-50A形式交付的卷材可以使用两种不同的钢种（M400-50A和更好的钢种）进行生产，而以M680-50A形式交付的卷材则可以使用多种不同的标准钢种进行生产。
对随机抽取的属于两个销售等级的20个线圈的连续损耗值进行了检查。平均而言，两个等级的相对标准偏差分别为：M400-50A0.87%，M680-50A1.1%。
这些数字给出了围绕平均值的预期变化。因此，可以说数据点都紧紧围绕着平均损耗值（从连续线圈损耗中获得）。因此，平均损耗值更能代表线圈损耗。
各向异性
电气设备中使用的层压板在平行或垂直方向上具有不同的磁性。这些样品叠放在一起，一半的样品条在滚动方向上，另一半在横向方向上。仅对平行切割方向和垂直切割方向的样品进行了测试。
结果发现，平行切割方向样品的感应峰值高于垂直切割方向的样品。在BH曲线的膝盖处之后，差异逐渐减小。
数据（一半平行一半垂直的样品）位于这两条曲线之间。垂直切割组的样品损耗最大。从上图可以看出，损耗差异随着极化程度和频率的增加而减小。
表III汇总了50赫兹的结果。可以看出，较好等级（即M400-50A）的差异更为显著。加工过程增加了材料的各向异性，降低了损耗。
对于较小的设备（不超过1兆瓦），电机层压件通常是从线圈上冲压而成的单件。因此，平均而言，如果叠片样品在制造过程中发生移动，切割方向应该不会有太大影响。样品的这种逐步旋转不应导致电机铁芯的磁对称。
对于大型设备（>1MW），电机叠片由多个径向段组成。在这种情况下，用户可以灵活选择背面和齿的层叠方向。通常，在设计良好的机器中，齿部的磁通密度最高。因此，如上图所示，切段时，齿的方向应平行于轧制方向，而背面区域的方向应垂直于轧制方向。
切割长度
尺寸差异通常用一种称为切削长度的属性来解释，切削长度是被测样品边缘长度的总和。研究横向尺寸敏感性的方法是改变试样的宽度。测试时，没有使用标准的30毫米宽条带，而是使用两根15毫米宽的条带和三根10毫米宽的条带并排堆叠，以占据可用的30毫米横向空间。
这样，重量大致相同的试样的切割长度大约增加了2或3倍。由于实际原因，使用了12个条带（而不是16个）。结果发现，当切割长度增加或横向尺寸减小时，损耗会增加。
上图显示了当尺寸减小3倍时M400-50A磁导率的下降情况。
上图显示了1T时的损耗变化。随着频率和感应的增加，损耗并没有随着切割长度的增加而增加。这表明受影响最大的是磁滞损耗。不过，在50赫兹和相关感应水平（1.2-1.6T）下，损耗的增加非常明显，必须在设计时加以考虑。
向尺寸敏感性需要在设计工具中实现。这可以通过分别比较齿边和背边长度的总和与标准爱泼斯坦测试样本的边长，并使用类似上图所提供的曲线来实现。这种影响对齿的影响最大，因为在齿上，磁通量被迫利用所有可用空间（包括边缘），从而使横向尺寸成为一个敏感参数。
切割技术
激光切割通常用于具有不常用的电机层叠布局的原型机或特殊机器。激光切割会对电工钢的磁性能造成永久性破坏，因为边缘会承受非常高的温度。
为了研究激光切割对磁性能的影响，对10毫米宽和15毫米宽的带材进行了激光切割。具有相同尺寸和材料的带材也是通过断头台切割而成，并用作参考。由于实际原因，使用了12条（而不是16条）。测试材料为M680-50A。
上图显示了15毫米情况下的损耗变化。与断头台切割相比，激光切割的损耗在低感应水平时较高，但在高感应水平时较低。从图中可以看出，激光切割只在中低感应水平时才会受到关注。这不是大多数机器的主要工作区域。因此，对于所有实际情况，在设计阶段无需考虑层压损失对激光切割的敏感性。
冲孔工艺会导致层压材料的应力水平升高，这意味着铁损耗增加。首先通过爱泼斯坦试验研究了冲压的影响。带材是从大型机器定子层压板的定子齿上切割下来的。在其中一种情况下，带材边缘的一部分是冲孔边缘，而在另一种情况下，完整的边缘是用断头台切割的。
这两种样品均取自同一层压卷材。我们研究了M270-50A和M400-50A两种材料，它们都有10毫米和15毫米宽的带材。M270-50A的冲压样品对应的是磨损的工具，即需要按照标准工厂程序进行修磨（刷新）的工具。
M400-50A的打孔样品对应的是非常锋利的刀具，即刚刚按照标准工厂程序重新打磨过的刀具。结果发现，在20-100Hz的测试区域内，M270-50A的打孔样品比纯铡刀切割样品的损耗高。
对于M400-50A，在相同的测试区域，冲孔样品的损耗比纯铡切样品低0-1%。这些结果是对15毫米样品的测试结果。在10毫米的情况下，差异又增加了0.5-1%。冲孔样品的实际冲孔长度最多只能达到总切割长度的25%。因此，对于100%的冲孔边缘比较，这些差异可能会增加4倍。
研究总结
我们探讨了导致层压磁性能偏离目录值的不同因素。结果表明，各种电机制造工艺、横向样品尺寸和样品方向确实会影响磁性能的变化。
