剪切应力对电工钢板铁损和磁通密度分布影响的研究

摘 要:本文论述了剪切对全工艺型高导率磁率无取向电工钢的铁损、定位磁通分布和B～H曲线的影响。把一张钢板剪切成窄条，铁损增加30%，并明显改B～H特性。当磁化电流的频率为400Hz时，剪切引起的磁通分布的变化较磁化电流的频率为50Hz时要小。

剪切电工钢板时产生的剪切应力引起机械应变，从而恶化钢板的磁性。其一，当平行于一钢板的剪切边磁化时，在剪边区域测量的磁通密度要小于试样中心区的磁通密度。通过研究剪切前后磁通密度分布的变化就可推导出磁性的恶化，这样就可得出剪切应力对无取向电工钢叠片损耗和磁通分布造成影响的定量证据。Carlberg[1]的早期工作提出，估计会使窄条剪边1mm宽区域的磁性恶化。Schmidt[2]测量了1%Si-Fe的铁损和导磁率，鉴别出剪边硬化区域宽度为0.35mm，发现了一“专门的剪边长度”100m/kg（试样单位质量的剪边长度）内，其铁损增加了30～40%，相应地磁感降低约70%。Nakata[3]等人指出，无取向硅钢板因剪切引起的性能恶化从切口延伸至10mm以上，恶化特别明显的是距剪边5mm以内区域。

在本文中，300mm×100mm的无取向电工钢板在单片测试仪中测试磁性能。牌号为400～50AP（P应为5，这是BS6404的牌号表示方法——译者注）（P15/50典型值为3.7W/kg），用一台剪切机在控制状态下剪切机在控制状态下剪切0.48mm厚的试样，试样逐次剪切成两条（2×50mm），4条（4×25mm）和最后剪切成8条(8×12.5mm)。在剪切加工成2、4或8条的每一次剪切后（总宽度100mm），试样在图1所示的系统中测试。单片测试仪（SST）由单片试样、励磁装置、二次线圈和U型磁轭组成。
缠绕10mm宽试样的10匝线圈中的感应电压用于控制和维持正弦磁通密度。定位磁感、铁损和磁场强度分别在磁密0.2～1.5T、50Hz和磁密0.2～0.9T、400Hz下测量。用直径0.15mm的漆包铜线绕成的2匝线圈穿过直径为0.3mm的试样孔（相邻孔的距离在孔径内而使应力减至最小）[4]。通过分流电阻器上的电压（比例于H）和10匝线圈上感应电压（比例于dB/dt）反馈到电子功率表上测量铁损。用分流方法测量磁场强度。定位探测线圈（图2）上感应的平均电压用于测量分析因剪切而变化的磁通密度。用精度0.02mm的游标卡尺测量每对探测孔之间的距离。各个线圈长度从1.30mm（R1）变化至8.38mm（L4）。

图3表示剪切前后定位磁通密度的分布，发现磁通在0.2～1.5T和50Hz时有极其相似的趋势。第3次剪切后由于应力增加（剪边数增加），所有位置的磁密均趋于增加。最小线圈L1和R1上检测出的磁密最小，即使在剪切前如此，这表示探测线圈孔周围的应力较文献[4]中所述要大些，或者有大的测量误差。第一次剪切使R1区域的磁密减少到几乎为0（这是因为此区域接近剪边），进而要降低其导磁率。进行随后的剪切后，磁通回到R1区域，而接近其他切边区域的渗透性要小些。图4表明的是在0.9T、400Hz时测量的磁通分布。在0.2到0.9T整个磁密度范围内，发现剪切前后再次有相同的趋势（受测量系统的限制，在400Hz得到的最大磁密限制在0.9T）。在50Hz和400Hz，剪切前后均有相同的趋势。但是，在每一探测线圈测量的磁密的平均增加值在50Hz时为0.22T，在400Hz时为0.18T。这些测量点磁密的增加是由于切边处导磁率的降低。虽然不清楚在较高磁密是否发生相同趋势，但似乎在0.2～0.9T范围内50Hz较400Hz更明显些。

图5和图6表示在剪切的不同阶段铁损随磁密的变化，试样剪切成8条后，在0.9T和50、400Hz铁损增加大约30%，这表明两次剪切后有明显的坏影响。钻孔（放探测线圈）后铁损增加5%以上，这证明它们在较大范围内产生了应力。50Hz时的B～H曲线随着试样宽度减小而恶化，如图7所示。在400Hz时发现B～H曲线有类似的恶化现象。在100mm宽的试样上两次钻孔不会对B～H曲线有任何可测量的影响。

为了确定材料的每次切边恶化的宽度，试图用类似于磁通分布的方法。实验数据和理论预测之间的最早相关证明，如同文献[3]所预测的恶化区域大于10mm和随着晶粒尺寸而变化[5、6]。定位磁通密度的精确测量需采用一种改进技术，即必须变更预测接近切边的磁性逐渐破坏的理论模型。