基于铁损分离方法对工业非取向电工钢等温时效过程的解析：实验研究与建模

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Interpretation of the isothermal aging of industrial non-oriented electrical steels based on the iron loss separation approach: Experimental study and modeling

本研究分析了等温磁老化对商业无取向铁硅电力铁芯铁损的影响，通过实验和铁损分离模型建立了时间相关的预测模型，揭示了微观沉淀机制与铁损增大的关联。

　　

摘要

本研究探讨了磁老化对商用非定向（NO）铁硅（FeSi）电工钢（ES）性能的影响。磁老化是指电工钢磁性能的不可逆退化（例如铁损耗的增加），这是由于这些钢材长时间暴露在高温环境下，导致第二相颗粒（即碳化铁）的析出。为了研究这一现象，我们进行了实验性的等温老化研究，并通过分析建模来开发老化效应的预测模型。样品首先在180°C的温度下进行等温老化处理，总老化时间为300小时。实验结果显示铁损耗增加，这一增加通过老化指数进行了量化，并随时间和频率以及感应峰值进行了分析。这些发现基于铁损耗分离方法进行了解释，从而更深入地理解了导致损耗的物理现象。实验结果为后续的建模工作奠定了坚实的基础，最终提出了一个依赖于老化时间的铁损耗模型。因此，本研究的主要贡献在于其宝贵的实验发现，这些发现揭示了所研究的商用NO电工钢的磁性能随温度升高而退化的情况，并分析了这种退化与频率和峰值感应值之间的关系。此外，还引入了一种基于铁损耗分离的新模型，该模型能够预测在给定频率和峰值感应值下的铁损耗变化，并将这些损耗与微观析出现象联系起来。

引言

非定向（NO）电工钢（ES）在包括电动机和电气设备中的磁性组件在内的多种应用中发挥着重要作用[1]。在它们的使用寿命期间，由于铁损耗、焦耳损耗以及运行条件的影响，ES可能会经历高温，这可能引发所谓的磁老化现象。值得注意的是，本研究中关注的180°C温度在现代应用中属于较高的温度范围。磁老化是指由于长时间的高温作用，ES的磁性能发生不可逆退化，从而激活了第二相颗粒（如碳化铁）的析出。磁老化对ES使用性能的主要影响是铁损耗的增加。因此，理解由于热老化导致的铁损耗变化并能够对其进行预测非常重要。这需要从电动机和系统的设计阶段就开始使用准确、基于物理原理且成本效益高的模型。一方面，这确保了系统在其整个使用寿命期间的最佳运行；另一方面，也有助于理解磁老化的基本机制，从而帮助制造商设计出更能抵抗这种老化影响的ES。文献中有多种实验研究探讨了磁老化对铁损耗的影响[2,3,4]，但只有少数研究关注这些损耗随时间的变化过程[5,6]。尽管实验研究对于理解磁老化如何影响ES的性能至关重要，但在预测由于热老化引起的铁损耗变化方面仍存在不足。

因此，本研究的主要目标是开发一个物理铁损耗模型，该模型能够描述NO ES由于等温磁老化导致的铁损耗随时间的变化，并将这些损耗与微观析出现象联系起来。本文的结构如下：除了介绍研究的科学背景和目标外，第2节简要回顾了磁老化现象的相关文献，提供了理论背景和相关研究的最新进展。这一回顾将本研究置于科学领域中，并强调了其创新性。第3节介绍了对NO商用ES样品的磁老化实验研究，包括等温热处理和磁特性分析，特别关注了铁损耗随频率和感应峰值的变化情况。第4节基于实验结果，通过铁损耗分离方法对铁损耗进行了分析，首先在实验上进行了验证，然后通过分析方法进行了扩展，以考虑时间依赖性。最后，结论部分总结了主要发现并提出了未来研究的方向。

第2节 节选内容

理论背景与现有技术

通常，电动机铁芯由ES制成，这是一种主要由铁组成的软磁材料，通常会添加少量的非磁性元素（如硅、铝和锰）以增强其磁性和机械性能[8]。

实际上，这种材料并不完美，其中包含晶体缺陷，如位错、晶界、非磁性夹杂物和析出物。这些缺陷会固定磁畴壁（DW），从而影响材料的磁性能。

磁老化的实验表征

在建立模型之前，通常会进行实验研究以评估所研究钢材的热老化情况。由于本研究主要关注铁损耗，因此首先对铁损耗进行了实验评估，为后续的铁损耗建模提供了基础。本节概述了实验工作的内容，包括实验设置和方案，以及所研究ES样品的具体细节。

基于时间依赖性的铁损耗分离方法

实验结果显示，在180°C下对NO FeSi ES样品进行热老化处理后，铁损耗增加了30%以上。尽管文献中存在许多铁损耗模型，但没有一个模型能够解释这种随时间增加的现象。文献中的模型通常在简单性和准确性之间做出了权衡。第一个铁损耗模型是由Charles Proteus Steinmetz在近130年前提出的[24]，该模型提供了一种快速且简单的计算方法。

结论

本研究探讨了磁老化对商用NO FeSi ES的影响，这种钢材对磁老化特别敏感。研究重点分析和解释了由于等温老化导致的铁损耗变化，以及这些变化的本质和根本原因。进行了实验性的等温老化研究，并展示了其方案和结果，通过老化指数揭示了铁损耗随时间的变化情况。

CRediT作者贡献声明

Lea Saleh：撰写 – 原稿撰写、验证、方法论、研究、概念化。Oualid Messal：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、方法论、研究、概念化。Abdelkader Benabou：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、方法论、研究、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢在艾克斯-普罗旺斯的MSMP实验室进行的成分研究工作。