电工钢：牌号、磁性能与铁芯损耗控制

什么是电工钢——牌号名称没有告诉你的信息

电工钢作为磁路材料

电工钢是一类经过专门设计的铁磁性薄板和带材产品，用于承载交流磁通并将损耗控制在一定范围内。它并非单一成分、单一织构或单一加工状态的材料。这类材料构成电动机、发电机、变压器、电抗器及其他磁路中的叠片或卷绕带材；在这些应用中，钢材必须反复磁化和退磁，同时避免将过多电能转化为热能。

这一功能对材料提出了不同于结构钢的要求。磁芯需要在目标工作磁感应强度下具有较高的磁导率、在目标频率下具有较低的铁芯损耗、具备足够的机械操作强度，并且相邻叠片之间要有电绝缘表面。因此，钢材需要经过熔炼、轧制、退火、表面处理，有时还要进行应变处理或激光处理，以控制其磁响应。

取向钢特征

应将三类产品区分开来。全工艺非取向电工钢旨在使材料在板面内不同方向上具有相对相近的磁性能，因此常用于旋转电机。半工艺非取向钢材交货时，预期用户在最终退火操作中进一步改善其磁性能。全工艺取向电工钢则通过形成强烈的晶体学织构，通常为高斯织构，使沿轧制方向磁化尤其有利。这些是不同的工程产品，并不只是含硅量标尺上的不同位置。

损耗机制解释了薄板为什么需要叠装。2017 年卡尔斯鲁厄理工学院的研究将变压器磁芯损耗分为磁滞损耗、经典涡流损耗和附加损耗。磁滞损耗源于磁场循环过程中畴壁运动的不可逆部分。交变磁通还会在钢材内部感生环流；这些经典涡流通过电阻耗散能量。附加损耗则代表与磁畴结构运动及其局部相互作用相关的额外动态损耗。

薄板会缩短涡流可通过的路径。绝缘涂层使相邻叠片彼此电隔离。提高硅和铝含量通常会增大电阻率，而工艺和织构控制则会影响畴壁运动与磁导率。晶粒取向可以降低优选方向上的损耗。但这些措施都不能构成普遍适用的排序规则：厚度、化学成分、织构、涂层、退火、应力和工作磁感应强度会共同发挥作用。

牌号标识与实测磁性能的区别

牌号标识只有结合其适用标准和交货状态才具有明确意义。轧钢厂质保证书上印有的名称，本身并不能说明某一项可不加变化地适用于所有磁芯设计的单一磁性能。牌号标识确定的是一个产品类别和规范框架；实测结果则属于特定测试条件。

ASTM International 通过 A06.02 分委员会提供了一个有用的标准体系图。ASTM A677 涵盖全工艺非取向电工钢，ASTM A683 涵盖半工艺非取向电工钢，ASTM A876 涵盖全工艺取向电工钢，ASTM A976 则对电工钢绝缘涂层进行分类。A677 与 A683 的区别并非表面上的差异。前者描述以最终磁性能状态交货的材料，后者则涉及其最终加工过程可能改变磁性能的材料。

ASTM A677 使用爱泼斯坦方法，根据 60 Hz 和 1.5 T 条件下的最大铁损对全工艺无取向电工钢牌号进行分类。 Strong evidence

[1][1] ASTM A677-07: Standard Specification for Nonoriented Electrical Steel. ASTM International. ASTM International standard, 2007.

根据 ASTM A677，主要用于 50 Hz 和 60 Hz 磁性设备的牌号，按照 ASTM A677:2007 版本（本文引用的版本）规定的 Epstein 试验方法，在 60 Hz 和 1.5 T 下测得的最大铁芯损耗进行分类。因此，标示的 A677 损耗值应理解为“60 Hz、1.5 T、Epstein 条件下的损耗”，而不是与频率无关的常数。在 1.0 T 或 400 Hz 下测得的数值，回答的是不同的问题。

取向电工钢的牌号标识需要更加谨慎。ASTM A876（本文引用其 2017 年版本）涵盖低碳硅钢取向电工钢，其含硅量约为 3.2%，并包括常规取向、高磁导率和激光刻痕牌号。ASTM 的相关实践将常规取向牌号规定为在 1.5 T 下进行测试，而其他取向牌号则规定在 1.7 T 下进行测试。在某一磁感应强度下报告的损耗较低，并不能据此宣布该牌号优于在另一磁感应强度下测试的牌号。

IEC 60404-8-3:2023 涵盖以半工艺状态交货的冷轧非取向电工钢带和薄板。其标称厚度包括 0.47、0.50、0.64、0.65 和 0.79 mm，同时规定了磁性能、尺寸、公差和检验要求。IEC 60404-8-7:2017 涵盖以全工艺状态交货的冷轧取向电工钢带和薄板，其中包括标称厚度为 0.23、0.27、0.30 和 0.35 mm 的高斯织构材料。这些厚度标识描述的是某一标准内的产品；它们并不能预测每个组装磁芯的完整损耗特性。

硅含量同样存在这一局限。ASTM A876 中约 3.2% 的含硅量描述，确定了其所涵盖取向电工钢的重要化学成分范围，但仅凭硅含量无法得知织构尖锐度、磁畴细化程度、涂层行为、应力敏感性或实测损耗。两种含硅量相近的钢材可能表现不同，因为它们的轧制、退火、晶粒尺寸和织构存在差异。

为什么频率、磁感应强度、方向和试样方法很重要

铁芯损耗具有条件性。频率改变每秒磁化循环的次数，并改变磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗的相对贡献。磁感应强度会改变磁化变化范围，并可能使材料进入畴壁行为和局部饱和导致损耗大幅升高的区域。厚度对涡流损耗尤其重要，但不能脱离电阻率和绝缘质量单独考察。

对于取向电工钢，方向具有决定性作用。其有利的磁路大体沿轧制方向延伸，而横向或斜向磁路可能表现出不同的磁导率和损耗。非取向钢的方向性较弱，但并非完全与方向无关。剪切边缘、冲片应力、弯曲、接缝和夹紧也可能使实际结果偏离在未经变形的薄板上测得的数值。

ASTM A804/A804M 对热平整取向电工钢提供单向测量，其结果可与 25 cm 爱泼斯坦方法相比较。 Strong evidence

试样方法规定了获取该数值时所采用的几何形状和磁路。ASTM A804/A804M（本文引用其 2021 年版本）主要适用于对用作变压器磁芯叠片材料的热平整取向电工钢进行单向交流磁性能测量。其结果可与 25 cm Epstein 方法进行比较，但这并不意味着所有磁性测试都可以相互替代。单条试样或单向测试结果与 Epstein 结果，都必须注明测试方法、方向和试样制备方式。

因此，可靠的比较格式应包括材料类别、标准和牌号标识、交货状态、标称厚度、频率、峰值磁感应强度、相关时的轧制方向、试样方法以及涂层状态。“0.30 mm 取向钢”这一表述是不完整的。“全工艺取向电工钢，IEC 60404-8-7:2017，厚度 0.30 mm，沿轧制方向，在明确规定的频率和磁感应强度下，采用明确规定的方法测量”才是可以负责任地进行比较的表述。

缺少这些条件的铁芯损耗数值，不是可以直接移植的性能等级，而只是一个脱离背景的孤立测量结果。

三类材料：非取向、取向和半工艺

电工钢并不是一个可以按照“低硅”到“高硅”进行单一排序的材料类别。首先需要区分的是交付类别和晶体学结构：全工艺非取向电工钢、全工艺取向电工钢，或半工艺非取向电工钢。每一类材料以不同的冶金状态交付给用户，在不同的磁场方向和试验条件下进行测量，并且对冲片、消除应力、涂层和装配的响应也可能不同。

ASTM A06.02 分委会提供了一份有用的标准体系图。ASTM A677 涵盖全工艺非取向电工钢；ASTM A683 涵盖半工艺非取向电工钢；ASTM A876 涵盖全工艺取向电工钢；ASTM A976 对电工钢绝缘涂层进行分类。相应的 IEC 文件进一步作出了重要区分：IEC 60404-8-3:2023 涵盖以半工艺状态交付的冷轧无取向电工钢带和钢片，而 IEC 60404-8-7:2017 涵盖以全工艺状态交付的冷轧取向电工钢带和钢片。

磁性能结果不能仅从牌号名称中读出。任何给出的铁损或磁导率数值，都必须同时注明频率、峰值磁感应强度、试样方法、轧制方向、厚度、涂层和交付状态。

全工艺非取向电工钢

全工艺非取向电工钢的设计目标，是使其磁性能在材料到达零部件制造商之前基本确定。其晶粒不具有变压器级取向电工钢那种强烈的择优取向。相反，其面内磁响应近似各向同性：磁通可以沿钢片的不同方向传播，而不会出现与 Goss 织构相关的、极为显著的轧制方向优势。“近似”这一点很重要。加工过程仍会产生织构、残余应力、边缘效应和方向差异，因此，非取向并不意味着磁性能完全与方向无关。

ASTM International 于 2007 年引用的 ASTM A677 涵盖主要用于 50 Hz 和 60 Hz 磁性装置的全工艺非取向电工钢。其牌号按照采用 Epstein 试验方法、在 60 Hz 和 1.5 T 条件下测得的最大铁损进行分类。这种牌号 обознач? No Chinese. 是基于试验的分类，并不代表每台电动机、发电机或电感器都具有一个普遍适用的铁损值。在不同磁感应强度、频率或波形下进行试验，试样可能得到不同结果。此外，Epstein 试验结果也不能自动预测冲片并装配后的铁芯磁性能，因为切割应力、毛刺、接缝、夹紧力和局部磁通畸变都会影响铁损。

因此，非取向钢片通常用于磁通在机器或部件内部沿不同方向变化的磁路。电动机和发电机定子是常见例子，但材料类别本身并不规定某一种特定的机器设计。由于缺少强烈的单一方向取向，当磁通路径发生旋转或占据钢片的多个方向时，其平均面内响应更为实用。

铁损具有彼此不同的物理来源。Karlsruhe Institute of Technology 于 2017 年开展的研究将变压器铁芯损耗分为磁滞损耗、经典涡流损耗和附加损耗。磁滞损耗伴随着磁化反转时的磁畴壁运动。经典涡流损耗产生于变化的磁通在导电钢片中感应出环流电流。附加损耗则反映与运动磁畴结构及其局部相互作用有关的其他动态效应。牌号所标示的铁损，是在规定条件下测得的综合结果，并不是对某一种机制的直接测量。

厚度与经典涡流损耗尤其相关，因为较薄的叠片会限制电流回路的尺寸。叠片之间的电绝缘在铁芯叠装层面执行相同的基本电气功能。提高硅和铝含量可以增加电阻率，从而降低涡流损耗，但化学成分也会影响饱和磁感应强度、延性、加工响应和织构。因此，硅含量是设计变量，不能替代材料分类或实测损耗。

全工艺材料在制造过程中仍可能发生性能变化。冲片会在切割边缘附近引入塑性变形和残余应力。焊接、夹紧和急弯可能改变局部磁导率并增加铁损。“全工艺”描述的是钢材的交付状态，并不保证成品铁芯仍能保持供应商钢片试验中的结果。

全工艺取向电工钢

戈斯织构戈斯织构 取向电工钢中的一种晶体学织构，使有利的易磁化方向大致沿轧制方向排列。

全工艺取向电工钢经过专门设计，具有明显的晶体学择优取向。在通常的变压器取向织构中，易磁化方向与轧制方向接近一致。因此，其磁性能具有很强的方向性：当磁通沿轧制方向时，磁导率较高、铁损相对较低；而横向或交叉轧制方向的性能可能明显不同。取向牌号绝不能用单一的、未指明方向的磁性能数值来描述。[2][2] ASTM A876-17: Standard Specification for Flat-Rolled, Grain-Oriented, Silicon-Iron, Electrical Steel. ASTM International. ASTM International standard, 2017.[3][3] IEC 60404-8-7:2017. International Electrotechnical Commission. IEC standard, 2017.

ASTM International 于 2017 年确认的 ASTM A876 涵盖低碳硅钢取向电工钢，其硅含量约为 3.2%，并包括普通取向、高磁导率和激光刻痕牌号。IEC 60404-8-7:2017 涵盖以全工艺状态交付的冷轧取向钢带和钢片。其列出的公称厚度包括 0.23、0.27、0.30 和 0.35 mm，明显小于 IEC 60404-8-3:2023 规定的半工艺非取向电工钢公称厚度。

这些厚度并不是普遍适用的性能等级序列。晶粒取向、磁畴细化、涂层、应力状态以及磁性试验条件都会产生影响。例如，激光刻痕是一种用于改变磁性能的磁畴控制处理；它并不会使取向钢片变成非取向钢片。

ASTM 的试验惯例还区分了规定在 1.5 T 下进行试验的普通取向牌号，以及规定在 1.7 T 下进行试验的其他取向牌号。磁感应强度必须与性能数值一并给出。“某取向牌号的铁损”这一表述并不完整，除非同时说明频率、磁感应强度、试样方法和方向。ASTM A804/A804M:2021 主要用于对作为变压器铁芯叠片材料的热平整取向电工钢进行单向交流磁性能测量。其结果与 25 cm Epstein 方法具有可比性，但这种比较仍取决于规定的试样和试验程序。

晶粒取向有助于设计变压器铁芯，使主要磁通路径能够沿轧制方向布置。接缝会中断该路径，而在铁芯转角或阶梯搭接区域附近，局部磁通可能转向并横穿钢片。因此，轧制方向测得的性能描述的是一种关键材料方向，并不代表装配铁芯中每一个位置的性能。

半工艺非取向电工钢

半工艺非取向电工钢在最终磁性能尚未确定之前就交付给制造商。后续工序——通常包括冲片以及规定的热处理——仍会影响晶粒结构、残余应力、碳含量控制、绝缘状态和磁损耗。交付状态是牌号描述的一部分，并非次要说明。[4][4] IEC 60404-8-3:2023. International Electrotechnical Commission. IEC standard, 2023.

IEC 60404-8-3:2023 涵盖以半工艺状态交付的冷轧无取向电工钢带和钢片，其公称厚度为 0.47、0.50、0.64、0.65 和 0.79 mm。该标准规定了磁性能、尺寸公差和检验程序。ASTM A683 在 ASTM A06.02 标准体系图中对应半工艺非取向电工钢。

半工艺半工艺 一种交付状态，预期用户在形成目标磁性状态之前进行进一步加工，通常包括最终退火操作。

制造商进行热处理之前测得的半工艺钢片性能，不一定等于热处理之后的性能。冲片可能引入变形和边缘损伤；随后的热循环可以减小部分应力，并改变最终磁响应。温度、时间、气氛、炉内工艺、零部件几何形状以及涂层能否保持完整，都可能产生影响。因此，即使两个铁芯采用相同的交付牌号制造，只要其制造历史不同，最终性能也可能不同。

这一类别常与全工艺非取向钢混淆，因为二者都是非取向材料，并且都可能用于旋转电机的磁路。二者的区别在于磁性能加工路线尚未完成。仅凭厚度、硅含量以及“非取向”这一术语，无法判断后续是否需要进行处理。必须首先核查适用标准和交付状态；只有在此基础上，所规定的频率、磁感应强度、方向、试样方法和损耗组成，才具有有意义的可比性。

ASTM 和 IEC 标准如何组织电工钢牌号

电工钢标准并不构成一张通用的牌号表。它们按照磁性类别、加工状态、产品形式、试验条件和表面绝缘层对材料进行划分。因此，一个文件中的牌号不能直接视为另一个文件中某一牌号的替代品。

ASTM 的主要标准体系来自 A06.02 分委员会。ASTM A677 涵盖全工艺无取向电工钢；ASTM A683 涵盖半工艺无取向电工钢；ASTM A876 涵盖全工艺取向电工钢；ASTM A976 对电工钢绝缘涂层进行分类。这些文件的任务各不相同。A677 和 A876 是材料规范，A976 涉及涂层分类，而 ASTM A804/A804M 等试验标准则规定如何测量特定的磁性能。

IEC 文件以相似但并不完全相同的方式组织材料。IEC 60404-8-3:2023 涵盖以半工艺状态交付的冷轧无取向电工钢带和钢片。IEC 60404-8-7:2017 涵盖以全工艺状态交付的冷轧取向电工钢带和钢片。这些标准规定允许的产品类别和所要求的性能；它们并不会把厚度、硅含量或涂层类别转化为通用的性能等级排序。

ASTM A677 与全工艺无取向牌号

ASTM A677 是全工艺无取向电工钢的规范，适用于主要用于 50 Hz 和 60 Hz 磁性装置的材料。“无取向”意味着其磁性能并不像取向变压器钢那样，集中在一个经过有意形成的轧制方向上。材料以完成磁性能处理的状态供应，因此买方通常不需要再进行决定半工艺产品最终性能的应力消除退火。

根据 ASTM International 2007 年记录的说明，ASTM A677 按照采用 Epstein 试验方法、在 60 Hz 和 1.5 T 条件下测得的最大铁损对牌号进行分类。这一表述包含四个不可缺少的限定条件：最大铁损、60 Hz、1.5 T 以及 Epstein 试样。缺少其中任何一项，牌号比较就不完整。在 50 Hz、不同磁感应强度或采用不同试样几何形状下测得的铁损，并不是同一项所报告的性能。

全工艺牌号本身也不能说明磁滞损耗、经典涡流损耗和附加损耗之间的确切划分。卡尔斯鲁厄理工学院 2017 年的研究将这些视为变压器铁芯损耗的不同组成部分。磁畴壁运动会产生磁滞损耗。交变磁通会在钢片内部驱动环流，从而产生经典涡流损耗；附加损耗则代表其他动态磁畴过程。晶粒尺寸、织构、残余应力、叠片厚度和电绝缘层都会影响这些损耗的构成比例。

因此，A677 应被理解为一个明确规定的规范与试验框架，而不是声称所有无取向牌号在电动机、电抗器或高频部件中的表现都完全相同。1.5 T 的试验磁感应强度是牌号分类的一部分，并不是普遍适用的运行上限。

ASTM A683 属于相邻类别，即半工艺无取向电工钢。它在 A06.02 标准体系中的地位十分重要，因为半工艺钢片交付时需要在预定磁性状态形成之前，经过后续加工处理，通常是最终退火。由此，A677 和 A683 不仅区分磁性类别，也区分交付状态。若简单地将两种产品都称为“无取向电工钢”，就会掩盖这一制造差异，而该差异可能改变用户完成加工步骤后的测量结果。

ASTM A876 与取向电工钢牌号

ASTM A876 涵盖全工艺、低碳硅铁取向电工钢。据 ASTM International 2017 年的说明，这类钢含有约 3.2% 的硅。其晶体学织构经过设计，使材料沿轧制方向具有显著有利的磁性能。这是不同于全工艺无取向钢的另一种材料类别，而不仅仅是后者的高硅版本。

该规范包括普通取向、高磁导率取向以及激光刻痕取向牌号。激光刻痕类别表示采用了一种旨在改变磁畴结构和磁损耗的加工路线；这并不意味着可以在未采用相同试验条件的情况下，将其与未刻痕牌号直接比较。ASTM 的牌号标识惯例还区分了规定在 1.5 T 下进行试验的普通取向牌号，以及规定在 1.7 T 下进行试验的其他取向牌号。磁感应强度应与所报告的性能一并给出。没有规定磁感应强度的数值铁损是不完整的。

对于取向钢而言，轧制方向尤为重要。沿轧制方向测得的结果，不能直接套用于成品铁芯中的横向区域或剪切边缘区域。剪切、冲压、弯曲、接缝设计和外加应力都可能扰动规范在受控试样上测得的磁性能。

ASTM A804/A804M 主要是一项测量经过热平整的取向电工钢单向交流磁性能的试验标准。正如 ASTM 在 2021 年版记录中所述，其结果可与 25 cm Epstein 法的结果进行比较。它并不是 A876 材料规范的替代品，也不应被视为一个独立的牌号系列。该标准为相关类别的取向铁芯材料提供了一种试验途径。

IEC 60404-8-3:2023 与 IEC 60404-8-7:2017

IEC 60404-8-3:2023 规定了以半工艺状态交付的冷轧无取向电工钢带和钢片。该文件规定的标称厚度系列为 0.47、0.50、0.64、0.65 和 0.79 mm。作为产品规范的一部分，该文件涉及磁性能、尺寸公差和检验程序。

这些厚度并不是可相互替换的牌号名称。厚度会影响经典涡流损耗，因为较薄的电工钢片会限制环流形成的路径距离；但是，测得的铁损还取决于电阻率、绝缘层、频率、磁感应强度、织构、应力以及最终加工状态。在所有试验条件或应用条件下，0.50 mm 产品并不自动优于 0.65 mm 产品。

IEC 60404-8-7:2017 涵盖以全工艺状态交付的冷轧取向电工钢带和钢片。该标准包括标称厚度为 0.23、0.27、0.30 和 0.35 mm 的 Goss 织构材料，以及普通取向和高磁导率类别。Goss 织构使有利的晶体学方向与轧制方向一致，这解释了该材料显著的方向性特征。

比较 IEC 和 ASTM 文件时，应依据其适用范围和试验条件，而不应试图逐字翻译每一个牌号名称。IEC 60404-8-3 涉及半工艺无取向钢片，而 ASTM A677 涉及全工艺无取向钢。IEC 60404-8-7 涉及全工艺取向钢片，而 ASTM A876 涉及全工艺取向硅铁钢。相似的措辞并不能消除交付状态之间的差异。

ASTM A976 通过对绝缘涂层进行分类增加了另一层信息。涂层会限制叠片之间的电接触，因此会影响层间涡流；但是，涂层类别并不是电工钢牌号。同样，较高的硅或铝含量、更薄的钢片、晶粒取向以及表面绝缘层都是控制损耗的机制，而不是判断某种材料性能的通用指标。只有结合其类别、交付状态、频率、磁感应强度、试样方法以及（在相关情况下）轧制方向，标准牌号才具有完整意义。

无取向电工钢：牌号、加工工艺与磁应用

完全加工无取向钢的含义

完全加工无取向电工钢是一种冷轧含硅磁性钢材，由生产商以最终磁性能状态供应。其晶粒并未排列成一个占主导地位的强晶体学方向。相反，该材料经过加工，使磁通沿板面内不同方向通过时，其磁性能仍能保持相对接近。因此，“无取向”描述的是磁织构，而“完全加工”描述的是交货状态。单独来看，这两个术语都不能说明硅含量、厚度或某一特定的铁损值。

这一点很重要，因为电工钢的牌号与标准和测试条件密切相关。ASTM A677涵盖主要用于50 Hz和60 Hz磁性设备的完全加工无取向电工钢。根据该规范，牌号按照采用爱泼斯坦试验方法（ASTM International，2007）在60 Hz和1.5 T条件下测得的最大铁损进行分类。因此，牌号所代表的是在规定测量程序下的限值，而不是对所有频率、磁感应强度、波形、温度或磁化方向下铁损的普遍预测。

爱泼斯坦试验结果也需要结合具体背景进行解读。该试验采用规定的试样布置和特定的交变磁场条件；它并不能再现电动机定子中的所有应力、接缝、冲切边缘、涂层或局部磁通畸变。在报告60 Hz和1.5 T条件下测得的铁损时，应同时注明这些条件。缺少频率、磁感应强度和试样方法的数值，容易造成误导性比较。

完全加工无取向钢片不同于半加工无取向钢片。ASTM A06.02分委员会将ASTM A677确定为完全加工无取向钢的标准，将ASTM A683确定为半加工无取向钢的标准。IEC 60404-8-3:2023涵盖以半加工状态交付的冷轧无取向电工钢带和钢片，包括0.47、0.50、0.64、0.65和0.79 mm等公称厚度。半加工材料在冲片后可能还需进行最终退火，这通常属于制造商加工路线的一部分，因此其交货时的磁性能状态并不等同于完全加工钢片的状态。

这一差别可以避免一个常见错误：把厚度或公称硅含量当成牌号。两种厚度相同的钢片，在织构、晶粒尺寸、残余应力、涂层和测得的铁损方面仍可能存在差异。反过来，如果加工工艺或磁性能测试条件不同，较薄的钢片也不一定自动具有更低的总铁损。

轧制与退火历史的作用

轧制形成钢片的几何形状，同时也会改变金属的内部状态。塑性变形会引入位错、改变晶体学织构并储存应变能。在退火前，这些影响通常会使磁畴壁移动更加困难，并增加磁损耗。冲压、剪切、弯曲和装配还会进一步引入局部应力，尤其是在切边附近。因此，最终性能是整个加工过程的结果，而不仅仅取决于化学成分。

退火有助于回复和再结晶。在回复过程中，部分储存的变形能得到释放。在再结晶过程中，新的、相对无应变的晶粒形成并长大。随后，晶粒尺寸和晶体学织构取决于温度、时间、加热与冷却条件、压下制度以及此前的炼钢步骤。晶粒长大可以减少磁畴壁移动时所遇到的晶界数量，但过度或控制不当的晶粒长大可能影响机械性能，并形成不适宜的织构。适用的磁性能状态是由整个加工路线共同建立的平衡结果。

硅和铝含量会影响电阻率和磁性能，但仅凭化学成分并不能确定最终性能。提高电阻率可以减少循环涡流，而轧制和退火则决定了这种化学成分如何通过织构、晶粒尺寸和应力状态体现出来。这就是为什么两个名义上相近的牌号，在其中一个材料于制造过程中受到应变，或在不同退火条件下进行测试时，可能显示出不同的铁损。

铁损本身由不同部分构成。卡尔斯鲁厄理工学院2017年的一项研究将变压器铁心损耗描述为磁滞损耗、经典涡流损耗和附加损耗的共同作用。磁滞损耗与不可逆的磁畴壁运动和磁化变化有关。经典涡流损耗产生于交变磁通在钢材内部感应出的电流。附加损耗则代表与磁畴运动和相互作用有关的额外动态效应。这些损耗成分对频率、磁感应强度、电阻率、晶粒结构和应力的响应各不相同。

钢片厚度主要影响涡流可通过的路径，这也是较薄叠片能够降低该部分损耗的原因。但减薄并不能消除磁滞损耗或附加损耗。如果冲压造成严重残余应力，或者叠片因涂层受损而发生电连接，即使是名义上的低损耗牌号，也无法保持其测试时的性能。

表面绝缘层是磁性系统的一部分。绝缘涂层可以提高相邻叠片之间的电阻，并限制片间电流。ASTM A976涉及电工钢绝缘涂层的分类。涂层类型、覆盖率、附着力、固化情况以及切割或叠装过程中的损伤，都可能影响装配后铁心的铁损。因此，必须将钢基材及其涂层作为一个整体加以考虑。

无取向特性为何对旋转磁路十分重要

变压器通常沿优先方向引导磁通，因此可以利用晶粒取向电工钢的强晶体学排列。电动机或发电机则不同。随着转子运动，定子齿部和轭部中的磁通会在整台机器内不断改变方向。磁通还会在齿根、槽部、转角和接缝附近发生局部转向。如果钢片只在某一个优先方向上具有低铁损，那么在旋转磁路的各个位置都无法保持这种性能。

无取向钢通过减小钢片平面内不同方向磁响应之间的差异，解决了这一方向性问题。其目标并不是使各个方向上的性能完全相同；实际织构和加工过程仍会造成方向差异。目标是在旋转机械中不断变化的磁通路径范围内，获得适宜的磁响应。[5][5] ASTM A804/A804M-04(2021): Standard Test Method for Alternating-Current Magnetic Properties of Thermally Treated Grain-Oriented Electrical Steel. ASTM International. ASTM International standard, 2021.

标准体系清楚地说明了无取向钢与取向钢之间的区别。ASTM A876涵盖低碳硅铁取向钢，其硅含量约为3.2%，包括常规取向、高磁导率和激光刻痕牌号。IEC 60404-8-7:2017涵盖完全加工取向钢片，公称厚度包括0.23、0.27、0.30和0.35 mm。常规取向牌号规定在1.5 T下进行测试，而其他取向钢牌号规定在1.7 T下进行测试。ASTM A804/A804M主要用于对热平整取向钢进行单向测量，其结果可与25 cm爱泼斯坦法的结果进行比较。这些结果不应直接套用于旋转电机用无取向钢牌号。

对于无取向材料，工程师应在与实际应用相匹配的频率、磁感应强度、波形、轧制方向、试样方法和交货状态下，比较相关的铁损和磁导率。正确的问题不是钢片含有更多硅，或厚度是否更薄，而是其经过加工形成的磁结构、绝缘性能和测试铁损，在磁通反复改变方向并通过成品铁心时，是否仍然适用。

取向电工钢与 Goss 织构

Goss 织构与轧制方向磁化

取向电工钢并非仅由硅含量或钢带厚度来定义。其决定性特征是通过轧制、退火和二次再结晶形成的受控晶体学织构。在理想的 Goss 取向中，体心立方铁晶体的 \(\{110\}\) 晶面大致平行于钢带表面，而 \(\langle001\rangle\) 方向平行于轧制方向。这种表示通常写作 \(\{110\}\langle001\rangle\)。

这一取向之所以重要，是因为沿立方晶体的 \(\langle001\rangle\) 方向磁化，比沿较难磁化的晶体学方向更容易。当许多晶粒都使易磁化方向接近轧制方向时，磁畴能够在较低外加磁场下长大，畴壁也更容易移动。当交变磁通沿轧制方向传播时，其结果是较高的磁导率和较低的磁滞损耗。在钢带横向上，同一种材料可能表现出显著不同的磁性能。因此，横向于轧制方向测得的数值不能与轧制方向上的数值等同使用。

织构从来都不会完全均匀。晶粒会偏离理想的 Goss 取向，而偏离分布会影响磁导率、矫顽场和损耗。局部织构、晶粒尺寸、残余应力、表面状态，以及相邻晶粒之间的磁相互作用都会产生影响。单凭牌号名称无法表达这些变量。

取向钢带通常用于使磁路与轧制方向对齐的场合，例如变压器的铁心柱和铁轭。切割、接缝设计、冲压应变、弯曲和夹紧都可能扰乱预期性能。因此，一条未经损伤且已完成全部加工的试样所测得的损耗，可能低于一个包含切割边缘、接缝和所施加应力的成品铁心。

铁心损耗还必须按其物理贡献加以区分。卡尔斯鲁厄理工学院于 2017 年发表的研究将变压器铁心损耗视为磁滞损耗、经典涡流损耗和附加损耗之和。磁滞损耗与每个磁化循环期间不可逆的畴壁移动和磁矩旋转有关。经典涡流损耗源于变化磁通感生的电流，而附加损耗则表示与非均匀畴壁运动和局部磁过程相关的额外动态损耗。

薄钢带能够减少涡流可通过的路径。电绝缘涂层还会进一步提高叠片之间的电阻，从而限制电流在铁心叠片中的循环。硅和铝可以提高电阻率，但它们的作用还会与织构、加工过程、延性、晶粒结构和退火相互影响。这些措施中的任何一项都不能单独确定某一牌号的总损耗。

每一项性能说明都必须同时给出测试条件。仅说明“铁心损耗”，而不注明频率、峰值磁感应强度、试样方法和方向，是不完整的。对于单向磁性能测量，ASTM A804/A804M-04(2021) 主要适用于经热平整处理的取向电工钢，其结果可与 25 cm 埃普斯坦法相比较。该测量尤其适用于变压器铁心用钢片，因为其中的磁通预期沿一个方向传播，而不是像许多电动机铁心中那样发生旋转。

常规级与高磁导率级

IEC 60404-8-7:2017 适用于以全工艺状态交付的冷轧取向电工钢带和钢板。其范围包括标称厚度为 0.23、0.27、0.30 和 0.35 mm 的 Goss 织构材料，并区分常规级和高磁导率级。“全工艺”意味着产品交付前，规定的磁性能加工过程，包括最终退火和绝缘处理，均已完成；用户不应通过进一步的最终退火来发展其磁性能。

常规级和高磁导率级标签描述的是取向钢内部不同的磁性能等级。这并不意味着每一张高磁导率钢板在所有可能的磁感应强度、频率、方向或铁心结构下都具有更低的损耗。磁导率取决于磁场和磁感应强度，而铁心损耗则会随频率、峰值磁感应强度、波形、应力、试样几何形状和层间绝缘而变化。

ASTM A876 涉及含硅量约为 3.2% 的低碳硅铁取向钢。该标准包括常规级、高磁导率级和激光刻痕级。ASTM 的牌号识别惯例还区分了规定在 1.5 T 下进行测试的常规取向钢牌号，以及规定在 1.7 T 下进行测试的其他取向钢牌号。这些磁感应强度标称值至关重要：在 1.5 T 下得到的损耗值，不能直接与 1.7 T 下的数值进行比较，并据此对钢材本身进行排序。

这也是牌号编号和厚度不能替代实测磁性数据的原因之一。在其他条件相当时，较薄的叠片通常会降低经典涡流损耗，但实测结果还会受到织构质量、电阻率、涂层电阻、磁畴结构和所施加磁感应波形的影响。高磁导率标称表示符合适用标准要求所定义的一类材料；它并不能使厚度成为通用的性能指标。

标准体系的对应关系进一步强调了不同钢材类别之间的区别。ASTM A06.02 分委员会将 ASTM A677 确定为全工艺无取向电工钢的标准，将 ASTM A683 确定为半工艺无取向电工钢的标准，将 ASTM A876 确定为全工艺取向电工钢的标准，并将 ASTM A976 确定为电工钢绝缘涂层分类的标准。这些文件所描述的并不是一种可以相互替代的材料系列。取向钢经过加工，以优先适应特定的磁通方向；而无取向钢则旨在使其在钢板平面内具有更为接近各向同性的磁性能。

作为比较，ASTM A677 适用于主要用于 50 Hz 和 60 Hz 磁性器件的全工艺无取向电工钢。其牌号按照采用埃普斯坦测试法、在 60 Hz 和 1.5 T 下测得的最大铁心损耗进行分类。如果不同时保留钢材类别、试样方法、方向、磁感应强度和交付状态，这种分类不能转用于 ASTM A876 取向钢牌号。

激光刻痕取向钢牌号

激光刻痕是一种磁畴细化处理，并不是高磁导率的同义词。激光通过在表面产生局部热变化或应力变化，形成彼此间距很小的刻痕轨迹；这些轨迹通常与主要的轧制方向磁通垂直。刻痕轨迹能够细分磁畴或限制其宽度。在规定的测试条件下，较小的磁畴可以减少磁畴壁的动态运动，从而降低总铁心损耗。

该处理并不能替代 Goss 织构。激光刻痕产品仍然属于取向钢，其轧制方向性能取决于晶体学取向、加工历史和磁应力状态。激光刻痕也不会自动使材料归入高磁导率级。ASTM A876 将激光刻痕级与常规级、高磁导率级并列为不同类别，是因为这种分类描述的是加工路线或由此形成的类别，而不是某一个普适的磁导率等级。

其作用取决于具体条件。在给定频率和磁感应强度下，刻痕可能降低损耗；而在另一磁感应强度下，它对磁导率、磁致伸缩或损耗的影响可能不同。刻痕间距、深度、能量输入、涂层状态和后续应力都可能产生影响。铁心装配同样会改变结果：切割和叠装可能破坏预期的磁畴图案，而夹紧应力可能增加损耗。

因此，规范应明确规定钢材类别、标称厚度、交付状态、轧制方向、测试磁感应强度、频率和测试方法。例如，在适用的埃普斯坦法或单向测试程序下，对一张全工艺 Goss 织构钢板沿轧制方向、在 1.5 T 下进行测试，就是一项定义明确的测量。“3.2% 硅、薄型、高磁导率钢”则不是。前一种描述保留了控制磁性能的变量；后一种描述则将织构、加工过程、磁畴细化和测试条件压缩成一个具有误导性的标签。

硅、铝、碳与磁损耗的冶金学

硅与电阻率

硅之所以被加入铁中，主要是因为它能够提高电阻率并改变合金的磁性能。较高的电阻率会减少磁通变化时在钢片内部循环的电流。这些循环电流构成铁心损耗中的经典涡流损耗。对于给定的磁感应波形和频率，更薄的叠片与更高的电阻率都能限制这些电流路径的规模，但二者都无法完全消除涡流损耗。

硅还会改变铁的晶体结构和磁学特性。它通常会降低饱和磁感应强度；当硅含量较高时，还可能使加工更加困难。因此，成分设计是一种折中，而不是沿单一方向衡量质量的尺度。电阻率效应仍然十分重要：加入硅后，电工钢的性能便不同于低碳结构钢铁，因为后者的电阻率较低，允许产生更大的感应电流。

然而，牌号仍必须结合测试条件来解读。ASTM International 于 2007 年引用的 ASTM A677 涵盖主要用于 50 Hz 和 60 Hz 磁性设备的全工艺无取向电工钢。其牌号按照 Epstein 试验方法在 60 Hz 和 1.5 T 条件下测得的最大铁心损耗进行分类。在该条件下报告的损耗并不是普适的材料常数，而是描述特定钢材、交货状态、试样布置、频率和磁感应强度下的结果。

与取向钢相关的硅含量也经常被错误地简单化。ASTM A876 描述了含约 3.2% 硅的低碳硅铁取向钢。这个数值标识的是该类别的大致化学成分；它本身并不能确定磁导率或铁心损耗。取向钢的许多磁性能优势来自晶体学织构，尤其是有利晶体方向与轧制方向的排列。硅有助于电学和磁学设计，但仅凭化学成分并不能形成 Goss 织构。

频率越高，电阻率优势就越重要。经典涡流损耗会随频率显著上升，并取决于叠片厚度、电阻率和局部磁通波形。由高电阻率钢制成的较厚钢片，仍可能表现出不同于由低电阻率钢制成的较薄钢片的损耗；与此同时，磁滞损耗和附加损耗可能独立变化。因此，“更多硅”不能替代对厚度、频率、磁感应强度以及所测损耗分量或总损耗的说明。

铝、碳控制与次级效应

铝能够提高电阻率，并参与电工钢的加工冶金过程。在取向钢牌号中，含铝析出物，尤其是氮化铝，可以在控制异常晶粒长大的退火处理序列中充当抑制剂。所需的最终织构取决于成分、热轧、冷轧压下、退火以及析出物稳定性之间的相互作用。因此，在取向钢生产中，铝不仅仅是一种简单的增阻元素。

铝的作用具有条件性。含铝颗粒的含量、形态和热历史都很重要；氮、锰、硫以及退火制度同样如此。仅报告铝含量而不说明析出物状态，对于判断最终晶粒结构是否会产生预期磁响应，意义十分有限。如果抑制剂过弱、过于粗大，或在不适当的阶段发生溶解，二次再结晶和织构形成就可能发生变化。

碳控制同样重要。低碳含量有利于最终加工过程中的脱碳，并可降低磁时效风险。残余碳能够与铁及合金元素结合形成碳化物，而间隙原子则可能阻碍畴壁运动，或随时间和温度发生变化。这些效应会增加磁滞损耗，或使磁性能稳定性下降。在全工艺取向钢中，碳会在最终绝缘状态和磁状态建立之前被降低到很低的水平；关键在于加工结果，而不是适用于每项标准的某个统一碳含量。

碳还会间接影响晶粒长大和织构。它会影响再结晶、碳化物析出，以及晶粒吞并相邻晶粒的条件。低碳成分并不能保证形成大而取向有利的晶粒，而是提供一种能够支持所需加工路线的化学基础。最终结果取决于轧制应变、退火、抑制剂和脱碳过程是否共同形成预期的晶粒结构。

损耗机制解释了这些细节为何重要。2017 年卡尔斯鲁厄理工学院的研究将变压器铁心损耗分为磁滞损耗、经典涡流损耗和附加损耗。磁滞损耗反映磁化反转时不可逆的畴壁运动。经典涡流损耗来自磁通变化所感生的电流。附加损耗则涵盖经典项无法描述的其他动态磁畴过程。硅和铝主要通过提高电阻率并影响微观结构发挥作用，而碳控制则影响畴壁行为、晶粒结构和磁时效。它们的作用彼此重叠，但并不可相互替代。

绝缘层提供了另一个化学和加工变量。叠片之间的涂层能够提高片间接触的电阻，并限制层间电流。ASTM A976 对电工钢绝缘涂层进行分类；它并不会将涂层类别直接转化为总铁心损耗的排名。涂层厚度、覆盖情况、附着力、冲片过程中的损伤以及由此产生的夹紧应力，都可能影响成品铁心。

成分只是众多变量之一

电工钢并不是单一的材料类别。全工艺无取向钢、半工艺无取向钢和全工艺取向钢采用不同的制造路线，不应仅通过硅含量进行比较。ASTM A06.02 分委会将 ASTM A677 确定为全工艺无取向钢标准，将 ASTM A683 确定为半工艺无取向钢标准，将 ASTM A876 确定为全工艺取向钢标准，并将 ASTM A976 确定为绝缘涂层分类标准。IEC 60404-8-3:2023 涵盖以半工艺状态交付的冷轧无取向带钢和钢片，包括 0.47、0.50、0.64、0.65 和 0.79 mm 等标称厚度。IEC 60404-8-7:2017 涵盖全工艺取向钢片，标称厚度包括 0.23、0.27、0.30 和 0.35 mm。

这些厚度之所以重要，是因为涡流损耗对叠片厚度具有很强的响应；然而，如果没有其余测试说明，厚度并不能预测总损耗。晶粒尺寸、织构尖锐度、残余应力、表面状态、冲片损伤、涂层以及施加的张力，都可能改变畴壁运动，进而影响磁滞损耗或附加损耗。采用激光刻痕的取向钢片，其磁畴控制方式可能不同于化学成分标称值相近的常规牌号或高磁导率牌号。

测试方向和磁感应强度至关重要。ASTM A804/A804M 主要用于对作为变压器铁心叠片材料的热平整取向电工钢进行单向交流测量，其结果可与 25 cm Epstein 方法进行比较。ASTM A876 涵盖常规、高磁导率和激光刻痕牌号，这些牌号在 1.5 T 或 1.7 T 下进行测试。ASTM 的牌号识别惯例将指定在 1.5 T 下测试的常规取向钢牌号，与指定在 1.7 T 下测试的牌号区分开来。在 1.5 T 下报告的损耗不能视为等同于在 1.7 T 下测得的损耗。

同样的严谨性也适用于无取向钢。按照 ASTM A677 分类的数值，表示通过 Epstein 方法在 60 Hz 和 1.5 T 下测得的最大铁心损耗，而不是在所有电动机频率、磁感应强度或波形下的性能。符合 IEC 60404-8-3:2023 的半工艺材料，可能需要最终退火或其他由制造商规定的加工，之后其磁性能才会代表预期的使用状态。

成分能够支持磁性能，但并不决定磁性能。硅和铝可以通过提高电阻率来降低涡流损耗，含铝析出物则有助于控制晶粒发育。低碳有利于脱碳、加工稳定性以及抗磁时效能力。然而，成品性能是化学成分与织构、晶粒尺寸、应力、厚度、涂层、交货状态和测量条件共同作用的结果。任何忽略这些变量的比较，比较的都是标签，而不是磁性能。

分解铁心损耗：磁滞、涡流与附加损耗

铁心损耗是指铁磁性铁心承载交变磁通时，转化为热能的电功率。测得的数值并不是单一的材料常数，而取决于频率、峰值磁感应强度、波形、试样几何形状、轧制方向、叠片厚度、绝缘、应力以及钢材的交货状态。在 60 Hz 和 1.5 T 下报告的损耗，不能与在 50 Hz 和 1.7 T 下报告的损耗直接比较，即使两个试样具有相同的牌号标识。[6][6] Transformer-core loss separation study. Karlsruhe Institute of Technology. Karlsruhe Institute of Technology publication, 2017.

2017 年卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的研究将变压器铁心损耗分为三个组成部分：磁滞损耗、经典涡流损耗以及附加损耗（也称反常损耗）。这种划分是一种物理分析框架，而不是标准证书上分别独立列出的三项性能。测得的总损耗是三者共同作用的结果：

$$P_{\mathrm{total}}=P_{\mathrm{h}}+P_{\mathrm{cl}}+P_{\mathrm{ex}}$$

这些项可能通过加工工艺和微观结构相互作用。晶粒尺寸、晶体学织构、残余应力、涂层电阻以及畴细化可能同时改变不止一个损耗分量。

磁滞损耗与磁畴壁运动

磁滞损耗是不可逆磁化循环过程中耗散的能量。当交变磁场改变方向时，磁畴不会沿着相同的磁化路径返回。磁滞回线所包围的面积代表每个循环、每单位体积所损失的能量。将该能量乘以频率，即可得到相应的功率损耗分量。

磁畴壁磁畴壁 分隔具有不同磁化方向的磁畴的过渡区域。

在低磁感应强度下，磁化通常首先通过磁畴壁运动开始。磁畴壁分隔了磁矩指向不同晶体学方向的区域。在理想晶体中，较小的外加磁场即可使磁畴壁以很小的阻力移动。实际的电工钢含有位错、晶界、夹杂物、残余应力、表面不规则性以及局部织构变化。这些特征会钉扎或扭曲磁畴壁。因此，磁场必须先升高，磁畴壁才能脱离钉扎，从而产生不可逆跳变和能量耗散。

在较高磁感应强度下，磁畴壁运动还会伴随磁化方向向外加磁场方向旋转。磁畴壁运动与磁化旋转之间的平衡取决于晶体学取向。这就是织构重要的原因。全工艺取向电工钢会形成强烈的Goss织构，使许多晶粒处于有利于沿轧制方向实现低损耗磁化的取向。其低损耗特性适用于规定的方向和试验条件；这并不意味着钢片在所有方向上都具有相同的磁响应。

无取向电工钢的加工目标是减小方向差异，而不是形成一个占主导地位的易磁化方向。全工艺无取向材料适用于ASTM A677，主要用于采用50 Hz和60 Hz磁性器件的应用。在该标准下，牌号按照采用爱泼斯坦试验方法、在60 Hz和1.5 T条件下测得的最大铁心损耗进行分类。因此，牌号所传达的是规定试验条件下的结果，而不是在所有磁感应强度和频率下都适用的普遍磁滞损耗值。

交货状态也会改变磁畴壁运动。全工艺钢片已经完成旨在建立其磁性能状态的最终退火和表面处理。半工艺无取向钢片适用ASTM A683和IEC 60404-8-3:2023，并以供用户进行后续处理的状态交付。剪切、冲压、去应力处理和最终退火都可能改变磁畴壁的钉扎状态。半工艺牌号不能被视为全工艺牌号的低性能版本。

硅和铝能够提高电阻率并改变磁性能，但仅凭化学成分并不能确定磁滞损耗。退火、晶粒长大、织构以及应力控制对磁滞回线形状的影响，可能大于简单比较名义硅含量所显示的影响。厚度问题同样需要谨慎看待：较薄的钢片可以降低涡流损耗，但磁滞损耗仍主要由织构、缺陷和磁畴壁钉扎所决定。

叠片中的经典涡流损耗

变化的磁通会在导电钢片内部感生电场。这些电场会在与变化磁通相交链的平面内驱动环流，这些环流称为涡流。涡流受到钢的电阻作用，并以热的形式耗散功率。这就是经典涡流损耗分量。

对于正弦激励下的简单叠片模型，经典涡流损耗大致随频率的平方、峰值磁感应强度的平方以及叠片厚度的平方增加，并随着电阻率的提高而降低。这一关系并不意味着可以孤立地比较厚度。其系数取决于几何形状、磁通分布、波形以及绝缘层对电流路径的阻断程度。

叠片减少了环流可利用的面积。每张钢片上的电绝缘涂层增加了相邻层之间的电阻，阻止大电流回路穿过叠片铁心。ASTM A976对电工钢绝缘涂层进行分类；因此，涂层类别是磁性结构的一部分，而不仅仅是表面处理的说明。即使基体钢符合规定的磁性能牌号，涂层发生损伤、过薄、不连续或具有导电性，也可能增加叠片损耗。

硅能够提高电阻率；在适用的成分和加工体系中，铝也可以有助于采用同样的损耗控制策略。较高的电阻率能够抑制经典涡流，但也可能影响延性、织构形成、晶粒长大和饱和特性。因此，硅含量是一个设计变量，而不是判定牌号等效性的规则。“更多硅”并不能指明某一特定标准牌号，也不能保证实测总损耗更低。

厚度同样必须结合试验条件理解。IEC 60404-8-3:2023涵盖以半工艺状态交付的冷轧无取向电工钢带和钢片，包括0.47、0.50、0.64、0.65和0.79 mm等名义厚度。IEC 60404-8-7:2017涵盖名义厚度为0.23、0.27、0.30和0.35 mm的全工艺取向材料。这些范围体现了结构上的差异，但并不能据此断定所有0.23 mm钢片的总损耗都低于所有0.35 mm钢片。磁滞损耗和附加损耗仍然存在，而且试验磁感应强度可能不同。

切割和叠装也会影响实际结果。毛刺可能在叠片之间形成电连接桥。冲压会在边缘附近引入塑性变形和残余应力，从而增加局部磁滞损耗并改变磁畴图样。去应力退火可能恢复部分磁性能，但其效果取决于钢种、涂层、气氛和热循环。

附加损耗或异常损耗与实际微观结构

附加损耗是与磁畴结构和非均匀磁化有关的额外动态损耗分量。它并不是仅根据厚度和电阻率计算出的经典涡流项。在交变激励下，磁畴壁不是作为一个平滑且均匀推进的界面连续运动，而是以不连续的步进方式移动。每个移动的磁畴壁都会引起磁通的局部变化，进而产生局部涡流。这些涡流与磁畴壁运动相互作用，形成超出理想化经典计算结果的动态损耗。

实际磁畴图样控制着这一损耗分量。晶界、夹杂物、应力场、表面损伤以及磁畴的间距和形状，会形成在不同磁场和不同时间发生翻转的区域。随着频率升高，在外加磁场再次变化之前，磁畴壁可用于响应的时间缩短。由此产生的非均匀磁化会增加附加损耗分量。磁畴细化能够减小局部磁通变化的幅度，并缩短移动磁畴壁周围的电流路径，这也是一些取向产品采用磁畴控制处理的原因。

取向电工钢显示了区分这些机制的重要性。ASTM A876涵盖低碳硅铁取向钢，其硅含量约为3.2%，并包括常规取向、高磁导率和激光刻痕牌号。ASTM牌号标识惯例将规定在1.5 T下进行试验的常规取向牌号，与规定在1.7 T下进行试验的牌号区分开来。报告损耗时必须保留相应的磁感应强度条件。ASTM A804/A804M主要用于热平整取向钢的单向交流测量，其结果可与25 cm爱泼斯坦法相比较；其单向配置不能与各向同性试验互换。

激光刻痕会局部改变磁畴结构，并可在规定条件下降低损耗，但它不能消除应力、切割、叠装或横向磁通的影响。同样，晶粒取向排列可以降低沿轧制方向测得的损耗，却可能在偏离该方向时产生不同的响应。因此，符合IEC 60404-8-7:2017的全工艺取向钢与符合ASTM A677的全工艺无取向钢属于不同的磁性类别，即使某一次试验结果显示二者的总损耗相近。

实际结论可以明确表述为：控制铁心损耗，需要使钢种类别、交货状态、厚度、涂层、取向、频率、磁感应强度、波形和试样方法与应用相匹配。磁滞损耗描述不可逆循环，经典涡流损耗描述由变化磁通感生的电流，而附加损耗则反映磁畴结构和非均匀磁化造成的动态效应。实测总损耗包含这三种损耗。将总损耗简单视为其中任何一种，都会导致错误的解释，并可能造成错误的材料选择或加工决策。

厚度、叠片和绝缘涂层作为损耗控制因素

电工钢厚度、涂层厚度和装配后铁芯尺寸描述的是不同的物理特征。将它们视为可以相互替代，会导致对铁芯损耗作出错误预测。片厚是单张电工钢叠片的厚度。涂层厚度是其表面电绝缘膜的厚度。叠片结构包括叠片数量、叠片的搭接和接缝、叠片系数、磁通方向以及装配后的磁路。采用更薄钢片制成的铁芯，如果切割损伤、绝缘不良、夹紧过度或磁性牌号不合适抵消了涡流损耗的降低，其总损耗并不一定更低。

KIT 于 2017 年发表的研究将变压器铁芯损耗分为磁滞损耗、经典涡流损耗和附加损耗。磁畴壁运动与磁滞损耗相关；交变磁通会感生环流；其余的动态贡献则作为附加损耗处理。叠片和涂层设计最直接影响的是与电流有关的损耗项，而不能替代适当的晶体织构、化学成分、应力控制或测试条件。

为什么较薄钢片通常会减少片间涡流通路

变化的磁通会产生电场。在整体式钢铁芯中，该电场能够驱动环流，使电流回路延伸穿过材料。电流通过钢材的电阻耗散功率，从而产生经典涡流损耗，并改变局部磁场。沿变化磁通所影响方向的可用电流回路尺寸越大，该回路周围感生的电压就越高。

叠片铁芯将一个大型导电体分割成许多薄片。每张叠片中的磁通主要沿其平面传播，而叠片之间的界面会阻断电流从一张叠片流向下一张叠片。对于经典涡流分量，常见的简化关系式包含叠片厚度的平方：在频率、磁感应强度、电阻率和波形保持不变时，减小厚度通常会使该分量显著降低。这一表述反映的是一种趋势，并非与牌号无关的保证。实际损耗还包括磁滞损耗和附加损耗，而制造应力可能会使这些损耗增加。

这种物理上的益处来自两个相互关联的效应。第一，较薄的钢片为感生电流回路提供了更短的尺寸。第二，由彼此独立绝缘的薄片组成的叠片堆，可防止这些电流回路通过相邻叠片的宽大表面彼此连接。如果叠片之间的界面形成电连接，有效电流回路尺寸可能接近铁芯相当一部分的高度或宽度，从而抵消叠片设计的大部分效果。

因此，产品标准规定的厚度值，只有与材料类别和交付状态结合起来才具有实际意义。IEC 60404-8-3:2023 涵盖以半工艺状态交付的冷轧无取向电工钢带和钢片，其标称厚度包括 0.47、0.50、0.64、0.65 和 0.79 mm。这些是标准规定的产品厚度，并不是普遍适用的性能排名。某一上述厚度的半工艺无取向钢片，仍必须依据其规定的磁性测试和加工条件进行评估。

IEC 60404-8-7:2017 涵盖以完全工艺状态交付的冷轧取向电工钢，包括 0.23、0.27、0.30 和 0.35 mm 等标称厚度。取向材料通常用于磁通主要沿轧制方向传播的场合，因此厚度和织构会共同发挥作用。0.27 mm 的取向钢片与 0.50 mm 的半工艺无取向钢片不能仅按厚度进行比较，因为二者的织构、热处理、磁化方向和交付状态均不同。

在给定的叠片堆高度内，较薄的叠片还会增加界面的数量。这可能因涂层和微小间隙占据叠片堆的一部分，而降低单位外部尺寸内的钢材体积。由此产生的叠片系数十分重要：标称高度为 100 mm 的叠片组件，并不含有 100 mm 厚的磁性钢材。切割和冲压还会带来另一项限制。毛刺可能使相邻叠片产生电连接，而切割边缘附近的残余应力可能增加磁滞损耗和附加损耗。因此，较薄材料可能降低经典涡流损耗，但较差的制造工艺会提高其他损耗分量。

表面绝缘的电气作用

涂层不仅是防腐蚀层或便于操作的表面处理层。它的电气功能是在相邻叠片的宽大表面之间保持较高的电阻，使感生电流大体上局限于自身叠片内。涂层并不需要阻止电流沿叠片流动；如果不改变钢材本身，这是无法实现的。涂层必须限制电流跨越叠片之间的界面。

这一差别说明了涂层连续性为何十分重要。一个小面积的涂层损伤、裸露边缘、导电性污染物或冲压毛刺，都可能在数张叠片之间形成电桥。一个电桥不一定会使整个铁芯短路，但多个电桥可能形成延伸的片间导电通路。夹紧压力也可能压缩或损坏涂层，而焊接或粘接工艺可能形成局部导电连接。因此，即使钢片及其标称涂层没有改变，铁芯装配过程仍会影响损耗。

涂层厚度和钢片厚度会产生不同的后果。增加钢片厚度会改变磁通和涡流所经过的钢材区域。增加涂层厚度主要会增大电隔离距离，并减少固定叠片堆厚度中钢材所占的比例。它不会把厚叠片变成薄叠片。反之，在薄钢片上采用极薄涂层，也不等同于采用较厚钢片并具有相同的组件总厚度。

绝缘层还必须能够承受规定的制造和热处理过程。完全工艺取向钢可能会接受与其规范相关的消除应力处理或其他受控处理；半工艺无取向钢则是为后续加工而供应的，而后续加工可能改变其磁性能。电阻、附着力、耐温性以及对切割或退火的响应必须结合起来考虑，但涂层标识不应被视为数值形式的铁芯损耗。

ASTM A976 是用于电工钢绝缘涂层分类的相关 ASTM 规范。ASTM 并不以 A976 代替磁性钢产品标准。ASTM A06.02 分委员会指出，ASTM A677 适用于完全工艺无取向电工钢，ASTM A683 适用于半工艺无取向电工钢，ASTM A876 适用于完全工艺取向电工钢，而 ASTM A976 适用于绝缘涂层分类。根据适用的标准体系，涂层分类用于标识涂层类型或等级；但涂层分类本身并不能确定某种特定钢材在未说明的频率和磁感应强度下的铁芯损耗。因此，涂层等级和实测性能必须依据适用版本的 ASTM A976 确定，而不能根据钢片外观推断或自行指定。

铁芯损耗的比较仍取决于测量条件。例如，ASTM A677 涵盖主要用于 50 Hz 和 60 Hz 磁性装置的完全工艺无取向电工钢，其牌号依据采用 Epstein 测试方法在 60 Hz 和 1.5 T 下测得的最大铁芯损耗进行分类。ASTM A804/A804M 主要适用于热平整取向电工钢的单向交流测量，其结果可与 25 cm Epstein 方法相比较。取向牌号的标识还区分了在 1.5 T 下测试的常规牌号与规定在 1.7 T 下测试的其他牌号。未注明频率、磁感应强度、试样方法、适用时的轧制方向以及交付状态的损耗数据是不完整的。厚度和涂层控制的是电流通路；它们并不能消除这些测量条件。

磁性测试：Epstein、单片和单向方法

磁性参数并不是脱离条件而独立存在的数值。它属于特定的测试条件：材料类别、交货状态、试样几何形状、磁路、频率、峰值磁感应强度、相对于轧制方向的方向，以及叠片之间的电绝缘状况。如果报告“铁心损耗”时不提供这些细节，两个有效的测量结果可能看起来相互矛盾。

这一差异之所以重要，是因为电工钢并不是单一的材料类别。全工艺无取向电工钢、半工艺无取向电工钢和全工艺取向电工钢具有不同的织构、热处理、预期用途和测试惯例。ASTM A06.02分委员会将这些差异分别纳入不同标准：ASTM A677适用于全工艺无取向电工钢，ASTM A683适用于半工艺无取向电工钢，ASTM A876适用于全工艺取向电工钢，ASTM A976则对绝缘涂层进行分类。

测得的损耗也有多个物理来源。2017年卡尔斯鲁厄理工学院的研究将变压器铁心损耗分为磁滞损耗、经典涡流损耗和附加损耗。磁滞损耗产生于磁化反转过程中畴壁经过缺陷和钉扎位置时的运动。经典涡流损耗是交变磁通发生变化时，钢材内部感应电流所造成的损耗。附加损耗则代表与畴壁非均匀运动及局部磁过程相关的额外动态损耗。测试方法是在规定的波形和频率下记录这些损耗的综合影响；它并不能仅凭化学成分确定材料牌号。

25 cm Epstein方法和带材试样

25 cm Epstein方法采用窄的矩形带材，将其组装成方形磁路。试样长度通常为25 cm，带材的排列方式使磁路包含沿主要测试方向切取的材料。因此，该测试并不是对孤立片段的测量，而是在受控组装状态下进行的测试，其中施加的磁场强度、感应电压、磁通以及试样的质量或体积，都与所报告的磁性量相关。

对于无取向片材，这种布置方式能够得到从不同方向取样材料的标准化平均响应。这种平均值具有实用意义，因为无取向电工钢的设计目标是限制方向差异，而不是将其磁性能集中在某一晶体学方向上。不过，结果仍会受到切割、毛刺、试样状态、叠装、绝缘以及励磁控制方式的影响。

ASTM A677是其中的核心示例。该标准适用于主要用于50 Hz和60 Hz磁性装置的全工艺无取向电工钢，并按照在60 Hz和1.5 T条件下采用Epstein测试方法测得的最大铁心损耗对牌号进行分类。频率和磁感应强度是牌号判定条件的一部分。在50 Hz或1.0 T下测得的数值，即使带材和仪器均未改变，也不等同于ASTM A677分类结果。

带材还必须代表所规定的交货状态。全工艺片材已经完成建立其供货磁性能所需的最终退火和绝缘处理。半工艺无取向电工钢则不同：其最终磁性能可能取决于用户的后续加工，通常包括去应力退火。IEC 60404-8-3:2023涵盖以半工艺状态交付的冷轧无取向电工钢带和片材，包括0.47、0.50、0.64、0.65和0.79 mm等公称厚度。这些厚度标称值不会自动转换为ASTM A677全工艺牌号。

厚度会影响损耗，但不能替代牌号标识。减小叠片厚度通常会缩短循环涡流可通过的路径。表面电绝缘会进一步阻断这些电流，而添加硅和铝则会提高电阻率。然而，最终损耗还取决于织构、晶粒尺寸、应力、涂层、波形和频率等因素。在一种状态下测试的薄片材，不能仅凭厚度，与按照另一标准测试的厚片材进行排序比较。

取向片材的ASTM A804/A804M

取向电工钢需要采用不同的侧重点，因为其磁性能具有明确的方向性。在热平整取向材料中，轧制方向与强高斯织构相关，因此沿该方向的磁化性能可能与横向磁化性能存在显著差异。对不同方向进行平均的测试，可能会掩盖变压器铁心真正关注的性能。

ASTM A804/A804M主要用于对作为变压器铁心叠片材料的热平整取向电工钢进行单向交流磁性测量。与传统的Epstein组装不同，该方法旨在沿规定的磁方向测量材料。ASTM International指出，ASTM A804/A804M的结果与25 cm Epstein方法的结果具有可比性，但“可比”并不意味着试样布置和方向信息可以相互替代。报告结果时，仍必须注明测试方法。

单片或单向测试能够比多方向带材组装更直接地揭示取向材料在轧制方向上的行为。试样沿选定方向磁化，并根据感应电压建立交变磁感应强度。因此，所报告的损耗具有方向性含义：轧制方向的数值不应被理解为各向同性片材的平均值，横向结果也不应替代轧制方向结果。

ASTM A876涵盖含硅量约为3.2%的低碳硅铁取向钢，包括普通取向、高磁导率和激光刻痕牌号。IEC 60404-8-7:2017涵盖以全工艺状态交付的冷轧取向电工钢带和片材，包括公称厚度为0.23、0.27、0.30和0.35 mm的高斯织构材料。这些文件规定了材料类别和交货条件；测试方法则提供了使所列磁性参数具有意义的测量背景。

磁感应强度和频率条件的解读

磁感应强度通常以特斯拉表示，不能与磁场强度互换。在交流测试中，磁感应强度波形及其峰值决定材料沿磁化曲线被驱动的程度。在较高磁感应强度下，磁畴过程和饱和效应可能大幅增加损耗。频率会改变每秒磁化反转的次数，并提高动态损耗的贡献，尤其是涡流损耗和附加损耗。

因此，ASTM惯例将以1.5 T测试的取向钢牌号与以1.7 T测试的牌号区分开来。普通取向牌号规定在1.5 T下测试，而其他取向钢牌号规定在1.7 T下测试。牌号标识确定了分类或报告性能所规定的磁感应强度；它并不仅仅是一个偏好的工作点。将1.5 T结果与1.7 T结果当作相同的牌号测试进行比较，可能会颠倒表面上的性能排序。

频率也同样需要谨慎对待。ASTM A677的分类条件为60 Hz和1.5 T，反映了其主要用于50 Hz和60 Hz装置的用途。在400 Hz下进行的测试，测量的是磁滞损耗、经典涡流损耗和附加损耗之间不同的平衡。即使材料、厚度和试样方法均保持不变，如果没有经过论证的频率模型以及相匹配的波形假设，也不能直接转用该数值。

因此，一份可进行可靠判定的报告应说明材料标准和牌号标识、交货状态、公称厚度、试样方法、频率、峰值磁感应强度、相关情况下的波形、绝缘状态和测试方向。对于取向电工钢，必须明确轧制方向。“铁心损耗：1.5 W/kg”这一表述并不完整；“采用25 cm Epstein方法，在60 Hz和1.5 T下对全工艺无取向电工钢测得的铁心损耗”才明确给出了可使用的结果。对于单向取向钢测量，方向以及ASTM A804/A804M方法同样不可或缺。

测试方法是磁性参数的一部分，而不是事后附加的脚注。

如何阅读牌号或数据表而不产生误读

牌号并不是完整的磁性能规格。它只是在某一标准体系内标识一种材料，但材料表现出的性能还取决于交货状态、厚度、测试频率、磁感应强度、试样方向以及测量方法。遵循有条理的阅读顺序，可以避免将硅含量或较薄的标称厚度误认为磁性能的直接替代指标这一常见错误。

解读标准、交货状态和牌号系列

应从适用标准开始，而不是从牌号编号开始。例如，ASTM A677 涵盖全工艺无取向电工钢，主要用于 50 Hz 和 60 Hz 的磁性器件。根据 ASTM A677-07（ASTM International，2007）中规定的 Epstein 试验方法，其牌号按照 60 Hz、1.5 T 条件下测得的最大铁芯损耗进行分类。但这一分类并不描述材料在所有可能运行条件下的表现。

然后确定交货状态。全工艺材料已经完成其规范要求的磁性热处理，并以磁性能已经确定的状态供应。半工艺材料则供应给用户进行进一步加工，通常包括最终退火。因此，不应将其交货状态下的磁性能视为与全工艺钢板等同。

ASTM 标准体系明确体现了这一差别。ASTM A06.02 分委员会将 ASTM A677 列为全工艺无取向钢标准，将 ASTM A683 列为半工艺无取向钢标准，并将 ASTM A876 列为全工艺取向钢标准。ASTM A976 涉及绝缘涂层的分类。只写有“电工钢”的数据表缺少将材料准确归入这一标准体系所需的信息。

接下来确定钢种系列。无取向电工钢的设计目标是在板面内不同方向上提供相对相近的磁性能，但它并非完全与方向无关。取向电工钢具有明显的晶体学织构，通常与 Goss 取向有关，通常沿轧制方向或其他规定方向进行评价。这两个系列服务于不同的磁路设计，不应通过单一的牌号编号层级进行比较。

ASTM A876 涵盖低碳硅铁取向钢，其中硅含量约为 3.2%。该标准包括普通取向、高磁导率取向和激光刻痕取向牌号。IEC 60404-8-7:2017 涵盖以全工艺状态交付的冷轧取向电工钢带和钢板，包括 0.23、0.27、0.30 和 0.35 mm 等标称厚度。这些厚度是该产品标准中的典型条目；它们本身并不构成性能等级。

对于半工艺无取向材料，IEC 60404-8-3:2023 规定了 0.47、0.50、0.64、0.65 和 0.79 mm 等标称厚度，以及磁性能、尺寸公差和检验程序。某一厚度出现在这一列表中，并不意味着该钢板等同于相同厚度的全工艺无取向牌号。

应将标称厚度与牌号分开记录。同时记录涂层或绝缘信息。电绝缘涂层能够提高层间电阻，减少相邻叠片之间的环流；ASTM A976 提供了相关的涂层分类框架。硅和铝可以提高电阻率，而织构控制和加工工艺会影响磁滞和磁导率。单独考虑上述任何一个特征，都不能确定最终的铁芯损耗值。

正确理解最大铁芯损耗分类

最大铁芯损耗等级是在规定条件下的合格限值，而不是普遍适用的损耗常数。如果 ASTM A677 根据 60 Hz、1.5 T 和 Epstein 试验条件下的最大损耗对牌号进行分类，那么该数值仅适用于这一明确规定的测量条件。它并不能自动预测 400 Hz、1.0 T、旋转磁通，或经过不同冲片和去应力处理后的损耗。

在转录数据时，应将测试条件与数值并列保留：“最大单位质量总损耗，[频率]，[磁感应强度]，Epstein 试验。”删除方括号中的条件，会将有适用范围的结果变成具有误导性的数值。取向牌号也应遵循同样的原则。ASTM 的做法区分了规定在 1.5 T 下测试的普通取向牌号，以及规定在 1.7 T 下测试的其他取向牌号（ASTM International，2024）。如果不保留测试磁感应强度，直接比较它们的数值限值是无效的。

试样方法同样会改变结果。ASTM A804/A804M 主要用于对热平整取向电工钢进行单向交流测量，该材料用于变压器铁芯叠片。其结果与 25 cm Epstein 方法具有可比性，但“可比”并不意味着每种试验几何条件都会产生完全相同的读数。因此，只要数据表中出现 ASTM A804/A804M-04（2021 年确认继续有效）测量结果，就应明确标注该标准。

铁芯损耗本身包含若干物理组成部分。卡尔斯鲁厄理工学院于 2017 年发表的研究将变压器铁芯损耗分为磁滞损耗、经典涡流损耗和附加损耗。磁畴壁在磁性结构中的运动会产生磁滞损耗。变化的磁通会在钢中感应出涡流，从而产生经典涡流损耗；磁畴结构和局部电流路径则会促成附加损耗。

当织构、加工、涂层、应力或试验条件不同时，较薄的电工钢薄板并不一定具有较低损耗。 Limited evidence

厚度主要影响涡流损耗部分，因为较短的电流路径能够减少环流损耗。更低的损耗也可能来自更高的电阻率、适当的绝缘、较低的应力或更好的晶粒取向。一张更薄的钢板，如果其织构、加工状态、涂层或测试条件不同，测得的总损耗仍可能更高。“0.27 mm”表示的是厚度，并不是完整的磁性能牌号。

区分磁导率、磁感应强度和损耗

磁导率描述在给定磁场强度下能够产生多少磁感应强度。以简化形式表示，相对磁导率是将材料的响应与真空的响应进行比较。数据表可能报告初始磁导率、最大磁导率，或某一规定磁感应强度下的磁导率。这些是不同的物理量，不得合并为一个数值。

磁感应强度是磁通密度，通常以特斯拉表示。它是测量某项性能时所对应的运行点或测试点。高磁导率取向钢可能以低于另一种钢的磁场强度达到规定的磁感应强度，但其总损耗仍取决于频率、波形、厚度、织构、应力和绝缘状况。易于磁化并不等同于每个周期的能量耗散较低。

铁芯损耗是在规定交变磁激励下，以单位质量或单位体积计的功率耗散。其数值同时强烈依赖于频率和磁感应强度。两张钢板在某一磁感应强度下可能具有相近的磁导率，但损耗不同；也可能在某一测试点具有相近的损耗，却在磁化曲线的其他位置表现出不同的磁导率。

应将每项性能作为一个完整的参数组来阅读：交货状态、牌号系列、标称厚度、频率、磁感应强度、方向、试样方法以及所报告的性能。对于取向钢，还应增加轧制方向，并注明测试是纵向、横向还是其他规定方向。进行比较时，应一次只改变一个变量。缺少这些条件的数据表或许仍能识别某个产品系列，但不足以支持可靠的磁性能比较。

改变磁性能的制造变量

电工钢的磁性能并不只由硅含量或标称厚度决定。轧制历史、退火、晶粒取向、残余应力、表面绝缘，以及钢带以何种状态到达铁芯加工车间，都会影响测得的结果。因此，全工艺无取向钢、半工艺无取向钢和全工艺取向钢之间的区别，既是制造工艺上的区别，也是标准规定上的区别。

ASTM A06.02 分委员会将 ASTM A677 规定为全工艺无取向钢的适用标准，将 ASTM A683 规定为半工艺无取向钢的适用标准，将 ASTM A876 规定为全工艺取向钢的适用标准，并将 ASTM A976 规定为电工钢绝缘涂层的适用标准。IEC 60404-8-3:2023 涵盖以半工艺状态交付的冷轧无取向电工钢，而 IEC 60404-8-7:2017 涵盖以全工艺状态交付的冷轧取向电工钢。牌号只有与其交付状态及磁性能所附带的试验条件结合起来，才具有完整意义。

冷轧压下率、再结晶与晶粒尺寸

冷轧压下率改变的不仅是钢片厚度。它会使晶粒 elongate，提高位错密度，储存变形能，并形成晶体学和机械各向异性。这些变化会影响磁畴壁运动，以及磁化方向跟随外加磁场变化的难易程度。因此，严重变形的钢带，其磁性能可能与相同成分和标称厚度的退火钢带存在显著差异。

再结晶通过在热处理中形成新的、相对无应变的晶粒，消除大部分冷加工组织。最终形成的织构取决于初始组织、压下历史、退火条件、抑制剂和合金化学成分。随后发生的晶粒长大会改变晶界的数量和特征。晶界可能阻碍磁畴壁，而过大或形状不规则的晶粒则可能增加局部磁性能的不均匀性，并使接缝和剪切边缘附近的响应更加复杂。不存在一条能够同样适用于无取向产品和取向产品的通用晶粒尺寸规则。

对于无取向电工钢，加工的目标是形成一种晶体学取向分布，使材料在板面内不止一个方向上都具有有用的磁响应。全工艺无取向材料已由生产商完成最终磁退火。半工艺无取向材料尚未完成全部最终处理；用户后续的退火和制造工序可能改变其再结晶组织、晶粒尺寸和磁性能。IEC 60404-8-3:2023 将标称厚度为 0.47、0.50、0.64、0.65 和 0.79 mm 的半工艺材料纳入范围，但这些厚度并不能规定在后续热处理条件未明确的情况下最终会达到的铁损。

取向钢遵循不同的目标。其加工过程形成强烈的 Goss 织构，通常用 {110}<001> 取向描述，使许多晶粒的易磁化方向平行于轧制方向。ASTM A876 涵盖含约 3.2% 硅的低碳硅铁取向钢，并包括常规取向、高磁导率和激光刻痕牌号。IEC 60404-8-7:2017 涵盖标称厚度为 0.23、0.27、0.30 和 0.35 mm 的全工艺取向钢带。

报告取向钢性能时，轧制方向至关重要。沿预定磁通方向测得的数值，不能直接用于横向区域或以接缝为主导的区域。ASTM A804/A804M 主要用于对热平整取向钢进行单向交流测量，其结果可与 25 cm Epstein 法相比较。试样几何形状和测试方向都是结果的一部分。

晶粒尺寸还会与铁芯损耗的不同组成部分相互作用。2017 年卡尔斯鲁厄理工学院的研究将变压器铁芯损耗分为磁滞损耗、经典涡流损耗和附加损耗。磁滞损耗反映不可逆的磁畴壁运动和磁化过程。经典涡流损耗产生于交变磁通在钢片中感应出的环流电流。附加损耗则代表简单经典项无法涵盖的其他动态磁畴过程。退火可以通过去除应变，降低与磁滞相关的影响；而厚度、电阻率、磁畴结构和频率则会影响其他损耗组成部分。

应力消除与平整度

切割、冲裁、剪切、弯曲和叠装都会施加平整试验钢带原本不存在的应力。冲裁边缘包含塑性变形和残余应力；相对于自身宽度而言，狭窄的齿部或角部可能承受很大的应力梯度。这些区域会阻碍磁畴壁运动，并可能提高局部磁滞损耗。在大型 Epstein 试样中，这种影响可能很小；但在紧凑型电动机定子、变压器角部或成形尖锐的部件中，影响可能十分显著。

交付状态之所以重要，是因为全工艺材料并不意味着其不会受到制造影响。全工艺钢片已经完成规定的生产商端磁性能处理，但切割和成形仍可能降低最终叠片的磁响应。半工艺无取向钢则更加依赖采购方后续的退火和成形工序。因此，由制造前钢片测试结果所组成的铁芯，其损耗可能高于证书所显示的数值。

热平整同时处理几何形状和应力问题。热处理可以降低轧制、切割或搬运产生的残余应力，并改善平整度；但温度暴露也会影响晶粒组织、涂层性能和磁性能。ASTM A804/A804M 专门涉及用作变压器铁芯叠片材料的热平整取向钢。这个限定十分重要：热平整、单向测试钢带的数值，并不能自动代表经过剪切、叠装和夹紧后的铁芯性能。

机械夹紧会引入另一种应力来源。过大的压力、不均匀叠装、过紧的卷绕或局部毛刺接触，都可能限制磁致伸缩和磁畴运动。平整度问题可能在叠片之间形成间隙或点接触，从而改变磁通分布并增加局部损耗。热平整并不是能够消除所有加工影响的通用修复步骤。其效果取决于此前的变形程度、热处理、钢种类别和涂层体系。

磁畴细化与表面状态

磁畴细化可以缩短磁畴反转所需经历的距离，从而限制磁畴壁运动相关的能量，并在适当条件下降低损耗。激光刻痕是取向钢所采用的一种方法。它在钢片表面形成窄而受控的扰动，使磁畴沿钢片宽度方向细分。该处理并不等同于改变钢材整体的硅含量，其效果必须结合牌号规定的测试磁感应强度加以考虑。

ASTM A876 区分不同的取向钢牌号和测试条件，其中包括规定在 1.5 T 下测试的常规牌号，以及规定在 1.7 T 下测试的其他牌号。在不同磁感应强度下比较损耗值，可能得出错误的性能排序。每一个引用的磁性能数值都必须同时注明频率、磁感应强度、轧制方向、试样方法和交付状态。

表面涂层有两项作用。它能够使相邻叠片彼此电绝缘，提高片间电阻并减少环流涡流；同时还会影响张力、冲裁性能、热处理适应性和叠装性能。ASTM A976 为电工钢绝缘涂层提供了分类框架。即使钢基体符合钢片规范，涂层损伤、导电毛刺、涂层过厚或接触分布不良，仍可能改变组装铁芯的损耗。

表面状态也会影响应力。粗糙度、划痕、氧化物残留和涂层不均匀性，可能在叠装时形成局部接触点或约束钢片。激光刻痕、涂层张力和切割后的边缘损伤可能共同发挥作用，而不是彼此独立。薄规格叠片有助于降低经典涡流损耗，但更薄的钢片并不能消除由织构不良、残余应力或不利励磁引起的磁滞损耗或附加损耗。

因此，相关问题并不只是供应了哪一种牌号，而是所规定的牌号、加工状态、织构、表面绝缘、切割工艺、应力消除处理和铁芯组装方式，是否能够在实际频率和磁感应强度下实现所要求的损耗。正在使用的磁性部件是成品铁芯；原始平整钢带试验，只是其制造历史中的一次受控测量。

围绕材料特性设计变压器和旋转电机铁心

铁心所处的磁场条件，并不等同于用于对钢片牌号进行分类的测试条件。材料会被切割成特定几何形状，进行绝缘、叠装、夹紧，并由特定波形驱动。每一个步骤都可能改变成品部件所呈现的磁响应。因此，牌号名称标识的是一种材料类别和规定的测试条件，而不是每个组装完成的铁心都能保证达到的损耗值。

在设计阶段，区分交货状态十分重要。ASTM A677涵盖主要用于50 Hz和60 Hz磁性设备的全加工无取向电工钢；其牌号按照采用Epstein测试法在60 Hz、1.5 T下测得的最大铁心损耗进行分类。ASTM A683涵盖半加工无取向钢，而ASTM A876涵盖全加工取向钢。IEC 60404-8-3:2023规定了以半加工状态交付的冷轧无取向电工钢带和钢片，而IEC 60404-8-7:2017涵盖全加工取向材料。

这些标准所描述的并不是可以相互替代的产品，而是成分、织构、加工工艺、磁性测试和交货状态的不同组合。

变压器铁心与优选磁通方向

变压器铁心的设计目标，是使大部分交变磁通沿着取向电工钢的轧制方向，通过一条受控的路径。在全加工取向钢中，强Goss织构使许多晶体方向相对于轧制方向处于有利位置。因此，在该方向上实现磁化所需的磁场小于随机取向集合体所需的磁场，尤其是在设计所采用的磁感应强度和频率下。

这也是变压器叠片并不是简单地堆叠一组完全相同矩形片的原因。钢带会经过切割和定向，使磁通沿铁心柱和铁轭流动时尽可能少发生突兀的方向变化。阶梯搭接接头及相关接头结构会将过渡分散到多片叠片上，而不是迫使全部磁通通过一个尖锐的对接接头。其目标不仅是缩短磁路，还包括降低局部励磁场的集中程度，并减少对优选织构的扰动。

ASTM A876涵盖含约3.2%硅的低碳硅铁取向钢，并包括常规取向钢、高磁导率取向钢和激光刻痕取向钢。任何报告的性能都必须同时注明测试磁感应强度：按照ASTM International在2024年所确定的ASTM分类惯例，常规取向钢牌号规定在1.5 T下进行测试，而其他取向钢牌号规定在1.7 T下进行测试。1.5 T下的损耗数值不能与1.7 T下的数值随意比较。

ASTM A804/A804M主要用于对热平整取向钢进行单向交流磁性测量。其结果可与25 cm Epstein法相比较，但测试布置仍不同于包含接头、拐角、夹紧硬件以及绕组引起的磁场的完整变压器。轧制方向和试样取向都是测量定义的一部分。

晶粒取向可以降低磁性负担中的一个组成部分，但并不能消除铁心损耗的三个物理来源。2017年卡尔斯鲁厄理工学院的研究将铁心损耗分为磁滞损耗、经典涡流损耗和附加损耗。畴壁运动会产生磁滞损耗。交变磁通会感生涡流，其大小受到叠片厚度、电阻率以及钢片之间绝缘状况的影响。附加损耗代表与磁畴过程和局部磁场不均匀性有关的额外动态效应。硅、铝、薄带材、表面绝缘和织构可能以不同方式影响这些损耗项。

因此，变压器设计人员必须使钢材的优选方向与磁通路径相匹配，并在制造过程中保持这一优势。如果切割边缘、接头或受应力区域在组装铁心中占据主导地位，即使钢片的标准化损耗较低，其实际性能仍可能很差。

旋转电机与变化的面内磁通

旋转电机中的磁路不那么容易受到控制。在定子齿、背铁和转子部件中，局部磁通方向会随着转子运动以及绕组磁场旋转而发生变化。大量磁通仍在叠片平面内流动，但其与轧制方向之间的角度持续变化。取向钢片只有在特定方向上才能提供最强的磁响应，因此并不适合必须反复承受面内方向变化的铁心。

因此，全加工无取向电工钢通常是这类磁路所采用的材料类别。其晶体学织构经过控制，以限制方向差异，而不是形成一个占主导地位的易磁化方向。相关选择仍然不能简化为“高硅还是低硅”。它还包括规定的牌号、公称厚度、交货状态、电阻率、表面绝缘、磁感应强度、频率和加工历史。

半加工无取向钢带来了另一种设计条件。IEC 60404-8-3:2023包括以半加工状态交付的钢带和钢片，其公称厚度为0.47、0.50、0.64、0.65和0.79 mm，并规定了磁性能、尺寸公差和检验程序。最终退火可能属于用户制造流程的一部分，因此，在冲片和热处理之后的磁性状态，不能根据全加工材料的牌号直接推断。ASTM A06.02分委会将A683列为半加工无取向钢标准，将A677列为全加工无取向钢标准；两种牌号不应相互替代。

旋转电机铁心还会受到由开槽、齿顶饱和、谐波和机械不对称性产生的局部磁通分量影响。这些磁场可能不同于目录或标准测试中所采用的正弦、均匀激励。即使公称工作频率不变，由此产生的损耗也可能上升。薄叠片有助于降低经典涡流损耗，因为每片绝缘钢片都会限制环流路径；但较薄的材料并不能自动解决由损伤边缘、应力或畸变磁通引起的磁滞损耗或附加损耗问题。

叠装、接头与局部应力

成品铁心中包含的钢材多于磁路实际有效利用的钢材。叠装系数是实体钢材体积与总叠装体积之比，其余部分由涂层、表面粗糙度、波浪度和微小间隙占据。较低的叠装系数意味着，为使磁通通过铁心截面保持相同的平均值，钢材中必须具有更高的磁通密度。即使单片钢材仍符合其原始Epstein测试结果，这种情况也可能提高损耗和励磁电流。

叠片之间的电绝缘对于限制片间涡流至关重要。ASTM A976提供了电工钢绝缘涂层的ASTM分类框架。涂层如果受到损伤、被污染、固化不良，或受到超过其设计条件的压缩，可能在多片钢片之间形成导电桥路。这些桥路会扩大涡流回路。名义上的钢材牌号并未改变，但叠片内部的电路已经发生了变化。

切割和冲压会进一步造成钢片测试状态与铁心实际性能之间的不匹配。剪切会使边缘附近的材料发生塑性变形，改变局部磁畴，并可能增加磁滞损耗和附加损耗。冲压可能在孔洞和狭窄齿部周围施加更严重的应变。当受损区域占齿部的比例较大，或磁通在边缘附近集中时，即使受损带很窄，也可能产生不成比例的影响。去毛刺、使用合适的模具、在交货状态和涂层允许的情况下进行去应力退火，以及严格控制间隙，都是限制这种损耗增加的方法；但这些措施都不会追溯性地改变标准化牌号测试结果。

毛刺同时属于机械缺陷和电气缺陷。毛刺可能减小相邻叠片之间的有效间隙，刺穿或挤开绝缘层，并在叠片之间形成导电接触。它还可能形成局部几何凸起，在夹紧过程中集中应力。其结果是形成一个磁通密度发生变化并具有额外环流路径的区域。

接头需要单独关注。在变压器拐角处，磁通必须从一个铁心柱或铁轭段转移到另一个铁心柱或铁轭段。即使设计良好的阶梯搭接接头也会增加磁阻，并产生局部边缘磁通。配合不良、间隙过大、叠片错位或毛刺，都可能使磁场集中在少数几片钢片上。这样，完整铁心测得的损耗可能超过通过将钢片损耗数值乘以质量而估算出的结果。

夹紧压力对于保持几何形状是必要的，但过大或不均匀的压力会引入弹性应力和塑性应力。应力会改变畴壁运动并降低磁导率，尤其是在孔洞、拐角、接头和狭窄齿部附近。当叠片在叠装过程中发生变形，或机架限制热膨胀时，也会出现同样的效应。除钢材牌号外，铁心设计还应规定压力分布、平面度、接头配合、涂层状态和边缘质量。

实际原则很简单：根据磁通方向和测试条件选择材料，然后设计制造流程，使这些性能在组装后仍得以保持。标准化测试结果属于规定试样的结果，而电机铁心则是一种承受应力、具有绝缘层和接头的磁性结构。

电工钢牌号的实用比较框架

进行同类比较

“电工钢”描述的是若干材料类别，而不是一种可以相互替代的产品。全工艺无取向钢、半工艺无取向钢和全工艺取向钢都可以被称为电工钢，但它们服务于不同的磁路，也需要采用不同的比较方法。

全工艺无取向电工钢的性能，是在制造商完成磁性能加工工艺后进行表征的。其性能旨在使材料在板面内不同方向上相对接近，尽管永远不会达到完全各向同性。ASTM A677涵盖此类材料，主要用于50 Hz和60 Hz的磁性器件。其牌号按照采用Epstein试验方法、在60 Hz和1.5 T条件下测得的最大铁芯损耗进行分类。只有当设计在接近相同的频率、磁感应强度、试样方法和交货状态下运行时，这种分类才具有比较意义。

半工艺无取向钢属于另一种比较对象。采购方或加工方可在冲裁、冲压或成形后进行最终退火，使材料形成规定的磁性能状态。ASTM A683涉及半工艺无取向钢；IEC 60404-8-3:2023则涵盖以半工艺状态交付的冷轧无取向钢带和钢片。该IEC标准包括0.47、0.50、0.64、0.65和0.79 mm的公称厚度。同一公称厚度的半工艺钢片和全工艺钢片，并不会仅仅因为都带有损耗等级标识，就具有等同性。

取向电工钢又属于另一类材料。其高斯织构使有利的晶体学取向集中于轧制方向，因此特别适用于磁通沿该方向传递的磁路。ASTM A876涵盖低碳硅铁取向钢，其硅含量约为3.2%，并包括普通取向、高磁导率和激光刻痕牌号。IEC 60404-8-7:2017涵盖公称厚度为0.23、0.27、0.30和0.35 mm的全工艺取向钢片。这些较薄产品的涡流损耗可能低于较厚的无取向钢片，但这并不意味着它们可以直接替代用于具有显著横向磁通或旋转磁通的旋转电机中的无取向钢片。

因此，比较时首先要问的不是“哪个牌号的数值更低”，而是“这些材料是否属于相同的类别、交货状态和磁性应用？”

基于标准的性能核对清单

有用的比较应将性能与其测量条件一并记录。首先记录标准和牌号，然后说明材料属于全工艺状态还是半工艺状态。工艺状态会影响磁导率、磁滞、冲裁响应、残余应力，以及任何规定的最终退火之后所获得的结果。

应将公称厚度与实测厚度分别记录。厚度会影响经典涡流损耗，因为交变磁通会在钢片内部感生环流；减小叠片厚度会缩短电流的路径，并提高相关电流回路中的电阻。然而，厚度本身并不能规定总铁芯损耗。2017年发表的KIT研究将变压器铁芯损耗分为磁滞损耗、经典涡流损耗和附加损耗。磁畴壁运动会产生磁滞损耗，而变化的磁通会感生涡流；附加损耗则反映其他动态磁畴过程。忽略另外两项损耗的厚度比较，可能会错误识别起主导作用的机制。

每个损耗值旁边都必须注明试验频率和磁感应强度。ASTM A677以60 Hz和1.5 T作为分类依据。取向钢牌号需要特别谨慎：ASTM试验规范区分了规定在1.5 T下进行测试的普通牌号，以及规定在1.7 T下进行测试的其他牌号。在未考虑磁化曲线上不同测试点的情况下，不能将1.5 T下测得的数值直接与1.7 T下测得的数值进行排序比较。频率同样会改变磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗之间的比例。

应注明试样方法。Epstein试验通过规定的钢带组合，对磁性能进行平均；而ASTM A804/A804M主要用于对作为变压器铁芯叠片材料的热平整取向电工钢进行单向交流测量。ASTM A804/A804M的结果可与25 cm Epstein方法的结果进行比较，但两种方法并不是可以互换的标签。测量方向同样重要。对于无取向钢，应报告测量方向或平均处理方法。对于取向钢，应明确轧制方向、横向，或磁通与轧制方向之间的夹角。沿轧制方向测得的取向钢结果，对于由横向磁通主导的磁路而言，参考价值很有限。

核对清单还必须包括磁导率，而不能只记录损耗。即使所报告的铁芯损耗值相近，较高的磁导率也可以降低励磁电流和局部磁通应力。晶粒取向可以提高某一方向上的磁导率，同时增强各向异性，使角部接头、偏斜磁通和横向分量更难以控制。激光刻痕可以改变磁畴结构，并在规定的试验条件下降低损耗，但它不会消除方向性行为。

最后，应记录绝缘涂层的分类，以及加工后表面的状态。ASTM A976为电工钢绝缘涂层提供了分类框架。涂层厚度、层间电阻、冲裁性、焊接性，以及切割后的消除应力处理，都会影响组装后的铁芯。提高层间电阻的涂层可以减少叠片之间的环流，而过厚的涂层或受损的界面则可能改变叠片系数和接头性能。

较低的标称损耗并不是完整的设计答案

如果较低的目录损耗是在不同的磁感应强度、频率、方向或试样方法下获得的，那么选择该材料可能是错误的。在比较取向材料和无取向材料时，这一错误尤其严重。取向钢沿轧制方向可能具有极低的损耗和很高的磁导率，但电机定子承受的是旋转磁通，变压器接头处也会出现局部磁通偏离。无取向钢牺牲了极高的方向性性能，以换取更均匀的板面内性能，从而通常能够简化磁路和制造工艺。

可制造性也会改变结果。冲裁会引入边缘损伤和残余应力，从而增加磁滞损耗并降低磁导率。半工艺材料可以在受控的最终退火过程中恢复磁性能，但该步骤会带来气氛、温度、洁净度、夹具和尺寸方面的限制。全工艺材料不需要进行这一特定工序，但仍会对切割应力、夹紧、弯曲和接头压力较为敏感。

硅和铝含量有助于提高电阻率，并可降低涡流损耗，但成分并不能构成通用的牌号排序依据。织构、晶粒尺寸、析出物控制、退火历史、涂层和应力状态，可能比简单比较硅含量更为重要。薄叠片、绝缘涂层、较高的硅和铝含量，以及晶粒取向，都是控制损耗的机制，并不是衡量整体磁性适用性的可互换指标。

可重复使用的比较框架如下：

材料类别；交货状态和加工状态；公称厚度；织构和各向异性；所报告的磁导率和损耗；试验磁感应强度；频率；试样方法；磁性方向；涂层分类和层间电阻；加工及应力状态；以及预期的磁路。

只有在这些字段相互匹配，或其差异已经经过建模之后，才能将一个牌号与另一个牌号进行判断。正确的比较应以条件匹配为基础，而不是以标签匹配为基础。

参考文献

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