随着我国电工装备的不断升级，人们对其运行性能提出了更高的要求。这些电工装备在设计、制造与运行过程中存在大量的磁、热、应力场问题，而且往往是多种物理量耦合在一起。大型多物理场耦合问题的精细分析十分困难，究其原因，除了问题的数学描述形式和数值实现方法复杂外，如何获取求解域内多物理量耦合作用下的导电、导磁、绝缘材料的物性参数，以及如何建立相应的材料特性数学模型是核心问题。

旋转电机、变压器铁心中广泛使用的电工钢片，其磁特性兼具磁滞、涡流、非线性、各向异性等特点，同时依赖于温度、应力等物理因素。在求解含有电工钢片材料的多物理场耦合问题时就必然要考虑这些因素对磁特性的影响。

传统电工钢片磁特性测量方法如爱泼斯坦方圈法、单片测量法和环样法只能获取标量磁特性。而电工装备实际运行时铁心内磁化环境十分复杂，在设计和分析阶段如果只考虑其标量磁特性往往无法得到准确的结果。电工钢片矢量磁特性测量方法一直以来都是计算电磁学领域的研究热点，到目前为止，世界各国研究人员提出了诸如平面式、立体式、圆形结构、Halbach结构等多种矢量磁特性测量装置。采用这些装置虽然能够获取电工钢片交变磁化和旋转磁化下的矢量磁特性，但是如何获取应力依赖下的矢量磁特性仍然是一个难点问题。

为研究电工钢片在预应力影响下的磁特性，德国Brockhaus公司在改进的一维单片测量装置基础上加装了气缸，采用空气压缩机施加预拉（压）力，实现了磁特性的应力效应测量。该装置只能测量电工钢片标量磁特性，同时需要空气压缩机等辅助设备，测量时噪声很大。国内学者石文敏、柳超等对单片测量仪和爱泼斯坦方圈进行改进，分别研究了在轧制和叠片方向施加应力时电工钢片的标量磁特性。北航学者丁晓峰等设计了在叠片方向上施加压应力的二维磁特性测量装置，讨论了叠片方向不同压力下电工钢片矢量磁特性的变化规律。

日本学者M. Enokizono在电工钢片矢量磁特性测量的研究方面起步较早，其实验室开发了一种能够在轧制和垂直轧制方向同时施加拉力、压力的电工钢片矢量磁特性测量装置。从其发表的成果来看，主要讨论了轧制和垂直轧制方向上应力对电工钢片磁特性的影响。

电机铁心在制造和装配过程中电工钢片内部的应力方向杂乱无章，毫无规律可循。为此，沈阳工业大学电气工程学院的研究人员研究了应力方向和磁化方向一致的情形。

研究人员提出，采用电动推杆实现同时在轧制与垂直于轧制方向对电工钢片施加拉（压）力。优化设计励磁磁轭的尺寸并合理布局以保证测量区域磁场分布的均匀性，提高测量精度。将B探针与双复合H线圈统一装配到电木框架内构成矢量B-H传感器，达到同时测量电工钢片磁通密度B和磁场强度H信号的目的。根据坡印亭定理计算不同磁化条件下电工钢片比总损耗。

研究人员基于上述方法分别测量了无取向电工钢样品不同磁化角度、轴比以及磁通密度下的矢量磁特性，测量过程中将预拉（压）力矢量的方向设置为与磁化角度一致。根据测量结果总结归纳出电工钢片矢量磁特性的应力依赖演化规律。

图1 整体测量装置

图2 矢量B-H传感器

图3 长直螺线管的实物图

研究人员所提出的测量系统完全可以测量任意应力方向下的矢量磁特性，最后得出的结论如下：

• 1）磁化角度变化时，磁场强度在磁化角度为 0°和90°时，压应力使磁场强度沿磁化方向增加，拉应力使磁场强度沿磁化方向的磁场强度略有降低。其余角度，压应力使磁场强度略有增加，拉应力时几乎没有发生变化；压应力使比总损耗增加较为明显，拉应力使其降低。
• 2）轴比变化时，压应力使磁场强度沿着磁化方向增加。拉应力时磁场强度变化不太明显。随着轴比的增大，磁场强度轨迹和RD方向的倾角也逐渐增大；压应力使损耗逐渐增大；拉应力使低轴比时比总损耗略有降低，使高轴比的比总损耗略有升高。
• 3）磁通密度变化时，压应力使比总损耗增加；拉应力使比总损耗略有下降。

以上研究成果已发表在2019年《电工技术学报》增刊2，论文标题为“无取向电工钢应力依赖矢量磁特性测量研究”，作者为张殿海、贾梦凡、任自艳、张艳丽。