电子镇流器变压器用微晶材料研究及应用

电子镇流器变压器用微晶材料研究及应用

照明在现今的日常生活和工商活动中是不可缺少的耗能设备。在各国的耗电上占有相当大的比例，因此如何提高照明灯具的效率和省能，为今日业界的重要课题。提高照明灯具的效率和省能主要从光源、镇流器、灯罩等入手，而其中又以镇流器的效率高低影响最大。以目前传统的铁芯式40W特高功率型日光灯镇流器总耗能为47W，瞬时耗能约52W，省能型耗能约43W。80年代初，荷兰飞利浦公司推出高频电子镇流器，它具有电感镇流器和起辉器功能，由于电子镇流器具有节能、无频闪、无噪声、功率因素高、起动电压低等特点，因而开始逐渐取代电感镇流器。但是由于目前的电子镇流器中多采用铁氧体作变压器，铁氧体的低磁感、温度稳定性差等原因阻碍了它的迅猛发展，因此迫切需要一种新型的磁性材料取代它。

　　二.电子镇流器电路工作原理

　　在阐述材料研究工作之前，有必要对电子镇流器的工作原理作一说明。

　　目前多数电子镇流器的工作原理结构图可用图1所示的框图来表示。

　　

　　图1、电子镇流器工作原理结构框图

　　由框图可见，它是将50Hz交流市电转变为20Kc以上的高频电压，它的核心部分实质上是一个逆变器。我们知道，在高频时，变压器或电感可利用高频磁芯大大缩减线圈的匝数，从而使变压器或电感的体积、重量及价格大大下降。

　　通过高频整流到负载的工作电流是约20Kc~30Kc近似正弦波。

　　三.材料研制

　　由于电子镇流器的使用频率为20Kc~30Kc，因要求材料具有较好的高频特性。

　　从表1可见，就综合性能指标来看，以铁基微晶比较理想。它不但有高的Bs，而且有低的损耗。由于电子镇流器的工作环境温度变化大，因此在保持高Bs条件下添加微量元素来提高热稳定性。

　　

　　铁基微晶材料拥用以Co基非晶更优越的综合磁性能。该材料自从1998年为日立公司Yoshizawa 公布于世以后，很快引起各国磁性材料领域和物理学界的广泛兴趣。Fe基微晶材料除在高频损耗特性、高频导磁率等方面全面达到且超过Co基非晶合金外，其饱和磁感Bs≈12000Gs，几乎是Co基非晶的2倍，导磁率高达十余万，要比一般的Co基非晶高得多，铁基微晶材料居里温度为540℃~570℃，远高于Co基非晶。由于它是微晶化态，从热力学原理来看，其稳定性理论上讲应该比非晶材料要好，事实上从国外还是国内在这方面研究报道的数据，铁基微晶材料的△μ/μ或△L/L均十分小(≤5%)，时间稳定性也十分优越。

　　铁基微晶材料的一般成份为：

　　

　　N=Co, Ni N=Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, Mo 等。

　　从铁基微晶材料的成份来看，可调范围较宽，为研制带来很大方便。

　　1. 合金制备

　　采用工业纯Fe、中间合金Fe-B、结晶Si、金属Mo、Nb、V-Fe、Cr、Mn、Cu、石墨C。按配方配制，在真空感应炉内冶炼成母合金棒材经抛光去砂。在非晶制带设备上制取各种规格宽度的非晶带材，整个制带工艺必须严格控制出钢温度、转速、气压等。带材厚度控制在25 mm为佳。带材平面平整光滑，尽量消除空洞和厚薄公差，这些都是获得高性能的先决条件。

　　2. 合金物理特检测

　　采用CL-6直流回线路测试仪测量铁芯的磁滞回线;用SY8218磁特性测试仪测量铁芯交流损耗特性;采用4274A、muti-Frequencg LCR Meter测定铁芯的高导磁率和导磁率特性曲线。

　　采用差热分析仪测定微晶材料的晶化温度Tx和居里温度Tc;用D-5X射线衍射仪测定材料的晶化相以及晶化度。

　　四.材料研制结果

　　1. 成份与材料特性关系

　　在Fe基非晶添加Cu主要利用其在铁中的不可溶性、在热处理中首先析出，形成微晶体的晶核，添加Nb Mo V等元素，有利于提高非晶体的晶化温度，一旦析出α-Fe(Si)晶体时，在其周围形成富Nb、Mo等元素的高晶化温度的非晶相，从而抑制了 -Fe(Si)微晶相的长大。为此我们配制了六种不同的Mo、Nb、V的加入量，其晶化特性为表2。

　　

　　由六种合金成份测得的热差分析，反映出Fe基微晶材料在其晶化过程中的一些特点：

　　(1) 含Nb量高有利于提高非晶态的晶化温度，加Mo其次、加V较差。

　　(2) 合金中加Nb、加Mo有利拉开晶化过程Fe峰和FeB峰间距，加V较差。拉开这两个峰鉴定间距，是形成优异磁性能微晶材料的关键。

　　(3) 加Nb、加Mo较易成带，加V合金制带较困难，必须同时添加Mo或Nb才能成带。

　　上述成带的五种合金都具有较好的软磁性能，前三种合金的性能较佳，矫顽力较低，且热处理较易控制。从制带成材率、磁性能高低、热处理性能一致性及材料的价格因素等全面衡量，选取定LH-M-2号合金。

　　2. 所用合金性能

　　从表3、图2、图3、图4、图5的常规磁特性参数中，可以看出本合金具有极佳的高频特性，某些性能指标在当前国内外资料报道上还未见到，如

　　

=27.13W/kg，

　　

=63W/kg。

　　

　　

  图2 本合金退火后回线

　　

　　图3 本合金经横磁场处理后回线

　　

　　图4 本合金p~f曲线

　　

　　图5 本合金 ~f曲线

　　五.材料应用情况

　　本材料应用在DBN-1型霓虹灯电子镇流器上。

　　DBN-1型电子镇流器电路图。

　　

　　图6 DBN-1型电子镇流器电路图

　　1. 铁芯的制作

　　由于主变压器高压线包的限制，我们的铁芯只能与其相仿，所做的铁芯尺寸为CD38×38×11，c=10m/m，振荡电感Φ6×8×5 m/m

　　(1) 卷绕

　　将铁基微晶材料经半自动化恒张力铁芯卷绕设备，按实用尺寸卷绕成矩形铁芯和环形铁芯。

　　(2) 热处理

　　铁芯在通Ar气氛炉和真空内经520℃~570℃微晶化处理，以合适冷却速度，冷却后出炉。

　　(3) 粘结

　　电子镇流器变压器铁芯的工作频率为30Kc左右，为了降低变压器使用时的

　　噪声和切割铁芯的需要，铁芯的粘结相当重要。

　　表4列出了本次研究所采用的三种粘结剂情况，由于粘结剂的选择对磁性性能的影响较大，故综合上述三种情况，我们选择了自调粘结剂，它的综合性能较好。

　　

　　

　　

　　(4) 切割

　　用线切割机将铁芯对割

　　图7为不同的气隙所产生的磁滞回线。从图可见，铁芯在较宽的磁场范围内是定值，即磁导率μ恒定在谐振电容一定时、谐振充电状态下的电感：

　　

　　因为

　　所以

　　

　　图7 不同气隙宽度回线

　　2. 静态的性能变化情况

　　本次试验对所用的铁基微晶铁芯与其原用的铁氧体作了一个温度化情况试验。

　　

　　从以上的这组数据来看，可以得到这样一个结果，就是铁基微晶铁芯在20~130℃这段温度范围其电感基本不变，而铁氧化体的变化率δ≈24%。

　　要得到一稳定的电压源，就必须保持LC为一恒定的常数即：

。

　　从公式可以看出，在谐振电容一定时，要求电感L也必须是个定值，而且还要有良好的温度特性。这时因为在高频下工作，极易发热而影响合金性能。也就是说，在原电子镇流器的工作温度范围内，它的磁参数始终是一个变量，这就对其所对应的各元件始终处于一个不固定的频率下工作，产生一系列的恶性循环，而在这一点上铁基非晶则显示了极大的优势，可以提高各元件的使用寿命等。

　　3. 动态测试

　　将铁芯直接装到DBN-1型电子镇流器上进行试验，并与其原有的铁氧体作比较，结果如下：

　　

　　a. 常温下变压器的温度变化情况

　　b.高温度情况下变压器的温度变化情况

　　从上面的温度变化情况来看，它将合电子镇流器的使用要求。

　　c.输出功率情况

　　在同样的负载情况下，测得铁氧体的输出功率为130W，而铁基微晶铁芯则为150W，比其多15%，也就是说，在相同的情况下，可以接长其灯管长度，达到节省目的。

　　d.各变压器输出波形

　　铁氧体由于其电感的变化其输出波形的周期有一变化过程，而铁基微晶铁芯则没有这一情况。

　　六.结论

　　1. 通过今年来的研究，研制成功一种磁性优越、非晶形成能力较好、热处理工艺稳定的铁基微晶材料。

　　2. 研制的新材料初始导磁率△

=13万，Hc=0.005Oe， =63w/kg，

　　△μ/μ ≤5%。

　　3. 研制的铁基微晶材料能满足电子镇流器的使用要求，其性能优越，达到国内先进水平。

4.在电子镇流器中的应用其性能稳定性好、输出功率大，提高了电子镇流器的利用率。