電子鎮流器變壓器用微晶材料研究及應用

照明在現今的日常生活和工商活動中是不可缺少的耗能設備。在各國的耗電上占有相當大的比例，因此如何提高照明燈具的效率和省能，為今日業界的重要課題。提高照明燈具的效率和省能主要從光源、鎮流器、燈罩等入手，而其中又以鎮流器的效率高低影響最大。以目前傳統的鐵芯式40W特高功率型日光燈鎮流器總耗能為47W，瞬時耗能約52W，省能型耗能約43W。80年代初，荷蘭飛利浦公司推出高頻電子鎮流器，它具有電感鎮流器和起輝器功能，由于電子鎮流器具有節能、無頻閃、無噪聲、功率因素高、起動電壓低等特點，因而開始逐漸取代電感鎮流器。但是由于目前的電子鎮流器中多采用鐵氧體作變壓器，鐵氧體的低磁感、溫度穩定性差等原因阻礙了它的迅猛發展，因此迫切需要一種新型的磁性材料取代它。

　　二.電子鎮流器電路工作原理

　　在闡述材料研究工作之前，有必要對電子鎮流器的工作原理作一說明。

　　目前多數電子鎮流器的工作原理結構圖可用圖1所示的框圖來表示。

　　圖1、電子鎮流器工作原理結構框圖

　　由框圖可見，它是將50Hz交流市電轉變為20Kc以上的高頻電壓，它的核心部分實質上是一個逆變器。我們知道，在高頻時，變壓器或電感可利用高頻磁芯大大縮減線圈的匝數，從而使變壓器或電感的體積、重量及價格大大下降。

　　通過高頻整流到負載的工作電流是約20Kc~30Kc近似正弦波。

　　三.材料研制

　　由于電子鎮流器的使用頻率為20Kc~30Kc，因要求材料具有較好的高頻特性。

　　從表1可見，就綜合性能指標來看，以鐵基微晶比較理想。它不但有高的Bs，而且有低的損耗。由于電子鎮流器的工作環境溫度變化大，因此在保持高Bs條件下添加微量元素來提高熱穩定性。

　　鐵基微晶材料擁用以Co基非晶更優越的綜合磁性能。該材料自從1998年為日立公司Yoshizawa 公布于世以后，很快引起各國磁性材料領域和物理學界的廣泛興趣。Fe基微晶材料除在高頻損耗特性、高頻導磁率等方面全面達到且超過Co基非晶合金外，其飽和磁感Bs≈12000Gs，幾乎是Co基非晶的2倍，導磁率高達十余萬，要比一般的Co基非晶高得多，鐵基微晶材料居里溫度為540℃~570℃，遠高于Co基非晶。由于它是微晶化態，從熱力學原理來看，其穩定性理論上講應該比非晶材料要好，事實上從國外還是國內在這方面研究報道的數據，鐵基微晶材料的△μ/μ或△L/L均十分小(≤5%)，時間穩定性也十分優越。

　　鐵基微晶材料的一般成份為：

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

　　從鐵基微晶材料的成份來看，可調范圍較寬，為研制帶來很大方便。

　　1. 合金制備

　　采用工業純Fe、中間合金Fe-B、結晶Si、金屬Mo、Nb、V-Fe、Cr、Mn、Cu、石墨C。按配方配制，在真空感應爐內冶煉成母合金棒材經拋光去砂。在非晶制帶設備上制取各種規格寬度的非晶帶材，整個制帶工藝必須嚴格控制出鋼溫度、轉速、氣壓等。帶材厚度控制在25 mm為佳。帶材平面平整光滑，盡量消除空洞和厚薄公差，這些都是獲得高性能的先決條件。

　　2. 合金物理特檢測

　　采用CL-6直流回線路測試儀測量鐵芯的磁滯回線;用SY8218磁特性測試儀測量鐵芯交流損耗特性;采用4274A、muti-Frequencg LCR Meter測定鐵芯的高導磁率和導磁率特性曲線。

　　采用差熱分析儀測定微晶材料的晶化溫度Tx和居里溫度Tc;用D-5X射線衍射儀測定材料的晶化相以及晶化度。

　　四.材料研制結果

　　1. 成份與材料特性關系

　　在Fe基非晶添加Cu主要利用其在鐵中的不可溶性、在熱處理中首先析出，形成微晶體的晶核，添加Nb Mo V等元素，有利于提高非晶體的晶化溫度，一旦析出α-Fe(Si)晶體時，在其周圍形成富Nb、Mo等元素的高晶化溫度的非晶相，從而抑制了 -Fe(Si)微晶相的長大。為此我們配制了六種不同的Mo、Nb、V的加入量，其晶化特性為表2。

　　由六種合金成份測得的熱差分析，反映出Fe基微晶材料在其晶化過程中的一些特點：

　　(1) 含Nb量高有利于提高非晶態的晶化溫度，加Mo其次、加V較差。

　　(2) 合金中加Nb、加Mo有利拉開晶化過程Fe峰和FeB峰間距，加V較差。拉開這兩個峰鑒定間距，是形成優異磁性能微晶材料的關鍵。

　　(3) 加Nb、加Mo較易成帶，加V合金制帶較困難，必須同時添加Mo或Nb才能成帶。

　　上述成帶的五種合金都具有較好的軟磁性能，前三種合金的性能較佳，矯頑力較低，且熱處理較易控制。從制帶成材率、磁性能高低、熱處理性能一致性及材料的價格因素等全面衡量，選取定LH-M-2號合金。

　　2. 所用合金性能

　　從表3、圖2、圖3、圖4、圖5的常規磁特性參數中，可以看出本合金具有極佳的高頻特性，某些性能指標在當前國內外資料報道上還未見到，如

=27.13W/kg，

=63W/kg。

?

圖2 本合金退火后回線

　　

　　圖3 本合金經橫磁場處理后回線

　　

　　圖4 本合金p~f曲線

　　

　　圖5 本合金 ~f曲線

　　五.材料應用情況

　　本材料應用在DBN-1型霓虹燈電子鎮流器上。

　　DBN-1型電子鎮流器電路圖。

　　

　　圖6 DBN-1型電子鎮流器電路圖

　　1. 鐵芯的制作

　　由于主變壓器高壓線包的限制，我們的鐵芯只能與其相仿，所做的鐵芯尺寸為CD38×38×11，c=10m/m，振蕩電感Φ6×8×5 m/m

　　(1) 卷繞

　　將鐵基微晶材料經半自動化恒張力鐵芯卷繞設備，按實用尺寸卷繞成矩形鐵芯和環形鐵芯。

　　(2) 熱處理

　　鐵芯在通Ar氣氛爐和真空內經520℃~570℃微晶化處理，以合適冷卻速度，冷卻后出爐。

　　(3) 粘結

　　電子鎮流器變壓器鐵芯的工作頻率為30Kc左右，為了降低變壓器使用時的

　　噪聲和切割鐵芯的需要，鐵芯的粘結相當重要。

　　表4列出了本次研究所采用的三種粘結劑情況，由于粘結劑的選擇對磁性性能的影響較大，故綜合上述三種情況，我們選擇了自調粘結劑，它的綜合性能較好。

　　

　　

　　

　　(4) 切割

　　用線切割機將鐵芯對割

　　圖7為不同的氣隙所產生的磁滯回線。從圖可見，鐵芯在較寬的磁場范圍內是定值，即磁導率μ恒定在諧振電容一定時、諧振充電狀態下的電感：

　　

　　因為

　　所以

　　

　　圖7 不同氣隙寬度回線

　　2. 靜態的性能變化情況

　　本次試驗對所用的鐵基微晶鐵芯與其原用的鐵氧體作了一個溫度化情況試驗。

　　

　　從以上的這組數據來看，可以得到這樣一個結果，就是鐵基微晶鐵芯在20~130℃這段溫度范圍其電感基本不變，而鐵氧化體的變化率δ≈24%。

　　要得到一穩定的電壓源，就必須保持LC為一恒定的常數即：

。

　　從公式可以看出，在諧振電容一定時，要求電感L也必須是個定值，而且還要有良好的溫度特性。這時因為在高頻下工作，極易發熱而影響合金性能。也就是說，在原電子鎮流器的工作溫度范圍內，它的磁參數始終是一個變量，這就對其所對應的各元件始終處于一個不固定的頻率下工作，產生一系列的惡性循環，而在這一點上鐵基非晶則顯示了極大的優勢，可以提高各元件的使用壽命等。

　　3. 動態測試

　　將鐵芯直接裝到DBN-1型電子鎮流器上進行試驗，并與其原有的鐵氧體作比較，結果如下：

　　

　　a. 常溫下變壓器的溫度變化情況

　　b.高溫度情況下變壓器的溫度變化情況

　　從上面的溫度變化情況來看，它將合電子鎮流器的使用要求。

　　c.輸出功率情況

　　在同樣的負載情況下，測得鐵氧體的輸出功率為130W，而鐵基微晶鐵芯則為150W，比其多15%，也就是說，在相同的情況下，可以接長其燈管長度，達到節省目的。

　　d.各變壓器輸出波形

　　鐵氧體由于其電感的變化其輸出波形的周期有一變化過程，而鐵基微晶鐵芯則沒有這一情況。

　　六.結論

　　1. 通過今年來的研究，研制成功一種磁性優越、非晶形成能力較好、熱處理工藝穩定的鐵基微晶材料。

　　2. 研制的新材料初始導磁率△

=13萬，Hc=0.005Oe， =63w/kg，

　　△μ/μ ≤5%。

　　3. 研制的鐵基微晶材料能滿足電子鎮流器的使用要求，其性能優越，達到國內先進水平。

4.在電子鎮流器中的應用其性能穩定性好、輸出功率大，提高了電子鎮流器的利用率。