電子鎮流器變壓器用微晶材料研究及應用
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照明在現今的日常生活和工商活動(dòng)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(yè)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(shí)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(wú)頻閃、無(wú)噪聲、功率因素高、起動(dòng)電壓低等特點(diǎn)，因而開(kāi)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(fā)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(shuō)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(lái)表示。
圖1、電子鎮流器工作原理結構框圖
由框圖可見(jiàn)，它是將50Hz交流市電轉變?yōu)?0Kc以上的高頻電壓，它的核心部分實(shí)質(zhì)上是一個(gè)逆變器。我們知道，在高頻時(shí)，變壓器或電感可利用高頻磁芯大大縮減線(xiàn)圈的匝數，從而使變壓器或電感的體積、重量及價(jià)格大大下降。
通過(guò)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(jiàn)，就綜合性能指標來(lái)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(huán)境溫度變化大，因此在保持高Bs條件下添加微量元素來(lái)提高熱穩定性。
鐵基微晶材料擁用以Co基非晶更優(yōu)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(lǐng)域和物理學(xué)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(guò)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(wàn)，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(tài)，從熱力學(xué)原理來(lái)看，其穩定性理論上講應該比非晶材料要好，事實(shí)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(shí)間穩定性也十分優(yōu)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(lái)看，可調范圍較寬，為研制帶來(lái)很大方便。
1. 合金制備
采用工業(yè)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(jīng)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(gè)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(xiàn)路測試儀測量鐵芯的磁滯回線(xiàn);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(xiàn)。
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(xiàn)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(guān)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(shí)，在其周?chē)纬筛籒b、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(cháng)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(guò)程中的一些特點(diǎn)：
(1) 含Nb量高有利于提高非晶態(tài)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(kāi)晶化過(guò)程Fe峰和FeB峰間距，加V較差。拉開(kāi)這兩個(gè)峰鑒定間距，是形成優(yōu)異磁性能微晶材料的關(guān)鍵。
(3) 加Nb、加Mo較易成帶，加V合金制帶較困難，必須同時(shí)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(jià)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(jiàn)到，如
=27.13W/kg，
=63W/kg。
圖3 本合金經(jīng)橫磁場(chǎng)處理后回線(xiàn)
圖4 本合金p~f曲線(xiàn)
圖5 本合金 ~f曲線(xiàn)
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(xiàn)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(jīng)半自動(dòng)化恒張力鐵芯卷繞設備，按實(shí)用尺寸卷繞成矩形鐵芯和環(huán)形鐵芯。
(2) 熱處理
鐵芯在通Ar氣氛爐和真空內經(jīng)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(shí)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(xiàn)切割機將鐵芯對割
圖7為不同的氣隙所產(chǎn)生的磁滯回線(xiàn)。從圖可見(jiàn)，鐵芯在較寬的磁場(chǎng)范圍內是定值，即磁導率μ恒定在諧振電容一定時(shí)、諧振充電狀態(tài)下的電感：
因為
所以
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