電子鎮(zhèn)流器變壓器用微晶材料研究及應(yīng)用
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電子鎮(zhèn)流器變壓器用微晶材料研究及應(yīng)用
照明在現(xiàn)今的日常生活和工商活動中是不可缺少的耗能設(shè)備。在各國的耗電上占有相當(dāng)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(zhèn)流器、燈罩等入手，而其中又以鎮(zhèn)流器的效率高低影響最大。以目前傳統(tǒng)的鐵芯式40W特高功率型日光燈鎮(zhèn)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(zhèn)流器，它具有電感鎮(zhèn)流器和起輝器功能，由于電子鎮(zhèn)流器具有節(jié)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(zhèn)流器。但是由于目前的電子鎮(zhèn)流器中多采用鐵氧體作變壓器，鐵氧體的低磁感、溫度穩(wěn)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(zhèn)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(zhèn)流器的工作原理作一說明。
目前多數(shù)電子鎮(zhèn)流器的工作原理結(jié)構(gòu)圖可用圖1所示的框圖來表示。
圖1、電子鎮(zhèn)流器工作原理結(jié)構(gòu)框圖
由框圖可見，它是將50Hz交流市電轉(zhuǎn)變?yōu)?0Kc以上的高頻電壓，它的核心部分實質(zhì)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(shù)，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(zhèn)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(biāo)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(zhèn)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提高熱穩(wěn)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(dǎo)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(dǎo)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(tài)，從熱力學(xué)原理來看，其穩(wěn)定性理論上講應(yīng)該比非晶材料要好，事實上從國外還是國內(nèi)在這方面研究報道的數(shù)據(jù)，鐵基微晶材料的△μ/μ或△L/L均十分小(≤5%)，時間穩(wěn)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看，可調(diào)范圍較寬，為研制帶來很大方便。
1. 合金制備
采用工業(yè)純Fe、中間合金Fe-B、結(jié)晶Si、金屬Mo、Nb、V-Fe、Cr、Mn、Cu、石墨C。按配方配制，在真空感應(yīng)爐內(nèi)冶煉成母合金棒材經(jīng)拋光去砂。在非晶制帶設(shè)備上制取各種規(guī)格寬度的非晶帶材，整個制帶工藝必須嚴(yán)格控制出鋼溫度、轉(zhuǎn)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(dǎo)磁率和導(dǎo)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(jié)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，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(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(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(guī)磁特性參數(shù)中，可以看出本合金具有極佳的高頻特性，某些性能指標(biāo)在當(dāng)前國內(nèi)外資料報道上還未見到，如
=27.13W/kg，
=63W/kg。
圖3 本合金經(jīng)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(yīng)用情況
本材料應(yīng)用在DBN-1型霓虹燈電子鎮(zhèn)流器上。
DBN-1型電子鎮(zhèn)流器電路圖。
圖6 DBN-1型電子鎮(zhèn)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(jīng)半自動化恒張力鐵芯卷繞設(shè)備，按實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(nèi)經(jīng)520℃~570℃微晶化處理，以合適冷卻速度，冷卻后出爐。
(3) 粘結(jié)
電子鎮(zhèn)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(jié)相當(dāng)重要。
表4列出了本次研究所采用的三種粘結(jié)劑情況，由于粘結(jié)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(diào)粘結(jié)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(chǎn)生的磁滯回線。從圖可見，鐵芯在較寬的磁場范圍內(nèi)是定值，即磁導(dǎo)率μ恒定在諧振電容一定時、諧振充電狀態(tài)下的電感：
因為
所以
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