納米晶鐵心抗偏磁能力對逆變焊機的影響

金晶　張雙建　陳佳俊　李會波　李思

摘要：為了解決逆變焊機引弧后，弧焊過程中伴隨的電弧嘯叫等問題，對納米晶磁心的抗偏磁能力進行分析，并設(shè)計了對比試驗，調(diào)配了新的納米晶帶材成分以替代原有的1K107B材料，新成分帶材制成的變壓器鐵心具有更低的剩磁和損耗，提高了納米晶鐵心的抗偏磁能力。試驗結(jié)果表明，采用該種磁心繞制的變壓器，在偏磁持續(xù)增加的時候，變壓器不會進入飽和區(qū)，避免了變壓器深度飽和及逆變失敗，增強了變壓器抗偏磁的能力，大大提高了逆變焊機的可靠性，消除了電弧嘯叫。

關(guān)鍵詞：納米晶磁心;偏磁;剩磁;逆變焊機;電弧嘯叫

中圖分類號：TG434 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）12-0032-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.08

0 前言

隨著焊機產(chǎn)業(yè)對節(jié)能環(huán)保、低功耗、高效率以及小型化、高頻化的需求日益高漲，越來越多的逆變焊機選用納米晶軟磁材料制作逆變焊機變壓器磁心[1]。磁心繞制成變壓器后，在實際工作中有時會出現(xiàn)磁滯回線中心偏離坐標原點，從而改變變壓器的工作點，使原來磁化曲線工作區(qū)的一部分移至磁心磁飽和區(qū)，導(dǎo)致變壓器磁心出現(xiàn)偏磁的情況。目前防止和消除偏磁現(xiàn)象的大部分研究都是針對逆變焊機電源電路的優(yōu)化與設(shè)計[2]，然而從變壓器的磁心性能方面進行優(yōu)化設(shè)計，對解決逆變焊機變壓器在工作中出現(xiàn)偏磁的問題也是很重要的。

1 納米晶變壓器磁心偏磁現(xiàn)象對變壓器的影響

國內(nèi)某品牌的直流手工弧全橋逆變焊機在引弧成功后，弧焊過程中伴隨有尖銳的電弧嘯叫聲，嘯叫主要是由于變壓器磁心存在偏磁現(xiàn)象所致。納米晶變壓器磁心偏磁現(xiàn)象對變壓器還有以下方面的影響。

1.1 噪音增大

對于單相變壓器，當(dāng)流過納米晶磁心的直流電流達到額定勵磁電流時，噪音增大10 dB;若達到4倍額定勵磁電流時，噪音增大20 dB。此外，變壓器中增加了諧波成分，會使噪音頻率發(fā)生變化，可能因某一頻率與變壓器結(jié)構(gòu)部件發(fā)生共振導(dǎo)致噪音增大[3]。

1.2 對變壓器波形的影響

當(dāng)納米晶磁心工作在嚴重飽和區(qū)，漏磁通會增加，在一定程度上使變壓器電壓的波峰變平[4]。

1.3 變壓器銅耗的增加

納米晶磁心在直流電流作用下，如果直流電流達到一定數(shù)值，變壓器的勵磁電流會大幅度增加，變壓器的基本銅耗就會急劇增加，使線圈發(fā)熱。

1.4 變壓器鐵耗增大

由于納米晶磁心的勵磁電流進入了磁化曲線的飽和區(qū)，使得納米晶磁心和空氣的磁導(dǎo)率接近，從而導(dǎo)致變壓器的漏磁大大增加，增加渦流，產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，危害絕緣[5]。

2 納米晶變壓器磁心抗偏磁能力分析

逆變焊機變壓器工作時，其磁心工作點沿著磁滯回線A1B1對稱地往復(fù)移動，如圖1所示。其工作磁感應(yīng)強度B（t）及勵磁電流I（t）可表示為：

式中 N1為變壓器一次繞組匝數(shù);S為磁心截面積（單位：cm2）;U1為一次電壓（單位：V）;μ0為空氣導(dǎo)磁率（單位：H/m）;μr為磁心材料的相對導(dǎo)磁率（單位：H/m）;l0為磁心磁路長度（單位：cm）;ton為脈沖寬度（單位：s）。

當(dāng)ton增大時，磁心工作磁感應(yīng)強度升高，整個脈沖周期的工作磁滯回線為A2B2，如圖1所示，其中心較A1B1的中心對稱點（原點）向第一、三象限內(nèi)偏移了一段距離，即產(chǎn)生了偏磁現(xiàn)象。

在圖1中，如果逆變功率器件關(guān)斷時，正反向脈沖剛剛通過變壓器，即脈沖完成了一個工作周期，此時磁心的工作點應(yīng)在Br1點。如果在下一次逆變功率器件啟動時通過的脈沖與上述脈沖同樣寬度，則其工作過程與原工作狀態(tài)相同，如圖2a所示。但如果下一次脈沖是增寬脈沖，如圖2b所示，那么此時Br2就是磁心的最新工作點。由于Br2>Br1，使磁心工作在離Bm更近的位置，可能使磁心飽和，造成逆變顛覆，變壓器噪音增大[6]?？梢?，逆變功率器件關(guān)斷時工作周期變長，導(dǎo)致過高的剩磁是產(chǎn)生偏磁的主要原因。

因此，優(yōu)化納米晶磁心的剩磁性能是提高磁心抗偏磁能力的關(guān)鍵所在。

3 實驗設(shè)計

3.1 變壓器參數(shù)計算

（1）工作點的選擇。

對于開關(guān)頻率為20 kHz的全橋逆變電路，其ΔB=2Bm，根據(jù)納米晶軟磁材料的特性，Bm一般選取0.35～0.5 T為宜，文中選為0.43 T。

（2）磁心尺寸的確定。

采用面積乘積法，即磁心窗口面積SW與磁心有效截面積SC的乘積SWSC值來確定磁心尺寸。其計算公式為：

P=0.53fSSΔBJ×10（3）

式中 P為變壓器額定輸出功率（單位：W）;f為工作頻率（單位：Hz）;SW為磁心窗口面積（單位：cm2）;SC為磁心有效截面積（單位：cm2）;ΔB為磁感變化量（單位：GS）;J為電流密度（單位：A/mm2）。

變壓器功率容量為6 000 W，開關(guān)頻率20 kHz，電流密度設(shè)計為3 A/mm2，將以上數(shù)據(jù)代入式（3）得到SWSC≈22。查找安泰科技功率變壓器磁心產(chǎn)品手冊，選定磁心規(guī)格為ONL-80×50×25，該磁心的有效截面積SC為2.925 cm2，窗口面積SW為19.625 cm2，根據(jù)磁心參數(shù)實際計算得到SWSC=57.40。因此，實際面積乘積遠大于理論計算數(shù)值，符合設(shè)計要求[7]。

（3）確定匝數(shù)。

初級匝數(shù)計算公式為：

式中 U1為變壓器一次輸入電壓（單位：V）;T為脈沖寬度（單位：μs）;SC為鐵心截面積（單位：cm2）。變壓器輸入側(cè)電壓U1=×220=311.08 V，波形占空比為0.5，將以上參數(shù)代入式（4）得到變壓器初級匝數(shù)[8]，取整后初級匝數(shù)為N1=31匝。

變壓器二次電壓U2為38 V，且副邊匝數(shù)N2計算公式為：

取整后，N2=4匝。反算變壓器工作點為0.428 7 T，滿足實際要求。

（4）繞線截面積的計算。

變壓器一次電流為49 A，二次電流為400 A，按照繞線截面積計算公式

計算可得變壓器一次線圈截面積為17 mm2，二次線圈截面積為133 mm2。

3.2 變壓器磁心設(shè)計

逆變焊機的開關(guān)頻率為20 kHz左右，要求變壓器磁心材料具有較低的高頻損耗、較高的飽和磁感應(yīng)強度BS、較低的剩磁Br，以便獲得大的工作磁感ΔB，減小變壓器磁心和逆變焊機的體積與重量。因此，具有高飽和磁感、高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低高頻損耗及優(yōu)秀的溫度穩(wěn)定性的納米晶合金目前已廣泛應(yīng)用到逆變焊機中，成為逆變焊機變壓器磁心的理想材料之一。目前市場上的逆變焊機變壓器磁心多采用我國牌號為1K107B的納米晶帶材制作而成，其主要成分為FeCuNbSiB，但是在實際應(yīng)用過程中有出現(xiàn)偏磁導(dǎo)致電弧嘯叫的情況，為了減少偏磁現(xiàn)象，提高變壓器磁心的抗偏磁能力，采用不同Br的磁心制作變壓器以驗證納米晶磁心抗偏磁能力對逆變焊機工作的影響。

試驗除選用傳統(tǒng)的1K107B牌號的納米晶軟磁材料，還調(diào)制了兩種新成分的納米晶帶材，并結(jié)合相應(yīng)的熱處理工藝以獲得更低Br的磁心。納米晶材料熱處理工藝主要采用晶化退火結(jié)合磁場退火的方式，以獲得磁心的特殊磁性能需求。晶化退火是采用等溫度退火，即用一定的升溫速度將惰性氣氛保護下的非晶態(tài)樣品升溫至退火溫度，保溫預(yù)定時間，待非晶合金晶化后冷卻至室溫出爐;磁場退火工藝可分為縱向磁場退火、橫向磁場退火和斜磁場或復(fù)合磁場退火，橫向磁場退火可以降低材料的剩磁，繼而降低材料的損耗，因此試驗中使用的磁場退火方式為橫向磁場退火。綜上所述，經(jīng)過反復(fù)驗證，使用厚度均為20～23 μm，電阻率為120 μΩ·cm，且成本持平、成分不同的三種納米晶帶材卷繞為變壓器磁心。對應(yīng)的三種磁心的最佳熱處理制度分別為：

（1）1K07B磁心熱處理制度。

1K07B的熱處理制度如圖3所示。首先升溫到430～460 ℃，預(yù)退40 min釋放應(yīng)力，然后再升溫到470～560 ℃開始橫磁退火熱處理，磁場大小為350 T，然后保溫120 min，最后降溫后關(guān)磁場。

（2）L3磁心熱處理制度。

L3的熱處理工藝如圖4所示。首先升溫到440～470 ℃，預(yù)退160 min釋放應(yīng)力，同時開爐60 min后開始橫磁退火，磁場大小為100 mT，然后再升溫到480～530 ℃保溫80 min，最后降溫后關(guān)磁場。

（3）L12磁心熱處理制度。

L12熱處理工藝如圖5所示。首先升溫到450～480 ℃，預(yù)退40 min釋放應(yīng)力，同時開爐60 min后開始橫磁退火，然后再升溫到520～535 ℃保溫100 min，最后降溫后關(guān)磁場。

3.3 磁心動態(tài)軟磁性能測試

選用IWATSU SY8232 B-H分析儀，采用伏安法測量納米晶變壓器磁心在交變磁場下的動態(tài)參數(shù)，包括單位質(zhì)量交流損耗PCM、剩磁Br、矯頑力Hc等。

4 測試結(jié)果分析

三種不同納米晶材料成分的ONL-80×50×25磁心經(jīng)過最佳熱處理制度的退火后，去掉性能最差的和最優(yōu)的，余下的取平均值，再選取磁心中性能最接近平均值的，測試其20 kHz/0.45 T的動態(tài)磁性能，具體數(shù)據(jù)如表1、圖6所示。

由表1可知，在20 kHz/0.45 T測試條件下，剩磁最低的是L3，L12次之，剩磁最高的是1K107B;磁心損耗則是L3最低，1K107B次之，L12最高。綜上所述，L3磁心具有較低的高頻損耗和剩磁，提高了變壓器磁心的性能，滿足試驗預(yù)期。

現(xiàn)將三種不同成分的磁心皆以初、次級均勻布線的繞法，由同一人繞制成變壓器，分別裝到國內(nèi)某品牌的直流手工弧全橋逆變焊機內(nèi)通電測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，安裝了L12變壓器的焊機的電弧嘯叫次數(shù)最高，1K107B的次之，L3的基本上無嘯叫聲。三只變壓器二次電流波形如圖7所示。

上述試驗再次說明了降低變壓器磁心的剩磁可以提高變壓器的抗偏磁能力，對于解決逆變焊機電弧嘯叫具有一定的作用。

5 結(jié)論

文中闡述了偏磁現(xiàn)象對變壓器的影響，并設(shè)計了三種不同成分的納米晶變壓器磁心，磁心繞制成變壓器后通額定電流正常工作時，磁心動態(tài)磁性能Br值越小，說明抗偏磁能力越強，其繞制成的變壓器在焊機里面正常工作，無電弧嘯叫。因此，優(yōu)化納米晶鐵心的抗偏磁能力可以提高直流手工弧全橋逆變焊機的可靠性，為逆變焊機節(jié)能環(huán)高頻化的發(fā)展提供了更好的方案，在占空比可調(diào)的逆變焊機系統(tǒng)應(yīng)用方面顯示出一定的潛力。

參考文獻：

[1] 時紅昊. 逆變焊機主變壓器用非晶納米晶合金軟磁性能的研究[D]. 北京：鋼鐵研究總院，2013.

[2] 尹鳳杰，林守權(quán). 全橋逆變弧焊電源中高頻變壓器偏磁的抑制方法[J]. 沈陽建筑工程學(xué)院學(xué)報，1998（1）：42-46.

[3] 師泯夏，吳邦，靳宇暉，等. 直流偏磁對變壓器影響研究綜述[J]. 高壓電器，2018（7）：20-34.

[4] 李貞，李慶民，李長云，等. 直流偏磁條件下變壓器的諧波畸變特征[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制，2010（24）：52-55.

[5] 李智華，羅恒廉，費鴻俊. 直流偏置對功率鐵氧體性能的研究[J]. 電工電能新技術(shù)，2001（1）：30-33.

[6] 柳剛，胡繩蓀，孫棟，等. 焊接逆變器偏磁問題及其防止措施的研究[J]. 電焊機，1993，23（4）：20-23.

[7] 畢耀宗. 非晶、微晶材料在逆變焊機中的應(yīng)用[J]. 焊接技術(shù)，1999（12）：45-49.

[8] 王平來. 基于DSP的軟開關(guān)逆變焊接電源的研究[D]. 遼寧：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2011.

收稿日期：2020-07-27

基金項目：國家重點研發(fā)計劃重點基礎(chǔ)材料技術(shù)提升與產(chǎn)業(yè)化項目資助（2016YFB0300500）

作者簡介：金 晶（1987— ），女，碩士，主要從事新材料在電子元器件中的應(yīng)用的研究。E-mail：jinjing@atmcn.com。