摘要：  介绍了一种电磁能量转化为光能的低频无极灯用磁耦合器，这是一种无接触的能量转化新装置，通过对优质磁材的分析、比对，深入探讨了各重要参数的作用和影响，从而引导正确选用磁材与设计磁路。

关键字：  磁材，磁耦合器，磁材，磁耦合器，

无极灯是一种没有灯丝的新型电光源，各种技术参数，明显优于市场上三代节能灯，正引起各界人士的高度关注。“无极灯”是电子技术应用、磁学应用、电光源三方面最新科技成果的结晶。作者借“无极灯”这个新技术、新产品平台。对“电能、磁能、光能”三方面能量转换的关键核心装置——“磁耦合器”装置作一介绍，通过对优质磁材的分析、比对，深入了解磁材各重要参数作用，影响大小，进而正确使用它。文章引出若干重要警示以增加印象，引起同行重视；还推出若干重要结论，要求磁路设计人员遵循。给出了大量实验图表与数据，体现文章的依据和实用价值。此外，还推荐了非常实用的全套磁环系列。比对了几种常见的典型磁耦合器装置A、B、C。B装置我们已完成专利申请， “某公司”据此已做成了150W泡形低频无极灯的正式产品，本文公开了B装置，以图抛砖引玉，期待大功率泡形无极灯有更大的突破。
1 无极灯发光原理与磁材选择要求
(1) 无极灯发光原理
磁力线具有穿透性是人们早已熟知的道理，但用高频磁力线，穿过玻管，激发汞原子为等离子体而转化为可见光，则是上世纪七十年代的事。转化为产业，则是近十年的事。
磁耦合器装置可以将高频电能高效率转换为能量很强的磁力线，这磁力线具有穿透一切非磁性物体（玻璃、陶瓷、塑料、木材等）的能力。这磁力线穿过玻管，不断激发固态汞原子核外电子为汞离子，离原子核较远的第六层核外电子有二个(6S2)，处在高能位且不稳定，连续不断激发，瞬间管内则形成汞的等离子体，产生波长为253.7nm很强紫外线辐射，进而不断作用于管内的荧火粉，从而有效转变为高能量的可见强光。参见下面图1(a)、(b)、(c)。
(2) 对无极灯磁耦合器磁材的基本要求
A、能产生高能量磁通量，而体积不大的磁材，必须是高导磁率的磁材；
B、电磁能量转化为光能，要求效率高，得到高能量光效，必须是低功耗的磁材；
C、对大负荷的无极灯可在允许温区内，连续可靠工作，必须是宽温低功耗、高居里温度的磁材。
即三高一低的磁材（高μe、θc、Bs和低Pcv）
作为开关低功耗磁芯，该配套磁体其磁材质首先是锰锌铁氧体，其主要成份是Fe2O3+MnO+ZnO+多种微量“杂质”。可以满足150~250kHz频段工作的电子设备，功率可以做到几百瓦，其工作温度可以达-45℃~+250℃左右。
随着电子设备的数字化、小型化，要求开关电源，工作频率不断提高，目前使用的开关频率已超过100kHz，承担电磁转换的铁氧体器件的高频变压器或磁耦合器，磁损大，导致发热温度，达到磁材的居里温度时，致使磁耦合器不能工作了，耦合转化功能丧失，则造成停振熄灯；而低温度时，导磁率或电感量太低，振荡器不起振，磁耦合器不能启动，无极灯就不能点亮。故正确选用磁材至关重要。
图 2为南京精研公司提供的一种磁材的磁化曲线。
这款磁材具有高饱和磁感应密度与低剩磁，而且Bs/Br=3.55>3。
其Bs=510mT，与（日）TDKCO“PC95”，PC44的Bs相同，是一款相当不错的优质磁材。可以满足选材的一个必备的条件。
结论1：南京精研公司提供上述一款优质磁材“FP2G”可以入选作低频无极灯专用磁材。
高Bs低Br且Bs/Br≥3的磁材是可以作开关功耗磁芯的磁材。
从图2还可看出Hc很小，同时Br低对工作频率在150kHz左右的低频无极灯的磁体，对减少磁滞损耗是非常有利的。图2解读：当H很小时，B与H关系是一个线性关系，当H逐步加大（即电流加大），B与H是一个非线性关系。当H很大（达到H=1194A/M），则完全达到饱和状态，即Bs值不再增加，这时铁芯器件表现出发热非常厉害，而烧坏器件。所以安全可靠的工作磁密B，B<<Bs，通常选择在B=100~200mT。
若在特殊要求环境下工作的泡形低频无极灯负荷较大的无极灯磁耦合器磁体的B值最好选择在50~100mT。
2 正确选择、评估、使用、优质磁材
(1)正确认识（日）TDKCO优质磁材“PC95”
（日）TDKCO是世界上公认的本行业的磁材专业生产、研发最优秀的企业之一，它生产的“PC95”优质磁材，凝聚了TDKCO所拥有的铁氧体技术。
它具有PC44同样的Bs=510mT的特性，还实现了25~+120℃温区内低于350mw/cm3的低损耗，可在最佳状态下使用，可用于各种开关电源作主变压器。
图3表明：在较宽温区内，μi变化不大，而居里温度为Qc=+240℃。
图4为（日）TDKCO若干磁材的功耗Pcv与温度关系曲线。
图中也表明优质磁材“PC95”在25~120℃温区内Pcv≤350mw/cm3，且在+80℃有Pcvmin=280mw/cm3。
测试条件为f =100kHz，B=200mT。
同时还表明在+140℃，+160℃高温区其功能Pcv上升斜率加大，这意味着磁损加大，发热转化为温升也大。
(2)重视对国产磁材的选用
近十年来，我国电子工业的基础行业得到骄人的进步，笔者对此与南京精研公司“FP2G”材质及其相应产品，作过对比试验。在同等条件下，在100℃，120℃时，从图5表明，引进（日）TDKCO“PC95”对应的产品（图6）其磁损都不如南京精研的对应的产品。
结论2：（日）TDKCO “PC-95”不愧为一款优秀磁材，用作外置式低频无极灯较佳；考虑居里温度偏低，同时高于+140℃温区，Pcv上升斜率较快，不易作120W以上大负荷泡形低频无极灯。建议南京精研产品“FP2G”磁材，可作为泡形低频无极灯的配套磁体更为合适。但低温性能略差，有待进一步改进，而居里温度θc=270℃较高，优势明显。
(3)观察优质磁材重要技术参数，比对温度、工作磁密B及工作频率对磁损耗的影响，正确选择工作磁密，工作频率及最佳工作温区，发挥优质磁材的潜能与优势，磁路设计人员的专业水准将充分得到展示与发挥。
还是以（日）TDKCO“PC95” 磁材为例，作如下分析：
由图7 Pc(mw/cm3)与B(mT)的关系：
① f＝200kHz
当B1=100mT则Pc1=350 mw/cm3
当B2=200mT则Pc2=1800 mw/cm3
ΔPc=1800/350=5.14倍
B3=300mT则Pc3=5000 mw/cm3
ΔPc=5000/350=14倍
②f=100kHz
当B4=100mT则Pc4=200 mw/cm3
B5=200mT则Pc5=600 mw/cm3
ΔPc=600/200 =3倍
图 8  Pc(mw/cm3)与 f (kHz)关系
③在同一工作磁密时
当 f1=100kHz则Pc1=600 mw/cm3
f2=200kHz则Pc2=1800 mw/cm3
这时ΔPc= 1800 / 600 =3倍
结论3：通过上述分析，对Pc (mw/cm3)的影响最大是工作磁密B(mT)，其次是工作频率 f (kHz)
有公式表达：Pc(mw)=K.f m.BN.Ve，或Pcv(mw/cm3)=K. f m.BN
当 f>100kHz，m>1.3，N=2.5，K—常数，即Pcv=K. f 1.3. B2.5(mw/cm3)
因此，对正确选择工作磁密相当重要，千方百计把B值降低到安全可靠允许值范围，笔者经验认为B=50~100mT之间为宜，对环境恶劣条件下，尤为重要！
办法是合理给出磁体工作截面积与绕线的匝数。
其次温度对Pcv也有不小的影响。从图7、8看出20℃时Pc比100℃ Pc要大些，从图5、6看出，温度升高通常“PC95”磁材，在80℃其Pcvmin=280mw/cm3；其实每一种磁材，都有一个最低功耗的温区，不同磁材有点差异但不大。可谓是最佳工作温区。+80℃~+100℃（正是变压器最佳工作温区）。从磁学来讲，该温区内有最小的各向异性常数K≈0；某公司设计的150W泡形灯磁耦合器，经过精心调试，耦合器装置在最佳匹配工作时，装置磁体顶部最高温度为96℃(tA=96℃<100℃)这是非常理想的结果，必须努力达到。
“FP2G” 不同测试条件重测一次高、低温L~T℃数据列表3。
实验再次证明“FP2G”磁材的居里温度为θC=+270℃
结论4：
1)南京精研公司磁材“FP21C”的磁环产品（见表4、 图9），适合作外置式低频无极灯(40W~400W)，θc＝230℃。
2)南京精研公司磁材“FP2G”的磁环产品更适合作内置式泡形低频无极灯（300W以下均可），θc＝+270℃。
3 低频无极灯磁耦合器装置配套专用磁环
4“磁耦合器”——无极灯之能量转换装置重要论述
1)高Bs、低Br、≥3的磁材可作开关功耗磁芯的磁材；
2)具有三高（高Bs、μ0、θC）低Pcv的磁材，才是大功力泡形低频无极灯的优质磁材。在恶劣环境下泡形灯的磁耦合器磁材的B值最好选50~100mT，B值对PC影响最大。
3)“PC95”具有Bs=510mT，同时还实现了+25-+120℃，低于350mw/cm3的低损耗，可用于开关电源主变压器。
4)“PC95”在较宽温区内，μi变化不大，居里温度为θC = +240℃；
5)在25℃~120℃温区内Pcv≤350mw/cm3，且在80℃~100℃温区内Pcv≤280mw/cm3，功耗最小。测试工作条件 f =100kHz，B=200mT；
6) 在+120℃、+140℃更高温区，其功耗Pcv上升斜率加大，这意味着磁损加大，发热温升高。
结论：
1)南京精研公司提供一款优质磁材“FP2G”，可以作为低频无极灯磁耦合器装置磁体，而且更合适作120W以上负荷的泡形低频无极灯磁耦合器装置磁体，其θC=+270℃优势更明显。
2) Pc＝Kf 1.3B2.5(mw/cm3)，B值对Pc影响最大，其次是f值。工作磁密选择使B=50~100mT为最好，而保持光效的同时，尽可能降低工作频率。
3) 南京精研公司另一款磁材“FP21C”与“PC95”，作外置式低频无极灯磁耦合器装置磁环，它们的θC=+230℃~240℃。
4) 制作同一功率的能量转换装置，环形磁体比条形磁体磁能损失小，更适合作功率较大的内置式泡形灯无极灯装置。
5 结束语
某公司150W泡形低频无极灯优质产品率先进军市场，主要原因有四个方面：
首先重视国产磁材的选用，通过比对南京精研公司研发的 新磁材“FP2G”是一款具有“三高一低”的优质磁材，居里温度高（θC=+270℃）优势尤为明显，低温(-45℃)还可以瞬间启动；其次是我们的创新思路，不走人家老路，正确选择“型材”，首选“型材”是环形磁体，是因为用它制成的耦合器的功耗比条形磁体，制成的耦合器功耗要低许多。实验证明，C装置的tA=124℃比A装置低了许多。虽然C装置的工作截面还小些，只有Sc=2.89cm2，此后实验还证明C装置还通过了150W密封灯箱连续12小时可靠性试验，原因是选对了 “型材”。
比较B装置，就更优秀了，B装置不仅有正确的型材，还具有足够的工作磁截面 Sc=3.77cm2，使tA=96℃，从而保证该装置在最佳工作温区(100℃)连续可靠工作，“某公司”还保证在供给足够标准光效条件下，还降低了工作频率。这些高性能指标，使“某公司产品”更胜一筹。
作者有幸第一个使用了国产磁材——南京精研公司的优质磁材“FP2G”，并全过程参与了该磁耦合器新装置B的试验，并在某公司完成了150W泡形正式产品定型。整个工作告一段落。永远忘不了支持本项目的精研等公司的朋友们！工作还未结束，本装置将进一步完善，以迎接更大挑战。
作者简介
姚文生，1939年出生，江西上饶人，1962年毕业于华中工学院磁性材料及器件专业，曾任上饶磁性材料厂厂长、市广电局长、上饶市副市长。近年先后受聘于苏、浙等地大型新能源企业，取得专利成果多项。
附记：
本文获2010年中国电子变压器、电感器第四届联合年会优秀论文奖。并选编入年会“论文集”，受到行业专家高度关注与好评。特别指出江苏有关厂家称无极灯业界对磁路独具匠心的姚文生高工，对该项目“宽温低功耗优质磁材FP-2G”试验、应用和量产给予了强有力的支持。