CN104823250B - 特别是用于电流变压器的磁心和用于制造其的方法 - Google Patents

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Abstract

磁心包括具有在1000和3500之间的磁导率µ和小于1 ppm的磁致伸缩的基于铁的纳米晶合金，磁心在60 A的单极电流振幅的最大容差的情况下具有小于4.7 g的磁心质量或在100 A的单极电流振幅的最大容差的情况下具有小于5.3 g的磁心质量。

Description

特别是用于电流变压器的磁心和用于制造其的方法
技术领域
本发明涉及特别是用于电流变压器的磁心和用于制造所述磁心的方法。
背景技术
用于电流变压器、但也用于功率变压器和功率扼流器的磁心一般作为包括软磁性条状材料的条状物的所谓的环形带磁心而制造。为了制造软磁性条状材料，各种制造方法和相关的制造设备是已知的。已知的制造设备通常被形成为连续退火系统，且它们使快速固化的磁性材料（在下文中“带状材料”）的热处理变得可能。快速固化的磁铁材料借助于铸造工艺来制造并随后卷绕成卷的形状，其然后作为连续带被引入到连续退火系统中并由后者处理成软磁性条状材料。在处理的背景中，材料受到热处理并同时被放置在拉应力下，以便得到带的期望磁性质。
通过外加拉应力，可在带状材料中诱导各向异性，使得从其制造的软磁性条状材料具有沿着拉应力方向具有规定的磁导率µ（相应于诱导各向异性）的明显的扁平磁滞回线，因为可使用已知的制造方法达到的磁导率水平取决于外加拉应力。
然而，与已知的制造方法相关的缺点是，由于通过铸造方法的制造和随后的卷绕和解开到线圈，且对于在连续退火炉中的处理，所制造的待处理的非晶形带状材料具有在带的纵向方向上局部变化的带厚度。与通常从制造有关的恒定带宽度比较，这导致在带的纵向方向上根据位置而改变的相应的局部横截面积。其结果是，由于在变化的横截面积的情况下的外加拉力，局部现有的拉应力也在幅值上改变。根据上面描述的关系，这又可对变化的横截面积导致在局部诱导各向异性中和因而在局部磁导率方面的变化。
然而，不仅在横截面积中的期望变化而且其它参数例如热处理温度、任选地提供的磁场、带的吞吐量速度、炉长度、到带的热传导和热传递、带厚度以及所使用的合金在这样的过程中对诱导各向异性Ku也有影响。因为这些参数在现有技术中可能从不保持恒定，所以局部诱导各向异性和因而局部磁导率也相应地改变。
此外，磁心、特别是环形带磁心(特别是如果它们用于电流变压器)应尽可能小、重量轻和廉价。这些特性本质上取决于对带状材料的选择，但也取决于所使用的制造方法，所述材料的磁性质可通过该制造方法而被影响。
基于铁的纳米晶合金具有特别好的软磁性质。以在磁滞回线的中心部分中的低剩磁比和线性磁化行为为特征的扁平磁滞回线对应用起特别重要的作用。可通过磁场中的热处理来调节这样的扁平磁滞回线。在这里，因而产生的相对高的磁导率一般高于µ =10000。虽然对很多应用是合乎需要的，这样的高磁导率值较不适合于某些应用，例如在具有DC容差的电流变压器中的应用的电流变压器磁心。对于在这些电流变压器磁心中的应用，另一方面，需要在从µ = 500到10000的范围内的较低磁导率值，例如µ = 1000到5000。这可例如使用基于Co的非晶形合金例如VITROVAC 6150来实现，所述合金在1.0 T的饱和磁化下具有在从µ = 600到3000的范围内的磁导率值，取决于确切的成分和热处理。然而，因为Co是非常昂贵的原材料，所以添加有Ni且如果需要则添加有较少的Co的基于Fe的纳米晶合金被描述，借助于其，与完全基于铁的合金相反，也可能在磁场中的热处理之后调节在µ= 1000到10000的范围内的低磁导率值（取决于Ni和Co的浓度）。然而，在这里缺点是，作为Ni或Co添加的结果，与完全基于铁的成分比较，磁滞伸缩增加到几ppm的值。这使磁心变得对机械应力敏感。然而，也已知也可在拉应力下借助于纳米晶Fe合金的热处理来调节小于10000的磁导率，与磁场处理相反。然而，仍然有制造具有最小可能的体积和最小可能的质量且可被成本有效地产生的磁心的需要。
发明内容
本发明的任务是消除根据现有技术的缺点。特别是，指定特别适合于电流变压器并与现有技术比较具有低质量的磁心。此外，在可能的程度上，所述磁心应具有比较低的体积，且应可能成本有效地制备它。此外，可指定用于制造这样的磁心的方法以及磁心的用途。
这个任务由权利要求1、11和15解决。本发明的有利的扩展方案由从属权利要求的特征产生。
该任务由例如在电流变压器中使用的磁心解决，软磁性条状材料由具有在1000和3500之间的磁导率µ和小于1 ppm的磁致伸缩的基于铁的纳米晶合金组成。可通过包括下列步骤的方法来得到磁心：提供带形材料；在热处理温度下进行带形材料的热处理；在带形材料的纵向方向上向经热处理的带形材料施加拉力以便在带形材料中产生拉力，以便得到软磁性条状材料，其中为了从带形材料制造软磁性条状材料，也提供下面的操作：确定所制造的软磁性条状材料的至少一个磁测量变量，以及控制拉力用于调节拉应力作为对所确定的磁测量变量的反应。
软磁性条状材料的基于铁的纳米晶合金包含例如至少50原子%的铁、至多4原子%的铌以及至少15和至多20原子%的硅。基于铁的纳米晶合金包含至多2原子%的铌是特别优选的。至少15原子%的硅含量是有利的，以便得到小于1 ppm的磁致伸缩。至多4原子%的铌含量是有利的，以便根据本发明保持磁心的成本尽可能低。因此，至多2原子%的铌含量是特别有利的。
在本发明的实施方式中，基于铁的纳米晶合金是合金（在下文中被称为合金A），其
-由Fe100-a-b-c-d-x-y-zCuaNbbMcTdSixByZz和高达1原子%的污染物组成，其中M是元素Mo、Ta或Zr中的一个或多个，T是元素V、Mn、Cr、Co或Ni中的一个或多个，且Z是元素C、P或Ge中的一个或多个，以及
- 0原子% ≤ a < 1.5原子%，
- 0原子% ≤ b < 2原子%，
- 0原子% ≤ c < 2原子%，
- 0原子% ≤ d < 5原子%，
- 14原子% < x < 18原子%，
- 5原子% < y < 11原子%，以及
- 0原子% < z < 2原子%，
- 纳米晶结构，其中至少50体积%的晶粒具有小于100 nm的平均尺寸，
- 具有中心线性部分的磁滞回线，
- 剩磁比，Jr/Js, < 0.1，以及
- 具有< 10%的矫顽场强Hc与各向异性场强Ha之比。
包含至少50原子%的铁、至少2和至多4原子%的铌以及至少15和至多20原子%的硅的基于铁的纳米晶合金在下面被称为“合金B”。
为了制备磁心，首先制造带形材料。带形材料可以是以相同比例包括与基于铁的纳米晶合金的相同成分但是非晶形材料的合金。此外，带形材料在其磁性质上与根据本发明提供的基于铁的纳米晶合金不同。磁性质通过过程步骤，即，使用拉力的作用的热处理来调节，作为此的结果，软磁性条状材料被得到。
作为带的形状不仅允许在连续炉中在拉应力下制造基于铁的纳米晶合金，而且允许制备具有所期望的任何数量的层的磁心。优选地通过铸造方法得到带形材料。
根据本发明的基于铁的纳米晶合金的磁导率应在1000和3500之间，特别是可通过在热处理中的拉应力的选择来确定。拉应力在这里可高达大约800 MPa而没有带撕裂。因此，可实现具有在µ = 1000到µ = 3500的总磁导率范围内的磁导率的带。
磁导率越低，可在材料没有变得饱和的情况下穿过磁心的匝的电流的单极分量就越高（=直流分量）就越高。类似地，在相等的磁导率的情况下，材料的饱和极化JS越高，这些电流就可能越高。另一方面，磁心的感应率随着磁导率和结构尺寸而增加。为了建造相对于直流分量具有高感应率和高容差的磁心，使用具有更高的饱和极化的合金因此是有利的。
基于铁的纳米晶合金的磁导率优选地在1000和3000之间。在热处理中使用的拉应力优选地在10和50 MPa之间。
在本发明的实施方式中，在60 A的最大直流负载下，磁心具有小于4.7 g的磁心质量。在本发明的另一实施方式中，在100 A的最大直流负载下，磁心具有小于5.3 g的磁心质量。
在本发明的实施方式中，基于铁的纳米晶合金具有大于1.3 T的饱和磁化。通过增加饱和磁化，磁心可进一步减小，且它的质量可减少。这是可能的，因为由于较高的饱和，磁导率可增加，而磁心没有变得永久饱和。除了质量减少以外，由于较低的Nb含量，可更成本有效地制造根据本发明的磁心。
发明人观察到，如果磁导率µ在1000和3500之间，具有小于1 ppm的磁致伸缩的基于铁的纳米晶合金甚至在内部应力的情况下也具有特别好的软磁性质。
得到以由非晶形带形材料制成的软磁性条状材料的形式的基于铁的纳米晶合金。在材料在拉力的作用下受到热处理以得到条状材料之前，材料因此作为带被制造。条状材料可具有从10 µm到50 µm的厚度。这个厚度使具有高数量的层的根据本发明的磁心的卷绕变得可能，同时具有小外径。
根据实施方式，可使用绝缘层覆盖软磁性条状材料，以便使磁心的层彼此电绝缘。层可以是例如聚合物层、粉漆或陶瓷层。
合金A
合金A有具有小于2原子百分比（原子%）的铌含量。这具有下列优点：原材料成本与具有较高铌含量的成分相比更低，因为铌是相对昂贵的元素。而且，建立硅含量的下限和硼含量的上限，以便在连续炉中在拉应力下制造以带的形状的合金，其中上面提到的磁性质被实现。因此，使用这种制造方法，合金A也可具有用于磁心应用的期望软磁性质，而不考虑低铌含量。
由于在合金A的至少50体积百分比中具有小于100 nm的晶粒尺寸的纳米晶结构，在高饱和极化下实现低饱和磁致伸缩。在拉应力下的热处理导致具有中心线性部分的磁滞回线、小于0.1的剩磁比和小于各向异性场的10%的矫顽场强。与其相关的是低再磁化损耗和磁导率，其在磁滞回线的线性中心部分中独立于外加磁场或预磁化。
在这里，磁滞回线的中心部分被定义为位于特征化到饱和的转变的各向异性场强点之间的磁滞回线的部分。磁滞回线的这个中心部分的线性部分在本文由小于3%的非线性度因子NL定义，其中非线性度因子被如下计算：
在这里，和通过在饱和极化Js的± 75%的磁化值之间的磁致回线的上升或下降分支来表示磁化离拟合线的标准偏差。
合金A因此特别适合于具有减小的尺寸和有较低的原材料成本的较小质量和同时作为磁心的应用的期望软磁性质的磁心。在实施例中，合金A的剩磁比小于0.05。合金A的磁滞回线因此甚至更线性或更平。在额外的实施例中，矫顽场强与各向异性场强的比率小于5%。也在这个实施例中，磁滞回线甚至更线性，使得再磁化损耗甚至更低。特别是，线性回线在这里导致较低的磁导率范围，即，在大约µ = 1000到3000之间。
在另一的实施例中，至少70体积百分比的晶粒（体积%）具有小于50 nm的平均尺寸。这允许在磁性质中的进一步增加。在拉应力下以带的形式的合金A受到热处理，以便产生期望磁性质。合金A，即，完工的热处理带因此也以从制造方法产生的结构为特征。在实施例中，晶体具有大约20到25 nm的平均尺寸和在大约0.02%和0.5%之间的在纵向带方向上的残余伸长，其与在热处理期间施加的拉应力成比例。晶体晶粒可具有在优先方向上的至少0.02%的伸长。
合金B
合金B不同于合金A，首先因为它的铌含量是至少2原子%和至多4原子%。对于其余部分，合金B相应于合金A。
制造方法
根据本发明的用于制造磁心的方法包括下列步骤：
- 提供带形材料；
- 在热处理温度下进行带形材料的热处理；
- 在带形材料的纵向方向上在带形材料中向经热处理的带形材料施加拉力以便在带形材料中产生拉应力，以得到软磁性条状材料，其中为了从带形材料制造软磁性条状材料，也提供下面的操作：
- 确定所制造的软磁性条状材料的至少一个磁测量变量，以及
- 控制拉力用于调节拉应力作为对所确定的磁测量变量的反应。
步骤的顺序也可根据应用情况而改变。
因此，提供了提供的带形材料，特别是非晶形带形材料，其在随后的步骤中通过暴露于热处理温度而受到热处理。随后，带形材料暴露于所述拉力，与热处理同时，和/或其后以便在带形材料中产生拉应力。通过外加拉应力，可在带形材料中引起在材料中的结构变化和因此各向异性例如横向各向异性。例如，拉应力被调节，使得通过该方法制造的软磁性条状材料具有在拉应力方向上具有规定磁导率µ的明显的扁平磁滞回线。拉力的施加可与热处理同时出现。
如上面已经描述的，在这里引入的各向异性与所引入的拉应力成比例，其中磁导率取决于各向异性。在图3a和3b及相关描述中指示关系的图形表示和详细描述。
具有规定的磁性质或改变的结构的软磁性条状材料借助于所描述的步骤从带形材料制造，并随后受到用于确定一个或多个磁测量变量的测量。
后者允许关于所制造的条状材料的磁性质的结论，例如，对于所制造的磁性条状材料的磁性特征化。作为例子，在下面进一步指示可被确定的磁测量变量的列表。
由于了解至少一个磁测量变量，拉力的所述控制可出现，以便因而将拉应力调节到期望值。因此借助于拉力，拉应力改变，其中拉力的控制根据所确定的至少一个磁测量变量而出现。
根据实施方式，在调节拉力的步骤中，拉力改变，使得在带形材料的纵向方向上的拉应力至少逐段地在沿着纵向方向中保持基本上恒定。因此，拉力改变，使得局部存在于带形材料中的拉应力可保持恒定。以这种方式，作为在带形材料的纵向延伸部分上的制造的结果而改变的局部横截面积对局部拉应力的影响可被补偿，使得在与其连接的相关拉应力方面的变化可基本上被防止，如果只有恒定拉力被施加，情况就是这样。
因此，在连续移动的带形材料中，在恒定拉应力的情况中，可诱导相应的各向异性KU，其导致也恒定的磁导率µ。此外，可以用这样的制造方法影响并改变诱导各向异性的其它参数也是已知的；它们包括例如热处理温度、带形材料的吞吐量速度、暴露于热处理温度的路径距离（即，炉长度）、带形材料的（平均）厚度、到带形材料的热传导或热传递和/或所选择的合金的类型以及可以任选地被提供的磁场的参数。
因为在实践中，这些参数可能从不保持恒定，所以拉应力，即，在过程中可以在带中被可变地调节的力的控制可用于保持诱导各向异性Ku和因而磁导率µ在带长度上保持恒定。为了这个目的，在带中的力例如以在目标拉应力值周围的小步长改变，以便补偿局部影响，例如温度差、带厚度波动、在吞吐量速度方面的轻微偏差、在材料组成方面的变化等。
例如，因此为了调节期望拉应力的目的，可能通过根据所确定的磁测量变量调节拉力来保持诱导各向异性情况KU和因而磁导率在规定区段上或甚至在带形材料的整个长度上保持恒定。
如果拉应力只逐段地保持恒定或如果它通过所描述的控制连续改变，则这允许通过改变相应的指定值而保持拉应力在第一区段中的第一值处和在随后的第二区段中的第二值处恒定的额外可能性。自然地，也可能提供多于两个区段，每个区段具有单独地设定的恒定拉应力值。随后，例如每个区段可用于卷绕单独的磁心，且因此可接连地制造具有不同的磁性质的磁心。
例如，拉力的控制包括在预定的目标拉应力值周围的拉应力的自动调节。被引入带形材料内的拉力可因此以小步长或连续地在目标拉应力值周围自动改变，作为对至少一个磁测量变量的反应，以便补偿在带形材料中的局部影响，例如温度差、带厚度波动、在吞吐量速度方面的偏差和/或在材料组成方面的变化等。
例如，拉力被连续地调节，即，连续验证和（再）调节出现。如上所述，可同样为带形材料的仅仅规定区段提供预定额定值，使得在每种情况下，单独的拉应力水平可被指派到一个或多个连续区段，作为此的结果，在相应区段的长度上，诱导各向异性或从而达到的磁导率可以用受控方式在宽范围内被调节。
例如，如这种方式，根据用于这个目的的带形材料或合金的选定材料组成，可达到从小于1000到3500的范围的磁导率µ。这样的相对低的磁导率µ对于电流变压器是有利的。
所述实施方式因此提供下列优点：上面的两个方面的组合变得可能，即，拉应力可在宽范围上保持恒定，以及拉应力水平逐个区段由相应的目标拉应力值指定。例如，只将高抗张强度引入带形材料中以便实现期望磁导率是不够的，因为期望目标磁导率将因此对于带形材料的仅仅特定局部区域被确切地调节。更确切地，除了规定拉力水平以外，可能必须执行非常精细和尤其是无影响的拉力变化，以便能够如所描述的将拉应力保持在恒定值处。
换句话说，使用所述方法，可制造软磁性条状材料，其具有一个或多个不同的(在每种情况下恒定的)磁导率水平或具有连续改变的磁导率，其中可通过根据本发明的控制以离预定目标磁导率值的非常轻微的偏差在整个条长度上或在一个或多个规定区段上产生每个水平。
此外，该方法可包括使带形材料暴露于磁场（磁场处理）作为任选的步骤，其中磁场处理可出现在例如热处理之后或与热处理同时。自然地，也可能提供使用多于一个磁场例如几个磁场的热处理，每个磁场具有不同的空间取向。
此外，该方法可包括在确定至少一个磁测量变量的步骤之后卷绕所制造的软磁性条状材料的至少一个规定区段以便制造以环形带磁心的形式的至少一个磁心的至少一个步骤。作为卷绕步骤的结果，得到以环形带磁心的形式的根据本发明的磁心。
所制造的条状材料可因此在上述步骤结束之后被卷绕以形成一个或多个环形带磁心。因为可能通过该方法在一个或多个水平上产生可能最恒定或稳定的磁导率曲线，磁心可由其制造，每个磁心具有在磁心内的非常恒定的磁导率分布，但也有具有磁导率的相同额定值的几个磁心的低样本偏差（Exemplarstreuungen）。
当使用根据本发明的方法时，可产生具有小于± 2.5%的非常低的样本偏差的本发明的磁心。根据本发明的磁心可因此准确地形成所需尺寸，这与现有技术比较导致高达50%的明显质量减小的得到。根据现有技术产生的磁心具有高达± 20%的明显更高的样本偏差。必须在形成所需尺寸时维持这个高容差，这导致较大的尺寸和较高的核心质量。
根据额外的实施方式，卷绕步骤被控制作为对至少一个磁测量变量的反应。这允许例如经由特征化借助于所确定的磁测量变量来确定的规定区段的受控卷绕。因此例如，如果不同的磁导率水平被达到，即，在磁导率曲线中的跳跃被识别出或产生，则卷绕可相应地被控制。例如，第一磁心的卷绕可终止且新磁心的卷绕可开始。
根据另一实施方式，卷绕步骤包括卷绕所制造的软磁性条状材料的规定数量的带层，以便制造至少一个环形带磁心，其中带层的数量的规定作为对至少一个磁测量变量的反应出现。为了这个目的，对卷绕步骤考虑例如局部带厚度或与其相关的磁性横截面积。可能已经在实际卷绕之前确定带层的数量，且在卷绕的背景中改变绕组的所述数量，使得卷绕的磁心具有预定磁性横截面积AKFe。
上述方法因此提供制造多个磁心的可能性，其中每个磁心除了在卷绕的条状材料的长度上的规定磁导率曲线以外也有具有磁心横截面积的规定磁心横截面。
因此，带形状不仅允许在下面更详细描述的连续退火安装中的拉应力下的合金的处理，而且允许具有任何数量的层的环形带磁心的产生。以这种方式，可简单地通过匝或带层的数量的适当选择使环形带磁心的尺寸和磁性质适应于所提供的应用。
例如，带层的数量可在这里改变，使得第一环形带核心的横截面积AKFe1和第二环形带核心的横截面积AKFe2基本上具有相等的尺寸。因此，可制造任何数量的环形带磁心，每个环形带磁心具有相等尺寸的横截面积或至少具有相应的磁心横截面积的非常小的偏差。带层的数量也可改变，例如使得可选地或此外，第一环形带磁心的磁导率和第二环形带磁心的磁导率具有基本上相等的尺寸。
因此，也可在相应的磁心的卷绕期间通过平均化过程来促进至少逐段恒定的磁导率的效应和相等尺寸的磁心横截面积的效应。通过在卷绕期间的这个重叠，在条状材料的规定长度（例如几米）上补偿离预定额定值的相应的正和负偏差。因此，在通过热处理直到磁心的制造为止的单个连续制造程序或过程中，可由原材料制造完全验证的磁心，其具有关于磁导率和磁心横截面积的非常小的样本偏差。以这种方式，较窄的磁心容差变得可能，使得可制造较小的磁心，这又有助于在材料和成本方面的节省。
下面更详细解释在所制造的软磁性条状材料中测量的磁测量变量的特殊意义，对于随后从其卷绕的磁心和从而实现的相应的低样本偏差。
通常，根据相应的选定合金来选择带形材料的热处理温度和吞吐量速度，使得在相应的经热处理的软磁性条状材料的纳米晶状态中的磁致伸缩在1 ppm之下。这应被考虑为基本条件，以便从经热处理的软磁性条状材料卷绕磁心，该软磁性条状材料具有与未卷绕的条状材料比较类似的或甚至相同的磁导率，甚至在它的卷绕状态中在卷绕过程之后。对于此的原因是，来自由卷绕引起的弯曲应力和磁致伸缩的值的积代表在条状材料中诱导的额外的各向异性且必须因此被保持尽可能低。如果这不能被实现，则卷绕的磁心的磁导率否则将较强烈或较不强烈地不同于条状材料的磁导率。
此外，可观察到，由于卷绕应力，在软磁性条状材料的制备过程中诱导的最高可能的各向异性具有磁心对总是恒定的小额外各向异性越来越敏感的效应。在图4中示出在未卷绕的软磁性条状材料上测量的磁滞与在卷绕的环形带核心上确定的磁致的相应比较。
如已经提到的，在所述方法的背景中用作原材料的带形材料可在拉应力下受到热处理，以便产生期望磁性质。在这里，选定温度具有极大的重要性，因为材料的结构根据所述温度被影响。所述温度可被选择，使得热处理温度在带形材料的结晶温度之上，以便将带形材料从非晶形状态转变成纳米晶状态。纳米晶状态对于环形带磁心是有利的，并负责所制造的条状材料的优良软磁性质。以这种方式，由于纳米晶结构，达到低饱和磁致伸缩和同时高饱和极化。在适当的合金选择的情况下，在规定拉应力下的所提议的热处理导致具有中心线性部分的磁滞。与此相关的是低复位损耗和磁导率，其在磁滞的线性中心部分中在很大程度上独立于外加磁场或预磁化——在磁心中对电流变压器特别期望的特征。
根据按照本发明的方法的实施方式，至少一个磁测量变量的确定实时地出现。在这种情况下，可能在运行操作中在制造线内“线内(in line)”进行磁特征化。下面也描述了磁测量变量的示例性选择。
以这种方式，可能带形材料或所制造的软磁性条状材料可通过制造设备以全速运行，而不需要确定过程的中断或减速。
例如，可从由磁饱和通量、磁性带横截面积AFe、各向异性场强、磁导率、矫顽场强和所制造的软磁性条状材料的剩磁比组成的组中选择至少一个磁测量变量。所制造的条状材料的所有这些测量变量或相关磁性质有共同点：它们依赖于被引入到材料中的拉应力且可因此相应地通过所描述的方法来调节。
如果确定磁测量变量的步骤也包括确定局部磁横截面积AFe，则这使不仅制造如所描述的沿着长度具有最恒定的可能磁导率曲线的软磁性条状材料变得可能，而且此外同时允许关于所制造的条状材料的厚度路线的信息的得到。这个组合使从所制造的条状材料卷绕环形带磁心变得可能，环形带磁心具有可非常精确地被调节的磁导率值和同时具有环形带磁心的可调节的磁心横截面积AKFe，其方式为所需的条长度可在实际卷绕之前已经被规定。
为了实现根据本发明的方法，可提供用于制造软磁性条状材料的设备，具有
- 用于提供带形材料的入口侧材料进料器，
- 用于在热处理温度下进行带形材料的热处理的热处理设备，
- 用于向经热处理的带形材料施加拉力用于至少在热处理设备的区域中在带形材料的纵向带轴中产生拉应力的拉力调整设备，其中
- 拉力调整设备设计成使得它可被调节，用于改变在带形材料中的拉力，以便调节拉应力，
- 其中为了产生软磁性条状材料，该设备此外包括用于确定所制造的软磁性条状材料的至少一个磁测量变量的测量装置，以及
- 其中提供用于调节拉力调整设备的控制单元，其被设计成且连接到测量装置使得拉力调整设备的控制包括调节拉力作为对所确定的至少一个磁测量变量的反应。
设备此外可包括具有用于卷绕所制造的软磁性条状材料的规定区域的至少一个卷绕心轴的卷绕单元，以便制造至少一个环形带磁心，其中卷绕单元被设计成和连接到测量装置使得卷绕作为应对所确定的至少一个磁测量变量的反应出现。
此外，该设备可包括用于产生至少一个磁场用于将所制造的至少一个磁场施加到经热处理的材料的设备。磁场可横向地被取向和/或垂直于纵向带轴或带表面。
例如，用于在带形材料中产生拉力的拉力调整设备可设计成使得带形材料仍然可连续前进，且拉力可根据控制单元的规范基于由测量装置确定的磁性测量幅值来改变。例如，拉力调整设备必须能够将足够高的拉力引入到带形材料内并确保所需的精度，以便允许例如在拉力中的可重复的变化，并以便甚至在带形材料的塑料伸长的情况下也能够施加并确保预定拉力。
为了这个目的，用于产生拉力的拉力调整设备包括连接到彼此的两个S形滚筒驱动器、浮动辊滚筒控制装置和/或振动控制装置以及扭矩控制的制动驱动器和/或机械制动滚筒。然而，显然也可能使用满足所提到的要求的其它适当的拉力调整设备。
有利地，经由入口侧材料进料器供应的带形材料包括被切割到最终宽度的材料和/或带形铸造材料和/或被卷绕以形成线圈的材料。通过这样的预先制造，在热处理设备中的简单处理例如在连续退火安装中变得可能。
例如，测量装置布置在热处理设备和/或拉力调整设备的区段下游中，使得穿过测量装置延伸的所制造的软磁性条状材料没有由拉力调整设备制造的拉力。为了运输和卷绕条状材料，显然仍然必须施加某些应力或拉力。
借助于根据本发明的方法，可得到根据本发明的磁心。根据实施方式，可以用绝缘层覆盖软磁性条状材料，以便使环形带磁心的层彼此电绝缘。在该过程中，可在卷绕之前和/或之后用绝缘层覆盖条状状材料以形成磁心。
显然，可不仅在这里指示的组合中而且在任何其它适当的组合中或仅仅单独地使用还没有在下面解释的上面提到的特征。
根据本发明的提供，也可提供用于电流变压器的根据本发明的磁心的用途。使用根据本发明的磁心，可能有利地得到，特别是兼容直流的电流变压器。在WO 2004/088681A2中以及在标准IEC 62053-21和IEC 62053-23中描述了对这样的电流变压器强加的要求。具有根据本发明的磁心的电流变压器符合这些要求。
本发明因此基于电流变压器的磁心可被得到的发现，磁心具有低损耗和小体积且可被成本有效地制造，如果(i)使用具有小于1 ppm的磁致伸缩的基于铁的纳米晶合金，在µ= 1000和3500之间的其磁导率以目标方式通过合金的热处理在拉应力下被调节，以及(ii)特别是借助于在热处理期间的所描述的在线控制，磁心宽度的磁性值的分散范围减小了。减小的偏差允许磁心尺寸的准确优化，导致磁心质量的明显减小。磁心质量最终(iii)可通过将饱和磁化增加到大于1.3 T来进一步减小，这通过将Nb电流降低到2原子%来实现。
附图说明
下面参考附图基于实施方式实例更详细地解释了本发明，实施例并不预期限制本发明。
图1示出根据第一实施方式的程序的过程的图形表示，
图2示出用于实现在图形表示中的方法的设备的实施方式的实例，
图3a和3b示出拉应力诱导各向异性的基础、机械和磁性术语的定义和在两个简图中在被引入到带形材料中的拉应力和因而所生成的各向异性或磁导率之间的关系，
图4在简图中示出在未卷绕的软磁性条状材料上测量的磁滞与在卷绕核心上确定的磁滞之间的比较，以及
图5在相应横截面图形表示中示出磁心的实施方式。
具体实施方式
在图1中，示出根据第一实施方式的用于制造以环形带磁心的形式的磁心的软磁性条状材料的程序的过程的实例。该方法包括提供带形材料；在热处理温度下进行带形材料的热处理；以及在带形材料的纵向方向上向经热处理的带形材料施加拉力以便在带形材料中产生拉力。这些步骤用于从带形材料制造软磁性条状材料。此外，该方法包括确定所制造的软磁性条状材料的至少一个磁测量变量，以及调节拉力用于调节拉应力作为对所确定的磁测量变量的反应（箭头Ａ）。任选地，该方法包括在确定至少一个磁测量变量的步骤之后卷绕所制造的软磁性条状材料的至少一个规定区段以便制造至少一个环形带磁心的步骤。例如，卷绕步骤被控制或调节作为对至少一个磁测量变量的反应（箭头B）。
图2示出根据实施方式的用于制造软磁性条状材料的设备20的图形表示。设备20包括用于提供带形材料的入口侧材料进料器21、用于在热处理温度下进行带形材料的热处理的热处理设备22、用于向带形材料施加拉力以便至少在热处理设备22的区域中在带形材料的纵向带轴中产生拉力的拉力调整设备24。拉力调整设备24设计成使得它可被控制，以便改变在带形材料中的拉应力，以便调节期望拉应力用于制造软磁性条状材料。
设备20此外包括用于确定所制造的软磁性条状材料的至少一个磁测量变量的测量装置25和用于调节拉力调整设备24的控制单元26，其中控制单元26被设计成和连接到测量装置25使得拉力调整设备24的控制包括控制拉力作为对所确定的至少一个磁性测量尺寸的反应。在所提出的实施方式中，拉力调整设备24包括两个彼此耦合的S形滚筒驱动器以及浮动辊控制单元。滚筒驱动器可此外或可选地还具有不同的速度，其中在带的运动方向上的第一滚筒驱动器可具有比随后的滚筒驱动器稍微低的驱动速度，作为此的结果，可产生在两个滚筒驱动器之间的额外拉力。可选地，第一滚筒也可被制动而不是驱动。除了用于拉力产生以外，浮动辊控制单元也可用于补偿速度变化。可选地或此外，可提供振动控制。
设备20任选地包括用于产生至少一个磁场用于将所制造的至少一个磁场施加到经热处理的材料的设备23和/或具有几个卷绕锭28的卷绕单元27，卷绕心轴28用于卷绕所制造的软磁性条状材料的规定区段，以便产生多个环形带磁心，其中卷绕单元被形成和连接到测量装置25使得卷绕作为对所确定的至少一个磁测量变量的反应出现。同样可选地，卷绕单元27包括用于将条状材料馈送到相应的卷绕心轴28的另一S形滚筒驱动器29。
图3a和3b示出在通过拉力F被引入到带形材料30内的拉应力和因而产生的各向异性KU或磁导率µ之间的关系。如下从所施加的拉力F和局部磁性横截面积AFe（材料横截面）得到局部存在于带形材料30中的拉应力µ：
使得诱导各向异性KU根据在图3b中所示的图示根据拉应力σ横向增加到纵向延伸的带形材料。磁导率µ经由外加拉应力σ被调节，且如已知的如下从磁滞回线的平均斜率或从磁通量密度BS（饱和磁化）磁场强度H（各向异性场强Ha）和磁场常数µ0结合各向异性KU来产生：
因此例如，如果带形材料的变化的厚度作为制造的结果而存在，则假设恒定宽度、局部横截面积AFE相应地改变，且随着它在恒定的拉力F下外加拉应力σ改变。后者又导致诱导各向异性KU的相应变化，其经由所提到的关系相应地影响磁导率µ，使得后者也在因此从带形材料制造的软磁性条状材料的长度上改变。
图3b此外示出对于三个热处理温度的磁导率与拉应力σ的关系曲线。
图4示出在未卷绕的软磁性条状材料上测量的磁滞60和在卷绕的磁心上确定的磁滞61的比较。根据按照本发明的方法，为了从未卷绕的软磁性条状材料制造具有与条状材料最可能相似的或甚至相同的磁导率的卷绕的环形带磁心，应根据选定材料或选定合金来调节热处理温度和吞吐量速度，使得在条状材料的纳米晶状态中的磁致伸缩低于1 ppm。
来自由条状材料的卷绕产生的弯曲应力和磁致伸缩的值的积代表在条状材料中诱导的额外的各向异性且因此应被保持尽可能低。否则，磁心的磁导率将较强烈或较不强烈地不同于未卷绕的条状材料的磁导率。因此，情况是：由于卷绕应力，在制造未卷绕的软磁性条状材料的时间诱导的各向异性越高，环形带磁心就对总是恒定的小额外各向异性越不敏感。
如从所表示的磁滞曲线明显的，磁导率µ在1000范围内。这相应于小到中等强的诱导各向异性。除了在导致磁饱和的区域中的小缺陷以外，未卷绕的软磁性条状材料60和卷绕的环形带61的两个磁滞曲线可被考虑为相同的。
图5示出包括卷绕的环形带磁心52和由粉漆组成的涂层53的穿过磁心51的区段。涂层53使环形带磁心52固定。这样的固定允许磁心的尺寸的减小。在本示例中，这样的固定是可能的，尽管有由此引入的机械应力，因为磁心具有低磁致伸缩。
环形带磁心52具有高度h、外径da和内径di。粉漆涂层53被施加到环形带磁心的表面。因此，磁心51具有高度H、外径OD和内径ID。此外，在图5中标明带横截面积AFe。
实例
下面的示例说明与比较示例有关的本发明。为了这个目的选择带形材料，其组成在表1中指示。这些带形材料受到热处理和用于制造软磁性条状材料的额外的过程步骤，以便得到例如基于铁的纳米晶合金或基于钴的非晶形合金。可在表1的“热处理”列中得到关于另外的步骤的细节。示例E-1、E-2和E-3的带形材料接受根据本发明的方法。
表1：用于将带形材料转换成软磁性条状材料的带形材料的组成、特性和过程步骤
JS表示在结晶化之前的非晶形带形材料的饱和磁化，其中纳米晶材料的饱和磁化于是可以高达3%更高。选择非晶形材料的饱和磁化的测量，因为它的执行比纳米晶材料的饱和磁化明显更简单，同时制造可比较的值。V-1和V-2是比较示例。术语“结晶化”指非晶形带形材料到由基于铁的纳米晶合金组成的软磁性条状材料的转换。
在根据本发明的示例中使用带形材料E-1、E-2和E-3。在这些当中，E-2和E-3是特别优选的，因为它们的饱和磁化大于1.3 T。作为在饱和磁化中的增加的结果，磁心的尺寸与示例E-1和比较示例V-1和V-2的磁心的尺寸比较可进一步减小，且磁心的质量可减小。这是可能的，因为由于较高的饱和，磁导率可增加，而磁心不永久转变成饱和。除了质量的减小以外，由于较低的Nb电流，与示例E-1和比较示例V-1和V-2比较，磁心还可以更成本有效地从E-2和E-3制造。
表2示出从根据表1制造的条状材料得到并预期用于60-A电流变压器的磁心的示例E-1a、E-2a和E-3a和比较示例V-1a和V-2a。E-2a和E-3a是优选的示例。表3示出从根据表1制造的条状材料得到并预期用于100-A电流变压器的磁心的示例E-1b、E-2b和E-3b和比较示例V-1b和V-2b。E-2b和E-3b是优选的示例。
表2：60A电流变压器
表3：100A电流变压器
在表2和3中，在“合金”列中，指示如在表1中使用的合金的简称。在表2和3中，这个指示意味着在表1中描述的合金用于在合金通过如在表1中指示的热处理和额外的过程步骤转换成基于铁的纳米晶合金之后制造磁心。得到以软磁性条状材料的形式的基于铁的纳米晶合金，软磁性条状材料被卷绕到磁心的形式以得到环形带磁心。环形带磁心被涂覆有粉漆。
由于根据本发明的磁心的低磁致伸缩（λS < 1 ppm），它们对机械应力不敏感。因此，可能通过具有粉漆的薄涂层来固定环形带磁心。这样的固定类型允许磁心的尺寸的减小，但由于由此引起的机械应力，只使用具有低磁致伸缩的磁心是可行的。在磁致伸缩值大于1 ppm的情况下，所提到的机械应力将使构造有磁心的电流变压器的相位误差的线性度明显恶化。例如，合金VC 220 F具有10 ppm的高磁致伸缩。因此，使用这个合金，磁心必须以尽可能小的应力谨慎地放置在槽中，这导致相应的磁心类型的比较大的尺寸（见表2中的V-2a和表3中的V-2b）。
“磁心尺寸”列给出没有涂层53的环形带磁心的尺寸（见图5）。“磁心固定”列指示设置有粉漆涂层53的环形带磁心的尺寸。
“mFe”列指示未涂覆的磁心的质量。可看到，根据本发明的实例的质量明显低于比较实例的质量。使用根据本发明的方法以小于+/- 2.5%的非常低的样本偏差制造根据本发明的磁心。作为结果，根据本发明的磁心可准确地形成所需尺寸，导致与现有技术比较高达50%的明显的质量减小。根据现有技术制造的磁心具有高达+/- 20%的明显更高的样本偏差。这个高容差必须在形成所需尺寸期间被维持，导致较大的尺寸和较高的磁心质量。
“标称磁导率(Nom. perm.)”列指标称磁导率，即，磁心的磁导率的标称值或设定值（根据DIN 40200，标称值是用于指定或识别装置或设备的变量的适当的四舍五入值）。
涉及相位误差和DC容差在表2和3中的指示此外示出根据本发明的磁心满足在IEC62053-21或者IEC 62053-23中建立的电流变压器的规格。根据IEC 62053-21或者IEC62053-23来确定相位误差和DC容差。

Claims (13)

1.一种具有软磁性条状材料的磁心，所述软磁性条状材料由具有在1000和3500之间的磁导率µ、大于1.3 T的饱和磁化、小于0.1的剩磁比Jr/Js、小于10%的矫顽场强Hc与各向异性场强Ha之比、和小于1 ppm的磁致伸缩的基于铁的纳米晶合金组成，其中所述基于铁的纳米晶合金包含至少50原子%的铁和至多2原子%的铌，其中Jr表示剩磁，Js表示饱和磁化，其中所述磁心能够通过包括下列步骤的方法来得到：
提供带形材料；
在热处理温度下进行所述带形材料的热处理；
在所述带形材料的纵向方向上向经热处理的带形材料施加拉力以便在所述带形材料中产生10-50MPa拉应力，以得到所述软磁性条状材料，其中为了从所述带形材料制造所述软磁性条状材料，也提供下面的操作：
确定所制造的软磁性条状材料的至少一个磁测量变量，以及
控制所述拉力以用于调节所述拉应力作为对所确定的磁测量变量的反应。
2.如权利要求1所述的磁心，其中所述基于铁的纳米晶合金包含至少15和至多20原子%的硅。
3.如权利要求1所述的磁心，其中所述基于铁的纳米晶合金是合金，其
- 由Fe100-a-b-c-d-x-y-zCuaNbbMcTdSixByZz和高达1原子%的杂质组成，其中M是元素Mo、Ta或Zr中的一个或多个，T是元素V、Mn、Cr、Co或Ni中的一个或多个，且Z是元素C、P或Ge中的一个或多个，以及
- 0原子% ≤ a < 1.5原子%，
- 0原子% ≤ b < 2原子%，
- 0原子% ≤ c < 2原子%，
- 0原子% ≤ d < 5原子%，
- 14原子% < x < 18原子%，
- 5原子% < y < 11原子%，以及
- 0原子% < z < 2原子%，
- 纳米晶结构，其中至少50体积%的晶粒具有小于100 nm的平均尺寸，
- 具有中心线性部分的磁滞回线。
4.如前述权利要求1至3中任一项所述的磁心，其中所述至少一个磁测量变量的确定实时地出现。
5.如前述权利要求1至3中任一项所述的磁心，其中所述至少一个磁测量变量选自由所制造的软磁性条状材料的磁饱和通量、磁性带横截面积、各向异性场强、磁导率、矫顽场强和剩磁比组成的组。
6.如前述权利要求1至3中任一项所述的磁心，其中所述方法包括在确定所述至少一个磁测量变量的步骤之后卷绕所制造的软磁性条状材料的至少一个规定区段用于制造所述磁心的步骤。
7.如权利要求6所述的磁心，其中所述卷绕步骤被调节作为对所述至少一个磁测量变量的反应。
8.如权利要求6所述的磁心，其中所述卷绕步骤包括卷绕所制造的软磁性条状材料的规定数量的带层以便制造所述磁心，以及作为对所述至少一个磁测量变量的反应实现对带层的数量的规定。
9.如前述权利要求1至3中任一项所述的磁心，其中在60 A的最大直流负载下，所述磁心具有小于4.7 g的磁心质量，或在100 A的最大直流负载下，它具有小于5.3 g的磁心质量。
10.用于制造具有软磁性条状材料的磁心的方法，所述软磁性条状材料由基于铁的纳米晶合金组成，所述基于铁的纳米晶合金具有在1000和3500之间的磁导率µ、大于1.3 T的饱和磁化、小于0.1的剩磁比Jr/Js、小于10%的矫顽场强Hc与各向异性场强Ha之比、和小于1ppm的磁致伸缩，其中所述基于铁的纳米晶合金包含至少50原子%的铁和至多2原子%的铌，其中Jr表示剩磁，Js表示饱和磁化，其中所述方法包括下列步骤：
提供带形材料；
在热处理温度下进行所述带形材料的热处理；
在所述带形材料的纵向方向上向经热处理的带形材料施加拉力以便在所述带形材料中产生10-50MPa拉应力，以得到所述软磁性条状材料，其中为了从所述带形材料制造所述软磁性条状材料，还提供下面的操作：
确定所制造的软磁性条状材料的至少一个磁测量变量，以及
控制所述拉力用于调节所述拉应力作为对所确定的磁测量变量的反应。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述至少一个磁测量变量选自由所制造的软磁性条状材料的磁饱和通量、磁性带横截面积、各向异性场强、磁导率、矫顽场强和剩磁比组成的组。
12.如权利要求10或11所述的方法，其中它包括在确定所述至少一个磁测量变量的步骤之后卷绕所制造的软磁性条状材料的至少一个规定区段的步骤，其中所述卷绕步骤包括卷绕所制造的软磁性条状材料的规定数量的带层用于制造所述磁心，以及作为对所述至少一个磁测量变量的反应实现带层的数量的规定。
13.根据权利要求1至12中一项所述的磁心用于电流变压器的应用。
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