CN1475018A - 具有磁芯的磁放大器扼流圈和磁放大器扼流圈的应用以及磁放大器扼流圈用磁芯的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及由非晶态合金制造的几乎没有磁致伸缩的具有磁芯的磁放大器调整器，其中，磁芯具有尽可能低的反复磁化损耗，并且具有尽可能矩形的磁滞回线。上述合金具有成分FeaCobCucMd′SixByMz″，其中，M′表示族V，Nb，Ta，Ti，Mo，W，Zr，Hf中的一种元素或其组合，M″表示族C，P，Ge，As，Sb，In，O，N中的一种元素或其组合，并满足下列条件：a+b+c+d+x+y+z=100％，其中a=100％－b－c－d－x－y－z，0≤b≤15，0.5≤c≤2，0.1≤d≤6，2≤x≤20，2≤y≤18，0≤z<10，和x+y>18。本发明的磁放大器调整器能够在汽车供电，电车供电或在飞机供电中特别好地应用。
Description
本发明涉及具有磁芯的磁放大器扼流圈和磁放大器扼流圈的应用以及磁放大器扼流圈用磁芯的制造方法。
具有脉冲重复频率在20KHz和300KHz之间的磁放大器调整器所连接的电源单元投入始终是各种各样的应用之中，例如，在尽管负载快速变化但必需极其准确调整的电压或电流的应用中。这是例如用于PC或打印机的所连接的电源单元。
例如，在DE 198 44 132 A1或VAC公司文献TB-410-1，1988内详细描绘了具有相应的磁放大器扼流圈的这样一种磁放大器调整器以及与其相连接的电源单元的基础原理。
对磁放大器调整器主要存在两个要求：
第1，线圈的电阻应当尽可能小，以便降低线圈损耗。这可以在同时提高导线截面积的情况下通过减小匝数来达到。因此，同时引起磁放大器磁芯材料的交流最大磁化磁场的提高，并因之促使反复磁化损耗的增加。而只在磁放大器磁芯材料的比损耗显著降低时，或根据极高应用温度上限，高的反复磁化损耗是允许时，才能达到磁放大器磁芯的体积显著降低，并因此元件体积显著降低。
第2，在饱和BS中，所谓的剩磁BR的感应偏移ΔBRS＝BS-BR应当尽可能小，因为感应偏移ΔBRS意味着不可调节的电压-时间-面积。在工作频率上升时，提供给磁放大器用于调整的电压-时间-面积永远比较小，因此大的电压-时间-面积永远受ΔBRS强烈制约。这可以通过增加磁芯几何尺寸或体积加以补偿，但是这同时导致反复磁化损耗的增加。因为具有矩形的磁滞回线的磁放大器磁芯占有特别高的剩磁值，所以这尤其好地适合于具有较高工作频率的磁放大器调整器。当与通过线圈产生的磁场H方向平行的磁放大器磁芯材料具有非轴向各向异性KU时，可以形成这种矩形特性。
对永远较小的所连接的电源单元的需求受限于使用总是较高的工作频率。尤其是在用于PC连接的电源单元的情况下，开关频率那时到达几百KHz。
该高开关频率要求具有较低反复磁化损耗的磁放大器磁芯材料。通过提高电子元件的封装密度以及通过对送风机的非优化要求，在磁放大器调整器情况下大大提高了对允许的工作温度和长时间稳定性的要求。当磁放大器调整器应当在环境温度超过100℃情况下使用(这例如在汽车内或在工业应用时存在)时这些要求是特别关键的。迄今为止其上限处于约130℃。
从本文开始所述的DE 198 44 132 A1获悉一种具有纳米晶体合金制成的磁芯的磁放大器调整器，在那里描述的磁放大器调整器根据其小的感应偏移其特征为良好的开关控制特性。然而在实施例内给出的合金例子与那里描述的用于磁放大器磁芯的热处理结合表明：根据对高频下使用太高的损耗，这不是最佳的。甚至承受最高可能的反复磁化损耗。因此，显然最高可能的运行频率限于150KHz。此外，在最多描绘的例子里，不得不通过磁弹性谐振来考虑损耗过高量和噪声产生。
因此，本发明的任务在于，在工作频率从10KHz到200KHz或更高的情况下，在同时低的反复磁化损耗的情况下提供一种具有良好开关特性的磁放大器扼流圈。此外，为此应用的磁芯具有直到至少150℃或更高的抗老化稳定性，并且以其极小的磁芯体积作为其特征。
本任务通过根据权利要求1的磁放大器扼流圈或根据权利要求7或8的磁放大器扼流圈用磁芯的制法或根据权利要求14的这类磁放大器扼流圈的应用来解决。本发明想法的改进及扩展由从属权利要求给出。
根据本发明，考虑具有成分为FeaCobCucM′dSixByM″z的纳米晶体合金制成磁芯的磁放大器扼流圈，其中M′表示由V，Nb，Ta，Ti，Mo，W，Zr，Hf族的一个元素或由这些元素的组合，而M″表示由C，P，Ge，As，Sb，In，O，N族的一个元素或由这些元素的组合，而a+b+c+d+x+y+z＝100％，其中a＝100％-b-c-d-x-y-z；0≤b≤15；0.5≤c≤2；0.1≤d≤6；2≤x≤20；2≤y≤18；0≤z≤10和x+y＞18。在准确调准到各自的成份关系的热处理之后，该合金具有包含平均尺寸D＜100nm以及体积填充率大于30％的金相学颗粒的细结晶结构，以及在同时低的反复磁化损耗情况下，具有尽可能矩形的磁滞回线，以及与未经退火处理的状态比较，具有强烈减少的磁致伸缩|λS|＜3ppm。此外，饱和感应处于用另外的磁致伸缩少的合金不可达到的值BS＝1.1...1.5 Tesla。在这里实施的研究范畴里，具有矩形磁滞回线的该合金系统的首次揭示的另一优点在图9示例描绘的、极弱而且几乎呈线性的剩余偏移和反复磁化损耗随温度的变化过程中是特别有利的。
对于一定的合金组成，存在反复磁化损耗Pfe和动态剩余偏移ΔBRS之间的近双曲线关系，该知识作为本发明合金选择的基础。该近双曲线关系在图1依靠合金Fe73.5Cu1Nb3Si15.7B6.8示出。
一方面反复磁化损耗Pfe和另一方面动态剩余偏移ΔBRS的协调通过在纵向磁场内的热处理加以调整。这时经过这样的纵向磁场热处理调整了所谓的纵向各向异性KU，其中随着KU上升，ΔBRS下降而损耗上升。在图1所示的关系通过对干扰各向异性的影响加以干扰。合金的纵向各向异性越少，则干扰各性异性的影响越大，这从描绘了机械过应力对未平衡磁致伸缩的磁芯所造成的影响的图2明显地看出。
因为由经典的涡流损耗和异常涡流损耗构成的总损耗的数值，并因此还有自热以及磁芯的应用温度的上限对于其可调制性和在一定使用频率情况下的大小起着决定性作用，所以根据本发明把纵向各向异性KU的数值限制在合理的最小值。
在纵向各向异性KU过低的值时，磁滞特性的老化稳定性降低，和/或对所谓的磁弹性的干扰各向异性的影响，还有对在结构上或从带拓扑学(表面粗糙度)引起的干扰各向异性的影响将强烈上升。两干扰影响引起剩磁BR降低，并因此引起对调整特性的死时间负责的剩余偏移ΔBRS的提高，其中视具体情况静态和动态矫顽磁场强度也上升。
同时可以追溯到随着频率上升动态剩余偏移ΔBRS变小的事实。尽管如此，在确定KU值时，在一方面尽可能低的损耗Pfe和另一方面尽可能高的剩磁BR之间寻找有节制的和制造稳定的折衷，这在纳米结晶合金内只在根据本发明的上述合金选择的情况下才是可能的。
这两个相反量的折衷只能借助于本发明在与缠绕带方向呈纵向延伸的磁场(即所谓纵向场)中的适应合金特性的热处理(退火)进行目标明确地调整。由此可以感应一个强矩形的磁滞回线，所谓的Z回线。
因为在这样的Z回线情况下，剩磁BR的稳定性和大小与干扰各向异性和感应的非轴向各向异性KU之间的平衡有关，所以在较小感应的非轴向各向异性KU情况下，在各向异性平衡中的各向异性的磁弹性部分尽可能低而频率尽可能高时，将会稳定地达到足够低的剩余偏移ΔBRS。
这通过尽可能地消除饱和磁致伸缩λS，机械应力σ以及结晶各向异性K1实现。同时消除三个彼此独立的物理量，在上述的合金选择中也可以通过最佳的热处理实现。
当磁芯具有磁致伸缩值|λS|＜0.2ppm，合金成份为FeaCobCucM′dSixByM″z时，其中M′表示V，Nb，Ta，Ti，Mo，W，Zr，Hf族中的一个元素或由这些元素的组合，M″表示C，P，Ge，As，Sb，In，U，N族中的一个元素或这些元素的组合，以及a+b+c+d+x+y+z＝100％具有以下条件，即0≤b≤0.5；0.8≤c≤1.2；2≤d≤4；14≤x≤17；5≤y≤12，以及22≤x+y≤24，那么，在磁芯内同时达到极低的磁滞损耗情况下可以实现关于磁滞回线矩形性特别好的特性，并因此可以实现用磁芯制造的磁放大器调整器极高的可控制性。
令人惊奇地表明：这种合金的附加选择是本文一开始所述的纳米晶体合金选择的合金附加选择，其特征为，在基于其充分消除晶体各向异性K1和饱和磁致伸缩λS的情况下，已经具有最低的非轴向纵向各向异性值，典型地处于KU≤10J/m3的范围内，应用最佳的热处理，明显的矩形磁滞回线是可以实现的。
只要所用的合金带具有有效的粗糙深度并处于随后给出的范围内，则可以实现处于较小的0.025×BS范围的特别好的剩余偏移值ΔBRS表面粗糙度和带厚是对磁特性的主要的影响量。有效的粗糙深度Ra(eff)是一个起决定作用的影响量。粗糙深度Ra(eff)定义为相对于带方向横向量测的带上面和带下面粗糙深度之和除以带厚度，也就是说用百分率表示。可以用由上述合金构成，并且具有粗糙深度范围处在3％和9％，优选在4％和7％之间的合金带来达到特别好的剩余偏移，这可以从图10看出。
在专用的由传统方式已知的机器上通过缠绕来完全无应力地实现合金带至磁芯的加工。因此根据对磁芯的磁滞回线突出的矩形性和低损耗的高要求，尤要对机械上的无应力加以小心谨慎。
随后，合金带缠绕到磁芯上，该磁芯典型地作为闭合的、无空气隙的环状磁芯，椭圆磁芯或矩形磁芯加以处理。为了生产这种磁芯构形，合金带首先可以对环形磁芯作圆环状缠绕，并且按要求借助于合适的模具在热处理期间做成相应的形式。通过应用合适的线圈架，相应的形式也可以在缠绕时已经实现。
为了避免应力，在合金带缠绕到磁芯时首先注意：随着带层数增加，合金带的引力连续下降。因此可以实现：切向作用在磁芯上的转动力矩在磁芯的整个半径上保持不变，并且不随半径增加而变大。
如果合金带至少在表面上配备有电绝缘层时，在同时小的剩余偏移情况下，达到特别小的静态和/或动态矫顽场强并因此达到良好的损耗值。这一方面导致磁芯较好的膨胀，另一方面可以达到特别低的涡流损耗。
借助于快速固化工艺制造的软磁非晶态带具有典型的厚度d＜30μm，优选＜20μm，较好＜17μm。
按对绝缘层品质的要求，对电绝缘层在带上应用浸渍法、穿透法、喷射法或电解法。它也可以通过缠绕的或堆积的磁芯的浸渍绝缘来实现。在选择绝缘介质时必须注意：一方面在带表面上引起良好粘附，另一方面不引起可能导致磁特性损伤的表面反应。在这里本发明使用的合金情况下，元素Ca，Mg，Al，Ti，Zr，Hf，Si的氧化物，丙烯酸盐、磷酸盐、硅酸盐和铬酸盐证明为高效和兼容的绝缘体。这里Mg作为含镁的流体半成品淀积在带表面上，并且在专门的、不影响合金的热处理期间转变为MgO的致密层，这种镁尤为有效，其层厚可以处于50nm和1μm之间。
由适用于纳米结晶的合金制成的磁芯，通常为了调整纳米结晶结构而经受一次精密调谐的结晶热处理，按照合金成分其热处理温度处于450℃和690℃之间。典型的维持时间处于4分和8小时之间。
按合金，该结晶热处理在真空或在惰性气体或还原性保护气体内进行。在所有的情况下应当考虑材料特有的纯度条件，它视具体情况通过相应的辅助手段，如元件专用的吸收剂或吸气剂材料来达到。
同时通过精确调准的温度和时间组合加以充分利用：在这里应用的合金成分的情况下，恰好补偿细结晶磁芯和非晶剩余相的磁致伸缩份额，并且形成必要的、约|λS|＜3ppm，优选|λS|＜0.2ppm的磁致伸缩自由度。
按照磁芯的合金和实施形态，或者在无场空间，或者在缠绕带方向的纵向磁场(“纵向场”)内或该方向的横向磁场(“横向场”)内进行退火。在一定的情况下也可以一个接一个或并行地应用这种磁场状态的2种甚至3种的组合。
对于合金Fe73.5Cu1Nb3Si15.7B6.8应用的(以此也可以达到几乎完全的磁致伸缩自由度调整的)热处理的温度/时间分布在图3a内示出。在那里示出的初始加热速率7k/min在大约1到大于20k/min范围内几乎是任意可变的，然而由于节热的原因，在实际上选择尽可能高的，然而在制造技术上还可实现的加热速率。
从450℃起示出的通常与磁芯体积有关且典型地处于大约0.1和大约1k/min范围的加热速率被强烈减缓，以用于那里使用的纳米结晶情况下的温度补偿，此外，甚至能有几分钟的加热间歇。
在约570℃的平顶段，纳米结晶结构被老化，直到晶粒达到在非晶态剩余相中的含量体积分数。其中，磁致伸缩具有“过零点”。通过该老化温度的变化，合金的硅含量涨落可以加以补偿。
这时在硅含量为15.7原子％的情况下，在约570℃达到例如λS＝0。在硅含量为16.0原子％情况下，在约562℃出现这种情况，而在硅含量为16.5原子％情况下，在约556℃出现这种情况。
较高的硅含量将促进带的脆化。在较低硅含量情况下，例如在15.4原子％的含量情况下，老化温度必须转移到约580℃的温度或还要高的温度，其中，当然开始形成有害的硼化铁相，这提高了矫顽场强，并且同时提高了动态剩余偏移ΔBRS。
按温度状况，维持时间或多或少是可广泛地变化的。在570℃时典型的间隔在15分和2小时之间。在较低的温度下，它可以延长。在较高的温度下，或在应处理极小的磁芯情况下，也已经在较短时间，例如在5分钟的时间达到纳米结晶两相结构的较高老化度。
冷却速率影响更加微不足道，其中优选恒定、尽可能高的冷却速率。前提当然是一定的、永远相同的冷却阶段过程。例如冷却速率在约1k/分和20k/分之间证明是合适的。可能的影响通过纵向场温度的些微校正是可以补偿的。当结晶热处理不是在无场状态，而是在安放的横向磁场内进行时，这是首先有效的。在应用安放的横向磁场情况下，在结晶化预处理时，在随后的纵场阶段内纵向各向异性KU可以极其准确调整，所以动态剩余偏移ΔBRS和反复磁化损耗Pfe可以极其准确地调整。此外，由此在叠置磁芯退火期间显著降低漏磁的可能性。
在纵场平顶段内调整非轴向的纵向各向异性KU。正如在这里作为基础的本发明中那样，已经确定：通过场温大小，但也通过场热处理的持续时间和安放的磁场强度也可以广泛调整感应的非轴向纵向各向异性的大小。高的纵场温度TLF导致大的KU，即导致较小的动态剩余偏移ΔBRS。低的纵场温度产生相反结果。准确的关系可以从本文开始已经阐述的图1获悉。
在温度对KU的影响受动力学条件制约强时，则在一定时间以上对维持时间的影响是微不足道的。
此外，KU的大小受纵向场强度影响，其中KU始终随纵向场强的上升而上升。在同时具有较高剩磁情况下产生具有较小矫顽场强的“良好的”矩形Z型回线的前提是，在对每一处的退火期间使磁芯磁化，直到饱和感应为止。这时典型的是约10到约20A/cm的纵向场强，其中，使用的带的几何品质越不均匀，则为了达到饱和必须的场强H越高。当然使用纵向场强5A/cm或甚至更低已经可以达到满足的Z型回线。在极微小的纵向场的情况下存在饱和比率BR/BS＞60％的静态剩磁，它随着频率上升而很快上升。因此，在高频例如100KHz或更高时，在这种情况下也可以达到较小剩余偏移与低损耗的组合。
在本发明的框架内进行两相继的热处理。这在示出两相继热处理的图3b内描绘，并且其作用方面类似如图3a示出的热处理。图3a和图3b涉及同一合金。这时第一热处理有助于形成具有纳米结晶芯＜100nm，并且体积填充率大于30％的固有的纳米结晶晶粒的合金。第2热处理在“纵向场”内进行。该第2热处理可以在比第1热处理更低的温度下进行，并有助于沿着带方向的纵向形成各向异性轴。另外，在同一热处理中首先形成纳米晶体的合金结构，并且接着沿着合金带方向的纵向感应各向异性轴(参照图3a)。
其次，各向异性区域也可以借助合适定义的、对各自的合金成分准确匹配的无场和/或有场处理顺序而加以扩展和精细调整，该场有时可以沿着或垂直于被调整的带的方向。
如果需要具有近理想的剩磁(即ΔBRS≈0)的优别抗老化的矩形回线，则也可以同时实现非结晶相的产生和各向异性轴的形成。为此把磁芯加热到目标温度，在那里保持直到纳米结晶结构的形成为止，之后再冷却到室温。按所追求的纵向各向异性的水平，纵向场或在整个热处理期间加上，或恰在达到目标温度之后，甚至还更迟地加入。在这种类型的场加强热处理情况下，达到高的KU值，这导致较大部分非正常的涡流损耗，这便是这类实施的磁放大器优选适用于低频的原因。
尽可能快地实现加热到目标温度，例如加热速率在1℃/分到15℃/分之间。但为了达到在磁芯里内部温度平衡，一个特别精细和致密的磁芯结构可以安排在所使用的结晶化温度内和/或之下，即在结晶化温度之下，例如从460℃开始以低于1℃/分的一个延缓的加热速率或甚至多菜单的“温度平顶段”。
随后磁芯例如在4分和8小时之间保持在约550℃的目标温度，以便达到具有均匀的粒度分布和小的颗粒间间距的尽可能小的磁芯。这时在合金内的硅含量越低，则选择的温度越高。例如引发非磁性铁-硼-相的形成或在带表面生长表面结晶小粒表示了目标温度的上限。
为了调整各向异性轴，并因此得到的尽可能矩形的磁滞回线，在接通的纵向磁场情况下磁芯在居里点Tc以下(即例如在260℃和590℃之间)维持于0.1和8小时之间。纵向场内温度选择越高，则在这里沿着带方向感应的非轴向各向异性KU越大。这时通过剩磁的增长，剩余偏移ΔBRS连续地降低，所以在最低温度下产生最大值。与此相反，反复磁化损耗上升。接着磁芯以0.1℃/分到20℃/分在施加的纵向场内冷却到临近例如25℃或50℃的室温。一方面考虑到经济的原因这是合适的，另一方面考虑到磁滞回线的稳定性不允许无场地冷却到居里点以下。
在缠绕的合金带方向施加的磁场的场强，以及纵向场的场强是这样选择的，使得它显著大于为了达到饱和感应BS在磁芯方向必要的场强。例如采用磁场H＞0.9KA/m已经达到良好的结果，其中这里已知，感应的各向异性始终随着纵向场而上升。
在热处理后强化磁芯。按有效体积、热比或机械应力灵敏度例如通过浸渍、淀积或加涂层配备合适的塑料如例如环氧化物层或软亚二甲苯基层，此后封装。随后这类制造的磁放大器芯配备各至少一个线圈。尽管具有较大的线径，但通过作为优选给出的合金区域的极高的磁致伸缩自由度，使采用软的、节省体积的固定成为可能。
本发明依靠多个实施例深入讨论如下。在实施例内讨论的各种热处理借助于附图加以说明。
第1实施例
应用由合金Fe73.42Cu0.99Nb2.98Si15.76B6.85构成的，具有尺寸30×20×10mm3的无应力缠绕的磁芯达到尤其良好的物理上的结果。其中，带表面上的其有效的粗糙深度Ra(eff)为4.5％。平均带厚处于20.7μm。
图4a和4b示出所用的热处理的温度/时间分布。首先磁芯以加热速率7k/分加热到温度约450℃。这时未加磁场。之后加热速率延缓到约0.15k/分，以便避免在随后使用的纳米结晶情况下因放热散热，而导致磁芯不确定的过热。应用这种相对较低的加热速率0.15k/分，再加热直到温度约500℃为止。此后应用加热速率1k/分再加热到最终温度平顶段565℃。磁芯在这种565℃温度下维持约1小时。在该温度平顶段合金结构老化，直到结晶晶粒在非晶态的合金基质内的一个含量体积分数为止，其中磁致伸缩几乎消失。此后采用冷却速率约5k/分冷却到约390℃的温度。在达到390℃的温度情况下，接入约15A/cm纵向磁场HLF。在这种温度下，在这所谓纵向场平顶段保持5小时。之后，调整非轴向纵向各向异性KU。接着磁芯用冷却速率5k/分冷却到室温。图4b示出刚才讨论的“modular(模块化)”热处理，也即无场结晶化处理和在纵向磁场内的热处理是时间上分离的，其中在磁芯的结晶化热处理之后冷却到室温。
在温度约565℃一小时热处理后，磁芯具有磁致伸缩λS＝0.12ppm，这意味着实际上磁致伸缩自由。在随后的5小时在TLF＝390℃强度为1.5KA/m的纵向磁场内处理之后，自调整的纵向各向异性引起感应的剩余偏移ΔBRS＝63mT，具有反复磁化损耗Pfe＝85w/kg(在频率50KHz、磁场0.4T下测量的)。
基于其几乎完美的平衡的磁致伸缩和在带下侧的一侧用氧化镁淀积的绝缘，磁芯的磁性值即使在用节省体积和良好散热的环氧涡流烧结层涂层后也不变坏。该磁芯用直径4×0.8mm的铜线缠绕6圈。应用120KHz重复脉冲且输出功率为275瓦的开关电源，用该磁放大器元件在直接调整的5V输出的最大功率消耗150瓦情况下，将在磁放大器调整的3.3伏输出端上展示出一个完全稳定的输出电压。
一个尺寸为20×12.5×8的稍微小一点的，但是通常相同的磁芯被装入到在3.3伏输出上的负载低于20瓦的上述开关电源中。然而在磁放大器内的磁芯出现强过热，因为根据其小1.7倍的铁截面积，通过过高的电压/时间面积将会过强地控制该磁芯。因此开关电源并不能完全发挥作用。
第2实施例
采用与第1实施例相同合金成分和尺寸的无应力缠绕的磁芯，但为了在较短的2小时降低反复磁化损耗Pfe而选择降低的约315℃纵向场温度。该热处理在图5a示出。图5b再次以模块化形式示出了相同的热处理，正如它在第1实施例中以其为基础所讨论的那样。
通过2小时缩短的维持时间，并且约315℃降低的纵向场温度所给出的反复磁化损耗Pfe现在仅约为62瓦/kg。当然动态剩余偏移ΔBRS提高到137mT。随后与其相联系的磁放大器调整器的死时间过大，因此在负载10瓦情况下，3.3伏电源输出的输出电压在同时几乎空载并直接调整到5伏输出时便被击穿。
第3实施例
使用具有提高的恢复电流的功率二极管在过渡到阻塞方向情况下，使磁放大器调整器的矫顽场强被确定无疑地提高成为必须的。考虑这个原因，具有与第1实施例相同的合金成分和相同尺寸的磁芯，采用温度约575℃并在纵向磁场强度HLF＝30A/cm情况下进行单级的热处理，以退火到最高的纵向各向异性KU。因此达到极低的动态剩余偏移ΔBRS＝25mT，与此相反，在50KHz/0.4T情况下反复磁化损耗Pfe上升直到160瓦/kg。由于过高的反复磁化损耗，为了在恒定的电压/时间面积情况下减小最大磁化磁场，磁放大器必须增加尺寸到30×20×17mm3。采用的热处理在图6示出。然而与恢复效应无关，具有较高纵向各向异性和较小剩余偏移的这种磁放大器很好地适于稍高于声频范围的频率情况下使用，正如例如在-经常称为辅助电力换流器的-分散的舰载电源中出现的那样。大部分需要源自主电源的、用磁放大器调整的电源例如被用于近代电车技术，但是首先在飞机内也是可能想像的。在这种情况下，大于1.1T的纳米晶体合金比较高的饱和感应具有大优点，因为高的可控制性允许减小铁截面，并因此减少磁芯重量。通过给磁芯配备良好导热的环氧涂层，这个优点还可以扩大。最终只是基于极小的饱和磁致伸缩值，这便是可能的，而并不大为提高剩余偏移。此外，首先在遭受快速、强烈温度变换的飞机的舰载电源内，在图9示出的合金系统的良好的温度变化过程具有优点。
第4实施例
为了达到具有最低反复磁化损耗的容积最佳的磁放大器调整器在极高脉冲重复频率下使用，正如它在例如PC开关电源内常见的那样，应用无应力缠绕的，具有尺寸30×20×10mm3，由合金Fe73.31Cu0.99Nb2.98Si15.82B6.90的磁芯，其中，其有效的粗糙深度Ra(eff)为7.8％，平均带厚为16.9μm。
基于相当高的有效粗糙深度和带的极小厚度，在50KHz/0.4T情况下反复磁化损耗是相当低的，处于55瓦/kg，这使得磁芯在高的200KHz或更高的脉冲重复频率是可使用的。当然，尽管存在的几乎彻底的磁致伸缩自由度，但低的非轴向各向异性KU会导致一定的过应力灵敏度，它需求在外壳内有一个保护槽，这与几何方面和热方面的缺点有联系。
第5实施例
由于合金Fe74.4Co1.1Cu1Nb3Si12.5B8杰出的可制造性以及与此有联系的极低的有效的粗糙深度，也可以由该合金制造具有尺寸30×20×10mm3的无应力缠绕的磁芯。这时达到的带表面的有效粗糙深度Ra(eff)为2.2％。平均带厚度为23.4μm。
在556℃结晶化热处理之后，存在的饱和磁致伸缩λS约为3.7ppm，并因此是不完全平衡的。为了得到仍然还足够低的剩余偏移值ΔBRS为了调整最大的非轴向各向异性KU值也在该温度下在纵向场内对磁芯进行退火。结果是23mT的极低的剩余偏移ΔBRS和在50KHz/0.4T情况下的220瓦/kg的反复磁化损耗Pfe。
此外，在约30KHz和120KHz的频率情况下出现过高的反复磁化损耗，这归因于磁弹性谐振效应。如此制造的磁芯能以经济方式只对处于该磁弹性谐振之外的比较低的频率使用。如果人们在该条件下采用另外的运用条件，则这导致磁放大器调整器的过热，并因此导致磁放大器调整器的损坏。
第6实施例
按照与第1实施例和第5实施例类似的方式，磁芯由合金Fe74.5Cu1Nb3Si14.5B7制造。饱和磁致伸缩λS在这里约为1.8ppm。磁芯被牢固固化的塑料包封，所以感应一个机械过应力。在频率＜100KHz时，这导致动态剩余偏移ΔBRS的提高。在频率约为10KHz时，给出剩余偏移约为128mT。在频率高于100KHz时，动态剩余偏移与由第1实施例制成的磁芯相比没有本质上的提高。尤其是在装入到由第1实施例构成的所连接的电源后将得出相同的特性。
根据本发明的磁放大器调整器的特别改革的应用是为kfz-舰载电源用的电源，其中，舰载电源转换到42伏。该舰载电源通常具有不同的电压级。在应用中，从42伏/3千瓦供电经磁放大器调整器电路可以实现12伏/500瓦。这时在工作频率50KHz和在内燃机马达的环境温度85℃下，输出是防止持续短路的。具有尺寸40×25×20mm3，在塑料槽内配备18线圈的磁芯投入使用。具有3×1.3mn铜漆包线绕组的结构形式是公知的。
新的驱动方案使用电驱动用于电流增益。所以例如从较长时间以来，燃料电池被人们公开谈论。在这里人们通常使用水冷的冷却器，因为为了达到最佳效率，燃料电池必须维持在约60℃。为了减小重量或结构体积，人们同时利用这冷却系统于12伏/42伏供电。此外在具有已列举的数据的电源情况下，应用尺寸38×28×15mm3，且具有良好热传导的环氧树脂包封的磁芯。磁芯配备由2×1.3mm铜漆包线制成的46线圈，并且装入铝铸外壳内。在铝铸外壳内磁芯再配备良好热传导的环氧化合物浇注。通过该外壳/浇注组合达到极好的冷却器连接，这当然只通过根据本发明应用的几乎无磁致伸缩的磁芯来实现。
附加的3个列表的尺寸例子复述了用于所讨论的应用电路的、由实施例1和2的合金制成的本发明的磁放大器调整器的典型尺寸。以特殊的目标考虑计算机开关电源，即PC-开关电源，以及服务器开关电源，这些电源在实际上通常在开关频率在70和200KHz之间的情况下作为单脉冲接通开关实现。
例子1：PC开关电源的磁放大器调整的防短路的附加(寄生)电压U1，f＝150KHz，环境温度45℃，即磁放大器调整器的最高超温＝75K。最高占空系数τ＝0.5，最小变压器输出电压24V。
| 功率 | U1 | I1 | 磁芯 | N | dcu |
| P＝20W | 3.3V | 6A | 10×7×4.5mm(mFe＝1.06g) | 13 | 0.80mm |
| P＝33W | 3.3V | 10A | 12.5×10×5mm(mFe＝1.30g) | 13 | 2×0.80mm |
| P＝75W | 5V | 15A | 16×12.5×6mm(mFe＝2.76g) | 15 | 3×0.80mm |
例2：服务器开关电源的磁放大器调整的抗短路的输出电压，f＝100KHz，环境温度60℃，最高占空系数τ＝0.3，最小变压器输出电压23V。实现2个解决方案：
| 功率 | U1 | I1 | 磁芯 | N | dcu |
| P＝100W | 3.3V | 30A | 16×10×6mm(mFe＝4.32g) | 6 | 4×0.80mm |
| P＝100W | 3.3V | 30A | 16×12.5×6mm(mFe＝2.76g) | 8 | 4×0.90mm |
例3：功率电源的磁放大器调整的抗短路的输出电压，f＝50KHz，环境温度45℃，最高占空系数τ＝0.5，最小变压器输出电压40V。
| 功率 | U1 | I1 | 磁芯 | N | dcu |
| P＝220W | 12V | 18A | 19×15×10mm(mFe＝6.3g) | 16 | 3×0.85mm |
| P＝380W | 12V | 32A | 25×20×10mm(mFe＝10.4g) | 16 | 5×0.90mm |
| P＝500W | 12V | 42A | 30×20×10mm(mFe＝23.1g) | 12 | 8×0.80mm |
根据本发明也创立了体积最佳的具有低损耗和高饱和感应的磁放大器扼流圈。在制造磁放大器用磁芯时，根据本发明，在热处理的范畴内目标明确地使用了横向场和/或纵向场处理，以便在与应用最佳匹配的配料和组合方面在反复磁化损耗和动态剩余偏移之间调整函数关系。重点是借助于改变纵向场温度和/或横向场处理和纵向场处理的巧妙组合，对非轴向的纵向各向异性进行数值控制。
在准确调谐到各自的成分的热处理后，作为磁芯基础的合金具有金相学晶粒例如为平均尺寸D＜100nm，且体积填充率例如大于30％的细结晶结构，在同时低的反复磁化损耗以及比未退火的状态更强烈降低的磁致伸缩|λS|＜3ppm之外，还有尽可能矩形的磁滞回线。此外，饱和感应处于用其它磁致伸缩低的合金不能达到的例如BS＝1.1...1.5Tesla(T)的数值。
本发明的另一优点是在图9示例所描绘的该合金系统中的残余偏移和反复磁化损耗的极其减弱，并且几乎线性的温度变化过程。这时反复磁化损耗的负温度变化过程是特别好的。
按照这种方式产生的磁芯的良好温度和老化特性允许使用到160℃，因为开始只出现低的损耗，使得可以忍受更强的老化。这与迄今为止主流的看法不一致，根据传统意见，在纳米结晶合金中通常是基于应用温度上限最高130℃。所以例如在图1所示的传统的磁放大器中，在频率100KHz和最大磁化磁场Bmax＝0.2T的情况下，可以具有损耗Pfe＞140瓦/kg。因此，在这种情况下，再也不能忍受由于老化而导致进一步损耗上升。
基于在发明中可推演的较小损耗和因此较高的应用极限温度，即使通常在磁放大器和尤其是在用于高工作温度情况下都能够应用这样的磁芯。所以能够实现例如在汽车或工业传动装置内使用的，并且例如在马达控制的范畴内直接安装在马达上的磁放大器调整器。在那里由于与马达直接靠近和马达控制器的完全密封，通常工作温度比迄今为止已知的磁芯允许的工作温度高得多。这时优选规定：磁放大器绕组铺设一种具有按照DIN172的相应温度系数的导线。
Claims (14)
1.具有由纳米结晶合金构成的磁芯的磁放大器扼流圈，其中合金具有成分FeaCobCucM′dSixByM″z，M′表示族V，Nb，Ta，Ti，Mo，W，Zr，Hf中的一个元素或其组合，其中M″表示族C，P，Ge，As，Sb，In，O，N中的一个元素或其组合，满足下列条件：a+b+c+d+x+y+z＝100％，其中a＝100％-b-c-d-x-y-z；0≤b≤15；0.5≤c≤2；0.1≤d≤6；2≤x≤20；2≤y≤18；0≤z≤10和x+y＞18；
并且，其中磁芯具有尽可能矩形的磁滞回线，饱和磁致伸缩|λS|＜3ppm。
2.根据权利要求1所述的磁放大器扼流圈，其特征为，满足下列条件：
0≤b≤0.5，0.8≤c≤1.2，2≤d≤4，14≤x≤17，5≤y≤12，其中22≤x+y≤24。
3.根据权利要求1所述的磁放大器扼流圈，其特征为，饱和磁致伸缩|λS|＜0.2ppm。
4.根据权利要求1到3之一所述的磁放大器扼流圈，其特征为，有效粗糙深度Ra(eff)在3～9％之间。
5.根据权利要求4所述的磁放大器扼流圈，其特征为，有效粗糙的深度Ra(eff)在4～7％之间。
6.根据权利要求1到5之一所述的磁放大器扼流圈，其特征为，在频率约为100KHz，和感应幅度约为0.2T的情况下，损耗(Pfe)为较小的140瓦/kg。
7.用于制造权利要求1到6之一所述的磁放大器扼流圈用的磁芯的方法，具有下述步骤：
·铸造由非晶态合金构成的薄带；
·薄带对磁芯的无应力缠绕；
·磁芯加热到目标温度，该温度处在高于非晶态合金的结晶化温度，采用加热速率在1k/分和20k/分之间；
·维持磁芯在第1目标温度，持续时间为8小时或更短；
·磁芯冷却到第2目标温度，该温度处在低于合金的居里点温度和低于非晶态合金的结晶化温度，采用冷却速率在1k/分和20k/分之间；
·在纵向磁场H＞0.5KA/m的条件下，维持磁芯在第2目标温度，持续时间为8小时或更短；
·磁芯冷却到室温。
8.用于制造权利要求1到6之一所述的磁放大器扼流圈用的磁芯的方法，具有下列步骤：
·铸造由非晶态合金构成的薄带；
·薄带对磁芯的无应力缠绕；
·磁芯加热到第1目标温度，该温度处在高于非晶态合金的结晶化温度，采用加热速率在1k/分和20k/分之间；
·维持磁芯在第1目标温度，持续时间为8小时或更短；
·磁芯冷却到室温；
·磁芯冷却到第2目标温度，该温度处在低于合金的居里点温度和低于非晶态合金的结晶化温度，采用冷却速率在1k/分和20k/分之间；
·在纵向磁场H＞0.5KA/m的条件下，维持磁芯在第2目标温度，持续时间为8小时或更短；
·磁芯冷却到室温。
9.根据权利要求7或8所述的磁芯的制造方法，其特征为，第2目标温度处在290℃和520℃之间。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征为，整个热处理无场地进行。
11.根据权利要求7，8或9所述的方法，其特征为，在横向磁场内进行加热到第1目标温度。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征为，在横向磁场内执行所述的维持平顶段和/或随后的冷却阶段。
13.根据权利要求7到11之一所述的方法，其特征为，以加热速率在1K/分的20K/分之间加热到第1目标温度直到约450℃温度，随后以加热速率约0.15K/分进行加热。
14.权利要求1到11之一的具有磁芯的磁放大器扼流圈在汽车供电的连接电源内的应用。
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