DE10045705A1

DE10045705A1 - Magnetkern für einen Transduktorregler und Verwendung von Transduktorreglern sowie Verfahren zur Herstellung von Magnetkernen für Transduktorregler

Info

Publication number: DE10045705A1
Application number: DE10045705A
Authority: DE
Inventors: Guenther Wulf; Roman Klinger; Werner Loges; Joera Petzold
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2000-09-15
Filing date: 2000-09-15
Publication date: 2002-04-04
Also published as: CN1475018A; WO2002023560A1; DE50115446D1; CN1258779C; US20040027220A1; EP1317758A1; JP2004509459A; EP1317758B1; US7442263B2

Abstract

Es wird ein Magnetkern zur Verwendung in einem Transduktorregler vorgestellt aus einer nanokristallinen Legierung, die nahezu magnetostriktionsfrei ist, wobei der Kern möglichst niedrige Ummagnetisierungsverluste und dabei eine möglichst rechteckige Hystereseschleife aufweist. Die Legierung weist die Zusammensetzung Fe¶a¶Co¶b¶Cu¶c¶M'¶d¶Si¶x¶B¶y¶M''¶z¶ auf, wobei M' ein Element aus der Gruppe V, Nb, Ta, Ti, Mo, W, Zr, Hf oder eine Kombination aus diesen bezeichnet und M'' ein Element aus der Gruppe C, P, Ge, As, Sb, In, O, N oder eine Kombination aus diesen bezeichnet, und die folgenden Bedingungen gelten: DOLLAR A a + b + c + d + x + y + z = 100% ist, mit 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 und x + y > 18. DOLLAR A Die Transduktorregler können besonders gut in Kraftfahrzeugspannungsversorgungen, Bahnstromversorgungen oder in Flugzeugstromversorgungen eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetkern für einen Transduk torregler, insbesondere für einen schnellen und verlustearmen Transduktorregler.

Geschaltete Netzteile mit Transduktorreglern mit Taktfrequen zen zwischen 20 kHz und 300 kHz werden in immer vielfältige ren Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Anwendungen, die trotz schneller Lastwechsel sehr genau ausgeregelte Span nungen oder Ströme benötigen. Dies sind z. B. geschaltete Netzteile für PC's oder Drucker.

Die Grundlagen eines solchen Transduktorreglers und der damit verbundenen geschalteten Netzteile sind beispielsweise in der DE 198 44 132 A1 oder VAC Firmenschrift TB-410-1, 1988 einge hend beschrieben.

Grundsätzlich existieren zwei Forderungen an einen Transduk torregler:
Erstens soll der Widerstand der Wicklungen möglichst klein sein, um die Wicklungsverluste zu reduzieren. Dies lässt sich durch Verringerung der Windungszahl bei gleichzeitiger Erhö hung des Leiterquerschnitts erreichen. Dadurch wird gleich zeitig eine Erhöhung der Wechselaussteuerung des Transduktor kernmaterials und damit der Ummagnetisierungsverluste be wirkt. Eine deutliche Reduzierung der Transduktorkernvolumina und damit der Bauelementvolumina werden aber nur dann er zielt, wenn die spezifischen Verluste des Transduktorkernma terials deutlich reduziert werden oder aufgrund sehr hoher oberer Anwendungsgrenztemperaturen hohe Ummagnetisierungsver luste zulässig sind.

Zweitens soll der sogenannte Induktionshub ΔB_RS = B_S- B_R von der Remanenz B_R in die Sättigung B_S möglichst klein sein, da der Induktionshub ΔB_RS eine Spannungs-Zeit-Fläche bedeutet, die nicht regelbar ist. Bei steigenden Arbeitsfrequenzen wird die dem Transduktor zur Ausregelung angebotene Spannungs- Zeit-Fläche immer kleiner, wodurch sich eine große Spannungs- Zeit-Fläche bedingt durch ΔB_RS immer stärker auswirkat. Dies kann durch eine Vergrößerung der Kerngeometrie bzw. des Kern volumens kompensiert werden, was aber gleichzeitig einen An stieg der Ummagnetisierungsverluste mit sich bringt. Da Transduktorkerne mit einer rechteckigen Hystereseschleife be sonders hohe Remanenzwerte besitzen, eignen sich diese für Transduktorregler mit höheren Arbeitsfrequenzen besonders gut. Derartige Rechteckeigenschaften können dann entstehen, wenn das Transduktorkernmaterial parallel zur Richtung des durch die Wicklung erzeugten Magnetfeldes H eine uniaxiale Anisotropie K_u besitzt.

Der Nachfrage nach immer kleineren geschalteten Netzteilen wird durch den Einsatz von immer höheren Arbeitsfrequenzen begegnet. Besonders bei geschalteten Netzteilen für PC's ge hen die Schaltfrequenzen mittlerweile bis zu einigen 100 kHz.

Diese sehr hohen Schaltfrequenzen erfordern Transduktorkern materialien mit niedrigen Ummagnetisierungsverlusten. Durch die Erhöhung der Packungsdichte der elektronischen Bauelemen te sowie dem Wunsch einer Wegrationalisierung von Ventilato ren werden die Anforderungen an die zulässigen Arbeitstempe raturen und die Langzeitstabilität bei den Transduktorreglern stark erhöht. Besonders kritisch werden diese Anforderungen, wenn Transduktorregler bei Umgebungstemperaturen von über 100°C eingesetzt werden soll, was beispielsweise in Automoti ve & Industrial-Anwendungen vorkommen kann.

Aus der eingangs erwähnten DE 198 44 132 A1 sind Transduktor regler bekannt, die Magnetkerne aus nanokristallinen Legie rungen aufweisen. Diese dort beschriebenen Transduktorregler sind zwar aufgrund ihres kleinen Induktionshubes durch ein gutes Schaltregelverhalten gekennzeichnet. Die in den Ausfüh rungsbeispielen angegebenen Legierungsbeispiele in Verbindung mit den dort beschriebenen Wärmebehandlungen für die Trans duktorkerne weisen jedoch darauf hin, dass diese aufgrund zu hoher Verluste für den Einsatz bei hohen Frequenzen nicht op timiert sind. Es werden sogar die maximal möglichen Ummagne tisierungsverluste hingenommen. Ferner ist bei den meisten beschriebenen Beispielen mit Verlustüberhöhungen und. Ge räuschentwicklung durch magnetoelastische Resonanzen zu rech nen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Magnetkerne für Transduktorregler bereitzustellen, die bei Betriebsfre quenzen von 10 kHz bis 200 kHz oder höher ein gutes Schalt verhalten bei gleichzeitig niedrigen Ummagnetisierungsverlus ten aufweisen. Ferner sollen die bereitgestellten Magnetkerne eine sehr hohe Alterungsstabilität bis zu Temperaturen von mindestens 150°C oder darüber hinaus aufweisen und sich durch ein sehr kleines Magnetkernvolumen auszeichnen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Magnetkern zur Verwendung in einem Transduktorregler aus einer nanokristal linen Legierung gelöst, die die Zusammensetzung Fe_aCo_b- Cu_cM'_dSi_xB_yM"_z aufweist, wobei M' ein Element aus der Gruppe V, Nb, Ta, Ti, Mo, W, Zr, Hf oder eine Kombination aus diesen bezeichnet und wobei M" ein Element aus der Gruppe C, P, Ge, As, Sb, In, O, N oder eine Kombination aus diesen bezeichnet und a + b + c + d + x + y + z = 100% ist, mit 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 und x + y < 18. Nach einer Wärmebehandlung, die genau auf die jeweilige Zusammensetzung abzustimmen ist, besitzt diese Legierung eine feinkristalline Struktur mit einem metallographischen Korn der mittleren Größe D < 100 nm und eine Volumenerfüllung von mehr als 30%, ei ne möglichst rechteckige Hystereseschleife bei gleichzeitig niedrigen Ummagnetisierungsverlusten sowie eine gegenüber dem ungetemperten Zustand stark reduzierte Magnetostriktion von |λ_s| < 3 ppm. Darüber hinaus liegt die Sättigungsinduktion auf einem mit anderen magnetostriktionsarmen Legierungen nicht erreichbaren Wert von B_S = 1,1 . . . 1,5 Tesla. Ein weite rer, im Rahmen der hier durchgeführten Untersuchungen erst mals aufgedeckter Vorteil dieses Legierungssystems mit Recht eckschleife sind in Fig. 9 exemplarisch dargestellten äußerst schwachen und fast linearen Temperaturgänge von Resthub und Ummagnetisierungsverluste besonders günstig.

Der erfindungsgemäßen Legierungsauswahl liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für eine bestimmte Legierungszusammensetzung ein hyperbelähnlicher Zusammenhang zwischen Ummagnetisie rungsverlusten P_fe und dynamischem Resthub ΔB_RS besteht. Die ser hyperbelähnliche Zusammenhang ist in der Fig. 1 anhand der Legierung Fe_73,5Cu₁Nb₃Si_15,7B_6,8 dargestellt.

Das Zusammenspiel der Ummagnetisierungsverluste P_fe auf der einen Seite und des dynamischen Resthubes ΔB_RS auf der ande ren Seite wird über eine Wärmebehandlung in einem magneti schen Längsfeld eingestellt. Über eine solche Längsfeldwärme behandlung wird dabei die sogenannte Längsanisotropie K_U ein gestellt, wobei mit steigendem K_u ΔB_RS sinkt und die Verluste wachsen. Der in der Fig. 1 dargestellte Zusammenhang wird durch den Einfluß von Störanisotropien gestört. Der Einfluß der Störanisotropien ist um so größer, je niedriger die Läng sanisotropie ist. Dies geht aus der Fig. 2 deutlich hervor, die den Einfluß mechanischer Verspannungen auf Magnetkerne mit nicht abgeglichener Magnetostriktion darstellt.

Da die Höhe der Gesamtverluste, die sich aus den klassischen Wirbelstromverlusten und den anomalen Wirbelstromverlusten zusammensetzen, und damit die Selbsterwärmung sowie die obere Anwendungsgrenztemperatur des Magnetkerns maßgeblich über dessen Aussteuerbarkeit und Größe bei einer bestimmten Ein satzfrequenz entscheiden, ist der Betrag der Längsanisotropie K_u gemäß der vorliegenden Erfindung auf ein sinnvolles Mini mum zu beschränken.

Bei zu niedrigen Werten der Längsanisotropie K_u nimmt die Al terungsstabilität der Hystereseeigenschaften ab und/ oder der Einfluss sogenannter magnetoelastischer aber auch struktureller oder von der Topologie des Bandes (Oberflächen rauhheit) herrührenden Störanisotropien stark zu. Beide Stör einflüsse bewirken eine Abnahme der Remanenz B_R und damit ei ne Erhöhung des für die Totzeit der Regelcharakteristik ver antwortlichen Resthubes ΔB_RS, wobei fallweise auch die stati sche und dynamische Koerzitivfeldstärke ansteigt.

Gleichzeitig kann auf die Tatsache zurückgegriffen werden, daß der dynamische Resthub ΔB_RS mit zunehmenden Frequenzen kleiner wird. Trotzdem ist bei der Festlegung des Betrages von K_u ein ausgewogener und fertigungsstabiler Kompromiss zwischen möglichst niedrigen Verlusten P_fe einerseits und möglichst hohen Remanenzen B_R andererseits zu suchen, was in nerhalb der nanokristallinen Legierungen nur bei der oben an geführten erfindungsgemäßen Legierungsauswahl möglich ist.

Ein Kompromiss aus diesen beiden gegenläufigen Größen lässt sich darüber hinaus nur mittels einer erfindungsgemäßen an die Eigenschaften der Legierung angepassten Wärmebehandlung (Temperung) in einem Magnetfeld, das längs zur Richtung des gewickelten Bandes läuft, also einem sogenannten Längsfeld, gezielt einestellen. Dadurch kann eine stark rechteckige Hystereseschleife, eine sogenannte Z-Schleife, induziert wer den.

Da bei einer solchen Z-Schleife die Stabilität und die Höhe der Remanenz B_R von der Balance zwischen Störanisotropien ei nerseits und induzierter uniaxialer Anisotropie K_u anderer seits abhängt, lässt sich bei kleiner induzierter uniaxialer Anisotropie K_u ein hinreichend niedriger Resthub ΔB_RS dann stabil erzielen, wenn der magnetoelastische Anteil der Ani sotropie in der Anisotropiebilanz möglichst gering und die Frequenz möglichst hoch ist.

Dies wird durch die weitgehende Elimination der Sättigungs magnetostriktion λ_s, der mechanischen Spannungen σ sowie der Kristallanisotropie K₁ bewirkt. Die gleichzeitige Eliminie rung dieser drei voneinander unabhängigen physikalischen Grö ßen, kann in der oben angegebenen Legierungsauswahl ebenfalls durch eine optimierte Wärmebehandlung bewirkt werden.

Besonders gute Eigenschaften hinsichtlich der Rechteckigkeit der Hystereseschleife bei gleichzeitiger Erzielung sehr klei ner Ummagnetisierungsverluste in den Magnetkernen und damit sehr großen Aussteuerbarkeiten der mit diesen Magnetkernen hergestellten Transduktorreglern kann erzielt werden, wenn der Magnetkern einen Magnetostriktionswert |λ_S|< 0,2 ppm be sitzt und die Legierung die Zusammensetzung Fe_aCo_b-Cu_cM'_dSi_xB_YM"_z, wobei M' ein Element aus der Gruppe V, Nb, Ta, Ti, Mo, W, Zr, Hf oder eine Kombination aus diesen be zeichnet und wobei M" ein Element aus der Gruppe C, P, Ge, As, Sb, In, U, N oder eine Kombination aus diesen bezeichnet und a + b + c + d + x + y + z = 100% ist mit folgenden Be dingungen:
0 ≦ b ≦ 0,5; 0,8 ≦ c ≦ 1,2; 2 ≦ d ≦ 4; 14 ≦ x ≦ 17; 5 ≦ y ≦ 12 mit 22 ≦ x + y ≦ 24.

Es hat sich überraschend gezeigt, dass diese Legierungsunter auswahl, die eine Legierungsunterauswahl der eingangs erwähn ten nanokristallinen Legierungsauswahl ist, sich dadurch aus zeichnet, dass bei ihr aufgrund der weitestgehenden Eliminie rung von der Kristallanisotropie K₁ und der Sättigungsmagne tostriktion λ_S bereits mit niedrigsten Beträgen einer uniaxi alen Längsanisotropie, die typischerweise im Bereich K_u≦ 10 J/m³ liegt, mit einer optimierten Wärmebehandlung eine aus gesprochen rechteckige Hystereseschleife realisierbar ist.

Besonders gute Resthubwerte ΔB_RS, die im Bereich kleiner 0,025 × B_S liegen, können erzielt werden, sofern die verwen deten Legierungsbänder effektive Rauhtiefen aufweisen, die in den nachfolgend angegebenen Bereichen liegen. Die Rauhtiefen der Oberflächen und auch die Banddicken sind wesentliche Ein flussgrößen auf die magnetischen Eigenschaften. Die effektive Rauhtiefe R_a(eff) ist eine maßgebliche Einflussgröße. Die Rauhtiefe R_a(eff) ist definiert als die Summe der Rauhtiefen auf der Bandoberseite und der Bandunterseite dividiert durch die Banddicke. Sie wird demnach in Prozent angegeben. Beson ders gute Resthübe lassen sich mit Legierungsbändern erzie len, die aus den oben angegebenen Legierungen bestehen und Rauhtiefen aufweisen, die im Bereich zwischen 3% und 9%, vorzugsweise zwischen 4% und 7%, liegen, was aus der Fig. 10 hervorgeht.

Die Verarbeitung der Legierungsbänder zu Magnetkernen erfolgt weitgehend spannungsfrei durch Wickeln auf speziellen aus dem Stand der Technik bekannten Maschinen. Aufgrund der hohen An forderungen bezüglich niedriger Verluste und ausgeprägter Rechteckigkeit der Hystereseschleife der Magnetkerne wird da bei typischerweise besondere Sorgfalt auf die mechanische Spannungsfreiheit gelegt.

Die Legierungsbänder werden dann zu Magnetkernen gewickelt, die typischerweise als geschlossene, luftspaltlose Ringkerne, Ovalkerne oder Rechteckkerne vorliegen. Zur Erzeugung dieser Magnetkerngestalten kann das Legierungsband zunächst zum Ringkern rundgewickelt werden und je nach Erfordernis mittels geeigneter Formgebungswerkzeuge während der Wärmebehandlung in die entsprechende Form gebracht werden. Durch Verwendung geeigneter Wickelkörper kann die entsprechende Form auch be reits beim Wickeln erreicht werden.

Zur Vermeidung von Spannungen wird beim Wickeln des Legie rungsbandes zum Magnetkern vorzugsweise darauf geachtet, dass die Zugkraft des Legierungsbandes mit zunehmender Bandlagen zahl kontinuierlich zurückgeht. Damit wird erreicht, dass das tangential am Magnetkern angreifende Drehmoment über den ge samten Radius des Magnetkerns konstant bleibt und nicht mit wachsendem Radius größer wird.

Besonders kleine statische und/oder dynamische Koerzitivfeld stärken und damit besonders günstige Verlustwerte werden bei gleichzeitig kleinem Resthub erzielt, wenn das Legierungsband zumindest an einer Oberfläche mit einer elektrisch isolieren den Schicht versehen ist. Dies bewirkt einerseits eine besse re Entspannung des Magnetkerns, andererseits lassen sich auch besonders niedrige Wirbelstromverluste erreichen.

Das mittels Rascherstarrungstechnologie hergestellte weich magnetische amorphe Band weist typischerweise eine Dicke d < 30 µm, vorzugsweise < 20 µm, besser < 17 µm auf.

Hierfür wird, je nach Anforderungen an die Güte der Isolati onsschicht ein Tauch-, Durchlauf-, Sprüh- oder Elektrolyse verfahren am Band eingesetzt. Dasselbe kann aber auch durch Tauchisolation des gewickelten oder gestapelten Magnetkerns erreicht werden. Bei der Auswahl des isolierenden Mediums ist darauf zu achten, dass dieses einerseits auf der Bandoberflä che gut haftet, andererseits keine Oberflächenreaktionen ver ursacht, die zu einer Schädigung der Magneteigenschaften füh ren können. Bei den hier erfindungsgemäß eingesetzten Legie rungen haben sich Oxide, Acrylate, Phosphate, Silikate und Chromate der Elemente Ca, Mg, Al, Ti, Zr, Hf, Si als wir kungsvolle und verträgliche Isolatoren herausgestellt. Beson ders effektiv ist dabei Mg, welches als flüssiges magnesium haltiges Vorprodukt auf die Bandoberfläche aufgebracht wird, und sich während einer speziellen, die Legierung nicht beein flussenden Wärmebehandlung in eine dichte Schicht aus MgO um wandelt, deren Dicke zwischen 50 nm und 1 µm liegen kann.

Magnetkerne aus Legierungen, die sich zur Nanokristallisation eignen, werden allgemein zur Einstellung des nanokristallinen Gefüges einer exakt abgestimmten Kristallisationswärmebehand lung unterzogen, die je nach Legierungszusammensetzung zwi schen 450°C und 690°C liegt. Typische Haltezeiten liegen zwi schen 4 Minuten und 8 Stunden.

Je nach Legierung ist diese Kristallisationswärmebehandlung im Vakuum oder im passiven oder reduzierenden Schutzgas durchzuführen. In allen Fällen sind materialspezifische Rein heitsbedingungen zu berücksichtigen, die fallweise durch ent sprechende Hilfsmittel wie elementspezifische Absorber- oder Gettermaterialien herbeizuführen sind.

Dabei wird durch eine exakt abgeglichene Temperatur- und Zeitkombination ausgenutzt, dass sich bei den hier verwende ten Legierungszusammensetzungen gerade die Magnetostriktions beiträge von feinkristallinem Korn und amorpher Restphase ausgleichen und die erforderliche Magnetostriktionsfreiheit von ca. |λ_S| < 3 ppm, vorzugsweise |λ_S| < 0,2 ppm, entsteht.

Je nach Legierung und Ausführungsform des Magnetkerns wird entweder feldfrei oder im Magnetfeld längs zur Richtung des gewickelten Bandes ("Längsfeld") oder quer dazu ("Querfeld") getempert. In bestimmten Fällen kann auch eine Kombination aus zwei oder sogar drei dieser Magnetfeldkonstellationen zeitlich hintereinander oder parallel angewendet werden.

Das Temperatur-/Zeitprofil einer für die Legierung Fe_73,5Cu₁Nb₃Si_15,7B_6,8 eingesetzten Wärmebehandlung, mit der auch die Einstellung einer nahezu vollständigen Magnetostrik tionsfreiheit erzielt wurde, ist in der Fig. 3a dargestellt. Die dort gezeigte anfängliche Aufheizrate von 7 K/min ist an nähernd beliebig variierbar in einem Bereich von ungefähr 1 bis über 20 K/min. Aus ökonomischen Gründen wird jedoch in der Praxis eine möglichst hohe, fertigungstechnisch jedoch noch realisierbare Aufheizrate gewählt.

Die ab 450°C gezeigte starke Verzögerung der Aufheizrate, die im übrigen abhängig vom Kernvolumen ist und typischerweise zwischen ungefähr 0,1 und ungefähr 1 K/min beträgt, dient zum Temperaturausgleich bei der dort einsetzenden Nanokristalli sation. Darüber hinaus kann sogar eine mehrminütige Heizpause eingelegt werden.

Im Plateau bei ca. 570°C reift das nanokristalline Gefüge bis die Kristallkörner einen Volumenanteil in der amorphen Rest phase erreichen, bei dem die Magnetostriktion einen "Null durchgang" besitzt. Durch eine Variation dieser Reifungstem peratur können Schwankungen im Siliziumgehalt der Legierung ausgeglichen werden.

Dabei wird beispielsweise λ_S = 0 bei einem Siliziumgehalt von 15,7 Atom% bei ca. 570°C erreicht. Bei einem Siliziumgehalt von 16,0 Atom% tritt dies bei ca. 562°C ein und bei einem Si liziumgehalt von 16,5 Atom% bei ca. 556°C.

Höhere Siliziumgehalte begünstigen eine Versprödung des Ban des. Bei niedrigeren Siliziumgehalten z. B. einem Gehalt von 15,4 Atom% muß die Reifungstemperatur auf eine Temperatur von ca. 580°C oder eine noch höhere Temperatur verlegt werden, wobei dann allerdings die Bildung schädlicher Eisenborid- Phasen einsetzt, die die Koerzitivfeldstärke und gleichzeitig den dynamischen Resthub ΔB_RS erhöhen.

Je nach Temperaturlage ist die Haltezeit mehr oder weniger weiträumig variierbar. Typische Intervalle liegen bei 570°C zwischen 15 Minuten und 2 Stunden. Bei niedrigeren Temperatu ren können sie verlängert werden. Bei höheren Temperaturen oder sehr kleinen zu behandelnden Magnetkernen wird auch schon bei kürzeren Zeiten, beispielsweise bei einer Zeit von 5 Minuten, ein hoher Reifegrad der nanokristallinen Zweipha senstruktur erzielt.

Der Einfluß der Abkühlraten ist eher gering, wobei konstan te, möglichst hohe Abkühlraten bevorzugt sind. Voraussetzung ist allerdings ein definierter und immer gleicher Ablauf der Abkühlphase. Beispielsweise haben sich Abkühlraten zwischen ungefähr 1 K/min und ungefähr 20 K/min als geeignet erwiesen. Eventuelle Einflüsse sind durch eine geringfügige Korrektur der Längsfeldtemperatur ausgleichbar. Dies gilt vor allem dann, wenn die Kristallisationswärmebehandlung nicht in einem feldfreien Zustand sondern in einem angelegten magnetischen Querfeld vorgenommen wird. Bei Verwendung eines angelegten magnetischen Querfeldes bei der Kristallisationsvorbehandlung kann in der anschließenden Längsfeldphase die Längsanisotro pie K_U sehr genau eingestellt werden, so dass der dynamische Resthub ΔB_RS und die Ummagnetisierungsverluste P_fe sehr genau eingestellt werden können. Ferner wird dadurch die Möglich keit von Streuungen während der Glühung der gestapelten Mag netkerne deutlich reduziert.

Die uniaxiale Längsanisotropie K_U wird im Längsfeldplateau eingestellt. Wie bei der hier zugrunde liegenden Erfindung festgestellt wurde, lässt sich die Größe des induzierten uni axialen Längsanisotropie durch die Höhe der Feldtemperatur aber auch durch die Dauer der Feldwärmebehandlung und die Stärke des angelegten Magnetfeldes weiträumig einstellen. Ei ne hohe Längsfeldtemperatur T_LF führt zu großen K_U, das heißt zu kleinen dynamischen Resthüben ΔB_RS führt. Eine niedrige Längsfeldtemperatur bewirkt das Gegenteil. Der genaue Zusam menhang geht aus der eingangs schon erwähnten Fig. 1 hervor. Während der Temperatureinfluß auf K_U kinetikbedingt stark ist, ist der Einfluß der Haltedauer oberhalb gewisser Zeiten eher gering.

Des weiteren wird die Höhe von K_U durch die Stärke des Längs feldes beeinflußt, wobei K_U stetig mit der Längsfeldstärke zunimmt. Voraussetzung zur Herstellung einer "guten" recht eckigen Z-Schleife mit kleiner Koerzitivfeldstärke bei gleichzeitig hoher Remanenz ist, das der Magnetkern während der Temperung an jeder Stelle bis zur Sättigungsinduktion aufmagnetisiert ist. Typisch sind dabei Längsfeldstärken von ungefähr 10 bis ungefähr 20 A/cm, wobei die zum Erreichen der Sättigung nötige Feldstärke H um so höher ist, je inhomogener die geometrische Qualität des eingesetzten Bandes ist. Aller dings lassen sich befriedigende Z-Schleifen auch schon mit einer Längsfeldstärke von 5 A/cm oder sogar noch weniger er reichen. Im Falle eines verschwindenden Längsfeldes liegen statische Remanenzen zu Sättigungsverhältnisse von B_R/B_S < 60% vor, die mit steigender Frequenz schnell zunehmen. Demzu folge können bei hohen Frequenzen, z. B. 100 kHz oder dar über, auch in diesem Fall niedrige Verluste in Kombination mit kleinen Resthüben erreicht werden.

Es liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung, zwei aufeinan derfolgende Wärmebehandlungen durchzuführen. Dies ist in der Fig. 3b dargestellt, die zwei aufeinanderfolgende Wärmebe handlungen zeigt und in ihrem Effekt analog zu der in der Fig. 3a gezeigten Wärmebehandlung ist. Die Fig. 3a und 3b beziehen sich beide auf dieselbe Legierung. Die erste Wärme behandlung dient dabei der Ausbildung der eigentlichen nano kristallinen Legierung mit nanokristallinen Körnern < 100 nm und einer Voluminafüllung von mehr als 30%. Die zweite Wärme behandlung erfolgt im "Längsfeld". Diese zweite Wärmebehand lung kann bei einer niedrigeren Temperatur als die erste Wär mebehandlung erfolgen und dient zur Ausbildung der Anisotro pieachse längs zur Bandrichtung. Alternativ dazu wird in ein- und derselben Wärmebehandlung zunächst die nanokristalline Legierungsstruktur ausgebildet und anschließend die Anisotro pieachse längs zur Richtung des Legierungsbandes induziert. (vgl. Fig. 3a).

Daneben lässt sich der Anisotropiebereich aber auch mit Hilfe einer wohl definierten, an die jeweilige Legierungszusammen setzung genau angepassten Abfolge von feldfreier Behandlung und/oder Behandlung im Feld, das zeitweise längs und quer zur Richtung des geregelten Bandes stehen kann, erweitern und fein abstimmen.

Werden besonders alterungsstabile Rechteckschleifen mit annä hernd idealer Remanenz, d. h. ΔB_RS ≈ 0, benötigt, kann die Erzeugung der nanokristallinen Legierung und die Ausbildung der Anisotropieachse auch gleichzeitig erfolgen. Hierzu wird der Magnetkern auf die Zieltemperatur erhitzt, dort bis zur Ausbildung der nanokristallinen Struktur gehalten und danach wieder auf Raumtemperatur abgekühlt. Je nach angestrebter Hö he der Längsanisotropie wird das Längsfeld entweder während der gesamten Wärmebehandlung angelegt oder erst nach Errei chen der Zieltemperatur oder sogar noch später eingeschaltet. Insgesamt werden bei dieser Art der Feldwärmebehandlung hohe K_u-Werte erreicht, die zu vergleichsweise großen Anteilen a- normaler Wirbelstromverluste führen, weshalb sich derartige ausgeführte Transduktoren bevorzugt für niedrigere Frequenzen eignen.

Das Erhitzen auf die Zieltemperatur erfolgt möglichst schnell, d. h. zum Beispiel mit einer Rate zwischen 1°C/Min bis 15°C/Min. Zur Erzielung eines inneren Temperaturaus gleichs im Magnetkern aber auch einer besonders feinen und dichten Kornstruktur kann dabei im und/oder unter dem Tempe raturbereich der einsetzenden Kristallisation, d. h. also un terhalb der Kristallisationstemperatur, z. B. ab 460°C eine verzögerte Aufheizrate von weniger als 1°C/Min oder sogar ein mehrmenütiges "Temperaturplateau" eingelegt werden.

Der Magnetkern wird dann beispielsweise zwischen 4 Minuten und 8 Stunden auf der Zieltemperatur um 550°C gehalten, um ein möglichst kleines Korn mit homogener Korngrößenverteilung und kleinen Intergranularabständen zu erreichen. Die Temperatur wird dabei um so höher gewählt, je niedriger der Silizi umgehalt in der Legierung ist. Dabei stellt beispielsweise das Einsetzen der Bildung von unmagnetischen Eisen-Bor-Phasen oder das Wachsen von Oberflächenkristalliten auf der Band oberfläche eine Obergrenze für die Zieltemperatur dar.

Zur Einstellung der Anisotropieachse und damit der möglichst rechteckigen Hystereseschleife wird der Magnetkern dann zwi schen 0,1 und 8 Stunden unterhalb der Curietemperatur T_C, d. h. also zwischen 260°C und 590°C beispielsweise, bei einge schaltetem longituginalem Magnetfeld gehalten. Die hierbei induzierte uniaxiale Anisotropie K_u längs zur Bandrichtung ist um so größer, je höher die Temperatur im Längsfeld ge wählt wird. Der Resthub ΔB_RS nimmt dabei durch Anwachsen der Remanenz kontinuierlich ab, so dass bei den niedrigsten Tem peraturen die größten Werte entstehen. Invers dazu steigen die Ummagnetisierungsverluste an. Anschließend wird der Mag netkern mit 0,1°C/Min bis 20°C/Min im anliegenden Längsfeld auf Raumtemperatur nahe Werte von beispielsweise 25°C oder 50°C abgekühlt. Dies ist einerseits aus wirtschaftlichen Gründen vorteilhaft, andererseits darf aus Gründen der Stabi lität der Hystereseschleife unterhalb der Curietemperatur nicht feldfrei abgekühlt werden.

Die Feldstärke des in Richtung des gewickelten Legierungsban des angelegten Magnetfeldes, des Längsfeldes, ist derart ge wählt, dass deutlich größer ist als die zum Erreichen der Sättigungsinduktion B_S in dieser Richtung des Magnetkerns notwendige Feldstärke. Beispielsweise wurden bereits mit Mag netfeldern H < 0,9 kA/m gute Ergebnisse erzielt, wobei hier bekannt wurde, dass die induzierte Anisotropie stetig mit dem Längsfeld zunimmt.

Nach der Wärmebehandlung wird der Magnetkern verfestigt. Je nach verfügbarem Volumen, thermischen Verhältnissen oder me chanischer Spannungsempfindlichkeit würde beispielsweise durch Tränken, Beschichten oder Umhüllen mit geeigneten Kunststoffmaterialien wie beispielsweise harten Epoxidschich ten oder weichen Xylilene-Schichten versehen und danach ver kapselt. Derartig fertiggestellte Transduktorkerne können dann mit jeweils mindestens einer Wicklung versehen werden. Die Verwendung weicher, volumensparender Fixierungen wird da bei trotz großer Drahtstärken durch die weitgehende Magneto striktionsfreiheit der als bevorzugt angegebenen Legierungs bereiche ermöglicht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer Ausführungs beispiele eingehend diskutiert. Die in den Ausführungsbei spielen diskutierten unterschiedlichen Wärmebehandlungen wer den mittels den beigefügten Figuren veranschaulicht.

Erstes Ausführungsbeispiel

Besonders gute physikalische Ergebnisse wurden mit einem spannungsfrei gewickelten Magnetkern mit Abmessungen 30 × 20 × 10 mm³ aus der Legierung Fe_73,42Cu_0,99Nb_2,98Si_15,76B_6,85 erzielt, wobei dessen effektive Rauhtiefe R_a(eff) der Band oberfläche 4,5% betrug. Die mittlere Banddicke lag bei 20,7 µm.

Die Fig. 4a und 4b zeigen dabei das Temperatur-/Zeitprofil der angewandten Wärmebehandlungen. Zunächst wurden die Mag netkerne mit einer Aufheizrate von 7 K/min auf eine Tempera tur von ca. 450°C aufgeheizt. Ein Magnetfeld war dabei nicht angelegt. Danach wurde die Aufheizrate auf ungefähr 0,15 K/min verzögert, um eine undefinierte Überhitzung des Magnet kernes in Folge einer exothermen Wärmeentwicklung bei der dann einsetzenden Nanokristallisation zu vermeiden. Mit die ser relativ niedrigen Aufheizrate von 0,15 K/min wurde bis auf eine Temperatur von ungefähr 500°C weiter aufgeheizt. Da nach wurden mit einer Aufheizrate von 1 K/min auf ein Endtem peraturplateau von 565°C weiter aufgeheizt. Der Magnetkern wurde bei dieser Temperatur von 565°C ungefähr 1 Stunde gehalten. Bei diesem Temperaturplateau reifte das Legierungs gefüge, bis die kristallinen Körner einen Volumenanteil in der amorphen Legierungsmatrix erreicht hatten, bei der die Magnetostriktion nahezu verschwunden war. Danach wurde mit einer Abkühlrate von ungefähr 5 K/min auf eine Temperatur von ungefähr 390°C abgekühlt. Bei Erreichen der Temperatur von 390°C wurde ein magnetisches Längsfeld H_LF von ungefähr 15 A/cm eingeschaltet. Der Magnetkern wurde 5 Stunden bei dieser Temperatur in diesem sogenannten Längsfeldplateau belassen. Dadurch wurde die uniaxiale Längsanisotropie K_U eingestellt. Anschließend wurde der Magnetkern mit einer Abkühlrate von 5 K/min auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Fig. 4b zeigt die eben diskutierte Wärmebehandlung "modular", das heißt die feldlose Kristallisationsbehandlung und die Wärmebehandlung im magnetischen Längsfeld waren zeitlich getrennt, wobei nach der Kristallisationswärmebehandlung der Magnetkern auf Raum temperatur abgekühlt worden war.

Nach der einstündigen Wärmebehandlung bei einer Temperatur von ca. 565°C wies der Magnetkern eine Magnetostriktion λ_S = 0,12 ppm auf, was praktisch Magnetostriktionsfreiheit bedeu tete. Die nach der anschließenden fünfstündigen Behandlung bei T_LF = 390°C in einem Längsfeld der Stärke 1,5 kA/m sich einstellende Längsanisotropie bewirkte einen induktiven Rest hub ΔB_RS = 63 mT mit Ummagnetisierungsverlusten von P_fe = 85 W/kg (gemessen bei einer Frequenz von 50 kHz und einem Mag netfeld von 0,4 T).

Aufgrund seiner fast perfekt abgeglichenen Magrietostriktion und einer einseitig auf der Bandunterseite aufgebrachten Iso lation mit Magnesiumoxid verschlechterten sich die Magnetwer te des Magnetkerns auch nach einer Beschichtung mit einer vo lumensparenden und gut wärmeableitenden Epoxiewirbelsinter schicht nicht. Dieser Magnetkern wurde mit einem Kupferdraht der Stärke 4 × 0,8 mm mit 6 Windungen bewickelt. Ein mit 120 kHz getaktetes Schaltnetzteil der Ausgangsleistung 275 Watt zeigte mit diesem Transduktorelement bei der maximalen Leis tungsentnahme von 150 Watt des direkt geregelten 5 Volt-Ausgangs eine völlig stabile Ausgangsspannung am transduktorge regelten 3,3 Volt-Ausgang.

Ein etwas kleinerer, aber sonst identischer Magnetkern der Abmessung 20 × 12,5 × 8 wurde in besagtes Schaltnetzteil un ter einer Last von 20 Watt am 3,3-Volt-Ausgang eingebaut. Es stellte sich jedoch eine starke Überhitzung des Magnetkerns im Transduktor ein, da dieser aufgrund seines um einen Faktor 1,7 kleineren Eisenquerschnitts durch die zu hohe Spannungs- /Zeit-Fläche zu stark ausgesteuert wurde. Demzufolge war das Schaltnetzteil nicht voll funktionsfähig.

2. Ausführungsbeispiel

Es wurde ein spannungsfrei gewickelter Magnetkern mit dersel ben Legierungszusammensetzung und denselben Abmessungen wie im ersten Ausführungsbeispiel genommen, allerdings wurde zur Absenkung der Ummagnetisierungsverluste P_fe für eine kürzere Zeit von 2 Stunden eine erniedrigte Längsfeldtemperatur von ca. 315°C gewählt. Diese Wärmebehandlung ist in der Fig. 5a dargestellt. Die Fig. 5b zeigt wiederum dieselbe Wärmebe handlung in modularer Form, wie sie im ersten Ausführungsbei spiel in ihren Grundzügen diskutiert wurde.

Die sich durch die auf 2 h verkürzte Haltezeit und erniedrig te Längsfeldtemperatur von ca. 315°C ergebenden Ummagnetisie rungsverluste P_fe lagen nun bei nur noch 62 Watt/kg. Aller dings erhöhte sich der dynamische Resthub ΔB_RS auf 137 mT. In der Folge wurde die damit verbundene Totzeit des Transduktor reglers zu groß, weshalb die Ausgangsspannung des 3,3-Volt- Netzteilausgangs unter einer Last von 10 Watt bei gleichzei tig fast leerlaufendem, direkt geregelten 5-Volt-Ausgang zu sammenbrach.

3. Ausführungsbeispiel

Der Einsatz von Leistungsdioden mit erhöhtem Recovery-Strom beim Übergang in die Sperrichtung macht eine wohldefinierte Erhöhung der Koerzitivfeldstärke von Transduktorreglern nötig. Aus diesem Grund wurde ein Magnetkern, der die identi sche Legierungszusammensetzung aus dem ersten Ausführungsbei spiel aufwies und dieselben Abmessungen aufwies mit einer einstufigen Wärmebehandlung bei einer Temperatur von ungefähr 575°C in einem magnetischen Längsfeld der Stärke H_LF = 30 A/cm auf maximale Längsanisotropie K_U getempert. Damit wurde ein sehr kleiner dynamischer Resthub ΔB_RS = 25 mT erreicht, wogegen die Ummagnetisierungsverluste P_fe bei 50 kHz/0,4 T bis auf 160 Watt/kg anwuchsen. Wegen der überhöhten Ummagne tisierungsverluste mußte der Transduktorkern zur Reduzierung der Aussteuerung bei gleichbleibender Spannung/Zeit-Fläche auf die Abmessung 30 × 20 × 17 mm³ vergrößert werden. Die an gewendete Wärmebehandlung ist in der Fig. 6 dargestellt. Un abhängig jedoch vom Recovery-Effekt sind solche Transduktoren mit hoher Längsanisotropie und kleinem Resthub gut geeignet zum Einsatz bei Frequenzen knapp oberhalb des Hörbarkeitsbe reiches, wie sie z. B. in - häufig als Hilfsbetriebeumrichter bezeichneten - dezentralen Bordstromversorgungen auftreten. In vielfacher Anzahl benötigte, mimt Transduktoren geregelte Stromversorgungen die sich aus der Hauptversorgung ableiten sind z. B. für die moderne Bahntechnik, aber vor allem auch in Flugzeugen denkbar. In diesen Fällen ist die vergleichs weise hohe Sättigungsinduktion nanokristalliner Legierungen von mehr als 1,1 T von großem Vorteil, da die hohe Aussteuer barkeit eine Reduktion an Eisenquerschnitt und damit an Kern gewicht zuläßt. Dieser Vorteil wird dadurch noch vergrößert, daß der Kern mit einer gut wärmeableitenden Epoxibeschichtung versehen werden kann. Dies ist letztlich nur aufgrund des sehr kleinen Betrages der Sättigungsmagnetostriktion möglich ohne daß sich der Resthub nennenswert erhöht. Darüber hinaus ist vor allem in Bordnetzteilen von Flugzeugen, die schnellen und starken Temperaturwechseln ausgesetzt sind, der in Fig. 9 dargestellte günstige Temperaturgang des Legierungssystems von Vorteil.

4. Ausführungsbeispiel

Zur Erzielung eines volumenoptimierten Transduktorreglers mit minimalen Ummagnetisierungsverlusten für den Einsatz bei sehr hohen Taktfrequenzen, wie sie beispielsweise in PC- Schaltnetzteilen üblich sind, wurde ein spannungsfrei gewi ckelter Magnetkern mit 30 × 20 × 10 mm³ aus der Legierung Fe_73,31Cu_0,99Nb_2,98Si_15,82B_6,90 verwendet, wobei dessen ef fektive Rauhtiefe R_a(eff) bei 7,8% lag. Die mittlere Banddi cke lag bei 16,9 µm.

Aufgrund der relativ hohen effektiven Rauhtiefe und der ge ringen Dicke des Bandes waren die Ummagnetisierungsverluste P_fe bei 50 kHz/0,4 T vergleichsweise niedrig und lagen bei 55 Watt/kg, was den Magnetkern auch bei einer hohen Taktfrequenz von 200 kHz oder mehr einsetzbar machte. Allerdings führte die kleine uniaxiale Anisotropie K_U trotz bestehender nahezu vollständiger Magnetostriktionsfreiheit zu einer gewissen Verspannungsempfindlichkeit, die einen Schutztrog im Gehäuse erforderte, was mit geometrischen und thermischen Nachteilen verbunden war.

5. Ausführungsbeispiel

Wegen der hervorragenden Herstellbarkeit der Legierung Fe_74,4Co_1,1Cu₁Nb₃Si_12,5B₈ und der damit verbundenen sehr niedrigen effektiven Rauhtiefen wurden auch spannungsfrei ge wickelte Magnetkerne aus dieser Legierung mit Abmessungen 30 × 20 × 10 mm³ hergestellt. Die dabei erzielte effektive Rauh tiefe R_a(eff) der Bandoberfläche betrug 2,2%. Die mittlere Banddicke lag bei 23,4 µm.

Die nach der Kristallisationswärmebehandlung bei 556°C vor liegende Sättigungsmagnetostriktion λ_S betrug ungefähr 3,7 ppm und war demnach unvollständig abgeglichen. Um trotzdem noch hinreichend kleine Resthubwerte ΔB_RS zu erhalten, wurde der Magnetkern zur Einstellung einer maximalen uniaxialen A nisotropie K_U-Wertes auch bei dieser Temperatur im Längsfeld getempert. Das Ergebnis war ein sehr niedriger Resthub von ΔB_RS von 23 mT und von Ummagnetisierungsverlusten P_fe bei 50 kHz/0,4 T von 220 Watt/kg.

Darüber hinaus traten bei Frequenzen um 30 kHz und um 120 kHz überhöhte Ummagnetisierungsverluste auf, die auf magnetoelas tische Resonanzeffekte zurückzuführen waren. Die so herge stellten Magnetkerne können in wirtschaftlicher Weise nur für vergleichsweise niedrige Frequenzen eingesetzt werden, die außerhalb dieser magnetoelastischen Resonanzen liegen. Würde man unter diesen Bedingungen andere Betriebsbedingungen neh men, würde dies zu einer Überhitzung der Transduktorregler und damit zu einer Zerstörung der Transduktorregler führen.

6. Ausführungsbeispiel

In analoger Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel und im fünften Ausführungsbeispiel wurden Magnetkerne aus der Legie rung Fe_74,5Cu₁Nb₃Si_14,5B₇ hergestellt. Die Sättigungsmagne tostriktion λ_S betrug hier ungefähr 1,8 ppm. Die Magnetkerne wurden mit fest härtendem Kunststoff umhüllt, so dass eine mechanische Verspannung induziert wurde. Bei Frequenzen von < 100 kHz führte dies zu einer Erhöhung des dynamischen Resthu bes ΔB_RS. Bei einer Frequenz von ungefähr 10 kHz ergab sich ein Resthub von ungefähr 128 mT. Bei Frequenzen oberhalb 100 kHz war der dynamische Resthub nur unwesentlich gegenüber dem Magnetkern aus dem ersten Ausführungsbeispiel erhöht. Insbe sondere ergab sich nach Einbau in das geschaltete Netzteil aus dem Ausführungsbeispiel 1 die gleiche Charakteristik.

Eine besonders innovative Verwendung von Transduktorreglern gemäß der vorliegenden Erfindung ist die in Netzteilen für Kfz-Bordnetze, bei denen das Bordnetz auf 42 Volt umgestellt ist. Diese Bordnetze weisen in der Regel verschiedene Span nungsebenen auf. In einer Applikation wurden 12 Volt/500 Watt aus der 42 Volt/3 Kilowatt-Versorgung über einen transduktor geregelten Kreis realisiert. Der Ausgang war dabei dauer kurzschlußfest bei einer Arbeitsfrequenz von 50 kHz und einer Umgebungstemperatur von 85°C im Motor einer Verbrennungskraftmaschine. Zum Einsatz kam ein Magnetkern mit den Abmes sungen von 40 × 25 × 20 mm³, der in einem Kunststofftrog mit 18 Windungen versehen war. Die Bauform war offen mit einer Bewicklung von 3 × 1,3 mm Kupferlackdraht.

Neue Antriebskonzepte bedienen sich elektrischer Antriebe zur Stromgewinnung. So sind beispielsweise seit längerer Zeit Brennstoffzellen im Gespräch. Hier hat man in der Regel was sergekühlte Kühlkörper, da die Brennstoffzellen zum Erzielen eines optimalen Wirkungsgrades auf ca. 60°C gehalten werden müssen. Diese Kühlsysteme kann man für die 12 Volt/42 Volt- Versorgungen zur Reduzierung des Gewichtes bzw. des Bauvolu mens mitbenutzen. Hierzu wurde bei einem Netzteil mit den be reits genannten Daten ein Magnetkern mit den Abmessungen 38 × 28 × 15 mm³ mit gut wärmeableitender Epoxidharzummantelung verwendet. Der Magnetkern wurde mit 46 Windungen aus 2 × 1,3 mm Kupferlackdraht versehen und in ein Aluminiumgußgehäuse eingebracht. Der Magnetkern wurde im Aluminiumgußgehäuse wie der mit einem gut wärmeableitenden Epoxidverguß versehen. Durch diese Gehäuse-/Vergußkombination wurde eine sehr gute Kühlkörperanbindung erzielt, was allerdings nur durch den er findungsgemäßen, verwendeten fast magnetostriktionsfreien Magnetkern ermöglicht worden ist.

Die beigefügten drei tabellarischen Dimensionierungsbeispiele geben typische Dimensionierungen von erfindungsgemäßen Trans duktorreglern aus der Legierung aus den Ausführungsbeispielen 1 und 2 für die diskutierten Anwendungsschaltungen wieder. Mit besonderem Augenmerk wurden Computerschaltnetzteile, das heißt PC-Schaltnetzteile sowie Server-Schaltnetzteile, be trachtet, welche in der Praxis üblicherweise als Eintakt durchflußschaltungen bei Schaltfrequenzen zwischen 70 und 200 kHz ausgeführt sind.

Beispiel 1

transduktorgeregelte, kurzschlußfeste Nebenspan nung U1 eines PC-Schaltnetzteils, f = 150 kHz, Umgebungstem peratur 45°C, d. h. max. Übertemperatur des Transduktorreglers = 75 K. Max. Tastverhältnis τ = 0,5, Mindestübertrageraus gangsspannung 24 V.

Beispiel 2

transduktorgeregelte kurzschlußfeste Ausgangs spannung eines Server-Schaltnetzteils, f = 100 kHz, Umge bungstemperatur 60°C, max. Tastverhältnis τ = 0,3, Mindestü bertragerausgangsspannung 23 V. Errechnet wurden 2 Lösungen:

Beispiel 3

transduktorgeregelte kurzschlußfeste Ausgangs spannung eines Leistungsnetzteils, f = 50 kHz, Umgebungstem peratur 45°C, max. Tastverhältnis τ = 0,5, Mindestübertrage rausgangsspannung 40 V.

Claims

1. Magnetkern aus einer nanokristallinen Legierung zur Ver wendung in einer sättigbaren Drossel, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung die Zusammensetzung Fe_aCo_bCu_cM'_dSi_xB_yM"_z, wobei M' ein Element aus der Gruppe V, Nb, Ta, Ti, Mo, W, Zr, Hf oder eine Kombination aus diesen bezeichnet und wobei M" ein Element aus der Gruppe C, P, Ge, As, Sb, In, O, N oder eine Kombination aus diesen bezeichnet, und die folgenden Be dingungen gelten:
a + b + c + d + x + y + z = 100% ist, mit a = 100% - b - c - d - x - y - z, 0 ≦ 15, 0,5 ≦ c ≦ 2, 0,1 ≦ d ≦ 6,2 x ≦ 20, 2 ≦ y ≦ 18, 0 ≦ z ≦ 10 und x + y < 18;
und dass der Magnetkern eine möglichst rechteckige Hystere seschleife aufweist und eine Sättigungsmagnetostriktion |λ_S| < 3 ppm aufweist.

2. Magnetkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Bedingungen gelten: 0 ≦ b ≦ 0,5, 0,8 ≦ c ≦ 1,2, 2 ≦ d ≦ 4, 14 ≦ x ≦ 17, 5 ≦ y ≦ 12 mit 22 ≦ x + y ≦ 24.

3. Magnetkern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sättigungsmagnetostriktion |λ_S| < 0,2 ppm beträgt.

4. Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die effektive Rauhtiefe R_a(eff) zwischen 3 und 9% be trägt.

5. Magnetkern nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die effektive Rauhtiefe R_a(eff) zwischen 4 und 7% be trägt.

6. Verfahren zum Herstellen eines Magnetkernes nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit folgenden Schritten:

- Gießen eines dünnen Bandes aus einer amorphen Legierung;
- Spannungsfreies Wickeln des dünnen Bandes zu einem Magnet kern;
- Aufheizen des Magnetkernes auf eine erste Zieltemperatur, die oberhalb der Kristallisationstemperatur der amorphen Legierung liegt, mit einer Aufheizrate zwischen 1 K/min und 20 K/min;
- Halten des Magnetkernes bei der ersten Zieltemperatur für eine Dauer von 8 Stunden oder kürzer;
- Abkühlen des Magnetkernes auf eine zweite Zieltemperatur, die unterhalb der Curietemperatur der Legierung und unter halb der Kristallisationstemperatur der amorphen Legierung liegt, mit einer Abkühlrate zwischen 1 K/min und 20 K/min;
- Halten des Magnetkernes bei der zweiten Zieltemperatur für eine Dauer von 8 Stunden oder kürzer unter einem magneti schen Längsfeld H < 0,5 kA/m;
- Abkühlen des Magnetkernes auf Raumtemperatur;

7. Verfahren zum Herstellen eines Magnetkernes nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit folgenden Schritten:

- Gießen eines dünnen Bandes aus einer amorphen Legierung;
- Spannungsfreies Wickeln des dünnen Bandes zu einem Magnet kern;
- Aufheizen des Magnetkernes auf eine erste Zieltemperatur, die oberhalb der Kristallisationstemperatur der amorphen Legierung liegt, mit einer Aufheizrate zwischen 1 K/min und 20 K/min.
- Halten des Magnetkernes bei der ersten Zieltemperatur für eine Dauer von 8 Stunden oder kürzer;
- Abkühlen des Magnetkernes auf Raumtemperatur;
- Aufheizen des Magnetkernes auf eine zweite Zieltempera tur, die unterhalb der Curietemperatur der Legierung und unterhalb der Kristallisationstemperatur der amorphen Le gierung liegt, mit einer Abkühlrate zwischen 1 K/min und 20 K/min.
- Halten des Magnetkernes bei der zweiten Zieltemperatur für eine Dauer von 8 Stunden oder kürzer unter einem magneti schen Längsfeld H < 0,5 kA/m;
- Abkühlen des Magnetkernes auf Raumtemperatur;

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Wärmebehandlung feldfrei durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufheizen auf die erste Zieltemperatur in einem mag netischen Querfeld vorgenommen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteplateau und/oder die nachfolgende Abkühlphase in ei nem magnetischen Querfeld vorgenommen wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß das Aufheizen auf die erste Zieltemperatur bis zu einer Temperatur von ca. 450°C mit einer Aufheizrate zwischen 1 K/min und 20 K/min erfolgt und danach mit einer Aufheizrate von ca. 0,15 K/min erfolgt.

12. Verwendung eines Transduktorreglers mit einem Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in einem geschalteten Netz teil in einer Kraftfahrzeugspannungsversorgung.