DE102006019613A1

DE102006019613A1 - Magnetkern, Verfahren zu seiner Herstellung sowie Fehlerstromschutzschalter

Info

Publication number: DE102006019613A1
Application number: DE102006019613A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. Petzold; Markus Brunner
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2006-04-25
Filing date: 2006-04-25
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2026-04-26
Also published as: DE102006019613B4; GB0819475D0; GB2453673B; GB201017171D0; GB2453673A; WO2007122592A3; WO2007122592A2

Abstract

Ein aus einem weichmagnetischen Band gewickelter Magnetkern soll eine durch die Reduktion von mechanischen Spannungen erhöhte Permeabilitätszahl µ<SUB>r</SUB> aufweisen. Dazu wird das weichmagnetische Band auf mindestens einer Seite mit einem haftreibungsreduzierenden Material beschichtet, dass bei der Wärmebehandlung des Magnetkerns teilweise abbrennt. Zurück bleibt sein Glührückstand, so dass sich im Querschnitt des Magnetkerns jeweils eine Schicht aus dem weichmagentischem Material und eine Schicht aus dem Glührückstand eines haftreibungsreduzierenden Materials abwechseln.

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetkern, der aus einem weichmagnetischen Band gewickelt ist. Sie betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Magnetkerns und einen Fehlerstromschutzschalter mit einem Magnetkern.
Magnetkerne, die aus einem spiralförmig aufgewickelten Metallband gebildet sind, sogenannte Ringbandkerne, kommen beispielsweise in Stromwandlern, Leistungstransformatoren, stromkompensierten Funkentstördrosseln, Anlaufstrombegrenzern, Speicherdrosseln, Einleiterdrosseln, Transduktordrosseln und Summen- oder Differenzstromwandlern für FI-Schutzschalter zum Einsatz.
An sie werden hohe Anforderungen bezüglich der magnetischen Eigenschaften gestellt: Fehlerstromwandler für wechselstromsensitive Fehlerstromschutzschalter beispielsweise müssen eine Sekundärspannung bereitstellen, die zumindest ausreicht, um das Magnetsystem des Auslöserelais, das für die Abschaltung verantwortlich ist, auszulösen. Da eine möglichst platzsparende Auslegung des Stromwandlers angestrebt wird, wird ein Material für den Magnetkern benötigt, das neben einer hohen Induktion bei der typischen Arbeitsfrequenz von 50 Hz vor allem eine möglichst hohe Permeabilitätszahl μ_r aufweist. Wesentlichen Einfluss auf die Permeabilitätszahl haben die Geometrie des Magnetkerns sowie die Werkstoffeigenschaften in Kombination mit der technologischen Veredelung des Materials, beispielsweise durch eine Wärmebehandlung.
Bisher war es zur Erzielung ausreichend hoher Permeabilitätszahlen notwendig, eine möglichst kleine Sättigungsmagnetostriktionskonstante λ_s von |λ_s| < 2 ppm oder sogar < 0,3 ppm zu erzielen. Darüberhinaus waren geometrisch möglichst perfekte Bänder mit möglichst wenigen Formfehlern eine wichtige Voraussetzung. Eine derartig kleine Sättigungsmagnetostriktionskonstante λ_s lässt sich ohne Weiteres jedoch nur mit wenigen Legierungen erreichen und es ist zudem bei einer industriellen Fertigung nahezu unmöglich, eine exakte Legierungszusammensetzung ohne Verunreinigungen zu erzielen.
Es wäre jedoch möglich, auch mit zahlreichen weiteren Legierungszusammensetzungen hohe Permeabilitätszahlen zu erreichen, wenn der Magnetkern frei von mechanischen Spannungen wäre. Mechanische Spannungen können beim Wickeln des Kerns aus einem oder mehreren Bändern und/oder bei einer anschließenden Wärmebehandlung in den Magnetkern eingebracht werden. Der Zusammenhang zwischen Spannungsfreiheit des Magnetkerns und hoher Permeabilitätszahl wird beispielsweise in der JP 63-115313 angesprochen.
Aus der US 2005/0221126 A1 ist es bekannt, Spannungen gezielt in Bandkerne einzubringen, um die magnetischen Eigenschaften von Bandkernen für Hochfrequenzanwendungen zu verbessern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen aus einem weichmagnetischen Band gewickelten Magnetkern mit durch die Reduktion von mechanischen Spannungen erhöhter Permeabilitätszahl μ_r anzugeben.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Magnetkerns anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Magnetkern aus einem spiralförmig aufgewickelten, weichmagnetischen Band, wobei das weichmagnetische Band auf mindestens einer Seite eine Schicht aus dem Glührückstand eines haftreibungsreduzierenden Materials aufweist, so dass sich im Querschnitt des Magnetkerns jeweils eine Schicht aus dem weichmagnetischem Material und eine Schicht aus dem Glührückstand eines haftreibungsreduzierenden Materials abwechseln.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass mechanische Spannungen, die beim Wickeln des Magnetkerns oder bei der anschließenden Wärmebehandlung eingebracht werden, ihre Ursache in der nicht idealen Bandform des weichmagnetischen Bandes haben. Es treten im Wesentlichen zwei Arten von Abweichungen von der idealen Form auf:
Zum einen ist die Oberfläche des weichmagnetischen Bandes nicht ideal glatt, sondern weist eine gewisse Oberflächenrauhigkeit auf. Die Oberflächenrauhigkeit bewegt sich im mikro- und nanoskaligen Bereich und ist in der Großserienfertigung der Bänder durch Gießen im Rascherstarrungsverfahren gewissen Schwankungen unterworfen. Sie variiert sowohl zwischen einzelnen Gießchargen als auch innerhalb einer einzigen Charge aufgrund des Verschleißes des Gießrades während der laufenden Produktion. Im Idealfall nimmt die Oberflächenrauhigkeit Ra nach DIN 4762 bzw. ISO 4287/1, gemessen als arithmetisches Mittel beider Bandseiten (Ra₁ + Ra₂)/Banddicke, Werte um 1% an. Typisch sind jedoch Werte zwischen 2% und 6%, es können jedoch auch sehr hohe Werte um 15% erreicht werden.
Zum anderen wird in der Großserienfertigung keine ideale Geometrie der Bänder mit exakt planparallelen Oberflächen erreicht, sondern es treten Abweichungen von dieser Geometrie in Form von Wulsten und/oder einer Keil- oder Knochenform der Bänder auf.
Konsequenzen dieser Abweichungen von der idealen Form der Bänder sind lokale oder lagenumfassende Verspannungen im Magnetkern, die beim Wickelprozess durch die lokalen oder flächenhaften Dickenschwankungen und Rautiefenschwankungen der einzelnen Bandlagen entstehen. Gleichzeitig führen geometrische Oberflächendefekte zu Verhakungen der Bandlagen, die eine mechanische Entspannung des Magnetkerns während der Wärmebehandlung verhindern. Die praktisch immer vorhandene Kombination aus Oberflächenrauheit und großflächigen Formfehlern führt an den Berührungspunkten zwischen den Bandlagen zu besonders hohen Flächenpressungen und damit zu besonders hoher lokaler Haftreibung. Wegen der grundlegenden Beziehung
zwischen der Permeabilitätszahl μ_r, der Sättigungsmagnetostriktionskonstante λ_s und der mechanischen Spannung σ führen solche Verspannungen bei nicht ausreichend kleiner Sättigungsmagnetostriktionskonstante zu zu geringen und außerdem stark streuenden Permeabilitätszahlen.
Einem Grundgedanken der Erfindung zufolge sollten mikro- und nanoskalige Abweichungen von der idealen Geometrie, die zu Verhakungen der Bandlagen und damit zu Verspannungen im Magnetkern führen, dadurch ausgeglichen werden, dass ein haftreibungsreduzierendes Material zwischen die einzelnen Bandlagen gebracht wird. Dies kann entweder vor oder nach dem Wickeln des Magnetkerns, sollte jedoch vor der Wärmebehandlung geschehen. Nach der Wärmebehandlung bleibt zumindest der Glührückstand aus dem haftreibungsreduzierenden Material im Magnetkern zurück, während der Glühverlust zumindest bei ausreichend langer Dauer der Wärmebehandlung abgebrannt ist.
Typischerweise weist der fertige Magnetkern, also der Magnetkern nach Abschluss der Wärmebehandlung, ein nanokristallines weichmagnetisches Band auf. Es sind jedoch je nach Einsatzzweck des Magnetkerns auch amorphe oder kristalline Bänder denkbar.
Für den erfindungsgemäßen Magnetkern sind verschiedene Legierungszusammensetzungen denkbar. Da ein Verschwinden der Sättigungsmagnetostriktionskonstante nicht gefordert wird, können gängige Eisenbasislegierungen Verwendung finden, und auch Restverunreinigungen, die sich im allgemeinen nicht vollständig vermeiden lassen, sind tolerierbar, ohne dass es zu unerwünschten Beeinflussungen der magnetischen Eigenschaften kommt.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das weichmagnetische Band im Wesentlichen die Legierungszusammensetzung Fe_aCo_bCu_cSi_dB_eM_f auf, worin M zumindest eines der Elemente V, Nb, Ta, Ti, Mo, W, Zr und Hf ist, a, b, c, d, e und f in Atomprozent angegeben sind und 0 ≤ b ≤ 20; 0,5 ≤ c ≤ 2; 6,5 ≤ d ≤ 18; 5 ≤ e ≤ 14; 1 ≤ f ≤ 6; d + e > 16 und a + b + c + d + e + f = 100 gilt. Dabei kann Kobalt ganz oder teilweise durch Nickel ersetzt sein.
Die Eisenquerschnittsfläche A_Fe des Magnetkerns ist definiert durch die Formel
wobei D_a der Außendurchmesser des Magnetkerns, D_i sein Innendurchmesser, h die Breite des Bandes und η der Füllfaktor mit 0% ≤ η ≤ 100% sind, wobei für Magnetkerne typischerweise η > 40% gilt.
Durch Hohlräume zwischen den Bandlagen, die zwangsläufig aus der nicht idealen Geometrie des Bandes resultieren, reduziert sich die Eisenquerschnittsfläche A_Fe des Magnetkerns. Der Füllfaktor stellt dabei in gewisser Weise ein Maß für den Grad der Abweichungen des Bandes von der idealen, planparallelen Platte dar.
In einer Ausführungsform weist der Magnetkern nach einer Wärmebehandlung einen Füllfaktor η von mehr als 80% auf, in alternativen Ausführungsformen gilt für den Füllfaktor 70% ≤ η ≤ 80% bzw. 65% ≤ η ≤ 70%.
Für die effektive Rautiefe RT des Bandes gilt vorteilhafterweise 1% ≤ RT ≤ 12%, noch vorteilhafter ist eine Rautiefe mit RT 1% ≤ RT ≤ 6% oder sogar mit 1% ≤ RT ≤ 4%. Die Sättigungsmagnetostriktionskonstante λ_s des Magnetkerns ist vorteilhafterweise kleiner als 6 ppm und das Verhältnis von Remanenzinduktion zu Sättigungsinduktion B_R/B_S größer als 40%.
IN einer Ausführungsform der Erfindung weist der Magnetkern ein Verhältnis von Remanenzinduktion zu Sättigungsinduktion B_R/B_S von 1% ≤ B_R/B_S ≤ 30% auf, in alternativen Ausführungsformen gilt 30% ≤ B_R/B_S ≤ 80% bzw. 80% ≤ B_R/B_S ≤ 97%.
Als haftreibungsreduzierende Materialien kommen Materialien infrage, die sich möglichst leicht beispielsweise durch Aufsprühen, Walzen, Abscheidung aus einer Lösung oder aus der Gasphase oder durch Festkörperablagerung aus einer Suspension aufbringen lassen und die die Haftreibung zwischen den einzelnen Bandlagen herabsetzen und auf diese Weise einen Schmiereffekt beim Wickeln des Magnetkerns und bei einer Entspannung während der anschließenden Wärmebehandlung erzeugen. Es sind jedoch noch weitere Anforderungen an ein geeignetes haftreibungsreduzierendes Material zu stellen. So sollte das Material möglichst keine filmartigen, verspannenden Schichten ausbilden und keine ebenfalls verspannenden Korrosionsschichten erzeugen, wie dies beispielsweise bei aus einer wässrigen Lösung aufgebrachten Beschichtungen aus Aluminiumsilikat, Lithiumsilikat und Magnesiumoxid der Fall ist. Ferner sollte das haftreibungsreduzierende Material keine unerwünschten Oberflächenreaktionen und keine Diffusionsprozesse im Innern des Bandes auslösen und keine verspannenden Schrumpfeffekte erzeugen.
Als geeignete haftreibungsreduzierende Materialien kommen beispielsweise folgende Materialien infrage: nanodisperses SiO₂, das beispielsweise unter dem Handelnamen „Aerosil" oder „HDK" im Handel ist und das einen ähnlichen thermi schen Ausdehnungskoeffizienten hat wie das Band, eine Magnesium-Methoxid-Lösung, nanodisperses SiO₂ mit Magnesium-Methylat, Pigment-Ruß, Kohlenstoff-Nanoröhren, C₆₀-Fullerene oder Zirkoniumpropylat. Dabei lassen sich gegebenenfalls durch die Verwendung wasserfreier Lösungsmittel wie beispielsweise Alkoholen, Ketonen und Etheralkoholen korrosive Oberflächenangriffe vermeiden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Magnetkerns weist zumindest die folgenden Schritte auf: Es wird ein amorphes, weichmagnetisches Band, das beispielsweise durch das Rascherstarrungsverfahren hergestellt sein kann, bereitgestellt und mit einem haftreibungsreduzierenden Material beschichtet. Anschließend wird das Band zu einem Magnetkern, typischerweise einem Ringbandkern, gewickelt und der Magnetkern wird zur Einstellung der gewünschten magnetischen Eigenschaften einer Wärmebehandlung unterzogen. Alternativ ist es auch möglich, das Beschichten erst nach dem Aufwickeln des Bandes zu einem Magnetkern vorzunehmen und dann den Magnetkern beispielsweise durch das ökonomische Verfahren der Tauchbeschichtung zu beschichten.
Beide Verfahrensvarianten ermöglichen die Herstellung eines Magnetkerns, der weitgehend frei von mechanischen Spannungen ist und somit eine hohe Permeabilitätszahl aufweisen kann. Während bei der ersten Variante in herkömmlichen Verfahren auftretende Spannungen beim Wickeln von vornherein vermieden werden, treten diese Spannungen bei der zweiten Variante im allgemeinen nach wie vor auf. Jedoch ist bei der zweiten Verfahrensvariante ein Entspannen des Magnetkerns während der Wärmebehandlung durch das haftreibungsreduzierende Material wesentlich erleichtert, so dass auch diese Verfahrensvariante einen Magnetkern liefert, der weitgehend frei von mechanischen Spannungen ist.
Es kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren also zumindest auf zwei Entspannungsmechanismen einzeln oder in Kombination zurückgegriffen werden: Erstens auf die Lockerung des Kerns durch den zumindest partiellen Abbrand des haftreibungsreduzierenden Materials bei der Wärmebehandlung, die dem Kern genügend Freiheit für eine Entspannung gibt. Und zweitens auf einen Schmiereffekt zwischen den Bandlagen, der durch die Roll- oder Gleiteigenschaften sphärischer, zylindrischer oder blättchenförmiger Teilchen oder ganzer Schichten hervorgerufen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich sowohl zur Erzielung einer Hysteresekurve in Form einer F-Schleife als auch in Form einer Z- und R-Schleife einsetzen. Da jedoch vor allem die R-Schleife auf höchste Permeabilitätswerte zielt, muss der Magnetkern zur Vermeidung von Störanisotropien besonders spannungsarm ausgeführt sein. Zur Erreichung einer R-Schleife wird die Wärmebehandlung vorteilhafterweise feldfrei, also in Abwesenheit eines Magnetfelds, das groß genug wäre, um die magnetischen Eigenschaften des Magnetkerns in unerwünschter Weise zu beeinflussen, und bei einer Temperatur T mit 505°C ≤ T ≤ 600°C durchgeführt.
Das Aufbringen des haftreibungsreduzierenden Materials kann beispielsweise durch Abscheidung aus der Gasphase oder aus einer Lösung, durch Festkörperablagerung aus einer Suspension oder im Sol-Gel-Verfahren erfolgen.
Vorteilhafterweise wird eine Flächenbelegungsdichte ρ des haftreibungsreduzierenden Materials von 10 mg/m² ≤ ρ ≤ 600 mg/m², oder besser von 20 mg/m² ≤ ρ ≤ 300 mg/m² oder sogar von 50 mg/m² ≤ ρ ≤ 150 mg/m² erzielt. Dadurch ist sichergestellt, dass einerseits eine ausreichende haftreibungsreduzierende Wirkung erzielt wird, andererseits die Schicht aus haftreibungsreduzierendem Material auch nicht zu dick wird. Eine zu dicke Schicht hat nämlich zur Folge, dass der Magnetkern bei der Wärmebehandlung, bei der ein wesentlicher Teil des haftreibungsreduzierenden Materials abbrennt, zu stark an Füllfaktor verliert und zu „locker" und damit zu empfindlich in der nachfolgenden Handhabung wird.
Vorteilhaft sind aus diesem Grund Schichtdicken d des haftreibungsreduzierenden Materials vor der Wärmebehandlung von d < 5 μm, vorzugsweise von d < 1 μm oder sogar d < 0,5 μm oder d < 0,2 μm.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es ohne großen technischen Aufwand die Herstellung eines Magnetkerns mit besonders günstigen magnetischen Eigenschaften, insbesondere mit einer hohen Permeabilitätszahl, ermöglicht. Das Verfahren beseitigt die Abhängigkeit von speziellen, oft teuren Legierungszusammensetzungen und macht eine vollständige Beseitigung von Verunreinigungen in der Legierung unnötig. Gleichzeitig macht es aufwendige Auswahlverfahren im Hinblick auf möglichst perfekte Bandoberflächen überflüssig. Daher können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf einfache Weise die Herstellungskosten für Ringbandkerne reduziert werden. Zudem kann aufgrund des Ausgleichs der Formfehler des Bandes eine unerwünschte ü bermäßige Streuung der Werte der Permeabilitätszahlen vermieden werden.
Der erfindungsgemäße Magnetkern ist besonders geeignet für den Einsatz in einem Fehlerstromschutzschalter, da er aufgrund seiner hohen Permeabilitätszahl eine ausreichend hohe Sekundärspannung bereitstellt, die ausreicht, um das Magnetsystem des Auslöserelais, das für die Abschaltung verantwortlich ist, auszulösen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen
1 schematisch einen Querschnitt durch einen magnetischen Ringbandkern;
2a schematisch einen Ausschnitt aus mehreren Bandlagen des Ringbandkerns nach einem ersten Schritt eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
2b den gleichen Ausschnitt nach einem nachfolgenden Verfahrensschritt;
2c den gleichen Ausschnitt nach einem weiteren Verfahrensschritt und
3 in Form einer Tabelle verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt einen Querschnitt durch einen Magnetkern 1, genauer gesagt durch einen magnetischen Ringbandkern, der aus zahlreichen Bandlagen 3 gebildet ist. Der Magnetkern 1 ist aus einem weichmagnetischen, typischerweise amorphen Band 2 auf einen Zylinder 4 gewickelt, der später entfernt werden kann. Das Band 2 weist keine ideale Geometrie mit glatten, exakt planparallelen Oberflächen 5 auf. Seine Dicke variiert vielmehr lokal, was eine Oberflächenrauhigkeit zur Folge hat, und zudem kann das Band 2 Geometriefehler wie Wülste und/oder keil- oder knochenförmige Querschnittsflächen aufweisen. In 1 ist die Oberflächenrauhigkeit des Bandes 2 durch Haken 6 veranschaulicht.
Aufgrund der durch die Haken 6 und andere Unebenheiten bedingten nicht idealen Geometrie des Bandes 2 kommt es beim Wickeln des Magnetkerns 1 durch die gegenüber einem idealen Band stark erhöhte Haftreibung zwischen den einzelnen Bandlagen 3 zu mechanischen Spannungen im Magnetkern 1. Diese mechanischen Spannungen könnten bei der dem Wickeln folgenden Wärmebehandlung des Magnetkerns 1 abgebaut werden, was jedoch durch die andauernde Verhakung der Bandlagen 3 vollständig oder zumindest teilweise verhindert wird.
2 zeigt Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Magnetkerns 1. Bei der dargestellten Verfahrensvariante wird der Magnetkern 1 zunächst gewickelt und seine Bandlagen 3 werden anschließend beispielsweise durch eine Tauchbeschichtung mit einem haftreibungsreduzierenden Material beschichtet. Es ist jedoch genauso möglich, das Band vor dem Wickeln beispielsweise durch Tauchen oder im Durchlauf zu beschichten. Dann wird der Magnetkern 1 einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der das haftreibungsreduzierendes Material teilweise oder weitgehend abbrennt. Dabei wird eine Spannungsfreiheit des Magnetkerns 1 sowohl durch eine Schmierwirkung des haftreibungsreduzierenden Materials als auch durch eine Lockerung des Magnetkerns durch den teilweisen Abbrand des haftreibungsreduzierenden Materials erreicht, da sich der Magnetkern 1 während der Wärmebehandlung entspannen kann.
2a zeigt einen Ausschnitt aus dem gewickelten Magnetkern mit drei Bandlagen 3 des weichmagnetischen Bandes 2. Aufgrund der starken Vergrößerung und zur Vereinfachung sind die Bandlagen 3 nicht gebogen, sondern flach dargestellt. Die Oberfläche 5 des Bandes 2 ist nicht perfekt eben, sondern weist mikro- und nanoskalige Geometriefehler wie eine Oberflächenrauhigkeit, die durch Haken 6 angedeutet ist, auf. Diesen „kurzwelligen" Oszillationen sind „langwellige" Formfehler überlagert, die sich längs und quer zur Bandrichtung erstrecken. Dadurch bilden sich beim Wickeln des Magnetkerns Hohlräume 7 zwischen den Bandlagen 3 aus, die deshalb unerwünscht sind, weil sie die Eisenquerschnittsfläche des Magnetkerns reduzieren und außerdem zu mechanischen Verspannungen führen.
2b stellt den Ausschnitt aus dem Magnetkern nach einer Beschichtung des Bandes 2 mit einem haftreibungsreduzierenden Material 8 dar. Das haftreibungsreduzierende Material 8 umhüllt das Band 2 und bildet somit Zwischenschichten 10 zwischen den Bandlagen 3 aus, so dass sich eine Schichtfolge aus abwechselnd einer Schicht des weichmagnetischen Bandes 2 und einer Schicht aus haftreibungsreduzierendem Material 8 ergibt. Die neue Oberfläche 9 des Bandes 2 ist wesentlich glatter als die ursprüngliche und kommt somit einer idealen Oberfläche schon wesentlich näher. Ist die Schicht aus sphärischen oder zylindrischen Teilchen oder aus graphitischen Schichten aufge baut, besitzt sie bereits jetzt eine ausgeprägte Schmierwirkung, die das Gleiten der Bandlagen erleichtert und somit den Kern entspannt.
Nach dem Beschichten wird der Magnetkern in einem Retorten- oder Durchlaufofen einer Wärmebehandlung unterzogen. In 2c ist angedeutet, dass bei dieser Wärmebehandlung das haftreibungsreduzierende Material teilweise oder weitgehend abbrennt. Zurück bleibt im Wesentlichen der Glührückstand 11 des haftreibungsreduzierenden Materials, der nun die Zwischenschichten 10 zwischen den Bandlagen 3 bildet. Der durch den Abbrand auftretende Materialschwund führt zu einer Lockerung des Magnetkerns. Besitzt der Glührückstand außerdem noch die oben beschriebene Schmierwirkung, wirken diese beiden Grundmechanismen gemeinsam auf eine Entspannung des Kerns hin.
3 zeigt in einer Tabelle verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung. Zur Beschichtung wurden als haftreibungsreduzierende Materialien neben nanodispersem SiO₂ auch MgO, Zirkoniumpropylat, Aluminiumbuthylat, Kohlenstoffnanoröhren, Fullerene und Pigmentruß eingesetzt. Es wurden jeweils Ensembles von 50–100 Kernen beschichtet und wärmebehandelt. Anschließend wurden die magnetischen Eigenschaften, insbesondere die Permeabilitätszahl μ_r bei einer Frequenz von 50 Hz, gemessen. Die Streubreite der Permeabilitätszahl ist als 2s/<μr> angegeben, wobei s die Standardabweichung ist.
Als Vergleichsbeispiel wurden nach dem herkömmlichen Verfahren Ensembles unbeschichteter Referenzkerne hergestellt. Aus der Tabelle ist erkennbar, dass insbesondere haftreibungsreduzierende Schichten aus nanodispersem SiO₂ hohe Permeabilitätszahlen ergeben. Schichten aus MgO, Zirkoniumpropylat oder Alumi niumbuthylat sind schwach verspannend oder weitgehend passiv. Diese Schichten können jedoch trotzdem zu verbesserten magnetischen Eigenschaften der Bandkerne führen, da durch den weitgehenden Abbrand der Schicht bei der Wärmebehandlung eine Lockerung des Kerns und somit eine mechanische Entspannung ermöglicht wird.
Nanodisperses SiO₂ mit geringen Beigaben von MgO erlaubt durch den Abbrand bei der Wärmebehandlung eine Lockerung des Kerns, der Anteil an MgO ist jedoch so gering zu halten, dass die Beschichtung noch keine verspannende Wirkung zeigt. Somit können die positiven Effekte der SiO₂- und der MgO-Beschichtung kombiniert werden.
Wie sich herausgestellt hat, spielt die Teilchengröße beim nanodispersen SiO₂ eine nicht zu vernachlässigende Rolle. Versuche mit feindispersem SiO₂ mit Teilchengrößen von 500 nm bzw. 1000 nm zeigten eine deutliche Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften, insbesondere eine Reduktion der Permeabilität auf Werte um 200.000. Eine leichte, aber noch nicht signifikante Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften ist auch schon bei einer Teilchengröße ab 60 nm messbar. Ferner hat die Konzentration des SiO₂ in der Dispersion einen Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften des Kerns. Bei Konzentrationen von mehr als etwa 8% lassen sich gegenüber Konzentrationen von 1,5% bis 5% leichte Verschlechterungen messen, die zu höheren Konzentrationen hin weiter zunehmen.
Kohlenstoffnanoröhren, Fullerene und Pigmentruß bilden keine verspannenden Schichten. Sie üben eine Schmierwirkung aus, die beim Wickeln des Kerns und auch bei seiner Entspannung während der Wärmebehandlung ausgenutzt werden kann.

1: Magnetkern
2: Band
3: Bandlage
4: Zylinder
5: Oberfläche
6: Haken
7: Hohlraum
8: haftreibungsreduzierendes Material
9: beschichtete Oberfläche
10: Zwischenschicht
11: Glührückstand

Claims

Magnetkern aus einem spiralförmig aufgewickelten, weichmagnetischen Band, dadurch gekennzeichnet, dass das weichmagnetische Band auf mindestens einer Seite eine Schicht aus dem Glührückstand eines haftreibungsreduzierenden Materials aufweist, so dass sich im Querschnitt des Magnetkerns Schichten aus weichmagnetischem Material und Glührückstand eines haftreibungsreduzierenden Materials abwechseln.
Magnetkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weichmagnetische Band nanokristallin ist.
Magnetkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weichmagnetische Band kristallin ist.
Magnetkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weichmagnetische Band amorph ist.
Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das weichmagnetische Band im Wesentlichen die Legierungszusammensetzung Fe_aCo_bCu_cSi_dB_eM_f aufweist, worin M zumindest eines der Elemente V, Nb, Ta, Ti, Mo, W, Zr und Hf ist, a, b, c, d, e und f in Atomprozent angegeben sind und 0 ≤ b ≤ 20; 0,5 ≤ c ≤ 2; 6,5 ≤ d ≤ 18; 5 ≤ e ≤ 14; 1 ≤ f ≤ 6; d + e > 16 und a + b + c + d + e + f = 100 gilt und Kobalt ganz oder teilweise durch Nickel ersetzt sein kann.
Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern nach einer Wärmebehandlung einen Füllfaktor von > 80% aufweist.
Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für den Füllfaktor η 70% ≤ η ≤ 80% gilt.
Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für den Füllfaktor η 65% ≤ η ≤ 70% gilt.
Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern eine effektive Rautiefe RT mit 1% ≤ RT 12% aufweist.
Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die effektive Rautiefe RT 1% ≤ RT ≤ 6% gilt.
Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die effektive Rautiefe RT 1% ≤ RT ≤ 4% gilt.
Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern eine Sättigungsmagnetostriktionskonstante λ_s von λ_s < 6 ppm aufweist.
Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern ein Verhältnis von Remanenzinduktion zu Sättigungsinduktion B_R/B_S von B_R/B_S > 40% aufweist.
Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern ein Verhältnis von Remanenzinduktion zu Sättigungsinduktion B_R/B_S von 1% ≤ B_R/B_S ≤ 30% aufweist.
Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern ein Verhältnis von Remanenzinduktion zu Sättigungsinduktion B_R/B_S von 30% ≤ B_R/B_S ≤ 80% aufweist.
Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern ein Verhältnis von Remanenzinduktion zu Sättigungsinduktion B_R/B_S von 80% ≤ B_R/B_S ≤ 97% aufweist.
Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass als haftreibungsreduzierendes Material eine Magnesium-Methoxid-Lösung vorgesehen ist.
Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass als haftreibungsreduzierendes Material nanodisperses SiO₂ vorgesehen ist.
Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass als haftreibungsreduzierendes Material nanodisperses SiO₂ mit Magnesium-Methylat vorgesehen ist.
Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass als haftreibungsreduzierendes Material Pigment-Ruß vorgesehen ist.
Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass als haftreibungsreduzierendes Material Kohlenstoff-Nanoröhren vorgesehen sind.
Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass als haftreibungsreduzierendes Material C₆₀-Fullerene vorgesehen sind.
Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass als haftreibungsreduzierendes Material Zirkoniumpropylat vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Magnetkerns, das die folgenden Schritte aufweist: – Bereitstellen eines amorphen, weichmagnetischen Bandes; – Beschichten des Bandes mit einem haftreibungsreduzierenden Material; – Wickeln des Bandes zu einem Magnetkern; – Unterziehen des Magnetkerns einer Wärmebehandlung.
Verfahren zur Herstellung eines Magnetkerns, das die folgenden Schritte aufweist: – Bereitstellen eines amorphen, weichmagnetischen Bandes; – Wickeln des Bandes zu einem Magnetkern; – Beschichten der den Magnetkern bildenden Bandschichten mit einem haftreibungsreduzierenden Material; – Unterziehen des Magnetkerns einer Wärmebehandlung.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung feldfrei in Abwesenheit eines Magnetfelds durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei einer Temperatur T mit 505°C ≤ T ≤ 600°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass als haftreibungsreduzierendes Material eine Magnesium-Methoxid-Lösung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 227, dadurch gekennzeichnet, dass als haftreibungsreduzierendes Material nanodisperses SiO₂ verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass als haftreibungsreduzierendes Material nanodisperses SiO₂ mit Magnesium-Methylat verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass als haftreibungsreduzierendes Material Pigment-Ruß verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass als haftreibungsreduzierendes Material Kohlenstoff-Nanoröhren verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass als haftreibungsreduzierendes Material C₆₀-Fullerene verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass als haftreibungsreduzierendes Material Zirkoniumpropylat verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass als haftreibungsreduzierendes Material Aluminiumbuthylat verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass als haftreibungsreduzierendes Material Bornitrid verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass für die Flächenbelegungsdichte ρ des haftreibungsreduzierenden Materials 10 mg/m² ≤ ρ ≤ 600 mg/m² gilt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass für die Flächenbelegungsdichte ρ des haftreibungsreduzierenden Materials 20 mg/m² ≤ ρ ≤ 300 mg/m² gilt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass für die Flächenbelegungsdichte ρ des haftreibungsreduzierenden Materials 50 mg/m² ≤ ρ ≤ 150 mg/m² gilt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass für die Schichtdicke d des haftreibungsreduzierenden Materials vor der Wärmebehandlung gilt d < 5 μm.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass für die Schichtdicke d des haftreibungsreduzierenden Materials vor der Wärmebehandlung gilt d < 1 μm.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass für die Schichtdicke d des haftreibungsreduzierenden Materials vor der Wärmebehandlung gilt d < 0,5 μm.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass für die Schichtdicke d des haftreibungsreduzierenden Materials vor der Wärmebehandlung gilt d < 0,2 μm.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des haftreibungsreduzierenden Materials durch Abscheidung aus der Gasphase oder aus einer Lösung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des haftreibungsreduzierenden Materials im Sol-Gel-Verfahren erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des haftreibungsreduzierenden Materials durch Festkörperablagerung aus einer Suspension erfolgt.
Fehlerstromschutzschalter mit einem Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 23.