-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines hochpermeablen Magnetkernes aus einer weichmagnetischen Legierung, bei der mindestens 50 % des Materialvolumens von feinkristallinen Teilchen mit einer Teilchengröße von 100 Nanometern oder weniger eingenommen werden, sowie einen durch ein solches Verfahren hergestellten Magnetkern.
-
HINTERGRUND
-
Die Herstellung nanokristalliner Ringbandkerne, also von weichmagnetischen Ringbandkernen, bei denen mindestens 50 % des Materialvolumens von feinkristallinen Teilchen mit einer Teilchengröße von 100 Nanometern oder weniger eingenommen werden, ist in der Regel schwierig und aufwändig, da beispielsweise das Magnetmaterial nach der Wärmebehandlung nahezu magnetostriktionsfrei sein muss und zusätzlich während der Wärmebehandlung praktisch keine mechanischen Spannungen auf das Magnetmaterial einwirken dürfen. Es ist daher ein weniger empfindliches und einfacher durchzuführendes Herstellungsverfahren für Magnetkerne und ein somit einfacher herzustellender Magnetkern wünschenswert.
-
ÜBERSICHT
-
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Magnetkerns vorgestellt, das die Schritte umfasst: Wickeln eines amorphen Bandes aus einer weichmagnetischen nanokristallisierbaren Legierung mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf einen Wickelkörper aus einem Material mit einem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wobei der zweite thermische Ausdehnungskoeffizient größer ist als der erste thermische Ausdehnungskoeffizient. Erste Wärmebehandlung des gewickelten Bandes mit Wickelkörper, wobei die erste Wärmebehandlung derart ausgebildet ist, dass Zugspannungen in dem Band erzeugt werden, die Legierung aber einen röntgenamorphen Zustand beibehält. Nach Abkühlen des gewickelten Bandes mit Wickelkörper Entnahme des Wickelkörpers aus dem gewickelten Band. Zweite Wärmebehandlung des Bandwickels ohne Wickelkörper, wobei die zweite Wärmebehandlung derart ausgebildet ist, dass die amorphe Legierungsstruktur in eine nanokristalline Legierungsstruktur überführt wird, bei der mindestens 50% der Legierungsstruktur von feinkristallinen Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 100 Nanometer oder weniger eingenommen werden.
-
Es wird ferner ein Magnetkern vorgestellt, der nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt wurde.
-
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
-
1 zeigt ein amorphes Band aus weichmagnetischer, nanokristallisierbarer Legierung zur Herstellung eines Ringbandkerns und einen Wickelkörper, auf den das Band aufgewickelt werden soll.
-
2 zeigt das Band beim Wickeln um den Wickelkörper unter Zugspannung.
-
3 zeigt eine erste Wärmebehandlung, welcher der Bandwickel samt Wickelkörper unterzogen wird.
-
4 zeigt Bandwickel und Wickelkörper nach dem Abkühlen am Ende der ersten Wärmebehandlung unter Ausbildung eines Abstands des Bandwickels zum Wickelkörper.
-
5 zeigt Bandwickel und Wickelkörper nach erfolgter Entnahme des Wickelkörpers im Anschluss an das Abkühlen.
-
6 zeigt den Bandwickel ohne Wickelkörper während der zweiten Wärmebehandlung.
-
DETAILIERTE BESCHREIBUNG
-
Das nachfolgend beschriebene Verfahren dient zur Herstellung von toroidförmigen, rechteckigen, quadratischen, elliptischen oder sonstigen, durch Wickeln eines Bandes auf einen Wickel- oder Stützkörper entsprechender Form herstellbarer Geometrien und erlaubt die Herstellung von Bandkerne (aus Band gewickelter Magnetkern) mit einer sehr gut definierten geometrischen Kontur in Bezug auf den eingesetzten Wickelkörper und mit sehr hohen Füllfaktoren. Unter dem Begriff Füllfaktor wird hierbei das Verhältnis des Volumens an Magnetmaterial zum Hüllvolumen des, den Magnetkern bildenden geometrischen Körpers verstanden. Im Detail beschrieben sind diese Zusammenhänge in dem Buch
"Magnetic Materials" von R. Hilzinger und W. Rodewald, ISBN 978-3-89578-352-4, auf Seite 111.
-
Übliche Legierungen zur Herstellung derartiger Ringbandkerne sind beispielsweise in der Veröffentlichung von
G. Herzer, "Nanocrystalline Soft Magnetic Alloys", Handbook of Magnetic Materials Vol. 10 Elsevier Verlag, 1997, Seiten 415 bis 461, beschrieben. Demnach ist es mit der beschriebenen nanokristallinen Legierungsfamilie bei geeigneter Wahl der Legierungszusammensetzung und Wärmebehandlung zur Einstellung des nanokristallinen Gefüges möglich, Magnetkerne mit sehr linearer Hystereseschleife (auch als F- Schleife bekannt) und Permeabilitäten von weit über 10.000, alternativ Magnetkerne mit einer runden Hystereseschleife und Permeabilitäten von weit über 100.000 oder Magnetkerne mit einer Rechteckförmigen Hystereseschleife und Permeabilitäten von größer 500.000 herzustellen. Als Voraussetzung dafür wird angesehen, dass das Magnetmaterial nach der Wärmebehandlung nahezu magnetostriktionsfrei ist und zusätzlich während der Wärmebehandlung praktisch keine mechanischen Spannungen auf das Magnetmaterial einwirken, da diese zur Ausbildung einer spannungsinduzierten Anisotropie im Material führen würden, welche zwangsläufig vergleichsweise niederpermeable, teilweise auch nichtlineare Hystereseschleifen nach sich ziehen würde. Dabei soll es unerheblich sein, ob diese mechanischen Spannungen während der Wärmebehandlung noch im amorphen Ausgangszustand, während der Nanokristallisation oder erst in auskristallisierten Zustand aufgebracht werden.
-
Würden diese weichmagnetischen Legierungen während der Wärmebehandlung zur Nanokristallisation gezielt mechanischen Spannungen ausgesetzt, ergäben sich, abhängig von der Größe der Zugspannung niedrige bis sehr niedrige Permeabilitäten dieser Magnetkerne. Im Detail wird dies in dem Artikel „Magnetic properties of nanocrystalline FeCuNbSiB with huge creep unduced anisotropy" von G. Herzer et al., veröffentlicht zum 2nd Int. Symp. on Advanced Magnetic Materials and Applications 2010 beschrieben. Aufgrund dessen wird üblicherweise bei der Fertigung von hochpermeablen Magnetkernen aus diesen Legierungen sichergestellt, dass das Magnetmaterial während der Wärmebehandlung keinerlei mechanischen Kräften ausgesetzt wird. Um dies sicherzustellen, werden beispielsweise die Magnetkerne zur Wärmebehandlung entweder einzeln auf geeigneten Unterlagen ausgelegt oder aber in Form von sogenannten Kernstapeln auf Stützstäbe gestapelt, wobei der Durchmesser der Stützkonstruktion jedoch grundsätzlich signifikant kleiner ist als der Innendurchmesser des darauf geglühten Magnetkernes ist. Zusätzlich ist dabei zu berücksichtigen, dass im Zuge der Nanokristallisation dieser Legierungen eine Erhöhung der Materialdichte um ca. 3,5 % eintritt, welche natürlich einen entsprechenden Volumenschrumpf des Magnetkernes und damit auch des Innendurchmessers nach sich zieht. In der Praxis ist es deshalb beispielsweise üblich, solche Stützstrukturen bezogen auf einen torusförmigen Magnetkern mit einem Durchmesser zwischen 50 und 80 % des Innendurchmessers des Magnetkernes zu wählen.
-
Das wiederum hat zur Folge, dass aus rascherstarrtem Band gewickelte Magnetkerne nach dem Wickeln freitragend ohne weitere innere Abstützungen eigenstabil, das heißt zum Beispiel im Falle eines Ringbandkernes die Torusform stabil haltend, hergestellt werden müssten. Bedingt durch die bei diesen Materialien intrinsischen Geometriefehler des Bandmaterials stellt dies insbesondere zum Beispiel bei Ringbandkernen größeren Durchmessers (wie etwa über 100 mm) und damit verringerter Eigenstabilität der Toroidform extremste Anforderungen an die zum Einsatz kommende Wickeltechnik dar, da bereits kleinste Spannungen im Bereich der äußeren Bandlagen dazu führen würden, dass die Torusform kollabiert und sich der Bandkern nach innen einbeult. Ursache für diese Spannungen ist das sich mit zunehmendem Wickeldurchmesser bei konstant bleibendem Bandzug aufbauende größere Moment, welches wiederum eine Normalkraft in Richtung des Mittelpunktes des Bandwickels verursacht. Um diesen Effekt zu minimieren, ist es gebräuchlich, den Bandzug beim Wickeln eines Kernes dem zunehmenden Durchmesser anzupassen, also abzusenken.
-
Da aber weder Bandzugregelungen üblicherweise hinreichend genau einstellbar sind, noch die durch Geometriefehler der Bänder unvorhersehbaren Spannungsmuster in dem gewickelten Kern kompensiert werden können, müssen Kerne größeren Innendurchmessers (wie etwa über 100 mm) mit vergleichsweise sehr niedrigen Bandzügen von beispielsweise kleiner oder gleich1N/10mm Bandbreite gewickelt werden. Folge dieses niedrigen Bandzugs beim Wickeln ist ein sehr locker aufgewickelter Bandkern mit Füllfaktoren, die signifikant unter denen liegen von mit dem gleichen Band und deutlich höheren Bandzügen gewickelten, beispielsweise kleineren, in erhöhtem Maße eigenstabilen Bandkernen (beispielsweise mit Innendurchmessern kleiner 20mm). Der Verlust an Packungsdichte (Füllfaktor) beträgt dabei in der Regel in etwa 5%, in Einzelfällen bis zu 10 %. Dies ist beispielsweise in den Fällen nachteilig, in denen zur Erfüllung der gewünschten magnetischen Funktion nur begrenzter Bauraum zur Verfügung steht, da der locker gewickelte Kern bei gleicher Masse natürlich deutlich mehr Volumen hat als ein entsprechend straff gewickeltes Exemplar.
-
Bei der Herstellung nicht-runder Kernformen ist es praktisch unmöglich, spannungsfreie eigenstabile Bandkerne mit engen mechanischen Toleranzen herzustellen, da nach dem Entfernen des zum Wickeln verwendeten Wickelkörpers sich die Form des Wickels in unvorhersehbarer Weise verändert und in der Regel nichts mehr mit der ursprünglich gewünschten Geometrie gemein hat. Derzeit üblich bei der Herstellung nicht runder Kernformen ist aus diesem Grund entweder eine Wärmebehandlung in Torusform mit anschließender Formgebung wie etwa als Rechteck und Stabilisierung desselben durch eine klebende Imprägnierung. Alternativ kann der vorgesehene Wickelkörper zunächst mit einem Material aufgefüttert werden, das während der Wärmebehandlung schnell thermisch zersetzt wird und somit den darauf gewickelten Bandkern weitestgehend spannungsfrei stellt. Üblich sind dafür Wickelauflagen aus speziellen Papiersorten, auf welche dann im Weiteren das weichmagnetische Band gewickelt wird.
-
Beiden Verfahrensvarianten ist gemeinsam, dass zwar auch nicht-runde Kernformen während der Wärmebehandlung weitestgehend verspannungsfrei gehalten werden können, die Konturtreue der so hergestellten Kerne lässt jedoch erheblich zu wünschen übrig. Konturabweichungen kleiner 2mm in Bezug zum verwendeten Wickelkörper sind praktisch nicht zu realisieren. Denn auch hier können rund gewickelte Kerne kollabieren, die erst nachträglich in eine nicht-runde Form gebracht werden sollen, bei zu hohem Bandzug nach Entfernen des Wickelkörpers. Dabei können nicht-rund gewickelte Kernformen nach Abbrennen der innersten Papiereinlagen während der Wärmebehandlung kollabieren in der Form, dass sich unkontrolliert Faltungen in einzelnen Bandlagenpaketen einstellen, welche durch die nachfolgende Wärmebehandlung dann in diesem Zustand fixiert und eingetempert werden.
-
Es ist dennoch wünschenswert, Bandkerne mit hohen Füllfaktoren und den dafür erforderlichen hohen Bandzügen herzustellen und zugleich die geometrische Form des Bandkernes nach Belieben und mit engsten mechanischen Toleranzen einstellen zu können bei gleichzeitig sehr hohen Permeabilitäten oder sehr linearen Magnetisierungskennlinien oder beidem.
-
Entgegen den in dem weiter oben zitierten Artikel von G. Herzer und auch entgegen der Lehre des Artikels von
R. Hilzinger, "Stress Induced Magnetic Anisotropy In A Nonmagnetostrictive Amorphous Alloy", publiziert während der 4. Int. Conf. On Rapidly Quenched Metals, Sendai, 1981, wurde gefunden, dass es mit den von G. Herzer beschriebenen, nanokristallisierbaren Legierungszusammensetzungen sehr wohl möglich ist, eine Wärmebehandlung unter Zugspannung des magnetischen Bandes zur Formgebung desselben durchzuführen ohne gleichzeitig darauf verzichten zu müssen, hohe und höchste Permeabilitäten zu erhalten, welche sich nach den genannten Artikeln bei einer Wärmebehandlung unter Zugspannung zwangsläufig nicht erreichen lassen.
-
Entgegen der vorherrschenden Meinung wurde heraus gefunden, dass eine erste Wärmebehandlung beispielsweise bei Temperaturen zwischen 300°C und 460°C für eine Zeitdauer zwischen 0,1 und 12 Stunden mit Zugspannungen größer 25MPa geeignet ist, um an Bandkernen aus dieser Legierungsfamilie eine Wärmebehandlung durchzuführen, welche jedwede durch Wickeln auf einen entsprechenden Stützkörper herstellbare Kerngeometrie stabilisiert. Das auf den Wickelkörper aufgewickelte Band wird durch diese Wärmebehandlung leicht plastisch verformt und passt sich formtreu der Kontur des Wickelkörpers an. Im Anschluss an die erste Wärmebehandlung wird nach dem Abkühlen der Wickelkörper entfernt und in einer zweiten Wärmebehandlung das gewünschte nanokristalline Gefüge eingestellt und, unter Umständen durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes, die gewünschte Form der Hystereseschleife sowie deren Permeabilität eingestellt.
-
Zum Beispiel kann die Herstellung gewünschter Magnetkerne durch Wickeln eines rascherstarrten amorphen Legierungsbandes einer nanokristallisierbaren Zusammensetzung auf einen metallischen Wickelkörper ausreichender mechanischer Stabilität erfolgen, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient um etwa 2ppm bis 80ppm, beispielsweise 3ppm–50ppm oder 3ppm–12ppm, größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient der zu verarbeitenden weichmagnetischen Legierung. Der Wickelzug des weichmagnetischen Bandes kann dabei beliebig bis zur Bruchgrenze des Bandes gesteigert werden, da der im Bandkern verbleibende Wickelkörper eine Formänderung des Bandwickels unmöglich macht.
-
Dem Wickelprozess folgt eine erste Wärmebehandlung unter reduzierendem oder neutralem Schutzgas bei einer Temperatur, die hoch genug ist, um durch die unterschiedliche thermische Dehnung der Materialien eine Zugspannung auf den Bandwickel zu erzeugen, welche beispielsweise 25 MPa erreicht oder übersteigt. Durch diese Zugspannung in Verbindung mit der erhöhten Temperatur bei der ersten Wärmebehandlung kommt es zu einem plastischen Fließen des Magnetmaterials, wodurch sich der Bandkern in idealer Weise der Kontur des Wickelkörpers anpasst. Damit verbunden ist ein praktisch vollständiger Abbau der in die Bänder eingebrachten Zugspannung. Nach Ablauf der vorgesehenen Zeitspanne zur Wärmebehandlung wird wieder auf Raumtemperatur abgekühlt. Dabei schrumpft der metallische Stützkörper aufgrund seines höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten stärker als der darauf gewickelte Bandkern und es entsteht ein kleiner Spalt zwischen Wickelkörper und Magnetkern, der es erlaubt, diesen nun problemlos aus dem Magnetkern zu entfernen.
-
Da alle, durch den Bandzug beim Wickeln oder durch intrinsische Geometriefehler des Bandes induzierten Spannungen im Kernwickel durch plastisches Fließen des Bandes durch die beschriebene Wärmebehandlung relaxieren können, ist der Magnetkern nun ohne weiteres formstabil und ohne Restspannungen. Wesentlich ist, dass das Magnetmaterial nach dieser ersten Wärmebehandlung nach wie vor im röntgenamorphen Zustand vorliegt und auf keinen Fall bereits die Bildung des nanokristallinen Gefüges eingesetzt hat. Sowohl die zeitliche Dauer als auch die mögliche Maximaltemperatur dieser ersten Wärmebehandlung muss also entsprechend den durch die Zusammensetzung der jeweiligen Legierung bestimmten Gegebenheiten entsprechend angepasst werden.
-
Nach Entfernen des Wickelkörpers kann anschließend eine zweite Wärmebehandlung mit beispielsweise Maximaltemperaturen zwischen 520°C und 600°C für eine Zeitspanne zwischen 0,5 und 8 Stunden beispielsweise unter hochreinem Wasserstoff als Schutzgas erfolgen. Mit der zweiten Wärmebehandlung wird die gewünschte nanokristalline Phase mit einem Volumenanteil größer 50% eingestellt. Während der zweiten Wärmebehandlung ist der Magnetkern bei der Ausbildung des nanokristallinen Gefüges frei von mechanischen Spannungen, so dass die Ausbildung einer spannungsinduzierten Vorzugsrichtung in den sich bildenden FeSi-Kristalliten ausgeschlossen ist. Die zuvor in der ersten Wärmebehandlung spannungs-induzierte Anisotropie wird während der mit einer umfassenden Gefügeänderung verbundenen Nanokristallisation komplett abgebaut und ist nach Abschluss der zweiten Wärmebehandlung zur Nanokristallisation nicht mehr nachweisbar. Wahlweise kann die zweite Wärmebehandlung unter Zuhilfenahme eines äußeren Magnetfeldes zur gezielten Einstellung einer uniaxialen Anisotropie und somit zur gezielten Einstellung einer bestimmten Form der Hystereseschleife bzw. deren Permeabilität erfolgen.
-
1. Ausführungsbeispiel:
-
Ein Band aus einer nanokristallisierbaren Magnetlegierung der Nennzusammensetzung FeCo0,5Cu0,98Nb2,28Si15,7B7,1 (in Atomprozent) und einer Bandbreite von 25 mm wird zunächst in einem Durchlaufverfahren oberflächlich mit einer Magnesiumhydroxid – Beschichtung einer Dicke kleiner 1µm versehen. Anschließend wird dieses Band auf einen Rohrabschnitt mit einem Außendurchmesser von 150mm, einer Breite von ebenfalls 25mm und einer Materialdicke von 6 mm zu einem Magnetkern der Abmessungen 190mm × 150mm × 25mm gewickelt. Als Material für den Rohrabschnitt wird ein unlegierter Baustahl Werkstoffnummer 1.0122 verwendet. Dieser Stahl hat im Temperaturbereich bis ca. 400°C eine thermische Dehnung von 12,5ppm–13ppm, das Legierungsband der obigen Zusammensetzung einen Koeffizienten der thermischen Dehnung vom 8ppm. Während des Wickelns des Bandkernes wird ein Gesamtwickelzug vom 7N, also 2,8N/10 mm Bandbreite eingestellt. Mit diesen Wickelbedingungen wird bei diesem Bandmaterial ein Füllfaktor von 83,7% erreicht.
-
Nach Fertigstellung des Bandkernes wird dieser für 2 Stunden bei einer Temperatur von 400°C unter Wasserstoff zum ersten Mal wärmebehandelt. Dabei ergeben sich durch die Unterschiede in der thermischen Dehnung bei dieser Temperatur Zugspannungen in der Größenordnung von ca. 150MPa–250MPa. Nach der ersten Wärmebehandlung und Abkühlung auf Raumtemperatur hat sich zwischen Wickelkörper und Bandkern ein umlaufender Luftspalt von ca. 0,1mm gebildet, durch welchen es problemlos möglich ist den Wickelkörper aus dem Bandkern zu entnehmen. Im Anschluss daran erfolgt eine zweite Wärmebehandlung mit einem Temperaturplateau von 565°C für eine Stunde unter reinem Wasserstoff. Der so hergestellten Magnetkern hat eine runde Hystereseschleife und bei 50 Hz eine Maximalpermeabilität von 575000.
-
2. Ausführungsbeispiel:
-
Wie beim ersten Ausführungsbeispiel wurde aus demselben Bandmaterial mit denselben Parametern ein Bandkern gewickelt, welcher über einen Füllfaktor von 83,2% verfügte. Der Bandkern wurde zunächst in derselben Weise in einer zweistufigen Wärmebehandlung geglüht, wobei diesmal im Anschluss an das Temperaturplateau bei 565°C ein weiteres Temperaturplateau bei 390°C mit einer vier stündigen Haltezeit eingefügt wurde. Während dieser Zeit wurde durch eine außen um den Ofen liegende Feldspule ein (zum Erdmagnetfeld zusätzliches) Magnetfeld senkrecht zur Wickelrichtung des Magnetkernes erzeugt. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur hatte dieser Magnetkern eine flache Hysteresekennlinie und bei 50 Hz eine Permeabilität von 68000.
-
3. Ausführungsbeispiel (Vergleichsbeispiel):
-
Wie beim ersten Ausführungsbeispiel wurde aus demselben Bandmaterial mit denselben Parametern ein Bandkern gewickelt, welcher über einen Füllfaktor von 83,5 % verfügte. Der so hergestellte Magnetkern wurde direkt der Wärmebehandlung zur Nanokristallisation bei 565 °C ohne die vorhergehende Wärmebehandlung bei 400 °C unterzogen. Der Wickelkörper verblieb dabei für diese Wärmebehandlung im Magnetkern. Nach der Wärmebehandlung war der Magnetkern auf den Wickelkörper aufgeschrumpft und der Wickelkörper konnte nur durch mechanisches Trennen zerstörend aus dem Magnetkern entfernt werden. Eine anschließende Messung der magnetischen Eigenschaften ergab bei 50 Hz eine Maximalpermeabilität von 3500, die Hystereseschleife war stark nichtlinear.
-
4. Ausführungsbeispiel (Vergleichsbeispiel):
-
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wurde mit demselben Bandmaterial und denselben Wickelparametern wie im ersten Ausführungsbeispiel ein weiterer Bandkern hergestellt, der einen Füllfaktor von 82,7 % erreichte. Nach dem Wickeln wurde der Wickelkörper aus dem Kern ausgepresst. Unmittelbar nach Entfernen des Wickelkörpers bildete sich am inneren Kernumfang eine starke Ausbeulung und es war unmöglich wieder eine kreisrunde Form herzustellen.
-
5. Ausführungsbeispiel (Vergleichsbeispiel):
-
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wurde mit demselben Bandmaterial wie beim ersten Ausführungsbeispiel ein Ringkern gewickelt, dazu jedoch der Bandzug auf 2N begrenzt. Nach dem Wickeln erreichte der Kern einen Füllfaktor von 76,1 %. Der Wickelkörper konnte aus dem Bandkern entfernt werden, ohne dass sich an der geometrischen Form des Bandkernes Änderungen ergeben hätten. Der so hergestellte Magnetkern wurde direkt der (zweiten) Wärmebehandlung zur Nanokristallisation bei 565°C ohne vorhergehende (erste) Wärmebehandlung bei 400°C unterzogen. Im Anschluss wurde an diesem Magnetkern bei 50 Hz eine Maximalpermeabilität von 545000 gemessen.
-
6. Ausführungsbeispiel
-
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wurde mit dem auch beim ersten Ausführungsbeispiel verwendete Bandmaterial ein Rechteckkern in der Gestalt gewickelt, dass das Band auf einen Quader 100mm × 60mm × 25mm mit Kantenradien von 2mm gewickelt wurde. Der Wickelzug des Bandes betrug 8N und der Füllfaktor des Magnetkernes der Abmessungen 150mm × 110mm × 25mm betrug 82,6%. Dem Wickeln folgte die beschriebene zweistufige Wärmebehandlung bei 400°C respektive 565°C. Nach der Wärmebehandlung wurde an diesem Magnetkern eine 50Hz-Permeabilität von 495.000 gemessen. Die mechanischen Abmessungen des Wickelkörpers wurden durch den Magnetkern sehr gut abgebildet, wobei die durchschnittlichen maßlichen Abweichungen des Magnetkernes in Bezug auf den zur Herstellung verwendeten Wickelkörper kleiner 0,8mm waren.
-
Ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung eines Magnetkerns ist auch in den 1 bis 6 gezeigt. Wie in 1 gezeigt wird zunächst ein amorphes Band 1 und ein Wickelkörper 2 bereit gestellt. Das amorphe Band 1 kann beispielsweise aus einer Legierungsschmelze einer Eisenbasislegierung mittels Rascherstarrungstechnologie hergestellt werden. Der Wickelkörper 2 ist beispielsweise im Vollen aus Metall hergestellt und hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizient, der höher ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Bandes 1. Es folgt dann, wie in 2 gezeigt, das Wickeln eines amorphen Bandes 1 auf den Wickelkörper 2 beispielsweise unter Anwendung Zugkraft F mittels ein Spannvorrichtung 3. Nach erfolgter Bewicklung wird das gewickelte Band 1 (Bandwickel) samt Wickelkörper 2 einer ersten Wärmebehandlung unterzogen (siehe 3), welche derart ausgebildet ist, dass Zugspannungen in dem Band 1erzeugt werden, die Band-Legierung aber einen röntgenamorphen Zustand beibehält. Das Temperaturprofil kann dabei beispielsweise derart ausgebildet sein, dass durch Zuführen bzw. Abführen von Wärme W die Temperatur T über der Zeit t zunächst bis zu einem Plateau erhöht wird (Aufheizphase 4), auf diesem für eine gewisse Zeit verbleibt (Plateauphase 5) und dann wieder abnimmt (Abkühlphase 6), wobei in gleicher Weise auch mehrere Aufheiz-, Plateau- und Abkühlphasen mit unterschiedlichen Temperatur und Zeiten nacheinander während der ersten Wärmebehandlung möglich sind. Aufgrund des größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten gegenüber dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Bandes 1 sitzt dieses während der ersten Wärmebehandlung fest auf dem Wickelkörper auf und es werden Zugspannungen in das gewickelte Band 1 eingebracht.
-
Beim Abkühlen des gewickelten Bandes 1 samt Wickelkörper 2 ergibt sich aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten nun ein gegenläufiges Verhalten und es bildet sich ein Abstand 7 zwischen Band 1 und Wickelkörper 2 aus (siehe 4), so dass nach dem Abkühlen der Wickelkörper 1 aus dem gewickelten Band 1 ohne Weiteres entnommen werden kann (siehe 5). Wie aus 6 zu ersehen ist folgt dann eine zweite Wärmebehandlung des gewickelten Bandes 1 ohne Wickelkörper 2, wobei die zweite Wärmebehandlung derart ausgebildet ist, dass die amorphe Legierungsstruktur in eine nanokristalline Legierungsstruktur überführt wird, bei der mindestens 50% der Legierungsstruktur von feinkristallinen Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 100 Nanometer oder weniger eingenommen werden. Das Ergebnis ist dann ein Magnetkern mit hohem Füllfaktor. Das Temperaturprofil kann dabei beispielsweise wiederum derart ausgebildet sein, dass durch Zuführen bzw. Abführen von Wärme W die Temperatur T über der Zeit t zunächst bis zu einem Plateau erhöht wird (Aufheizphase 8), auf diesem für eine gewisse Zeit verbleibt (Plateauphase 9) und dann wieder abnimmt (Abkühlphase 10), wobei auch hier in gleicher Weise mehrere Aufheiz-, Plateau- und Abkühlphasen mit unterschiedlichen Temperatur und Zeiten nacheinander während der zweiten Wärmebehandlung möglich sind.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- "Magnetic Materials" von R. Hilzinger und W. Rodewald, ISBN 978-3-89578-352-4, auf Seite 111 [0011]
- G. Herzer, "Nanocrystalline Soft Magnetic Alloys", Handbook of Magnetic Materials Vol. 10 Elsevier Verlag, 1997, Seiten 415 bis 461 [0012]
- „Magnetic properties of nanocrystalline FeCuNbSiB with huge creep unduced anisotropy“ von G. Herzer et al., veröffentlicht zum 2nd Int. Symp. on Advanced Magnetic Materials and Applications 2010 [0013]
- R. Hilzinger, "Stress Induced Magnetic Anisotropy In A Nonmagnetostrictive Amorphous Alloy", publiziert während der 4. Int. Conf. On Rapidly Quenched Metals, Sendai, 1981 [0019]
