DE102017211751A1

DE102017211751A1 - Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Elements

Info

Publication number: DE102017211751A1
Application number: DE102017211751.6A
Authority: DE
Inventors: Frank Grunwald
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2017-07-10
Filing date: 2017-07-10
Publication date: 2019-01-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines weichmagnetischen Elements, umfassend die Schritte Anlegen eines sättigenden ersten Magnetfeldes an das Element in einer ersten Richtung, so dass das Magnetisierungsverhalten des Elements entlang einer zweiten Richtung verändert wird, wobei die zweite Richtung zu der ersten Richtung senkrecht ist, Erste Wärmebehandlung des Elements, insbesondere gleichzeitig mit dem Anlegen des sättigenden ersten Magnetfeldes, wobei anschließend die Schritte Anlegen eines zweiten Magnetfeldes senkrecht zu der ersten Richtung, zweite Wärmebehandlung des Elements, insbesondere gleichzeitig mit dem Anlegen des zweiten Magnetfeldes zur Voralterung des Elements durchgeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines weichmagnetischen Elements, einen Messtransformator mit einem magnetischen Kern sowie deren Verwendung.
Es sind Positionssensoren bekannt, die dazu ausgebildet sind, mit Hilfe eines magnetischen Kerns eine Position bzw. einen Weg zu erfassen. Dazu wird beispielsweise nach dem Prinzip eines Differentialtransformators die Position eines Permanentmagneten erfasst, der abhängig von seiner Position eine lokale Sättigung des weichmagnetischen Kerns hervorruft. Eine Primärspule dient dazu in dem weichmagnetischen Kern einen magnetischen Wechselfluss zu erzeugen. An den Enden des Kerns werden jeweils kurze Spulen, die Sekundärspulen, gewickelt. Diese Spulen dienen dazu, die magnetischen Teilflüsse im Kern auszulesen, die durch die lokale Sättigung entstehen bzw. den Einfluss auf eine an der jeweiligen Sekundärspule abgreifbare Amplitude und / oder Phasenlage bzw. Differenzen der in den Sekundärspulen induzierten Spannungen zu messen, was letztendlich zur Positions- bzw. Wegerfassung genutzt wird.
Als Kerne werden häufig Streifen von Folien aus amorpher oder nanokristalliner Struktur verwendet. Diese Werkstoffe haben hervorragende magnetische Eigenschaften, wie hohe Permeabilität und niedrige Koerzitivfeldstärke. Durch spezielle Behandlung lässt sich bei amorphen Werkstoffen eine bestimmte Art von Hystereseschleife einstellen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die eingeprägte Hysteresekurve meist nur bis zu einer bestimmten Temperatur bzw. eine gewisse Zeit stabil ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren oder einen Messtransformator mit einem Kern aufweisend ein weichmagnetisches Element aufzuzeigen, mit dem es möglich ist, dass das weichmagnetischen Element stabile magnetische Eigenschaften hat und / oder kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Dem Verfahren liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass eine eingeprägte Hystereseschleife unter Einfluss eines äußeren Magnetfeldes nur bis zu bestimmten Temperaturen stabil ist. Die zeitliche Veränderung der eingeprägten Hystereseschleife ist dabei anfänglich sehr stark und wird dann schwächer. Hier setzt die Erfindung mit dem Vorschlag an, zumindest die anfänglich besonders starke Veränderung vorwegzunehmen und somit zu einem Produkt zu gelangen, das gegen äußere Einflüsse robust ist bzw. eine hohe oder erhöhte Stabilität gegenüber Einflüssen hat, die die eingeprägte Magnetisierungskurve beeinflussen können.
Unter einem Magnetisierungsverhalten eines Elements wird im Sinne der Erfindung vorzugsweise der Zusammenhang zwischen einer oder mehrerer auf das Element bezogener physikalischer Größen und der Stärke eines an das Element angelegten Magnetfeldes, insbesondere der Zusammenhang zwischen der magnetischen Flussdichte und der magnetischen Feldstärke verstanden. Vorzugsweise setzt das Vorhandensein eines bestimmten Magnetisierungsverhaltens eines Elements nicht zwingend voraus, dass an das Element ein Magnetfeld angelegt ist. Die auf das Element bezogenen physikalischen Größen können beispielsweise von der Ausrichtung und Anzahl von Elementarmagneten oder der Ausbildung, Ausrichtung oder Änderung magnetischer Domänen des Elements abhängen und beispielsweise die magnetische Flussdichte, magnetische Polarisation, Remanenz und / oder Koerzitivfeldstärke umfassen.
Das Magnetisierungsverhalten eines Elements kann bezüglich der räumlichen Ausdehnung des Elements richtungsabhängig sein. So kann beispielsweise der Zusammenhang zwischen magnetischer Flussdichte und magnetischer Feldstärke, bei entlang der Ordinate aufgetragener magnetischer Flussdichte und entlang der Abszisse aufgetragener magnetischer Feldstärke, einer steiler verlaufenden Magnetisierungskurve (z-Schleife) entlang einer Richtung und einer flacher verlaufenden Magnetisierungskurve (f-Schleife) entlang einer anderen, beispielsweise senkrechten Richtung folgen.
Das einem Element eingeprägte Magnetisierungsverhalten kann auch bezüglich der Feldrichtung eines äußeren Magnetfeldes richtungsabhängig sein.
Unter einer Magnetisierungskurve wird im Sinne der Erfindung vorzugsweise die Funktionskurve einer mathematischen Funktion verstanden, die das Magnetisierungsverhalten kennzeichnet und insbesondere den Verlauf bzw. den Zusammenhang zwischen der magnetischen Flussdichte oder der magnetischen Polarisation und der magnetischen Feldstärke in einem magnetisierbaren Körper bzw. Element beschreibt, wobei der Verlauf der Funktionskurve richtungsabhängig, insbesondere hystereseförmig sein kann.
Unter einer Wurzelfunktion wird im Sinne der Erfindung vorzugsweise eine Potenzfunktion t^n verstanden, wobei 0 < n < 1 gilt. Die Steigung einer Wurzelfunktion nimmt nur an genau einer Stelle den Wert 1 an.
Unter einem sättigenden Magnetfeld wird im Sinne der Erfindung vorzugsweise verstanden, dass das Magnetfeld zumindest annähernd für eine physikalisch maximal mögliche Magnetisierung sorgt, die auftritt, wenn fast alle atomaren Spins des zu magnetisierenden Elements nach dem Magnetfeld ausgerichtet sind.
Bei dem Element handelt es sich vorzugsweise um eine Folie.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das Element ein weichmagnetischer amorpher Festkörper und / oder weist wenigstens teilweise eine amorphe Atomstruktur auf. Unter einem amorphen Material wird vorzugsweise ein Stoff verstanden, bei dem die Atome keine geordneten Strukturen, sondern ein unregelmäßiges Muster bilden und lediglich über eine Nahordnung, nicht aber über eine Fernordnung verfügen.
Vorzugsweise folgt das Magnetisierungsverhalten des Elements einer Magnetisierungskurve, die insbesondere den Zusammenhang zwischen einer magnetischen Flussdichte des Elements und einer magnetischen Feldstärke abbildet.
Bevorzugt wird bei der zweiten Wärmebehandlung des Elements und dem Anlegen des zweiten Magnetfeldes eine solche Zeitspanne und Temperatur verwendet, dass das Magnetisierungsverhalten des Elements, insbesondere der Verlauf der Magnetisierungskurve entlang der zweiten Richtung in einer zum Anlegen eines ersten Magnetfeldes und zur ersten Wärmebehandlung entgegengesetzten Weise verändert wird.
Vorzugsweise umfasst die Änderung des Magnetisierungsverhaltens entlang der ersten und / oder zweiten Richtung eine Änderung der Steigung der Magnetisierungskurve, insbesondere eine Änderung der Permeabilität, wobei der zeitliche Verlauf dieser Änderung einer Wurzelfunktion folgt, wobei die Zeitspanne vor oder mit dem Zeitpunkt endet, an dem die Steigung der Wurzelfunktion dem Wert 1 entspricht.
Bevorzugt wird das Anlegen eines sättigenden ersten Magnetfeldes so ausgeführt, dass die sich einstellende Magnetisierungskurve im Wesentlichen linear verläuft und eine vernachlässigbar gering ausgeprägte Hysterese aufweist, und / oder das Remanenzverhältnis Br/Bs und / oder die Koerzitivfeldstärke verringert wird.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Element eine metallische Legierung, bevorzugt Cobalt- oder Eisen- oder Nickel-Basis-Legierung, besonders bevorzugt aufweisend Cobalt und / oder Eisen und /oder Nickel und / oder Silicium und / oder Molybdän und / oder Mangan und / oder Bor.
Bevorzugt wird die erste Wärmebehandlung bei Temperaturen von 350°C - 450°C, insbesondere bei 400°C und / oder einer Dauer von 45 - 75 Minuten, insbesondere 60 Minuten durchgeführt.
Vorzugsweise wird die zweite Wärmebehandlung bei Temperaturen von mehr als 75°C, insbesondere bei 100°C - 150°C durchgeführt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren gekennzeichnet durch die Schritte

- Bereitstellen einer Schmelze
- Abkühlen der Schmelze, insbesondere mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mehr als 500000 K/s.

Bevorzugt erfolgt das Abkühlen der Schmelze mittels Aufspritzen auf eine rotierende Kühlwalze.
Vorzugsweise weist der Messtransformator einen magnetischen Kern, eine entlang des magnetischen Kerns verlaufende wechselstromgespeiste Primärspule und wenigstens eine Sekundärspule auf, wobei die Primär- und die Sekundärspule induktiv miteinander gekoppelt sind und wobei der magnetische Kern ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Element umfasst.
Es ist bevorzugt, dass das Element band- oder folienartig geformt ist, wobei der magnetische Kern aus mehreren Schichten des band- oder folienartigen Elements ausgebildet ist.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird der Messtransformator vorzugsweise in einem Positionssensor verwendet, wobei der Positionssensor dazu ausgebildet ist, die Position eines Permanentmagneten zu erfassen, der abhängig von seiner Position eine lokale Sättigung des magnetischen Kerns hervorruft und so eine an der Sekundärspule abgreifbare Amplitude und / oder Phasenlage beeinflusst.
Bevorzugt wird der Positionssensor zur Erfassung der Position eines Pedals, insbesondere Bremspedals in einem Kraftfahrzeug verwendet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

1 eine Anlage zur Herstellung des weichmagnetischen Elements,
2 eine Darstellung der verschiedenen Arten von Hystereseschleifen.

Das weichmagnetische Element ist bei dem Ausführungsbeispiel band- oder folienartig geformt, nachfolgend als Folienband 2 bezeichnet, und findet beispielsweise in einem magnetischen Kern eines Messtransformators eines linearen induktiven Positionssensors Anwendung. Das Folienband 2 hat in der Regel eine Dicke von etwa 20 µm und wird aus einer Schmelze 1 durch rasches Erstarren bzw. Abkühlen hergestellt. Das Folienband 2 wird dabei über Rollen 3 geführt. Die Abkühlraten sind sehr hoch und können beispielsweise 10^6 K/s betragen. Direkt nach der Erstarrung weist die Struktur des Folienbandes eine amorphe Struktur auf. Zum Schneiden des Folienbands 2 ist eine Schneidvorrichtung 6 vorgesehen. Mit der Schneidvorrichtung 6 ist es möglich, das Folienband so zu schneiden, dass mehrere Lagen davon zu einem Kern gestapelt werden können. Die Schneidvorrichtung 6 kommt allerdings erst im Nachhinein zum Einsatz, wenn die nachfolgend beschriebenen Verfahrensschritte durchgeführt wurden.
Durch Anlegen eines sättigenden ersten Magnetfelds in Querrichtung verändern sich die magnetischen Eigenschaften des weichmagnetischen Elements bzw. Folienbands 2. Bei einer Temperatur von ca. 400°C und einer Behandlungsdauer in der Größenordnung einer Stunde ergibt sich in Längsrichtung eine Hystereseschleife nach Typ f, auch f-Schleife 4. In Querrichtung ergibt sich eine z-Schleife 5.
Die beiden hier unterschiedenen Typen von Hystereseschleifen eines Weichmagneten sind in 2 in einem Diagramm, auf dessen Achsen die Feldstärke H und die Flussdichte B aufgetragen sind, schematisch dargestellt. Die f-Schleife 4 besitzt einen Zentralbereich konstanter Steigung mit niedriger Remanenz. Charakteristisch ist das über weite Feldstärkebereiche hinweg nahezu konstante Permeabilitätsniveau, das durch den sättigungsbedingten Abfall der µ(H)-Kennlinie begrenzt wird. Bei der z-Schleife 5 verläuft der Anstieg dagegen nahezu sprunghaft bzw. äußerst steil.
Das weichmagnetische Element bzw. Folienband 2 wird nun einem zweiten Magnetfeld in Längsrichtung ausgesetzt, dessen Richtung demnach zu dem bei der Einprägung der Hystereseschleife angelegten ersten Magnetfeld senkrecht ist. Gleichzeitig wird es einer Temperatur von mehr als 75°C, beispielsweise 100°C - 150°C ausgesetzt. Bei dieser Temperatur treten Veränderungen auf. Es handelt sich dabei um Veränderungen der magnetischen Eigenschaften, die besonders in dem Bereich auftreten, der magnetisch gesättigt wurde. Die magnetische Permeabilität des Materials steigt lokal an. Damit entspricht die auftretende Veränderung der magnetischen Eigenschaften also einer Veränderung hin zu einer Hystereseschleife nach Typ z.
Mit dieser Maßnahme werden ungewünschte Veränderungen, in diesem Ausführungsbeispiel die Veränderung von einer f-Schleife zu einer z-Schleife, vorweggenommen. Die zeitliche Dauer beim Anlegen des zweiten Magnetfeldes bzw. der zweiten Wärmebehandlung wird dabei so gewählt, dass die Änderung, die einer Potenzfunktion tⁿ mit 0 < n << 1 folgt, aufhört, sobald die gewünschte Stabilität der magnetischen Eigenschaften erreicht ist. Die Veränderungen könnten sonst zu einem späteren Zeitpunkt während der Nutzungsdauer des Endprodukts, beispielsweise als Kern eines Messtransformators in einem Positionssensor, unkontrolliert auftreten. In Folge des erfindungsgemäßen Verfahrens ist damit auch ein Einsatz bei erhöhten Temperaturen möglich. Dies eröffnet Einsatzmöglichkeiten in Drosseln oder Transformatoren, die bei solchen Temperaturen eingesetzt werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines weichmagnetischen Elements, umfassend die Schritte - Anlegen eines sättigenden ersten Magnetfeldes an das Element in einer ersten Richtung, so dass das Magnetisierungsverhalten des Elements entlang einer zweiten Richtung verändert wird, wobei die zweite Richtung zu der ersten Richtung senkrecht ist, - Erste Wärmebehandlung des Elements, insbesondere gleichzeitig mit dem Anlegen des sättigenden ersten Magnetfeldes, gekennzeichnet durch die anschließenden Schritte, insbesondere zur Voralterung des Elements, - Anlegen eines zweiten Magnetfeldes senkrecht zu der ersten Richtung - Zweite Wärmebehandlung des Elements, insbesondere gleichzeitig mit dem Anlegen des zweiten Magnetfeldes.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element ein weichmagnetischer amorpher Festkörper ist und / oder wenigstens teilweise eine amorphe Atomstruktur aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetisierungsverhalten des Elements einer, insbesondere definierten, Magnetisierungskurve folgt, die insbesondere den Zusammenhang zwischen einer magnetischen Flussdichte des Elements und einer magnetischen Feldstärke abbildet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der zweiten Wärmebehandlung des Elements und dem Anlegen des zweiten Magnetfeldes eine solche Zeitspanne und Temperatur verwendet wird, dass das Magnetisierungsverhalten des Elements, insbesondere der Verlauf der Magnetisierungskurve entlang der zweiten Richtung in einer zum Anlegen eines ersten Magnetfeldes und zur ersten Wärmebehandlung entgegengesetzten Weise verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Magnetisierungsverhaltens entlang der ersten und / oder zweiten Richtung eine Änderung der Steigung der Magnetisierungskurve, insbesondere Änderung der Permeabilität umfasst, wobei der zeitliche Verlauf dieser Änderung einer Wurzelfunktion folgt, wobei die Zeitspanne vor oder mit dem Zeitpunkt endet, an dem die Steigung der Wurzelfunktion dem Wert 1 entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlegen eines sättigenden ersten Magnetfeldes so ausgeführt wird, dass die sich einstellende Magnetisierungskurve im Wesentlichen linear verläuft und eine vernachlässigbar gering ausgeprägte Hysterese aufweist, und / oder das Remanenzverhältnis Br/Bs und / oder die Koerzitivfeldstärke verringert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element eine metallische Legierung, insbesondere Cobalt- oder Eisen- oder Nickel-Basis-Legierung umfasst, insbesondere aufweisend Cobalt und / oder Eisen und /oder Nickel und / oder Silicium und / oder Molybdän und / oder Mangan und / oder Bor.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmebehandlung bei Temperaturen von 350°C - 450°C, insbesondere bei 400°C und / oder einer Dauer von 45 - 75 Minuten, insbesondere 60 Minuten durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmebehandlung bei Temperaturen von mehr als 75°C, insbesondere bei 100°C - 150°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte - Bereitstellen einer Schmelze - Abkühlen der Schmelze, insbesondere mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mehr als 500000 K/s.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen der Schmelze mittels Aufspritzen auf eine rotierende Kühlwalze erfolgt.
Messtransformator aufweisend einen magnetischen Kern, eine entlang des magnetischen Kerns verlaufende wechselstromgespeiste Primärspule und wenigstens eine Sekundärspule, wobei die Primär- und die Sekundärspule induktiv miteinander gekoppelt sind und wobei der magnetische Kern ein nach einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestelltes Element umfasst.
Messtransformator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Element band- oder folienartig geformt ist, wobei der magnetische Kern aus mehreren Schichten des band- oder folienartigen Elements ausgebildet ist.
Verwendung eines Messtransformators nach einem der Ansprüche 12 bis 13 in einem Positionssensor, wobei der Positionssensor dazu ausgebildet ist, die Position eines Permanentmagneten zu erfassen, der abhängig von seiner Position eine lokale Sättigung des magnetischen Kerns hervorruft und so eine an der Sekundärspule abgreifbare Amplitude und / oder Phasenlage beeinflusst.
Verwendung eines Positionssensors nach Anspruch 14 zur Erfassung der Position eines Pedals, insbesondere Bremspedals in einem Kraftfahrzeug.