DE102019132543A1

DE102019132543A1 - MAGNETIC CORE MADE OF NANOCRYSTALLINE LAMINATE FOR AN INDUCTIVE COMPONENT

Info

Publication number: DE102019132543A1
Application number: DE102019132543.9A
Authority: DE
Inventors: Harald Hundt; Markus Wehring
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2021-06-02

Abstract

Es wird ein Magnetkern für ein induktives Bauelement beschrieben Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Magnetkern aus einem Laminat gebildet, das eine elektrisch isolierende Folie und eine mit der elektrisch isolierenden Folie verbundene weichmagnetische Folie aus einer nanokristallinen Legierung auf Eisenbasis aufweist. Die weichmagnetische Folie weist eine Vielzahl von separaten Bruchstücken auf. Das induktive Bauelement wird durch Anordnen von mindestens einer Wicklung mit mindestens einer Windung um den Magnetkern gebildet.A magnetic core for an inductive component is described. According to one exemplary embodiment, the magnetic core is formed from a laminate which has an electrically insulating film and a soft magnetic film made of a nanocrystalline iron-based alloy and connected to the electrically insulating film. The soft magnetic film has a large number of separate fragments. The inductive component is formed by arranging at least one winding with at least one turn around the magnetic core.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Beschreibung betrifft das Gebiet induktiven Bauelemente und insbesondere ein neuartiges induktives Bauelement mit einem Magnetkern aus nanokristallinem Laminat.The present description relates to the field of inductive components and in particular to a novel inductive component with a magnetic core made of nanocrystalline laminate.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Induktive Bauelemente wie beispielsweise Transformatoren, Drosseln und ähnliches mit Ringkernen sind weit verbreitet und werden in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet. Als Werkstoffe für Ringkerne können ferromagnetische Metalllegierungen, meist in Form von Blech/Folie (z.B. Ringbandkerne) oder gebundenem Pulver (Pulverkerne) eingesetzt werden. Alternativ können oxidkeramische ferrimagnetische Werkstoffe (Ferrite) eingesetzt (Ferritkerne). Die erwähnten ferromagnetische Metalllegierungen können im Wesentlichen in die drei Gruppen „kristallin“, „nanokristallin“ oder „amorph“ unterteilt werden. Amorphe und nanokristalline Legierungen werden in der Regel in einem Prozess hergestellt, der als Rascherstarrung (rapid solidification) bezeichnet wird. In einem Rascherstarrungsprozess wird durch eine abrupte Abkühlung des flüssigen Metalls die Ausbildung von kristallinen Strukturen verhindert. Eine besondere Rolle spielen dabei nanokristalline Legierungen auf Eisenbasis.Inductive components such as transformers, chokes and the like with toroidal cores are widespread and are used in a variety of applications. Ferromagnetic metal alloys can be used as materials for toroidal cores, mostly in the form of sheet metal / foil (e.g. toroidal tape cores) or bound powder (powder cores). Alternatively, oxide-ceramic ferrimagnetic materials (ferrites) can be used (ferrite cores). The aforementioned ferromagnetic metal alloys can essentially be divided into the three groups “crystalline”, “nanocrystalline” or “amorphous”. Amorphous and nanocrystalline alloys are usually produced in a process known as rapid solidification. In a rapid solidification process, the formation of crystalline structures is prevented by abrupt cooling of the liquid metal. Here, iron-based nanocrystalline alloys play a special role.

Die in der Publikation Y. Yoshizawa, et al., „Common mode choke cores using the new Fe -based alloys composed of ultrafine grain structure“, in: Journal of Applied Physics Bd. 64, Nr. 10, 1988 , beschriebene Drossel verwendet eine solche nanokristalline Legierung. Nanokristalline eisenbasierte Legierungen wurden später für verschiedene Anwendungen eingesetzt und haben auf Grund ihrer Eigenschaften (z.B. gut einstellbare Permeabilität, geringe Verluste auch bis zu höheren Frequenzen, geringe Temperaturabhängigkeit, geringe Magnetostriktion, höhere Sättigungsinduktion als amorphe Legierungen, etc.) eine gewisse Bedeutung erlangt. Die relativen Permeabilitäten können durch Glühbehandlungen in einem Magnetfeld auf kleiner 5000 eingestellt werden. Mit einer Wärmebehandlung unter Zugspannung können eisenbasierte nanokristalline Legierungen mit noch kleineren Permeabilitäten (z.B. 1000-3500), allerdings erhöhten Verlusten, erzeugt werden. Für Anwendungen wie z.B. Speicherdrosseln oder Transformatoren wären jedoch Magnetkerne mit noch kleinerer Permeabilität (z.B. kleiner als 500) wünschenswert. Für derartige Anwendungen werden heutzutage häufig Pulverkerne oder Ferritkerne mit Luftspalt eingesetzt. Gegenüber Ferriten hätten nanokristalline (zu Ringbandkernen gewickelte) Bänder auf Eisenbasis eine höhere Sättigungsinduktion, während Ferritkerne häufig höhere Verluste zur Folge haben.The one in the publication Y. Yoshizawa, et al., "Common mode choke cores using the new Fe-based alloys composed of ultrafine grain structure", in: Journal of Applied Physics Vol. 64, No. 10, 1988 , choke described uses such a nanocrystalline alloy. Nanocrystalline iron-based alloys were later used for various applications and have acquired a certain importance due to their properties (e.g. easily adjustable permeability, low losses even up to higher frequencies, low temperature dependence, low magnetostriction, higher saturation induction than amorphous alloys, etc.). The relative permeabilities can be set to less than 5000 by annealing treatments in a magnetic field. With a heat treatment under tensile stress, iron-based nanocrystalline alloys with even lower permeabilities (eg 1000-3500), but with increased losses, can be produced. For applications such as storage chokes or transformers, however, magnetic cores with an even lower permeability (eg less than 500) would be desirable. Nowadays, powder cores or ferrite cores with an air gap are often used for such applications. Compared to ferrites, nanocrystalline iron-based strips (wound to form toroidal cores) have a higher saturation induction, while ferrite cores often result in higher losses.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein induktives Bauelement zur Verfügung zu stellen, das einen Magnetkern mit vergleichsweise kleiner Permeabilität (kleiner als dies mit herkömmlichen nanokristallinen Ringbandkernen möglich ist) und kleinen Verlusten aufweist.The object on which the invention is based can be seen in providing an inductive component which has a magnetic core with comparatively low permeability (smaller than is possible with conventional nanocrystalline toroidal tape cores) and small losses.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Die oben genannte Aufgabe wird durch einen Magnetkern gemäß Anspruch 1, einem induktiven Bauelement gemäß Patentanspruch 14 und einem Verfahren gemäß Anspruch 16 gelöst. Verschiedene Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.The above-mentioned object is achieved by a magnetic core according to claim 1, an inductive component according to claim 14 and a method according to claim 16. Various exemplary embodiments and further developments are the subject of the dependent claims.

Des Weiteren wird ein Verfahren zum Herstellen eines Magnetkerns bzw. eines induktiven Bauelements beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren das Bereitstellen eines weichmagnetischen Bandes aus einer amorphen Legierung auf Eisenbasis; das Wärmebehandeln des Bandes, wodurch die Legierung nanokristallin wird; das Bereitstellen eines Bandes aus elektrisch isolierendem Material; das Verbinden des weichmagnetischen, nanokristallinen Bandes mit dem elektrisch isolierenden Band mittels Klebstoff zu einem Laminat; und das Brechen des weichmagnetischen, nanokristallinen Bandes in eine Vielzahl von Bruchstücken durch lokales Ausüben von Druck auf das Laminat; und das Aufwickeln des Laminats zu einem ringförmigen Magnetkern oder das Stapeln von mehreren Laminat-Lagen zu einem Magnetkern.Furthermore, a method for producing a magnetic core or an inductive component is described. According to an exemplary embodiment, the method comprises providing a soft magnetic tape made of an amorphous iron-based alloy; heat treating the ribbon thereby rendering the alloy nanocrystalline; providing a tape of electrically insulating material; connecting the soft magnetic, nanocrystalline tape to the electrically insulating tape by means of an adhesive to form a laminate; and breaking the soft magnetic nanocrystalline ribbon into a plurality of fragments by locally applying pressure to the laminate; and winding up the laminate to form an annular magnetic core or stacking a plurality of laminate layers to form a magnetic core.

FigurenlisteFigure list

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand von Abbildungen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Ausführungsbeispiele sind nicht nur auf die dargestellten Aspekte beschränkt. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die den Ausführungsbeispielen zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. In den Abbildungen zeigt:

1 illustriert schematisch ein Laminat aus weichmagnetischem Band und einer isolierenden Folie.
2 illustriert einen Ringbandkern für ein induktives Bauelement, der durch Aufwickeln des Laminats aus 1 hergestellt wurde.
3 illustriert einen Ringkern für ein induktives Bauelement, der durch Stapeln gestanzter Laminatlagen hergestellt wurde.
4 illustriert einen sechseckigen Magnetkern für ein induktives Bauelement, der durch Stapeln gestanzter Laminatlagen hergestellt wurde.
5 illustriert verschiedene Varianten des Laminats aus 1, bei dem das weichmagnetische Band jeweils auf verschiedene Weise durch Brechen strukturiert wurde.
6 illustriert eine Rollenanordnung zur Herstellung des Laminats mit gebrochenem weichmagnetischen nanokristallinen Bandmaterial.
7 und 8 zeigen zwei Ausführungsbeispiele induktiver Bauelemente mit Magnetkern aus nanokristallinem Material auf Eisenbasis mit vergleichsweise niedriger relativer Permeabilität.
9 illustriert eine Widerstandsmessung an einem gebrochenen Band (Diagramm a) und einem nicht gebrochenen Band (Diagramm b).
10 illustriert in einem Diagramm (Widerstand über Abstand) die zu 9, Diagramm a, gehörigen Messwerte.
11 illustriert in einem Diagramm die Verluste induktiver Bauelemente mit Ringkernen aus unterschiedlichem Material.

In the following, exemplary embodiments are explained in more detail with reference to figures. The illustrations are not necessarily true to scale and the exemplary embodiments are not limited to the aspects shown. Rather, emphasis is placed on the basis of the exemplary embodiments underlying principles. In the pictures shows:

1 illustrates schematically a laminate of soft magnetic tape and an insulating film.
2 illustrates a toroidal tape core for an inductive component, which is made by winding the laminate 1 was produced.
3rd illustrates a toroidal core for an inductive component made by stacking stamped laminate layers.
4th Figure 11 illustrates a hexagonal magnetic core for an inductive component made by stacking stamped laminate sheets.
5 illustrates different variants of the laminate 1 , in which the soft magnetic tape was structured in different ways by breaking.
6th illustrates a roller arrangement for producing the laminate with broken soft magnetic nanocrystalline tape material.
7th and 8th show two exemplary embodiments of inductive components with a magnetic core made of nanocrystalline material based on iron with comparatively low relative permeability.
9 illustrates a resistance measurement on a broken band (diagram a) and an unbroken band (diagram b).
10 illustrated in a diagram (resistance versus distance) the to 9 , Diagram a, associated measured values.
11 illustrates in a diagram the losses of inductive components with toroidal cores made of different materials.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Die wünschenswerten magnetischen Eigenschaften von nanokristallinen eisenbasierten Legierungen können auch für Anwendungen genutzt werden, in denen Magnetkerne mit kleiner Permeabilität benötigt werden. Um die Wirbelströme klein zu halten, kann ein weichmagnetisches Band aus nanokristallinem Material auf eine Kunststofffolie aufgebracht, das weichmagnetisches Band in eine Vielzahl von Bruchstücken gebrochen und anschließend zu einem Ringbandkern gewickelt werden. Durch eine Kombination von Laminieren und Brechen des weichmagnetischen Bandes wird die effektive Permeabilität des Materials aufgrund der durch das Brechen entstehenden Luftspalte (zwischen den Bruchstücken des Bandes) signifikant reduziert. Andererseits werden die Wirbelströme und die damit verbundenen Verluste durch die isolierende Wirkung der Kunststofffolie reduziert. Die Dicke des Bandes liegt dabei im Bereich von 10 Mikrometern und einigen 10 Mikrometern. Aus der Publikation DE 10 2013 103 268 B4 ist eine Abschirmfolie für ein Gerät mit Komponenten zum kabellosen Laden, die mit einem ähnlichen Prozess hergestellt wird. Derartige Abschirmfolien werden jedoch nicht zu Magnetkernen weiterverarbeitet.The desirable magnetic properties of nanocrystalline iron-based alloys can also be used for applications in which magnetic cores with low permeability are required. To keep the eddy currents small, a soft magnetic tape made of nanocrystalline material can be applied to a plastic film, the soft magnetic tape broken into a large number of fragments and then wound into a toroidal tape core. A combination of lamination and breaking of the soft magnetic tape significantly reduces the effective permeability of the material due to the air gaps (between the fragments of the tape) created by the breaking. On the other hand, the eddy currents and the associated losses are reduced by the insulating effect of the plastic film. The thickness of the tape is in the range of 10 micrometers and a few tens of micrometers. From the publication DE 10 2013 103 268 B4 is a shielding film for a device with components for wireless charging, which is manufactured using a similar process. However, such shielding foils are not processed into magnetic cores.

1 illustriert schematisch ein Laminat 4 aus einer elektrisch isolierenden Folie 1 (Kunststofffolie), auf die eine weichmagnetischen Folie 2 aus einer nanokristallinen eisenbasierten Legierung aufgeklebt ist (Klebeschicht 3). Die weichmagnetische Folie 2 wird üblicherweise in Form eines Bandes verarbeitet. Das Laminat 4 kann entweder zu einem Ringbandkern aufgewickelt werden oder es wird gestapelt und der Kern wird ausgestanzt. Alternativ werden die Stanzteile aus einer Laminat-Lage zu einem Magnetkern gestapelt. 2 ist eine Querschnittsdarstellung eines Ringbandkerns und 3 Magnetkerns, der aus einer Vielzahl von gestapelten Laminat-Lagen (gestanzten Scheiben) besteht. Beide Kerne sind runde Ringkerne. Es versteht sich, dass auch Kerne mit ovaler oder anderer Form durch Aufwickeln des Laminats hergestellt werden können. 4 zeigt einen Magnetkern mit sechseckiger Form in Draufsicht und Querschnitt. Man kann sehen, dass durch Stapeln von gestanzten Scheiben aus dem erwähnten Laminat eine sehr vielfältige Formgebung für den Magnetkern ermöglicht. Die Dicke t_R des weichmagnetischen Bands 2 liegt im Bereich von rund 2 - 50 µm, insbesondere im Bereich von 10 - 25 µm (siehe 1-3). Die Dicke t_P der Kunststofffolie liegt im Bereich von 0,5 - 100 µm. Das Laminat 4 kann eine erste Anzahl n von Laminat-Lagen aufweist, die aus einer Vielzahl von Bruchstücken des weichmagnetischen, nanokristallinen Bandes bestehen. Das Laminat 4 kann weiter eine zweite Anzahl m von Laminat-Lagen aufweisen, die aus nicht gebrochenem weichmagnetischen, nanokristallinen Band bestehen. Die zweite Anzahl m kann null sein. Die Laminat-Lagen mit Bruchstücken und die Laminat-Lagen mit nicht gebrochenem Band können sich abwechseln. Das Einstellen der Parameter n und m kann die Permeabilität auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Des Weiteren kann die Sättigungsfestigkeit beeinflusst werden. Etwas genauer betrachtet, führen abwechselnd angeordnete gebrochene und nicht gebrochene Laminat-Lagen zu einer Superposition zweier Hystereseschleifen. Man erhält einen „Mischkern“, der abhängig vom Querschnitt der jeweiligen Laminat-Lagen anteilig beide Charakteristika aufweist. 1 schematically illustrates a laminate 4th made of an electrically insulating film 1 (Plastic film) on which a soft magnetic film 2 made of a nanocrystalline iron-based alloy is glued on (adhesive layer 3rd ). The soft magnetic film 2 is usually processed in the form of a tape. The laminate 4th can either be wound up into a toroidal tape core or it is stacked and the core is punched out. Alternatively, the stamped parts from a laminate layer are stacked to form a magnetic core. 2 Figure 13 is a cross-sectional view of a toroidal ribbon core and 3rd Magnetic core, which consists of a large number of stacked laminate layers (punched disks). Both cores are round toroidal cores. It goes without saying that cores with an oval or other shape can also be produced by winding up the laminate. 4th shows a magnetic core with a hexagonal shape in plan view and cross section. It can be seen that the stacking of punched disks from the laminate mentioned enables a wide variety of shapes for the magnetic core. The thickness t _{R of} the soft magnetic tape 2 is in the range of around 2 - 50 µm, especially in the range of 10 - 25 µm (see 1-3 ). The thickness t _{P of} the plastic film is in the range from 0.5-100 µm. The laminate 4th may have a first number n of laminate layers, which consist of a multiplicity of fragments of the soft magnetic, nanocrystalline tape. The laminate 4th can furthermore have a second number m of laminate layers which consist of non-broken, soft magnetic, nanocrystalline tape. The second number m can be zero. The laminate layers with fragments and the laminate layers with unbroken tape can alternate. Adjusting the parameters n and m allows the permeability to be adjusted to a desired value. Furthermore, the saturation strength can be influenced. Taking a closer look, alternately arranged broken and non-broken laminate layers lead to a superposition of two hysteresis loops. A “mixed core” is obtained which, depending on the cross-section of the respective laminate layers, has both characteristics proportionally.

Gemäß den hier beschriebenen Beispielen kann die weichmagnetische Folie 2 aus einer Legierung bestehen, die durch Fe_{100-a-b-c-x-y-z} CU_aM_bT_cSi_xByZ_z charakterisiert ist und bis zu 0,5 Atom-% Verunreinigungen aufweisen kann. Dabei ist „M“ eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe Nb, Mo und Ta, „T“ eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe V, Cr, Co und Ni und „Z“ eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe C, P und Ge. Des Weiteren gilt: 0,5 Atom-% ≤ a ≤ 1,5 Atom-%, 2 Atom-% ≤ b ≤ 4 Atom-%, 0 Atom-% ≤ c ≤ 5 Atom-%, 12 Atom-% ≤ x ≤ 18 Atom-%, 5 Atom-% ≤ y ≤ 12 Atom%, 0 Atom-% ≤ z ≤ 2 Atom-%. Eine derartige Legierung ist beispielsweise unter dem Namen VITROPERM^® kommerziell erhältlich. Ein weiteres Beispiel ist Fe_73,8 Cu₁Nb₃Si_15,6B_6,6. Die Kunststofffolie 2 kann aus einem Thermoplast bestehen, beispielsweise einem Kunststoff aus der Familie der Polyester wie z.B. Polyethylenterephthalat (PET), Polycarbonat (PC), Polyethylennaphthalat (PEN), sowie Polyetheretherketon (PEEK), Polyimid (PI), Polyphenylensulfid (PPS), und Polytetrafluorethylen (PTFE auch Teflon genannt). Alternativ kann die Kunststofffolie auch aus einem Duroplast bestehen. Nach der Herstellung kann der (gewickelte oder aus mehreren Laminat-Lagen gestapelte) Magnetkern mit einer Polymermasse beschichtet werden. Beispielsweise wird der Magnetkern in einem Tränkharz, einem Tauchlack oder einer härtbaren Vergussmasse mittels Tränkung so verklebt und fixiert, dass die Lagen des Laminates sowie die Bruchstücke der weichmagnetischen Folie stabilisiert werden und die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Magnetkerns sich im Laufe der Zeit nur geringfügig ändern.According to the examples described here, the soft magnetic film 2 consist of an alloy that through Fe _100-abcxyz CU _a M _b T _c Si _x ByZ _z is characterized and can contain up to 0.5 atom% impurities. “M” is one or more elements from the group Nb, Mo and Ta, “T” is one or more elements from the group V, Cr, Co and Ni and “Z” is one or more elements from the group C, P and Ge. Furthermore, the following applies: 0.5 atom% a 1.5 atom%, 2 atom% b 4 atom%, 0 atom% c 5 atom%, 12 atom% x 18 atom%, 5 atom% y 12 atom%, 0 atom% z 2 atom%. Such an alloy is commercially available, for example, under the name VITROPERM ^®. Another example is Fe _73.8 Cu ₁ Nb ₃ Si _15.6 B _6.6 . The plastic film 2 can consist of a thermoplastic, for example a plastic from the polyester family such as polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate (PC), polyethylene naphthalate (PEN), as well as polyetheretherketone (PEEK), polyimide (PI), polyphenylene sulfide (PPS), and polytetrafluoroethylene ( PTFE also called Teflon). Alternatively, the plastic film can also consist of a thermoset. After production, the magnetic core (wound or stacked from several layers of laminate) can be coated with a polymer compound. For example, the magnetic core is glued and fixed in an impregnating resin, a dip coating or a curable potting compound by means of impregnation in such a way that the layers of the laminate and the fragments of the soft magnetic film are stabilized and the electrical and magnetic properties of the magnetic core change only slightly over time .

Wie erwähnt wird das weichmagnetische Band 2 nach dem Aufkleben auf die Kunststofffolie 1 in eine Vielzahl kleiner Bruchstücke gebrochen, wodurch zwischen den einzelnen Bruchstücken kleine Spalte entstehen, was einerseits die Permeabilität des resultierenden Magnetkerns reduziert und andererseits die Wirbelströme und die damit verbundenen Verluste in dem fertigen induktiven Bauelement verringert. Die Bruchstücke haben in der Ebene des weichmagnetischen Bandes eine mittlere Fläche im Bereich von 0,1 mm² bis 6 mm². 5 zeigt die Draufsicht verschiedener Varianten von Laminaten, bei denen das weichmagnetische Band auf unterschiedliche Weise durch Brechen strukturiert wurde. Diagramm (a) der 5 zeigt ein Laminat, bei dem punktförmige Belastungen wie sie beispielsweise durch Bearbeitung mit einer Stachelwalze entstehen zu einem Brechen des weichmagnetischen Bandes geführt haben. Diagramm (b) der 5 zeigt ein Laminat, das durch Aufdrücken eines Bauteils (Stempels) mit quadratischer/rechteckiger Struktur auf das Laminat in Teile gebrochen und dadurch in regelmäßig angeordnete Bruchstücke strukturiert wurde. Diagramm (c) der 5 zeigt ein Laminat, dem ein Bauteil mit ungeordnetem Höhenprofil aufgedrückt wurde, um eine „chaotische“ Bruchstück-Struktur zu bilden. Diagramm (c) der 5 zeigt ein Laminat, dem ein Bauteil mit einer klingenartigen Struktur aufgedrückt wurde, um regelmäßige Bruchstücke zu erhalten, die in Bandrichtung orientiert sind. Es versteht sich, dass 5 nur einige wenige Beispiele zeigt und auch andere Methoden zur Strukturierung des auf der Kunststofffolie 1 aufgeklebten weichmagnetischen Bandes 2 verwendet werden können und auch mehrere Techniken kombiniert werden können.As mentioned, the soft magnetic tape is used 2 after sticking on the plastic film 1 broken into a large number of small fragments, whereby small gaps arise between the individual fragments, which on the one hand reduces the permeability of the resulting magnetic core and on the other hand reduces the eddy currents and the associated losses in the finished inductive component. In the plane of the soft magnetic strip, the fragments have a mean area in the range from 0.1 mm ² to 6 mm ² . 5 shows the top view of different variants of laminates in which the soft magnetic tape was structured in different ways by breaking. Diagram (a) of the 5 shows a laminate in which punctiform loads, such as those caused by machining with a spiked roller, have broken the soft magnetic strip. Diagram (b) of the 5 shows a laminate that was broken into parts by pressing a component (stamp) with a square / rectangular structure onto the laminate and thereby structured into regularly arranged fragments. Diagram (c) of the 5 shows a laminate onto which a component with a disordered height profile has been pressed to form a “chaotic” fragment structure. Diagram (c) of the 5 shows a laminate onto which a component with a blade-like structure has been pressed in order to obtain regular fragments which are oriented in the direction of the tape. It goes without saying that 5 shows only a few examples and also other methods of structuring the on the plastic film 1 affixed soft magnetic tape 2 can be used and several techniques can also be combined.

6 illustriert schematisch ein Beispiel einer Vorrichtung zur Herstellung des oben beschriebenen Laminats mittels eines Rollensystems. Dabei wird weichmagnetisches Band 2 von einer ersten Rolle 10 und Kunststofffolie 1 von einer zweiten Rolle 11 abgewickelt, wobei die Kunststofffolie 1 mit Klebstoff 3 beschichtet wird. Kunststofffolie 1 und weichmagnetisches Band 2 werden gemeinsam und übereinander liegend durch ein erstes Walzenpaar (Walzen 12 und 13) und ein zweites Walzenpaar (Walzen 14 und 15) hindurchgeführt, wobei die Walzen der Walzenpaare jeweils aufeinander drücken. Die Walze 12 des ersten Walzenpaars weist eine Oberflächenstruktur auf, die geeignet ist, das weichmagnetische Band 2 in viele kleine Bruchstücke zu brechen, wodurch das Band 2 strukturiert wird wie es oben in Bezug auf 5 erläutert wurde. Das fertige Laminat 4 (Verbund aus Kunststofffolie - gebrochenes/strukturiertes weichmagnetisches Band) wird auf die Rolle 16 aufgewickelt und kann in einem nachfolgenden Prozess beispielsweise zu einem Ringbandkern weiter verarbeitet werden. 6th illustrates schematically an example of an apparatus for producing the above-described laminate by means of a roller system. This is a soft magnetic tape 2 from a first role 10 and plastic film 1 of a second role 11 unwound, the plastic film 1 with glue 3rd is coated. Plastic film 1 and soft magnetic tape 2 are driven together and lying on top of each other by a first pair of rollers (rollers 12th and 13th ) and a second pair of rollers (rollers 14th and 15th ) passed through, the rollers of the roller pairs each pressing on one another. The roller 12th of the first pair of rollers has a surface structure that is suitable for the soft magnetic belt 2 breaking into many small fragments, making the tape 2 is structured as it is related to above 5 was explained. The finished laminate 4th (Composite of plastic film - broken / structured soft magnetic tape) is placed on the roll 16 wound up and can be further processed in a subsequent process, for example into a toroidal tape core.

7 illustriert ein Beispiel eines induktiven Bauelements, welches aus einem Ringkern 4 und einer Wicklung 5 aus einer Vielzahl von Windungen besteht. Der Ringbandkern kann beispielsweise durch aufwickeln des Laminats 4 (vgl. 2) hergestellt werden. 8 illustriert ein weiteres Beispiel eines induktiven Bauelements, welches aus Laminat 4 besteht, das um einen Leiter herum gewickelt ist. Der Leiter repräsentiert eine Wicklung 5 mit einer Windung (Windungszahl N=1). 7th illustrates an example of an inductive component consisting of a toroidal core 4th and a winding 5 consists of a multitude of turns. The toroidal tape core can, for example, by winding up the laminate 4th (see. 2 ) getting produced. 8th illustrates another example of an inductive component made from laminate 4th is wound around a conductor. The conductor represents a winding 5 with one turn (number of turns N = 1).

Die Kunststofffolie sowie die Klebeschicht sollten (im Vergleich zum weichmagnetischen Band) möglichst dünn sein, um einem hohen Füllfaktor des resultierenden Magnetkerns zu erreichen. Der Füllfaktor ist das Verhältnis des magnetisch wirksamen Volumens eines Magnetkerns zu dem Gesamtvolumen (Metall, Kunststoff und Klebstoff) Die Breiten der Kunststofffolie und des weichmagnetischen Bandes müssen aufeinander abgestimmt sein. Sinnvollerweise sind Kunststofffolie 1 und weichmagnetisches Band 2 ungefähr gleich breit, damit sich keine gebrochenen Bandsplitter von der Kunststofffolie 1 lösen können. In manchen Ausführungsbeispielen ist die Kunststofffolie 1 etwas breiter als das weichmagnetische Band 2, um Probleme der Bandführung zu vermeiden und Toleranzen bei der Ausrichtung zwischen Folie und Band auszugleichen. Das weichmagnetische Band 2 ist dabei möglichst mittig auf der Kunststofffolie 1 aufgebracht.The plastic film and the adhesive layer should be as thin as possible (compared to the soft magnetic tape) in order to achieve a high fill factor for the resulting magnetic core. The fill factor is the ratio of the magnetically effective volume of a magnetic core to the total volume (metal, plastic and adhesive). The widths of the plastic film and the soft magnetic tape must be matched to one another. Plastic sheeting makes sense 1 and soft magnetic tape 2 about the same width so that no broken tape splinters from the plastic film 1 to be able to solve. In some exemplary embodiments, the plastic film is 1 slightly wider than the soft magnetic tape 2 in order to avoid problems with the tape guiding and to compensate for tolerances in the alignment between film and tape. The soft magnetic tape 2 is as centered as possible on the plastic film 1 upset.

Wie erwähnt führt das Brechen der weichmagnetischen, nanokristallinen Folie zu kleinen Spalten zwischen den Bruchstücken. Diese Spalte verringern einerseits die Wirbelströme und andererseits die (relative) Permeabilität. Durch Messung quantifizieren lässt sich dieser Effekt durch eine Widerstandsmessung, bei welcher der elektrische Widerstand der gebrochenen Folie zwischen zwei in einem bestimmten Abstand angeordneten Messpunkten gemessen wird. 9, Diagramm a, illustriert die Messung, wobei der Widerstand immer zwischen zwei gegenüber liegenden Messpunkten auf einem Kreis eines bestimmten Durchmessers ermittelt wird. Beispielsweise liegen die Messpunkte auf der gestrichelten Linie B die für die Abstände 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4, mm, 5, mm, 10 mm und 20 mm gemessenen Widerstände von 13 Ω, 31 Ω, 500 Ω, 1,2 kΩ, 3,5 kΩ, 10 kΩ bzw. 18,3 kΩ. Die konzentrischen Kreise symbolisieren die genannten Abstände. Bein einem Abstand von 60 mm (Breite des nanokristallinen Bandes) lag der Widerstand bei über 20 kΩ. Bei einer Vergleichsmessung mit einem ungebrochenen Band (vgl. 9, Diagramm b) lag der Widerstand bei einem Abstand von 60 mm (Kreis mit 60 mm Durchmesser) bei 0,8 Ω. Diese Messergebnisse sind in 10 dargestellt.As mentioned, the breaking of the soft magnetic, nanocrystalline film leads to small gaps between the fragments. These gaps reduce the eddy currents on the one hand and the (relative) permeability on the other. This effect can be quantified by means of a resistance measurement, in which the electrical resistance of the broken foil is measured between two measuring points arranged at a certain distance. 9 , Diagram a, illustrates the measurement, whereby the resistance is always determined between two opposing measuring points on a circle of a certain diameter. For example, the measuring points on the dashed line B are the resistances of 13 Ω, 31 Ω, 500 Ω, 1.2 measured for the distances 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4, mm, 5, mm, 10 mm and 20 mm kΩ, 3.5 kΩ, 10 kΩ or 18.3 kΩ. The concentric circles symbolize the distances mentioned. At a distance of 60 mm (width of the nanocrystalline tape) the resistance was over 20 kΩ. In the case of a comparison measurement with an unbroken strip (cf. 9 , Diagram b), the resistance at a distance of 60 mm (circle with 60 mm diameter) was 0.8 Ω. These measurement results are in 10 shown.

11 illustriert die Verluste für induktive Bauelementen mit Magnetkernen aus unterschiedlichem Material, nämlich einem Ringbandkern aus laminiertem und gebrochenem VITROPERM^® mit drei unterschiedlichen relativen Permeabilitäten (µ_r=400, µ_r=1000 und µ_r=3500), einem Ringbandkern aus nicht gebrochenem VITROPERM^® und einen Ferritkern. 11 zeigt, dass induktive Bauelemente mit Kernen aus laminiertem Material geringere Verlustleistungen aufweisen. Die Verlustleistung Pv pro Volumen (in mW/cm³) in Relation zur magnetischen Flussdichte B bei einer Frequenz von 10 kHz zeigt insbesondere bei hohen Flussdichten niedrigere Verluste für induktive Bauelemente mit Magnetkernen aus gebrochenem weichmagnetischem, nanokristallinen Bandmaterial. Die Verluste sind des Weiteren abhängig von der (geometrischen) Struktur der Bruchstücke und der effektiven (relativen) Permeabilität. Diese kann im Bereich von ca. 10 - 2000 liegen und hängt von der Größe und der Struktur der Bruchstücke ab. Die Verluste bei vergleichsweise hohen Flussdichten sind relevante Parameter für Speicherdrosseln oder Transformatoren. 11 illustrates the losses for inductive components with magnetic cores made of different materials, namely a toroidal tape core made of laminated and broken VITROPERM ^® with three different relative permeabilities (µ _r = 400, µ _r = 1000 and µ _r = 3500), a toroidal tape core made of unbroken VITROPERM ^® and a ferrite core. 11 shows that inductive components with cores made of laminated material have lower power losses. The power loss Pv per volume (in mW / cm ³ ) in relation to the magnetic flux density B at a frequency of 10 kHz shows lower losses for inductive components with magnetic cores made of broken, soft magnetic, nanocrystalline strip material, especially at high flux densities. The losses also depend on the (geometric) structure of the fragments and the effective (relative) permeability. This can be in the range of approx. 10 - 2000 and depends on the size and structure of the fragments. The losses at comparatively high flux densities are relevant parameters for storage chokes or transformers.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102013103268 B4 [0009]

Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

Y. Yoshizawa, et al., “Common mode choke cores using the new Fe-based alloys composed of ultrafine grain structure”, in: Journal of Applied Physics Vol. 64, No. 10, 1988 [0003]

Claims

A magnetic core which is formed from a laminate (4) that has an electrically insulating film (1) and a soft magnetic film connected to the electrically insulating film (1) (2) made of a nanocrystalline iron-based alloy, wherein the soft magnetic film (2) has a plurality of separate fragments.

The magnetic core according to Claim 1 wherein the magnetic core is a toroidal tape core formed by winding the laminate (4).

The magnetic core according to Claim 1 wherein the magnetic core comprises a plurality of stacked layers of laminate (4).

The magnetic core according to one of the Claims 1 to 3rd , wherein the laminate (4) has a first number of laminate layers, which consist of a plurality of fragments of the soft magnetic, nanocrystalline tape, and a second number of laminate layers, which consist of unbroken soft magnetic, nanocrystalline tape.

The magnetic core according to one of the Claims 1 to 4th , wherein the soft magnetic tape has a thickness of 2 µm to 50 µm, in particular 10-25 µm.

The magnetic core according to one of the Claims 1 to 5 , wherein the soft magnetic foil consists of an alloy which is characterized by Fe _100-abcxyz Cu _a M _b T _c Si _x B _y Z _z and can contain up to 0.5 atom% impurities, where M is one or more elements the group Nb, Mo and Ta, T represents one or more elements from group V, Cr, Co and Ni and Z represents one or more elements from group C, P and Ge and 0.5 atom% ≤ a ≤ 1, 5 atom%, 2 atom% b 4 atom%, 0 atom% c 5 atom%, 12 atom% x 18 atom%, 5 atom% y 12 atom %, 0 atom% z Atom 2 atom%.

The magnetic core according to Claim 6 The soft magnetic film consists of Fe _73.8 Cu ₁ Nh ₃ Si _15.6 B _6.6 .

The magnetic core according to one of the Claims 1 to 7th wherein the electrically insulating film (1) is a plastic film to which the soft magnetic film is connected by means of an adhesive (3), and wherein the adhesive (3) electrically insulates the fragments of the soft magnetic film from one another.

The magnetic core according to one of the Claims 1 to 8th , wherein the electrically insulating film (1) consists of a plastic, in particular one of the following plastics PET, polyester, PI, PC, PEN, PEEK, PPS, and PTFE, and has a thickness in the range of 0.5 up to 100 µm.

The magnetic core according to one of the Claims 1 to 9 The fragments in the plane of the soft magnetic film have a mean area in the range from 0.1 to 6 mm ² .

The magnetic core according to one of the Claims 1 to 10 , wherein the magnetic core has an effective relative permeability in the range of 10-2000.

The magnetic core according to one of the Claims 1 to 11 , wherein the magnetic core is coated on the outside with a polymer compound.

The magnetic core according to one of the Claims 1 to 12th , wherein the soft magnetic film is a soft magnetic tape and the magnetic core is a toroidal tape core, which is produced by winding the soft magnetic tape, and wherein the size of the fragments along the length of the soft magnetic tape varies so that by winding the soft magnetic tape of the toroidal tape core has radius-dependent permeability.

An inductive component comprising: a magnetic core formed from a laminate (4), and a winding (5) with at least one turn, wherein the laminate (4) has an electrically insulating film (1) and a soft magnetic film (2) connected to the electrically insulating film (1) and made of a nanocrystalline iron-based alloy, and wherein the soft magnetic film (2) has a plurality of separate fragments.

The inductive component, the winding consisting of a rod-shaped conductor around which the laminate (4) is wound.

A method comprising: providing a soft magnetic tape made of an amorphous iron-based alloy; Heat treating the band (2), whereby the alloy becomes a nanocrystalline, providing a band (1) made of electrically insulating material; Connecting the soft magnetic, nanocrystalline tape (2) to the electrically insulating tape (1) by means of an adhesive (3) to form a laminate (4); Breaking the soft magnetic, nanocrystalline tape (2) into a plurality of fragments by locally exerting pressure on the laminate; and winding up the laminate (4) to form an annular magnetic core or stacking a plurality of laminate layers to form a magnetic core.

The procedure according to Claim 16 which further comprises: winding the magnetic core with a winding (5) which has at least one turn.

The procedure according to Claim 16 or 17th , wherein for connecting the soft magnetic, nanocrystalline tape (2) to the electrically insulating tape (1), the tapes are passed between two rollers (12, 13) of a roller pair that are pressed onto one another.

The procedure according to Claim 17 , whereby for the breaking of the soft magnetic, nanocrystalline band (2) one of the two rollers of the roller pair has a surface which is structured in such a way that locally different forces are exerted on the laminate (4), whereby the soft magnetic, nanocrystalline band (2) is broken into a multitude of fragments.

The method according to one of the Claims 16 to 19th , the adhesive (3) penetrating between the fragments of the soft magnetic, nanocrystalline tape (2) in a rolling process, whereby the adhesive (3) forms an electrical insulation which electrically isolates the individual fragments from one another.