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Die Erfihdung betrifft einen Magnetkern aus Eisen-Silizium-Blechen
mit einem Siliziumgehalt von 2 bis 6% und einer magnetischen Vorzugsrichtung, die
voneinander durch eine auf ihnen haftende isolierende Schicht getrennt sind. Weiterhin
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung - der Eisen-Silizium-Bleche
für den Magnetkern der vorgenannten Art.
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Eisen-Silizium-Bleche mit einem Siliziumgehalt von 2 bis 60;o und
einer magnetischen Vorzugsrichtung werden im großen Umfang technisch hergestellt
und zur Herstellung von Magnetkernen für Transformatoren, Generatoren sowie Motoren
verwendet. In aus Blechen mit einer magnetischen Vorzugsrichtung aufgebauten Magnetkernen
treten jedoch in den Abschnitten der Kerne, in denen die Richtung des Magnetflusses
quer zur magnetischen Vorzugsrichtung der Bleche verläuft, noch hohe Verluste und
magnetostriktive Kräfte auf. Man hat bereits versucht, diese Nachteile dadurch zu
vermeiden, daß man die Kerne aus Blechabschnitten aufbaut, deren Vorzugsrichtung
mit der Magnetflußrichtung zusammenfällt. Die Herstellung derartiger Magnetkerne
ist jedoch sehr aufwendig.
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Es ist auch bereits bekannt, zwischen den einzelnen Blechen eines
lamellierten Magnetkernes eine isolierende Schicht vorzusehen, um die WirbelstromverIuste
des Kernes und ein Verkleben der einzelnen Bleche bei der abschließenden Glühbehandlung
des Kernes zu verhindern. Insbesondere ist es bereits bekannt, eine auf Eisen-Silizium-Blechen
haftende isolierende Schicht dadurch aufzubringen, daß auf die Oberfläche des Bleches
eine Magnesiumoxidaufschwemmung aufgetragen wird, die man trocknen läßt, so daß
auf der Blechoberfläche ein pulverförmiges Gemisch aus Magnesiumoxid und Magnesiumhydroxid
verbleibt. Bei der abschließenden Glühbehandlung reagiert dieses Gemisch mit dem
im Blech vorhandenen Silizium unter Bildung eines fest auf dem Blech haftenden Uberzuges
aus Iviagnesiumsilikat. Die zur Aufbringung der Magnesiumsilikatschicht auf Eisen-Silizium-Bleche
erforderlichen Verfahrensmaßnahmen bewirken jedoch eine nachteilige Erhöhung der
Verluste sowie der magnetostriktiven Kräfte in der quer zur Vorzugsrichtung verlaufenden
Richtung.
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Es sind auch bereits aus endlosen Bändern gewickelte oder aus gestanzten
Blechringen aufgebaute Magnetkerne bekannt, bei denen zwischen die einzelnen Windungen
des Magnetkernes ein Zwischenstoff eingebracht ist, beispielsweise Magnesium-, Aluminium-
oder Kalziumhydroxid.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Magnetkern aus
Eisen-Silizium-Blechen mit einem Siliziumgehalt von 2 bis 60/0 und einer magnetischen
Vorzugsrichtung, die voneinander durch eine auf ihnen haftende isolierende Schicht
getrennt sind, derart auszugestalten, daß in den Blechabschnitten des Kernes, in
denen bei Betrieb des Kernes die Richtung des Magnetflusses quer zur magnetischen
Vorzugsrichtung der Bleche verläuft, die Verluste sowie magnetostriktiven Kräfte
möglichst gering sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bleche
nur in den Abschnitten des Kernes, in denen bei Betrieb des Kernes die Richtung
des Magnetflusses quer zur magnetischen Vorzugsrichtung der Bleche verläuft, mit
einem Überzug aus /1-Kalziurnorthosilikat versehen sind. Zur Herstellung der Eisen-Silizium-Bleche
für einen erfindungsgemäß ausgestalteten Magnetkern werden erfindungsgemäß die noch
keiner Rekristallisationsglühung unterworfenen Bleche in den Abschnitten, in denen
später die Richtung des Magnetflusses quer zur magnetischen Vorzugsrichtung verläuft,
mit einem Kalziumhydroxidüberzug versehen und dann ungefähr 2 bis B Stunden lang
in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur von ungefähr 900 bis
1250°C geglüht.
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Uberraschenderweise werden bei Vorhandensein eines aus il-Kalziumorthosilikat
bestehenden Überzuges auf den Abschnitten des Kernes, in denen bei Betrieb des Kernes
die Richtung des Magnetflusses quer zur magnetischen Vorzugsrichtung verläuft, die
Verluste sowie die enagnetostriktiven Kräfte in diesen Bereichen sehr stark herabgesetzt.
Darüber hinaus bewirkt der Überzug aus f-Kalziumorthosilikat gleichzeitig auch noch
eine Verminderung der Wirbelstromverluste.
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Bei der Herstellung von Eisen-Silizium-Blechen für einen Magnetkern
nach der Erfindung werden die noch keiner Rekristallisationsglühung unterworfenen
Bleche in den Abschnitten, in denen später die Richtung des Magnetflusses quer zur
magnetischen Vorzugsrichtung verläuft, zunächst mit einem Kalziumhydroxidüberzug
versehen. Der Kalziumhydroxidüberzug kann beispielsweise durch Rufpinseln einer
wäßrigen Aufschwemmung von Kalziumhydroxid, durch Eintauchen in eine wäßrige Aufschwemmung
aus Kalziumhydroxid, durch Aufstäuben von pulverförmigem Kalziumhydroxid oder auf
elektrolytischem Wege aufgebracht werden. Falls eine wäßrige Aufschwemmung von Kalziumhydroxid
aufgebracht wird, ist es ;weckmäßig, die Aufschwemmung vor der abschließenden Rekristallisationsglühung
an der Luft zu trocknen, beispielsweise ungefähr 1 Minute lang bei annähernd 200'C.
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Die abschließende Rekristallisationsglühung der Eisen-Silizium-Bleche
erfolgt üblicherweise bei Temperaturen zwischen etwa 200 und 1250'C und dauert
je nach der angewendeten Aufeinanderfolge von Erwärmungs- und Abkühlungsschritten
und dem dabei angewendeten Temperaturbereich ungefähr 1 bis 8 Stunden. Zur Erzielung
einwandfreier Überzüge aus tl-Kalziumorthosilikat ist es jedoch erforderlich, die
abschließende Rekristallisationsglühung der mit einem Kalziumhydroxidüberzug versehenen
Bleche 2 bis 8 Stunden lang bei einer Temperatur von etwa 900 bis 1250"C vorzunehmen.
Der dabei entstehende f-Kalziumorthosilikatüberzug haftet fest auf den Blechen,
ist feuerfest, zeichnet sich durch gute elektrische Isolierfähigkeit aus und bewirkt
eine Verringerung der Verluste sowie der Magnetostriktion in den Abschnitten, in
denen später die Flußrichtung quer zur Vorzugsrichtung verläuft.
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Es ist unbedingt darauf zu achten, daß auf die Abschnitte der Eisen-Silizium-Bleche,
in denen später die Richtung des Magnetflusses mit der magnetischen Vorzugsrichtung
übereinstimmt, kein f-Kalziumorthosilikatüberzug aufgebracht wird, da sonst die
magnetischen Eigenschaften dieser Blechabschnitte im gleichen Maße verschlechtert
würden, wie die magnetischen Eigenschaften der Blechabschnitte, in denen später
der Magnetfluß quer zur Vorzugsrichtung verläuft, verbessert werden. Die Blechabschnitte,
in denen später die Vorzugsrichtung mit der Flußrichtung übereinstimmt, werden zweckmäßigerweise
mit
einer anderen isolierenden Schicht versehen, beispielsweise mit einer Magnesiumsilikatschicht.
Zweckmäßigerweise werden also die noch keiner Rekristallisationsglühung unterworfenen
Bleche in den Abschnitten, in denen später die Richtung des Magnetflusses quer zur
magnetischen Vorzugsrichtung verläuft, mit einem Kalziumhydroxidüberzug und in den
Abschnitten, in denen später die Richtung des Magnetflusses mit der magnetischen
Vorzugsrichtung übereinstimmt, mit einem Magnesiumhydroxidüberzug versehen und dann
der abschließenden Rekristallisationsglühung unterworfen.
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Die Erfindung wird nun nälivr an Pfand von Beispielen erläutert. Beispiel
l In einem Laboratoriumsversuch wurden »Epstein-Streifen« aus halbfertigem Stahl
mit einem Silizium.-gehalt von 31J.10/() und mit (110) [001]- Textur (der sogenannten
Goss-Textur) hergestellt. Der Ausdruck halbfertig soll besagen, daß die abschließende
Rekristallisations- und Reinigungsglühung noch reicht durch-
geführt worden
ist. Die Streifen wurden mit einer wäßrigen Aufschivemmung von Kalziumhydroxid überzogen,
die 0,07 g pro 100 1m'2 Wog und eine Dicke von 0,005 min auf jeder Seite aufwies.
Die Streifen wurden dann an der Luft getrocknet, so daß das Wasser verdunstete.
wurden die Streifen 8 Stunden lang in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre bei
1175"C geglüht. Der entstandene Uberzug aus i;-Ktilzirimoi-thosilikat besaß eine
Dicke von etwa 0,0025 mm. Epstein-Streifen aus dem gleichen Stahlblock wurden ebenfalls
mit Magnesiumhydroxid Überzogen und in der gleichen Weise behandelt. Der entstandene
Überzug bestand aus Magriesiumsilikat. Nicht überzogene Streifen aus dein gleichen
Stahlblock wurden in der gleichen Weise behandelt, damit man einen Vergle'ch ziehen
konnte. Die nicht Überzogenen Vergleichsproben besaßen ursprünglich einen dünner(
Fifm aus Alumiriumo;;id (A1.20:)) auf der Oberfläche, Aa- als Trennschicht diente.
Der Film 1-Fiiftetc nicht an den Proben und diente nicht als Isoliertang. Der öberzugsfilm
fiel nach der Wärmebehandlung ab und lief`: die abschließend behandelten Streifen
unbedeckt zurück. Alle Streifen wurden dann einzeln auf ihre Wattverluste und ihre
Magnetostriktion geprüft. Die Ergebnisse der Prüfungen werden in der nachstehenden
Tabelle 1 zusammengestellt. Die angegebenen Werte sind Durchschnittswerte, die aus
der Prüfung von sieben Proben ermittelt wurden.
| Tabelle 1 |
| Magnetische Eigenschaften quer zur Texturrichtung |
| Kernverlust Magneto- |
| bei striktion bei |
| 1;7berzug 12 500 Gauß 12. 500 Gauß |
| (Watt/kg) (10-") |
| Ohne . . . . . . . . . . . . . . 2,0 10,0 |
| /i-Kalziumorthosilikat ..... 1,8 4,8 |
| Magnesiumsilikat ......... 2,3 12,0 |
Tabelle 1 zeigt deutlich, daß die Kernverluste der Streifen quer zur Texturrichtung
bei einem Überzug aus /t-Kalziuniorthosilikat um etwa 100/() geringer sind als bei
den nicht überzogenen Streifen, während die Magnetostriktion um mehr als 50% geringer
ist. Die Streifen mit einem Vberzu.Ü aus Magnesiumsilikat zeigten ein durchschnittliches
Anwachsen der Kernverluste von mehr als 100,/o verglichen mit den Vergleichsproben,
während die Magnetostriktion um etwa 20% zunahm.
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Beispiel 2 Ein anderer Gußblock aus halbfertigem Silizitimstahl mit
einem Siliziurngehalt von 31/1% mit der gleichen Textur wie der des Beispiels 1
wurde in Epstein-Streifen quer zur Texturrichtung geschnitten, die mit Kalziumhydroxid
oder mit Magnesiumhydroxid überzogen und nachfolgend in der im Beispiel 1 beschriebenen
Weise behandelt wurden, mit dem Unterschied, daß die Proben aus diesem Gußblock
bei etwa 980'-C 8 Stunden lang geglüht wurden. Die Uberzüge aus /3-Kaliiumortliosilikat
waren annähernd 0,0025 mm stark. Auch in diesem Fall wurden nicht überzogene Proben
zum Vergleich hergestellt. Alle Proben wurden dann auf ihre Kernverluste in Bündeln
von 20 Stück geprüft und nicht einzeln wie im Beispiel 1. Messungen der Magnetostriktion
wurden in diesem Fall nicht durchgeführt. Die Ergebnisse der Prüfungen sind in der
nachstehenden Tabelle
11 zusammengestellt.
| Tabelle 11 |
| Magnetische Eigenschaften quer zur Texturrichtung |
| Kerr(verlust |
| Überzug bei 15 00 Gaus3 |
| (Watt, kg) |
| Ohne ....................... 3,9 |
| )'-Kalziuinortliosilikat ......... 3,7 |
| Magnesiumsilikat ............. 4,0 |
Tabelle 11 zeigt, daß sich die Proben mit einem Überzug aus /3-Kalzitirnorthosilikat
hinsichtlich ihrer Wattverluste vorteilhaft von den anderen unterscheiden, daß aber
die Verbesserung nicht so groß war wie bei Glühen bei höheren Temperaturen nach
Beispiel 1. Die Proben mit einem Überzug aus Magnesiumsilikat wiesen ein leichtes
Ansteigen der Kernverluste auf.
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Um die größtmöglichen Vorteile aus dem Öberziehen mit '3-Kalziumorthosilikat
zu erzielen, sollte das abschließende Glühen, das dem Kristallwachstum und der Reinigung
dient, bei möglichst hohen Temperaturen im Bereich der üblicherweise zu diesem Zweck
angewendeten stattfinden. Der bevorzugte Bereich liegt zwischen 1100 und 1250°C.
Befriedigende Ergebnisse sind innerhalb dieses Bereichs in nur 2 Stunden erhalten
worden. Vergleichbare magnetische Eigenschaften quer zur Texturrichtung können bei
Temperaturen bis herunter zu etwa 901i ` bei längerem Glühen erzielt werden.
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Die Überzüge aus dem (3-Kalziumorthositikat nach der Erfindung, die
aus Kalziumhydroxid geliefert werden, genügen den üblichen Anforderungen an die
Isolierfähigkeit derartiger Überzüge. Sie besitzen »Franklin-Werte« zwischen 0,2
und 0,4 A, wie die normierte Franklin-Prüfung zur Ermittlung der Isolierfähigkeit
ergab. Bei dieser Prüfung zeigt eine Ab-Iesung von 1 A an, daß keine Isolierung
nachzuweisen ist und eine Ablesung von 0 A, daß die Isolierung ausgezeichnet
ist.
Uberzüge mit Franklin-Werten von 0,4A und weniger werden gewöhnlich als befriedigend
bei Siliziumstählen angesehen, die als flußführende Teile in elektrischen Induktionsmaschinen
verwendet werden. Diese ß-Kalziumorthosilikatfilme besitzen außerdem eine gute Haftfähigkeit
an den Siliziumstählen, die dadurch nachgewiesen wurde, daB man die Proben biegen
konnte, ohne daß der Uberzug sich ablöste oder abschälte.
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Erfindungsgemäß wurde gezeigt, daß die Eisenverluste in elektrischen
Induktionsmaschinen gemindert werden können, wenn man die Eigenschaften der orientierten
Siliziumstähle, die als flußführende Teile verwendet werden, in jenen Gebieten,
in denen der Magnetfluß quer zur Texturrichtung fließt, während des Betriebs des
Geräts in bestimmter Weise regelt. Die vorstehende Beschreibung erläuterte, daß
dieses Ziel durch Auftragen eines Uberzugs aus f-Kalziumorthosilikat erreicht werden
kann, der jene Stellen bedeckt, in denen der Fluß quer zur Texturrichtung verläuft.
Dieser Uberzug besitzt darüber hinaus eine gute Isolierfähigkeit und dient zugleich
als Trennschicht,. d. h., er erfüllt gleichzeitig drei Aufgaben Isolierung der Grundlage,
Verhütung des Verklebens bei hohen Temperaturen und Regelung der Magneteigenschaften
in den gewünschten Gebieten. Folglich ist eine Behandlung nur zur Verbesserung der
magnetischen Eigenschaften quer zur Texturrichtung des Stahls nicht mehr erforderlich,
da üblicherweise bei der Herstellung derartiger Stähle der Isolierstoff vor dem
abschließenden Glühen aufgetragen wird.