DE19844641C1 - Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns für einen Summenstromwandler - Google Patents

Abstract

Ein Ringkern wird plastisch verformt. Dadurch geht die Hystereseschleife (4) des unbehandelten Ringkerns in eine abgeflachte und abgerundete Hystereseschleife (5) über. Der so behandelte Ringkern eignet sich für den Einsatz in einem wechselstrom- und pulsstromsensitiven Summenstromwandler, der für Fehlerstromschutzschaltungen verwendbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns für einen Summenstromwandler, bei dem zunächst der Kern aus einer weichmagnetischen Legierung her­ gestellt wird.

Ein bekanntes Verfahren für die Weiterverarbeitung von Kernen für Summenstromwandler ist die Wärmebehandlung der Kerne im sogenannten Querfeld. Dazu werden die zu behandelnden Kerne zunächst auf Glühstangen aufgefädelt. Die Glühstangen wieder­ um werden in Glühgestelle eingesetzt. Anschließend wird eine mehrstündige Wärmebehandlung bei anliegendem Magnetfeld, dem sogenannten Querfeld, durchgeführt und nach deren Abschluß die Kerne von den Glühstangen abgesetzt. Nach einer derarti­ gen Wärmebehandlung ist in den Kernen eine Vorzugsrichtung für die Magnetisierung ausgebildet. Die Vorzugsrichtung ent­ spricht dabei der Richtung des Querfelds während der Wärmebe­ handlung.

Die so behandelten Kerne weisen bei Magnetisierung quer zur Vorzugsrichtung eine flache Hystereseschleife auf, die sich durch eine geringe Remanenz B_r auszeichnet. Außerdem wird die Sättigungsinduktion erst bei hohen Magnetfeldstärken er­ reicht, so daß sich die Kerne auch für mit einem Gleichstro­ manteil oder Pulsströmen belastete Summenstromwandler eignen.

Da die für die Summenstromwandler verwendeten Ringkerne übli­ cherweise eine Geometrie besitzen, die bei anliegendem Quer­ feld eine starke Entmagnetisierung bewirkt, sind zum einen zur sicheren Einstellung der magnetfeldinduzierten Anisotro­ pie für das Querfeld hohe Feldstärken notwendig sowie zum an­ deren eine möglichst exakt in Reihe liegende Anordnung der Kerne zur optimalen Flußführung während der Wärmebehandlung notwendig.

Aus der DE-AS 10 43 369 ist bekannt, die Sättigungsinduktion eines Magnetkern aus einer Eisen-Nickel-Legierung mit 25 bis 35% Nickel durch plastisches Verformen auf einen gewünschten Wert einzustellen.

In der DE-PS 666 730 ist weiterhin ein Verfahren zur Herstel­ lung von Magnetkernen aus einer Eisen-Nickel-Legierung mit einer von der Gleichstrombelastung unabhängigen Verlustlei­ stung bekannt. Zu diesem Zweck werden die Magnetkerne kalt verformt und bei Temperaturen zwischen 150 bis 400°C ange­ lassen.

Die US 4 809 411 offenbart ein Verfahren, um einen gewic­ kelten Ringbandkern mit kreisförmigen Querschnitt aus einem amorphen Material auf schonende Weise in einen geschlossenen Magnetkern mit rechteckförmigen Querschnitt umzuformen, ohne daß die magnetischen Eigenschaften des Ringbandkerns ver­ schlechtert werden. Durch die Anwendung dieses Verfahrens ist es sogar möglich, die Sättigungsinduktion des Ringbandkerns zu verbessern.

Aus der GB 1 505 079 geht schließlich ein Wickelverfahren hervor, mit dem sich Ringbandkerne aus einem Siliziumstahl wickeln lassen. Der gewickelte Magnetkern wird anschließend bei hohen Temperaturen angelassen, wobei sich zwischen den Windungen des Ringbandkerns Schmelzbrücken ausbilden können. Um die Schmelzbrücken, über die Wirbelströme fließen können, aufzubrechen, wird vorgeschlagen, den Ringbandkern nach der Anlaßbehandlung zu stauchen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und preiswertes Verfahren zur Herstellung von für Summenstromwandler geeigneten Kernen zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kern durch plastische Verformung für die Verwendung in dem Summenstromwandler tauglich gemacht wird.

Überraschenderweise ist es möglich, durch einfaches plasti­ sches Verformen eine abgerundete und flache Hystereseschleife in einem Kern zu erzeugen. Eine physikalische Erklärung die­ ses Effekts steht im Augenblick noch aus. Es wird jedoch ver­ mutet, daß durch die aufgrund der plastischen Verformung her­ vorgerufenen Versetzungen im Kristallgitter Spannungsfelder entstehen, die die Bewegung der Blochwände behindern, so daß sich im Ergebnis eine abgerundete und flache Hystereseschlei­ fe mit geringer Remanenz ergibt.

Durch die abgerundete Form der Hystereseschleife führt jede Änderung des angelegten Magnetfelds zu einer Änderung der ma­ gnetischen Induktion im Kern, so daß beim Einsatz in einem Summenstromwandler auch dann ein Ausgangssignal erzeugt wird, wenn der Summenstromwandler mit einem Gleichstromanteil vor­ belastet ist.

In einem gewissen Umfang hat die plastische Verformung auch eine Verminderung der Anfangspermeabilität zur Folge. Die Verminderung der Anfangspermeabilität bewegt sich jedoch in einem vertretbaren Rahmen. Insbesondere ist es möglich, durch Erhöhung der Sekundärwindungszahl sowie durch eine Verringe­ rung des Lastwiderstandes auf der Sekundärseite und einer größeren Verstärkung durch die Verstärkerschaltung die Ver­ minderung der Anfangspermeabilität zu kompensieren.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens führt somit zu einem für den Einsatz in Summenstromwandlern geeigneten weichmagnetischen Kern. Das erfindungsgemäße Verfahren hat dabei den Vorteil, daß es wesentlich preiswerter als die Wär­ mebehandlung im Querfeld durchführbar ist, denn die erforder­ liche plastische Verformung kann mit einfachsten Mitteln vor­ genommen werden.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im einzelnen anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Ringkern vor und nach der plastischen Verfor­ mung;

Fig. 2 die Hystereseschleife eines behandelten und eines unbehandelten Kerns bei einem mit 50 Hz sinusförmig oszillierenden Magnetfeld;

Fig. 3 die Änderung der Induktivität von Ringkernen in Ab­ hängigkeit von der Verformung der Kerne bei Gleich­ stromvorbelastung und ohne Gleichstromvorbelastung;

Fig. 4 die Änderung der Koerzitivfeldstärke H_c als Funkti­ on der Frequenz bei unbehandelten Ringkernen und bei plastisch verformten Ringkernen; und

Fig. 5 die Änderung der Remanenz B_r als Funktion der Fre­ quenz bei unbehandelten und plastisch verformten Ringkernen.

Fig. 1 zeigt einen massiven Ringkern 1 aus einer Nickelle­ gierung mit einem Nickelgehalt von mehr als 40%. Derartige Ringkerne 1 eignen sich für den Einsatz in Summenstromwand­ lern in elektrischen Schutzschaltern. Im allgemeinen besteht ein derartiger Summenstromwandler aus dem mit einer Sekundär­ wicklung bewickelten Ringkern 1, durch den zwei Netzstromlei­ ter als Primärwicklung laufen. Der Netzstrom wird dabei übli­ cherweise als Einleiter antiparallel durch den Ringkern 1 ge­ führt. Wenn der zum Verbraucher fließende Strom sowie der vom Verbraucher zurückfließende Strom gleich groß sind, wird in der Sekundärwicklung keine Spannung induziert. Falls jedoch die Differenz der beiden Ströme und damit der Fehlerstrom ei­ nen bestimmten Grenzwert überschreitet, wie es beispielsweise bei gleichzeitiger Berührung von Personen mit einem Netz­ stromleiter und einem geerdeten Gegenstand vorkommen kann, wird in der Sekundärwicklung eine Spannung induziert, die durch eine nachgeschaltete Verstärkerschaltung verstärkt wird und die das Auslösen eines Relais und damit das Unterbrechen des Netzstroms bewirkt.

Durch die zunehmende Zahl von Verbrauchern, die sinusförmige Ströme mit Gleichstromanteil sowie Pulsströme aufnehmen, be­ steht auch ein Bedarf an pulsstromsensitiven Fehlerstrom­ schutzschaltungen. Dies bedeutet jedoch, daß die Hysterese­ schleife des in dem Summenstromwandler verwendeten Ringkerns 1 so beschaffen sein muß, daß unabhängig von der momentanen Lage des Arbeitspunkts auf der Hystereseschleife mit einer Änderung des äußeren Magnetfelds eine signifikante Änderung der magnetischen Induktion verknüpft sein muß, so daß auch dann in der Sekundärwicklung eine Spannung induziert wird, wenn der Summenstromwandler mit einem Gleichstromanteil vor­ belastet ist.

Der in Fig. 1 dargestellte unverformte Ringkern 1 weist ei­ nen Außendurchmesser a₁ von 14,1 mm und einen Innendurchmes­ ser von 12,8 mm auf. Die Wandstärke des Ringkerns 1 beträgt somit 0,65 mm. Üblicherweise wird die Wandstärke im Verhält­ nis zum mittleren geometrischen Durchmesser des Ringkerns 1 so gewählt, daß die Wandstärke nicht kleiner als das 0,01- fache und nicht größer als das 0,5-fache des mittleren geome­ trischen Durchmessers ist. Unter mittlerem geometrischem Durchmesser wird dabei der Durchmesser der Mittellinie des Ringkerns 1 verstanden. Die Höhe des Ringkerns 1 beträgt 3,9 mm.

Außerdem ist in Fig. 1 ein plastisch verformter Ringkern 2 dargestellt, der in einem oder mehreren Schritten zu dem Ringkern 2 mit ellipsenförmigem Querschnitt verformt worden ist. In Fig. 1 wurde der kleine Außendurchmesser des ellip­ senförmig verformten Ringkerns 2 mit a₂ bezeichnet. Die Dif­ ferenz der Außendurchmesser a₁ und a₂ wird nachfolgend als Δda bezeichnet.

Die plastische Verformung des Ringkerns 1 kann grundsätzlich auf jede beliebige Art vorgenommen werden. Im einfachsten Fall wird der Ringkern 1 aus einer definierten Fallhöhe fal­ lengelassen, so daß er mit einer Außenfläche 3 auf eine Un­ terlage aufprallt und dadurch plastisch verformt wird. Der Umfang der plastischen Verformung ist dabei über die Fallhöhe einstellbar. Dieses Verfahren führt zu einer mit hoher Genau­ igkeit bestimmten plastischen Verformung des Ringkerns 1 und ist aufgrund seiner besonderen Einfachheit besonders kosten­ günstig.

Da der Ringkern 1 auf seiner Außenfläche 3 auftreffen soll, darf sich seine Ausrichtung während eines Falls nicht verän­ dern. Dies begrenzt die Fallhöhe auf etwa einen 1 m, denn bei größeren Fallhöhen ändert sich häufig die Ausrichtung des Ringkerns 1, so daß die Ausschußrate steigt. Die Begrenzung der Fallhöhe bedingt notwendigerweise eine beschränkte Durch­ messeränderung Δda, die beim Ringkern 1 im Verhältnis zur mittleren Eisenweglänge des Ringkerns 1 kleiner als 0,01 sein sollte.

Falls eine stärkere plastische Verformung erforderlich ist, ist es notwendig, den Fall des Ringkerns 1 mit größeren Fall­ höhen im Vakuum durchzuführen oder den Ringkern 1 mehrmals aus definierten Fallhöhen auf seine Außenfläche 3 aufprallen zu lassen oder den Ringkern 1 durch eine Preßvorrichtung zu verformen.

Die plastische Verformung kann aber auch dadurch durchgeführt werden, daß eine Vielzahl von Ringkernen 1 in eine sich um eine horizontale Achse drehende Trommel eingebracht werden. In diesem Fall ist die Zeit der Trommelbehandlung ein Maß für die gewünschte plastische Verformung. Bei diesem Verfahren ist die Streuung der plastischen Verformung verhältnismäßig groß, aber dafür ist es möglich, eine Vielzahl von Ringkernen 1 in einem einzigen Verfahrensschritt plastisch zu verformen.

Durch die plastische Verformung ändert sich die Hysterese­ schleife des weichmagnetischen Ringkerns 1. Dies wird anhand der Fig. 2 veranschaulicht. In Fig. 2 ist mit einer gestri­ chelten Linie eine Hystereseschleife 4 des unbehandelten Ringkerns 1 und mit einer durchgezogenen Linie eine weitere Hystereseschleife 5 des plastisch verformten Ringkerns 2 dar­ gestellt. Sowohl die Hystereseschleife 4 als auch die Hyste­ reseschleife 5 sind mit einem mit 50 Hz sinusförmig oszillie­ renden äußeren Magnetfeld aufgenommen worden. Anhand Fig. 2 wird erkennbar, daß die Hystereseschleife 5 des plastisch verformten Ringkerns 2 im Vergleich zur Hystereseschleife 4 des unbehandelten Ringkerns 1 einen flachen und verrundeten Verlauf aufweist. Dies hat zur Folge, daß unabhängig von der Lage des momentanen Arbeitspunktes auf der Hystereseschleife jede Änderung des äußeren Magnetfelds zu einer Änderung der magnetischen Induktion im plastisch verformten Ringkern 2 führt. Dies bedeutet aber, daß jede Änderung des Fehlerstroms im Summenstromwandler ein Ausgangsspannungssignal induziert. Der plastisch verformte Ringkern 2 eignet sich somit zum Ein­ satz in wechselstrom- und pulsstromsensitiven Summenstrom­ wandlern, die in zahlreichen Schutzstromschaltungen Verwen­ dung finden.

Daß die durch die plastische Verformung verursachte Änderung der magnetischen Eigenschaften des Ringkerns 1 durchaus re­ produzierbar ist, wird anhand der Fig. 3 deutlich, in der die Induktivität in Abhängigkeit von der Änderung Δda des Au­ ßendurchmessers dargestellt ist. Zu diesem Zweck wurden vier Exemplare des Ringkern 1 in mehreren Schritten zunehmend ver­ formt und jeweils anschließend die Induktivität A_L0 ohne Gleichfeldvorbelastung und der Induktivität A_LV mit einer Gleichfeldvorbelastung von H_DC = 120 mA/cm gemessen. Die ge­ punkteten Linien 6 in Fig. 2 stellt dabei den Verlauf der Induktivität A_L0 ohne Gleichfeldvorbelastung dar, während die durchgezogenen Kurven 7 den Verlauf der Induktivität A_LV un­ ter einer Gleichfeldvorbelastung andeuten. Sowohl die Induk­ tivität A_L0 ohne Gleichfeldvorbelastung als auch die Indukti­ vität A_LV mit Gleichfeldvorbelastung wurden bei einem mit 50 Hz oszillierenden Wechselmagnetfeld gemessen.

In Fig. 3 ist der gleichförmige Verlauf der Induktivitäten A_L0 und A_LV deutlich zu erkennen. Für alle vier Exemplare des Ringkerns 1 fällt die Induktivität A_L0 zunächst bei kleiner Verformung stark ab, um dann ab einer Durchmesseränderung von Δda < 0,2 mm nur noch wenig abzunehmen. Die Induktivität A_LV nimmt unabhängig von der Verformung nur geringfügig ab und bleibt somit im wesentlichen konstant.

Zum Nachweis, daß der beschriebene Effekt der Verrundung der Hystereseschleife 4 durch die plastische Verformung des Kerns 1 nicht nur ein singulärer bei einer Meßfrequenz von 50 Hz auftretender Effekt ist, wurde der Frequenzgang der für die Hystereseschleife 5 charakteristischen Remanenz B_r sowie der Koerzitivfeldstärke H_c bei einem Ringkern 2 mit einer Durch­ messeränderung von Δda ≈ 0,2 mm im Vergleich zu dem nicht verformten Ringkern 1 gemessen. Das Ergebnis ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt.

Fig. 4 zeigt mit der gestrichelten Kurve 8 den Verlauf der Koerzitivfeldstärke H_c für den unbehandelten Ringkern 1, und mit der durchgezogenen Linie 9 den Verlauf der Koerzitivfeld­ stärke des plastisch verformten Ringkerns 2. In Fig. 4 ist deutlich zu erkennen, daß die Koerzitivfeldstärke H_c unter­ halb von 10 Hz bei dem plastisch verformten Ringkern 2 größer als bei dem unbehandelten Ringkern 1 ist. Oberhalb von 10 Hz liegt die Koerzitivfeldstärke H_c beim plastisch verformten Ringkern 2 jedoch geringfügig unterhalb der Koerzitivfeld­ stärke H_c des unbehandelten Ringkerns 1. Diese Tatsache zeigt deutlich, daß der Wert für die Koerzitivfeldstärke H_c bei Frequenzen oberhalb von 10 Hz und insbesondere bei 50 Hz maß­ geblich von Wirbelstromeffekten bestimmt ist.

In Fig. 5 ist mit Hilfe der gestrichelten Linie 10 der Ver­ lauf der Remanenz B_r des unbehandelten Ringkerns 1 als Funk­ tion der Frequenz eingetragen. In gleicher Weise stellt die durchgezogene Linie 11 den Verlauf der Remanenz B_r des pla­ stisch verformten Ringkerns 2 dar. Aus Fig. 5 wird deutlich, daß die Remanenz B_r beim unbehandelten Ringkern 1 mit wach­ sender Frequenz kontinuierlich zunimmt, wohingegen die Rema­ nenz B_r erst bei Frequenz oberhalb von 60 Hz stark ansteigt. Insbesondere ist in Fig. 5 erkennbar, daß bei einer Frequenz von 50 Hz die Remanenz des plastisch verformten Ringkerns 2 bei etwa 250 mT liegt. Der Wert für die Sättigungsinduktion liegt beim unbehandelten Ringkern 1 bei ungefähr 750 mT. Auch wenn man berücksichtigt, daß die Sättigungsinduktion beim plastisch verformten Ringkern 2 kleiner als die Sättigungsin­ duktion des unbehandelten Ringkerns 1 ist, läßt sich aus Fig. 5 ablesen, daß sich zumindest für Frequenzen unterhalb von 1 kHz eine verrundete Hystereseschleife für den plastisch verformten Ringkern 2 ergibt.

Die durch plastische Verformung des Ringkerns 1 abgeflachte und verrundete Hystereseschleife 5 bleibt auch dann erhalten, wenn der Ringkern 2 in die ursprüngliche Kreisform zurückge­ bogen wird. Insofern ist es möglich, die alte Form des unbe­ handelten Ringkerns 1 durch Zurückbiegen wieder herzustellen, wenn aus konstruktiven Gründen eine Abweichung von der Kreis­ form nicht zulässig ist.

Es sei angemerkt, daß nicht nur die Hystereseschleife 4 der massiven Ringkerne 1 durch eine plastische Verformung des Ringkerns 1 abgeflacht und abgerundet werden kann. Gewickelte Ringbandkerne können beispielsweise um eine in radialer Rich­ tung verlaufende Achse abgeknickt und auf diese Weise pla­ stisch verformt werden. Auch die durch Stauchen der Höhe des Ringbandkerns bewirkte plastische Verformung führt zu einer flachen und verrundeten Hystereseschleife.

In gleicher Weise ist es möglich, aus einem weichmagnetischen Material ausgestanzte Scheiben, die aufeinander gestapelt ei­ nen Ringkern ergeben, durch Abknicken der Scheiben um eine in radialer Richtung verlaufende Achse plastisch zu verformen und so die Hystereseschleife des Ringkerns für die Verwendung in Summenstromwandlern tauglich zu machen. Die Wirkung der plastischen Verformung auf die Hystereseschleife ist aller­ dings um so besser, je dicker die Wandstärke des verwendeten weichmagnetischen Materials ist.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns für einen Summenstromwandler, bei dem zunächst der Kern aus einer weichmagnetischen Legierung hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern durch plastische Verformung für die Verwendung in dem Summenstromwandler tauglich gemacht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern als massiver Ringkern (1) mit einem Nickelgehalt < 40% hergestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Ringkerns (1) im Verhältnis zum mitt­ leren geometrischen Durchmesser des Ringkerns (1) nicht klei­ ner als das 0,01-fache und nicht größer als das 0,5-fache des geometrischen mittleren Durchmessers gewählt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern als Ringbandkern hergestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern von ausgestanzten aufeinander gestapelten Ringscheiben gebildet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern (1) durch eine in radiale Richtung wirkende und den Durchmesser des Ringkerns (1) verändernde Kraft pla­ stisch verformt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach der plastischen Verformung die Änderung des mittle­ ren geometrischen Durchmessers im Verhältnis zur mittleren Eisenweglänge des Ringkerns (1) kleiner als 0,01 ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern (1) durch einen Fall auf die Außenfläche (3) plastisch verformt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Ringkernen (1) durch Abrollen in einer sich um eine horizontale Achse drehenden Trommel plastisch verformt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern (1) durch Abknicken des Ringkerns (1) ent­ lang einer in radialer Richtung verlaufenden Achse plastisch verformt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern (1) durch eine entlang der Rotationsachse wirkenden Kraft in der Höhe gestaucht wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkern (1) in seine ursprüngliche Form zurückgebo­ gen wird.