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Verfahren zum Herstellen von Bandkernen
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Bandkernen
aus einer Legierung aus 61 bis 67 Gewichts-5/o Nickel, 2 bis 4 Gewichts-% Molybdän,
Rest Eisen, einschließlich geringer Desodydations- und Verarbeitungszusätze, wobei
die erschmolzene Legierung zunächst heiß und dann unter Einschaltung wenigstens
einer Zwischenglühung kalt zu einem 0,01 bis 0,1 mm dickem Band gewalzt, aus diesem
Band ein Bandkern gewickelt, dieser einer wenigstens 1-stündigen Schlußglühung bei
wenigstens 9000C unterzogen und dann bei einer Temperatur zwischen 3000C und d.er
Curietemperatur des Banimaterials einer Anlaßbehandlung in einem in Bandebene senkrecht
zur Walzrichtung des Bandes verlaufenden Magnetfeld unterworfen wird.
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Ein Verfahren zur Herstellun, einer Nickel-Eisen-Molybdän-Legierung
bestehend aus 61 bis 67 Gewichts-% Nickel, 2 bis 4 Gewichts-% Molybdän, Rest Eisen,
einschließlich geringer Desoxydations- und Verarbeitunzszusätze zur
Verwendung
für Magnetkerne für Drosseln und ImDulsübertrager mit einem Induktionshub von 0,5
bis 1,25 T und günstiger Impulspermeabilität, bei dem ein 0,1 bis 0,003 mm dickes
Band aus dieser Legierung oder ein darmrs hergestellter Magnetkern nach einer 4
bis 6-st,ündigen Glühung bei 950 bis 1220°C einer 3 bis =-stündigen Anlaßbehandlung
bei 400 bis 50000 in einem Magnetfeld unterworfen wird, dessen Feldlinien in dem
behandelten Gut quer ZU der späteren Richtung des magnetischen Flusses, das heißt,
quer zur Walzrichtung des Bandes verlaufen, ist aus der DE-PS 15 58 818 bekannt.
Das zum Wickeln des Kernes verwendete Band wird dabei zunächst heiß und dann unter
Einschaltung nicht näher spezifizierter Zwischenglühungen auf die Enddicke kalt
gewalzt.
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Die nach diesem Verfahren hergestellten Kerne, die sich durch sehr
flache Hystereseschleifenauszeichen, haben verhältnismäßig hohe Impulspermeabilitäten,
die in Abhänzigkeit vom Induktionshub zunächst einen nahezu konstanten Verlauf zeigen,
jedoch bei Einmündung in die Sättigung entsprechend einem Induktionshub von etwa
0,8 T rasch auf verhältnismäßig kleine Werte unterhalb von etwa 4000 abfallen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Impulspermeabilitäten von nach dem
eingangs erwähnten Verfahren hergestellten Bandkernen bei Induktionshüben von 1
T und mehr zu erhöhen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird beim eingangs erwähnten Verfahren erfindungsgemäß
im Bandmaterial durch entsprechende Zwischenglühung und Schlußverformung vor und
Schlußglühung nach dem Wickeln des Kernes ein anisotropes Gefüge mit Vorzugsrichtung
<001> in Walzrichtung erzeugt.
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Durch diese Behandlung wird der durch das Anlassen im magnetischen
Querfeld erzeugten magnetischen Vorzugsrichtung senkrecht zur Walzrichtung und damit
senkrech zum späteren magnetischen Fluß in sandkern eine weitere Vorzugerichtung
überlagert, die parallel zur Walzrichtung und damit in Richtung des späteren magnetischen
Flußes im Bandkern verläuft Man erreicht dadurch überraschendenielse bei Induktionshüben
von 1 T Impulspermeabilitäten von 4000 und mehr.
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Besonders hohe Impulspermeabilitäten und Induktionshübe werden im.
Legierungsbereich von 63 bis 65,5 Gewichts-% Nickel erreicht. Die Legierungen können
zusätzlich die üblichen Desoxydations- und Verarbeitungszusätze enthalten, beispielsweise
0,2 bis 1 Gewichts-% Mangan, 0,05 bis 0,3 Gewichts-% Silizium sowie andere Zusätze
wie Magnesium, Calcium oder Cer in engen von weniger als 0,5 Gewichts-%.
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Der Anteil der in Vorzugsrichtung- ausgerichteten Kristallite am gesamten
Gefüge sollte vorzugsweise wenige stens 20 % betragen.
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Das Gefüge mit Vorzugsrichtung in Walzrichtung kann vorteilhaft eine
Würfeltextur (100)<100> sein, wobei die ausgerichteten Kristallite im polykristallinen
Material mit der Würfel ebene parallel zur Walzebene und mit den Würfelkanten parallel
und senkrecht zur Walzrichtung liegen. Ferner kommt auch ein Gefüge in Frage, das
vorzugsweise magnetisch günstige Kristallkörner in (210) <100>-Lage enthält.
Bei dieser Lage liegt die (210)-Ebene parallel zur Walzebene und die <100>-Richtung
parallel zur Walzrichtung.
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Einen Bandkern mit anisotropem Gefüge mit Vorzugsrichtung <100>
in Walzrichtung erhält man vorteilhaft dadurch, daß die Schlußverformung wenigstens
90 % beträgt und das Band vorher bei einer Temperatur oberhalb 6000C und unterhalb
der mit wachsendem Schlußverformungsgrad ansteigenden Temperaturgrenze zwischengeglüht
wird, oberhalb der sich ein Gefüge bildet, aus den bei der Schlußglühung, ein feinkörniges
isotropes Gefüge entsteht. Der Verlauf der erwähnten Temperaturgrenze wird später
noch genauer erläutert werden.
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Die im Gefüge entstehende Textur hängt von der Temperatur der Schlußglühung
ab. Bei einer Schlußglühung zwischen 900 und 1050°C erhält man die Würfeltextur
(100) 40012, bei einer Schlußglühung zwischen 1050 und 12000C ein Gefüge, das bevorzugt
Körner in (210)<001> -Lage enthält. Die Schlußglühung soll, wie bereits erwähnt,
wenigstens 1 Stunde, vorzugsweise 2 Stunden, dauern.
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Auch die Zwischenglühung sollte wenigstens 1 Stunde, vorzugsweise
2 bis 5 Stunden, dauern.
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Bei der Anlaßbehandlung im magnetischen Querfeld, durch die eine atonare
Überstruktur mit Vorzugsrichtung in Bandebene senkrecht zur Walzrichtung erzeugt
wird, sollte der Bandkern vorzugsweise wenigstens 30 Minuten lang im Temperaturbereich
zwischen etwa 3000C und der Ourietemperatur gehalten werden. Vor dem Anlassen kann
dabei über die Curietemperatur des Bandes erwärmt werden, um einen eventuell vorausgegangenen
Anlaßzustand auszulöschen.
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Tm. einzelnen gibt es fiir die Anlaßhehandlung verschiedene Möglichkeiten.
So kann man etwa das Bandmaterial im Ofen von der Curietemperatur oder einer Temperatur
oberhalb
derselben mit Abkühlungsgeschwindigkeiten von 300°C pro Stunde und weniger auf etwa
200°C und enschließend ohne Kontrolle der Abkühlungsgeshcwindigkeit weiter abkühlen
lassen.
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Ferner kann man im Ofen zunächst von etwa 5500C, beispielsweise mit
einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 200°C pro Stunde, auf Anlaßtemperatur abkühlen
und die Bandkerne dann wenigstens 0,5, vorzugsweise 4, Stunden auf einer unterhalb
der Curietemperatur liegenden Anlaßtemperatur halten und schließlich weiter im Ofen
abkühlen.
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Weiterhin kann man auch zunächst ohne Querfeld im Ofen von etwa 55000
auf etwa 5000C abkühlen, wenigstens etwa 1 Stunde lang bei dieser Temperatur tempern
und anschließend durch schnelles Abkühlen außerhalb des Ofens rberschußleerstellen
einfrieren. Die anschließende Anlaßbehandlung im magnetischen Querfeld kann dann
beispielsweise bei Temperaturen von etwa 3000C bis 4500C erfolgen und vorzugsweise
mehrere Stunden dauern.
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Das bei der Anlaßbehandlung angelegte magnetische Feld sollte das
Bandmaterial vorzugsweise annähernd sättigen, wobei das innere Feld im Material
wenigstens etwa 5 A/cm betragen sollte.
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Anhand einiger Figuren und Ausführungsbeispiele soll die Erfindung
noch näher erläutert werden.
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Figur 1 zeigt den Verlauf der bereits erwähnten Temperaturgrenze für
die Zwischenglühtemperatur in Abhängigkeit vom Schlußverformungsgrad.
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Figur 2 zeigt die Impulspermeabilität in Abhängigkeit vom Induktionshub
für verschiedene nach dem anmeldungsgemäßen Verfahren hergestellte Bandkerne.
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Figuren 3 und 4 zeigen dynamische Hystereseschleifen bei einer Frequenz
von 50 Hz für nach dem anmeldungsgemäßen Verfahren hergestellte Bandkerne. Figur
5 zeigt zum Vergleich eine entsprechende Hystereseschleife für einen nach dem bekannten
Verfahren gemäß DE-PS 15 58 818 hergestellten Bandkern.
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Zunächst soll anhand von Figur 1 die Gefüge ausbildung kurz erläutert
werden: Bei polykristallinen Nickel-Eisen-Molybdän-Legierungen mit 61 bis 67 Gewichts-%
Nickel, 2 bis 4 Gewichts-% Molybdän, Rest Eisen, kann eine Textur erzeugt werden,
bei der die Kristallite mit der Würfelebene parallel zur Walzebene und mit den Würfelkanten
parallel und senkrecht zur Walzrichtung liegen. Da die Würfelkante eine Richtung
leichter Magnetisierbarkeit ist, hat die Würfeltextur (100) 4001> daher längs
und quer magnetische Vorzugsrichtungen. Sie werden vorzugsweise nach hoher Kaltverformung
von etwa 90 bis 99 96 und nach einer Schlußglühung im Temperaturbereich von 900
bis 10500C erhalten, unter der Voraussetzung, daß die Erwärmungs-bzw. Zwischenglühtemperatur
vor der Schlußverformung oberhalb 600°C aber unterhalb der in Figur 1 gestrichelt
eingezeichneten Temperaturgrenze 1, also im Gebiet A, liegt. In Figur 1 ist an der
Ordinate die Zwischenglühtemperatur T z in °G und an der Abszisse der Schlußverformungsgrad
in % aufgetragen. Die Schärfe der Würfeltextur wird im allgemeinen umso besser,
je höher der Schlußverformungsgrad und je feinkörniger das Ausgangs-
gefüge
vor der Schlußverformung ist, das heißt, je näher T z bei der Rekristallisationstemperatur
von etwa 6000C liegt. Wählt man eine Zwischenglühtemperatur im Gebiet B oberhalb
der Temperaturgrenze 1, so erhält man nach der Schlußglühung ein feinkörniges isotropes
Gefüge. Die Gebiete A und B lassen sich gegeneinander nicht völlig exakt abgrenzen,
weshalb die Temperaturgrenze 1 schraffiert gezeichnet ist. Der Grenzbereich kann
sich beispielsweise abhängig von der Menge der Schlackenteilchen in der Schmelze
oder auch abhängig von Zusätzen, insbesond.ere -eringen Mengen Aluminium und Molybdän,
etwas verschieben. Die Grundtendenzen bleiben dabei jedoch erhalten.
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Glüht man ein Material, das bei Schlußglähtemperaturen von 900 bis
10500C Würieltextur zeigt, im Temperaturbereich von 1050 bis 12000C, dann erhält
man ein Gefüge, das vorzugsweise Körner in (210) <001>-Lage enthält.
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Diese Lage erkennt man im Schliffbild insbesondere an den Zwillingsstreifen,
die in einem Winkel yon + 370 oder seltener + 660 zur Walzrichtung liegen.
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Außer bei Zwischenglühtemperaturen im Gebiet B erhält man nach der
Schlußglühung auch dann ein feinkörniges isotropes Gefüge, wenn man einen in Figur
1 nicht mehr dargestellten Schlußverformungsgrad von weniger als 88% und eine Zwischenglühtemperatur
oberhalb 6000C wählt.
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Die Bandkerne gemäß DE-PS 15 58 818 besitzen, wie aus den dort angegebenen
Meßwerten zu schließen ist, ein solches feinkörniges isotropes Gefüge.
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Die Herstellung von Bandkernen mit anisotropen Gefüge nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren soll an den folgenden Beispielen noch näher erläutert werden.
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Bei allen Beispielen wurde folgendermaßen vorgegangen: Die erschmolzene
Legierung wurde zunächst bis zu einer Dicke von 7 mm heiß- und dann auf eine Banddicke
von 2,5 mm kaltgewalzt. Dann wurde eine Zwischenglühung unter Wasserstoff vorgenommen
und anschließend das Band mit einem Schlußverformungsgrad von 98 % auf 0,05 mm Dicke
kaltgewalzt. Aus 15 mm breitem Band wurdenningbandkerne mit einem Außendurchmesser
von 30 mm und einem Innendurchmesser von 15 mm hergestellt, unter Wasserstoff schlußgeglüht
und anschließend ebenfalls unter Wasserstoff einer Anlaßbehandlung in einem magnetischen
Querfeld unterworfen, das mittels Dauermagneten an die Kerne angelegt wiirde. Am
fertigen Kern wurden folgende Größen gemessen: mit einem ballistischen Verfahren
die Induktion Bg bei 5 A/cm (annähernd Sättigungsinduktion) und die Remanenz Br;
die für Impulsbetrieb wichtige Abhängigkeit der Imuulspermeabilität µp=1,256##B
### vom induktions-#H A hub#B bei einer Impulsdauer von 50 µs und einer Impulsfolge
von 20 ms; die Ummagnetisierungsverluste PFe bei Aussteuerung bis 0,3 T mit einer
Frequenz von 10 kllz.
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Beispiel 1 Verwendet wurde eine Legierung mit 64,70 Gewichts-% Nickel,
2,45 Gewichts-% Molybdän, 0,58 Gewichts-% Mangan, 0,08 Gewichts-% Silizium, Rest
Eisen. Bei der Banddicke von 2,5 mm wurde bei 6800C 2 Stunden lang zwischengeglüht.
Durch eine 5-stündige Schlußglühung des Ring-
bandkernes bei 11500C
wurde ein Gefüge mit bevorzugter (210) <001>-Lage erzeugt. Die Anlaßbehandlung
im magnetischen Querfeld erfolgte derart, daß zunächst auf 5500C hoch erhitzt, dann
im Ofen mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von etwa 2000C pro Stunde auf 48000
abgekühlt, 4 Stunden lang bei dieser Temperatur gehalten und schließlich weiter
im Ofen abgekühlt wurde. ,up in Abahängigkeit von A B zeigt Kurve 11 in Figur 2.
Weitere Meßwerte finden sich, ebenso wie solche der folgenden Beispiele, in der
Tabelle.
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Beispiel 2 Ein Ringbandkern wurde entsprechend Beispiel 1 hergestellt.
Der einzige Unterschied gegenüber Beispiel 1 bestand darin, daß die 5-stündige Schlußglühung
bei 95000 erfolgte. Dadurch wurde ein Gefüge mit bevorzugter (100)<001> -Lage,
also mit bevorzugter Würfeltextur, erzeugt. µp in Abhängigkeit von zeigt Kurve 12
in Figur 2.
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Beispiel 3 Eine Legierung nach Beispiel 1 wurde bei einer Banddicke
von 2,5 mm 2 Stunden lang bei 7500C zwischengeglüht. Durch eine 5-stündige Schlußglühung
des Ringbandkernes bei 11500C wurde ein Gefüge mit bevorzugter (210)<001>-Lage
erzeugt. Anschließend wurde der Kern auf 5500C hoch-erhitzt, dann auf 5000C im Ofen
abgekühlt und 1 Stunde lang bei dieser Temperatur getempert. Durch schnelles Abkühlen
außerhalb des Ofens wurden dann tlberschußleerstellen eingefroren. Die anschließende
4-stündige Anlaßbehandlung im magnetischen Querfeld erfolgte bei 400°C. µp in Abhängigkeit
von n B zeigt Kurve 13 in Figur 2. Das Gefüge war grobkörniger als das Gefüge des
Ringbandkernes nach Beispiel 1 mit ähnlicher Struktur.
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Beispiel 4 Eine Legierung gemäß Beispiel 1 wurde bei einer Banddicke
von 2,5 mm 2 Stunden lang bei 7500C zwischengeglüht. Durch eine 5-stündige Schlußglühung
des Ringbandkernes bei 950°C wurde ein Gefüge mit bevorzugter (100) <001>-Lage
erzeugt. Die Anlaßbehandlung im magnetischen Querfeld erfolgte wiederum derart,
daß zunächst auf 550°C hoch erhitzt, dann mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von
2000C pro Stunde auf 4800C abgekühlt, 4 Stunden lang bei dieser Temperatur gehalten
und schließlich weiter im Ofen abgekühlt wurde. µp in Abhängigkeit von 4 B zeigt
Kurve 14 in Figur 2.
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Kurve 15 in Figur 2 zeigt zum Vergleich µp in Abhängigkeit von 4 B
bei einem nach dem bekannten Verfahren gemäß DE-PS 15 58 818 hergestellten Ringbandkern
mit einer Banddicke von 0,05 mm.
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In der folgenden Tabelle sind eine Reihe von µp-Werten sowie die übrigen
oben erwähnten Meßwerte für die Beispiele zahlenmäßig zusammengestellt. Außerdem
enthält die Tabelle noch die Gurietemperatur Ic, das Remanenzverhältnis B /B und
den statischen Induktionshub r5 # Bstat=B5-Br.
| Beisp. Tc B5 Br/B5 #Bstat µp für PFe |
| (0c) ) (i) (i) #B=1T (W/kg) |
| 1 520 1,2 0,025 1,15 5300 30,7 |
| 2 520 1,2 0,033 1,16 6600 31,4 |
| 3 520 1,2 0,04 1,14 5200 29,3 |
| 4 520 1,2 0,07 1,11 4600 23,6 |
Wie Figur 2 und. die Tabelle zeigen, lassen sich mit dem anmeldungsgemäßen
Verfahren Bandkerne herstellen, die bei einem Induktionshub von 1 T Impulspermeabilitäten
zwischen etwa 4500 und 7000 aufweisen. Bei geringerer Aus steuerung ist die Impulspermeabilität
der nach dem anmeldungsgemäßen Verfahren hergestellten Bandkerne zwar niedriger
als die des bekannten Bandkenes (Kurve 15), bei Induktionshüben von etwa 0,5 T und
mehr liegt sie jedoch deutlich über denWertendes bekannten Kernes. Die Ummagnetisierungsverluste
bei 0,3 T und 10 kHz der Bandkerne nach den Beispielen 1 bis 4 sind zwar höher als
die der bekannten Kerne mit felukörniger anisotroper Struktur, die etwa 14 WAcg
betragen. Sie sind jedoch für die technische Anwendung durchaus noch tragbar.
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Währen die Hystereseschleifen bei Ringbandkernen aus Bändern mit feinkörnigem
isotropem Gefüge verhältnismäßig flach verlaufen, sind sie bei den nach dem anmeldungsgemäßen
Verfahren hergestellten Banikernen mit anisotropem Gefüge etwas steiler und ähnlich
einer Perminvarschleife in der Mitte eingeschnürt, so daß die ReTnanenz und die
Koerzitivkraft verhältnismäßig klein sind.
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Figur 3 zeigt eine Hystereseschleife eines Kerns nach Beispiel 1 mit
bevorzugter (210)<001>-Lage, Figur 4 eine Hystereseschleife eines Kerns nach
Reispiel 2 mit überwiegender Würfeltextur, also bevorzugter (100)<001>-Lage,
und Figur 5 zum Vergleich eine Hystereseschleife eines bekannten Ringbandkerns mit
feinkörnigem isotropem Gefüge. Alle Hystereseschleifen sind dynamisch bei 50 Hz
in einem Magnetfeld in Umfangsrichtung des Kerns, also in Walzrichtung des Randes,
gemessen.
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In den Figuren 3 und 4 ist die Wirkung der Überlagerung der magnetfeldinduzierten
Vorzugsri chtung senkrecht: zur Meßrichtung und der kristallografischen Textur mit
Vorzu2srichtung in Meßrichtung an der Einschnürung der Hysteresescheife deutlih
zu erkennen. Bei geringer AuSsteuerung wird die Ummagnetisierung im wesentlichen
durch Drehprozesse gelen die uniaxiale Anisotropie Ku bestimmt, während bei höherer
Aussteuerung offenbar überwiegend Blochwandverschiebungen auftreten, die zu der
höheren Steilheit der Schleifen führen. Die Hystereseschleife nach Figur 4 hat dabei
eine etwas größere Flankensteilheit als die in Figur 3 gezeigte, die an einem bei
höheren Temperaturen schlußgeglühten Kern gemesser wurde. Bei statischer Messung
sind die Unterschiede in der Flankensteilheit der Hystereseschleifen etwas stärker
ausgeprägt als bei den dynamisch gemessenen Schleifen gemäß Figuren 3 bis 5. Remanenzinduktion
und Koerzitivfeldstärke der einzelnen Kerne unterscheiden, sich jedoch praktisch
nicht voneinander. Sie liegen bei etwa 0,05 T bzw. etwa 0,05 A/cm.
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Die nach dem anmeldungsgemäßen Verfahren hergestellten Bandkerne eignen
sich für eine Vielzahl von Bauelementen, bei denen es auf hohe Impulspermeabilität
bei hohem Induktionshub, nicht aber auf eine Konstanz der Impulspermeabilität in
Abhängigkeit vom Induktionshub ankommt. Besonders geeignet sind die Bandkerne für
Impulsübertrager, z.B. Zündübertrager oder Aussteuerungsübertrager für Schaltnetzteile,
sowie für Thyristor-Schutzdrosseln im unipolaren Betrieb. Ferner eignen sich die
Bandkerne wegen ihrer noch verhältnismäßig geringen Verluste beispielsweise auch
für Thyristor-Schutzdrosseln mit bipolarem Betrieb.
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L e e r s e i t e