DE3026498A1

DE3026498A1 - Verfahren zur herstellung von ringbandkernen

Info

Publication number: DE3026498A1
Application number: DE19803026498
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dr.rer.nat. 4300 Essen Wolf
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1980-07-12
Filing date: 1980-07-12
Publication date: 1982-02-04
Also published as: DE3026498C2

Description

Verfahren- zur Herstellung von Ringbandkernen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ringbandkernen aus einer Eisen-Nickel-Molybdän-Legierung mit 76-82 Gew.-% Nickel, 3-6 Gew.-% Molybdän, 0-6 Gew.-t Kupfer, Rest Eisen einschließlich geringer Desoxidationszusätze.
Ringbandkerne der eingangs genannten Art mit einer hohen Permeabilität bei Wechselstrom und pulsierendem Gleichstrom sind herstellbar aus dünnen Bändern, die gewickelt, bei hohen Temperaturen geglüht, einer Anlaßbehandlung bei 450-600°C unterzogen und abschließend in einem Quermagnetfeld getempert werden.
Es ist bekannt, daß nur Kernwerkstoffe, die sowohl bei Wechselstrom als auch bei pulsierendem Gleichstrom einen großen Induktionshub aufweisen, geeignet sind. Zur Erfüllung der daraus resultierenden Forderung nach niedriger Remanenz wird in der DE-PS 15 58 820 ein Verfahren vorgeschlagen, wonach 0.1 bis 0.003 mm dicke Bänder aus einer 74 bis 84 %-igen Nickel-Eisen-Legierung mit 0.5 bis 6 % Molybdän, 0 bis 8 % Kupfer und geringen Desoxidations- und Verarbeitungszusätzen oder ein daraus hergestellter Magnetkern 2 bis 6 Stunden bei einer zwischen 950 und 1220 OC gelegenen Temperatur geglüht, zur Einstellung des Zustandes hoher Anfangspermeabilität einer 1-bis 3-stündigen Anlaßehandlung im Temperaturbereich von 450 bis 600°C unterzogen und je nach Banddicke einer 1- bis 50-stündigen Temperung im Temperaturbereich von 250 bis 400 OC unterworfen wird.
Die Temperung erfolgt zweckmäßigerweise in einem Magnetfeld, dessen Feldlinien im Glühgut quer zur späteren Richtung des magnetischen Flusses verlaufen. Die nach diesem relativ aufwendigen Verfahren hergestellten Eisen-Nickel-Legierungen besitzen zwar eine vergleichsweise geringe Remanenz, weisen aber andererseits Impulspermeabilitäten auf, die vornehmlich bei Drosseln mit Gleichfeldvormagnetisierung sowie bei Impulsübertragern, die im unpolaren Betrieb arbeiten, erwünscht sind. Für viele sich in der Elektrotechnik ergebende Anwendungsmöglichkeiten ist jedoch die Permeabilität zu niedrig.
Ein solcher Anwendungsfall liegt bei Fehlerstromschutz schaltern mit einem Summenstromwandler vor.
Der darin enthaltene Magnetkern soll nach der DE-AS 20 44 302 einen Induktionshub besitzen, der so groß ist, daß eine durch einen pulsierenden, in einer Primärwicklung des Summenstromwandlers fließenden Gleichstrom-Fehlerstrom in der Sekundärwicklung induzierte Spannung zum Betätigen eines Auslösemagneten ausreicht. Der weiterhin geforderte Induktionshub von 0.3 T und die Impulspermeabilität von mindestens 1000sind zwar für den unipolaren Impulsbetrieb ausreichend, wo ein großer Induktionshub im Vordergrund steht, die Magnetkerne besitzen jedoch eine zu flach verlaufende Hysterese- schleife und damit eine zu geringe Permeabilität, um für alle Arten von Erregerströmen geeignet zu sein. Die in der DE-AS 20 44 302 aufgeführten Legierungen besitzen auch nur relativ geringe Impulspermeabilitäten bei ebenfalls relativ kleinem Induktionshub.
Weiterhin ist von Pfeifer und Radeloff in J.Magn.
Magn. Mat. 1980 vorgeschlagen worden, die bekannten Werkstoffe zur Erzielung einer niedrigen Remanenz unterhalb des Curie-Punktes in einem Quermagnetfeld zu tempern.
Als Werkstoffe eignen sich hochnickelhaltige Legierungen mit Molybdän-, Kupfer- und Chromzusätzen, die eine Curietemperatur von 400 bis 420 OC haben.
Demgemäß sollen die Temperungs-Temperaturen zwischen 250 und 380 OC liegen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Ringbandkernen aus einer weichmagnetischen Legierung anzugeben, die eine möglichst gleichbleibende hohe Permeabilität aufweisen, unabhängig davon, ob mit Wechselstrom oder pulsierendem Gleichstrom erregt wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, wonach an sich bekannte weichmagnetische hochnickelhaltige Nickel-Eisen-Molybdän-Legierungen einer Hochtemperaturglühung von 2 bis 10 Stunden Dauer zwischen 1050 OC und 1250 OC in trockener Wasserstoffatmosphäre unterzogen werden und nach erfolgter Ofenabkühlung in einem Magnetfeld, dessen Feldlinien in axialer Richtung der Ringbandkerne verlaufen, 1 bis 10 Stunden zwischen 300 OC und 400 OC, vorzugsweise zwischen 350 OC und 380 OC, getempert werden. Uberraschenderweise hat sich gezeigt, daß dieses sehr einfache und kostengünstige Verfahren zu Ringbandkernen führt, deren Hystereseschleifen eine niedrige Remanenz bei einer außerordentlich hohen Steilheit aufweisen. Damit ergibt sich insgesamt eine wesentlich höhere Permeabilität bei Wechselstrom und infolge der sehr niedrigen Remanenz auch bei pulsierendem Gleichstrom.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden die erfindungsgemäßen Ringbandkerne in Summenstromwandlern von Fehlerstromschutzschaltern, insbesondere hochempfindlichen Fehlerstromschutzschaltern mit Nennfehlerströmen von 30 mA eingesetzt, die nicht nur bei reinem Wechselfehlerstrom auslösen, sondern die ihre Schutzfunktion auch bei Auftreten pulsierender Gleichfehlerströme behalten sollen.
Dem hochpermeablen Summenstromwandler kommt bekanntlich die Aufgabe zu, eventuell fließende Fehlerströme zu erfassen. Zu diesem Zweck werden alle hin- und rückführenden Leitungen der Anlage durch ihn hindurchgeführt. Bei Auftreten eines Fehlerstromes, z.B. durch einen Isolationsfehler, ist dann die Vektorsumme aller Ströme nicht mehr Null wie im fehlerfreien Zustand, so daß der Wandler aufmagnetisiert wird. Die dadurch in der Sekundärwicklung induzierte Spannung bewirkt über ein Relais dann ein Abschalten des Stromkreises. Die bisher bekannten Kernwerkstoffe für Summenstromwandler von Fehlerstromschutzschaltern sind für den reinen Wechselstrom-Betrieb konzipiert und nur dafür geeignet.
Sie versagen bei Auftreten von pulsierenden Gleichströmen, mit denen gerechnet werden muß, seit in zunehmendem Maße Halbleiterbauelemente wie Dioden, Transistoren und Thyristoren in elektrischen Geräten verwendet werden. Die Ursache f:2r das Versagen ist bisher stets die gegenüber dem Wechselstrombetrieb stark erniedrigte Permeabilität bei Erregung mit pulsierendem Gleichstrom gewesen. Die bisher mit derartigen Summenstromwandlern ausgerüsteten Fehlerstromschutzschalter verlieren daher ihre Schutzfunktion bereits bei Auftreten relativ geringer Gleichstromanteile im Fehlerstrom. Erst die erfindungsgemäßen Magnetkerne besitzen demgegenüber eine gleichbleibend hohe Permeabilität unabhängig von der Kurvenform des Erregerstroms, die gewährleistet, daß der Fehlerstromschutzschalter stets bei nahezu demselben Auslösewert der effektiven Stromstärke abschaltet. Der erfindungsgemäße Magnetkern ist damit vorteilhafterweise in allstromempfindlichen Fehlerstromschutzschaltern einsetzbar.
Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Eine Legierung mit der chemischen Zusammensetzung 80.15 Gew.-* Nickel, 4.6 Gew.-s Molybdän, 0.49 Gew.-% Mangan, 0.29 Gew.-% Silizium, Rest Eisen wird erschmolzen, in Blöcken abgegossen, warmgeschmiedet und bis auf eine Dicke von 4 mm warmgewalzt. Unter Einschaltung von Zwischenglühungen werden daraus Bänder von 0.1 und 0.08 mm Dicke durch Kaltwalzen hergestellt und daraus anschließend Ringbandkerne mit verschiedenen Abmessungen gewickelt, 5 Stunden bei 1150 OC geglüht und danach im Ofen abgekühlt. Abschließend wird bei Temperaturen zwischen 330 OC und 390 OC eine 1- bis 6-stüm dige Magnetfeldtemperung durchgeführt, wobei die magnetischen Feldlinien in axialer Richtung der Ringbandkerne verlaufen.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Magnetkerne besitzen die in der folgenden Tabelle aufgeführten Eigenschaften. Die Gleichstromremanenz BR (bei einer Aussteuerungsfeldstärke von H = 1A/cm) sowie die 50-Hz-Permeabilität sowohl bei m Erregung mit sinusförmigem Wechselstrom als auch bei Erregung mit einweggleichgerichtetem Wechselstrom, sog. Stromhalbwellen, sind jeweils bei der effektiven Feldstärke Heff = 10 mA/cm gemessen.
Dieser Wert ist anwendungsnah gewählt; er entspricht etwa der Feldstärke, bei der die Auslösung eines Fehlerstromschutzschalters mit Nennfehlerströmen IAN = 30 mA erfolgen soll.

Es zeigt sich, daß Temperaturen von 370° C bei der Magnetfeldtemperung bei einer 4-stündigen Behandlungsdauer zu der geringsten Remanenz von 0.13 T gegenüber einer Remanenz von 0.51 T bei fehlender Magnetfeldtemperung führen. Eine vergleichsweise geringere Remanenzabsenkung erhält man bei Magnetfeldtemperungen bei Temperaturen von 330, 350 und 390 OC bei 4-stündiger Dauer.

Banddicke Magnetfeldtempezung BR µ² (Heff = 10 mA/cm) µ² (Heff = 10 mA/cm)
Temperatur Dauer bei Erregung mit bei Erregung mit ein-
nm °C h T sinusförmigem Wech- weggleichgerichtetem
selstrom¹) Wechselstrom²)
0,08 330 4 0,28 - -
350 4 0,17 - -
370 4 0,13 - -
390 4 0,40 - -
0,08 370 0 0,51 275000 17000
370 1 0,36 213000 59000
370 2 0,21 155000 93000
370 3 0,15 123000 104000
370 3,5 0,14 108000 103000
370 4 0,13 98000 96000
370 6 0,11 58000 53000
0,1 370 3,5 0,13 89000 85000

Die vorstehende Tabelle zeigt darüber hinaus, daß auch eine zu kurze Behandlungsdauer von einer Stunde nicht ausreicht, um eine wesentliche Remanenzabsenkung zu erzielen. Dementsprechend niedrig liegt auch die Permeabilität bei Erregung mit einweggleichgerichtetem Wechselstrom bei lediglich 59000.
Weiterhin ist aus obenstehender Tabelle ersichtlich, daß auch eine zu lange Behandlungsdauer von 6 Stunden bei 370 OC nicht zu dem gewünschten Erfolg einer hohen Permeabilität führt. Zwar ist die Remanenz mit BR = 0.11 T sehr niedrig, jedoch sinkt infolge der dann sehr flach verlaufenden Hystereseschleife die Permeabilität auf Werte zwischen 58000 und 53000, je nachdem, ob mit Wechselstrom oder einweggleichgerichtetem Wechselstrom erregt wird. Insgesamt stellt sich heraus, daß die Behandlungsdauer von 3 bis 4 Stunden bei einer Temperatur von 370 OC sich als optimal erweist. Die erhaltenen Permeabilitätswerte steigen auf ca. 100.000, womit das angestrebte Ziel eine gleichbleibend hohe Permeabilität unabhängig von der Kurvenform des Erregerstroms zu realisieren auf überraschend einfache und kostengünstige Weise erreicht ist.

Claims

Ansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung von Ringbandkernen aus einer Eisen-Nickel-Molybdän-Legierung, bestehend aus 76-82 Gew.-% Nickel, 3-6 Gew.-% Molybdän, 0-6 Gew.-% Kupfer, Rest Eisen einschließlich geringer Desoxidationszusätze, mit einer hohen Permeabilität bei Wechselstrom und pulsierendem Gleichstrom, die durch Aufeinanderfolgen der Behandlungsschritte Wickeln des Magnetkerns aus dünnen Bändern, Hochtemperaturglühung, Anlaßbehandlung bei 450-600 OC und abschließender Quermagneffeldtemperung herstellbar sind, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die in bekannter Weise aus dünnen Bändern gewickelten Ringbandkerne unmittelbar nach einer Hochtemperaturglühung zwischen 1050 OC und 1250 0C in trockener Wasserstoffatmospäre einer 1- bis 10-stündigen Magnetfeldtemperung zwischen 300 OC und 400 OC unterzogen werden, wobei die magnetischen Feldlinien in dem behandelten Gut quer zur späteren Richtung des magnetischen Flusses verlaufen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Magnetfeldtemperung zwischen 3500C und 380 OC.
3. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 2, gekennzeichnet durch eine 3- bis 4-stündige Magnetfeldtemperung bei 370 OC.
4. Verwendung der nach Ansprüchen 1 bis 3 hergestellten Ringbandkerne in Summenstromwandlern von Fehlerstromschutzschaltern.