DE3909747A1

DE3909747A1 - Niederfrequenz-transformator

Info

Publication number: DE3909747A1
Application number: DE3909747A
Authority: DE
Inventors: Yoshihito Yoshizawa; Kiyotaka Yamauchi
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1988-03-23
Filing date: 1989-03-23
Publication date: 1989-10-05
Also published as: JPH01242757A; US5069731A; JP2698369B2; CN1037231A; DE3909747C2; CN1020984C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Niederfrequenz- Transformator mit hoher Sättigungsmagnetisierungs- Flußdichte und niedrigem Kern-Verlust, der geeignet ist, für Netztransformatoren, die bei einer technischen Frequenz betrieben werden können, und für Wechseltransformatoren, die bei einer niedrigen Frequenz von beispielsweise 10 kHz oder weniger betrieben werden können.

Üblicherweise wurden hauptsächlich Siliziumstahl-Magnetkerne mit hohen Sättigungs-Magnetisierungs-Flußdichten und relativ niedrigen Kernverlusten als Magnetkerne für Netztransformatoren, die bei technischer Frequenz betrieben werden können, und Wechseltransformatoren, die bei einer niedrigen Frequenz von beispielsweise 10 kHz oder weniger betrieben werden können, verwendet. Insbesondere im Bereich der technischen Frequenz ist oft 50% oder mehr des Kernverlustes auf einen Ummagnetisierungsverlust (Hysterese-Verlust) zurückzuführen. Daher weisen Magnetkerne möglichst geringe Koerzitiv- Kräfte auf. Beispiele solcher magnetischen Materialien aus Silicium- Stahl sind offenbart in den veröffentlichten japanischen Patentanmeldungen Nr. 62-37 090, 62-37 688 und 62-45 285. Sie werden unter Walzen geglüht, um eine Rekristallisation usw. zu bewirken. Dabei erhöhen sich ihre magnetischen Flußdichten und nehmen ihre Kernverluste ab.

In den vergangenen Jahren hat es die Entwicklung von Schnell-Abschreck-Technologien, wie beispielsweise das Einzel-Walzen-Verfahren ermöglicht, dünne Bänder aus Stahl mit hohem Silicium-Gehalt und dünne Bänder aus einer amorphen Legierung auf Eisen-Basis herzustellen, wobei beide nur niedrige Kern-Verluste aufweisen. Als Materialien für Niederfrequenz- Transformatoren haben sie zunehmend immer mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Insbesondere haben sie als energie-sparende Materialien viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen, seit die amorphen Legierungen auf Eisen-Basis Kernverluste zeigen, die bei etwa einem Drittel der Werte von Silizium-Stahl bei technischer Frequenz liegen. Teilweise wurden sie auch schon praktisch in Netz-Transformatoren usw. eingesetzt. Dies geht beispielsweise aus der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 62-188748 und aus "Denki Gakkaishi, Band 108, Nr. 1 (1988), Seite 41" hervor.

Allerdings sind Silizium-Stähle nicht zufriedenstellend als Kern-Materialien für Transformatoren im Hinblick auf die Einsparung von Energie, die Bildung von Hitze usw., da sie keinen ausreichend niedrigen Kern-Verlust zeigen.

Die amorphen Legierungen auf Eisen-Basis haben zwar sehr niedrige Kern-Verluste, sind jedoch insofern nachteilig, als sie eine extrem hohe Magnetostriktion aufweisen. Dies macht sie in hohem Maße spannungs-anfällig. Daher werden ihre magnetischen Eigenschaften durch mechanische Vibration, Deformation aufgrund ihres Eigengewichts usw. verschlechtert. Darüber hinaus verschlechtern sich ihre magnetischen Eigenschaften auch leicht mit der Zeit.

Stahl mit hohem Siliziumgehalt ist extrem spröde, wenn er zu dünnen Bändern oder Blechen geformt wird. Diese können daher nicht so einfach zu ringförmigen Kernen gewickelt oder geschnitten werden, um schichtweise gelegte Kerne herzustellen. Im Hinblick auf den Parameterkernverlust sind Stähle mit hohem Siliziumgehalt amorphen Legierungen deutlich unterlegen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen in hohem Maße zuverlässigen Niederfrequenz-Transformator mit relativ hoher Sättigungs-Magnetisierungs-Flußdichte, niedrigem Kernverlust im Bereich niedriger Frequenzen von 10 kHZ oder weniger, geringer Magnetostriktion, geringer Änderung der magnetischen Eigenschaften mit der Zeit und niedrigem Energieverbrauch bereitzustellen.

Als Ergebnis intensiver Forschungen im Hinblick auf die obengenannte Aufgabenstellung wurde mit der vorliegenden Erfindung gefunden, daß ausgezeichnete Eigenschaften wie beispielsweise relativ hohe Sättigungs-Magnetisierungs-Flußdichten, niedrige Kernverluste bei niedriger Frequenz, niedrige Magnetostriktion und geringe Änderung der Eigenschaften mit der Zeit, wie sie für Niederfrequenz-Transformatoren erforderlich sind, erreicht werden können, mit einem Magnetkern, der hergestellt ist aus einer Legierung mit der Zusammensetzung, wie sie durch die nachfolgende allgemeine Formel wiedergegeben wird (Angaben in Atom-%):

(Fe₁_-aM_a)₁₀₀_-x-y-z- _αCu_xSi_yB_zM′_α

worin M Co und/oder Ni, ist, M′ wenigstens ein Element ausgewählt aus der Gruppe Nb, W, Ta, Mo, Zr, Hf und Ti ist und a, x, y, z und a jeweils die nachfolgenden Ungleichungen erfüllen 0≦a≦0,3, 0,1≦x≦3, 0≦y≦17, 4≦z≦17, 10≦y + z≦28 und 0,1≦α≦5, wobei wenigstens 50% dieser Legierung aus feinen Kristallkörnern mit einer durchschnittlichen Korngröße von 100 nm oder weniger, gemessen an ihrem größten Durchmesser aufgebaut sind.

Der Niederfrequenz-Transformator gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Magnetkern, der aus einer Legierung mit der Zusammensetzung hergestellt ist, wie sie durch die nachfolgende allgemeine Formel wiedergegeben wird (in Atom-%):

(Fe₁_-aM_a)₁₀₀_-x-y-z- _α-γCu_xSi_yB_zM′_αX_γ

worin M Co und/oder Ni ist, M′ wenigstens ein Element ausgewählt aus der Gruppe Nb, W, Ta, Mo, Zr, Hf und Ti ist, X wenigstens ein Element ausgewählt aus der Gruppe Ge, P, C, Ga, Al und N ist, und a, x, y, z, α und q jeweils die nachfolgenden Ungleichungen erfüllen:

0 ≦ a ≦ 0,3
0,1 ≦ x ≦ 3
0 ≦ y ≦ 10
4 ≦ z ≦ 17
0,1 ≦ a ≦ 5
γ ≦ 4 und
10 ≦ y + z + γ ≦ 20,

wobei wenigstens 50% der Legierungs-Struktur von feinen Kristallkörnern mit einer durchschnittlichen Korngröße von 100 nm oder weniger, gemessen an ihrem größten Durchmesser, besetzt sind.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Magnetkerns gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung, die das Hitze-Behandlungs- Muster der Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 3 eine Darstellung, die die Beziehungen zwischen dem Kernverlust und B _m zeigt;

Fig. 4 eine Darstellung, die die Veränderung des Kernverlustes mit der Zeit zeigt;

Fig. 5 eine schematische Ansicht eines Magnetkerns gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und

Fig. 6 eine Darstellung, die die Beziehung zwischen den magnetischen Eigenschaften und dem P-Gehalt zeigt.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist Cu ein unentbehrliches Element. Sein Gehalt (x) beträgt 0,1 bis 3 Atom-%. Wenn der Kupfergehalt niedriger liegt als 0,1 Atom-%, kann keine Wirkung in der Verminderung des Kernverlustes durch den Cu-Zusatz erreicht werden. Wenn auf der anderen Seite der Kupfergehalt 3 Atom-% übersteigt, ist die Legierung bereits vor der Hitze-Behandlung spröde, so daß sie nicht ohne Schwierigkeiten bearbeitet werden kann. Der besonders bevorzugte Cu-Gehalt gemäß der vorliegenden Erfindung liegt bei 0,5 bis 2 Atom-%. In diesem Bereich ist der Kernverlust besonders gering.

Die Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung kann üblicherweise dadurch hergestellt werden, daß man eine amorphe Legierung der obigen Zusammensetzung durch Verfahrensschritte des schnellen Abschreckens, beispielsweise mit dem Einzel-Walzen-Verfahren, dem Doppel-Walzen-Verfahren usw., herstellt. Die amorphe Legierung wird dann hitze-behandelt, um feine Kristall-Körner auszubilden.

Die durch die Hitze-Behandlung gebildeten feinen Kristallkörner sind hauptsächlich aufgebaut aus einer festen bcc- Eisen-Lösung mit einer durchschnittlichen Korngröße von 100 nm oder weniger. Sie sind gleichmäßig in der Legierungs- Struktur dispergiert. Gute weiche Magnet-Eigenschaften können erhalten werden, wenn die durchschnittliche Korngröße bei 50 nm oder weniger liegt. Insbesondere zeigt die Legierung ausgezeichnete weiche Magnet-Eigenschaften, wenn ihre durchschnittliche Korngröße bei 2 bis 20 nm liegt.

Der verbleibende Anteil der Legierungs-Struktur, der nicht aus feinen Kristall-Körnern besteht, ist hauptsächlich amorph. Übrigens zeigt die Legierung selbst dann ausreichend gute magnetische Eigenschaften, wenn die feinen Kristall- Körner im wesentlichen 100% der Legierungs-Struktur einnehmen.

Si und B sind nützliche Elemente, um die Legierungs- Struktur fein zu machen und die weichen Magnet-Eigenschaften der Legierung zu verbessern und ihre Magnetostriktion einzustellen. Die Legierungen werden vorzugsweise dadurch hergestellt, daß man zuerst amorphe Legierungen unter Zusatz von Si und B herstellt und diese dann zur Bildung der feinen Kristall-Körner hitze-behandelt.

Der Si-Gehalt (y) ist auf 0 bis 17 Atom-% begrenzt. Der Grund liegt darin, daß die Legierung zu spröde wird, wenn y 17 Atom-% überschreitet.

Der B-Gehalt (z) ist auf 4 bis 17 Atom-% begrenzt. Wenn z unter 4 Atom-% liegt, kann eine einheitliche Kristallkorn- Struktur nicht leicht erhalten werden. Dies hat einen Anstieg des Kern-Verlustes bei niedriger Frequenz zur Folge. Wenn z 17 Atom-% überschreitet, wird die Magnetostriktion bei den Bedingungen der Hitze-Behandlung zur Einstellung guter weicher Magnet-Eigenschaften der Legierung unvorteilhaft hoch.

Wenn die gesamte Menge an Si und B (y + z) geringer ist als 10 Atom-%, wird der Kern-Verlust zu groß. Wenn die Summe (y + z) höher liegt als 28 Atom-% nimmt die Sättigungs-Magnetisierungs- Flußdichte in extremem Maße ab, und der Kernverlust und die Magnetostriktion steigen an.

Bevorzugte Gehalte an Si und B liegen in einem Bereich, der die nachfolgenden Ungleichungen erfüllt:

0 ≦ y ≦ 15,
7 ≦ z ≦ 15, und
15 ≦ y + z ≦ 25.

In diesen Bereichen können Legierungen mit niedrigen Kern- Verlusten bei niedriger Frequenz problemlos erhalten werden.

Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung M′ zusammen mit Cu zugesetzt wird, dient dies dazu, die präzipitierten Kristall-Körner fein zu machen. M′ ist wenigstens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti und Mo. Der M′-Gehalt ( α ) liegt bei 0,1 bis 5 Atom-%. Dies liegt daran, daß Legierungen mit niedrigen Kern-Verlusten nicht problemlos erhalten werden können, wenn α geringer ist als 0,1 Atom-%. Wenn außerdem α 5 Atom-% überschreitet, ist ein extremer Abfall der Sättigungs-Magnetisierungs-Flußdichte die Folge, und die Legierungen werden für eine Verwendung in Niederfrequenz-Transformatoren unbrauchbar. Der bevorzugte Bereich für α liegt bei 1 bis 3 Atom-%. In diesem Bereich können Legierungen mit hohen Sättigungs-Magnetisierungs- Flußdichten und niedrigen Kern-Verlusten erhalten werden.

Die für Niederfrequenz-Transformatoren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Legierungen können 4 Atom-% oder weniger wenigstens eines Elements X enthalten, das aus der Gruppe Ge, P, C, Ga, Al und N ausgewählt ist. Diese Elemente sind nicht nur in der Weise wirksam, daß sie die Legierung amorph machen, sondern wirken bei Zusatz zusammen mit Si und B auch in der Weise, daß man die Magnetostriktion und die Sättigungs-Magnetisierungs-Flußdichten der Legierungen einstellen kann. Die bevorzugte Menge von X liegt im Bereich bis zu 0,1 bis 3 Atom-%.

Die Rest-Menge der Legierung besteht im wesentlichen aus Fe mit der Ausnahme von Verunreinigungen. Ein Teil des Fe kann jedoch durch zusätzliche Komponenten M ersetzt werden, wobei M im wesentlichen aus Co und/oder Ni besteht. Der Gehalt an M (a) liegt bei 0 bis 0,3 Atom-%. Der Grund liegt darin, daß die Magnetostriktion groß wird und sich der Kernverlust erhöht, wenn a den Wert von 0,3 Atom-% überschreitet.

Im Hinblick auf nicht vermeidbare Verunreinigungen, wie beispielsweise O, As, Bi, Pb, H, K, Na, Ca, Ba, Mg usw. ist übrigens anzumerken, daß ihre Existenz in solchen Mengen, daß sie die gewünschten Eigenschaften der Legierung nicht verschlechtern, nicht als Änderung der Legierungs-Zusammensetzung angesehen wird.

Die Legierungen können darüber hinaus Cr, Mn, V oder Zn allein oder in Kombination miteinander enthalten. Die Gesamtmenge dieser Elemente liegt bei 2 Atom-% oder weniger. Diese Elemente dienen dazu, die Korrosionsfestigkeit zu verbessern und die magnetischen Eigenschaften der Legierung einzustellen. Da sie jedoch dazu führen, daß die Sättigungs- Magnetisierungs-Flußdichte vermindert wird, sollte der Gehalt an den genannten Elementen in den Legierungen für die Anwendung in Niederfrequenz-Transformatoren niedriger sein als 2 Atom-%.

Die Sättigungs-Magnetisierungs-Flußdichte der oben beschriebenen Legierung liegt üblicherweise bei 10 kG oder darüber. Es ist jedoch wünschenswert, daß sie 13 kG oder mehr ist, um die Transformatoren miniaturisieren zu können.

Zusammengefaßt sind die Zusammensetzungen der Legierungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, wie folgt:

(Fe₁_-aM_a)₁₀₀_-x-y-z- _αCu_xSi_yB_zM′_α

In dieser Formel erfüllen die Indizes die nachfolgenden Ungleichungen:

0 ≦ a ≦ 0,3
0,1 ≦ x ≦ 3
0 ≦ y ≦ 17
4 ≦ z ≦ 17
10≦ y + z ≦ 28 und
0,1 ≦ α ≦ 5.

Vorzugsweise erfüllen die Indizes in der oben angegebenen Formel die nachfolgenden Ungleichungen:

0 ≦ a ≦ 0,3
0,5 ≦ x ≦ 2
0 ≦ y ≦ 15
7 ≦ z ≦ 15
15 ≦ y + z ≦ 25
1 ≦ α ≦ 3.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Zusammensetzungen der Legierungen, die für Niederfrequenz-Transformatoren eingesetzt werden können, in Übereinstimmung mit der nachfolgenden Formel

(Fe₁_-aM_a)₁₀₀_-x-y-z- _α _- _γCu_xSi_yB_zM′_αX_-γ

In der genannten Formel erfüllen die Indizes die nachfolgenden Ungleichungen:

0 ≦ a ≦ 0,3
0,1 ≦ x ≦ 3
0 ≦ y ≦ 10
4 ≦ z ≦ 17
0,1 ≦ α ≦ 5
γ ≦ 4 und
10 ≦ y + z + γ ≦ 20

Bevorzugt erfüllen die Indizes die nachfolgenden Ungleichungen:

0 ≦ a ≦ 0,3
0,5 ≦ x ≦ 2
0 ≦ y ≦ 10
7 ≦ z ≦ 15
1 ≦ α ≦ 3
0,1 ≦ γ ≦ 3
10 ≦ y + z + γ ≦ 20.

Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete Legierung kann nach der nachfolgenden Verfahrensweise hergestellt werden:
Zuerst kann ein amorphes Band hergestellt werden, das üblicherweise eine Dicke von 50 µm oder weniger aufweist. Die Herstellung dieses Bandes erfolgt nach dem Einzel-Walzen- Verfahren, dem Doppel-Walzen-Verfahren usw. Das amorphe Band wird dann hitze-behandelt, um die feinen Kristallkörner zu bilden.

Die Hitze-Behandlung erfolgt üblicherweise im Vakuum oder unter Inertgas-Atmosphäre. Inertgase sind beispielsweise Wasserstoff, Stickstoff, Argon usw. Die Hitzebehandlung kann auch in einer oxidierenden Atmosphäre, beispielsweise unter Luft, durchgeführt werden; dies hängt jedoch von den Umständen ab.

Die Temperatur der Hitze-Behandlung und ihre Zeit können in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des amorphen Legierungs- Bandes, der Form und der Größe eines Magnetkerns, der durch ein solches amorphes Legierungs-Band gebildet wird, usw. variieren. Im allgemeinen wird die Hitzebehandlung bei einer Temperatur von 450 bis 700°C über 5 Minuten bis zu 24 Stunden durchgeführt.

Bei der Hitze-Behandlung können die Belastungen des Aufheiz- und Abkühl-Schrittes in geeigneter Weise in Abhängigkeit von den Umständen geändert werden. Es ist möglich, einige Zyklen der Hitzebehandlung bei derselben Temperatur oder bei unterschiedlichen Temperaturen durchzuführen. Die Hitze-Behandlung kann auch in Form eines Hitzebehandlungs- Musters durchgeführt werden, das aus einer Vielzahl von Schritten besteht. Darüber hinaus kann die Hitzebehandlung der Legierung auch im Gleichstrom- oder Wechselstrom-Magnetfeld durchgeführt werden, wobei die Legierung mit magnetischer Anisotropie versehen wird.

Es ist nicht erforderlich, daß das Magnetfeld während der gesamten Zeitdauer der Hitze-Behandlung angelegt ist. Es kann außerdem zu jedem Zeitpunkt angelegt werden, solange die Temperatur der Hitze-Behandlung niedriger ist als die Curie-Temperatur Tc der Legierung. Darüber hinaus kann auch während der Hitze-Behandlung ein Rotations-Magnetfeld angelegt sein.

Außerdem kann die Legierung auch dadurch hitze-behandelt werden, daß man während der Hitze-Behandlung einen elektrischen Strom durch die Legierung schickt oder die Legierung während der Hitze-Behandlung in ein Hochfrequenz-Magnetfeld stellt. Die Hitze-Behandlung kann auch in der Weise durchgeführt werden, daß man Dehnungs- oder Kompressions-Kraft auf die Legierung aufbringt. Dadurch lassen sich die magnetischen Eigenschaften der Legierung einstellen.

Um den Kern-Verlust weiter zu verringern, kann die Magnetostriktion dadurch aufgeteilt werden, daß man partielle Defekte oder Spannung in das Legierungsband dadurch einführt, daß man es partiell anritzt oder mit Laserstrahlen bestrahlt.

Die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Magnetkerne schließen gewickelte Kerne, in Schichten gelegene Kerne usw. ein. Es ist wünschenswert, auf der Oberfläche eines Legierungsbandes teilweise oder ganz eine Isolations-Schicht auszubilden. Der Grund liegt darin, daß dies der Verminderung des Kern-Verlustes dient. Natürlich kann eine Isolations- Schicht auf einer Seite oder auf beiden Seiten des Legierungsbandes ausgebildet werden.

Die Isolationsschicht kann dadurch gebildet werden, daß man ein isolierendes Pulver, beispielsweise SiO₂, MgO, Al₂O₃, Cr₂O₃ usw., auf die Band-Oberfläche aufzieht. Dies kann durch ein Eintauch-Verfahren, ein Aufsprüh-Verfahren, ein Elektrophorese- Verfahren usw. geschehen. Eine dünne Schicht aus SiO₂, Nitriden usw. kann ebenfalls durch Kathodenzerstäubung (sputtering) oder ein Bedampfungs-Verfahren gebildet werden. Alternativ dazu kann eine Mischung einer Lösung eines modifizierten Alkylsilikats in Alkohol mit einer Säure auf das Band aufgebracht werden. Außerdem kann durch Hitze-Behandlung eine Forsterit-Schicht (Mg₂SiO₄-Schicht) gebildet werden. Darüber hinaus kann ein Sol, das durch teilweise Hydrolyse eines SiO₂-TiO₂-Metall-Alkoxids erhalten wurde, mit verschiedenen keramischen Pulvern gemischt werden, die resultierende Mischung kann dann auf das Band aufgebracht, getrocknet und dann erhitzt werden. Außerdem kann ein Legierungsband mit einer Lösung beschichtet oder in eine solche Lösung eingetaucht werden, die hauptsächlich aus Tirano-Polymer besteht. Das Band mit der Lösung wird dann erhitzt, um eine Isolationsschicht zu bilden. Darüber hinaus kann eine Hitze-Behandlung auch in der Weise durchgeführt werden, daß man eine Oxid- Schicht des Siliziums usw. oder eine Nitrid-Schicht auf der Oberfläche des Legierungsbandes bildet.

Ein gewickelter Kern kann dadurch hergestellt werden, daß man ein isolierendes Band auf das Legierungsband auflegt und dann beide in Windungen zusammenlegt. Dadurch erreicht man eine Isolation zwischen den Legierungsblech-Schichten. Das isolierende Band kann ein Polyimid-Band, ein keramisches Faser-Band, ein Polyester-Band, ein Aramid-Band usw. sein.

Zur Herstellung eines in Schichten gelegten Kerns kann ein dünner Isolations-Film zwischen jede Schicht oder jeweils zwischen mehrere wenige Schichten eingeschoben werden, um zwischen den Legierungsblech-Schichten eine Isolation zu erreichen. In diesem Fall können auch Materialien ohne Flexibilität für den dünnen Isolations-Film verwendet werden, beispielsweise Keramik-Platten, Glas-Platten, Glimmer- (mica-) Platten usw. Nach dem Aufeinanderlegen in Schichten werden diese unter Druck und unter Erhitzen miteinander verbunden.

Die Magnet-Kerne für die Transformatoren gemäß der vorliegenden Erfindung unterliegen keiner extremen Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften, selbst wenn sie imprägniert werden. Dies entspricht der üblichen Erfahrung mit herkömmlichen Magnetkernen, die aus amorphen Legierungen auf Eisen-Basis hergestellt wurden. Imprägnierungsmittel schließen Epoxyharze, Polyimid-Harze, auf modifizierten Alkylsilikaten aufgebaute Lacke, Silicon-Harze, usw. ein.

Die Legierungs-Bänder können zerschnitten werden, um so geschnittene Kerne zu bilden. Sie werden mit üblichen Verfahrensschritten miteinander verbunden, beispielsweise durch das Verfahren des Bodens durch schrittweises Läppen (step lap bonding method), das Verfahren des Bondens durch Zusammenfügen in geneigter Anordnung (inclined butt bonding method) usw.

Bei der Herstellung der Transformatoren können die Magnetkerne, die durch die Legierungs-Bänder gebildet werden, in Öle, wie beispielsweise Siliconöle usw. eingetaucht werden, um einer Bildung von Rost vorzubeugen.

Wenn außerdem die Magnet-Kerne große Ausmaße haben, können sie mit Hilfe von metallischen Bändern fest zusammengeschnürt werden, um eine Deformation und Beschädigung vorzubeugen.

Isolations-Bänder können um die Magnetkerne herumgewickelt werden, um einer Rostbildung und Beschädigung vorzubeugen und elektrische Isolation zu erreichen.

Die vorliegende Erfindung wird im einzelnen durch die nachfolgenden Beispiele erläutert, ohne daß diese den Umfang der vorliegenden Erfindung in irgendeiner Weise beschränken sollen.

Beispiel 1

Eine Legierungs-Schmelze mit der Zusammensetzung (in Atom-%) Fe₇₆Cu₁Si_13,5B₇Nb_2,5 wurde in Form eines Bandes von 75 mm Breite von 25 µm Dicke gebracht. Dazu wurde das Einzel- Walzen-Verfahren angewendet. Ein Blick auf die Mikrostruktur des Materials mit Hilfe eines Transmissions-Elektronenmikroskops bestätigte, daß die Legierungsstruktur weitgehend aus extrem feinen Kristall-Körnern mit einer durchschnittlichen Korngröße von 50 nm oder weniger bestand.

Dieses amorphe Band wurde in einem Elektrophorese-Verfahen mit einer Isolationsschicht aus MgO auf seinen Oberflächen beschichtet und zu einem ringförmigen Kern verarbeitet. Zwei ringförmige Kerne wurden so angeordnet, wie sich dies aus Fig. 1 ergibt. Dabei wurden die Maße H=390 mm, W=250 mm, D=150 mm und T=95 mm eingehalten.

In einem nächsten Schritt wurde die Anordnung in N₂-Gas- Atmosphäre hitzebehandelt, wobei während der gesamten Zeitdauer der Hitze-Behandlung ein Magnetfeld der Stärke 795,8 A/m (10 Oe) in Richtung parallel zum magnetischen Pfad angelegt wurde. Das Muster der Hitzebehandlung war so, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Das Legierungs-Band wurde auf 550°C mit einer Aufheiz-Rate von 2°C/min aufgeheizt, bei 550°C eine Stunde lang belassen und danach mit einer mittleren Abkühl-Geschwindigkeit von 2°C/min auf Raumtemperatur abgekühlt.

Der hitze-behandelte Magnetkern hatte eine Sättigungs- Magnetisierungs-Flußdichte Bs von 13,5 × 10^-1 T (13,5 kG), ein Rechteckigkeitsverhältnis Br/Bs von 94% und eine Gleichstrom- Koerzitivkraft Hc von 0,72 A/m (0,009 Oe). Außerdem betrug seine Sättigungs-Magnetostriktions-Konstante λ _s+2,3 × 10^-6. Dies ist weniger als 1/10 des Wertes herkömmlicher amorpher Legierungen auf Fe-Basis für Netztransformatoren.

Außerdem zeigte der Magnetkern einen Kernverlust von 0,06 W/kg bei 50 Hz und eine maximale magnetische Flußdichte Bm von 12 × 10^-1 T (12 kg). Dieser Wert ist vergleichbar den Werten für amorphe Legierungen auf Fe-Basis. Es konnte damit bestätigt werden, daß der Magnetkern aus dem vorliegenden Material für Niederfrequenz-Transformatoren geeignet ist.

Beispiel 2

Eine Legierungsschmelze mit der Zusammensetzung (in Atom-%) Fe₇₉Cu₁Si₄B₁₃Nb₃ wurde zu einem Band von 25 mm Breite und 18 µm Dicke geformt. Dabei wurde das Einzel-Walzen-Verfahren angewendet. Diese amorphe Band wurde in Ringform (105 mm Außendurchmesser, 100 mm Innendurchmesser) aufgewickelt. Es wurde in Ar-Gas-Atmosphäre in der Weise hitze-behandelt, daß das Legierungsband mit einer Aufheiz-Geschwindigkeit von 20°C/ min auf 550°C aufgeheizt wurde, eine Stunde lang bei 550°C gehalten wurde und danach dadurch auf Raumtemperatur luftgekühlt wurde, daß man es aus dem Ofen herausnahm. Ein magnetisches Feld von 238,7 A/m (3 Oe) wurde über einen Zeitraum von 10 min vor der Herausnahme aus dem Ofen in Richtung parallel zum magnetischen Pfad aufgebracht. Der Hitze-behandelte Magnet-Kern hatte eine Sättigungs-Magnetisierungs- Flußdichte Bs von 15,0 × 10^-1 T (15,0 kG) und ein Rechteckigkeits- Verhältnis Br/Bs von 85%.

Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit des Kernverlustes von B _m bei 50 Hz für die oben angegebene Legierung (A) und einen gerichteten Silizium-Stahl (B). Die Legierung A zeigt einen geringeren Kern-Verlust als der gerichtete Silizium-Stahl B. Dementsprechend ist die Legierung A zur Herstellung von Transformatoren geeignet, die bei technischer Frequenz betrieben werden können.

Übrigens bestätigte ein Blick auf die Mikrostruktur des Kerns mit einem Transmissions-Elektronenmikroskop, daß die Legierungs- Struktur im wesentlichen die gleiche wie in Beispiel 1 war.

Beispiel 3

Amorphe Legierungs-Bänder von 25 mm Breite und 18 µm Dicke mit den in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzungen wurden mit Hilfe des Einzel-Walzen-Verfahrens hergestellt. Jedes amorphe Band wurde in Kreis-Form (äußerer Durchmesser 110 mm, innerer Durchmesser 100 mm) aufgewickelt. Jeder gewickelte Kern wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hitzebehandelt. In der hitze-behandelten Legierung war der größte Anteil der Legierungs-Struktur durch extrem feine Kristallkörner mit einer durchschnittlichen Korngröße von 50 nm oder weniger besetzt.

In einem nächsten Schritt wurde jeder dieser Magnetkerne in ein Derlin-Kerngehäuse eingesetzt, und 250 Wicklungs-Windungen wurden auf der primären und sekundären Seite angebracht. Der Kernverlust jedes Magnetkerns wurde bei 50 Hz und 12 × 10^-1 T (12 kG) gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.

Tabelle 1

Wie sich aus Tabelle 1 ergibt, zeigen die Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung bei niedriger Frequenz Kern-Verluste, die viel niedriger sind als die entsprechenden Werte für herkömmlichen Siliziumstahl und die vergleichbar den Werten für eine amorphe Legierung auf Fe-Basis sind. Die Legierungen der vorliegenden Erfindung sind daher geeignet zur Herstellung von Mast-Transformatoren, Niederfrequenz- Wechselrichter-(Inverter-)Transformatoren usw.

Beispiel 4

Eine Legierungs-Schmelze mit der Zusammensetzung (in Atom-%)

(Fe_0,99Co_0,01)_78,5Cu₁Si₈B₉Nb₃Cr_0,5

wurde im Einzel-Walzen-Verfahren schnell abgeschreckt und dabei ein amorphes Legierungs-Band von 10 mm Breite und 18 µm Dicke gebildet.

Dieses Band wurde in Stücke von einer Länge von 100 mm geschnitten, und die resultierenden 10 dünnen Platten wurden aufeinandergeschichtet und unter Erhitzen an der Luft miteinander verpreßt, um eine Schichtenstruktur von etwa 0,2 mm Dicke herzustellen.

Diese Schichtenstruktur wurde dann in einer Argon-Atmosphäre bei 550°C hitze-behandelt, wobei ein Magnetfeld einer Stärke von 795,8 A/m (10 Oe) eine Stunde lang in Längsrichtung angelegt wurde. Nach Abkühlung auf Raumtemperatur wurde der Kernverlust dieser Struktur bei 50 Hz und 14 × 10^-1 T (14 kG) mit einem Einzel-Platten-Tester gemessen. Im nächsten Schritt wurde diese Schichtenstruktur in einen bei einer konstanten Temperatur von 120°C gehaltenen Ofen gelegt, um die Veränderung ihres Kernverlustes mit der Zeit zu messen. Die Ergebnisse sind in Fig. 4 gezeigt, worin W₀ den anfänglichen Kern-Verlust angibt W _t den Kern-Verlust nach Ablauf von t Stunden angibt. In Fig. 4 gibt außerdem C die Kurve für die Legierung

(Fe_0,99Co_0,01)_78,5Cu₁Si₈B₉Nb₃Cr_0,5

und D die Kurve für eine amorphe Legierung der Zusammensetzung Fe₇₈Si₉B₁₃ an. Es ist anzumerken, daß die hitzebehandelte Legierung C eine feine Kristallkorn-Struktur mit einer durchschnittlichen Korngröße von 50 nm oder weniger wie in Beispiel 1 hatte.

Wie sich offensichtlich aus Fig. 4 ergibt, wurde für die Legierung C gemäß der vorliegenden Erfindung im wesentlichen keine Veränderung des Kernverlustes mit der Zeit beobachtet.

Beispiel 5

Eine Legierung mit der Zusammensetzung (in Atom-%) 1,5% Cu, 4% Si, 12% B, 3% Nb und 0,5% Al, Restmenge im wesentlichen Fe, wurde im Einzel-Walzen-Verfahren schnell abgeschreckt. Dabei wurde ein amorphes Legierungs-Band mit einer Dicke von 20 µm und unterschiedlichen Breiten hergestellt. Jedes Band wurde in der Form gewickelt, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Auf diesem Wege wurde ein Magnetkern mit kreisförmigem Querschnitt und geschlossenem magnetischen Pfad hergestellt. Jeder Magnetkern wurde in einer N₂-Gas- Atmosphäre unter Anlegung eines magnetischen Felds hitzebehandelt. Die hitze-behandelte Legierung wies extrem feine Kristallkörner mit einer durchschnittlichen Korn-Größe von 50 nm oder weniger auf.

Im nächsten Schritt wurde der Magnetkern mit Wicklungen sowohl auf der Primärseite als auch auf der Sekundärseite versehen und so ein Netz-Transformator hergestellt, wie er in Fig. 5 gezeigt ist. Darin gibt die Bezugsziffer 1 den Magnetkern an, der aus der Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, und "2" gibt die Windungen an. Der Gesamt-Kernverlust dieses Magnetkerns lag um 14% niedriger als der Wert für herkömmliche Transformatoren, die Siliziumstahl verwenden. Dies zeigt, daß der Niederfrequenz- Transformator gemäß der vorliegenden Erfindung herkömmlichen Transformatoren überlegen ist.

Als nächstes wurde der Kernverlust dieses Transformators gemessen, nachdem man ihn aus einer Höhe von 30 cm hatte herabfallen lassen. Es zeigte sich, daß eine wesentliche Änderung des Wertes nicht stattfand.

Beispiel 6

Eine Legierungs-Schmelze mit der Zusammensetzung (in Atom-%) 1% Cu, 12% Si, 9% B, 3% Nb, 0,5% Ge und Rest im wesentlichen Fe wurde im Einzel-Walzen-Verfahren schnell abgeschreckt und dabei ein amorphes Legierungs-Band von 10 mm Breite und 25 µm Dicke hergestellt. Dieses Band wurde in Stücke von 100 mm Länge geschnitten. Die resultierenden 10 dünnen Platten wurden in Schichten aufeinandergelegt und unter Erhitzen an der Luft verpreßt. Auf diesem Wege wurde eine Schichtenstruktur von etwa 0,3 mm Dicke hergestellt.

Diese Schichtenstruktur wurde dann in einer Ar-Atmosphäre unter Anlegen eines Magnetfeldes von 2387,4 A/m (30 Oe) in Längsrichtung für eine Stunde bei 560°C hitze-behandelt. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurde der Kernverlust der Schichtenstruktur bei 50 Hz und 12 × 10^-1 T (12 kG) mit einem Einzel- Platten-Tester gemessen. Der gemessene Kernverlust lag bei 0,06 W/kg.

Im nächsten Schritt wurde das hitze-behandelte Band mit einem Yttrium-Aluminium-Granat-Laser (YAG-Laser) in Querrichtung auf ihrer Frei-Verfestigungs-Oberfläche teilweise punkt-verschmolzen und danach der Kernverlust bei 50 Hz und 12 × 10^-1 T (12 kG) gemessen. Der gemessene Wert des Kernverlustes lag bei 0,05 W/kg. Dies zeigt, daß die Laser-Behandlung den Kern-Verlust erniedrigt. Die gleichen Effekte konnten durch teilweises Anritzen erhalten werden.

Beispiel 7

Legierungs-Schmelzen mit den in Tabelle 2 angegebenen Zusammensetzungen wurden zu amorphen Bändern von 25 mm Breite und 20 µm Dicke im Einzel-Walzen-Verfahren verarbeitet. Jedes amorphe Band wurde in Ringform mit einem Außendurchmesser von 100 mm und einem Innendurchmesser von 80 mm gewickelt. Im nächsten Schritt wurde der so entstandene Kern in N₂-Gas- Atmosphäre hitze-behandelt, wobei ein Gleichstrom-Magnetfeld von 397,9 A/m (5 Oe) in Richtung parallel zum magnetischen Pfad während der gesamten Zeitdauer der Hitzebehandlung angelegt wurde. Das Verfahrens-Muster der Hitze-Behandlung war wie folgt: Das Legierungsband wurde mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 2°C/min auf 530°C aufgeheizt, eine Stunde lang bei 550°C belassen, mit einer durchschnittlichen Abkühl- Geschwindigkeit von 2°C/min auf 200°C abgekühlt und danach dadurch auf Raumtemperatur Luft-gekühlt, daß man den Kern aus dem Ofen herausnahm.

Die hitze-behandelten Legierungen hatten dieselben Mikrostrukturen, wie dies in Beispiel 1 angegeben ist. Die magnetischen Eigenschaften der hitze-behandelten Legierungen sind in Tabelle 2 angegeben.

Tabelle 2

Mit den in Tabelle 2 angegebenen Ergebnissen ist nachgewiesen, daß durch Zusatz von Ge, Ga, Al, N, C und P die resultierenden Legierungen weniger als halb so große Werte der Koerzitiv-Kraft im Vergleich zu den Legierungen der Proben Nr. 24 und 25 aufweisen, die diese Elemente nicht enthalten, wobei die Legierungen im wesentlichen dieselben Werte der Sättigungs-Magnetisierungs-Flußdichte beibehalten, die die Legierungen der Proben 24 und 25 zeigen. Folglich ist der Zusatz der oben genannten Elemente wirkungsvoll, wenn Legierungen für Niederfrequenz-Transformatoren hergestellt werden sollen.

Beispiel 8

Eine Legierungsschmelze mit der Zusammensetzung (in Atom-%)

Fe_79,5Cu₁Si₄B_12,5- _γNb₃P_γ

wurde zu Bändern von 15 mm Breite und 18 µm Dicke im Einzel-Walzen-Verfahren verarbeitet. Die Bänder wurden in Ringform mit 25 mm Außendurchmesser und 20 mm Innendurchmesser gewickelt.

Der resultierende Magnetkern wurde mit gegen Hitze isolierenden Wicklungen versehen, und es wurde elektrischer Strom daran angelegt, um ein Magnetfeld von 397,9 A/m (5 Oe) in Richtung parallel zum magnetischen Pfad auszubilden. Unter dieser Bedingung wurde die Hitze-Behandlung in der Weise durchgeführt, daß man den Magnetkern mit einer Aufheiz-Geschwindigkeit von 5°C/min auf 530°C aufheizte, ihn eine Stunde lang bei 530°C beließ und danach mit einer durchschnittlichen Abkühl-Geschwindigkeit von 2,5°C/min auf Raumtemperatur abkühlte. Die Hitze-Behandlung wurde unter N₂-Gas-Atmosphäre durchgeführt.

Der hitze-behandelte Kern wurde in ein Phenolharz-Kerngehäuse eingesetzt und mit Wicklungen zur Messung der Gleichstrom- Magnet-Eigenschaften versehen. Die Ergebnisse sind in Fig. 6 dargestellt.

Wie sich offensichtlich aus Fig. 6 ergibt, kann die Koerzitiv-Kraft dadurch reduziert werden, daß man einen Teil von B und P ersetzt. Wenn die Menge an P 4 Atom-% übersteigt, erhöht sich die Koerzitiv-Kraft eher, und die Sättigungs- Magnetisierungs-Flußdichte sinkt. Dies ist jedoch im Hinblick auf den Wert des Kern-Verlustes für den Zweck der Miniaturisierung der Transformatoren eine unerwünschte Tendenz.

Wie oben beschrieben, sind die Niederfrequenz-Transformatoren gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet für Netz- Transformatoren, die bei technischer Frequenz betrieben werden und Inverter-Transformatoren, die bei einer niedrigen Frequenz von 10 kHz oder weniger betrieben werden.

Claims

1. Niederfrequenz-Transformator, umfassend einen Magnetkern, der aus einer Legierung mit der Zusammensetzung der nachfolgenden allgemeinen Formel hergestellt ist (in Atom-%) (Fe₁_-aM_a)₁₀₀_-x-y-z- _αCu_xSi_yB_zM′_αworin M Co und/oder Ni ist, M′ wenigstens ein Element ausgewählt aus der Gruppe Nb, W, Ta, Mo, Zr, Hf und Ti ist, und a, x, y, z und α jeweils den nachfolgenden Ungleichungen genügen 0≦a≦0,3, 0,1≦x≦3, 0≦y≦17, 4≦z≦17, 10≦y + z≦28 und 0,1≦α≦5, wobei wenigstens 50% der Legierungs-Struktur von feinen Kristall-Körnern mit einer durchschnittlichen Korngröße von 100 nm oder weniger, gemessen an ihren maximalen Durchmessern, besetzt sind.

2. Niederfrequenz-Transformator nach Anspruch 1, worin die Legierung der angegebenen allgemeinen Formel entspricht, in der a, x, y, und α jeweils den nachfolgenden Ungleichungen genügen 0≦a≦0,3, 0,5≦x≦2, 0≦y≦15, 7≦z≦15, 15≦y + z≦25 und 1≦α≦3.

3. Niederfrequenz-Transformator umfassend einen Magnetkern, der aus einer Legierung mit der Zusammensetzung hergestellt ist (in Atom-%), die durch die nachfolgende allgemeine Formel wiedergegeben ist: (Fe₁_-aM_a)₁₀₀_-x-y-z- _α _- _γCu_xSi_yB_zM′_αX_-γworin M Co und/oder Ni ist, M′ wenigstens ein Element ausgwählt aus der Gruppe Nb, W, Ta, Mo, Zr, Hf und Ti ist, X wenigstens ein Element ausgewählt aus der Gruppe Ge, P, C, Ga, Al und N ist und a, x, y, z, α und q jeweils den nachfolgenden Ungleichungen genügen: 0≦a≦0,3, 0,1≦x≦3, 0≦y≦10, 4≦z≦17, 0,1≦α≦5, γ≦4 und 10≦y + z + γ≦20, wobei wenigstens 50% der Legierungsstruktur von feinen Kristall-Körnern mit einer durchschnittlichen Korngröße von 100 nm oder weniger, gemessen an ihren maximalen Durchmessern, besetzt sind.

4. Niederfrequenz-Transformator nach Anspruch 3, worin die Legierung der genannten allgemeinen Formel entspricht, worin a, x, y, z, α und q jeweils den nachfolgenden Ungleichungen genügen: 0≦a≦0,3, 0,5≦x≦2, 0≦y≦10, 7≦z≦15, 10≦y + z + q≦20, 1≦α≦3, 0,1≦γ≦3.

5. Niederfrequenz-Transformatoren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin der Rest der Legierungs-Struktur im wesentlichen amorph ist.

6. Niederfrequenz-Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die Legierungsstruktur im wesentlichen aus feinen Kristall-Körnern besteht.

7. Niederfrequenz-Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die durchschnittliche Korngröße der feinen Kristall-Körner 50 nm oder weniger ist.

8. Niederfrequenz-Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin die Legierung eine Sättigungs-Magnetisierungs- Flußdichte B _s von 13 × 10^-1 T (13 kG) oder mehr aufweist.

9. Legierung mit einer Zusammensetzung (in Atom-%) gemäß der nachfolgenden allgemeinen Formel (Fe₁_-aM_a)₁₀₀_-x-y-z- _αCu_xSi_yB_zM′_αworin M Co und/oder Ni ist, M′ wenigstens ein Element ausgewählt aus der Gruppe Nb, W, Ta, Mo, Zr, Hf, und Ti ist, und a, x, y, z und α jeweils den nachfolgenden Ungleichungen genügen 0≦a≦0,3, 0,1≦x≦3, 0≦y≦17, 4≦z≦17, 10≦y + z≦28 und 0,1≦α≦5.

10. Legierung nach Anspruch 9, worin in der allgemeinen Formel a, x, y, z und α den nachfolgenden Ungleichungen genügen: 0≦α≦0,3, 0,5≦x≦2, 0≦y≦15, 7≦z≦15, 15≦y + z≦25 und 1≦α≦3.

11. Legierung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, worin wenigstens 50% der Legierungsstruktur von feinen Kristall- Körnern mit einer durchschnittlichen Korngröße von 100 nm oder weniger, gemessen an ihren größten Durchmessern besetzt sind.

12. Legierung mit einer Zusammensetzung (in Atom-%) gemäß der nachfolgenden allgemeinen Formel (Fe₁_-aM_a)₁₀₀_-x-y-z- _α _- _γCu_xSi_yB_zM′_αX_-γworin M Co und/oder Ni ist, M′ wenigstens ein Element ausgewählt aus der Gruppe Nb, W, Ta, Mo, Zr, Hf und Ti ist, X wenigstens eine Element ausgewählt aus der Gruppe Ge, P, C, Ga, Al und N ist und a, x, y, z, α und γ jeweils den nachfolgenden Ungleichungen genügen: 0≦a≦0,3, 0,1≦x≦3, 0≦y≦10, 4≦z≦17, 0,1≦α≦5, γ≦4 und 10≦y + z + γ≦20.

13. Legierung nach Anspruch 12, worin in der allgemeinen Formel a, x, y, z, α und γ jeweils den nachfolgenden Ungleichungen genügen: 0≦a≦0,3, 0,5≦x≦2, 0≦y≦10, 7≦z≦15, 10≦y + z + γ≦20, 1≦α≦3, 0,1≦γ≦3.

14. Legierung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, worin wenigstens 50% der Legierungsstruktur von feinen Kristallkörnern mit einer durchschnittlichen Korngröße von 100 nm oder weniger, gemessen an ihren maximalen Durchmessern besetzt sind.

15. Legierung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, worin der Rest der Legierungsstruktur im wesentlichen amorph ist.

16. Legierung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, worin die Legierungs-Struktur im wesentlichen aus feinen Kristallkörnern besteht.

17. Legierung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, worin die durchschnittliche Korngröße der feinen Kristall-Körner 50 nm oder weniger beträgt.