DE3911480A1 - USE OF A FINE CRYSTALLINE IRON BASE ALLOY AS A MAGNETIC MATERIAL FOR FAULT CURRENT CIRCUIT BREAKERS - Google Patents
USE OF A FINE CRYSTALLINE IRON BASE ALLOY AS A MAGNETIC MATERIAL FOR FAULT CURRENT CIRCUIT BREAKERSInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer feinkristal linen Eisen-Basislegierung als Magnetkernwerkstoff für Fehlerstrom-Schutzschalter.The invention relates to the use of a fine crystal Linen iron base alloy as a magnetic core material for Residual current circuit breaker.
Fehlerstrom-Schutzschalter (FI-Schalter) finden seit vielen Jahren Anwendung für den Personen- und Maschinen schutz. Wesentlicher Bestandteil der FI-Schalter ist ein weichmagnetischer Kern, der als Differenzstromwandler wirkt. Der Auslösestrom für FI-Schalter für den Maschinenschutz liegt im Bereich von etwa 300 bis 500 mA. Bei FI-Schaltern für den Personenschutz liegt der Auslöse strom dagegen nur bei 30 mA. In der Veröffentlichung von Hilzinger und Boll "Weichmagnetische kristalline und amorphe Metalle", Elektronik, Heft 22, 1987, sind die Anforderungen an die Magnetkerne und die hierfür verwen deten Werkstoffe dargestellt. Die Magnetkernwerkstoffe müssen neben der hohen maximalen Permeabilität bzw. ausreichenden Induktion bei kleinen Feldstärken insbeson dere eine geringe Temperaturabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften über den gesamten Einsatzbereich aufweisen. Für 30 mA-FI-Schalter werden im wesentlichen kristalline Nickel-Eisen-Legierungen mit ca. 77% Nickel (Permalloy- Typ) eingesetzt. Die Sättigung dieser Werkstoffe beträgt etwa 0,8 T. Um die geforderte geringe Temperaturabhängig keit der magnetischen Eigenschaften der Werkstoffe zu erreichen, ist bei den Permalloy-Legierungen jedoch eine zusätzliche, aufwendige Glühbehandlung erforderlich. Hierdurch wird die Herstellung von Magnetkernen für FI-Schalter aufwendig und verteuert. Das Erfordernis der Glühbehandlung wird in der Veröffentlichung von Pfeifer und Boll in IEEE Transactions on Magnetics, Vol. MAG-5, Nr. 3, Sept. 1969, Seiten 365 bis 370, näher erörtert.Residual current circuit breakers (FI switches) have been found since many years of use for people and machines protection. An essential part of the FI switch is a soft magnetic core that acts as a residual current transformer works. The tripping current for RCDs for the Machine protection is in the range of approximately 300 to 500 mA. The trigger is in the case of RCDs for personal protection current, however, only at 30 mA. In the publication of Hilzinger and Boll "Soft magnetic crystalline and amorphous metals ", electronics, issue 22, 1987, are the Requirements for the magnetic cores and those used for this deten materials. The magnetic core materials In addition to the high maximum permeability or sufficient induction with small field strengths in particular a low temperature dependence of the magnetic Have properties across the entire range of application. For 30 mA RCDs are essentially crystalline Nickel-iron alloys with approx. 77% nickel (permalloy Type) used. The saturation of these materials is about 0.8 T. Depending on the required low temperature the magnetic properties of the materials reach is one with the Permalloy alloys additional, expensive annealing treatment required. This will make the manufacture of magnetic cores for RCD switches expensive and expensive. The requirement of Annealing treatment is used in the Pfeifer publication and Boll in IEEE Transactions on Magnetics, Vol. MAG-5, No. 3, Sept. 1969, pages 365 to 370.
Neben kristallinen Werkstoffen wurden auch bereits amorphe Werkstoffe für FI-Schalter vorgeschlagen. Wegen der gefor derten geringen Magnetisierungsfeldstärke kommen für 30 mA-FI-Schalter nur kobaltreiche Legierungen in Frage, deren Sättigung im Bereich von 0,55 bis 0,7 T liegt. Wie in der bereits genannten Veröffentlichung von Boll und Hilzinger dargelegt, ergeben sich bei Verwendung der amor phen Werkstoffe jedoch Probleme bei hohen Anforderungen bezüglich der Temperaturabhängigkeit.In addition to crystalline materials, amorphous ones have already been used Materials for RCDs proposed. Because of the gefor lower magnetizing field strength come for 30 mA FI switch only cobalt-rich alloys in question, whose saturation is in the range of 0.55 to 0.7 T. As in the aforementioned publication by Boll and Hilzinger explained, arise when using the amor phen materials, however, problems with high requirements regarding the temperature dependence.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Magnetkern-Werkstoff für FI-Schalter anzugeben, der neben einer hohen Sätti gungsinduktion eine geringe Temperaturabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften aufweist.The object of the invention is a magnetic core material to specify for FI switches, which in addition to a high saturation induction a low temperature dependence of the has magnetic properties.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung einer Eisen- Basislegierung mit einem Fe-Gehalt von mehr als 60 Atom-%, deren Gefüge zu mehr als 50% aus feinkristallinen Körnern mit einer Korngröße von weniger als 100 nm besteht und die eine Sättigungsinduktion von mehr als 1,1 T sowie ein Remanenzverhältnis Br/BS von weniger als 0,7 aufweist. Br bezeichnet hierbei die Remanenz und BS die Sättigungsinduktion.The object is achieved by using an iron-based alloy with an Fe content of more than 60 atomic%, the structure of which consists of more than 50% fine-grained grains with a grain size of less than 100 nm and which has a saturation induction of more than 1.1 T and a remanence ratio B r / B S of less than 0.7. B r denotes the remanence and B S the saturation induction.
Solche feinkristallinen Eisen-Basislegierungen sind aus der EP-OS 2 71 657 bekannt. Es handelt sich hierbei insbe sondere um Legierungen, die neben Eisen im wesentlichen 0,1 bis 3 Atom-% Kupfer, 0,1 bis 30 Atom-% eines weiteren Metalls, wie Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti und Mo, bis zu 30 Atom-% Si und bis zu 25 Atom-% B aufweisen, wobei der Gesamtgehalt an B und Si im Bereich von 5 bis 30 Atom-% liegt. Das Eisen kann teilweise durch Kobalt und/oder Nickel ersetzt sein. Diese Materialien werden aufgrund ihrer guten magnetischen Hochfrequenz-Eigenschaften für die Anwendung in Hochfrequenz-Transformatoren, Drosseln und Magnetköpfen vorgeschlagen. Aus der EP-OS 2 99 498 ist ein Magnetkern aus einer feinkristallinen Eisen-Basis legierung bekannt, der nur geringe zeitabhängige Ände rungen der Permeabilität aufweist. Für die dort genannten Anwendungen der Magnetkerne in Drosseln, Filtern und Hoch frequenz-Transformatoren werden Magnetkerne mit einem Remanenzverhältnis von 0,3 und weniger bzw. von 0,7 und mehr eingesetzt. Weiterhin ist aus einer Veröffentlichung von Yoshizawa, Yamauchi, Yamane und Sugihara, Journal of Applied Physics, Vol. 64, Heft 10, 1988, Seiten 6047 bis 6049, ein Magnetkern aus einer feinkristallinen Eisen- Basislegierung zur Verwendung in einer Drosselspule bekannt. In dieser Veröffentlichung finden sich auch Meßwerte über die Temperaturabhängigkeit der Sättigungs induktion und der Permeabilität für Temperaturen oberhalb des Gefrierpunktes.Such fine crystalline iron base alloys are made of EP-OS 2 71 657 known. This is especially true special about alloys, which in addition to iron essentially 0.1 to 3 atomic% of copper, 0.1 to 30 atomic% of another Metals such as Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti and Mo, up to 30 Have atomic% Si and up to 25 atomic% B, the Total content of B and Si in the range of 5 to 30 atomic% lies. Part of the iron can be cobalt and / or Nickel be replaced. These materials are due their good magnetic high frequency properties for use in high-frequency transformers, chokes and magnetic heads suggested. From EP-OS 2 99 498 a magnetic core made of a fine crystalline iron base alloy known, the only small time-dependent changes of permeability. For those mentioned there Magnetic core applications in chokes, filters and high Frequency transformers become magnetic cores with one Remanence ratio of 0.3 and less or 0.7 and used more. Furthermore, from a publication by Yoshizawa, Yamauchi, Yamane and Sugihara, Journal of Applied Physics, Vol. 64, Issue 10, 1988, pages 6047 to 6049, a magnetic core made of a fine crystalline iron Base alloy for use in a choke coil known. This publication also includes Measured values on the temperature dependence of the saturation induction and permeability for temperatures above of freezing point.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß feinkristal line Eisen-Basislegierungen auch bei Temperaturen unter halb des Gefrierpunktes bis zu der für die Anwendung in Fehlerstrom-Schutzschaltern interessanten Temperatur von -25°C eine extrem geringe Abhängigkeit der magne tischen Eigenschaften von der Temperatur aufweisen. Eine geringe Temperaturabhängigkeit der magnetischen Eigen schaften oberhalb des Gefrierpunktes ist für eine Anwen dung als Magnetkernwerkstoff in Fehlerstrom-Schutzschal tern nicht ausreichend und zudem - wie von den bisher für Fehlerstromschutz-Schalter eingesetzten Materialien bekannt ist (vgl. Fig. 4) - kein Indiz für eine geringe Temperaturabhängigkeit bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes. Wie bereits in der Veröffentlichung von Pfeifer und Boll dargelegt, zeigen auch Wickel-Eisen- Legierungen nach dem Stand der Technik bei höheren Temperaturen einen geringeren, bei niedrigeren Tempera turen dagegen einen starken Abfall der Permeabilität. Surprisingly, it has now been found that fine-crystalline line iron base alloys have an extremely low dependence of the magnetic properties on the temperature, even at temperatures below half the freezing point up to the temperature of -25 ° C. which is of interest for use in residual current circuit breakers. A low temperature dependence of the magnetic properties above freezing point is not sufficient for an application as a magnetic core material in residual current circuit breakers and, in addition, as is known from the materials previously used for residual current circuit breakers (see FIG. 4), no indication of a low temperature dependency at temperatures below freezing. As already explained in the publication by Pfeifer and Boll, also wrapping iron alloys according to the state of the art show a lower permeability at higher temperatures, on the other hand a strong decrease at lower temperatures.
Die erfindungsgemäßen feinkristallinen Magnetkerne für FI-Schalter weisen sehr gute weichmagnetische Eigen schaften sowie eine geringe Temperaturabhängigkeit dieser Eigenschaften auf. Dies gilt insbesondere für Magnetkerne mit einer runden Hystereseschleife, d.h. mit einem Remanenzverhältnis von 0,4 und mehr sowie weniger als 0,7. Die Legierungen sind in der Herstellung kostengünstiger, da eine zusätzliche spezielle Glühbehandlung zur Erzielung der geringen Temperaturabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften nicht erforderlich ist. Die Ringkerne zeigen eine sehr gute Stabilität sowohl gegen Pulsaussteuerung als auch gegen kleine überlagerte Gleichfelder.The fine crystalline magnetic cores according to the invention for RCDs have very good soft magnetic properties as well as a low temperature dependence of this Properties on. This applies in particular to magnetic cores with a round hysteresis loop, i.e. with a Retentive ratio of 0.4 and more and less than 0.7. The alloys are cheaper to manufacture, as an additional special annealing treatment to achieve the low temperature dependence of the magnetic Properties is not required. The toroids show very good stability against both pulse modulation as well as against small superimposed DC fields.
Anhand der Ausführungsbeispiele und der Figuren soll die Erfindung nun näher erläutert werden. Es zeigen:Based on the embodiments and the figures Invention will now be explained in more detail. Show it:
Fig. 1 die Abhängigkeit der Induktion von der Feldstärke für einen erfindungsgemäßen Magnetkern mit runder Hystereseschleife, Fig. 1 shows the dependence of the induction of the field strength of a magnetic core according to the invention with round hysteresis loop
Fig. 2 die Abhängigkeit der Induktion (50 Hz), des statischen und dynamischen Induktionshubes von der Feldstärke, Fig. 2 shows the dependence of the induction (50 Hz), the static and dynamic induction excursion of the field strength,
Fig. 3 die Temperaturabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Magnetkerns mit runder Hystereseschleife, Fig. 3, the temperature dependence of the magnetic properties of a magnetic core according to the invention with round hysteresis loop
Fig. 4 die Temperaturabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften eines Kerns nach dem Stand der Technik, Fig. 4 shows the temperature dependence of the magnetic properties of a core according to the prior art,
Fig. 5 die Temperaturabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Kerns mit flacher Hystereseschleife. Fig. 5 shows the temperature dependence of the magnetic properties of a core according to the invention with a flat hysteresis loop.
Es wurden sowohl Ringbandkerne mit flacher als auch mit runder Hystereseschleife hergestellt. Für die Verwendung in 30 mA FI-Schaltern erwiesen sich insbesondere Materia lien mit einem Remanenzverhältnis im Bereich von 0,4 bis 0,7 als vorteilhaft. Die feinkristallinen Bänder wurden durch Kristallisieren eines ursprünglich amorphen Bandes unter Verwendung eines einzigen Wärmebehandlungsschrittes und einer anschließenden Abkühlung mit einer Abkühl geschwindigkeit von mehr als 0,4 K/min hergestellt.There were both toroidal cores with flat and with Round hysteresis loop made. For the use Materia proved to be particularly useful in 30 mA RCDs lien with a remanence ratio in the range of 0.4 to 0.7 as advantageous. The fine crystalline ribbons were by crystallizing an originally amorphous band using a single heat treatment step and a subsequent cooling with a cooling speed of more than 0.4 K / min.
Die Herstellungsverfahren der feinkristallinen Bänder sind prinzipiell aus den bereits genannten europäischen Offen legungsschriften bekannt. Die Korngröße der feinkristal linen Körner war in allen Ausführungsbeispielen stets kleiner als 25 nm. Die Magnetkerne der Ausführungs beispiele wiesen neben einem Eisengehalt von 73,5 Atom-% weiterhin 1 Atom-% Kupfer, 3 Atom-% Niob, 13,5 Atom-% Silizium und 9 Atom-% Bor auf. Die fertigen Ringbandkerne hatten die Abmessungen ⌀19 x ⌀15 x 5 mm. An den Ringbandkernen wurden jeweils die Hystereseschleifen und die Magnetisierungskurven von sowie dem statischen In duktionshub Δ Bstat und dem dynamischen Induktions hub Δ Bdyn bei sinusförmigem, einweg- und zweiweg gleichgerichtetem Strom bei Raumtemperatur gemessen. Außerdem wurde die Temperaturabhängigkeit des statischen und dynamischen Induktionshubes sowie der Permeabilität µ4 bei 50 Hz bestimmt.The manufacturing processes of the fine crystalline strips are known in principle from the European published documents already mentioned. The grain size of the fine-crystalline grains was always smaller than 25 nm in all of the exemplary embodiments. In addition to an iron content of 73.5 atom%, the magnetic cores of the exemplary embodiments also had 1 atom% copper, 3 atom% niobium, 13.5 atom % Silicon and 9 atomic% boron. The finished toroidal cores had the dimensions ⌀19 x ⌀15 x 5 mm. The hysteresis loops and the magnetization curves of and the static induction stroke Δ B stat and the dynamic induction stroke Δ B dyn were measured at the toroidal cores at sinusoidal, one-way and two-way rectified current at room temperature. In addition, the temperature dependence of the static and dynamic induction stroke and the permeability µ 4 at 50 Hz was determined.
Diejenigen Magnetkerne, bei denen die Wärmebehandlung ohne Magnetfeld durchgeführt wurde, wiesen ein Remanenz verhältnis von 0,65 auf (runde Hystereseschleife). In Fig. 1 ist die quasistatische Hystereseschleife dieser Magnetkerne dargestellt. Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen , Δ Bstat, Δ Bdyn und der Magnet feldstärke. Die Induktion der erfindungsgemäßen Magnet kerne mit runder Hystereseschleife erreicht bereits bei einer Feldstärke von 10 mA/cm einen Wert von 0,5 T und liegt damit oberhalb der Werte von Magnetwerkstoffen für FI-Schalter nach dem Stand der Technik. Die erfindungs gemäßen Kerne weisen zudem hohe Werte für den statischen und dynamischen Induktionshub auf. In Fig. 3 ist die Temperaturabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Magnetkerne dargestellt. Sie weisen eine sehr hohe Konstanz mit geringen Schwankungen über den gesamten für die praktische Anwendung interessierenden Temperaturbereich von -25°C bis +80°C auf.Those magnetic cores in which the heat treatment was carried out without a magnetic field had a remanence ratio of 0.65 (round hysteresis loop). In Fig. 1, the quasi-static hysteresis loop is shown that the magnetic cores. Fig. 2 shows the relationship between, Δ B stat , Δ B dyn and the magnetic field strength. The induction of the magnetic cores according to the invention with a round hysteresis loop already reaches a value of 0.5 T at a field strength of 10 mA / cm and is therefore above the values of magnetic materials for RCDs according to the prior art. The cores according to the invention also have high values for the static and dynamic induction stroke. In Fig. 3, the temperature dependence of the magnetic properties of the magnetic cores according to the invention. They have a very high constancy with little fluctuations over the entire temperature range of -25 ° C to + 80 ° C that is of interest for practical use.
Zum Vergleich ist in Fig. 4 die Temperaturabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften für eine Legierung nach dem Stand der Technik dargestellt. Es handelt sich hierbei um eine hochnickelhaltige Legierung, die unter der Bezeich nung ULTRAPERM F 80 für Fehlerstrom-Schutzschalter ver trieben wird. Auch diese Legierung weist für Temperaturen oberhalb des Gefrierpunktes eine recht gute Konstanz der Magnetwerte auf. Für Temperaturen unterhalb des Gefrier punktes zeigen sich hier jedoch starke Änderungen.For comparison, the temperature dependence of the magnetic properties for an alloy according to the prior art is shown in FIG. 4. This is a high-nickel alloy that is sold under the name ULTRAPERM F 80 for residual current circuit breakers. This alloy also has a very good constancy of the magnetic values for temperatures above freezing point. However, there are significant changes here for temperatures below freezing.
An Magnetkernen, bei denen die Wärmebehandlung in einem magnetischen Querfeld durchgeführt wurde, wurde ein Remanenzverhältnis von 0,1 (flache Schleife) gemessen. Sie wiesen ebenfalls eine gute Konstanz der magnetischen Eigenschaften bei Temperaturänderungen auf, wie aus Fig. 5 ersichtlich ist. Die Änderungen waren jedoch größer als bei den Kernen mit runder Hystereseschleife.A remanence ratio of 0.1 (flat loop) was measured on magnetic cores in which the heat treatment was carried out in a transverse magnetic field. They also had good constancy of the magnetic properties with temperature changes, as can be seen from FIG. 5. However, the changes were larger than for the round hysteresis loop cores.
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