DE4019636A1 - Verfahren zur verbesserung der magnetischen eigenschaften durch anwendung von wechselstrom oder gepulstem strom - Google Patents

Verfahren zur verbesserung der magnetischen eigenschaften durch anwendung von wechselstrom oder gepulstem strom

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften von magnetischem Material und insbesondere ein Verfahren zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften von ferromagnetischen amorphen Legierungen durch Anwenden von Wechselstrom oder gepulstem Strom.
Ferromagnetische amorphe Legierungen werden häufig für viele magnetische Anwendungen, wie Verteiltransformatoren, Gleichstrom­ quellen, Motoren, Stromverstärkern, magnetischen Abschirmungen u.s.w. verwendet. Amorphe Eisenbasislegierungen zeigen nach dem Glühen in herkömmlichen Öfen eine Glühsprödigkeit. Das stellt für viele Anwendungen ein ernstes Problem dar.
In der Vergangenheit sind Anstrengungen unternommen worden, um einen neuen magnetischen Werkstoff mit besseren magnetischen Eigenschaften, wie höhere magnetische Induktion (Bm), niedrigere Koerzitivfeldstärke (Hc) und daher geringerem Kernverlust, wenn der Transformatorenkern aus solchen Materialien besteht, zu finden. Bei ferromagnetischen Materialien, die in der Vergangenheit zur Herstellung von Transformatorenkernen verwendet worden sind, ist es sehr schwierig, im Betrieb ihre magnetischen Eigenschaften zu ändern.
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften von ferromagne­ tischen amorphen Legierungen zu schaffen.
Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist der Schritt der Anwendung von Wechselstrom oder gepulstem Strom während der Magnetisierung der ferromagnetischen amorphen Legierungen zur Erhöhung des Maximalwertes der magnetischen Induktion (Bm) und Verminderung des Minimalwertes der Koerzitiv­ feldstärke (Hc).
Der Wechselstrom wird von einer Wechselstromquelle abgenommen und über ein Elektrodenpaar direkt in das Teil aus ferromagnetischem Material geleitet. Es wird angenommen, daß der durch das ferromagnetische Material fließende Strom die Domänenwand in dem Material verschiebt in Abhängigkeit zu der Stromdichte und Frequenz. Daher werden die weichmagnetischen Eigenschaften des ferromagnetischen Materials verbessert. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung umfaßt ferner den Schritt der Anwendung von Wechselstrom oder gepulstem Strom auf eine Probe aus einer Legierung, welche mit Wechselstrom-Widerstandserwärmung oder gepulstem Hochstrom wärmebehandelt worden ist. Diese amorphe Legierung wird während des Glühprozesses keine Glühsprödigkeit zeigen. Die Wechselstrom-Widerstandserwärmung oder der gepulste Hochstromprozeß zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften und Glühsprödigkeit der Legierung ist in der anhängigen US-Patent­ anmeldung 3 38 895 vom 14. April 1989 beschrieben.
Der angewendete Wechselstrom oder gepulste Strom hat eine Frequenz im Bereich von 50 bis 50 000 Hz und eine Stromdichte von 10 bis 500 A/cm² und eine Sinus-, Dreieck- oder Rechteckwellenform.
Dementsprechend umfaßt das Verfahren zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften ferromagnetischer amorpher Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung einen ersten Schritt zur Schaffung eines ferromagnetischen amorphen Legierungsteils in einem Magnetisierungsfeld, einen zweiten Schritt die Anwendung von Wechselstrom oder gepulstem Strom, der durch das Teil geleitet wird und in einem dritten Schritt das Erfassen und Aufzeichnen der magnetischen Induktion und Koerzitivfeldstärke des Teils während der Magnetisierung und Entmagnetisierung.
Diese und andere Vorteile, Aufgaben und Merkmale des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausgestaltungen mit Bezug auf die Zeichnung verdeutlicht.
Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm des Systems zur Messung der B-H-Schleife eines geraden Teils nach dem Verfahren gemäß der Erfindung.
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm eines Systems zur Messung der B-H-Schleife eines ringförmigen Teils nach dem Verfahren der Erfindung.
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines ferromagnetischen amorphen Legierungs-Bandes mit seiner magnetischen Domänenstruktur.
Fig. 4 ist ein Diagramm, welches die Abhängigkeit der magnetischen Induktion und Koerzitivfeldstärke einer geraden Fe₇₈B₁₃Si₉-Probe zeigt, durch die ein 60-Hz-Sinuskurvenstrom hindurchfließt.
Fig. 5 ist ein Diagramm, welches die Veränderung der magnetischen Induktion und Koerzitivfeldstärke einer geraden Fe₇₈B₁₃Si₉-Probe bei einem Wechselstrom mit verschiedenen Frequenzen zeigt.
Fig. 6 ist ein Diagramm mit einer B-H-Schleife für eine gerade Fe₇₈B₁₃Si₉-Probe im Gußzustand nach einem Wechselstrom-Widerstands­ erwärmen und bei Anwendung von Wechselstrom.
Das Verfahren zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften ferromagnetischer amorpher Legierung unter Anwendung von hohem Wechselstrom oder gepulstem Strom wird durch die folgende Erläuterung verdeutlicht.
1. Proben
Ferromagnetische amorphe Bänder verschiedener Zusammensetzungen, insbesondere amorphe Bänder auf Eisen- oder Nickelbasis. Auch ist es geeignet für alle kristallinen Materialien.
Probenform - gerade lange Bänder,
- ringkerngewickelt aus einem langen Band,
- C-förmig, E-förmig oder rechtwinkliger Kerntyp.
Bei den Versuchen wurden Proben der Zusammensetzung Fe₇₈B₁₃Si₉ verwendet und in gerade und ringförmige Form gebracht.
2. Messen der magnetischen Eigenschaften mit Wechselstrom oder gepulstem Strom, der durch die Proben fließt A. Gerade Proben
Die geraden Proben wurden in das Zentrum eines gleichförmigen Magnetfeldes (H) gebracht, welches durch eine lange Solenoidspule erzeugt wurde, welche an eine bipolare Gleichstromquelle oder einen Funktionsgenerator angeschlossen war. Beide Enden des geraden amorphen Bandes wurden durch zwei quadratische Kupferplatten geklemmt, welche angeschlossen waren an die Ausgangsanschlüsse einer Wechselstromquelle, welche in der Lage ist zur Erzeugung einer Suchspule (S), kombiniert mit einer Kompensationsspule (C) und die verbunden ist mit einem Fluxmeter (oder Integrator) zur Messung der magnetischen Flußdichte (B) der Probe. Durch Verbinden der Anschlüsse des angewendeten Magnetfeldes (H) und der magnetischen Flußdichte (B) mit einem X-Y-Rekorder wurde die B-H-Hystereseschleife erhalten.
B. Ringproben
Die Ringproben wurden hergestellt durch Wickeln eines langen amorphen Bandes, beschichtet mit Isolationsmaterialien. Die beiden Enden des langen Bandes wurden an den Ausgang der Wechselstrom­ quelle angeschlossen. Der Ringkern wurde aus zwei Spulen gewickelt, die Primärspule (N₁) wurde an die bipolare Gleichstromquelle oder einen Funktionsgenerator angeschlossen, um das angelegte Magnet­ feld (H) zu erzeugen, und die Sekundärspule (N₂) wurde an einen Fluxmeter oder Integrator angeschlossen, um die magnetische Fluß­ dichte (B) zu messen. Dann wurde die B-H-Hystereseschleife durch Verbinden der Anschlußpunkte von H und B an einen X-Y-Rekorder erhalten (Fig. 2).
3. Bedingungen des angewendeten Wechselstroms durch die Proben
Frequenzbereich: 50 Hz bis 5 kHz
Wellenform: Sinuswelle, dreieckige oder rechteckige Welle,
Stromdichte: J = 10-500 A/cm².
Querfeld induziert durch Wechselstrom oder gepulsten Strom.
Außer in der Nähe der Bandkanten ist das Magnetfeld, erzeugt durch Anlegen eines Stroms I durch eine rechteckige Probe im wesentlichen quer und variiert linear mit dem Abstand von der Bandmittenebene. Fig. 3 zeigt den Querschnitt des amorphen Bandes und seine mögliche magnetische Domänenstruktur.
4. Beispiele für Verbesserungen der verschiedenen Arten ferro­ magnetischer amorpher Legierungen als Ergebnis des Verfahrens gemäß der Erfindung durch Anlegen von Wechselstrom, welcher durch die Proben aus ferromagnetischem Material fließt Beispiel 1
Probe: gerade Form (15, 24 cm × 3,05 mm × 25 µm)
Zusammensetzung: Fe₇₈B₁₃Si₉
Referenzmagneteigenschaften der gegossenen Proben:
Bei Anlegen eines magnetischen Feldes: Hm = ±0,296 Oe
a. Magnetische Induktion: Bm₀ = 7,16 kG
b. Koerzitivfeldstärke: Hc₀ = 0,074 Oe
Wirkungen der magnetischen Eigenschaften unter Wechselstrom durch die Proben:
A. Abhängigkeit der Wechselstromdichte
Wenn ein Strom einer 60-Hz-Sinuskurve durch die Proben mit unterschiedlichen Stromdichten J = 0 bis 334 A/cm² (I = 0 bis 250 mA) fließt, ergeben sich Veränderungen der magnetischen Induktion und Koerzitivfeldstärke der Proben gemäß Fig. 4. Die magnetischen Induktionswerte unter verschiedenen Stromdichten sind fast dieselben und etwas höher als der Wert von gegossenen Proben. Jedoch nimmt die Koerzitivfeldstärke der Proben merkbar ab, wenn die Stromdichte zunimmt. Die Abnahme ist langsamer, nachdem die Stromdichte höher ist als 150 A/cm². Wenn die Stromdichte 334 A/cm² ist, wird die Koerzitivfeldstärke niedriger als der halbe Wert einer gegossenen Probe.
B. Frequenzabhängigkeit
Wenn die Proben denselben Wechselstrom (Stromdichte J = 160 A/cm²) mit verschiedenen Frequenzen (50 Hz-20 kHz) führten, waren die Veränderungen der magnetischen Induktion und Koerzitivfeldstärke der Proben gemäß Fig. 5. Also sind die magnetischen Induktionen nahezu dieselben und etwas höher als der Wert der gegossenen Probe. Die Werte des Koerzitivfeldstärken-Verhältnisses liegen um 0,5, und das Minimum liegt im Frequenzbereich von 100 bis 1000 Hz.
C. Wellenformabhängigkeit
Die Wellenform des Wechselstroms der durch die Proben floß kann Sinus-, Dreieck- oder Rechteckform haben. Unter demselben Spitzenstrom ist die Wirkung der Verbesserung der magnetischen Eigenschaften bei Rechteckwellen am besten, und die Effekte bei Sinusform und bei Dreieckform sind fast dieselben. Für 300 Hz Strom durch die Proben ist die Veränderung der magnetischen Induktion und Koerzitivfeldstärke bei einem angelegten Magnetfeld Hm = +0,296 Oe gemäß folgender Liste:
Beispiel 2
Probe: ringförmig
Zusammensetzung: Fe₇₈B₁₃Si₉
Ein 5schichtiger amorpher Kern mit einem Durchmesser von 3,8 cm war gewunden aus einem 60 cm langen Band (Breite: 7,5 cm, Dicke 25 µm, Gewicht: 6,623 g).
Die Referenzmagneteigenschaften der gegossenen Probe:
Bei Anlegen eines Magnetfeldes beim Messen der B-H-Schleife Hm = ±0,15 Oe
a. magnetische Induktion Bm₀ = 6,71 kG
b. Koerzitivfeldstärke Hc₀ = 0,073 Oe
Anlegen einer 60-Hz-Sinuskurve durch den Kern. Die verbesserten magnetischen Induktionen und Koerzitivfeldstärken der Proben sind wie folgt:
Beispiel 3
Probe: gerade Form (15 cm × 3,05 mm × 25 µm)
Zusammensetzung: Fe₇₈B₁₃Si₉
A. Gegossene Probe
Angelegtes Magnetfeld beim Messen der B-H-Schleife Hm = +0,292 Oe
- Magnetische Induktion Bm = 7,07 kG
- Koerzitivfeldstärke Hc = 0,075 Oe
B. Nach Wechselstrom-Widerstandserwärmen mit
- Frequenz f = 60 Hz
- Stromdichte J = 3000 A/cm²
- Erhitzungszeit th = 50 s
- Angelegtes Feld Hp = 100 Oe
Magnetisches Feld beim Messen der B-H-Schleife Hm = ±0,292 Oe
- Magnetische Induktion Bm = 9,70 kG
- Koerzitivfeldstärke Hc = 0,04 Oe
Bruchspannung εf = 1 (Duktilität)
C. Wechselstrom durch die Proben nach Wechselstrom-Widerstandserwärmen mit
- Frequenz: f = 300 Hz
- Wellenform: Rechteck
- Stromdichte: 160 A/cm²
Beim Messen der B-H-Schleife angelegtes Magnetfeld Hm = ±0,292 Oe
- Magnetische Induktion Bm = 9,89 kG
- Koerzitivfeldstärke Hc = 0,017 Oe
Die B-H-Schleifen der gegossenen Proben, der Proben nach dem Wechselstrom-Widerstandserwärmen und die der mit Wechselstrom durchflossenen Proben sind in Fig. 6 dargestellt.

Claims (9)

1. Verfahren zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften von ferromagnetischen Materialien, dadurch gekennzeichnet, daß
  • (a) ein Teil aus ferromagnetischem Material in ein magnetisieren­ des und entmagnetisierendes Feld gebracht und
  • (b) ein Wechselstrom durch das Teil geleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verbesserten magnetischen Eigenschaften des Teils aufgezeichnet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Induktion und die Koerzitivfeldstärke der Teile ermittelt und aufgezeichnet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Teile ferromagnetische amorphe Legierungen verwendet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Teile aus einer amorphen Eisen-, Nickel- oder Kobaltbasislegierung verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wechselstrom mit einer Frequenz im Bereich von 50 bis 50 000 Hz angewendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der angewendete Wechselstrom Sinus-, Dreieck- oder Rechteckform hat.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstrom mit einer Stromdichte von 10 bis 500 A/cm² angewendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Teile mit einer geraden Form einer Ringform oder irgendeiner Transformatorkernform verwendet werden.
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