EP0007994A1 - Magnetkern aus einer weichmagnetischen amorphen Legierung - Google Patents

Magnetkern aus einer weichmagnetischen amorphen Legierung Download PDF

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EP0007994A1
EP0007994A1 EP79102173A EP79102173A EP0007994A1 EP 0007994 A1 EP0007994 A1 EP 0007994A1 EP 79102173 A EP79102173 A EP 79102173A EP 79102173 A EP79102173 A EP 79102173A EP 0007994 A1 EP0007994 A1 EP 0007994A1
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Vacuumschmelze GmbH and Co KG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
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    • Y10T29/49021—Magnetic recording reproducing transducer [e.g., tape head, core, etc.]
    • Y10T29/49032—Fabricating head structure or component thereof
    • Y10T29/49034—Treating to affect magnetic properties

Definitions

  • the invention relates to a magnetic core made of a soft magnetic amorphous alloy.
  • Electromagnetic components with cores made of soft magnetic amorphous alloys are already known (DE-OS 25 46 676 and 25 53 003).
  • amorphous metal alloys can be produced by cooling an appropriate melt so rapidly that solidification occurs without crystallization.
  • the alloys can be obtained in the form of thin strips, the thickness of which can be, for example, a few hundredths of a mm and the width of which can be from a few mm to several cm.
  • the amorphous alloys can be distinguished from the crystalline alloys by means of X-ray diffraction measurements. In contrast to crystalline materials, which show characteristic sharp diffraction lines, the intensity in the X-ray diffraction pattern with amorphous metal alloys changes only slowly with the diffraction angle, similarly as is the case with liquids or ordinary glass.
  • the amorphous alloys can be completely amorphous or comprise a two-phase mixture of the amorphous and the crystalline state.
  • an amorphous metal alloy is understood to mean an alloy which is at least 50%, preferably at least 80%, amorphous.
  • the so-called crystallization temperature For every amorphous metal alloy there is a characteristic temperature, the so-called crystallization temperature. If the amorphous alloy is heated to or above this temperature, it changes to the crystalline state in which it remains even after cooling. In the case of heat treatments below the crystallization temperature, however, the amorphous state is retained.
  • the previously known soft magnetic amorphous metal alloys have the composition M y X 1-y , where M is at least one of the metals iron, cobalt and nickel, and X is at least one of the so-called glass-forming elements boron, carbon, silicon and phosphorus and y is between about 0, 60 and 0.95.
  • the amorphous alloys can also contain other metals, in particular titanium, zircon, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, palladium, platinum, copper, silver or gold contain, while in addition to the glass-forming elements X or optionally also the elements aluminum, gallium, indium, germanium, tin, arsenic, antimony, bismuth or beryllium may be present.
  • other metals in particular titanium, zircon, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, palladium, platinum, copper, silver or gold contain, while in addition to the glass-forming elements X or optionally also the elements aluminum, gallium, indium, germanium, tin, arsenic, antimony, bismuth or beryllium may be present.
  • the amorphous soft magnetic alloys are particularly suitable for the production of magnetic cores since, as already mentioned, they can be produced directly in the form of thin strips without, as in the case of the crystalline soft magnetic metal alloys customary in the art, a large number of rolling steps with numerous Intermediate annealing is required.
  • Cores with a sheared hysteresis loop are often used for various applications, for example for chokes.
  • shear is known to be achieved by providing an air gap at least at one point along the core, which extends over the entire core cross section at this point.
  • Such air gaps often have to be ground in in a relatively complex manner or the core has to be completely cut to produce the air gaps, as is the case, for example, with cutting tape cores, so that additional parts for holding the core together, for example tensioning straps, are required.
  • the object of the invention is to achieve a shear in a magnetic core made of a soft magnetic amorphous alloy while avoiding air gaps.
  • amorphous alloy is converted into the crystalline state at least at one point along the core at least over part of the core cross section at this point.
  • the amorphous soft magnetic alloys have a relatively high permeability in the amorphous state, the permeability is considerably reduced by the transition to the crystalline state through local overheating above the crystallization temperature. This results in a crystalline zone which extends at least over part of the core cross section at the heated point and acts in a manner similar to an air gap.
  • a completely amorphous soft magnetic alloy can preferably be used as the starting material.
  • one or more crystalline zones distributed over the core may be provided, the width of which may also vary over the core cross section. It is particularly effective in the manner of an air gap if the amorphous alloy is converted into the crystalline state at least at one point in the magnetic core over the entire core cross section at this point.
  • the magnetic cores according to the application can be produced, for example, by winding an amorphous band into a core or by laminating sheets punched out of amorphous band into a core. Local heating above the crystallization temperature to produce the crystalline zone can then take place, for example, by means of an induction loop placed around the core at the appropriate point.
  • the magnetic cores can be heat-treated in a manner known per se, for example at a temperature below the crystallization temperature in the presence of a magnetic field which magnetizes the magnetic core approximately to saturation.
  • the magnetic field can be a transverse magnetic field or a longitudinal magnetic field.
  • the core can also be layered, for example, from sheets that have been previously at least one point has been converted into the crystalline state over all or part of its cross section.
  • the heating can take place, for example, by resistance heating between two metal cutting edges serving as contacts or also by laser beams.
  • Figures 1 to 4 each show a top view schematically different embodiments of a magnetic core according to the invention.
  • this permeability in the crystalline zone is reduced to approximately 500.
  • a 5 mm wide crystalline zone 2 corresponds to an apparent air gap with a length of 0.01 mm. Since the mean iron path length of the core is 78.5 mm for the dimensions mentioned above, the permeability of the sheared circle is approximately 7630.
  • FIG. 2 shows a further core, which can be layered, for example, from sheet metal or wound in the form of a ring band core from band.
  • amorphous Material 11 is produced at four points on the core circumference by local heating, crystalline zones 12, which extend over the entire core cross section.
  • FIG. 3 shows a correspondingly constructed magnetic core, in which crystalline zones 22 are generated in the amorphous material 21 at two locations, the boundary surfaces of which are curved.
  • Such crystalline zones the width of which varies over the core cross section, can be used, for example, to achieve nonlinear characteristic curves.
  • FIG. 4 shows a magnetic core in which crystalline zones 32 are produced in the amorphous alloy 31 at two points, each of which extends over only part of the core cross section.
  • the shear can be varied within wide limits by different selection of the crystalline zones. For example, flat hysteresis loops, perminvar-like loops, strongly sheared linear loops or non-linear characteristic curves can be achieved.
  • the cores can be glued in the usual way, used in protective troughs or cast.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Magnetkern aus einer weichmagnetischen amorphen Legierung. Erfindungsgemäß ist die amorphe Legierung 1 wenigstens an einer Stelle 2 entlang des Kerns wenigstens über einen Teil des Kernquerschnitts an dieser Stelle in den kristallinen Zustand übergeführt. Die in den kristallinen Zustand übergeführte Zone wirkt wie ein Luftspalt, da die Permeabilität im kristallinen Zustand erheblich niedriger ist als im amorphen Zustand. Der erfindungsgemäße Magnetkern eignet sich somit für Anwendungen, bei denen eine gescherte Hystereseschleife erforderlich ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Magnetkern aus einer weichmagnetischen amorphen Legierung.
  • Elektromagnetische Bauelemente mit Kernen aus weichmagnetischen amorphen Legierungen sind bereits bekannt (DE-OS 25 46 676 und 25 53 003).
  • Amorphe Metallegierungen lassen sich bekanntlich dadurch herstellen, daß man eine entsprechende Schmelze so rasch abkühlt, daß ein Erstarren ohne Kristallisation eintritt. Die Legierungen können dabei gleich bei ihrer Entstehung in Form dünner Bänder gewonnen werden, deren Dicke beispielsweise einige hundertstel mm und deren Breite einige mm bis mehrere cm betragen kann.
  • Von den kristallinen Legierungen lassen sich die amorphen Legierungen durch Röntgenbeugungsmessungen unterscheiden. Im Gegensatz zu kristallinen Materialien, die charakteristische scharfe Beugungslinien zeigen, verändert sich bei amorphen Metallegierungen die Intensität im Röntgenbeugungsbild nur langsam mit dem Beugungswinkel, ähnlich wie dies auch bei Flüssigkeiten oder gewöhnlichem Glas der Fall ist.
  • Je nach den Herstellungsbedingungen können die amorphen Legierungen vollständig amorph sein oder ein zweiphasiges Gemisch des amorphen und des kristallinen Zustandes umfassen. Im allgemeinen versteht man unter einer amorphen Metallegierung eine Legierung, die zu wenigstens 50 %, vorzugsweise zu wenigstens 80 %, amorph ist.
  • Für jede amorphe Metallegierung gibt es eine charakteristische Temperatur, die sogenannte Kristallisationstemperatur. Erhitzt man die amorphe Legierung auf oder über diese Temperatur, so geht sie in den kristallinen Zustand über, in dem sie auch nach Abkühlung verbleibt. Bei Wärmebehandlungen unterhalb der Kristallisationstemperatur bleibt dagegen der amorphe Zustand erhalten.
  • Die bislang bekannten weichmagnetischen amorphen Metallegierungen haben die Zusammensetzung MyX1-y, wobei M wenigstens eines der Metalle Eisen, Kobalt und Nickel, und X wenigstens eines der sogenannten glasbildenden Elemente Bor, Kohlenstoff, Silizium und Phosphor bedeutet und y zwischen etwa 0,60 und 0,95 liegt. Zusätzlich zu den Metallen M können die amorphen Legierungen auch noch weitere Metalle, insbesondere Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadin, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Mangan, Palladium, Platin, Kupfer, Silber oder Gold enthalten, während zusätzlich zu den glasbildenden Elementen X oder gegebenenfalls auch an Stelle von diesen die Elemente Aluminium, Gallium, Indium, Germanium, Zinn, Arsen, Antimon, Wismut oder Beryllium vorhanden sein können.
  • Für die Herstellung von Magnetkernen sind die amorphen weichmagnetischen Legierungen besonders geeignet, da sie sich, wie bereits erwähnt, unmittelbar in Form dünner Bänder herstellen lassen, ohne daß, wie bei den bisher in der Technik üblichen kristallinen weichmagnetischen Metallegierungen, eine Vielzahl von Walzschritten mit zahlreichen Zwischenglühungen erforderlich ist.
  • Für verschiedene Anwendungszwecke, beispielsweise für Drosseln, werden häufig Kerne mit gescherter Hystereseschleife verwendet. Bei Kernen aus üblichen kristallinen weichmagnetischen Legierungen erreicht man eine Scherung bekanntlich dadurch, daß man an wenigstens einer Stelle entlang des Kernes einen Luftspalt vorsieht, der sich über den gesamten Kernquerschnitt an dieser Stelle erstreckt.
  • Solche Luftspalte müssen oft in verhältnismäßig aufwendiger Weise eingeschliffen werden oder der Kern muß zur Erzeugung der Luftspalte völlig zerschnitten werden, wie dies beispielsweise bei Schnittbandkernen der Fall ist, so daß zusätzliche Teile zum Zusammenhalten des Kernes, beispielsweise Spannbänder, erforderlich werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Magnetkern aus einer weichmagnetischen amorphen Legierung unter Vermeidung von Luftspalten dennoch eine Scherung zu erzielen.
  • Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die amorphe Legierung wenigstens an einer Stelle entlang des Kernes wenigstens über einen Teil des Kernquerschnitts an dieser Stelle in den kristallinen Zustand übergeführt ist.
  • Während nämlich die amorphen weichmagnetischen Legierungen im amorphen Zustand eine verhältnismäßig hohe Permeabilität haben, wird durch den Übergang in den kristallinen Zustand durch lokale Überhitzung über die Kristallisationstemperatur die Permeabilität erheblich vermindert. Es entsteht somit dabei eine sich an der erhitzten Stelle wenigstens über einen Teil des Kernquerschnitts erstreckende kristalline Zone, die ähnlich wie ein Luftspalt wirkt.
  • Um einen möglichst großen Permeabilitätsunterschied zwischen der kristallinen Zone und den restlichen Teilen des Magnetkernes zu erreichen, kann vorzugsweise als Ausgangsmaterial eine vollständig amorphe weichmagnetische Legierung verwendet werden.
  • Je nach der vorgesehenen Anwendung des Magnetkernes können eine oder mehrere über den Kern verteilte kristalline Zonen vorgesehen sein, deren Breite über den Kernquerschnitt gegebenenfalls auch variieren kann. Besonders wirksam in Art eines Luftspaltes ist es, wenn man die amorphe Legierung wenigstens an einer Stelle des Magnetkernes über den gesamten Kernquerschnitt an dieser Stelle in den kristallinen Zustand überführt.
  • Man kann die anmeldungsgemäßen Magnetkerne beispielsweise dadurch herstellen, daß man ein amorphes Band zu einem Kern wickelt oder aus amorphem Band ausgestanzte Bleche zu einem Kern schichtet. Die lokale Erwärmung über die Kristallisationstemperatur zur Erzeugung der kristallinen Zone kann dann beispielsweise mittels einer an der entsprechenden Stelle um den Kern herumgelegten Induktionsschleife erfolgen. Vor der Erzeugung der kristallinen Zone können die Magnetkerne in an sich bekannter Weise beispielsweise bei einer Temperatur unterhalb der Kristallisationstemperatur in Gegenwart eines Magnetfeldes wärmebehandelt werden, das den Magnetkern annähernd bis zur Sättigung magnetisiert. Das Magnetfeld kann ein magnetisches Querfeld oder ein magnetisches Längsfeld sein.
  • Insbesondere bei größeren Dimensionen, wenn sich der Kern nur schwer über den gesamten Querschnitt erhitzen läßt, oder in Fällen, wo man nur einen bestimmten Teil des Querschnitts in den kristallinen Zustand überführen will, kann der Kern beispielsweise auch aus Blechen geschichtet werden, die vorher an wenigstens einer Stelle über ihren gesamten Querschnitt oder einen Teil desselben in den kristallinen Zustand übergeführt wurden. Hierbei kann die Erwärmung beispielsweise durch Widerstandserhitzung zwischen zwei als Kontakte dienenden Metallschneiden oder auch durch Laserstrahlen erfolgen.
  • Anhand einiger Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden.
  • Figuren 1 bis 4 zeigen jeweils in Draufsicht schematisch verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Magnetkerns.
  • Der in Figur 1 dargestellte Magnetkern ist beispielsweise aus einer Anzahl aufeinandergestapelter Scheiben 1 aus einer weichmagnetischen amorphen Legierung aufgebaut, in denen durch induktive Erhitzung jeweils eine Zone 2 in den kristallinen Zustand übergeführt wurde. Verwendet man beispielsweise Scheiben mit einem Innendurchmesser von 20 mm und einem Außendurchmesser von 30 mm aus einer weichmagnetischen amorphen Legierung der Zusammensetzung Fe0,40Ni0,40P0,14B0,06 und schichtet diese zu einem 10 mm hohen Kern auf, so kann man nach entsprechender Anlaßbehandlung im Magnetfeld im amorphen Material eine Permeabilität µ = 250 000 (gemessen als Gleichfeldpermeabilität bei 4 mA/cm) erreichen. Beim Übergang in den kristallinen Zustand durch lokale Erhitzung auf eine Temperatur oberhalb der Kristallisationstemperatur von etwa 400° C wird diese Permeabilität in der kristallinen Zone auf etwa 500 herabgesetzt. Eine 5 mm breite kristalline Zone 2 entspricht demnach einem scheinbaren Luftspalt mit einer Länge von 0,01 mm. Da die mittlere Eisenweglänge des Kernes bei den oben erwähnten Abmessungen 78,5 mm beträgt, ergibt sich eine Permeabilität des gescherten Kreises von etwa 7630.
  • Figur 2 zeigt einen weiteren Kern, der beispielsweise aus Blechen aufgeschichtet oder in Form eines Ringbandkernes aus Band gewickelt sein kann. Im amorphen Material 11 sind an vier Stellen des Kernumfangs durch lokale Erwärmung kristalline Zonen 12 erzeugt, die sich über den gesamten Kernquerschnitt erstrecken.
  • Figur 3 zeigt einen entsprechend aufgebauten Magnetkern, bei dem im amorphen Material 21 an zwei Stellen kristalline Zonen 22 erzeugt sind, deren Begrenzungsflächen gekrümmt sind. Durch derartige kristalline Zonen, deren Breite über den Kernquerschnitt variiert, können beispielsweise nichtlineare Kennlinien erzielt werden.
  • Figur 4 zeigt einen Magnetkern, bei dem in der amorphen Legierung 31 an zwei Stellen kristalline Zonen 32 erzeugt sind, die sich jeweils nur über einen Teil des Kernquerschnitts erstrecken.
  • Wie die Ausführungsbeispiele zeigen, kann man durch unterschiedliche Wahl der kristallinen Zonen die Scherung in weiten Grenzen variieren. Dabei lassen sich beispielsweise flache Hystereseschleifen, Perminvar- ähnliche Schleifen, stark gescherte lineare Schleifen oder auch nichtlineare Kennlinien erzielen.
  • Sieht man entlang des Kernumfangs mehrere kristalline Zonen vor, so läßt sich - ähnlich wie bei einem Pulverkern - eine gleichmäßige Scherung bei geringer magnetischer Ausstreuung erreichen.
  • Die Kerne können in üblicher Weise verklebt, in Schutztröge eingesetzt oder vergossen werden.

Claims (4)

1. Magnetkern aus einer weichmagnetischen amorphen Legierung, dadurch gekennzeichnet , daß die amorphe Legierung (1) wenigstens an einer Stelle (2) entlang des Kerns wenigstens über einen Teil des Kernquerschnitts an dieser Stelle in den kristallinen Zustand übergeführt ist.
2. Magnetkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die als Ausgangsmaterial verwendete amorphe Legierung (1) vollständig amorph ist.
3. Magnetkern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die amorphe Legierung (1) wenigstens an einer Stelle (2) entlang des Kernes über den gesamten Kernquerschnitt an dieser Stelle in den kristallinen Zustand übergeführt ist.
4. Magnetkern nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Breite der kristallinen Zone (22) über den Kernquerschnitt variiert.
EP79102173A 1978-07-26 1979-06-29 Magnetkern aus einer weichmagnetischen amorphen Legierung Expired EP0007994B1 (de)

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