EP0885445B1 - Verfahren zum herstellen von bandkernbändern sowie induktives bauelement mit bandkern - Google Patents

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EP0885445B1
EP0885445B1 EP97948723A EP97948723A EP0885445B1 EP 0885445 B1 EP0885445 B1 EP 0885445B1 EP 97948723 A EP97948723 A EP 97948723A EP 97948723 A EP97948723 A EP 97948723A EP 0885445 B1 EP0885445 B1 EP 0885445B1
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amorphous ferromagnetic
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wound core
heat
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Giselher Herzer
Kurt Emmerich
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Vacuumschmelze GmbH and Co KG
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Vacuumschmelze GmbH and Co KG
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Definitions

  • the invention relates to an inductive component with a Band core made of an amorphous ferromagnetic alloy is wound, as well as a manufacturing process for core tapes made of amorphous ferromagnetic material.
  • amorphous ferromagnetic Alloys are subjected to a heat treatment. Typically, these are in a magnetic field annealed to selectively set a flat B-H loop.
  • DE 33 24 729 C2 describes a process for the production an amorphous magnetic alloy with high permeability known in which a band from a amorphous magnetic cobalt / base alloy, the one Has a molar proportion of iron of 5%, is produced, and where the amorphous magnetic tape in a magnetic field transverse to the belt direction in the course of a heat treatment is subjected.
  • the invention is therefore based on the object of this Manufacturing process for core tapes made of amorphous develop ferromagnetic material so that with low cost, economical and energy-saving strip cores, in particular to toroidal cores, and manufactured therefrom inductive components can be produced in which much higher permeabilities and thereby improved magnetic properties can be achieved.
  • the manufacturing method according to the invention can be used perform the lowest possible energy. It can be on this way ductile, amorphous core tapes with flat B-H loops produce that very much into their saturation range are strongly linear, and a permeability range have between about 2000 and 15000. Due to the Possibility of a precise adjustment of the magnetostriction tape cores, especially toroidal tape cores, be produced with a winding diameter d ⁇ 10mm exhibit without it becoming a noteworthy Impairment of the magnetic properties comes.
  • the continuous heat treatment does not require Shielding gas, in particular the exposure to air is even from Advantage, because the thin oxidation layer on the Band core tapes the required electrical Band layer insulation supported.
  • Very good core tapes can be found at Achieve throughput speeds that are set in this way. That the amorphous ferromagnetic tape for one bath treatment time t ⁇ 30 sec to one temperature 300 ° C ⁇ T ⁇ 400 ° C is heated.
  • the proportion of iron and / or manganese in the alloy is set such that the amorphous ferromagnetic band has a saturation magnetostriction ⁇ s 0,1 0.1 ppm, preferably ⁇ s 0,0 0.05 ppm, after the heat treatment.
  • the band core is therefore wound from a ductile, heat-treated band core band made of an amorphous ferromagnetic alloy, the amorphous ferromagnetic alloy having a saturation magnetostriction ⁇ s ⁇ 0.1 ppm and a flat BH loop that extends into the range of Saturation is as linear as possible.
  • the amorphous ferromagnetic alloy is a cobalt-based alloy which contains molar proportions of iron and / or manganese between 1 and 10 atom% of the alloy.
  • the tape core tape is therefore heat-treated before winding, and the tape cores can be easily wound due to the ductility achieved.
  • the tape cores can have an average diameter d ⁇ 50mm, yes even have an average diameter d ⁇ 10mm.
  • inductive components can be produced that Show toroidal cores.
  • the amorphous ferromagnetic tapes were made from one Molten poured by rapid solidification and then in one approx. 40cm long cross-country furnace in a pass with a Throughput speed of 1.6m / minute at different Temperatures heat treated. That during the heat treatment perpendicular to the belt direction and in the belt plane Magnetic field of approximately 159-200 A / m was generated by a Permanent magnet yoke of about 40cm in length, which is in the continuous furnace.
  • Figure 1 shows the typical temperature profile of the Continuous furnace.
  • the length of the homogeneous temperature zone was approx. 15 to 20cm, which means the above throughput speed an effective heat treatment time of approx. 7 seconds equivalent.
  • Throughput speed increased to approximately 10 to 20 m / minute become.
  • the saturation magnetostriction ⁇ s and the BH loop in the stretched state were measured on the cross-field-treated band.
  • the band heat-treated at 350 ° C. became of the tape core tapes with the dimensions 22x16x6mm and 12x8x6mm wound to check to what extent the winding tensions the properties of the material influence.
  • the ductility of the heat-treated material determined by kink and tear tests. As in Figure 2 is set at the selected heat treatment time embrittlement only at relatively high levels Heat treatment temperatures around 380 ° C. So that can An elevated heat treatment temperature is easily selected become, what to a sufficient stress relaxation and a fast kinetics of the setting of the induced Leads to anisotropy.
  • Figure 5 shows the B-H loops from the heat-treated tape core tape wound coil tape cores.
  • the Amplitude permeability of the toroidal cores is shown in FIG. 6 shown.
  • ⁇ s In order to avoid the influence of the winding tensions, it is therefore important to adjust the saturation magnetostriction present after the heat treatment to zero as well as possible. For this purpose, a certain, slightly negative value of ⁇ s must be set in the production state, which is alloy-specific for the given heat treatment parameters.
  • FIG. 7 shows the course of the change in Magnetostriction after the heat treatment for the two examined alloys.
  • the magnetostriction adjustment must be carried out more precisely than with the material that is only heat-treated after the winding of the toroidal cores. It is optimal that after the heat treatment there is a magnetostriction -2x10 -8 ⁇ s ⁇ 2x10 -8 .
  • toroidal tape cores with diameters down to less than 10mm and a permeability level of around 2000 to 15000 can be produced with the strip core tapes that are heat-treated in the transverse field.

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Description

Die Erfindung betrifft ein induktives Bauelement mit einem Bandkern, der aus einer amorphen ferromagnetischen Legierung gewickelt ist, sowie ein Herstellverfahren für Bandkernbänder aus amorphen ferromagnetischem Material.
Um gute weichmagnetische Eigenschaften zu erzielen, müssen auch nahezu magnetostriktionsfreie, amorphe ferromagnetische Legierungen einer Wärmebehandlung unterworfen werden. Typischerweise werden diese dabei in einem Magnetfeld getempert, um gezielt eine flache B-H-Schleife einzustellen.
Letzteres geschieht nach dem Stand der Technik an fertig gewickelten Bandkernen, weil bei der Temperung in der Regel eine Versprödung des amorphen Materials eintritt und der für höchste Permeabilitäten erforderliche Abbau innerer mechanischer Spannungen, die herstellbedingt sind und auch vom Wickeln des Bandkerns herrühren, erfolgen kann.
Eine Möglichkeit, im Magnetfeld warmebehandelte, amorphe ferromagnetische Bandkernbänder herzustellen, bietet die stationäre Wärmebehandlung der zu Liefercoils gewickelten Bandkernbänder in sogenannten Querfeldöfen. Diese Methode ist jedoch hinsichtlich einer guten Reproduzierbarkeit sehr kritisch. So müssen angesichts der großen Materialmengen relativ lange Anlaßzeiten von mehreren Stunden, im Extremfall bis zu Tagen, durchgeführt werden, um eine gleichmäßige Durchwärmung der Liefercoils zu gewährleisten. Aufgrund der langen Anlaßzeiten muß hierbei bei relativ niedrigen Temperaturen im Bereich von ca. 200°C ≤ T ≤ 250°C gearbeitet werden, um eine thermische Versprödung des Materials auszuschließen. Dadurch ist aber der Variabilitätsbereich der einstellbaren magnetischen Eigenschaften sehr stark eingeschränkt, was insbesondere die erreichbaren Permeabilitäten betrifft.
Aus der DE 33 24 729 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung einer amorphen magnetischen Legierung mit hoher Permeabilität bekannt, bei dem mittels rascher Starrung ein Band aus einer amorphen magnetischen Kobalt-/Basis-Legierung, die einen Stoffmengenanteil an Eisen von 5% aufweist, hergestellt wird, und bei dem das amorphe magnetische Band in einem Magnetfeld quer zur Bandrichtung im Durchlauf einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, dieses Herstellverfahren für Bandkernbänder aus amorphem ferromagnetischem Material weiter zu entwickeln, so daß mit geringem Aufwand wirtschaftlich und energiesparend Bandkerne, insbesondere zu Ringbandkerne, und daraus hergestellte induktive Bauelemente hergestellt werden können, bei denen wesentlich höhere Permeabilitäten und dadurch verbesserte magnetische Eigenschaften erzielt werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Herstellverfahren gelöst, welches durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:
  • a) Es wird ein amorphes ferromagnetisches Band aus einer Kobaltlegierung, die Zusätze an Eisen und/oder Mangan in einem Stoffmengenanteil zwischen 1 und 10 Atom % der Legierung enthält, aus einer Schmelze mittels Rascherstarrung gegossen;
  • b) Das amorphe ferromagnetische Band wird in einem Magnetfeld quer zur Bandrichtung im Durchlauf einer Wärmebehandlung unterzogen, wobei die Durchlaufgeschwindigkeit so gewählt wird, daß das amorphe ferromagnetische Band für eine Wärmebehandlungszeit 0,5 sec ≤ t ≤ 60 sec auf eine Temperatur 250°C ≤ T ≤ 450°C erwärmt wird.
  • c) Die Bandkernbänder werden von dem wärmebehandelten amorphen ferromagnetischen Band abgelängt.
    • Das erfindungsgemäße Herstellverfahren läßt sich mit geringstmöglicher Energie durchführen. Es lassen sich auf diese Weise duktile, amorphe Bandkernbänder mit flachen B-H-Schleifen herstellen, die bis in ihren Sättigungsbereich sehr stark linear verlaufen, und einen Permeabilitätsbereich zwischen etwa 2000 und 15000 aufweisen. Aufgrund der Möglichkeit eines präzisen Abgleichs der Magnetostriktion können hieraus Bandkerne, insbesondere Ringbandkerne, hergestellt werden, die einen Wickeldurchmesser d ≤ 10mm aufweisen, ohne daß es zu einer nennenswerten Beeinträchtigung der magnetischen Eigenschaften kommt.
    Ferner erfordert die Wärmebehandlung im Durchlauf kein Schutzgas, insbesondere ist die Exposition an Luft sogar von Vorteil, da die entstehende dünne Oxidationsschicht auf den Bandkernbändern die erforderliche elektrische Bandlagenisolation unterstützt.
    Ganz besonders gute Bandkernbänder lassen sich bei Durchlaufgeschwindigkeiten erzielen, die so eingestellt sind. daß das amorphe ferromagnetische Band für eine wannebehandlungszeit t ≤ 30 sec auf eine Temperatur 300°C ≤ T ≤ 400°C erwärmt wird.
    In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Anteil an Eisen und/oder Mangan in der Legierung so eingestellt, daß das amorphe ferromagnetische Band nach der Wärmebehandlung eine Sättigungsmagnetostriktion λs ≤ 0,1 ppm, vorzugsweise λs ≤ 0,05 ppm, aufweist.
    Bei dem erfindungsgemäßen induktiven Bauelement ist der Bandkern demnach aus einem duktilen, wärmebehandelten Bandkernband aus einer amorphen ferromagnetischen Legierung gewickelt, wobei die amorphe ferromagnetische Legierung eine Sättigungsmagnetostriktion λs ≤ 0,1 ppm sowie eine flache B-H-Schleife aufweist, die bis in den Bereich der Sättigung möglichst linear verläuft. Die amorphe ferromagnetische Legierung ist dabei eine Kobaltbasislegierung, die Stoffmengenanteile an Eisen und/oder Mangan zwischen 1 und 10 Atom% der Legierung enthält. Das Bandkernband wird also vor der Wicklung wärmebehandelt und aufgrund der erzielten Duktilitat können die Bandkerne problemlos gewickelt werden.
    In Abhängigkeit von der angestrebten Qualität und der gewünschten Einsatzmöglichkeit des induktiven Bauelements können die Bandkerne einen mittleren Durchmesser d ≤ 50mm, ja sogar einen mittleren Durchmesser d ≤ 10mm aufweisen.
    Insbesondere sind induktive Bauelemente herstellbar, die Ringbandkerne aufweisen.
    Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und nachstehend im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
    Figur 1
    das typische Temperaturprofil eines zur Herstellung verwendeten Durchlaufofens mit der Solltemperatur von 350°C,
    Figur 2
    die relative Bruchdehnung εF nach der Durchlaufwärmebehandlung als Funktion der Wärmebehandlungstemperatur,
    Figur 3
    Anisotropiefeldstarke HA, mittleres Permeabilitätsniveau µ und Sattigungsmagnetostriktion λs eines erfindungsgemäßen Bandkernbandes nach Durchlaufwarmebehandlung im Querfeld als Funktion der Wärmebehandlungstemperatur Ta,
    Figur 4
    Anisotropiefeldstärke HA, mittleres Permeabilitätsniveau µ und Sättigungsmagnetostriktion λs eines weiteren erfindungsgemäßen Bandkernbandes nach Wärmebehandlung im Querfeld als Funktion der Wärmebehandlungstemperatur Ta,
    Figur 5
    quasistatische B-H-Schleifen gemessen an Ringbandkernen der Abmessungen 22x16x6mm und 12x8x6mm aus im Durchlauf querfeldbehandelten Bandkernbändern,
    Figur 6
    Amplitudenpermeabilitäten bei 50 Hz, gemessen an Ringbandkernen der Abmessungen 22x16x6mm und 12x8x6mm aus im Durchlauf querfeldbehandelten Bandkernbändern und
    Figur 7
    die Änderungen der Sättigungsmagnetostriktion λs zweier erfindungsgemäßer Bandkernbänder nach Durchlauf Wärmebehandlung im Querfeld als Funktion der Wärmebehandlungstemperatur Ta.
    Untersucht wurden je zwei Chargen der Legierungen VC6030 und VC6150B60 mit einer Bandbreite von 6mm und einer Banddicke von ca. 20µm. Die Zusammensetzung der Legierungen und ihre magnetischen Kenngrößen im Herstellzustand sind der Tabelle 1 zu entnehmen.
    Tabelle 1
    Nominelle Zusammensetzung, Banddicke, Sättigungsinduktion Bs und Sättigungsmagnetostriktion λs (im Herstellzustand) der untersuchten Chargen.
    Bezeichnung Legierung Zusammensetzung (Stoffmengen-antelt In%) Charge Dicke (µm) B s (T) λs (10-8)
    VC 6030 D30 Co71.8Fe1.2Mn4MO1Si13B9 E 4405 17.0 0.807 -17.3
    201-1559 17.6 0.821 -10.8
    VC 6150 B60 Co72.5Fe1.5Mn4Si5B17 201-481 20.2 0.987 -15.2
    E 4286 18.2 0.975 +8.8
    Die amorphen ferromagnetischen Bänder wurden aus einer Schmelze mittels Rascherstarrung gegossen und danach in einem ca. 40cm langen Querfeldofen im Durchlauf mit einer Durchlaufgeschwindigkeit von 1,6m/Minute bei verschiedenen Temperaturen wärmebehandelt. Das während der Warmebehandlung senkrecht zur Bandrichtung und in Bandebene anliegende Magnetfeld von ca. 159-200 A/m wurde durch ein Dauermagnetjoch von ca. 40cm Länge erzeugt, welches sich in dem Durchlaufofen befindet.
    Die Figur 1 zeigt das typische Temperaturprofil des Durchlaufofens. Die Länge der homogenen Temperaturzone betrug ca. 15 bis 20cm, womit die obige Durchlaufgeschwindigkeit einer effektiven Wärmebehandlungszeit von ca. 7 Sekunden entspricht. Durch Verkürzung der Anlaßzeit und Verwendung eines ähnlich konstruierten 2m langen Ofens konnte die Durchlaufgeschwindigkeit auf ca. 10 bis 20m/Minute erhöht werden.
    An dem querfeldbehandelten Band wurde die Sättigungsmagnetostriktion λs und die B-H-Schleife im gestreckten Zustand gemessen. Ausgewertet wurde die Anisotropiefeldstärke HA und entsprechend der Gleichung µ = Bs / (µ0 HA) die mittlere Permeabilität µ.
    Aus dem bei 350°C wärmebehandelten Band wurden nach Ablängen der Bandkernbänder Ringbandkerne mit den Abmessungen 22x16x6mm und 12x8x6mm gewickelt, um zu überprüfen, inwieweit die Wickelspannungen die Eigenschaften des Materials beeinflussen.
    Ferner wurde die Duktilität des wärmebehandelten Materials durch Knick- und Reißtests ermittelt. Wie der Figur 2 zu entnehmen ist, setzt bei der gewählten Wärmebehandlungszeit eine Versprödung erst bei relativ hohen Wärmebehandlungstemperaturen um 380°C ein. Damit kann problemlos eine erhöhte Wärmebehandlungstemperatur gewählt werden, was zu einer genügenden Spannungsrelaxation und zu einer schnellen Kinetik der Einstellung der induzierten Anisotropie führt.
    Wie den Figuren 3 und 4 zu entnehmen ist, ergibt sich prinzipiell der Effekt, daß die Permeabilität durch die Wahl der Legierungszusammensetzung und der Wärmebehandlungsparameter nach Wunsch eingestellt werden kann.
    Die Figur 5 zeigt die B-H-Schleifen der aus dem wärmebehandelten Bandkernband gewickelten Ringbandkerne. Die Amplitudenpermeabilität der Ringbandkerne ist in der Figur 6 dargestellt.
    Insbesondere ergibt sich, daß schon bei kleinen Kernabmessungen von 12x8mm sehr flache und lineare B-H-Schleifen erhältlich sind, welche von den auftretenden Wickelspannungen nahezu unbeeinflußt sind.
    Lediglich bei mangelhaft abgeglichener Magnetostriktion und erhöhtem Permeabilitätsniveau von µ > 10000 ist, wie der Figur 5 zu entnehmen ist, aufgrund der Wickelspannungen eine Verrundung der B-H-Schleifen zu beobachten.
    Zur Vermeidung des Einflusses der Wickelspannungen ist es demnach wichtig, die nach der Wärmebehandlung vorhandene Sättigungsmagnetostriktion möglichst gut auf Null abzugleichen. Dazu muß im Herstellzustand ein bestimmter, leicht negativer Wert von λs eingestellt werden, welcher bei gegebenem Wärmebehandlungsparametern legierungsspezifisch ist.
    Die Figur 7 zeigt hierzu den Verlauf der Änderung der Magnetostriktion nach der Wärmebehandlung für die beiden untersuchten Legierungen.
    Der Magnetostriktionsabgleich muß genauer erfolgen als bei dem Material, das erst nach dem Wickeln der Ringbandkerne wärmebehandelt wird. Optimal ist es, daß nach der Wärmebehandlung eine Magnetostriktion -2x10-8 < λs < 2x10-8 vorliegt. Dadurch lassen sich mit den im Querfeld wärmebehandelten Bandkernbändern Ringbandkerne mit Durchmessern bis unterhalb 10mm und einem Permeabilitätsniveau von etwa 2000 bis 15000 herstellen.

    Claims (8)

    1. Herstellverfahren für Bandkernbänder aus amorphem ferromagnetischen Material,
      gekennzeichnet durch
      folgende Schritte:
      a) Es wird ein amorphes ferromagnetisches Band aus einer Kobaltbasislegierung, die Zusätze an Eisen und/oder Mangan in einem Stoffmengenanteil zwischen 1 und 10 Atom % der Legierung enthält, aus einer Schmelze mittels Rascherstarrung gegossen;
      b) das amorphe ferromagnetische Band wird in einem Magnetfeld quer zur Bandrichtung im Durchlauf einer Wärmebehandlung unterzogen, wobei die Durchlaufgeschwindigkeit so gewählt wird, daß das amorphe ferromagnetische Band für eine Wärmebehandlungszeit 0,5 s ≤ t ≤ 60 s auf eine Temperatur 250° ≤ T ≤ 450°C erwärmt wird;
      c) die Bandkernbänder werden von dem wärmebehandelten amorphem ferromagnetischen Band abgelängt.
    2. Herstellverfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaufgeschwindigkeit so gewählt wird, daß das amorphe ferromagnetische Band für eine Wärmebehandlungszeit t ≤ 30 s auf eine Temperatur 300° ≤ T ≤ 400°C erwärmt wird.
    3. Herstellverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
      dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Eisen und/oder Mangan in der Legierung so eingestellt wird, daß das amorphe ferromagnetische Band nach der Wärmebehandlung eine Sättigungsmagnetostriktion |λs| ≤ 0,1 ppm aufweist.
    4. Herstellverfahren nach Anspruch 3,
      dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Eisen und/oder Mangan in der Legierung so eingestellt wird, daß das amorphe ferromagnetische Band nach der Wärmebehandlung eine Sättigungsmagnetostriktion |λs| ≤ 0,05 ppm aufweist.
    5. Induktives Bauelement mit einem Bandkern, der aus einem duktilen nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wärmebehandelten Bandkernband aus einer amorphen ferromagnetischen Legierung gewickelt ist, wobei die amorphe ferromagnetische Legierung eine Sättigungsmagnetostriktion |λs| ≤ 0,1ppm sowie eine flache B-H-Schleife aufweist, die bis in den Bereich der Sättigung möglichst linear verläuft, und die amorphe ferromagnetische Legierung eine Kobaltbasislegierung ist, die Stoffmengenanteile an Eisen und/oder Mangan zwischen 1 und 10 % der Legierung enthält.
    6. Induktives Bauelement nach Anspruch 5,
      dadurch gekennzeichnet, daß der Bandkern einen mittleren Durchmesser d ≤ 50mm aufweist.
    7. Induktives Bauelement nach Anspruch 6,
      dadurch gekennzeichnet, daß der Bandkern einen mittleren Durchmessen d ≤ 10mm aufweist.
    8. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
      dadurch gekennzeichnet, daß der Bandkern ein Ringbandkern ist.
    EP97948723A 1996-12-20 1997-11-06 Verfahren zum herstellen von bandkernbändern sowie induktives bauelement mit bandkern Expired - Lifetime EP0885445B1 (de)

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    DE19653428A DE19653428C1 (de) 1996-12-20 1996-12-20 Verfahren zum Herstellen von Bandkernbändern sowie induktives Bauelement mit Bandkern
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    Publication Number Publication Date
    EP0885445A1 EP0885445A1 (de) 1998-12-23
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    US (1) US6171408B1 (de)
    EP (1) EP0885445B1 (de)
    JP (1) JP2000505953A (de)
    CN (1) CN1212073A (de)
    DE (2) DE19653428C1 (de)
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