EP1129459A1 - Magnetkern, der zum einsatz in einem stromwandler geeignet ist, verfahren zur herstellung eines magnetkerns und stromwandler mit einem magnetkern - Google Patents

Magnetkern, der zum einsatz in einem stromwandler geeignet ist, verfahren zur herstellung eines magnetkerns und stromwandler mit einem magnetkern

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EP1129459A1
EP1129459A1 EP99963240A EP99963240A EP1129459A1 EP 1129459 A1 EP1129459 A1 EP 1129459A1 EP 99963240 A EP99963240 A EP 99963240A EP 99963240 A EP99963240 A EP 99963240A EP 1129459 A1 EP1129459 A1 EP 1129459A1
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EP
European Patent Office
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magnetic core
current transformer
magnetic
saturation
current
Prior art date
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EP99963240A
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English (en)
French (fr)
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EP1129459B1 (de
Inventor
Detlef Otte
Jörg PETZOLD
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Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Original Assignee
Vacuumschmelze GmbH and Co KG
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Publication date
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Publication of EP1129459B1 publication Critical patent/EP1129459B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/01—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/03—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
    • H01F1/12—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials
    • H01F1/14—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials metals or alloys
    • H01F1/147—Alloys characterised by their composition
    • H01F1/153—Amorphous metallic alloys, e.g. glassy metals
    • H01F1/15316—Amorphous metallic alloys, e.g. glassy metals based on Co
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/20—Instruments transformers
    • H01F38/22—Instruments transformers for single phase ac
    • H01F38/28—Current transformers

Definitions

  • Magnetic core suitable for use in a current transformer, method for producing a magnetic core and current transformer with a magnetic core is provided.
  • the invention relates to a magnetic core which is suitable for use in a current transformer, a method for producing such a magnetic core and a current transformer with such a magnetic core.
  • Energy metering via the rotation of a disk connected to a mechanical counter, which is driven by the fields of corresponding field coils that are proportional to the current or voltage.
  • electronic energy meters are used, in which the current and voltage are recorded via inductive current and voltage converters.
  • a special application in which particularly high accuracy is required is the detection of energy flows in the area of electricity supply companies.
  • the amounts of energy generated by the respective power plants and fed into the high-voltage grids must be precisely determined, on the other hand, the changing proportions of consumption or delivery in traffic between the energy supply companies are of great importance for billing.
  • the energy meters used for this are
  • Multifunction built-in devices their input signals for current and voltage from the respective high and Medium voltage systems can be tapped via cascades of current and voltage transformers and their output signals are used for digital and graphic registration or display as well as for control purposes in the control rooms.
  • the first converters on the network side are used for electrically isolated transformation of the high current and. Voltage values, for example 1 to 100 kA and 10 to 500 kV, to values that can be handled in control cabinets, the second transform them in the actual energy meter to the signal levels required by the measuring electronics in the range of less than 10 to 100 mV.
  • FIG. 1 shows an equivalent circuit diagram of such a current transformer and the areas of the technical data that can occur in various applications.
  • a current transformer 1 is shown here.
  • the primary winding 2, which carries the current Ip r i m and a secondary winding 3, which carries the measuring current I sec is located on a magnetic core 4, which is composed of an amorphous soft magnetic tape.
  • the secondary current I sec automatically adjusts itself so that the primary and secondary ampere turns are ideally of the same size and oppositely directed.
  • the course of the magnetic fields in such a current transformer is shown in FIG. 2, losses in the magnetic core not being taken into account.
  • the current in the secondary winding 3 then adjusts itself according to the law of induction in such a way that it tries to prevent the cause of its formation, namely the change in the magnetic flux in the magnetic core 4 over time.
  • the secondary current therefore has an amplitude error and a phase error compared to the above idealization, which is described by equation (2):
  • Air-sheared (sheared) ferrite shell core is used as the magnetic core.
  • These current transformers have a very good linearity, however, due to the relatively low permeability of the ferrites, a very high number of turns in connection with a very large-volume magnetic core is required in order to achieve a low phase angle with the current transformer.
  • These current transformers based on ferrite shell cores also have a high sensitivity to external external fields, so that shielding measures must also be taken there.
  • the invention is based on the object of specifying a magnetic core which, when used in a current transformer, permits a higher measuring accuracy of a current to be measured compared to the prior art. Furthermore, a method for producing such a magnetic core and a current transformer with such a magnetic core are to be specified.
  • the task is solved by a magnetic core which is used for
  • the magnetic core has a magnetic anisotropy axis, along which the magnetization of the magnetic core aligns particularly easily and which is perpendicular to a plane with which a center line of the strip runs, ie which runs perpendicular to the direction of the wound strip.
  • the alloy has a composition consisting essentially of the formula
  • X is at least one of the elements V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ge, P, a to gm atomic% are given and where a, b, c, d, e, f, g and x meet the following conditions:
  • the permeability relates to an applied field strength, which lies m of the plane, m the center line of the band, and the induction caused thereby.
  • Amplitude error of a current transformer with such a magnetic core is very small.
  • the absolute amplitude error can be less than 1%.
  • the absolute phase error can be less than 0.1 °.
  • the current transformer has at least one primary winding and one secondary winding, to which a load resistor is connected in parallel and which terminates the secondary circuit with low resistance.
  • the small saturation magnetostriction and the alignment of the anisotropy axis have a particularly advantageous effect on the high linearity of the hysteresis loop.
  • phase and amplitude errors are essentially independent of the current to be measured.
  • the current transformer can carry out a very exact current detection.
  • the invention is based on the finding that a magnetic core with the described properties can be produced with the alloy of the described composition by means of a suitable heat treatment. Many parameters are matched to each other so that the magnetic core has the properties described.
  • a heat treatment which is a method for producing a magnetic core and also solves the task:
  • the magnetic core After production and winding of the tape to the magnetic core, the magnetic core is brought to a target temperature
  • the magnetic core is cooled from the target temperature to room temperature, a magnetic field H> 100 A / cm, better> 1000 A / cm being switched on at the latest from the Curie temperature of the alloy, which is parallel to the anisotropy axis of the magnetic core to be generated.
  • the Curie temperature T c is the temperature at which spontaneous magnetization of the alloy begins.
  • cooling takes place at rates between 0.1 and 10 K / min.
  • the temperature-time profile can be stationary, non-linear, steady or discontinuous.
  • the cooling time can be between 0.25 and 60 hours.
  • the target temperature is chosen so that it is below the crystallization temperature of the alloy.
  • the target temperature is preferably at least 100 ° C. below the crystallization temperature of the alloy.
  • the target temperature is chosen so that a very small saturation agnetostriction is achieved with the alloys described.
  • the target temperature required for this depends on the ratio of Fe, Mn to Co. The larger this ratio, the smaller the target temperature is chosen in order to obtain the smallest possible saturation magnetostriction.
  • the heating simultaneously compensates for mechanical stresses and a small saturation magnetostriction.
  • a particularly high linearity of the hysteresis loop can be achieved if the ratio of the mechanical elastic tension tensor of the magnetic core multiplied by the saturation magnetostriction to the uniaxial anisotropy is less than 0.5.
  • the alignment processes taking place in the magnetic field depend on the temperature in two ways. The higher the temperature, the more mobile the atomic and the easier it is to align. The lower the temperature, the greater the driving force of the magnetic field on the magnetic dipole moments of the atomic areas, that is, the stronger the aligning force that acts on the atomic areas. These factors have been optimally coordinated with one another by the cooling time described, so that an anisotropy which is sufficiently high for good linearity is achieved with a high permeability.
  • the magnetic field is chosen such that the
  • the composition of the alloy is selected such that the Curie temperature, taking into account other parameters to be optimized, e.g. a high saturation induction, is as small as possible
  • the Curie temperature is, for example, between 190 ° C.
  • the saturation induction of the magnetic core is as large as possible. This is advantageous since, in the case of large saturation induction, the linearity range is expanded and thus a higher current can be measured reliably before saturation is reached and the linearity of the current mapping is thereby destroyed.
  • the saturation induction is over the greater the ratio of Co, Fe, Mn to the rest of the alloy. At the same time, the crystallization temperature decreases.
  • the current transformer can have a particularly small volume with precise current detection.
  • X is at least one of the elements V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ge and P, a to g are given in atomic% and where a, b, c, d, e, f, g and x meet the following conditions:
  • the above-mentioned alloy systems are characterized by very linear, extremely narrow hysteresis loops, with a permeability ⁇ 4> 120,000 at a field amplitude H of 4 mA / cm being easily adjustable using the described method.
  • the alloy systems according to the invention are almost free of magnetostriction.
  • the magnetostriction which becomes more negative as the metalloid content decreases, must then be adjusted again via the Fe content to such an extent that the zero crossing can finally be reached by the target temperature.
  • a saturation magnetostriction can be achieved, the amount of which is less than 0.1 or even 0.05 ppm. Due to the small saturation magnetostriction, the storanisotropy which competes with uniaxial anisotropy is particularly small. In this way, a good linearity of the hysteresis loop can be achieved even with small uniaxial anisotropies, which are a prerequisite for high permeability.
  • the magnetic core preferably has no air gap.
  • a current transformer with a magnetic core without an air gap has a particularly high immunity to external magnetic fields without additional shielding measures.
  • the magnetic core is, for example, a closed, air-gap-free ring core, oval core or rectangular core. Assigns the band as in the case of the toroid
  • Rotational symmetry axis the anisotropy axis is parallel to the rotational symmetry axis.
  • a thickness d ⁇ 26 ⁇ m has proven to be a favorable range for the band thickness of the band.
  • a band thickness d> 15 ⁇ m has been found.
  • the surface-related proportion of the storanisotropies can be surprisingly greatly reduced as a result.
  • the tape is provided with an electrically insulating layer on at least one surface.
  • the electrically insulating layer on at least one of its two surfaces before winding.
  • a dip, continuous, spray or electrolysis process is used for this.
  • the wound magnetic core is subjected to immersion insulation before being heated to the target temperature, so that the tape is provided with the electrically insulating layer.
  • An immersion process under negative pressure has proven to be particularly advantageous.
  • oxides, acrylates, phosphates, silicates and chromates of the elements calcium, magnesium, aluminum, titanium, zirconium, hafnium, silicon have proven to be effective and contractual insulators.
  • Magnesium is particularly effective here, which is applied to the strip surface as a liquid magnesium-containing precursor and during a special process that does not influence the alloy
  • Heat treatment m converts a dense layer containing magnesium, whose thickness D can be between 25 nm and 3 ⁇ m.
  • the actual insulator layer made of magnesium oxide is then formed at the temperatures of the magnetic field heat treatment described above.
  • the secondary winding of the current transformer can have a number of windings which is less than or equal to 2200.
  • the primary winding of the current transformer can have a number of turns equal to three.
  • the current transformer can be designed for a primary current that is less than or equal to 20A. Heating to the target temperature takes place as quickly as possible. For example, heating to the target temperature occurs at a rate between 1 to 15 K / mm.
  • the magnetic core is held at the target temperature for between 0.25 and 4 hours in order to achieve the best possible balance of the mechanical stresses.
  • the cooling between the relaxation temperature and the Curie temperature also takes place as quickly as possible, e.g. with rates of 0.5 - 10 K / mm.
  • the cooling rate regulates the proportion of the free volume and thus the atomic
  • Alignment capability which is available at lower temperatures for setting the anisotropy.
  • the applied field which is perpendicular to the direction of the strip, is cooled with 0.1 - 5 K / mm. This cooling rate is chosen so that a uniaxial anisotropy of the desired size is produced by the atomic reorientation under the driving force of the magnetic field. Since this uniaxial anisotropy is reciprocal to permeability, high permeability can be set with high cooling rates.
  • amorphous band is first produced from a melt using the rapid solidification technology known per se, which is described, for example, in DE 37 31 781 Cl.
  • the amorphous alloy strip is then wound tension-free to the magnetic core.
  • the procedure is preferably such that the strip has a low surface roughness.
  • the heat treatment is carried out in such a way that the value of the saturation magnetostriction ⁇ s changes during the heat treatment by an amount m positive direction depending on the alloy composition, until it changes in the range ⁇ s
  • This value can also be achieved if the amount of ⁇ s in the "as quenched" state of the strip, that is to say directly after the casting process, is clearly above this value.
  • the magnetic core can be flushed with a reducing or at least passive protective gas, so that no oxidations or other reactions can occur on the surface of the strip, apart from the self-passivating and at the same time electrically insulating, extremely thin metalloid oxide layers that are permissible in certain cases .
  • the magnetic core treated in this way is finally solidified, e.g. provided by drinking, coating, encasing with suitable plastic materials and / or encapsulation and in each case with at least the secondary winding of the current transformer.
  • FIG. 3 shows schematically the course of a heat treatment of a magnetic core.
  • FIG. 4 shows the dependencies of the permeabilities of the magnetic core and the permeabilities of permalloy cores on an induction amplitude, which is caused by an exciting
  • FIG. 5 shows the dependence of the amplitude error and the phase error on the current to be measured (primary current).
  • Figure 6 shows schematically the magnetic core, which consists of a tape with an insulating layer, and its anisotropy axis.
  • FIG. 6 is not to scale and shows only a few turns for the sake of clarity.
  • the magnetic core M which consisted of a tape B coated with an approximately 250 nm thick insulating layer S made of magnesium oxide, was subjected to the heat treatment shown in FIG.
  • the magnetic core M was heated at a rate of approximately 420 K / h to a target temperature of approximately 458 ° C. within one hour and held there for approximately 1.5 hours.
  • the cooling at the rate of 60 K / h took place in a transverse magnetic field which was parallel to an axis of rotational symmetry of the magnetic core M.
  • An anisotropy axis A parallel to the magnetic field was formed along which the magnetization of the magnetic core M aligns itself particularly easily (see FIG. 6).
  • FIG. 4 shows the modulation dependency of the permeability of conventional permalloy alloys.
  • phase errors ⁇ and amplitude errors F measured after winding on the described current transformer are shown in FIG. 5.
  • the comparison to conventional permalloy alloys shows the advantages of current transformers made of magnetostriction-free, highly permeable amorphous cores.
  • the current transformer had an average phase error ⁇ of 0.19 ° and an linearity of the phase angle ⁇ over a current range of 0.1 to 2 A of less than 0.02 °.
  • the permeability of this amorphous heat-treated ferromagnetic alloy is 192000 at a field amplitude H of 4 mA / cm.
  • the target temperature was increased to 510 ° C. with the intention of even better relaxation.
  • the highly non-linear hysteresis loop that subsequently occurred had an initial permeability of only 9,400 due to strong interference anisotropies due to the onset of crystallization.

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Abstract

Der Magnetkern (M) besteht aus einem gewickelten Band (B) aus einer amorphen ferromagnetischen Legierung. Er weist eine Sättigungspermeabilität auf, die grösser als 20000 und kleiner als 300000 ist. Der Betrag einer Sättigungsmagnetostriktion des Magnetkerns (M) ist kleiner als 0,5 ppm. Der Magnetkern (M) ist im wesentlichen frei von mechanischen Spannungen und weist eine Anisotropieachse (A) auf, entlang der sich die Magnetisierung des Magnetkerns (M) besonders leicht ausrichtet und die senkrecht zu einer Ebene ist, in der eine Mittellinie des Bandes (B) verläuft. Die Legierung weist eine Zusammensetzung auf, die im wesentlichen aus der Formel Coa(Fe1-xMnx)bNicXdSieBfCg besteht, worin X zumindest eines der Elemente V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ge, P ist, a bis g in Atom-% angegeben sind und wobei a, b, c, d, e, f, g und x die folgenden Bedingungen erfüllen: 40 </= a </= 82; 3 </= b </= 10; 0 </= c </= 30; 0 </= d </= 5; 0 </= e </= 20; 7 </= f </= 26; 0 </= g </= 3; mit 15 </= d + e + f + g </= 33 und 0 </= x </= 1.

Description

Beschreibung
Magnetkern, der zum Einsatz in einem Stromwandler geeignet ist, Verfahren zur Herstellung eines Magnetkerns und Stromwandler mit einem Magnetkern.
Die Erfindung betrifft einen Magnetkern, der zum Einsatz in einem Stromwandler geeignet ist, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Magnetkerns und einen Stromwandler mit einem solchen Magnetkern.
Zur Erfassung des Energieverbrauchs elektrischer Geräte und Anlagen in Industrie und Haushalt werden Energiezähler eingesetzt. Das älteste dabei gebräuchliche Prinzip ist das des Ferraris-Zählers. Der Ferraris-Zähler basiert auf der
Energiezählung über die Rotation einer mit einem mechanischen Zählwerk verbundenen Scheibe, die durch die ström- bzw. spannungsproportionalen Felder entsprechender Feldspulen angetrieben wird. Für die Erweiterung der Funktionsmöglichkeiten von Energiezählern wie z.B. für Mehrtarifbetrieb oder Fernablesung werden elektronische Energiezähler eingesetzt, bei denen die Strom- und Spannungserfassung über induktive Strom- und Spannungswandler erfolgt .
Eine spezielle Anwendung, bei der eine besonders hohe Genauigkeit gefordert ist, ist die Erfassung der Energieströme im Bereich der Elektrizitätsversorgungsunternehmen. Hier müssen zum einen die von den jeweiligen Kraftwerken erzeugten und in die Hochspannungsnetze eingespeisten Energiemengen präzise bestimmt werden, zum anderen sind für die Abrechnung die wechselnden Anteile von Verbrauch oder Lieferung im Verkehr zwischen den Energieversorgungsunternehmen von großer Bedeutung. Die hierfür eingesetzten Energiezähler sind
Multifunktions-Einbaugeräte, deren Eingangssignale für Strom und Spannung aus dem jeweiligen Hoch- und Mittelspannungsanlagen über Kaskaden von Strom- und Spannungswandlern abgegriffen werden und deren Ausgangssignale zur digitalen und graphischen Registrierung bzw. Anzeige sowie zu Steuerungszwecken in den Schaltwarten dienen. Dabei dienen die netzseitig ersten Wandler zur potentialgetrennten Transformation der hohen Strom- und . Spannungswerte, z.B. 1 bis 100 kA und 10 bis 500 kV, auf in Schaltschränken handhabbare Werte, die zweiten transformieren diese im eigentlichen Energiezähler auf die von der Meßelektronik benötigten Signalpegel im Bereich weniger 10 bis 100 mV.
Die Figur 1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines solchen Stromwandlers und die Bereiche der technischen Daten, wie sie in verschiedenen Anwendungen auftreten können. Gezeigt ist hier ein Stromwandler 1. Auf einem Magnetkern 4, der aus einem amorphen weichmagnetischen Band aufgebaut ist, befindet sich die Primärwicklung 2, die den zu messenden Strom Iprim führt und eine Sekundärwicklung 3, die den Meßstrom Isec führt. Der Sekundärstrom Isec stellt sich automatisch so ein, daß die Amperewindungen primär und sekundär im Idealfall gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sind. Der Verlauf der Magnetfelder in einem solchen Stromwandler ist in der Figur 2 dargestellt, wobei Verluste im Magnetkern nicht berücksichtigt sind. Der Strom in der Sekundärwicklung 3 stellt sich dann nach dem Induktionsgesetz so ein, daß er die Ursache seiner Entstehung, nämlich die zeitliche Änderung des magnetischen Flusses im Magnetkern 4, zu hindern versucht.
Im idealen Stromwandler ist daher der Sekundärstrom, multipliziert mit dem Verhältnis der Windungszahlen, negativ gleich dem Primärstrom, was durch Gleichung (1) veranschaulicht wird:
|al = -Iprim * (Nprim / Nsec ) ( 1 ) Dieser Idealfall wird wegen der Verluste im Bürdenwiderstand 5, im Kupferwiderstand 6 der Sekundärwicklung und im Magnetkern 4 nie erreicht.
Im realen Stromwandler weist daher der Sekundärstrom gegenüber der obigen Idealisierung einen Amplitudenfehler und einen Phasenfehler auf, was durch Gleichung (2) beschrieben wird:
•rreal _ xideal Amplitudenfehler : F(I) = sec ^ec ; Phasenfehl er : φ = φ(Islc] ) - Φ(-Iprim ) ( 2 )
Isec
Die Ausgangssignale eines solchen Stromwandlers werden digitalisiert, multipliziert, integriert und gespeichert. Das Ergebnis ist eine elektrische Größe, die für die genannten Zwecke zur Verfügung steht.
Die zur Energiezählung in diesen Anwendungen eingesetzten elektronischen Energiezähler arbeiten "indirekt", so daß nur rein bipolare, nullsymmetrische Wechselströme im Zähler selbst gemessen werden müssen. Dazu dienen Stromwandler, die mit Magnetkernen aus hochpermeablen Werkstoffen aufgebaut sind und zur Erreichung geringer Meßfehler über einen kleinen Phasenfehler φ mit sehr vielen, d.h. typischerweise 2500 und mehr, Sekundärwindungen ausgestattet sein müssen.
Für die Abbildung rein bipolarer Ströme sind Stromwandler bekannt, deren Magnetkerne aus hochpermeablen kristallinen Legierungen, insbesondere Nickel-Eisen-Legierungen, bestehen, die ca. 80 Gew.% Nickel enthalten und unter dem Namen "Permalloy" bekannt sind. Diese weisen einen grundsätzlich sehr niedrigen Phasenfehler φ auf. Sie haben dabei aber den Nachteil, daß dieser Phasenfehler φ stark mit dem zu messenden Strom Iprim, was gleichbedeutend mit der Aussteuerung des Wandlerkerns ist, variiert. Für eine präzise Strommessung bei wechselnden Lasten mit diesen Wandlern ist daher eine aufwendige Linearisierung im Energiezähler erforderlich.
Des weiteren sind Stromwandler bekannt, die auf der Basis eisenloser Luftspulen arbeiten. Dieses Prinzip ist als sogenanntes Rogowski-Prinzip bekannt. Hierbei entfällt der Einfluß der Aussteuerung auf den Phasenfehler. Da die Anforderungen an die Störsicherheit solcher Stromwandler jedoch sehr hoch sein müssen, um eine eichfähige Energiezählung zu ermöglichen, sind diese Konstruktionen mit aufwendigen Abschirmungen gegen äußere Felder ausgestattet, was einen hohen Material- und Montageaufwand bedeutet und daher kostenintensiv ist.
Ferner sind Lösungen bekannt, bei denen ein mit einem
Luftspalt versehener (gescherter) Ferrit-Schalenkern als Magnetkern eingesetzt wird. Diese Stromwandler verfügen über eine sehr gute Linearität, jedoch ist aufgrund der relativ niedrigen Permeabilität der Ferrite eine sehr hohe Windungszahl in Verbindung mit einem sehr großvolumigen Magnetkern erforderlich, um bei dem Stromwandler einen geringen Phasenwinkel zu erzielen. Diese auf Ferrit- Schalenkernen basierenden Stromwandler weisen ferner ebenfalls eine hohe Empfindlichkeit gegenüber externen Fremdfeldern auf, so daß auch dort Abschirmmaßnahmen getroffen werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Magnetkern anzugeben, der bei Einsatz in einem Stromwandler im Vergleich zum Stand der Technik eine höhere Meßgenauigkeit eines zu messenden Stroms gestattet. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Magnetkerns sowie ein Stromwandler mit einem solchen Magnetkern angegeben werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Magnetkern, der zum
Einsatz in einem Stromwandler geeignet ist und der dadurch gekennzeichnet ist, daß er aus einem gewickelten Band aus einer amorphen ferromagnetischen Legierung besteht, eine Sattigungspermeabilitat aufweist, die großer als 20.000 und kleiner als 300.000 ist, eine Sattigungsmagnetostriktion aufweist, deren Betrag kleiner als 0,5 ppm ist und im wesentlichen frei von mechanischen Spannungen ist. Der Magnetkern weist eine magnetische Anisotropieachse auf, entlang der sich die Magnetisierung des Magnetkerns besonders leicht ausrichtet und die senkrecht zu einer Ebene ist, m der eine Mittellinie des Bandes verlauft, d.h. die senkrecht zur Richtung des gewickelten Bandes verlauft. Die Legierung weist eine Zusammensetzung auf, die im wesentlichen aus der Formel
Coa(Feι_xMnx)bNιcXdSieBfCg
besteht, worin X zumindest eines der Elemente V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ge, P ist, a bis g m Atom-% angegeben sind und wobei a, b, c, d, e, f, g und x die folgenden Bedingungen erfüllen:
40 < a < 82 ; 3 < b < 10 ; 0 < c < 30 ; 0 < d < 5 ; 0 < e < 20 ; 7 < f < 2 6 ; 0 < g < 3 ; mit 15 < d + e + f + g < 33 und 0 < x < 1 .
Die Permeabilität bezieht sich auf eine angelegte Felαstarke, die m der Ebene liegt, m der die Mittellinie des Bandes liegt, und die hierdurch hervorgerufene Induktion.
Es hat sich gezeigt, daß bei einem solchen Magnetkern die Abhängigkeit der Permeabilität von der Magnetisierung sehr klein ist. Die Hystereseschleife des Magnetkerns ist also sehr schmal und linear.
Da die Permeabilität mit über 20.000 sehr groß ist und zudem im wesentlichen unabhängig von der Vormagnetisierung ist, sind der absolute Phasenfehler und der absolute
Amplitudenfehler eines Stromwandlers mit einem solchen Magnetkern sehr klein. Der absolute Amplitudenfehler kann kleiner als 1 % sein. Der absolute Phasenfehler kann kleiner als 0,1° sein.
Der Stromwandler weist neben dem Magnetkern mindestens eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung, zu der ein Bürdenwiderstand parallel geschaltet ist und der den Sekundärstromkreis niederohmig abschließt, auf.
Es hat sich ferner gezeigt, daß die Hystereseschleife des Magnetkerns eine hohe Linearität aufweist. So betragen ein Permeabilitätsverhältnis μ^5/μ4 < 1,1 und ein
Permeabilitätsverhältnis μιo/uO,5 < 1/25, wobei μo 5, V-4 , mo und μ]_5 die Permeabilitäten bei einer Feldamplitude H von 0.5, 4, 10 und 15 mA/cm sind.
Die kleine Sättigungsmagnetostriktion und die Ausrichtung der Anisotropieachse wirken sich besonders vorteilhaft auf die hohe Linearität der Hystereseschleife aus.
Aufgrund der guten Linearität weisen der Phasen- sowie der Amplitudenfehler im wesentlichen keine Abhängigkeit vom zu messenden Strom auf.
Da der absolute Phasenfehler, der absolute Amplitudenfehler und die Abhängigkeit der Fehler vom zu messenden Strom sehr klein sind, kann durch den Stromwandler eine sehr exakte Stromerfassung erfolgen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß mit der Legierung der beschriebenen Zusammensetzung durch eine geeignete Wärmebehandlung ein Magnetkern mit den beschriebenen Eigenschaften erzeugt werden kann. Dabei sind sehr viele Parameter aufeinander abgestimmt, damit der Magnetkern die beschriebenen Eigenschaften aufweist. Im folgenden wird eine Wärmebehandlung, die ein Verfahren zur Herstellung eines Magnetkerns ist und ebenfalls die Aufgabe löst, beschrieben:
Nach Herstellung und Wicklung des Bandes zum Magnetkern wird der Magnetkern auf eine Zieltemperatur
(Entspannungstemperatur) zwischen 380°C und 500° C erhitzt. Der Magnetkern wird von der Zieltemperatur auf Zimmertemperatur abgekühlt, wobei spätestens ab der Curie- Temperatur der Legierung ein Magnetfeld H > 100 A/cm, besser > 1000 A/cm eingeschaltet wird, das parallel zur zu erzeugenden Anisotropieachse des Magnetkerns ist. Die Curie- Temperatur Tc ist die Temperatur, bei der eine spontane Magnetisierung der Legierung einsetzt. Je nach Legierungszusammensetzung, die die Lage der Curietemperatur bestimmt und zu erzielendem Permeabilitätsniveau erfolgt die Abkühlung mit Raten zwischen 0,1 und 10 K/min. Der Temperatur-Zeit-Verlauf kann dabei stationär, nichtlinear, stetig oder unstetig sein. Die Abkühlzeit kann dabei zwischen 0,25 und 60 Stunden betragen.
Die Zieltemperatur ist so gewählt, daß sie unterhalb der Kristallisationstemperatur der Legierung liegt. Vorzugsweise liegt die Zieltemperatur mindestens 100°C unter der Kristallisationstemperatur der Legierung.
Ferner ist die Zieltemperatur so gewählt, daß bei den beschriebenen Legierungen eine sehr kleine Sättigungs agnetostriktion erzielt wird. Die hierzu erforderliche Zieltemperatur hängt vom Verhältnis von Fe, Mn zu Co. Je größer dieses Verhältnis ist um so kleiner wird die Zieltemperatur gewählt, um eine möglichst kleine Sättigungsmagnetostriktion zu erhalten.
Durch das Erhitzen werden zugleich ein Ausgleich mechanischer Spannungen und eine kleine Sättigungsmagnetostriktion erzielt . Eine besonders hohe Lmearität der Hystereseschleife laßt sich erzielen, wenn das Verhältnis des mechanischen elastischen Spannungstensors des Magnetkerns multipliziert mit der Sättigungsmagnetostriktion zur uniaxialen Anisotropie kleiner als 0,5 ist.
Es hat sich gezeigt, daß die beschriebene Dauer zum Abkühlen dazu fuhrt, daß bei zugleich hoher Sattigungspermeabilitat eine für eine gute L earität der Hystereseschleife ausreichend hohe Anisotropie erzielt wird. Durch die beschriebene Elimmierung von Magnetostriktion und Spannung wird es möglich, trotz sehr kleiner Werte der uniaxialen Anisotropie hochlmeare Hystereseschleifen mit sehr hohen Permeabilitäten zu erzeugen. Je langer die Abkühlung im Magnetfeld dauert, um so kleiner ist die
Sattigungspermeabilitat und um so hoher ist die Anisotropie. Dies liegt daran, daß sich atomare Bereiche der Legierung, die magnetische Dipolmomente aufweisen, unterhalb der Curie- Temperatur im Magnetfeld nach und nach immer weiter räumlich ausrichten, so daß eine Vorzugsrichtung für die Magnetisierung gebildet wird, das heißt die Anisotropieachse gebildet wird. Je ausgeprägter diese Ausrichtung im Magnetfeld ist, um so großer wird die uniaxiale Anisotropie, aber um so niedriger wird die Permeabilität.
Die im Magnetfeld ablaufenden Ausrichtungsvorgange hangen von der Temperatur zweifacher Weise ab. Je hoher die Temperatur ist, um so beweglicher sind die atomaren und um so leichter richten sie sich aus. Je tiefer die Temperatur ist, um so großer ist die treibende Kraft des Magnetfeldes auf die magnetischen Dipolmomente der atomaren Bereiche, das heißt, um so starker ist die ausrichtende Kraft, die auf die atomaren Bereiche wirkt. Durch die beschriebene Dauer der Abkühlung wurden diese Faktoren optimal aufeinander abgestimmt, so daß bei zugleich hoher Permeabilität eine für gute Lmearität ausreichend hohe Anisotropie erzielt wird. Das Magnetfeld ist derart gewählt, daß die
Sättigungsmagnetisierung des Magnetkerns in seiner axialen Richtung sicher erreicht ist.
Zur Erzielung hoher Permeabilitäten ist die Zusammensetzung der Legierung ist derart gewählt, daß die Curie-Temperatur bei Berücksichtigung anderer zu optimierender Parameter, z.B. einer hohen Sättigungsinduktion, möglichst klein ist Die Curie-Temperatur liegt beispielsweise zwischen 190°C und
270°C. Dies ist aus technischen und wirtschaftlichen Gründen vorteilhaft, da aus Linearitätsgründen unterhalb der Curie- Temperatur nicht feldfrei abgekühlt werden kann. Eine Absenkung der Curie-Temperatur wird zunächst dadurch erreicht, daß der Metalloidgehalt, d.h. der Anteil von Si und B angehoben wird, wobei die Sättigungsinduktion gleichzeitig auch absinkt. Werden dagegen Mn-Zusätze innerhalb der diskutierten Bereiche zugefügt, so kann eine Absenkung der Curie-Temperatur unter Beibehaltung der Sättigungsinduktion erzielt werden.
Gleichzeitig wird durch eine Erhöhung des Metalloidgehaltes unter Berücksichtigung anderer zu optimierender Parameter, wie z.B. der Sättigungsmagnetostriktion, eine Erhöhung der Kristallisationstemperatur erzielt. Dies ist vorteilhaft, da eine hohe Kristallisationstemperatur ein besseres Alterungsverhalten des Magnetkerns sowie eine hohe Zieltemperatur und damit einen besseren Ausgleich der mechanischen Spannung ermöglicht.
Ferner wurde bei der Wahl der Zusammensetzung der Legierung berücksichtigt, daß die Sättigungsinduktion des Magnetkerns möglichst groß ist. Dies ist vorteilhaft, da bei großer Sättigungsinduktion der Lmearitätsbereich erweitert wird und damit ein höherer Strom zuverlässig gemessen werden kann, bevor die Sättigung erreicht und dadurch die Linearität der Stromabbildung zerstört wird. Die Sättigungsinduktion ist um so größer, je größer das Verhältnis von Co, Fe, Mn zum Rest der Legierung ist. Gleichzeitig nimmt dadurch die Kristallisationstemperatur ab.
Aufgrund der hohen Permeabilität kann der Stromwandler bei zugleich exakter Stromerfassung ein besonders kleines Volumen aufweisen.
Hinsichtlich der geforderten Eigenschaften besonders gute Stromwandler lassen sich durch die Verwendung von amorphen, ferromagnetischen Legierungen verwirklichen, die einen Magnetostriktionswert | λs | < 0, 1 ppm aufweisen, wobei die Legierung eine Zusammensetzung aufweist, die im wesentlichen aus der Formel
Coa(Feι. ,χMnx) bNicXdSieBfCg
besteht, worin X zumindest eines der Elemente V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ge und P ist, a bis g in Atom-% angegeben sind und wobei a, b, c, d, e, f, g und x die folgenden Bedingungen erfüllen:
63 < a < 73 ; 3 < b < 10 ; 0 < c < 5 ; 0 < d < 3 ; 12 < e < 19 ; 7 < f < 20 ; 0 < g < 3 mit 20 < d + e + f + g < 30 und x < 0 , 5 .
Eine weitere Verbesserung läßt sich mit Stromwandlern erzielen, die als Wandlerkernwerkstoff amorphe, ferromagnetische Legierungen der obengenannten Art enthalten, bei denen a, b, c die folgende Bedingung erfüllen:
68 < a + b + c < 75.
Die obengenannten Legierungssysteme zeichnen sich durch sehr lineare, ausgesprochen schmale Hystereseschleifen aus , wobei eine Permeabilität μ4 > 120000 bei einer Feldamplitude H von 4 mA/cm mit dem beschriebenen Verfahren gut einstellbar ist. Die erfmdungsgemaßen Legierungssysteme sind nahezu magnetostriktionsfrei . Die Magnetostriktion wird vorzugsweise durch eine Wärmebehandlung eingestellt, so daß lineare Hystereseschleifen mit einem aufgrund der hohen Sattigungsmduktion von Bs = 0,5 bis 0,7 T weiträumig nutzbaren Induktionsbereich und einem sehr guten Frequenzgang bezüglich der Permeabilität und vergleichsweise niedrigen Ummagnetisierungsverlusten herstellbar sind.
Solche hochlmearen Stromwandler werden bei den besonders hervorgehobenen Legierungszusammensetzungen erreicht, da mit einer angepaßten Wärmebehandlung ein Nulldurchgang der Sättigungsmagnetostriktion eingestellt werden kann. Zusatzlich kann ausgenutzt werden, daß bei der üblichen Wärmebehandlung zur Eigenschaftsemsteilung die
Temperaturabhangigkeit der Permeabilität im oder sehr nahe am Nulldurchgang liegt.
Aufgrund der hohen Sattigungsmduktion können sehr hohe Strome gemessen werden, bevor die Sättigung erreicht und dadurch die Lmearität der Stromabbildung gestört wird. Durch eine Feinabstimmung des Verhältnisses von Silizium zu Bor sowie des Verhältnisses von Co, Fe, Mn zum Rest der Legierung, kann eine besonders hohe Sattigungsmduktion erzielt werden. Dabei laßt SJ ch die Sattigungsmduktion durch Erhöhung des Anteils der ferromagnetischen Elemente Co und Fe, aber auch durch Mn gegenüber dem Gesamtmetalloidgehalt erhohen. Darüber hinaus senkt Si aufgrund seiner 4 Valenzelektronen das magnetische Moment starker ab als B mit nur 3 Valenzelektronen. Auf diese Weise laßt sich durch eine gunstige Feinabstimmung von B zu Si die Sattigungsmduktion bei konstantem Gesamtmetalloidgehalt weiter erhohen. Die mit sinkendem Metalloidgehalt negativer werdende Magnetostriktion muß dann allerdings wieder ber den Fe - Gehalt soweit abgeglichen werden, daß der Nulldurchgang schließlich durch die Zieltemperatur erreicht werden kann. Durch Feinabstimmung des Eisengehalts zum Mangangehalt kann bei Wahl einer geeigneten Zieltemperatur eine Sättigungsmagnetostriktion erzielt werden, deren Betrag kleiner als 0,1 oder gar 0,05 ppm ist. Aufgrund der kleinen Sättigungsmagnetostriktion ist die zur uniaxialen Anisotropie m Konkurrenz stehende Storanisotropie besonders klein. Damit laßt sich auch bei kleinen uniaxialen Anisotropien, die für eine hohe Permeabilität Voraussetzung sind, eine gute Lmearität der Hystereseschleife erreichen.
Vorzugsweise weist der Magnetkern keinen Luftspalt auf. Em Stromwandler mit einem Magnetkern ohne Luftspalt weist eine besonders hohe Immunität gegenüber externen Fremdmagnetfeldern ohne zusätzliche Abschirmmaßnahmen auf. Der Magnetkern ist beispielsweise em geschlossener, luftspaltloser Rmgkern, Ovalkern oder Rechteckkern. Weist das Band, wie im Fall des Ringkerns eine
Rotationssymmetrieachse auf, so ist die Anisotropieachse parallel zur Rotationssymmetrieachse.
Hinsichtlich der Wirbelstromverluste und damit dem Verlauf der Permeabilität hat sich als gunstiger Bereich für die Banddicke des Bandes eine Dicke d < 26 μm erwiesen. Um andererseits eine möglichst lineare schmale Hystereseschleife zu erreichen, hat sich eine Banddicke d > 15 μm erwiesen. Bei den erfmdungsgemaßen Legierungen laßt sich hierdurch der oberflachenbedingte Anteil der Storanisotropien überraschend stark absenken.
Besonders kleine Koerzitivfeidstarken und damit eine besonders gute Lmearität der Hystereseschleife wird erzielt, wenn das Band zumindest an einer Oberflache mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen ist. Dies bewirkt einerseits eine bessere Entspannung des Kerns, andererseits lassen sich durch die elektrisch isolierende Schicht auch besonders niedrige Wirbelstromverluste erreichen. Das Band wird beispielsweise vor dem Wickeln an mindestens einer seiner beiden Oberflachen mit der elektrisch isolierenden Schicht versehen. Hierfür wird j e nach Anforderung an die Gute der isolierenden Schicht, em Tauch-, Durchlauf-, Sprüh- oder Elektrolyseverfahren am Band eingesetzt .
Alternativ wird der gewickelte Magnetkern vor Erhitzen auf die Zieltemperatur einer Tauchisolation unterzogen, so daß das Band mit der elektrisch isolierenden Schicht versehen wird. Als besonders vorteilhaft hat sich em Tauchverfahren bei Unterdruck herausgestellt.
Bei der Auswahl des isolierenden Mediums ist darauf zu achten, daß dieses einerseits auf der Bandoberflache gut haftet, andererseits keine Oberflachenreaktion verursacht, die zu einer Schädigung der Magneteigenschaften fuhren kann. Bei den hier m Rede stehenden Legierungen haben sich Oxide, Acrylate, Phosphate, Silikate und Chromate der Elemente Calzium, Magnesium, Aluminium, Titan, Zirkonium, Hafnium, Silizium als wirkungsvolle und vertragliche Isolatoren herausgestellt. Besonders effektiv ist dabei Magnesium, welches als flussiges magnesiumhaltiges Vorprodukt auf die Bandoberflache aufgebracht wird und sich wahrend einer speziellen, die Legierung nicht beeinflussenden
Wärmebehandlung m eine dichte magnesiumhaltige Schicht umwandelt, deren Dicke D zwischen 25 nm und 3 μm liegen kann. Bei den Temperaturen der oben beschriebenen Magnetfeldwarmebehandlung entsteht dann die eigentliche Isolatorschicht aus Magnesiumoxid.
Die Sekundärwicklung des Stromwandlers kann eine Wmdungszahl aufweisen, die kleiner oder gleich 2200 ist. Die Primärwicklung des Stromwandlers kann eine Wmdungszahl aufweisen, die gleich drei ist. Der Stromwandler kann für einen Primarstrom ausgelegt sein, der kleiner oder gleich 20A betragt . Das Erhitzen auf die Zieltemperatur erfolgt möglichst schnell. Beispielsweise erfolgt das Erhitzen auf die Zieltemperatur mit einer Rate zwischen 1 bis 15 K/mm.
Der Magnetkern wird beispielsweise zwischen 0,25 und 4 Stunden auf der Zieltemperatur gehalten, um einen möglichst guten Ausgleich der mechanischen Spannungen zu erzielen. Diese Zeit kann um so kurzer sein, je hoher die Zieltemperatur ist.
Die Abkühlung zwischen der Entspannungstemperatur und der Curie-Temperatur erfolgt ebenfalls möglichst schnell, z.B. mit Raten von 0,5 - 10 K/mm. Dabei reguliert die Abkuhlrate den Anteil des freien Volumens und damit der atomaren
Ausπchtungsfahigkeit, der bei tieferen Temperaturen zur Einstellung der Anisotropie zur Verfugung steht. Nach Erreichen der Curie-Temperatur wird im angelegten Feld, das senkrecht zur Richtung des Bandes steht, mit 0,1 - 5 K/mm abgekühlt. Diese Abkuhlrate wird so gewählt, daß unter der treibenden Kraft des magnetischen Feldes durch die atomare Reorientierung eine uniaxiale Anisotropie der gewünschten Große entsteht. Da diese uniaxiale Anisotropie reziprok zur Permeabilität ist, laßt sich mit hohen Abkuhlraten eine hohe Permeabilität einstellen.
Soll jedoch zur Linearisierung der Hystereseschleife oder zur Erhöhung der Anisotropiefeidstarke eine etwas höhere magnetfeld duzierte uniaxiale Anisotropie eingestellt werden, so kann unterhalb der Curie-Temperatur em stationäres Temperaturplateau eingefügt werden. Die Temperatur ist dabei so niedrig zu wählen, daß die magnetischen Momente möglichst hoch sind, andererseits aber auch so hoch, daß die Kinetik der Ausrichtungsvorgange noch schnell genug ablauft. Je nach Wirkung kann die Lange des
Temperaturplateaus bei angelegtem Magnetfeld zwischen 0,1 und 24 h betragen. Zur Herstellung des Magnetkerns wird beispielsweise zunächst em amorphes Band aus einer Schmelze mittels der an sich bekannten Rascherstarrungstechnologie, die beispielsweise m der DE 37 31 781 Cl beschrieben ist, hergestellt. Das amorphe Legierungsband wird anschließend spannungsfrei zum Magnetkern gewickelt. Dabei ist zur Verringerung der Storanisotropien vorzugsweise so zu verfahren, daß das Band eine geringe Oberflachenrauheit aufweist.
Die Wärmebehandlung wird so vorgenommen, daß sich der Wert der Sättigungsmagnetostriktion λs wahrend der Wärmebehandlung um einen von der Legierungszusammensetzung abhangigen Betrag m positive Richtung verändert, bis er im Bereich | λs | < 0,5 ppm, vorzugsweise | λs | < 0, 05 ppm liegt. Dieser Wert ist auch dann zu erreichen, wenn der Betrag von λs im "as quenched"-Zustand des Bandes, d.h. also direkt nach dem Gießvorgang, deutlich über diesem Wert liegt.
Je nach eingesetzter Legierung kann dabei eine Bespulung des Magnetkerns mit einem reduzierenden oder wenigstens passiven Schutzgas erfolgen, so daß an der Bandoberflache weder Oxidationen noch andere Reaktionen auftreten können, abgesehen von den m gewissen Fallen zulassigen selbstpassivierenden und gleichzeitig auch elektrisch isolierenden äußerst dünnen Metalloid-Oxidschichten.
Der so behandelte Magnetkern wird schließlich verfestigt, z.B. durch Tranken, Beschichten, Umhüllen mit geeigneten Kunststoffmaterialien und/oder Verkapselung und mit jeweils mindestens der Sekundärwicklung des Stromwandlers versehen.
Im folgenden werden Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren naher erläutert.
Figur 3 zeigt schematisch den Verlauf einer Wärmebehandlung eines Magnetkerns. Figur 4 zeigt im Vergleich die Abhängigkeiten der Permeabilitäten des Magnetkerns und der Permeabilitäten von Permalloy-Kernen von einer Induktionsamplitude, die durch ein erregendes
Magnetfeld erzeugt wird.
Figur 5 zeigt die Abhängigkeit des Amplitudenfehlers und des Phasenfehlers vom zu messenden Strom (Primärstrom) .
Figur 6 zeigt schematisch den Magnetkern, der aus einem Band mit einer isolierenden Schicht besteht, und seine Anisotropieachse.
Figur 6 ist nicht maßstabsgetreu und zeigt zwecks besserer Anschaulichkeit nur wenige Windungen.
Mit einem nur 3,3 g schweren Magnetkern M aus einer amorphen ferromagnetischen Legierung der Zusammensetzung C057 7Fe3,3Mθ_ 5Si]_g 5JA0 5 konnte ein Stromwandler mit einer Primärwindungszahl N]_ = 3 und einer Sekundärwindungszahl N2 = 2000 hergestellt werden, der über einen Bürdenwiderstand von 100 Ohm im Sekundärstromkreis niederohmig abgeschlossen war.
Dazu wurde der Magnetkern M, der aus einem mit einer ca. 250nm dicken isolierenden Schicht S aus Magnesiumoxid beschichtenem Band B bestand, der in Figur 3 dargestellten Wärmebehandlung unterzogen. Zunächst wurde der Magnetkern M mit einer Rate von ca. 420 K/h innerhalb einer Stunde auf eine Zieltemperatur von ca. 458°C erhitzt und dort etwa 1,5 h gehalten. Anschließend erfolgte eine Abkühlung mit einer Rate von ca. 120 K/h innerhalb von ca. zwei Stunden auf ca. 220°C und mit einer Rate von ca. 60 K/h innerhalb von ca. drei Stunden auf Raumtemperatur. Die Abkühlung mit der Rate von 60 K/h erfolgte in einem transversalen Magnetfeld, das parallel zu einer Rotationssymmetrieachse des Magnetkerns M war. Dabei bildete sich eine zum Magnetfeld parallele Anisotropieachse A aus, entlang der sich die Magnetisierung des Magnetkerns M besonders leicht ausrichtet (siehe Figur 6) .
In diesem Beispiel wurde die Magnetostriktion durch die Wärmebehandlung von λs = - 13,5*10~8 auf den sehr kleinen Wert von - 1,2*10~8 verringert. Gleichzeitig wurden die im gewickelten Magnetkern M zuvor existierenden mechanischen Spannungen annähernd vollständig eliminiert und so die Bedingung |σ|«0 erfüllt, wobei σ der mechanische elastische Spannungstensor ist. Damit war die Voraussetzung für hohe
Permeabilitäten geschaffen und es wurde tatsachlich μ(50 Hz) = 177.000 erreicht. Es wurde also eine gunstige Kombination mit hoher Permeabilität und sehr guter Lmearität (d.h. | λs |«0 und |σ|«0) erzielt.
Die Hystereseschleife war dabei so linear, daß die m Figur 4 dargestellte Aussteuerungsabhangigkeit der Permeabilität annähernd konstant verlauft. Vergleichbare Eigenschaften wurden auch bei Zieltemperaturen von Tσ = 449°C gemessen. Zum Vergleich ist m Figur 4 die Aussteuerungsabhangigkeit der Permeabilität konventioneller Permalloy-Legierungen dargestellt .
Die nach Bewicklung am beschriebenen Stromwandler gemessenen Verlaufe von Phasenfehler φ und Amplitudenfehler F sind m Figur 5 dargestellt. Dabei zeigt der Vergleich zu konventionellen Permalloy-Legierungen beispielhaft die Vorzuge von Stromwandlern aus magnetostriktionsfreien hochpermeablen Amorphkernen.
Der Stromwandler wies einen mittleren Phasenfehler φ von 0,19° und dabei eine Lmearität des Phasenwinkels Δφ über einen Strombereich von 0,1 bis 2 A von weniger als 0,02° auf. Die Permeabilität dieser amorphen warmebehandelten ferromagnetischen Legierung liegt bei einer Feldamplitude H von 4 mA/cm bei 192000. Bei dem verwendeten Magnetkern M handelt es sich um einen Ringbandkern der Abmessungen 19 x 15 x 5 mm mit einem Eisenquerschnitt von Ape = 0,081 cm2.
Ahnlich gute Stromwandler konnten mit Magnetkernen aus folgenden Legierungen hergestellt werden:
Co67, 62Fe3,7Mol,5si16,5B10, 68 Co68,2Fe3,9Mol,5si16,3B10,l Co67,65Fe3,4Mnl,θSil6,75M°0,2Bll,0 Cθ68,3Fe3,4Mnl,0si16,5Mo0,5B10,3 Co68,2Fe4, lNil,4si14,7c0,2Bll,4.
Im Gegensatz zu diesen Beispielen wurden unter Einsatz einer der bereits beschriebenen Legierung (der Zusammensetzung Cθ67 7Fe3,gMθ]_ 5Si]_g/ 5B10, 5) deutlich schlechtere
Magneteigenschaften erreicht, wenn die Wärmebehandlung in anderer Weise geführt wurde. In einer ersten Abwandlung wurde mit der Absicht noch besserer Entspannung die Zieltemperatur bis auf 510°C erhöht. Die in der Folge auftretende stark nichtlineare Hystereseschleife besaß jedoch aufgrund starker Störanisotropien durch einsetzende Kristallisation eine Anfangspermeabilität von nur noch 9.400.
Wurde die Entspannung dagegen bei Tσ = 400°C durchgeführt, so verschlechterte sich die Linearität der Hystereseschleife ebenfalls, wobei in diesem Fall die Anfangspermeabilität bei 97.000 lag.
Nach einer schnellen Abkühlung im Querfeld mit 2,5 K/min anstatt mit 1 K/min (vgl. Figur 3) verrundete die Schleife wegen der nun extrem kleinen uniaxialen Anisotropie Ku ebenfalls. Die Anfangspermeabilität lag demzufolge nur bei 127.000.
Nach einer langsamen Abkühlung im Querfeld mit 0,5 K/min behielt die Schleife ihre ausgeprägte Linearität. Die größere uniaxiale Anisotropienergie führte jedoch ebenfalls zu einer reduzierten Permeabilität von nur 139.000.

Claims

Patentansprüche
1. Magnetkern, der zum Einsatz in einem Stromwandler geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, daß - er aus einem gewickelten Band (B) aus einer amorphen, ferromagnetischen Legierung besteht,
- er eine Sättigungspermeabilität aufweist, die größer als 20000 und kleiner als 300000 ist,
- er eine Sättigungsmagnetostriktion aufweist, deren Betrag kleiner als 0,5 ppm ist,
- er im wesentlichen frei von mechanischen Spannung ist,
- er eine Anisotropieachse (A) aufweist, entlang der sich die Magnetisierung des Magnetkerns (M) besonders leicht ausrichtet und die senkrecht zu einer Ebene ist, in der eine Mittellinie des Bandes (B) verläuft,
- die Legierung eine Zusammensetzung aufweist, die im wesentlichen aus der Formel
Coa (Feι_xMnx) bNicXdSieBfCg
besteht, worin X zumindest eines der Elemente V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ge, P ist, a bis g in Atom-% angegeben sind und wobei a, b, c, d, e, f, g und x die folgenden Bedingungen erfüllen:
40 < a < 82; 3 < b < 10; 0 < c < 30; 0 < d < 5; 0 < e < 20; 7 < f < 26; 0 < g < 3; mit 15 < d + e + f + g < 33 und 0 < x < 1.
2. Magnetkern nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß a, b, c, d, e, f, g und x die folgenden Bedingungen erfüllen:
63 < a < 73, 3 < b < 10; 0 < c < 5; 0 < d < 3; 12 < e < 19; 8 < f < 20; 0 < g < 3; mit 20 < d + e + f + g < 30 und x < 0,5.
3. Magnetkern nach Anspruch 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß a, b und c die folgenden Bedingungen erfüllen:
68 < a + b + c < 75.
4. Magnetkern nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Betrag der Sättigungsmagnetostriktion kleiner als 0,1 ppm ist.
5. Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Magnetkern (M) eine Sattigungsmagnetisierung Bs von 0,5 bis 0,7 T aufweist.
6. Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Band (B) eine Dicke d von 15 μm < d < 26 μm aufweist.
7. Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Band (B) zumindest an einer Oberflache mit einer elektrisch isolierenden Schicht (S) versehen ist.
8. Magnetkern nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als elektrisch isolierende Schicht (S) eine Schicht aus Magnesiumoxid vorgesehen ist.
9. Magnetkern nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die elektrisch isolierende Schicht (S) eine Dicke D von 25 nm < D < lμm aufweist.
10. Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß er als em geschlossener, luftspaltloser Rmgkern, Ovalkern oder Rechteckkern ausgestaltet ist.
11. Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 11, α a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Verhältnis seines mechanischen elastischen Spannungstensors multipliziert mit der
Sattigungsmagetostriktion zu seiner uniaxialen Anisotropie kiemer als 0.5 ist.
12. Stromwandler für Wechselstrom mit einem Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Stromwandler neben dem Magnetkern (M) als Wandlerkern aus zumindest einer Primärwicklung und zumindest einer Sekundärwicklung, zu der em Burdenwiderstand parallel geschaltet ist und der den Sekundarstromkreis mederohmig abschließt, besteht.
13. Stromwandler nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Sekundärwicklung eine Wmdungszahl Nsec < 2200 aufweist, wobei die Primärwicklung eine Wmdungszahl Nprιm = 3 aufweist und der Stromwandler für einen Primarstrom Iprιm < 20 A ausgelegt ist.
14. Verfahren zur Herstellung eines Magnetkerns nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
- bei dem nach Herstellung und Wicklung des Bandes (B) zum Magnetkern (M) , der Magnetkern (M) auf eine Zieltemperatur zwischen 380°C und 500°C erhitzt wird,
- bei dem der Magnetkern (M) von der Zieltemperatur auf Zimmertemperatur abgekühlt wird, wobei spätestens ab der Curie-Temperatur der Legierung em Magnetfeld von H > 100 A/cm eingeschaltet wird, das parallel zur Anisotropieachse (A) des Magnetkerns (M) ist,
- bei dem die Rate zum Abkühlen von der Curie-Temperatur auf die Raumtemperatur zwischen 0,1 und 5 K/mm liegt.
15. Verfahren nach Anspruch 14,
- bei dem das Erhitzen auf die Zieltemperatur mit einer Rate zwischen 1 bis 15 K/min erfolgt, - bei dem der Magnetkern (M) zwischen 0,25 und 4 Stunden auf der Zieltemperatur gehalten wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15,
- bei dem das Abkühlen bei einer Zwischentemperatur, die unterhalb der Curie-Temperatur liegt, unterbrochen wird, bei der der Magnetkern (M) zwischen 0,1 und 24 Stunden gehalten wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, - bei dem das Abkühlen mit Raten zwischen 0,1 und 15 K/min erfolgt .
18. Verfahren nach Anspruch 17,
- bei dem das Abkühlen bis zur Curie-Temperatur mit einer Rate zwischen 0,5 und 10 K/min erfolgt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18,
- bei dem das Band (B) vor dem Wickeln an mindestens einer seiner beiden Oberflächen mit einer elektrisch isolierenden Schicht (S) versehen wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18,
- bei dem der Magnetkern (M) vor Erhitzen auf die Zieltemperatur einer Tauchisolation unterzogen wird, so daß das Band (B) mit einer elektrisch isolierenden Schicht (S) versehen wird.
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