EP1129459B1 - Verwendung eines magnetkerns für einen stromwandler, verfahren zur herstellung eines magnetkerns und stromwandler mit einem magnetkern - Google Patents

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EP1129459B1
EP1129459B1 EP99963240A EP99963240A EP1129459B1 EP 1129459 B1 EP1129459 B1 EP 1129459B1 EP 99963240 A EP99963240 A EP 99963240A EP 99963240 A EP99963240 A EP 99963240A EP 1129459 B1 EP1129459 B1 EP 1129459B1
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EP
European Patent Office
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magnetic core
current transformer
use according
core
strip
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EP99963240A
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EP1129459A1 (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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    • 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

  • the invention relates to the use of a magnetic core for a current transformer, a method for Production of such a magnetic core and a current transformer with such a magnetic core.
  • the Ferrari counter is based on the Energy counting over the rotation of a mechanical one Counter connected disc, by the current or voltage-proportional fields of corresponding field coils is driven. For the extension of Functionalities of energy meters such. For Multi-tariff operation or remote reading become electronic Energy meters are used in which the electricity and Voltage detection via inductive current and voltage transformers he follows.
  • a special application in which a particularly high Accuracy is required, is the detection of Energy flows in the area of Electricity utilities.
  • the energy meters used for this purpose are Multifunction built-in appliances whose input signals for electricity and tension from the respective high and Medium voltage installations via cascades of electricity and electricity Voltage transformers are tapped and their Output signals for digital and graphical registration or display as well as for control purposes in the control room serve.
  • the network side first converter for potential-separated transformation of high current and Voltage values, e.g. 1 to 100 kA and 10 to 500 kV, in in Cabinets manageable values
  • the second transform this in the actual energy meter to that of the Measuring electronics require signal levels in the range of less than 10 up to 100 mV.
  • FIG. 1 shows an equivalent circuit diagram of such a current transformer and the areas of the technical data which can occur in different applications. Shown here is a current transformer 1. On a magnetic core 4, which is composed of an amorphous soft magnetic band, there is the primary winding 2, which leads the current I to be measured prim and a secondary winding 3, which leads the measuring current I sec . The secondary current I sec is automatically adjusted so that the ampere-turns primary and secondary are ideally the same size and oppositely directed. The course of the magnetic fields in such a current transformer is shown in FIG. 2, whereby losses in the magnetic core are not taken into account. The current in the secondary winding 3 is then adjusted according to the law of induction so that it tries to prevent the cause of its formation, namely the temporal change of the magnetic flux in the magnetic core 4.
  • the output signals of such a current transformer are Digitized, multiplied, integrated and stored.
  • the Result is an electrical quantity suitable for the mentioned Purposes is available.
  • the invention is based on the object, a magnetic core specify that when used in a current transformer in comparison to the prior art, a higher accuracy of a zu allowed measuring current. Furthermore, a method for Production of such a magnetic core and a current transformer be specified with such a magnetic core.
  • the object is achieved by the use of a magnetic core for a current transformer, characterized in that the magnetic core consists of a wound band of an amorphous ferromagnetic alloy, has a saturation permeability greater than 20,000 and less than 300,000, has a saturation magnetostriction whose Amount is less than 0.5 ppm and is substantially free of mechanical stresses.
  • the magnetic core has a magnetic anisotropy axis, along which the magnetization of the magnetic core is particularly easy to align and which is perpendicular to a plane in which a center line of the belt runs, that is, perpendicular to the direction of the wound belt.
  • the alloy has a composition consisting essentially of the formula Co a (Fe 1-x Mn x ) b Ni c X d Si e B f C g wherein X is at least one of V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ge, P, a to g in atomic% and where a, b, c, d, e, f, g and x meet the following conditions: 40 ⁇ a ⁇ 82; 3 ⁇ b ⁇ 10; 0 ⁇ c ⁇ 30; 0 ⁇ d ⁇ 5; 0 ⁇ e ⁇ 20; 7 ⁇ f ⁇ 26; 0 ⁇ g ⁇ 3; with 15 ⁇ d + e + f + g ⁇ 33 and 0 ⁇ x ⁇ 1.
  • the permeability refers to an applied field strength, which lies in the plane in which the center line of the band lies, and the induced thereby induction.
  • the absolute phase error can be less than 1 ⁇ .
  • the absolute phase error can be less than 0.1 °.
  • the current transformer has at least one magnet next to the core Primary winding and a secondary winding, to which a Burden resistor is connected in parallel and the the Low-impedance secondary circuit terminates.
  • the small saturation magnetostriction and the orientation of the Anisotropy axis have a particularly advantageous effect on the high linearity of the hysteresis loop.
  • the invention is based on the finding that with the Alloy of the described composition by a suitable heat treatment a magnetic core with the described properties can be generated. There are very many parameters matched, so that the Magnetic core having the properties described.
  • the magnetic core After making and winding the tape to the magnetic core, the magnetic core is heated to a target temperature (relaxation temperature) between 380 ° C and 500 ° C.
  • the magnetic core is cooled from the target temperature to room temperature, at the latest from the Curie temperature of the alloy, a magnetic field H> 100 A / cm, better> 1000 A / cm is turned on, which is parallel to the anisotropy axis of the magnetic core to be generated.
  • the Curie temperature T c is the temperature at which a spontaneous magnetization of the alloy begins.
  • the cooling takes place at rates between 0.1 and 10 K / min.
  • the temperature-time profile can be stationary, non-linear, continuous or unsteady.
  • the cooling time can be between 0.25 and 60 hours.
  • the target temperature is chosen to be below the Crystallization temperature of the alloy is. Preferably the target temperature is at least 100 ° C below the Crystallization temperature of the alloy.
  • the target temperature is chosen so that in the alloys described a very small Saturation magnetostriction is achieved.
  • the purpose required target temperature depends on the ratio of Fe, Mn to Co. The larger this ratio, the smaller the Target temperature selected to the smallest possible To obtain saturation magnetostriction.
  • a particularly high linearity of the hysteresis loop lets to achieve if the ratio of mechanical elastic tension tensor of the magnetic core multiplied with the saturation magnetostriction for uniaxial anisotropy is less than 0.5.
  • the alignment processes occurring in the magnetic field depend on the temperature in two ways. The higher the Temperature is, the more mobile are the atomic areas and so on they are easier to align. The lower the temperature, the greater the driving force of the magnetic field is on the magnetic dipole moments of the atomic regions, that is, the stronger the aligning power that is on the atomic areas acts. Through the described duration of Cooling, these factors were optimally matched tuned, so that at the same time high permeability for good linearity sufficiently high anisotropy is achieved.
  • the magnetic field is chosen such that the Saturation magnetization of the magnetic core in its axial Direction is safely reached.
  • the composition the alloy 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 Curie temperature is for example between 190 ° C and 270 ° C. This is for technical and economic reasons advantageous because of linearity reasons below the Curie temperature can not be cooled field-free.
  • a Lowering of the Curie temperature is first thereby ensures that the metalloid content, i. the proportion of Si and B is raised, with the saturation induction simultaneously also decreases. If, however, Mn additives within the added areas discussed, so can a lowering of the Curie temperature while maintaining the saturation induction be achieved.
  • the choice of the composition of the alloy takes into account that the saturation induction of the magnetic core as big as possible. This is advantageous because at large Saturation induction of the linearity range is extended and so that a higher current can be measured reliably, before reaching saturation and thereby the linearity of the Current image is destroyed.
  • the saturation induction is around the larger, the larger the ratio of Co, Fe, Mn to the rest the alloy is. At the same time it takes the Crystallization temperature from.
  • amorphous, ferromagnetic alloys having a magnetostriction value
  • the alloy having a composition consisting essentially of the formula Co a (Fe 1-x Mn x ) b Ni c X d Si e B f C g where X is at least one of V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ge and P, a to g are in atomic% and where a, b, c, d, e, f, g and x meet the following conditions: 63 ⁇ a ⁇ 73; 3 ⁇ b ⁇ 10; 0 ⁇ c ⁇ 5; 0 ⁇ d ⁇ 3; 12 ⁇ e ⁇ 19; 7 ⁇ f ⁇ 20; 0 ⁇ g ⁇ 3 with 20 ⁇ d + e + f + g ⁇ 30 and x ⁇ 0.5.
  • a further improvement can be achieved with current transformers containing as transducer core material amorphous, ferromagnetic alloys of the above type, in which a, b, c satisfy the following condition: 68 ⁇ a + b + c ⁇ 75.
  • alloy systems are characterized by very linear, extremely narrow hysteresis loops, wherein a permeability ⁇ 4 > 120000 at a field amplitude H and of 4 mA / cm can be set well with the described method.
  • the alloy systems according to the invention are virtually magnetostriction-free.
  • Such highly linear current transformers are the most achieved highlighted alloy compositions, as with a matched heat treatment, a zero crossing of the Saturation magnetostriction can be adjusted.
  • a zero crossing of the Saturation magnetostriction can be adjusted.
  • the saturation induction can be increased by increasing the proportion of the ferromagnetic elements Co and Fe, but also by Mn compared to the Bacmetalloidgehalt.
  • Si decreases the magnetic moment more than B with only 3 valence electrons. In this way, by a favorable fine-tuning of B to Si, the saturation induction at a constant total metal oxide content can be further increased.
  • 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 achieved by the target temperature.
  • a Saturation magnetostriction By fine tuning the iron content to manganese content can when choosing a suitable target temperature a Saturation magnetostriction can be achieved, the amount thereof is less than 0.1 or even 0.05 ppm. Because of the small Saturation magnetostriction is the one for uniaxial anisotropy Competing disturbance anisotropy particularly small. In order to can also be used for small uniaxial anisotropies A high permeability requirement is a good one Achieve linearity of the hysteresis loop.
  • the magnetic core has no air gap.
  • One Current transformer with a magnetic core without air gap has a particularly high immunity to external Foreign magnetic fields without additional shielding on.
  • the magnetic core is for example a closed, air-gapless toroid, oval core or rectangular core. has the band, as in the case of the toroidal one Rotational symmetry axis, so is the anisotropy axis parallel to the rotational symmetry axis.
  • the permeability has proven to be a favorable area for the Tape thickness of the tape has a thickness d ⁇ 26 microns proven.
  • a band thickness d ⁇ 15 microns has been found. at the alloys according to the invention can be characterized by the surface-related proportion of the disturbance anisotropies surprising strongly lower.
  • the tape is wrapped at least before winding one of its two surfaces with the electric provided insulating layer.
  • the tape is wrapped at least before winding one of its two surfaces with the electric provided insulating layer.
  • a dipping, Continuous flow, spray or electrolysis on strip used.
  • the wound magnetic core is heated before heating subjected the target temperature of a dip insulation, so that provided the tape with the electrically insulating layer becomes.
  • a dipping method exposed to negative pressure is particularly advantageous.
  • the alloys in question have oxides, Acrylates, phosphates, silicates and chromates of the elements Calcium, magnesium, aluminum, titanium, zirconium, hafnium, Silicon as an effective and compatible insulator exposed.
  • Particularly effective is magnesium, which as a liquid magnesium-containing precursor to the Band surface is applied and during a special, not influencing the alloy Heat treatment in a dense magnesium-containing layer whose thickness D can be between 25 nm and 3 ⁇ m. At the temperatures of the above Magnetic field heat treatment then creates the actual Insulator layer of magnesium oxide.
  • the secondary winding of the current transformer can be a number of turns which is less than or equal to 2200.
  • the Primary winding of the current transformer can be a number of turns which is equal to three.
  • the current transformer can be used for be designed a primary current that is less than or equal to 20A is.
  • the heating to the target temperature takes place as possible fast.
  • the heating is carried out on the Target temperature at a rate between 1 to 15 K / min.
  • the magnetic core is for example between 0.25 and 4 Hours kept at the target temperature to one as possible good balance of mechanical stresses. This time can be shorter, the higher the Target temperature is.
  • the cooling between the relaxation temperature and the Curie temperature is also as fast as possible, e.g. at rates of 0.5 - 10 K / min. It regulates the cooling rate the proportion of the free volume and thus the atomic Alignment capability, which at lower temperatures to Adjustment of anisotropy is available.
  • the perpendicular to the direction of the belt is in the applied field, at 0.1 - 5 K / min cooled. This cooling rate is chosen so that under the driving force of the magnetic field through the atomic Reorientation a uniaxial anisotropy of the desired Size arises. Since this uniaxial anisotropy is reciprocal to Permeability is high with high cooling rates Adjust permeability.
  • amorphous ribbon from a melt by itself known rapid solidification technology for example, in DE 37 31 781 C1 is described.
  • the amorphous Alloy tape is then tension-free to the magnetic core wound. It is to reduce the disturbance anisotropies Preferably to proceed so that the band a small Surface roughness has.
  • the heat treatment is carried out so that the value of the saturation magnetostriction ⁇ s during the heat treatment changes in the positive direction by an amount dependent on the alloy composition until it is in the range
  • the magnetic core thus treated is finally solidified, e.g. by soaking, coating, wrapping with suitable Plastic materials and / or encapsulation and with each provided at least the secondary winding of the current transformer.
  • Figure 6 is not to scale and shows for better Clarity only a few turns.
  • the magnetic core M Subjected to heat treatment.
  • the magnetic core M at a rate of about 420 K / h within an hour heated to a target temperature of about 458 ° C and there about 1.5 h held.
  • a cooling at a rate from about 120 K / h within about two hours to about 220 ° C and at a rate of about 60 K / h within about three Hours to room temperature. Cooling at the rate of 60 K / h was done in a transverse magnetic field parallel to a rotational symmetry axis of the magnetic core M.
  • there An anisotropy axis A formed parallel to the magnetic field along which the magnetization of the magnetic core M aligns particularly easily (see Figure 6).
  • the current transformer had a mean phase error ⁇ of 0.19 ° and thereby a 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 at a field amplitude H and of 4 mA / cm at 192000.

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Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Magnetkerns für einen Stromwandler, 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 strom- 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: Iideal sec = -Iprim * (Nprim / Nsec)
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: Amplitudenfehler : F(I) = Ireal sec - Iideal sec Iideal sec ; Phasenfehler : ϕ = (Ireal sec)-(-Iprim)
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 die Verwendung eines Magnetkerns für einen Stromwandler die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Magnetkern aus einem gewickelten Band aus einer amorphen ferromagnetischen Legierung besteht, eine Sättigungspermeabilität aufweist, die größer als 20.000 und kleiner als 300.000 ist, eine Sättigungsmagnetostriktion 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, in der eine Mittellinie des Bandes verläuft, d.h. die senkrecht zur Richtung des gewickelten Bandes 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.
Die Permeabilität bezieht sich auf eine angelegte Feldstärke, die in der Ebene liegt, in 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 µ15/µ4 < 1,1 und ein Permeabilitätsverhältnis µ10/µ0,5 < 1,25, wobei µ0,5, µ4, µ10 und µ15 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 Sättigungsmagnetostriktion 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 Linearität der Hystereseschleife läßt 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 führt, daß bei zugleich hoher Sättigungspermeabilität eine für eine gute Linearität der Hystereseschleife ausreichend hohe Anisotropie erzielt wird. Durch die beschriebene Eliminierung von Magnetostriktion und Spannung wird es möglich, trotz sehr kleiner Werte der uniaxialen Anisotropie hochlineare Hystereseschleifen mit sehr hohen Permeabilitäten zu erzeugen. Je länger die Abkühlung im Magnetfeld dauert, um so kleiner ist die Sättigungspermeabilität und um so höher 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 größer wird die uniaxiale Anisotropie, aber um so niedriger wird die Permeabilität.
Die im Magnetfeld ablaufenden Ausrichtungsvorgänge hängen von der Temperatur in zweifacher Weise ab. Je höher die Temperatur ist, um so beweglicher sind die atomaren Bereiche und um so leichter richten sie sich aus. Je tiefer die Temperatur ist, um so größer ist die treibende Kraft des Magnetfeldes auf die magnetischen Dipolmomente der atomaren Bereiche, das heißt, um so stärker 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 Linearität 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 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 Linearitätsbereich 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(Fe1-xMnx)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 and von 4 mA/cm mit dem beschriebenen Verfahren gut einstellbar ist.
Die erfindungsgemäßen Legierungssysteme sind nahezu magnetostriktionsfrei. Die Magnetostriktion wird vorzugsweise durch eine Wärmebehandlung eingestellt, so daß lineare Hystereseschleifen mit einem aufgrund der hohen Sättigungsinduktion 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 hochlinearen Stromwandler werden bei den besonders hervorgehobenen Legierungszusammensetzungen erreicht, da mit einer angepaßten Wärmebehandlung ein Nulldurchgang der Sättigungsmagnetostriktion eingestellt werden kann. Zusätzlich kann ausgenutzt werden, daß bei der üblichen Wärmebehandlung zur Eigenschaftseinstellung die Temperaturabhängigkeit der Permeabilität im oder sehr nahe am Nulldurchgang liegt.
Aufgrund der hohen Sättigungsinduktion können sehr hohe Ströme gemessen werden, bevor die Sättigung erreicht und dadurch die Linearität 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 Sättigungsinduktion erzielt werden. Dabei läßt sich die Sättigungsinduktion durch Erhöhung des Anteils der ferromagnetischen Elemente Co und Fe, aber auch durch Mn gegenüber dem Gesamtmetalloidgehalt erhöhen. Darüber hinaus senkt Si aufgrund seiner 4 Valenzelektronen das magnetische Moment stärker ab als B mit nur 3 Valenzelektronen. Auf diese Weise läßt sich durch eine günstige Feinabstimmung von B zu Si die Sättigungsinduktion bei konstantem Gesamtmetalloidgehalt weiter erhöhen. Die mit sinkendem Metalloidgehalt negativer werdende Magnetostriktion muß dann allerdings wieder über 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 in Konkurrenz stehende Störanisotropie besonders klein. Damit läßt sich auch bei kleinen uniaxialen Anisotropien, die für eine hohe Permeabilität Voraussetzung sind, eine gute Linearität der Hystereseschleife erreichen.
Vorzugsweise weist der Magnetkern keinen Luftspalt auf. Ein Stromwandler mit einem Magnetkern ohne Luftspalt weist eine besonders hohe Immunität gegenüber externen Fremdmagnetfeldern ohne zusätzliche Abschirmmaßnahmen auf. Der Magnetkern ist beispielsweise ein geschlossener, luftspaltloser Ringkern, 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 günstiger 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 erfindungsgemäßen Legierungen läßt sich hierdurch der oberflächenbedingte Anteil der Störanisotropien überraschend stark absenken.
Besonders kleine Koerzitivfeldstärken und damit eine besonders gute Linearität der Hystereseschleife wird erzielt, wenn das Band zumindest an einer Oberfläche 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 Oberflächen mit der elektrisch isolierenden Schicht versehen. Hierfür wird je nach Anforderung an die Güte der isolierenden Schicht, ein 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 ein Tauchverfahren bei Unterdruck herausgestellt.
Bei der Auswahl des isolierenden Mediums ist darauf zu achten, daß dieses einerseits auf der Bandoberfläche gut haftet, andererseits keine Oberflächenreaktion verursacht, die zu einer Schädigung der Magneteigenschaften führen kann. Bei den hier in Rede stehenden Legierungen haben sich Oxide, Acrylate, Phosphate, Silikate und Chromate der Elemente Calzium, Magnesium, Aluminium, Titan, Zirkonium, Hafnium, Silizium als wirkungsvolle und verträgliche Isolatoren herausgestellt. Besonders effektiv ist dabei Magnesium, welches als flüssiges magnesiumhaltiges Vorprodukt auf die Bandoberfläche aufgebracht wird und sich während einer speziellen, die Legierung nicht beeinflussenden Wärmebehandlung in eine dichte magnesiumhaltige Schicht umwandelt, deren Dicke D zwischen 25 nm und 3 µm liegen kann. Bei den Temperaturen der oben beschriebenen Magnetfeldwärmebehandlung entsteht dann die eigentliche Isolatorschicht aus Magnesiumoxid.
Die Sekundärwicklung des Stromwandlers kann eine Windungszahl aufweisen, die kleiner oder gleich 2200 ist. Die Primärwicklung des Stromwandlers kann eine Windungszahl aufweisen, die gleich drei ist. Der Stromwandler kann für einen Primärstrom ausgelegt sein, der kleiner oder gleich 20A beträgt.
Das Erhitzen auf die Zieltemperatur erfolgt möglichst schnell. Beispielsweise erfolgt das Erhitzen auf die Zieltemperatur mit einer Rate zwischen 1 bis 15 K/min.
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 kürzer sein, je höher 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/min. Dabei reguliert die Abkühlrate den Anteil des freien Volumens und damit der atomaren Ausrichtungsfähigkeit, der bei tieferen Temperaturen zur Einstellung der Anisotropie zur Verfügung steht. Nach Erreichen der Curie-Temperatur wird im angelegten Feld, das senkrecht zur Richtung des Bandes steht, mit 0,1 - 5 K/min abgekühlt. Diese Abkühlrate wird so gewählt, daß unter der treibenden Kraft des magnetischen Feldes durch die atomare Reorientierung eine uniaxiale Anisotropie der gewünschten Größe entsteht. Da diese uniaxiale Anisotropie reziprok zur Permeabilität ist, läßt sich mit hohen Abkühlraten eine hohe Permeabilität einstellen.
Soll jedoch zur Linearisierung der Hystereseschleife oder zur Erhöhung der Anisotropiefeldstärke eine etwas höhere magnetfeldinduzierte uniaxiale Anisotropie eingestellt werden, so kann unterhalb der Curie-Temperatur ein 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 Ausrichtungsvorgänge noch schnell genug abläuft. Je nach Wirkung kann die Länge des Temperaturplateaus bei angelegtem Magnetfeld zwischen 0,1 und 24 h betragen.
Zur Herstellung des Magnetkerns wird beispielsweise zunächst ein amorphes Band aus einer Schmelze mittels der an sich bekannten Rascherstarrungstechnologie, die beispielsweise in der DE 37 31 781 C1 beschrieben ist, hergestellt. Das amorphe Legierungsband wird anschließend spannungsfrei zum Magnetkern gewickelt. Dabei ist zur Verringerung der Störanisotropien vorzugsweise so zu verfahren, daß das Band eine geringe Oberflächenrauheit aufweist.
Die Wärmebehandlung wird so vorgenommen, daß sich der Wert der Sättigungsmagnetostriktion λs während der Wärmebehandlung um einen von der Legierungszusammensetzung abhängigen Betrag in 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 Bespülung des Magnetkerns mit einem reduzierenden oder wenigstens passiven Schutzgas erfolgen, so daß an der Bandoberfläche weder Oxidationen noch andere Reaktionen auftreten können, abgesehen von den in gewissen Fällen zulässigen selbstpassivierenden und gleichzeitig auch elektrisch isolierenden äußerst dünnen Metalloid-Oxidschichten.
Der so behandelte Magnetkern wird schließlich verfestigt, z.B. durch Tränken, Beschichten, Umhüllen mit geeigneten Kunststoffmaterialien und/oder Verkapselung und mit jeweils mindestens der Sekundärwicklung des Stromwandlers versehen.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher 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 Co67,7Fe3,8Mo1,5Si16,5B10,5 konnte ein Stromwandler mit einer Primärwindungszahl N1 = 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 tatsächlich µ(50 Hz) = 177.000 erreicht. Es wurde also eine günstige Kombination mit hoher Permeabilität und sehr guter Linearität(d.h.|λs|≈0 und |σ|≈0) erzielt.
Die Hystereseschleife war dabei so linear, daß die in Figur 4 dargestellte Aussteuerungsabhängigkeit der Permeabilität annähernd konstant verläuft. Vergleichbare Eigenschaften wurden auch bei Zieltemperaturen von Tσ = 449°C gemessen. Zum Vergleich ist in Figur 4 die Aussteuerungsabhängigkeit der Permeabilität konventioneller Permalloy-Legierungen dargestellt.
Die nach Bewicklung am beschriebenen Stromwandler gemessenen Verläufe von Phasenfehler ϕ und Amplitudenfehler F sind in Figur 5 dargestellt. Dabei zeigt der Vergleich zu konventionellen Permalloy-Legierungen beispielhaft die Vorzüge von Stromwandlern aus magnetostriktionsfreien hochpermeablen Amorphkernen.
Der Stromwandler wies einen mittleren Phasenfehler ϕ von 0,19° und dabei eine Linearität des Phasenwinkels Δϕ über einen Strombereich von 0,1 bis 2 A von weniger als 0,02° auf. Die Permeabilität dieser amorphen wärmebehandelten ferromagnetischen Legierung liegt bei einer Feldamplitude H and 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 AFe = 0,081 cm2.
Ähnlich gute Stromwandler konnten mit Magnetkernen aus folgenden Legierungen hergestellt werden:
  • Co67,62Fe3,7Mo1,5Si16,5B10,68
  • Co68,2Fe3,9Mo1,5Si16,3B10,1
  • Co67,65Fe3,4Mn1,0Si16,75Mo0,2B11,0
  • Co68,3Fe3,4Mn1,0Si16,5Mo0,5B10,3
  • Co68,2Fe4,1Ni1,4Si14,7C0,2B11,4.
    • Im Gegensatz zu diesen Beispielen wurden unter Einsatz einer der bereits beschriebenen Legierung (der Zusammensetzung Co67,7Fe3,8Mo1,5Si16,5B10,5) 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 (20)

    1. Verwendung eines Magnetkerns für einen Stromwandler, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern
      aus einem gewickelten Band (B) aus einer amorphen, ferromagnetischen Legierung besteht,
      eine Sättigungspermeabilität aufweist, die größer als 20000 und kleiner als 300000 ist,
      eine Sättigungsmagnetostriktion aufweist, deren Betrag kleiner als 0,5 ppm ist,
      im wesentlichen frei von mechanischen Spannung ist,
      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, und
      die Legierung eine Zusammensetzung aufweist, 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.
    2. Verwendung nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, 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. Verwendung nach Anspruch 2,
      dadurch gekennzeichnet, daß a, b und c die folgenden Bedingungen erfüllen: 68 ≤ a + b + c ≤ 75.
    4. Verwendung nach Anspruch 3,
      dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der Sättigungsmagnetostriktion kleiner als 0,1 ppm ist.
    5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
      dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern (M) eine Sättigungsmagnetisierung Bs von 0,5 bis 0,7 T aufweist.
    6. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
      dadurch gekennzeichnet, daß das Band (B) eine Dicke d von 15 µm ≤ d ≤ 26 µm aufweist.
    7. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
      dadurch gekennzeichnet, daß das Band (B) zumindest an einer Oberfläche mit einer elektrisch isolierenden Schicht (S) versehen ist.
    8. Verwendung nach Anspruch 7,
      dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch isolierende Schicht (S) eine Schicht aus Magnesiumoxid vorgesehen ist.
    9. Verwendung nach Anspruch 8,
      dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Schicht (S) eine Dicke D von 25 nm ≤ D ≤ 1µm aufweist.
    10. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      er als ein geschlossener, luftspaltloser Ringkern, Ovalkern oder Rechteckkern ausgestaltet ist.
    11. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      das Verhältnis seines mechanischen elastischen Spannungstensors multipliziert mit der Sättigungsmagetostriktion zu seiner uniaxialen Anisotropie kleiner 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 ein Bürdenwiderstand parallel geschaltet ist und der den Sekundärstromkreis niederohmig abschließt, besteht.
    13. Stromwandler nach Anspruch 12,
      dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung eine Windungszahl Nsec ≤ 2200 aufweist, wobei die Primärwicklung eine Windungszahl Nprim = 3 aufweist und der Stromwandler für einen Primärstrom Iprim < 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 ein 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/min 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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