WO1998028758A1 - Verfahren zum herstellen von bandkernbändern sowie induktives bauelement mit bandkern - Google Patents

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Giselher Herzer
Kurt Emmerich
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Definitions

  • the invention relates to an inductive component with a band core, which is wound from an amorphous ferromagnetic alloy, and a manufacturing method for band core bands made from amorphous ferromagnetic material.
  • amorphous ferromagnetic alloys In order to achieve good soft magnetic properties, almost magnetostriction-free, amorphous ferromagnetic alloys must also be subjected to heat treatment. Typically, these are annealed in a magnetic field in order to selectively set a flat B-H loop.
  • the latter is done on completely wound strip cores, because the amorphous material usually embrittles during tempering and the internal mechanical stresses required for the highest permeabilities, which are caused by the manufacture and also result from the winding of the strip core, can take place.
  • the invention is therefore based on the object of further developing this production method for ribbon core tapes made of amorphous ferromagnetic material, so that ribbon cores, in particular for toroidal ribbon cores, and inductive components produced therefrom can be produced with little effort and in which substantially higher permeabilities and thereby can be produced improved magnetic properties can be achieved.
  • this object is achieved with a
  • the amorphous ferromagnetic tape is subjected to a heat treatment in a magnetic field transverse to the tape direction in the passage, the throughput speed being selected such that the amorphous ferromagnetic tape is heated to a temperature of 250 ° C. for a heat treatment time of 0.5 sec ⁇ t ⁇ 60 sec T ⁇ 450 ° C is heated.
  • the tape core tapes are cut to length from the heat-treated amorphous ferromagnetic tape.
  • the manufacturing method according to the invention can be carried out with the lowest possible energy.
  • ductile, amorphous core tapes with flat B-H loops can be produced, which are very linear up to their saturation range and have a permeability range between approximately 2000 and 15000.
  • tape cores, in particular toroidal tape cores can be produced therefrom, which have a winding diameter d ⁇ 10 mm, without the magnetic properties being significantly impaired.
  • the continuous heat treatment does not require any protective gas, and exposure to air is particularly advantageous, since the thin oxidation layer that forms on the tape core tapes supports the required electrical tape layer insulation.
  • Very good strip core tapes can be achieved at throughput speeds which are set such that the amorphous ferromagnetic tape is heated to a temperature of 300 ° C. ⁇ T ⁇ 400 ° C. for a heat treatment time t ⁇ 30 sec.
  • the proportion of iron and / or manganese in the alloy is set such that the amorphous ferromagnetic band has a saturation magnetostriction ⁇ s ⁇ 0.1 ppm, preferably ⁇ ⁇ ⁇ 0.05 ppm, after the heat treatment.
  • the band core is accordingly made of a ductile, heat-treated
  • Band core tape wound from an amorphous ferromagnetic alloy the amorphous ferromagnetic alloy being a Saturation magnetostriction ⁇ s ⁇ 0.1 ppm and a flat B-H loop, which is as linear as possible up to the saturation range.
  • the amorphous ferromagnetic alloy is a cobalt-based alloy which contains molar proportions of iron and / or manganese between 1 and 10 atom% of the alloy.
  • the tape core tape is therefore heat-treated before winding, and the tape cores can be easily wound due to the ductility achieved.
  • the band cores can have an average diameter d ⁇ 50mm, even an average diameter d ⁇ 10mm.
  • inductive components can be produced which have toroidal cores.
  • Figure 2 shows the relative elongation at break ⁇ F after the
  • FIG. 3 shows anisotropy field strength H A , average permeability level ⁇ and saturation magnetostriction ⁇ s of a band core band according to the invention after continuous heat treatment in the transverse field as a function of the heat treatment temperature T a ,
  • FIG. 4 anisotropy field strength H A , average permeability level ⁇ and
  • Toroidal tape cores with dimensions 22xl ⁇ x ⁇ mm and 12x8x6mm made of cross-field treated in continuous
  • Figure 6 amplitude permeabilities at 50 Hz, measured on toroidal tape cores of dimensions 22x16x6mm and 12x8x ⁇ mm from cross-field treated in the run
  • FIG. 7 shows the changes in the saturation magnetostriction ⁇ s of two band core tapes according to the invention after continuous heat treatment in the transverse field as a function of the heat treatment temperature T a .
  • the amorphous ferromagnetic tapes were cast from a melt by means of rapid solidification and then heat-treated in a 40 cm long cross-field furnace at a throughput speed of 1.6 m / minute at different temperatures.
  • the magnetic field of approx. 159-200 A / m applied perpendicular to the strip direction and in the strip plane during the heat treatment was generated by a permanent magnet yoke of approx. 40 cm in length, which is located in the continuous furnace.
  • Figure 1 shows the typical temperature profile of the continuous furnace.
  • the length of the homogeneous temperature zone was approx. 15 to 20 cm, which means that the above flow rate corresponds to an effective heat treatment time of approx. 7 seconds.
  • the throughput speed could be increased to approx. 10 to 20m / minute.
  • toroidal tape cores with the dimensions 22 ⁇ 16 ⁇ 6 mm and 12 ⁇ 8 ⁇ 6 mm were wound from the strip, which had been heat-treated at 350 ° C., in order to check to what extent the winding tensions influence the properties of the material.
  • the ductility of the heat-treated material was also determined by buckling and tear tests. As can be seen in FIG. 2, embrittlement only sets at a relatively high rate in the heat treatment time selected
  • FIG. 5 shows the B-H loops of the toroidal cores wound from the heat-treated band core band.
  • the amplitude permeability of the toroidal cores is shown in FIG. 6.
  • FIG. 7 shows the course of the change in the magnetostriction after the heat treatment for the two alloys examined.
  • the magnetostriction adjustment must be carried out more precisely than with the material that is only heat-treated after the winding of the ring band cores. It is optimal that after the

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Abstract

Es wird ein neues Herstellverfahren für Bandkernbänder aus amorphem ferromagnetischem Material vorgeschlagen, bei dem zuerst ein amorphes ferromagnetisches Band aus einer Kobaltbasislegierung, die Zusätze an Eisen und/oder Mangan in einen Anteil zwischen 1 und 10 Atom % der Legierung enthält, aus einer Schmelze mittels Rascherstarrung gegossen wird. Das amorphe ferromagnetische Band wird danach in einem Magnetfeld quer zur Bandrichtung im Durchlauf einer Wärmebehandlung unterzogen. Nach Ablängen der Bandkernbänder von dem wärmebehandelten amorphen ferromagnetischen Band werden Bandkerne, vorzugsweise Ringbandkerne, gewickelt. Mit diesen Bandkernen können induktive Bauelemente hergestellt werden, die exzellente magnetische Eigenschaften aufweisen, insbesondere sind induktive Bauelemente herstellbar, deren Ringbandkerne einen mittleren Durchmesser d≤10mm aufweisen.

Description

Verfahren zum Herstellen von Bandkernbändern sowie induktives Bauelement mit Bandkern
Die Erfindung betrifft ein induktives Bauelement mit einem Bandkern, der aus einer amorphen ferromagnetischen Legierung gewickelt ist, sowie ein Herstellverfahren für Bandkernbänder aus amorphen ferromagnetischem Material.
Um gute weichmagnetische Eigenschaften zu erzielen, müssen auch nahezu magnetostriktionsfreie, amorphe ferromagnetische Legierungen einer Wärmebehandlung unterworfen werden. Typischerweise werden diese dabei in einem Magnetfeld getempert, um gezielt eine flache B-H-Schleife einzustellen.
Letzteres geschieht nach dem Stand der Technik an fertig gewickelten Bandkernen, weil bei der Temperung in der Regel eine Versprödung des amorphen Materials eintritt und der für höchste Permeabilitäten erforderliche Abbau innerer mechanischer Spannungen, die herstellbedingt sind und auch vom Wickeln des Bandkerns herrühren, erfolgen kann.
Eine Möglichkeit, im Magnetfeld wärmebehandelte, amorphe ferromagnetische Bandkernbänder herzustellen, bietet die stationäre Wärmebehandlung der zu Liefercoils gewickelten Bandkernbänder in sogenannten Querfeldöfen. Diese Methode ist jedoch hinsichtlich einer guten Reproduzierbarkeit sehr kritisch. So müssen angesichts der großen Materialmengen relativ lange Anlaßzeiten von mehreren Stunden, im Extremfall bis zu Tagen, durchgeführt werden, um eine gleichmäßige Durchwärmung der Liefercoils zu gewährleisten. Aufgrund der langen Anlaßzeiten muß hierbei bei relativ niedrigen Temperaturen im Bereich von ca. 200°C < T < 250°C gearbeitet werden, um eine thermische Versprödung des Materials auszuschließen. Dadurch ist aber der Variabilitätsbereich der einstellbaren magnetischen Eigenschaften sehr stark eingeschränkt, was insbesondere die erreichbaren Permeabilitäten betrifft. Aus der DE 33 24 729 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung einer amorphen magnetischen Legierung mit hoher Permeabilität bekannt, bei dem mittels rascher Starrung ein Band aus einer amorphen magnetischen Kobalt-/Basis-Legierung, die einen Stoffmengenanteil an Eisen von 5% aufweist, hergestellt wird, und bei dem das amorphe magnetische Band in einem Magnetfeld quer zur Bandrichtung im Durchlauf einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, dieses Herstellverfahren für Bandkernbänder aus amorphem ferromagnetischem Material weiter zu entwickeln, so daß mit geringem Aufwand wirtschaftlich und energiesparend Bandkerne, insbesondere zu Ringbandkerne, und daraus hergestellte induktive Bauelemente hergestellt werden können, bei denen wesentlich höhere Permeabilitäten und dadurch verbesserte magnetische Eigenschaften erzielt werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem
Herstellverfahren gelöst, welches durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:
a) Es wird ein amorphes ferromagnetisches Band aus einer Kobaltlegierung, die Zusätze an Eisen und/oder Mangan in einem Stoffmengenanteil zwischen 1 und 10 % der Legierung enthält, aus einer Schmelze mittels Rascherstarrung gegossen;
b) Das amorphe ferromagnetische Band wird in einem Magnetfeld quer zur Bandrichtung im Durchlauf einer Wärmebehandlung unterzogen, wobei die Durchlaufgeschwindigkeit so gewählt wird, daß das amorphe ferromagnetische Band für eine Wärmebehandlungszeit 0,5 sec < t < 60 sec auf eine Temperatur 250°C < T < 450°C erwärmt wird. c) Die Bandkernbänder werden von dem wärmebehandelten amorphen ferromagnetischen Band abgelängt .
Das erfindungsgemäße Herstellverfahren läßt sich mit geringstmöglicher Energie durchführen. Es lassen sich auf diese Weise duktile, amorphe Bandkernbänder mit flachen B-H- Schleifen herstellen, die bis in ihren Sättigungsbereich sehr stark linear verlaufen, und einen Permeabilitätsbereich zwischen etwa 2000 und 15000 aufweisen. Aufgrund der Möglichkeit eines präzisen Abgleichs der Magnetostriktion können hieraus Bandkerne, insbesondere Ringbandkerne, hergestellt werden, die einen Wickeldurchmesser d < 10mm aufweisen, ohne daß es zu einer nennenswerten Beeinträchtigung der magnetischen Eigenschaften kommt.
Ferner erfordert die Wärmebehandlung im Durchlauf kein Schutzgas, insbesondere ist die Exposition an Luft sogar von Vorteil, da die entstehende dünne Oxidationsschicht auf den Bandkernbändern die erforderliche elektrische Bandlagenisolation unterstützt.
Ganz besonders gute Bandkernbänder lassen sich bei Durchlaufgeschwindigkeiten erzielen, die so eingestellt sind, daß das amorphe ferromagnetische Band für eine Wärmebehandlungszeit t < 30 sec auf eine Temperatur 300°C < T < 400°C erwärmt wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Anteil an Eisen und/oder Mangan in der Legierung so eingestellt, daß das amorphe ferromagnetische Band nach der Wärmebehandlung eine Sättigungsmagnetostriktion λs < 0,1 ppm, vorzugsweise λΞ < 0,05 ppm, aufweist.
Bei dem erfindungsgemäßen induktiven Bauelement ist der Bandkern demnach aus einem duktilen, wärmebehandelten
Bandkernband aus einer amorphen ferromagnetischen Legierung gewickelt, wobei die amorphe ferromagnetische Legierung eine Sättigungsmagnetostriktion λs < 0,1 ppm sowie eine flache B- H-Schleife aufweist, die bis in den Bereich der Sättigung möglichst linear verläuf . Die amorphe ferromagnetische Legierung ist dabei eine Kobaltbasislegierung, die Stoffmengenanteile an Eisen und/oder Mangan zwischen 1 und 10 Atom% der Legierung enthält. Das Bandkernband wird also vor der Wicklung wärmebehandelt und aufgrund der erzielten Duktilität können die Bandkerne problemlos gewickelt werden.
In Abhängigkeit von der angestrebten Qualität und der gewünschten Einsatzmöglichkeit des induktiven Bauelements können die Bandkerne einen mittleren Durchmesser d < 50mm, ja sogar einen mittleren Durchmesser d < 10mm aufweisen.
Insbesondere sind induktive Bauelemente herstellbar, die Ringbandkerne aufweisen.
Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und nachstehend im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 das typische Temperaturprofil eines zur Herstellung verwendeten Durchlaufofens mit der Solltemperatur von 350°C,
Figur 2 die relative Bruchdehnung εF nach der
DurchlaufWärmebehandlung als Funktion der
Wärmebehandlungstemperatu ,
Figur 3 Anisotropiefeldstärke HA, mittleres Permeabilitätsniveau μ und Sättigungsmagnetostriktion λs eines erfindungsgemäßen Bandkernbandes nach Durchlaufwärmebehandlung im Querfeld als Funktion der Wärmebehandlungstemperatur Ta, Figur 4 Anisotropiefeldstärke HA, mittleres Permeabilitätsniveau μ und
Sättigungsmagnetostriktion λs eines weiteren erfindungsgemäßen Bandkernbandes nach Wärmebehandlung im Querfeld als Funktion der
Wärmebehandlungstemperatur Ta,
Figur 5 quasistatische B-H-Schleifen gemessen an
Ringbandkernen der Abmessungen 22xlβxβmm und 12x8x6mm aus im Durchlauf querfeldbehandelten
Bandkernbändern,
Figur 6 Amplitudenpermeabilitäten bei 50 Hz, gemessen an Ringbandkernen der Abmessungen 22x16x6mm und 12x8xβmm aus im Durchlauf querfeldbehandelten
Bandkernbändern und
Figur 7 die Änderungen der Sättigungsmagnetostriktion λs zweier erfindungsgemäßer Bandkernbänder nach Durchlauf ärmebehandlung im Querfeld als Funktion der Wärmebehandlungstemperatur Ta.
Untersucht wurden je zwei Chargen der Legierungen VC6030 und VC6150B60 mit einer Bandbreite von 6mm und einer Banddicke von ca. 20um. Die Zusammensetzung der Legierungen und ihre magnetischen Kenngrößen im Herstellzustand sind der Tabelle 1 zu entnehmen.
Tabelle 1 Nominelle Zusammensetzung, Banddicke, Sättigungsinduktion ßΞ und Sättigungsmagnetostriktion λs (im Herstellzustand) der untersuchten Chargen.
Legierung (Stoffmengen- Dicke S, λ. Bezeichnung Zusammensetzung antell in%) Charge (μm) (T) (IQ-8) VC 6030 D30 Cθ7i .8Fe1.2Mn4MθιSii3B9 E 4405 17 . 0 0 . 807 - 17 . 3
201-1559 17.6 0.821 -10.8
VC 6150 B60 Cθ72.5Feι .sMn4Si5Bι.7 201 - 481 20 . 2 0 . 987 - 15 . 2
E 4286 18 . 2 0 . 975 + 8 . 8
Die amorphen ferromagnetischen Bänder wurden aus einer Schmelze mittels Rascherstarrung gegossen und danach in einem ca. 40cm langen Querfeldofen im Durchlauf mit einer Durchlaufgeschwindigkeit von l,6m/Minute bei verschiedenen Temperaturen wärmebehandelt . Das während der Wärmebehandlung senkrecht zur Bandrichtung und in Bandebene anliegende Magnetfeld von ca. 159-200 A/m wurde durch ein Dauermagnetjoch von ca. 40cm Länge erzeugt, welches sich in dem Durchlaufofen befindet.
Die Figur 1 zeigt das typische Temperaturprofil des Durchlaufofens . Die Länge der homogenen Temperaturzone betrug ca. 15 bis 20cm, womit die obige Durchlaufgeschwindigkeit einer effektiven Wärmebehandlungszeit von ca. 7 Sekunden entspricht. Durch Verkürzung der Anlaßzeit und Verwendung eines ähnlich konstruierten 2m langen Ofens konnte die Durchlaufgeschwindigkeit auf ca. 10 bis 20m/Minute erhöht werden .
An dem querfeldbehandelten Band wurde die Sättigungsmagnetostriktion λs und die B-H-Schleife im gestreckten Zustand gemessen. Ausgewertet wurde die Anisotropiefeldstärke HA und entsprechend der Gleichung
μ = Bs / (μ0 HA)
die mittlere Permeabilität μ. Aus dem bei 350°C wärmebehandelten Band wurden nach Ablängen der Bandkernbänder Ringbandkerne mit den Abmessungen 22xl6xβmm und 12x8x6mm gewickelt, um zu überprüfen, inwieweit die Wickelspannungen die Eigenschaften des Materials beeinflussen.
Ferner wurde die Duktilität des wärmebehandelten Materials durch Knick- und Reißtests ermittelt. Wie der Figur 2 zu entnehmen ist, setzt bei der gewählten Wärmebehandlungszeit eine Versprödung erst bei relativ hohen
Wärmebehandlungstemperaturen um 380°C ein. Damit kann problemlos eine erhöhte Wärmebehandlungstemperatur gewählt werden, was zu einer genügenden Spannungsrelaxation und zu einer schnellen Kinetik der Einstellung der induzierten Anisotropie führt.
Wie den Figuren 3 und 4 zu entnehmen ist, ergibt sich prinzipiell der Effekt, daß die Permeabilität durch die Wahl der LegierungsZusammensetzung und der Wärmebehandlungsparameter nach Wunsch eingestellt werden kann.
Die Figur 5 zeigt die B-H-Schleifen der aus dem wärmebehandelten Bandkernband gewickelten Ringbandkerne. Die Amplitudenpermeabilität der Ringbandkerne ist in der Figur 6 dargestellt .
Insbesondere ergibt sich, daß schon bei kleinen Kernabmessungen von 12x8mm sehr flache und lineare B-H- Schleifen erhältlich sind, welche von den auftretenden Wickelspannungen nahezu unbeeinflußt sind.
Lediglich bei mangelhaft abgeglichener Magnetostriktion und erhöhtem Permeabilitätsniveau von μ > 10000 ist., wie der Figur 5 zu entnehmen ist, aufgrund der Wickelspannungen eine Verrundung der B-H-Schleifen zu beobachten. Zur Vermeidung des Einflusses der Wickelspannungen ist es demnach wichtig, die nach der Wärmebehandlung vorhandene Sättigungsmagnetostriktion möglichst gut auf Null abzugleichen. Dazu muß im Herstellzustand ein bestimmter, leicht negativer Wert von λs eingestellt werden, welcher bei gegebenem Wärmebehandlungsparametern legierungsspezifisch ist .
Die Figur 7 zeigt hierzu den Verlauf der Änderung der Magnetostriktion nach der Wärmebehandlung für die beiden untersuchten Legierungen.
Der Magnetostriktionsabgleich muß genauer erfolgen als bei dem Material, das erst nach dem Wickeln der Ringbandkerne wärmebehandelt wird. Optimal ist es, daß nach der
Wärmebehandlung eine Magnetostriktion -2xl0"8 < λs < 2xl0"8 vorliegt. Dadurch lassen sich mit den im Querfeld wärmebehandelten Bandkernbändern Ringbandkerne mit Durchmessern bis unterhalb 10mm und einem Permeabilitätsniveau von etwa 2000 bis 15000 herstellen.

Claims

Patentansprüche
1. Herstellverfahren für Bandkernbänder aus amorphem ferromagnetischen Material, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgende Schritte: a) Es wird ein amorphes ferromagnetisches Band aus einer Kobaltbasislegierung, die Zusätze an Eisen und/oder Mangan in einem Stoffmengenanteil zwischen 1 und 10 % der Legierung enthält, aus einer Schmelze mittels Rascherstarrung gegossen; b) das amorphe ferromagnetische Band wird in einem Magnetfeld quer zur Bandrichtung im Durchlauf einer Wärmebehandlung unterzogen, wobei die Durchlaufgeschwindigkeit so gewählt wird, daß das amorphe ferromagnetische Band für eine Wärmebehandlungszeit 0,5 s < t < 60 s auf eine Temperatur 250° < T < 450°C erwärmt wird; c) die Bandkernbänder werden von dem wärmebehandelten amorphem ferromagnetischen Band abgelängt.
2. Herstellverfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Durchlaufgeschwindigkeit so gewählt wird, daß das amorphe ferromagnetische Band für eine Wärmebehandlungszeit t
< 30 s auf eine Temperatur 300° < T < 400°C erwärmt wird.
3. Herstellverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Anteil an Eisen und/oder Mangan in der Legierung so eingestellt wird, daß das amorphe ferromagnetische Band nach der Wärmebehandlung eine Sättigungsmagnetostriktion | λs1 < 0,1 ppm aufweist .
4. Herstellverfahren 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 Anteil an Eisen und/oder Mangan in der Legierung so eingestellt wird, daß das amorphe ferromagnetische Band nach der Wärmebehandlung eine Sättigungsmagnetostriktion |λs| < 0,05 ppm aufweist.
5. Induktives Bauelement mit einem Bandkern, der aus einem duktilen nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wärmebehandelten Bandkernband aus einer amorphen ferromagnetischen Legierung gewickelt ist, wobei die amorphe ferromagnetische Legierung eine Sättigungsmagnetostriktion Iλ < 0 , lppm sowie eine flache B-H-Schleife aufweist, die bis in den Bereich der Sättigung möglichst linear verläuft, und die amorphe ferromagnetische Legierung eine Kobaltbasislegierung ist, die Stoffmengenanteile an Eisen und/oder Mangan zwischen 1 und 10 % der Legierung enthält.
6. Induktives Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichne , daß der Bandkern einen mittleren Durchmesser d < 50mm aufweist.
7. Induktives Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bandkern einen mittleren Durchmessen d < 10mm aufweist.
8. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bandkern ein Ringbandkern ist.
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