WO2013156010A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von weichmagnetischem streifenmaterial für ringbandkerne - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum herstellen von weichmagnetischem streifenmaterial für ringbandkerne Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a soft magnetic strip material, in particular a procedural ⁇ ren for producing a soft magnetic strip material for rolling strip cores and an apparatus for performing the method.
  • Soft magnetic material comes in various applicatio ⁇ gen used.
  • it is used in wound magnetic cores, so-called ring band cores, which are used, inter alia, in current transformers, power transformers and power chokes as well as magnetic transducer heads or current transformer cores.
  • ring band cores which are used, inter alia, in current transformers, power transformers and power chokes as well as magnetic transducer heads or current transformer cores.
  • the known preparation devices are formed as continuous annealing in general and allow heat treatment of rascherstarrtem magnetic material (hereinafter "web material").
  • web material rascherstarrtem magnetic material
  • the rapidly solidified magnet material is prepared with ⁇ means of a casting process, and then wound into ei ⁇ ner roll, and then as a continuous band in to be introduced, the continuous annealing and processed by this too soft magnetic ⁇ ischenm material.
  • the material is heat-treated and set at the same un ⁇ ter tension to obtain desired magnetic self ⁇ properties of the tape.
  • the US Pat. No. 6,171,408 Bl describes a corresponding production method for toroidal cores, which consist of amorphous ferromagnetic material.
  • the method provides for the gelling of an amorphous ferromagnetic strip, which is subsequently heated by a heated environment. moves and simultaneously exposed to a magnetic field. The speed of movement is so adapted to the heated Conversely ⁇ environment that a defined heating of the strip takes place for a defined period.
  • the apparatus comprises a take-up spindle for receiving a ribbon wrap of amorphous cast strip material.
  • the apparatus further comprises a temperature-controlled tunnel-shaped furnace for producing a nanocrystalline strip from the amorphous strip material and at least one S-shaped unit, which is arranged in front of an entrance of the tunnel-shaped furnace for the strip material and connected to a brake motor, and a tensioning device for adjusting the tensile force in the longitudinal direction of the amorphous strip material.
  • a control device in conjunction with a force measuring device controls the brake motor of the S-shaped unit located in front of the entrance of the tunnel-shaped furnace.
  • a second S-shaped unit is provided, wel ⁇ che is arranged below to an output of the tunnel-shaped furnace and connected to a motor.
  • the device also has a winding mandrel for the nanocrystalline strip produced for producing a magnetic core of nanocrystalline material. With the help of this device, the winding (coil) is unwound on to the mounting spindleconcentrwi ⁇ oped amorphous strip material therefrom and passes through the front of the entrance of the tunnel-shaped furnace is arranged first ⁇ S-shaped unit, then
  • Magnet core is wound.
  • An example of such a wound magnetic core made of nanocrystalline material is also known from US Pat. No. 7,583,172 B2. This is used, inter alia, in current sensors and for this purpose should have the lowest possible permeability for the purpose of adequate measurement accuracy.
  • the known devices and manufacturing methods thus provide for the to be processed amorphous strip material during the heat treatment under tension.
  • an anisotropy can the applied tensile stress induced in the strip material, so that the at therefrom he ⁇ witnessed soft magnetic strip material a pronounced flat hysteresis loop with a defined permeability ⁇ (corresponding to the induced anisotropy) along the train ⁇ stress direction, since in the Under the described manufacturing method achievable permeability level of the applied tensile stress is dependent.
  • the object of the invention is therefore to eliminate the above disadvantages beschrie ⁇ surrounded or at least reduce, in particular a soft magnetic strip material provide a constant as possible during the permeability along a longitudinal path of the strip material.
  • the method further comprises: determining at least one measure of the magnetic erzeug ⁇ th soft magnetic strip material and
  • a provided strip-shaped material in particular amorphous strip-shaped material, is provided, which is subjected to a heat treatment by application of the heat treatment temperature in a subsequent step.
  • the band-shaped material is simultaneously applied to the heat treatment and / or subsequently thereto with the described tensile force in order to generate a tensile stress in the band-shaped material.
  • Via the applied voltage train ⁇ a microstructural change of the material and thus an anisotropy, such as a transverse anisotropy, are induced in the band-shaped material.
  • the tension is adjusted such that the soft magnetic strip material produced by means of the procedural ⁇ proceedings has a ⁇ been coined flat hysteresis loop with a defined Permea ⁇ ⁇ stability in tensile stress.
  • the application of the tensile force can be carried out simultaneously with the heat treatment.
  • the described regulation of the tensile force can then be carried out so as to set the tensile stress to a desired value. It is thus varied by means of the tensile force, the tensile stress, where ⁇ takes place in the control of the tensile force as a function of the ermit ⁇ ted at least one magnetic parameter.
  • the tensile force in the step of controlling the tensile force, is varied such that the tensile stress in the longitudinal direction of the band-shaped material is kept substantially constant at least in sections along the longitudinal direction. Accordingly, the tensile force is comparable changes such that the locally in the ribbon-shaped material mr ⁇ Schende tension can be kept constant.
  • the regulation of the tension can, so a process variably adjustable in the production force in the band, be used to the induced Ansiotropie K u and thus the Permeabi ⁇ formality ⁇ over the strip length constant to keep.
  • the force in the belt is varied, for example, in small increments by a nominal tension value in order to compensate for local influences such as temperature differences, belt thickness fluctuations, slight variations in the throughput speed, changes in the composition of the material and so on.
  • the induced anisotropy Ku and thus the permeability over a DEFINE ⁇ th segment, or even over the entire length of the bandför ⁇ -shaped material can be kept constant by means Regeins the tensile force as a function of a detected magnetic measure for setting a desired tension.
  • the tensile stress only in sections held constant or continuously varied ⁇ means of the described control, it also opens up the possibility, by comparison Changing a corresponding default value to keep the tensile stress in a first section on a first value and in a subsequent second section at a second value constant.
  • a corresponding default value to keep the tensile stress in a first section on a first value and in a subsequent second section at a second value constant.
  • more than two sections with each individually set con ⁇ stant tension value can be provided.
  • Each section can then be used for wrapping an own core and thus cores with different magneti ⁇ rule properties are generated sequentially, for example.
  • the rules of the pulling force comprises an automatic ⁇ ULTRASONIC adjusting the tension by a predefined Sollzugschreibswert.
  • the pulling force introduced ⁇ introduced into the band-shaped material can thus automatically in small steps or continuously around the Sollzugdozensswert in response to a magnetic measurement size can be varied at least to local influences in the band-shaped material, such as Tem ⁇ be temperature variations, strip thickness fluctuations, variations in the throughput speed and / or to compensate for changes in the material composition.
  • a predefined setpoint can likewise be provided only for a defined section of the band-shaped material so that individual tensile stress levels can be assigned to one or more successive sections, whereby the induced anisotropy over the length of the respective section or can selectively adjust the permeability achieved in a wei ⁇ th area.
  • a permeability ⁇ in the range of below 100 to 10000 can be achieved depending on a selected material composition of the strip-shaped material or an alloy used for this purpose.
  • a relatively low permeability ⁇ is particularly advantageous for current transformers, power transmitters, storage chokes and other applications in which the roll ⁇ produced roll core is not to be saturated ferromagnetically, so that an inductance of the roller core does not suffer losses when high electrical currents flow through the windings around the roller core.
  • a range suitable for the above-mentioned applications for ⁇ may be 1500 to 3000, 200 to 1500 or 50 to 200.
  • a permeability range from 200 to 1500 and for Speicherdros clauses ⁇ a permeability range of about 50 to 200 is suitable for power transformers.
  • other ranges of values can also be provided.
  • the described embodiments provide the advantage that sections to specify a combination of the two preceding aspects, namely to keep the tension constant over a wide range and a tensile stress level by ei ⁇ NEN respective Sollzugschreibswert, is made possible. It does not, for example, is sufficient to introduce only a high train ⁇ force in the band-shaped material to achieve a nied ⁇ membered permeability, as the reached Zielpermea ⁇ stability would thus be precisely set only for a specific, localized area of the sheet material. Rather, in addition to the defined tension level very fine and above all trouble-free traction variations must be able to hold the tension, as described, to be able to maintain a constant value.
  • each level can be produced by means of the control according to the invention with very small deviations from the predetermined desired permeability value over the entire strip length or over one or more defined sections.
  • the method may include as an optional step, the applying of the sheet material with a magnetic field (magnetic field treatment), the magnetic treatment may for example take place subsequently or simultaneously to the Wär ⁇ meà.
  • a treatment with more than one magnetic field such as a plurality of magnetic fields, each with a different spatial orientation, are provided.
  • the method may further comprises a step of take-up to the step of determining includes at least a defined portion of the soft magnetic strip material produced ⁇ for generating at least one toroidal tape core below the at least one magnetic measuring size.
  • the erzeug ⁇ te strip material can thus be wound up after the starting voranste ⁇ described steps to one or more toroidal cores. Since by means of the described method, a possible constant or steady permeabilized tucisverlauf on one or more levels is generated, the results with cores, each with a very constant Perme ⁇ abilticiansverotti within the core but also manufactured with low manufacturing tolerances of multiple cores with the same nominal value for the permeability become.
  • the step of winding is controlled in response to the at least one magnetic measurement.
  • This allows, for example, a ge ⁇ targeted winding of defined sections, which are determined by a characterization by means of the determined magnetic parameter. If, for example reached a schenliches under ⁇ permeability level, so a jump detected or generated in the permeability, the winding can be controlled accordingly. So at ⁇ winding a first core can play as canceled and a winding of a new core to begin.
  • the step of winding comprises winding a defined number of tape layers of the produced soft magnetic strip material to produce the at least one ring tape core, wherein defining the number of tape layers in response to the at least one magnetic measurement. This can be found in ⁇ play, the local band thickness and the magnetic cross-sectional area associated therewith for the step of Aufwi- ckelns consideration. It can be determined before the actual winding a number of tape layers and in the
  • each of the cores also has a defined core cross section with a core cross-sectional area in addition to a defined permeability profile over the length of the wound strip material.
  • the band shape not only allows processing of the alloy under tensile stress in a continuous annealing plant described in more detail below, but also the production of roller cores with any number of windings.
  • the size and the magnetic ⁇ properties of a roller conveyor core can be adjusted by an appropriate selection of the number of windings or tape layers to a designated application in a simple manner.
  • the number of band layers can be varied such that a cross-sectional area A K Fei of a first th ring band core and a cross-sectional area A K Fe2 a second ring band core are substantially equal. It can thus be generated any number of annular band cores, each with the same size core cross-sectional area, but at least with a very small deviation of the respective core cross-sectional area.
  • the number of band plies may for example also be varied so as to alter ⁇ natively, or in addition, the permeability of the first annular band ⁇ core and the permeability of the second toroidal tape core essen- sentlichen are equal.
  • the effect of the at least partially kon ⁇ constants permeability and the effect of an equally large core cross-sectional area can be supported by an averaging process in Aufwi- disgusting of the respective core.
  • a defined length for example, several meters
  • Staccoma ⁇ terials away the respectively positive and negative deviations from a predefined desired value.
  • the heat treatment temperature ⁇ and a passing speed of the sheet material in dependence on the respectively selected alloy are selected such that a magnetostriction of the heat-treated in accordance with in a state na- nokristallinen soft magnetic strip material is close to zero.
  • This is considered as a basic condition for winding of the heat-treated soft magnetic strip material has a core, which in itsêtwi- disgusted condition, a similar or even identical permeabilization ⁇ ty has also after the winding process as the unwound strip material.
  • the highest possible anisotropy induced in the production process of the soft magnetic strip material causes the core to be increasingly insensitive to the always constant small additional anisotropies due to the winding stresses.
  • FIG. 1 A corresponding comparison of a hysteresis measured on the unwrapped soft magnetic strip material and a hysteresis determined on the wound roll core is shown in FIG.
  • the strip-shaped material provided as starting material in the context of the described method can be subjected to heat stress under tension in order to produce the desired magnetic properties.
  • the chosen temperature is of great importance, since in dependence on this, the structure of the material is affected. This can be chosen such that the Heat Treatment ⁇ treatment temperature is below a crystallization temperature of the sheet material for maintaining an amorphous state of the sheet material, or that the nickelbe ⁇ treatment temperature is above a crystallization temperature of the sheet material for transferring the band-shaped Material from an amorphous state into a nanocrystalline state.
  • the nanocrystalline state is advantageous for the rolled cores and responsible for the outstanding soft magnetic properties of the produced strip material.
  • a low saturation is achieved with high gungsmagnetostritechnik shett Trentspola ⁇ risation by the nanocrystalline structure.
  • the proposed heat treatment under defined tensile stress results in a suitable magnetic alloy hysteresis with a central linear part.
  • the band-shaped Mate ⁇ material (any) more rapidly solidified magnetic material
  • the ⁇ spielmik comprises at least one component from a group amorphous Co, Co-Fe or Co-Ni and / or Fe, Fe-Ni alloys, wherein Were the ⁇ me awarenessstemperatur is the Co, Co-Fe, Co-Ni alloys below a crystallization temperature and at the Fe, Fe-Ni alloys, the heat treatment temperature above the crystallization temperature.
  • amorphous Co, Ni and / or Fe based alloys can be used as starting materials.
  • an Fe-based alloy can be made
  • M stands for one or more of the elements Mo, Ta or Zr, T for ei ⁇ nes or more of the elements V, Mn, Cr, Co or Ni, Z for one or more of the elements C, P or Ge, where for a , b, c, d, x, y, z are:
  • This alloy is also preferably cast in the form of a strip and has, at least after the heat treatment, a nanocrystalline structure in which at least 50% by volume of the grains of the microstructure have an average size of less than 100 nm.
  • the named alloy preferably also has a hysteresis with a central part, a remanence ratio J r / J s ⁇ 0.1, and a ratio of a coercive field strength H s to an anisotropy field strength H A ⁇ 10%.
  • the latter alloy may be free of niobium and / or copper.
  • the determination of the at least one magnetic measured variable takes place in real time.
  • the band-shaped material or the produced soft-magnetic strips can pass through a production device at full speed without having to interrupt or slow down the process for the determination.
  • the at least one magnetic measuring size can sotropiefeidGood from a group consisting of the magnetic saturation flux, the magnetic tape cross-sectional area A Fe, the ANI, the permeability, the Koerzitivfeidstär ⁇ ke and the Remanentshunt of the soft magnetic ⁇ rule strip material produced are selected. All these measurement ⁇ sizes or the associated magnetic properties of strip material produced in common is that they are dependent on an introduced tensile stress in the material and can therefore be correspondingly Gere by means of the method described ⁇ gel.
  • Win strip material This combination makes it possible to wind from the strip material produced ring band cores with very precisely adjustable permeability values and simultaneously adjustable core cross-sectional areas A K Fe of the toroidal core by a required strip length can be defined before the actual winding.
  • an apparatus for producing soft-magnetic strip material with an input-side material feed for providing strip-shaped material, a heat treatment device for heat-treating the strip-shaped material at a heat treatment temperature, a tensioning device for applying the heat-treated strip-shaped material with a tensile force for generating a tensile stress in a strip longitudinal axis of the strip-shaped material at least in the region of the heat treatment device, wherein the tensioning device can be regulated to vary the tensile force in the strip-shaped material is designed to adjust the tensile stress ⁇ , wherein for generating the soft magnetic strip material, the device also comprises a measuring arrangement for determining at least one magnetic measured variable of the produced soft magnetic strip material and wherein a control unit is provided for controlling the tensioning device, which is formed and with the Messanord ⁇ is connected, that the rules of the tensioning device, a regulation of the tensile force in response to the at least one ⁇ heightened magnetic Mes includes size.
  • the apparatus may further a winding unit with Minim ⁇ least a winding mandrel for winding up a defined portion of the soft magnetic strip material produced for generating comprise at least one toroidal tape core, wherein the winding unit is configured and connected to the Messa North ⁇ voltage that the winding in response to the at least a determined measured variable takes place.
  • the apparatus may comprise a device for generating at least one magnetic field to act upon the blazebe ⁇ treated material with the at least one generated Mag ⁇ netfeld.
  • the magnetic field can be directed to the tape longitudinal axis ⁇ or band surface transversely and / or vertically.
  • the clamping device may be configured for generating the tensile force in the band-shaped material such that the band-shaped material can continuously move yet and the tensile force as specified by the Rege ⁇ averaging unit vary based on the ermit ⁇ telten by the measuring arrangement magnetic measurand leaves.
  • the tensioning device must have a sufficiently high tensile force in the band-shaped material can initiate and ensure erforder ⁇ Liche accuracy, allow reproducible tension changes, for example, and bring the predetermined tensile force and at a plastic strain of the sheet material up and guarantee.
  • the tensioning device for generating the tensile force comprises two S-shaped roller drives coupled to one another, a dancer control and / or a swing control, as well as torque-controlled brake drives and / or mechanically braked
  • the covers provided by means of the input-side Materi ⁇ alzu Adjust band-shaped material tailored to a final width and / or band-shaped cast and / or wound to form a coil material.
  • a heat treatment apparatus such as a continuous annealing plant is possible.
  • the measuring arrangement in one of the banksbe ⁇ treatment device and / or the clamping device successor constricting portion is arranged so that the measuring arrangement continuous soft magnetic strip material produced free from the clamping device provided by the tensile force is.
  • the strip material may of course still be a certain tension or tensile force ⁇ .
  • a toroidal core is proposed, which comprises a wound soft magnetic strip material, wherein the soft magnetic strip material and / or the core was prepared by the method described above.
  • the soft magnetic strip fen ⁇ fenmaterial be coated with an insulating layer. To electrically isolate the windings of the toroidal core from each other.
  • the layer may be, for example, a polymer layer or a ceramic layer.
  • the tape may be coated with the insulating layer before and / or after being wound up into the ring tape core.
  • FIGS. 3a and 3b basics of tension-induced anisotropy, definition of the mechanical and magnetic terms and in two diagrams the relationship between a tensile stress introduced into a band-shaped material and resulting anisotropy or permeability
  • FIG. 6 is a graph showing the comparison of a hysteresis measured at the unwrapped soft magnetic strip material with a hysteresis determined at the wound core, FIG.
  • FIG. 7 shows in a diagram the comparison of the respectively achievable permeabilities for a band according to the prior art and for a band produced according to the invention
  • FIG. 8 shows a diagram of exemplary exemplar scattering of rolled-strip cores produced according to the invention.
  • FIG. 1 schematically shows an exemplary sequence of the method according to the invention for producing soft magnetic strip material for roll-band cores according to a first embodiment.
  • the method comprises loading riding provide a sheet material, heat treating the strip-like material at a heat treatment temperature ⁇ structure and subjecting the heat-treated sheet material with a tensile force in a longitudinal direction of the band ⁇ -shaped material to generate a tensile stress in the band-shaped material. These steps are used to generate the soft magnetic strip material from the band-shaped material.
  • the method includes determining at least one magnetic measuring size of the soft magnetic strip material produced ⁇ rule, and a pulling force for controlling the input filters of the tension in response to the detected magnetic measurement variable (arrow A).
  • the method comprises a step of winding up at least one defined section of the produced soft ⁇ magnetic strip material for producing at least one annular band core subsequent to the step of determining the at least one magnetic measured variable.
  • the winding step is controlled in response to the at least one magnetic measurement (arrow B).
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a device 20 according to the invention for producing soft-magnetic
  • the apparatus 20 includes an input-side material feed 21 for loading ⁇ riding provide strip-shaped material, a heat treatment ⁇ device 22 for heat treatment of the sheet material at a heat treatment temperature, a clamping device 24 for subjecting the band-shaped material with a tensile force for providing a tension in a belt longitudinal axis of the strip Material at least in the region of the heat treatment device 22.
  • the tensioning device 24 is formed for a variation of the tensile force in the band-shaped material controllable in order to coincidestel len the desired tensile stress for generating the soft magnetic strip material.
  • the apparatus 20 further comprises a measuring arrangement 25 for determining at least one magnetic measuring size of erzeug ⁇ th soft magnetic strip material and a regulation ⁇ unit 26 for controlling the tensioning device 24, wherein the control unit 26 is connected and formed so the measuring arrangement 25, that the Rules of the tensioning device
  • the clamping device 24 includes a regulating the tractive force in response to the at least ei ⁇ ne magnetic detected measurand.
  • the clamping device 24 two interconnected S-shaped roller drives as well as a dancer control comprises.
  • the roller drives may additionally or alternatively also have different speeds, wherein the first in the direction of movement of the belt drive a may have slightly lower drive speed than the subsequent roller drive, which then an additional tensile force between the two roller drives can be generated.
  • the first roll can also be braked instead of being driven.
  • the dancer control can also serve to compensate for speed fluctuations in addition to the generation of traction power.
  • a swing control can be provided.
  • the device 20 comprises a device 23 for generating at least one magnetic field for applying the heat-treated strip material with the at least one Mag ⁇ netfeld and / or a winding unit 27 with a plurality of winding ⁇ thorns 28 for winding each of a defined portion of the soft magnetic strip material produced for generating a Number of annular band cores, wherein the winding unit 27 is formed and connected to the measuring arrangement 25, that the winding takes place in response to the at least one determined measured variable.
  • the winding unit 27 comprises an additional S-shaped roller drive 29 for feeding the strip material to the respective winding mandrel 28.
  • Fig. 3a and 3b show a correlation between in a tape-like material 30 by means of a tensile force F a tensile stress and a resulting ⁇ directed anisotropy Ku or permeability ⁇ .
  • a locally prevailing in the tape-shaped mate rial ⁇ 30 o tensile stress resulting from the anlie ⁇ constricting tensile force F and a local magnetic cross-sectional area
  • a Fe (Material section) to:
  • a permeability ⁇ is determined by the applied tensile Voltage ⁇ is set and, as is known, results from the mean slope of the hysteresis loop or from a magnetic flux density B s (saturation magnetization) or a magnetic field strength H (anisotropic field strength H a ) and a magnetic field constant ⁇ in conjunction with the anisotropy K 0 follows: So is, for example due to manufacturing a fluctuate ⁇ de thickness of the sheet material before, so varies entspre ⁇ accordingly assuming a constant width, the local cross-sectional area A FE and with it at constant tension F the applied tensile stress o.
  • FIG. 3b also shows a curve of the permeability in dependence on the tensile stress from ⁇ o for three heat treatment ⁇ temperatures.
  • Fig. 4 shows a detail of an example of the thickness of the strip-shaped material 30 of FIG. 3, in wel ⁇ chem local influences in the band-shaped material be ⁇ noticeable.
  • In tervalls ⁇ 1 200m strip thickness jumps are represented which through a production process, such as a rapid solidification technology used for this purpose (with any suitable overall material) are caused.
  • ⁇ as local variations of strip thickness occur and are attributable to the Pro ⁇ dumies vide. These are moving in the 1 to 2 ym, but can usually be over 3 to 4 ym and thus significant jumps in a thickness profile of the strip-shaped material be ⁇ act, which is used as starting material for the method described.
  • FIG. 5 again shows the course of the thickness of the strip-shaped material shown in FIG. 4.
  • a FE i of the strip-shaped material results than a second local cross-sectional area A FE 2 in the adjacent right area II with a smaller strip thickness.
  • This has the consequence that a local tensile stress Oi in the case of a constant tensile force in the left region I is correspondingly lower than in the right region II (02).
  • FIG. 6 shows a comparison of a hysteresis 60 measured on the unwrapped soft magnetic strip material and a hysteresis 61 determined on the wound core.
  • the heat treatment temperature and a throughput should be adjusted depending on a selected material or a selected alloy such that a magnetostriction in a nanocrystalline state of the strip material is close to zero.
  • the product of bending stresses due of take-up of the strip material and the value of magnetostriction is an additional indu ⁇ ed in the wound strip material anisotropy and should therefore be kept to a minimum overall. Otherwise, the permeability of the core would be more or less different from that of the unwrapped strip material.
  • a permeability ⁇ is in a range of 1000. This corresponds to a small to medium-induced induced anisotropy. Except for small defects in a range of A ⁇ muzzle in a magnetic saturation, the two can
  • Strip material 60 and the wound roll core 61 are considered identical.
  • Deviates achieved by a ⁇ meabiltician particular in the region II significantly from a target value Z from (in the present example ⁇ 1000), when the control according to the invention is not used (curve A). If, on the other hand, the control according to the invention is used (curve B), the permeability ⁇ achieved, in spite of the
  • FIG. 8 shows by way of example a number of measuring points 80 of roller conveyor cores, which are produced by means of the method according to the invention.
  • the band-shaped material used is VP800 tape material with a width of 6.2 mm.
  • a permeability of ⁇ a Sollpermeabilticianswert 800 and held with ⁇ means of the inventive regulation of the pulling force, a tensile stress almost constant over several hundred meters of strip-shaped material ⁇ .
  • Each of the cores from this wound roll band is produced with a pre-defined core cross section area A ⁇ K Fe of 13mm.
  • the per band used core length is thus about 8m.
  • this value varies as a function of the local strip thickness (or local cross- sectional area A Fe ), in order to achieve the respectively predefined predefined core cross-sectional area A K Fe. It is accordingly thus gangs wound under the controlled Aufwickelvor- depending on the local strip thickness more or less strip material to a core until the predefined core ⁇ cross-sectional area A K Fe is reached.
  • An associated mean core cross- sectional area A K Fe is 13.01 mm 2 and thus has a deviation of only 0.25% compared to the desired value.
  • a lower band length is therefore for the production of the individual core by means of the inventive method erfor ⁇ sary so that material can be saved in this manner, whereby a weight and expense of the core can be reduced beyond. Accordingly, a rejection of defective cores, which are outside of a given specification, such as due to large dimensions or too high a resulting weight, can be reduced.
  • FIGS. 6, 7 and 8 were carried out with VITROPERM 800 as starting material with a composition of Fe Res tCui b3Sii.5.5B6.6.
  • the belt-shaped material had a belt width of 6.2 mm at a nominal belt thickness of 19 ⁇ m.
  • the heat treatment was carried out in a heat treatment furnace with a length of 3 m at a heat treatment temperature of 650 ° C and a heat treatment time in the

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen von weichmagnetischem Streifenmaterial für Rollbandkerne mit den folgenden Schritten vorgeschlagen: Bereitstellen eines bandförmigen Materials, Beaufschlagen des bandförmigen Materials mit einer Wärmebehandlungstemperatur, und Beaufschlagen des temperaturbeaufschlagten bandförmigen Materials mit einer Zugkraft in einer Längsrichtung des bandförmigen Materials, um eine Zugspannung in dem bandförmigen Material bereitzustellen, zum Erzeugen des weichmagnetischen Streifenmaterials aus dem bandförmigen Material, wobei das Verfahren außerdem ein Ermitteln mindestens einer magnetischen Messgröße des erzeugten weichmagnetischen Streifenmaterials, und ein Regeln der Zugkraft zum Einstellen der Zugspannung in Reaktion auf die ermittelte magnetische Messgröße umfasst. Des Weiteren werden eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie ein mittels des Verfahrens erzeugter Rollbandkern bereitgestellt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von weichmagnetischem Streifenmaterial für Ringbandkerne
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von weichmagnetischem Streifenmaterial, insbesondere ein Verfah¬ ren zum Herstellen von weichmagnetischem Streifenmaterial für Rollbandkerne sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens .
Weichmagnetisches Material kommt bei verschiedenen Anwendun¬ gen zum Einsatz. So findet es beispielsweise in Form von Streifen aus nanokristallinen Legierungen Verwendung bei gewickelten Magnetkernen, sogenannten Ringbandkernen, die unter Anderem bei Stromtransformatoren, Leistungstransformatoren und Leistungsdrosseln sowie Magnetwandlerköpfen bzw. Stromwandlerkernen zum Einsatz kommen. Für die Herstellung des weichmagnetischen Materials sind verschiedene Herstellungs¬ verfahren und die zugehörigen Herstellungsvorrichtungen bekannt .
Die bekannten Herstellungsvorrichtungen sind in der Regel als Durchlaufglühanlagen ausgebildet und ermöglichen eine Wärmebehandlung von rascherstarrtem Magnetmaterial (im Folgenden „Bandmaterial") . Das rascherstarrte Magnetmaterial wird mit¬ tels eines Gießprozesses hergestellt und anschließend zu ei¬ ner Rolle gewickelt, um dann als kontinuierliches Band in die Durchlaufglühanlage eingeleitet und von dieser zu weichmagne¬ tischem Material verarbeitet zu werden. Im Rahmen der Verarbeitung wird das Material wärmebehandelt und gleichzeitig un¬ ter Zugspannung gesetzt, um gewünschte magnetische Eigen¬ schaften des Bandes zu erhalten.
Die amerikanische Patentschrift US 6,171,408 Bl beschreibt ein entsprechendes Herstellungsverfahren für Ringbandkerne, welche aus amorphem ferromagnetischem Material bestehen. Das Verfahren sieht das Giesen eines amorphen ferromagnetischen Bandes vor, das anschließend durch eine beheizte Umgebung be- wegt und gleichzeitig einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Die Geschwindigkeit der Bewegung ist derart an die beheizte Umge¬ bung angepasst, dass eine definierte Erwärmung des Bandes für einen definierten Zeitraum erfolgt.
Eine für ein derartiges Verfahren einsetzbare Herstellungs¬ vorrichtung wird beispielsweise in der amerikanischen Offenlegungsschrift US2008/0196795A1 beschrieben. Die Vorrichtung umfasst eine Aufnahmespindel zur Aufnahme eines Bandwickels von amorphem gegossenem Bandmaterial. Die Vorrichtung umfasst ferner einen temperaturgeregelten tunnelförmigen Ofen zum Erzeugen eines nanokristallinen Streifens aus dem amorphen Bandmaterial und mindestens eine S-förmige Einheit, welche vor einem Eingang des tunnelförmigen Ofens für das Bandmate- rial angeordnet und mit einem Bremsmotor verbunden ist, und ine Spannvorrichtung zum Einstellen der Zugkraft in Längsrichtung des amorphen Bandmaterials. Eine Steuereinrichtung in Verbindung mit iner Kraftmess-Einrichtung steuert den Bremsmotor der vor dem Eingang des tunnelförmigen Ofens ange- ordnet S-förmigen Einheit.
Zusätzlich ist eine zweite S-förmige Einheit vorgesehen, wel¬ che nachfolgend zu einem Ausgang des tunnelförmigen Ofens angeordnet und mit einem Motor verbunden ist. Die Vorrichtung weist außerdem einen Wickeldorn für den erzeugten nanokristallinen Streifen zum Herstellen eines Magnetkerns aus nanokristallinem Material auf. Mit Hilfe dieser Vorrichtung wird das zum Wickel (Coil) auf die Aufnahmespindel aufgewi¬ ckelte amorphe Bandmaterial von diesem wieder abgewickelt und durchläuft die vor dem Eingang des tunnelförmigen Ofens ange¬ ordnete erste S-förmige Einheit, anschließend die
Kraftmesseinrichtung und den nachfolgenden tunnelförmigen Ofen, bevor es die am Ausgang des tunnelförmigen Ofens angeordnete zweite S-förmige Einheit passiert und auf dem nachfolgenden Wickeldorn wie oben beschrieben zu dem
Magnetkern gewickelt wird. Ein Beispiel für einen derart gewickelten Magnetkern aus na- nokristallinen Material ist auch aus der US-amerikanischen Patentschrift US 7,583,172 B2 bekannt. Dieser findet unter Anderem Anwendung in Stromsensoren und sollte hierzu eine möglichst niedrige Permeabilität aufweisen zum Zwecke einer ausreichenden Messgenauigkeit.
Die bekannten Vorrichtungen und Herstellungsverfahren sehen also vor, das zu verarbeitende amorphe Bandmaterial während der Wärmebehandlung unter Zugspannung zu setzen. Auf diese Weise kann über die anliegende Zugspannung eine Anisotropie in dem Bandmaterial induziert werden, so dass das hieraus er¬ zeugte weichmagnetische Streifenmaterial eine ausgeprägte flache Hystereseschleife mit einer definierten Permeabilität μ (entsprechend der induzierten Anisotropie) entlang der Zug¬ spannungsrichtung aufweist, da ein im Rahmen der beschriebenen Herstellungsverfahren erreichbares Permeabilitätsniveau der angelegten Zugspannung abhängig ist. Nachteilig an dem bekannten Vorgehen ist in diesem Zusammenhang jedoch, dass das bereitgestellte zu verarbeitende amor¬ phe Bandmaterial aufgrund der Herstellung mittels des be¬ schriebenen Gießverfahrens und des anschließenden Auf- und Abwickeins zu einem Coil bzw. zur Bearbeitung in dem Durch- laufglühofen eine in Längsrichtung des Bandes lokal verändernde Banddicke aufweist. Dies führt in Kombination mit ei¬ ner in der Regel herstellungsbedingt konstanten Bandbreite dazu, dass eine jeweilige lokale Querschnittsfläche ortsab¬ hängig in Längsrichtung des Bandes variiert. Dies hat zur Folge, dass aufgrund der angelegten Zugkraft bei schwankender Querschnittsfläche ebenso die lokal herrschende Zugspannung unterschiedlich groß ist. Gemäß dem voranstehend beschriebe¬ nen Zusammenhang führt dies wiederum dazu, dass sich auch die lokal induzierte Anisotropie und somit die lokale Permeabili- tät mit der schwankenden Querschnittsfläche verändern. Doch nicht nur die beschriebene Querschnittsflächenänderung, sondern auch weitere Parameter, wie die Wärmebehandlungstemperatur, ein optional vorsehbares Magnetfeld, die Durchlauf- geschwindigkeit des Bandes, die Ofenlänge, die Wärmeleitung und der Wärmeübergang auf das Band, die Banddicke sowie die verwendete Legierung haben Einfluss auf die induzierte Ani¬ sotropie Ku in einem solchen Prozess. Da diese Parameter in der Praxis nie konstant gehalten werden können, verändern sich entsprechend auch die lokal induzierte Anisotropie und somit die lokale Permeabilität.
Aufgabe der Erfindung ist es daher die voranstehend beschrie¬ benen Nachteile zu beseitigen oder zumindest zu reduzieren, insbesondere ein weichmagnetisches Streifenmaterial mit einem möglichst konstanten Verlauf der Permeabilität entlang eines Längsverlaufs des Streifenmaterials bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mittels eines Ver- fahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich jeweils aus den zugehörigen abhängigen Ansprüchen. Demnach wird ein Verfahren zum Herstellen von weichmagnetischem Streifenmaterial für Rollbandkerne vorgeschlagen mit den Schritten:
Bereitstellen eines bandförmigen Materials,
Wärmebehandeln des bandförmigen Materials bei einer Wärmebehandlungstemperatur,
Beaufschlagen des wärmebehandelten bandförmigen Materials mit einer Zugkraft in Längsrichtung des bandförmigen Materials, um eine Zugspannung in dem bandförmigen Material zu erzeugen, wobei zum Erzeugen des weichmagnetischen Streifenmaterials aus dem bandförmigen Material das Verfahren außerdem umfasst: Ermitteln mindestens einer magnetischen Messgröße des erzeug¬ ten weichmagnetischen Streifenmaterials und
Regeln der Zugkraft zum Einstellen der Zugspannung in Reaktion auf die ermittelte magnetische Messgröße.
Die Reihenfolge der Schritte kann je nach Anwendungsfall auch variieren .
Es wird also ein bereitgestelltes bandförmiges Material, ins- besondere amorphes bandförmiges Material, vorgesehen, welches in einem nachfolgenden Schritt einer Wärmebehandlung durch Beaufschlagen mit der Wärmebehandlungstemperatur unterzogen wird. Anschließend wird das bandförmige Material gleichzeitig zur Wärmebehandlung und/oder nachfolgend hierzu mit der be- schriebenen Zugkraft beaufschlagt, um eine Zugspannung in dem bandförmigen Material zu erzeugen. Über die anliegende Zug¬ spannung kann eine Gefüge-Änderung des Materials und somit eine Anisotropie, beispielsweise eine Queranisotropie, in das bandförmige Material induziert werden. Beispielsweise ist die Zugspannung derart abgestimmt, dass das mittels des Verfah¬ rens erzeugte weichmagnetische Streifenmaterial eine ausge¬ prägte flache Hystereseschleife mit einer definierten Permea¬ bilität μ in Zugspannungsrichtung aufweist. Das Beaufschlagen mit der Zugkraft kann gleichzeitig zu der Wärmebehandlung er- folgen.
Wie bereits voranstehend beschrieben ist hierbei die indu¬ zierte Anisotropie proportional zu der eingeleiteten Zugspan¬ nung, wobei die Permeabilität von der Anisotropie abhängig ist. Eine grafische Darstellung und ausführliche Beschreibung der Zusammenhänge werden in Fig. 3a und 3b und der zugehörigen Beschreibung gegeben. Aus dem bandförmigen Material wird mittels der beschriebenen Schritte ein weichmagnetisches Streifenmaterial mit definier¬ ten magnetischen Eigenschaften bzw. einem veränderten Gefüge erzeugt und anschließend einer Messung zum Ermitteln einer oder mehrerer magnetischer Messgrößen unterzogen. Diese lassen Rückschlüsse auf die magnetischen Eigenschaften des erzeugten Streifenmaterials zu, etwa für eine magnetische Cha¬ rakterisierung des erzeugten weichmagnetischen Streifenmate- rials. Eine beispielhafte Aufzählung ermittelbarer magneti¬ scher Messgrößen wird weiter unten gegeben.
Mit Kenntnis der mindestens einen magnetischen Messgröße kann dann die beschriebene Regelung der Zugkraft erfolgen, um so die Zugspannung auf einen gewünschten Wert einzustellen. Es wird also mittels der Zugkraft die Zugspannung variiert, wo¬ bei die Regelung der Zugkraft in Abhängigkeit von der ermit¬ telten mindestens einen magnetischen Messgröße erfolgt. Gemäß einer Ausführungsform wird beim Schritt des Regeins der Zugkraft die Zugkraft derart variiert, dass die Zugspannung in der Längsrichtung des bandförmigen Materials mindestens abschnittsweise entlang der Längsrichtung im Wesentlichen konstant gehalten wird. Demnach wird die Zugkraft derart ver- ändert, dass die lokal in dem bandförmigen Material herr¬ schende Zugspannung konstant gehalten werden kann. Es kann auf diese Weise eine Beeinflussung der lokalen Zugspannung durch die herstellungsbedingt über den Längsverlauf des band¬ förmigen Materials schwankende lokale Querschnittsfläche der- art kompensiert werden, dass ein hiermit verbundenes Schwan¬ ken der zugehörigen Zugspannung im Wesentlichen verhindert wird, wie dies der Fall wäre, wenn lediglich eine konstante Zugkraft angelegt werden würde. Folglich kann in dem durchlaufenden bandförmigen Material im Falle der konstanten Zugspannung eine entsprechend konstante Anisotropie K0 induziert werden, welche eine ebenfalls kon- stante Permeabilität μ bewirkt. Zusätzlich sind noch weitere Parameter bekannt, welche eine induzierte Anisotropie in ei¬ nem derartigen Herstellungsverfahren beeinflussen und verändern können, hierzu zählen beispielsweise die Wärmebehand- lungstemperatur, die Durchlaufgeschwindigkeit des bandförmi¬ gen Materials, die Wegstrecke für die Beaufschlagung mit der Wärmebehandlungstemperatur (sprich eine Ofenlänge) , die
(mittlere) Dicke des bandförmigen Materials, die Wärmeleitung bzw. der Wärmeübergang auf das bandförmige Material und/oder die Art der gewählten Legierung sowie Parameter des optional vorsehbaren Magnetfeldes.
Da diese Parameter in der Praxis nie konstant gehalten werden können, kann die Regelung der Zugspannung, also einer im Pro- zess variabel einstellbaren Kraft im Band, dazu verwendet werden, die induzierte Ansiotropie Ku und somit die Permeabi¬ lität μ über die Bandlänge konstant zu halten. Dazu wird die Kraft im Band beispielsweise in kleinen Schritten um einen Sollzugspannungswert variiert, um die lokalen Einflüsse, wie Temperaturunterschiede, Banddickenfluktuationen, geringfügige Abweichungen der Durchlaufgeschwindigkeit , Veränderungen in der Materialzusammensetzung usw. auszugleichen.
Es kann also beispielsweise mittels Regeins der Zugkraft in Abhängigkeit von einer ermittelten magnetischen Messgröße zur Einstellung einer gewünschten Zugspannung die induzierte Anisotropie Ku und somit die Permeabilität über einen definier¬ ten Abschnitt oder sogar über die gesamte Länge des bandför¬ migen Materials konstant gehalten werden.
Wird mittels der beschriebenen Regelung die Zugspannung lediglich abschnittsweise konstant gehalten oder stetig verän¬ dert, so eröffnet dies zusätzlich die Möglichkeit, durch Ver- änderung eines entsprechenden Vorgabewertes die Zugspannung in einem ersten Abschnitt auf einem ersten Wert und in einem nachfolgenden zweiten Abschnitt auf einem zweiten Wert konstant zu halten. Selbstverständlich können auch mehr als zwei Abschnitte mit einem jeweils individuell eingestellten kon¬ stanten Zugspannungswert vorgesehen sein. Anschließend kann beispielsweise jeder Abschnitt zum Wickeln eines eigenen Kerns genutzt und somit Kerne mit unterschiedlichen magneti¬ schen Eigenschaften aufeinanderfolgend erzeugt werden.
Beispielsweise umfasst das Regeln der Zugkraft ein automati¬ sches Einstellen der Zugspannung um einen vordefinierten Sollzugspannungswert. Die in das bandförmige Material einge¬ leitete Zugkraft kann also automatisch in kleinen Schritten oder stufenlos um den Sollzugspannungswert in Reaktion auf die mindestens eine magnetische Messgröße variiert werden, um lokale Einflüsse in dem bandförmigen Material, wie etwa Tem¬ peraturunterschiede, Banddickenfluktuationen, Abweichungen der Durchlaufgeschwindigkeit und/oder Veränderungen in der Materialzusammensetzung auszugleichen.
Beispielsweise wird die Zugkraft stetig geregelt, d.h. es er¬ folgt eine ständige Überprüfung und (Nach- ) Regelung . Ein vordefinierter Sollwert kann, wie vorstehend beschrieben, eben- falls lediglich für einen definierten Abschnitt des bandförmigen Materials vorgesehen werden, so dass einem oder mehreren aufeinanderfolgenden Abschnitten jeweils individuelle Zugspannungsniveaus zugewiesen werden können, wodurch sich über die Länge des jeweiligen Abschnitts die induzierte Ani- sotropie bzw. die damit erzielte Permeabilität in einem wei¬ ten Bereich gezielt einstellen lässt.
Beispielsweise kann somit in Abhängigkeit von einer gewählten Materialzusammensetzung des bandförmigen Materials bzw. einer hierfür verwendeten Legierung eine Permeabilität μ im Bereich von unter 100 bis zu 10000 erreicht werden. Insbesondere ist eine relativ niedrige Permeabilität μ besonders vorteilhaft für Stromtransformatoren, Leistungsüberträger, Speicherdrosseln und weitere Anwendungen, bei welchen der erzeugte Roll¬ bandkern nicht ferromagnetisch gesättigt werden soll, damit eine Induktivität des Rollbandkerns keine Einbußen erleidet, wenn hohe elektrische Ströme durch die Wicklungen um den Rollbandkern fließen.
Hierbei ergeben sich jeweils geeignete Permeabilitätswerte aus den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung. Zum Beispiel kann ein für die voranstehend genannten Anwendungen geeigneter Bereich für μ 1500 bis 3000, 200 bis 1500 oder 50 bis 200 sein. So ist beispielsweise für gleichstrom¬ tolerante Stromwandler eine Permeabilität μ von etwa 1500 bis etwa 3000 vorteilhaft, während für Leistungsübertrager ein Permeabilitätsbereich von 200 bis 1500 und für Speicherdros¬ seln ein Permeabilitätsbereich von etwa 50 bis 200 geeignet ist. Selbstverständlich können aber auch andere Wertebereiche vorgesehen werden. Die beschriebenen Ausführungsformen bieten also den Vorteil, dass eine Kombination der beiden voranstehenden Aspekte, nämlich die Zugspannung über weite Bereiche konstant halten zu können sowie ein Zugspannungsniveau abschnittsweise durch ei¬ nen jeweiligen Sollzugspannungswert vorzugeben, ermöglicht wird. Es reicht beispielsweise nicht aus, nur eine hohe Zug¬ kraft in das bandförmige Material einzubringen, um eine nied¬ rige Permeabilität zu erzielen, da die erreichte Zielpermea¬ bilität somit lediglich für einen bestimmten, lokalen Bereich des bandförmigen Materials exakt eingestellt wäre. Vielmehr müssen zusätzlich zu dem definierten Zugkraftniveau sehr feine und vor allem störungsfreie Zugkraftvariationen ausgeführt werden können, um die Zugspannung, wie beschrieben, auf einem konstanten Wert halten zu können. Mit anderen Worten kann mit dem beschriebenen Verfahren weichmagnetisches Streifenmaterial mit einem oder mehreren verschiedenen jeweils konstanten Permeabilitätsniveaus oder mit sich stetig ändernder Permeabilität hergestellt werden, wobei jedes Niveau mittels der erfindungsgemäßen Regelung mit sehr geringen Abweichungen von dem vorgegebenen Sollpermeabilitätswert über die gesamte Streifenlänge oder über einen bzw. mehrere definierte Abschnitte hergestellt werden kann.
Ferner kann das Verfahren als optionalen Schritt das Beaufschlagen des bandförmigen Materials mit einem Magnetfeld (Magnetfeldbehandlung) umfassen, wobei die Magnetfeldbehand- lung beispielsweise nachfolgend oder gleichzeitig zu der Wär¬ mebehandlung erfolgen kann. Selbstverständlich kann auch eine Behandlung mit mehr als einem Magnetfeld, wie etwa mehreren Magnetfeldern mit jeweils unterschiedlicher räumlicher Ausrichtung, vorgesehen werden.
Das Verfahren kann außerdem einen Schritt des Aufwickeins mindestens eines definierten Abschnitts des erzeugten weich¬ magnetischen Streifenmaterials zum Erzeugen mindestens eines Ringbandkernes nachfolgend zu dem Schritt des Ermitteins der mindestens einen magnetischen Messgröße umfassen. Das erzeug¬ te Streifenmaterial kann somit im Anschluss an die voranste¬ hend beschriebenen Schritte zu einem oder mehreren Ringbandkernen aufgewickelt werden. Da mittels des beschriebenen Verfahrens ein möglichst konstanter oder stetiger Permeabili- tätsverlauf auf einem oder mehreren Niveaus erzeugt wird, können hieraus Kerne mit einer jeweils sehr konstanten Perme¬ abilitätsverteilung innerhalb des Kerns aber auch mit geringen Exemplarstreuungen von mehreren Kernen mit gleichem Sollwert für die Permeabilität hergestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Schritt des Aufwickeins in Reaktion auf die mindestens eine magnetische Messgröße gesteuert. Dies ermöglicht beispielsweise ein ge¬ zieltes Aufwickeln von definierten Abschnitten, die über eine Charakterisierung mittels der ermittelten magnetischen Messgröße bestimmt werden. Wird also beispielsweise ein unter¬ schiedliches Permeabilitätsniveau erreicht, also ein Sprung in dem Permeabilitätsverlauf erkannt bzw. erzeugt, so kann das Aufwickeln entsprechend gesteuert werden. So kann bei¬ spielsweise das Aufwickeln eines ersten Kerns beendet und ein Aufwickeln eines neuen Kerns begonnen werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst der Schritt des Aufwickeins ein Aufwickeln einer definierten Anzahl von Bandlagen des erzeugten weichmagnetischen Streifenmaterials zum Erzeugen des mindestens einen Ringbandkerns, wobei ein Defi- nieren der Anzahl von Bandlagen in Reaktion auf die mindestens eine magnetische Messgröße erfolgt. Hierzu finden bei¬ spielsweise die lokale Banddicke bzw. die hiermit verbundene magnetische Querschnittsfläche für den Schritt des Aufwi- ckelns Berücksichtigung. Es kann bereits vor dem tatsächli- chen Aufwickeln eine Anzahl von Bandlagen bestimmt und im
Rahmen des Aufwickeins derart variiert werden, dass der gewi¬ ckelte Kern eine vordefinierte Kernquerschnittsfläche AKFe aufweist . Das beschriebene Verfahren bietet folglich die Möglichkeit, eine Anzahl von Kernen herzustellen, wobei jeder der Kerne neben einem definierten Permeabilitätsverlauf über die Länge des aufgewickelten Streifenmaterials außerdem einen definierten Kernquerschnitt mit einer Kernquerschnittsfläche auf- weist.
Somit ermöglicht die Bandform nicht nur eine Verarbeitung der Legierung unter Zugspannung in einer nachfolgend näher beschriebenen Durchlaufglühanlage, sondern auch die Herstellung von Rollbandkernen mit einer beliebigen Anzahl an Wicklungen. Auf diese Weise kann die Größe und die magnetischen Eigen¬ schaften eines Rollbandkerns durch eine entsprechende Auswahl der Anzahl von Wicklungen bzw. Bandlagen an eine vorgesehene Anwendung auf einfache Weise angepasst werden.
Beispielsweise kann hierbei die Anzahl der Bandlagen derart variiert werden, dass eine Querschnittsfläche AKFei eines ers- ten Ringbandkerns und eine Querschnittsfläche AKFe2 eines zweiten Ringbandkerns im Wesentlichen gleich groß sind. Es kann somit eine beliebige Anzahl von Ringbandkernen mit jeweils gleich großer Kernquerschnittsfläche erzeugt werden, zumindest jedoch mit einer sehr geringen Abweichung der jeweiligen Kernquerschnittsfläche. Die Anzahl der Bandlagen kann beispielsweise auch derart variiert werden, dass alter¬ nativ oder zusätzlich die Permeabilität des ersten Ringband¬ kerns und die Permeabilität des zweiten Ringbandkerns im We- sentlichen gleich groß sind.
So kann auch der Effekt der zumindest abschnittsweise kon¬ stanten Permeabilität und der Effekt einer gleichgroßen Kernquerschnittsfläche durch einen Mittelungsprozess beim Aufwi- ekeln des jeweiligen Kerns unterstützt werden. Mittels dieser Überlagerung beim Aufwickeln kompensieren sich über eine definierte Länge (beispielsweise mehrere Meter) des Streifenma¬ terials hinweg die jeweils positiven und negativen Abweichungen von einem vordefinierten Sollwert. Es kann somit in einem einzigen zusammenhängenden Herstellungsverfahren bzw. Prozess aus einem Ausgangsmaterial, über eine Wärmebehandlung bis zu einer Kernherstellung, ein fertig geprüfter Kern mit sehr geringer Exemplarstreuung bezüglich der Permeabilität und der Kernquerschnittsfläche erzielt werden. Auf diese Weise werden engere Kerntoleranzen ermöglicht, so dass kleinere Kerne her¬ stellbar sind, welche wiederum zu einer Material- und Kostenersparnis beitragen.
Die besondere Bedeutung der in dem erzeugten weichmagneti- sehen Streifenmaterial gemessenen magnetischen Messgrößen für die anschließend hieraus gewickelten Kerne und die hiermit erzielte jeweilige geringe Exemplarstreuung wird nachfolgend näher erläutert. Üblicherweise werden die Wärmebehandlungs¬ temperatur und eine Durchlaufgeschwindigkeit des bandförmigen Materials in Abhängigkeit von der jeweils gewählten Legierung derart ausgewählt, dass eine Magnetostriktion in einem na- nokristallinen Zustand des entsprechend wärmebehandelten weichmagnetischen Streifenmaterials bei nahezu Null liegt. Dies ist als Grundbedingung anzusehen, um aus dem wärmebehandelten weichmagnetischen Streifenmaterial einen Kern zu wickeln, welcher auch nach dem Wickelvorgang in seinem aufgewi- ekelten Zustand eine ähnliche oder sogar gleiche Permeabili¬ tät aufweist wie das ungewickelte Streifenmaterial. Dies liegt darin begründet, dass ein Produkt aus durch das Aufwi¬ ckeln hervorgerufenen Biegespannungen und dem Wert der Magnetostriktion eine zusätzliche, in das Streifenmaterial indu- zierte Anisotropie darstellt und daher möglichst gering gehalten werden muss. Kann dies nicht erzielt werden, so würde sich andernfalls die Permeabilität des gewickelten Kerns von jener des Streifenmaterials mehr oder weniger stark unterscheiden .
Es lässt sich außerdem feststellen, dass eine möglichst hohe in dem Herstellungsverfahren des weichmagnetischen Streifenmaterials induzierte Anisotropie bewirkt, dass der Kern gegen die immer gleichbleibend kleinen zusätzlichen Anisotropien aufgrund der Wickelspannungen zunehmend unempfindlich ist.
Einen entsprechenden Vergleich einer am ungewickelten weichmagnetischen Streifenmaterial gemessenen Hysterese und einer am gewickelten Rollbandkern bestimmten Hysterese ist in Fig. 6 dargestellt.
Wie bereits erwähnt, kann das im Rahmen des beschriebenen Verfahrens als Ausgangsmaterial bereitgestellte bandförmige Material unter Zugspannung wärmebeaufschlagt werden, um die gewünschten magnetischen Eigenschaften zu erzeugen. Hierbei ist die gewählte Temperatur von großer Bedeutung, da in Abhängigkeit von dieser das Gefüge des Materials beeinflusst wird. Diese kann derart gewählt werden, dass die Wärmebehand¬ lungstemperatur unter einer Kristallisationstemperatur des bandförmigen Materials liegt zum Beibehalten eines amorphen Zustands des bandförmigen Materials oder dass die Wärmebe¬ handlungstemperatur über einer Kristallisationstemperatur des bandförmigen Materials liegt zum Überführen des bandförmigen Materials aus einem amorphen Zustand in einen nanokristalli- nen Zustand.
Beispielsweise ist der nanokristalline Zustand für die Roll- bandkerne vorteilhaft und für hervorragende weichmagnetische Eigenschaften des erzeugten Streifenmaterials verantwortlich. So wird durch das nanokristalline Gefüge eine niedrige Sätti- gungsmagnetostriktion bei gleichzeitig hoher Sättigungspola¬ risation erreicht. Durch die vorgeschlagene Wärmebehandlung unter definierter Zugspannung resultiert bei geeigneter Legierungswahl eine magnetische Hysterese mit einem zentralen linearen Teil. Hiermit verbunden sind niedrige Ummagnetisie- rungsverluste und eine im linearen, zentralen Teil der Hyste¬ rese in weiten Grenzen vom angelegten Magnetfeld bzw. von der Vormagnetisierung unabhängige Permeabilität, die bei Roll¬ bandkernen für die voranstehend genannten Anwendungsfälle ge¬ wünscht sind.
Neben den schon erläuterten Schritten zur Verarbeitung ist auch eine geeignete Wahl des bandförmigen Materials von gro¬ ßer Bedeutung für die magnetischen Eigenschaften des erzeugten Rollbandkerns. Vorzugsweise umfasst das bandförmige Mate¬ rial (beliebiges ) rascherstarrtes Magnetmaterial, das bei¬ spielsweise mindestens eine Komponente aus einer Gruppe amor- phen Co-, Co-Fe oder Co-Ni und/oder Fe, Fe-Ni-Legierungen, umfasst, wobei bei den Co-, Co-Fe, Co-Ni Legierungen die Wär¬ mebehandlungstemperatur unterhalb einer Kristallisationstemperatur und bei den Fe, Fe-Ni Legierungen die Wärmebehandlungstemperatur oberhalb der Kristallisationstemperatur liegt.
Beispielsweise können als Ausgangsmaterialien amorphe Co-, Ni- und/oder Fe-basierte Legierungen eingesetzt werden. Auch können die unter den geschützten Bezeichnungen VITROVAC® und/oder VITROPERM® bekannten Legierungen der Anmelderin sowie weitere als Magnetmaterial geeignete Materialen zum Ein¬ satz kommen. Eine Fe-basierte Legierung kann beispielsweise aus
Fei00-a-b-c-d-x-y-zCuaNbbMcTdSixByZz mit bis zu 1 Atom% Verunreinigungen bestehen. M steht dabei für eines oder mehrere der Elemente Mo, Ta oder Zr, T für ei¬ nes oder mehrere der Elemente V, Mn, Cr, Co oder Ni, Z für eines oder mehrere der Elemente C, P oder Ge, wobei für a, b, c, d, x, y, z gilt:
0 Atom% ^ a < 1,5 Atom%,
0 Atom% ^ b < 4 Atom%,
0 Atom% ^ (b+c) < 4 Atom%,
0 Atom% ^ d < 5 Atom%,
10 Atom% ^ x < 18 Atom%,
5 Atom% ^ y < 11 Atom% und
0 Atom% ^ z < 2 Atom%. Diese Legierung wird ebenfalls vorzugsweise in Gestalt eines Bandes gegossen und weist zumindest nach der Wärmebehandlung ein nanokristallines Gefüge auf, bei dem zumindest 50 Vol.% der Körner des Gefüges eine mittlere Größe von kleiner als lOOnm aufweisen. Die genannte Legierung weist vorzugsweise auch eine Hysterese mit einem zentralen Teil, einem Remanenzverhältnis Jr/Js < 0,1 auf und ein Verhältnis einer Koerzi- tivfeidstärke Hs zu einer Anisotropiefeldstärke HA < 10% auf. Optional kann die letztgenannte Legierung frei von Niob und/oder Kupfer sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Ermitteln der mindestens einen magnetischen Messgröße in Echtzeit. Es ist in diesem Falle möglich, eine magnetische Charakterisierung „in-line" innerhalb einer Produktionslinie im laufen- den Betrieb durchzuführen. Eine beispielhafte Auswahl von magnetischen Messgrößen wird nachfolgend noch beschrieben. Auf diese Art und Weise ist es möglich, dass das bandförmige Material bzw. die erzeugten weichmagnetischen Streifen eine Herstellungsvorrichtung in voller Geschwindigkeit durchlaufen ohne den Prozess für die Ermittlung unterbrechen oder ver- langsamen zu müssen.
Beispielsweise kann die mindestens eine magnetische Messgröße aus einer Gruppe bestehend aus dem magnetischen Sättigungs- fluss, der magnetischen Bandquerschnittsfläche AFe, der Ani- sotropiefeidstärke, der Permeabilität, der Koerzitivfeidstär¬ ke und dem Remanentsverhältnis des erzeugten weichmagneti¬ schen Streifenmaterials ausgewählt werden. All diesen Mess¬ größen bzw. den zugehörigen magnetischen Eigenschaften des erzeugten Streifenmaterials ist gemein, dass diese von einer in das Material eingeleiteten Zugspannung abhängig sind und somit mittels des beschriebenen Verfahrens entsprechend gere¬ gelt werden können.
Umfasst der Schritt des Ermitteins der magnetischen Messgröße ebenfalls ein Ermitteln der lokalen magnetischen Querschnittsfläche AFe, so erlaubt dies nicht nur ein weichmagne¬ tisches Streifenmaterial herzustellen, welches, wie beschrie¬ ben, einen möglichst konstanten Permeabilitätsverlauf entlang seiner Länge aufweist, sondern erlaubt darüber hinaus gleich- zeitig Informationen über den Dickenverlauf des erzeugten
Streifenmaterials zu gewinnen. Diese Kombination ermöglicht es, aus dem erzeugten Streifenmaterial Ringbandkerne mit sehr genau einstellbaren Permeabilitätswerten und gleichzeitig einstellbaren Kernquerschnittsflächen AKFe des Ringbandkerns zu wickeln, indem eine erforderliche Streifenlänge bereits vor dem tatsächlichen Aufwickeln definiert werden kann.
Des Weiteren wird eine Vorrichtung zum Herstellen von weichmagnetischem Streifenmaterial vorgeschlagen mit einer eingangsseitigen Materialzuführung zum Bereitstellen von bandförmigem Material, einer Wärmebehandlungsvorrichtung zur Wärmebehandlung des bandförmigen Materials bei einer Wärmebehandlungstemperatur, einer Spannvorrichtung zum Beaufschlagen des wärmebehandelten bandförmigen Materials mit einer Zugkraft zum Erzeugen einer Zugspannung in einer Bandlängsachse des bandförmigen Materials zumindest im Bereich der Wärmebehandlungsvorrichtung, wobei die Spannvorrichtung zur Variation der Zugkraft in dem bandförmigen Material regelbar ausgebildet ist, um die Zug¬ spannung einzustellen, wobei zum Erzeugen des weichmagnetischen Streifenmaterials die Vorrichtung außerdem eine Messanordnung zum Ermitteln mindestens einer magnetischen Messgröße des erzeugten weichmagnetischen Streifenmaterials und wobei eine Regelungseinheit zum Regeln der Spannvorrichtung vorgesehen ist, die derart ausgebildet und mit der Messanord¬ nung verbunden ist, dass das Regeln der Spannvorrichtung ein Regeln der Zugkraft in Reaktion auf die mindestens eine er¬ mittelte magnetische Messgröße umfasst.
Die Vorrichtung kann außerdem eine Wickeleinheit mit mindes¬ tens einem Wickeldorn zum Aufwickeln eines definierten Abschnitts des erzeugten weichmagnetischen Streifenmaterials zum Erzeugen mindestens eines Ringbandkernes umfassen, wobei die Wickeleinheit derart ausgebildet und mit der Messanord¬ nung verbunden ist, dass das Aufwickeln in Reaktion auf die mindestens eine ermittelte Messgröße erfolgt.
Ferner kann die Vorrichtung eine Vorrichtung zum Erzeugen mindestens eines Magnetfelds zum Beaufschlagen des wärmebe¬ handelten Materials mit dem mindestens einen erzeugten Mag¬ netfeld umfassen. Das Magnetfeld kann quer und/oder senkrecht zu der Bandlängs¬ achse bzw. Bandfläche gerichtet sein.
Zum Beispiel kann die Spannvorrichtung zum Erzeugen der Zug- kraft in dem bandförmigen Material derart ausgestaltet sein, dass sich das bandförmige Material dennoch kontinuierlich fortbewegen kann und sich die Zugkraft nach Vorgabe der Rege¬ lungseinheit auf Grundlage der durch die Messanordnung ermit¬ telten magnetischen Messgröße variieren lässt. Beispielsweise muss die Spannvorrichtung eine ausreichend hohe Zugkraft in das bandförmige Material einleiten können und eine erforder¬ liche Genauigkeit gewährleisten, zum Beispiel reproduzierbare Zugkraftänderungen zulassen und die vorgegebene Zugkraft auch bei einer plastischen Dehnung des bandförmigen Materials auf- bringen und gewährleisten können.
Hierzu umfasst die Spannvorrichtung zum Erzeugen der Zugkraft zwei miteinander gekoppelte S-förmige Rollenantriebe, eine Tänzerregelung und/oder eine Schwingenregelung sowie drehmo- mentgesteuerte Bremsantriebe und/oder mechanisch gebremste
Rollen. Selbstverständlich sind jedoch auch andere geeignete Spannvorrichtungen einsetzbar, welche die genannten Anforderungen erfüllen. Vorzugsweise umfasst das mittels der eingangsseitigen Materi¬ alzuführung bereitgestellte bandförmige Material ein auf eine Endbreite zugeschnittenes und/oder gegossenes bandförmiges und/oder zu einem Coil aufgewickeltes Material. Mittels einer derartigen Vorkonfektionierung ist eine einfache Verarbeitung in einer Wärmebehandlungsvorrichtung wie etwa einer Durchlaufglühanlage möglich.
Beispielsweise ist die Messanordnung in einem der Wärmebe¬ handlungsvorrichtung und/oder der Spannvorrichtung nachfol- genden Abschnitt angeordnet, so dass das die Messanordnung durchlaufende erzeugte weichmagnetische Streifenmaterial frei von der durch die Spannvorrichtung bereitgestellten Zugkraft ist. Zum Transport und Wickeln des Streifenmaterials kann selbstredend dennoch eine gewisse Spannung bzw. Zugkraft an¬ liegen . Außerdem wird ein Ringbandkern vorgeschlagen, der ein gewickeltes weichmagnetisches Streifenmaterial umfasst, wobei das weichmagnetische Streifenmaterial und/oder der Kern nach dem voranstehend beschriebenen Verfahren hergestellt wurde. Gemäß einer Ausführungsform kann das weichmagnetische Strei¬ fenmaterial mit einer Isolierschicht beschichtet sein. Um die Wicklungen des Ringbandkerns voneinander elektrisch zu isolieren. Die Schicht kann zum Beispiel eine Polymerschicht o- der eine keramische Schicht sein. Das Band kann vor und/oder nach dem Aufwickeln zu dem Ringbandkern mit der Isolierschicht beschichtet werden.
Selbstredend können die voranstehend genannten und die nach¬ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der je- weils angegebenen Kombination, sondern auch in beliebigen geeigneten anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungs- form,
Fig. 2 in einer schematischen Darstellung eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 3a und 3b Grundlagen der zugspannungsinduzierten Anisotropie, Definition der mechanischen und magnetischen Begriffe und in zwei Diagrammen der Zusammenhang zwischen einer in ein bandförmiges Material eingeleiteten Zugspannung und einer resultierenden Anisotropie bzw. Permeabilität,
Fig. 4 in einem Diagramm ausschnittsweise einen beispielhaf- ten Dickenverlauf des bandförmigen Materials im Detail,
Fig. 5 in einem Diagramm den in Fig. 4 dargestellten Verlauf mit Bereichsabgrenzungen, Fig. 6 in einem Diagramm den Vergleich einer am ungewickelten weichmagnetischen Streifenmaterial gemessenen Hysterese mit einer am gewickelten Kern bestimmten Hysterese,
Fig. 7 in einem Diagramm den Vergleich der jeweils erzielba- ren Permeabilitäten für ein Band gemäß dem Stand der Technik und für ein erfindungsgemäß erzeugtes Band und
Fig. 8 in einem Diagramm beispielhafte Exemplarstreuungen von erfindungsgemäß erzeugten Rollbandkernen.
In Fig. 1 ist schematisch ein beispielhafter Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen von weichmagnetischem Streifenmaterial für Rollbandkerne gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Das Verfahren umfasst das Be- reitstellen eines bandförmigen Materials, das Wärmebehandeln des bandförmigen Materials bei einer Wärmebehandlungstempera¬ tur und das Beaufschlagen des wärmebehandelten bandförmigen Materials mit einer Zugkraft in einer Längsrichtung des band¬ förmigen Materials, um eine Zugspannung in dem bandförmigen Material zu erzeugen. Diese Schritte dienen zum Erzeugen des weichmagnetischen Streifenmaterials aus dem bandförmigen Material. Außerdem umfasst das Verfahren ein Ermitteln mindestens einer magnetischen Messgröße des erzeugten weichmagneti¬ schen Streifenmaterials, und ein Regeln der Zugkraft zum Ein- stellen der Zugspannung in Reaktion auf die ermittelte magnetische Messgröße (Pfeil A) . Optional umfasst das Verfahren einen Schritt des Aufwickelns mindestens eines definierten Abschnitts des erzeugten weich¬ magnetischen Streifenmaterials zum Erzeugen mindestens eines Ringbandkernes nachfolgend zu dem Schritt des Ermitteins der mindestens einen magnetischen Messgröße. Beispielsweise wird der Schritt des Aufwickelns in Reaktion auf die mindestens eine magnetische Messgröße gesteuert bzw. geregelt (Pfeil B) .
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungs- gemäßen Vorrichtung 20 zum Herstellen von weichmagnetischem
Streifenmaterial gemäß einer Ausführungsform. Die Vorrichtung 20 umfasst eine eingangsseitige Materialzuführung 21 zum Be¬ reitstellen von bandförmigem Material, eine Wärmebehandlungs¬ vorrichtung 22 zur Wärmebehandlung des bandförmigen Materials bei einer Wärmebehandlungstemperatur, eine Spannvorrichtung 24 zum Beaufschlagen des bandförmigen Materials mit einer Zugkraft zum Bereitstellen einer Zugspannung in einer Bandlängsachse des bandförmigen Materials zumindest im Bereich der Wärmebehandlungsvorrichtung 22. Die Spannvorrichtung 24 ist für eine Variation der Zugkraft in dem bandförmigen Material regelbar ausgebildet, um die gewünschte Zugspannung zum Erzeugen des weichmagnetischen Streifenmaterials einzustel¬ len . Die Vorrichtung 20 umfasst außerdem eine Messanordnung 25 zum Ermitteln mindestens einer magnetischen Messgröße des erzeug¬ ten weichmagnetischen Streifenmaterials und eine Regelungs¬ einheit 26 zum Regeln der Spannvorrichtung 24, wobei die Regelungseinheit 26 derart ausgebildet und mit der Messanord- nung 25 verbunden ist, dass das Regeln der Spannvorrichtung
24 ein Regeln der Zugkraft in Reaktion auf die mindestens ei¬ ne ermittelte magnetische Messgröße umfasst. In der darge¬ stellten Ausführungsform umfasst die Spannvorrichtung 24 zwei miteinander gekoppelte S-förmige Rollenantriebe sowie eine Tänzerregelung. Die Rollenantriebe können zusätzlich oder alternativ auch unterschiedliche Geschwindigkeiten haben, wobei der in Bewegungsrichtung des Bandes erste Rollenantrieb eine leicht geringere Antriebsgeschwindigkeit aufweisen kann als der nachfolgende Rollenantrieb, wodurch dann eine zusätzliche Zugkraft zwischen beiden Rollenantrieben erzeugt werden kann. Alternativ kann die erste Rolle dabei auch gebremst werden anstelle angetrieben zu werden. Die Tänzerregelung kann außer zur Zugkrafterzeugung auch dazu dienen, Geschwindigkeitsschwankungen zu kompensieren. Alternativ oder zusätzlich kann eine Schwingenregelung vorgesehen werden. Optional umfasst die Vorrichtung 20 eine Vorrichtung 23 zum Erzeugen mindestens eines Magnetfelds zum Beaufschlagen des wärmebehandelten Bandmaterials mit dem mindestens einen Mag¬ netfeld und/oder eine Wickeleinheit 27 mit mehreren Wickel¬ dornen 28 zum Aufwickeln jeweils eines definierten Abschnitts des erzeugten weichmagnetischen Streifenmaterials zum Erzeugen einer Anzahl von Ringbandkernen, wobei die Wickeleinheit 27 derart ausgebildet und mit der Messanordnung 25 verbunden ist, dass das Aufwickeln in Reaktion auf die mindestens eine ermittelte Messgröße erfolgt. Ebenfalls optional umfasst die Wickeleinheit 27 einen zusätzlichen S-förmigen Rollenantrieb 29 zum Zuführen des Streifenmaterials an den jeweiligen Wickeldorn 28.
Fig. 3a und Fig 3b zeigen einen Zusammenhang zwischen einer in ein bandförmiges Material 30 mittels einer Zugkraft F ein¬ geleiteten Zugspannung und einer resultierenden Anisotropie Ku bzw. Permeabilität μ. Eine lokal in dem bandförmigen Mate¬ rial 30 herrschende Zugspannung o ergibt sich aus der anlie¬ genden Zugkraft F und einer lokalen magnetischen Quer- schnittsfläche AFe (Materialquerschnitt) zu:
F
<j = so dass eine induzierte Anisotropie K0 in Querrichtung zu dem längserstreckten bandförmigen Material 30 gemäß dem in Fig.
3b dargestellten Diagramm in Abhängigkeit von der Zugspannung o ansteigt. Eine Permeabilität μ wird über die angelegte Zug- Spannung σ eingestellt und ergibt sich bekanntermaßen aus der mittleren Steigung der Hystereseschleife bzw. aus einer magnetischen Flussdichte Bs (Sättigungsmagnetisierung) bzw. einer magnetischen Feldstärke H (Anisotropiefeldstärke Ha) so- wie einer magnetischen Feldkonstanten μο in Verbindung mit der Anisotropie K0 wie folgt:
Figure imgf000025_0001
Liegt also beispielsweise herstellungsbedingt eine schwanken¬ de Dicke des bandförmigen Materials vor, so schwankt entspre¬ chend bei Annahme einer gleichbleibenden Breite die lokale Querschnittsfläche AFE und mit ihr bei konstanter Zugkraft F die anliegende Zugspannung o. Diese wiederum bewirkt eine entsprechende Änderung der induzierten Anisotropie K0, welche über die genannten Zusammenhänge die Permeabilität μ entspre¬ chend beeinflusst, so dass sich auch diese über die Länge des hiermit aus dem bandförmigen Material erzeugten weichmagneti¬ schen Streifenmaterials verändert.
Fig. 3b zeigt außerdem einen Verlauf der Permeabilität in Ab¬ hängigkeit von der Zugspannung o für drei Wärmebehandlungs¬ temperaturen . Fig. 4 zeigt ausschnittsweise einen beispielhaften Verlauf der Dicke des bandförmigen Materials 30 aus Fig. 3, in wel¬ chem sich lokale Einflüsse in dem bandförmigen Material be¬ merkbar machen. Hierzu ist ein Ausschnitt des bandförmigen Materials 30 zwischen einer axialen Längsposition von I i = 440m und 12 = 640m dargestellt, wobei lediglich beispielhaft als Material VITROPERM® eingesetzt ist. Innerhalb dieses In¬ tervalls Δ1 = 200m sind Banddickensprünge dargestellt, welche durch einen Produktionsprozess , beispielsweise eine hierzu eingesetzte Rascherstarrungstechnologie (mit beliebigem ge- eigneten Material) , bedingt sind. Hierbei treten beispiels¬ weise lokale Variationen der Banddicke auf und sind dem Pro¬ duktionsverfahren zuzuschreiben. Diese bewegen sich in der dargestellten Messung bei ca. 1 bis 2 ym, können aber üblicherweise auch über 3 bis 4 ym betragen und somit erhebliche Sprünge in einem Dickenverlauf des bandförmigen Materials be¬ wirken, welches als Ausgangsmaterial für das beschriebene Verfahren herangezogen wird.
Fig. 5 zeigt nochmals den in Fig. 4 dargestellten Verlauf der Dicke des bandförmigen Materials. Im Bereich I einer höheren Banddicke (linker Bereich) ergibt sich aus den voranstehend bereits vorgestellten Zusammenhängen bei Annahme einer konstanten Breite des bandförmigen Materials eine größere lokale Querschnittsfläche AFEi des bandförmigen Materials als eine zweite lokale Querschnittsfläche AFE2 in dem benachbarten rechten Bereich II mit einer geringeren Banddicke. Dies hat zur Folge, dass eine lokale Zugspannung Oi im Falle einer konstanten Zugkraft im linken Bereich I entsprechend niedriger ist als im rechten Bereich II (02) . Da nun die induzierte Anisotropie und mit dieser auch die Permeabilität μ von der lokalen Zugspannung o in dem bandförmigen Material abhängig ist, wird auch der Verlauf der lokalen Permeabilität variie¬ rend sein. Um dies zu verhindern, wird gemäß dem beschrieben Verfahren vorgeschlagen, die Zugkraft F nicht konstant zu halten, sondern diese derart stetig anzupassen, dass die Ma¬ terial- bzw. herstellungsbedingten Einflüsse und Effekte durch eine stetige Regelung der Zugkraft zum Einstellen einer konstanten Zugspannung in dem bandförmigen Material kompensiert werden.
Fig. 6 zeigt einen Vergleich einer am ungewickelten weichmag- netischen Streifenmaterial gemessenen Hysterese 60 und einer am gewickelten Kern bestimmten Hysterese 61.
Um gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren aus dem ungewickelten weichmagnetischen Streifenmaterial einen aufgewickelten Rollbandkern zu erstellen, der eine möglichst ähnliche oder sogar gleiche Permeabilität aufweist wie das Streifenmateri¬ al, sollte die Wärmebehandlungstemperatur und eine Durchlauf- geschwindigkeit in Abhängigkeit von einem gewählten Material bzw. einer gewählten Legierung derart abgestimmt sein, dass eine Magnetostriktion in einem nanokristallinen Zustand des Streifenmaterials nahe Null liegt.
Das Produkt aus Biegespannungen aufgrund des Aufwickeins des Streifenmaterials und dem Wert der Magnetostriktion stellt eine zusätzliche in das aufgewickelte Streifenmaterial indu¬ zierte Anisotropie dar und sollte daher möglichst klein ge- halten werden. Andernfalls würde sich die Permeabilität des Kerns mehr oder weniger stark von jener des ungewickelten Streifenmaterials unterscheiden.
Somit gilt, dass je höher die beim Erzeugen des ungewickelten weichmagnetischen Streifenmaterials induzierte Anisotropie ist, desto unempfindlicher wird der Rollbandkern gegen die immer gleichbleibend kleinen zusätzlichen Anisotropien aufgrund der Wickelspannungen. Wie aus dem dargestellten Hysteresenverlauf ersichtlich ist, liegt eine Permeabilität μ in einem Bereich von 1000. Dies entspricht einer kleinen bis mittelstarken induzierten Anisotropie. Bis auf kleine Defekte in einem Bereich einer Ein¬ mündung in eine magnetische Sättigung können die beiden
Hysteresenverläufe für das ungewickelte weichmagnetische
Streifenmaterial 60 und den aufgewickelten Rollbandkern 61 als identisch angesehen werden.
Für höhere Anisotropien, also kleinere Permeabilitäten, sind die zusätzlichen Anisotropien aufgrund der Wickelspannungen somit von untergeordneter Bedeutung.
Fig. 7 zeigt einen Verlauf einer erzielbaren Permeabilität für einen ausgewählten Längenabschnitt Δ1 = 200m eines ersten Bandes aus bandförmigem Material (Kurve bzw. Messpunkte A) , welches mit einem Herstellungsverfahren gemäß dem Stand der Technik ohne eine erfindungsgemäße Zugkraftregelung erzeugt wurde, und einen entsprechenden Verlauf eines zweiten Bandes aus bandförmigem Material (Kurve B) , das mit dem erfindungs¬ gemäßen Herstellungsverfahren erzeugt wurde. Der Verlauf der- zugehörigen mittleren Banddicke ist als Kurve C dargestellt. Um eine direkte Vergleichbarkeit zu ermöglichen, wurden beide Bänder aus einem längsgeteilten gemeinsamen Band hergestellt, beispielsweise durch Herausschneiden zweier benachbarter Schneidbahnen aus einem breiten Band. Somit weisen die beiden Bahnen einen nahezu identischen Banddickenverlauf auf. Wie aus Fig. 7 weiterhin erkennbar ist, weicht eine erzielte Per¬ meabilität insbesondere im Bereich II erheblich von einem Zielwert Z ab (im vorliegenden Beispiel bei μ = 1000), wenn die erfindungsgemäße Regelung nicht zum Einsatz kommt (Kurve A) . Wird dagegen die erfindungsgemäße Regelung eingesetzt (Kurve B) , so kann die erzielte Permeabilität μ trotz der
Schwankungen des Banddickenverlaufs mit einer vergleichsweise sehr geringen Abweichung von ca. +/- 0,72% über mehrere hundert Meter konstant gehalten werden. Fig. 8 zeigt beispielhaft eine Anzahl von Messpunkten 80 von Rollbandkernen, welche mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden. Als bandförmiges Material kommt Bandmaterial vom Typ VP800 mit einer Breite von 6,2mm zum Einsatz. Mittels der beschriebenen Vorrichtung wird unter An- wendung des beschriebenen Verfahrens eine Permeabilität mit einem Sollpermeabilitätswert von μ = 800 vorgegeben und mit¬ tels der erfindungsgemäßen Regelung der Zugkraft eine Zugspannung nahezu konstant über mehrere hundert Meter des band¬ förmigen Materials gehalten. Jeder der hieraus gewickelten Rollbandkerne wird mit einer vordefinierten Kernquerschnitts¬ fläche AKFe von 13mm2 hergestellt. Die pro Kern eingesetzte Bandlänge beträgt somit ca. 8m. Dieser Wert schwankt jedoch in Abhängigkeit von der lokalen Banddicke (bzw. lokale Quer¬ schnittsfläche AFe) , um die jeweils vorgegeben vordefinierten Kernquerschnittsfläche AKFe zu erzielen. Es wird demnach also im Rahmen des gesteuerten Aufwickelvor- gangs je nach lokaler Banddicke mehr oder weniger Bandmaterial zu einem Kern aufgewickelt, bis die vordefinierte Kern¬ querschnittsfläche AKFe erreicht ist. Die in Fig. 8 darge- stellte Anzahl an entsprechend erzeugten Kernen weist demnach im Mittel eine Permeabilität von μ = 800,7 mit einer Abwei¬ chung von 0,44% auf. Eine zugehörige mittlere Kernquer¬ schnittsfläche AKFe liegt bei 13,01mm2 und weist somit eine Abweichung von lediglich 0,25% gegenüber dem Sollwert auf.
Es lassen sich folglich Kerne aus weichmagnetischem Streifenmaterial mit nahezu konstantem Permeabilitätsverlauf erzeugen und somit eine Querschnittsfläche des Kerns möglichst klein halten. Der letztgenannte Aspekt liegt darin begründet, dass keine spezifische Anpassung einer Geometrie des einzelnen Kerns aufgrund einer hohen Streuung der Permeabilität in Längsrichtung des Streifenmaterials erforderlich ist.
Für die Herstellung des einzelnen Kerns ist daher mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine geringere Bandlänge erfor¬ derlich, so dass auf diese Weise Material eingespart werden kann, wodurch darüber hinaus ein Gewicht und Kosten des jeweiligen Kerns reduziert werden können. Entsprechend kann ein Ausschuss an fehlerhaften Kernen, die etwa außerhalb einer vorgegeben Spezifikation liegen wie beispielsweise aufgrund zu großer Abmessungen oder eines zu hohen resultierenden Gewichts, vermindert werden.
Die den Fig. 6, 7 und 8 zugrundeliegenden Versuche wurden mit VITROPERM 800 als Ausgangsmaterial mit einer Zusammensetzung von FeRestCui b3Sii5.5B6.6 durchgeführt. Das bandförmige Material wies eine Bandbreite von 6,2mm bei einer nominalen Banddicke von 19ym auf. Die Wärmebehandlung erfolgte in einem Wärmebehandlungsofen mit einer Länge von 3m bei einer Wärmebehand- lungstemperatur von 650 °C und einer Wärmebehandlungszeit im
Durchlauf von 18s. Für die in Fig. 6 und 7 dargestellten Ver- Suchsergebnisse wurde das Material auf eine Permeabilität von μ = 1000 geregelt. Für Fig. 8 wurde eine Permeabilität von μ = 800 zugrunde gelegt und insgesamt 63 Kerne hergestellt bzw. geprüft .

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zum Herstellen von weichmagnetischem Streifenmaterial für Rollbandkerne mit den folgenden Schritten:
Bereitstellen eines bandförmigen Materials,
Wärmebehandeln des bandförmigen Materials bei einer Wärmebehandlungstemperatur,
Beaufschlagen des wärmebehandelten bandförmigen Materials mit einer Zugkraft in Längsrichtung des bandförmigen Ma- terials, um eine Zugspannung in dem bandförmigen Material zu erzeugen, wobei zum Erzeugen des weichmagnetischen Streifenmaterials aus dem bandförmigen Material weiterhin vorgesehen ist :
Ermitteln mindestens einer magnetischen Messgröße des erzeugten weichmagnetischen Streifenmaterials und
Regeln der Zugkraft zum Einstellen der Zugspannung in Reaktion auf die ermittelte magnetische Messgröße.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Schritt des Regeins der Zugkraft die Zugkraft derart variiert wird, dass die Zug¬ spannung in der Längsrichtung des bandförmigen Materials mindestens abschnittsweise entlang der Längsrichtung im Wesent¬ lichen konstant gehalten wird, und/oder der Schritt des Re¬ geins der Zugkraft ein automatisches Einstellen der Zugspan- nung um einen vordefinierten Sollzugspannungswert umfasst.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Verfahren einen Schritt des Beaufschlagens des wärmebehandel¬ ten bandförmigen Materials mit einem Magnetfeld umfasst.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Verfahren einen Schritt des Aufwickeins mindestens eines defi¬ nierten Abschnitts des erzeugten weichmagnetischen Streifenmaterials zum Erzeugen mindestens eines Ringbandkernes nach- folgend zu dem Schritt des Ermitteins der mindestens einen magnetischen Messgröße umfasst.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schritt des Aufwickeins in Reaktion auf die mindestens eine magnetische Messgröße geregelt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der
Schritt des Aufwickeins ein Aufwickeln einer definierten Anzahl von Bandlagen des erzeugten weichmagnetischen Streifenmaterials zum Erzeugen des mindestens einen Ringbandkerns um- fasst und ein Definieren der Anzahl von Bandlagen in Reaktion auf die mindestens eine magnetische Messgröße erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Anzahl der Bandlagen derart variiert wird, dass eine Quer¬ schnittsfläche AFei und/oder die Permeabilität eines ersten Ringbandkerns und eine Querschnittsfläche AFe2 bzw. die Perme¬ abilität eines zweiten Ringbandkerns im Wesentlichen gleich groß sind.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei
die Wärmebehandlungstemperatur unter einer Kristallisationstemperatur des bandförmigen Materials liegt zum Beibehalten eines amorphen Zustands des bandförmigen Materials, oder
die Wärmebehandlungstemperatur über einer Kristallisati- onstemperatur des bandförmigen Materials liegt zum Überführen des bandförmigen Materials aus einem amorphen Zustand in einen nanokristallinen Zustand.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das bandförmige Material rascherstarrtes Magnetmaterial mit min¬ destens einer Komponente aus einer Gruppe aus amorphen Co-, Co-Fe oder Co-Ni und/oder Fe, Fe-Ni-Legierungen umfasst, wobei bei den Co-, Co-Fe, Co-Ni Legierungen die Wärmebehand¬ lungstemperatur unterhalb einer Kristallisationstemperatur und bei den Fe, Fe-Ni Legierungen die Wärmebehandlungstempe¬ ratur oberhalb einer der Kristallisationstemperatur liegt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Er¬ mitteln der mindestens einen magnetischen Messgröße in Echtzeit erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die mindestens eine magnetische Messgröße aus einer Gruppe beste¬ hend aus magnetischem Sättigungsfluss , magnetischer Bandquerschnittsfläche, Anisotropiefeldstärke, Permeabilität, Koerzi- tivfeidstärke und Remanenzverhältnis des erzeugten weichmag¬ netischen Streifenmaterials ausgewählt ist.
12. Vorrichtung zum Herstellen von weichmagnetischem Streifenmaterial mit
einer eingangsseitigen Materialzuführung zum Bereitstel len von bandförmigem Material,
einer Wärmebehandlungsvorrichtung zum Wärmebehandeln de bandförmigen Materials bei einer Wärmebehandlungstemperatur, einer Spannvorrichtung zum Beaufschlagen des bandförmigen Materials mit einer Zugkraft zum Erzeugen einer Zugspannung in Bandlängsachse des bandförmigen Materials zumindest im Bereich der Wärmebehandlungsvorrichtung, wobei die Spannvorrichtung zur Variation der Zugkraft in dem bandförmigen Material regelbar ausgebildet ist, um die Zugspannung einzu¬ stellen,
einer Messanordnung zum Ermitteln mindestens einer magnetischen Messgröße des erzeugten weichmagnetischen Streifen materials und
einer Regelungseinheit zum Regeln der Spannvorrichtung, wobei die Regelungseinheit derart ausgebildet und mit der Messanordnung verbunden ist, dass das Regeln der Spannvorrichtung ein Regeln der Zugkraft in Reaktion auf die mindestens eine ermittelte magnetische Messgröße umfasst.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1 2, wobei die Vorrichtung eine Vorrichtung zum Erzeugen mindestens eines Magnetfelds zum Be- aufschlagen des wärmebehandelten Materials mit dem mindestens einen erzeugten Magnetfeld und/oder die Vorrichtung eine Wi- ckeleinheit mit mindestens einem Wickeldorn zum Aufwickeln eines definierten Abschnitts des erzeugten weichmagnetischen Streifenmaterials zum Erzeugen mindestens eines Ringbandker¬ nes umfasst, wobei die Wickeleinheit derart ausgebildet und mit der Messanordnung verbunden ist, dass das Aufwickeln in Reaktion auf die mindestens eine ermittelte Messgröße er¬ folgt .
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei die Spannvorrichtung zum Erzeugen der Zugkraft zwei miteinander gekoppelte S-förmige Rollenantriebe und eine Tänzerrege¬ lung und/oder eine Schwingenregelung, eine drehmomentgesteuerte Bremsantriebe, und/oder mechanisch gebremste Rollen um¬ fasst .
15. Ringbandkern umfassend gewickeltes weichmagnetisches Streifenmaterial, wobei das weichmagnetische Streifenmaterial und/oder der Kern nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt ist.
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