WO2013156397A1 - Weichmagnetischer kern mit ortsabhängiger permeabilität - Google Patents

Weichmagnetischer kern mit ortsabhängiger permeabilität Download PDF

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Jivan Kapoor
Christian Polak
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Vacuumschmelze Gmbh & Co. Kg
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Definitions

  • the invention relates to cores made of soft magnetic material, for example for the production of inductors.
  • DC-DC converters DC-DC converters
  • storage chokes, storage transformers or filter chokes with low-permeability core material are frequently used, for example, as inductive energy stores.
  • highly inhomogeneous field distributions can occur in the cores of such inductive components.
  • the core material is therefore generally not optimally controlled or exploited via the location.
  • the object of the invention is to provide soft magnetic cores which have better properties compared to known cores with the same volume or a lower volume with the same properties.
  • the object is achieved by a soft-magnetic core, occurring in at least two different locations of the core
  • the term "different permeabilities" is to be understood as meaning that the difference between two permeabilities is greater than the differences caused by production tolerances and measurement inaccuracies, For example, the ratio between minimum and maximum permeability occurring may be greater than 1: 1, 1 or 1: 1, 2 or 1: 1, 5 or 1: 2 or 1: 3 or 1: 5.
  • Figure 1 schematically shows a soft magnetic ring core with a through the
  • FIG. 2 shows in a diagram the progression of the field strength and the radial linear permeability increase over the core radius
  • FIG. 3 shows in a diagram the relative increase in inductance with a radial-linear increase in permeability compared to a constant permeability profile
  • FIG. 4 shows a diagram of the radial dependence of the inductance contribution in the core
  • Figure 5 is a graph showing the permeability over the effective field strength generating current for a first case example
  • Figure 6 is a graph showing the permeability over the effective field strength generating current for a second case example
  • Figure 7 is a graph showing the effective permeability over the effective field strength for the case shown in Figure 5
  • Figure 8 is a diagram of the magnetic flux over the effective
  • FIG. 9 shows in a diagram exemplary measurements of the geometry-dependent rounding of the flux-field strength loop for cores with constant permeability at different outside and inside diameters
  • Figure 1 1 in a diagram, the course of the inductance as a function of
  • FIG. 12 is a table of parameters of the arrangement shown in FIG. 1 for four different cases;
  • FIG. 13 shows in a diagram the profile of the inductance as a function of the direct current through the conductor of the arrangement shown in FIG. 1 for the cases shown in connection with FIG. 12;
  • Figure 14 schematically shows the structure of a two-part core with stepped
  • Figure 15 is a graph showing the inductance versus direct current through the conductor of the arrangement shown in Figure 1 using a two-piece core as compared to a one-piece core;
  • FIG. 16 is a diagram of the inductance contribution over the middle one
  • Diameter for one-piece and two-piece cores at different current levels shows a diagram of the induced anisotropy versus the tensile stress at different heat treatments
  • Figure 18 is a graph showing permeability versus tension for various heat treatments
  • Fig. 19 is a block diagram showing an arrangement for producing a core variable permeability core
  • FIG. 20 shows the course of the permeability over the field strength for one with the
  • Figure 21 is a graph showing the course of core permeability versus tape position in a process for making a tape having a permeability varying over the tape length;
  • FIG. 22 shows in a diagram the magnetization over the field strength in the case of different toroidal cores made of nanocrystalline material with tension-induced anisotropy;
  • Fig. 23 schematically shows the structure of a one-piece wound core having radius varying permeability;
  • Figure 24 shows schematically the structure of a two-part core with pressed and wound core parts;
  • Figure 25 is a graph showing the course of the core permeability as a function of tape position in an alternative method to that shown in Figure 21 for making a tape having a permeability varying over the tape length;
  • FIG. 26 is a schematic diagram of a winding arrangement for use in the method shown in FIG. 25;
  • FIG. 27 shows a diagram of the magnetic flux as a function of the magnetic field strength for an exemplary gradient core
  • FIG. 28 shows in a diagram the course of the permeability and the core field strength over the belt position.
  • the present invention makes it possible, via a location-dependent permeability adaptation of an arbitrarily shaped magnetic core, to provide optimized solutions for the respective application and thus, for example, to enable volume-reduced or less expensive cores.
  • a location-dependent permeability adaptation of an arbitrarily shaped magnetic core to provide optimized solutions for the respective application and thus, for example, to enable volume-reduced or less expensive cores.
  • some 10% increase in inductivity can be achieved with the same core volume.
  • such cores have a much sharper transition from a linear hysteresis region into the saturation or an enlarged modulation region with constant or less strongly varying permeability.
  • the magnetic field strength H decreases inversely with the radius r, so that
  • ⁇ is the magnetic flux
  • ⁇ is the magnetic field constant
  • ⁇ the permeability
  • ⁇ the permeability at the inner diameter D
  • ⁇ ( ⁇ ) for the radial-linear permeability increase.
  • the described problem can be met by increasing the permeability of the core material towards the outside.
  • the energy density in the radially outer core layers and thus their inductance contribution can be significantly increased.
  • curve 3 shows, very different field strengths H in the radial direction are effective.
  • the magnetic material is accordingly differently strongly controlled.
  • the radially different field strengths H can be compensated.
  • FIG. 3 shows the relative increase in inductance with a radial linear increase in permeability compared to a constant permeability as a function of the ratio of outer diameter D a to inner diameter D,. It can be seen that at small D a / Di ratios only a moderate advantage of up about 30% occurs with typical cores. However, a considerable potential emerges in nuclei in which the ratios are greater (from a
  • the gain increases significantly as the radius increases.
  • FIGS. 7 and 8 show the (H D c) runs and the L (1 D c) runs, ie the effective permeability and the L (ldc) drive curve (inductance L as a function of the DC current I D c passing through them) ) for the In connection with the embodiments of Figures 5 and 6 wound band cores used.
  • the effective permeability over the effective field strength H eff is for this purpose, and in the diagram shown in FIG. 8 the flux density B is plotted against the effective field strength H eff . It can immediately be seen from FIGS.
  • FIG. 9 is a diagram of an example of the geometry-dependent one
  • curves 7 Inside diameter ratios are shown (curves 7), with good agreement model predictions represented by broken lines for the 3 different outer and inner diameter ratios.
  • the inserted image in FIG. 9 shows as curves 8 an enlarged representation of the conditions in the region of the kinking for the magnetic saturation in the curves 7.
  • the aim is to keep the inductance value L constant for currents IDC up to approx. 200A.
  • the inner diameter D in the present case is 6mm.
  • the table contains the respective outer diameter D a , the respective core volumes, the respectively used permeability range at maximum current l max and the saturation flux density B s .
  • the cores are to be used for example for the production of filter reactors with a winding whose desired inductance values should be 500mH at DC and at 250A> 350mH.
  • the course of the inductor L via the current flowing through the choke (DC) current l D c is shown in FIG. 13 As can be seen, despite lower saturation magnetization B s, the specification to be well-filled with lower-permeability VP with smaller volume (compare curves to cores 13-16).
  • FIG. 14 shows a core which is different in certain areas
  • the core 17 shown there is designed in two parts such that two annular ring parts 17a and 17b are fitted concentrically into one another.
  • Each of the two core parts 17a and 17b has a homogeneous permeability distribution per se, but the permeabilities are different from each other, that is, the inner core part 17a has a lower permeability than the outer core part 17b.
  • both core parts 17a and 17b are powder cores, but the two cores can be produced differently in any desired manner (compare also FIG. 24 and the associated description).
  • the inductance curves of an optimized two-part core (curve 18) as shown in FIG. 14 and a conventional one-part core (curve 19) are compared with one another.
  • the permeability ⁇ , 3 at the inner diameter of the core portion 17a is 60, and the permeability ib at the inner diameter of the core portion 17b is 90.
  • the inductance contributions over the core diameter for one-piece and two-piece cores at 0A, 10A, and 20A are shown as curves 20 through 25 is shown. Again, the superiority of nuclei with radially changing permeability is immediately apparent.
  • a core with continuously changing permeability by winding a band with permeability that varies over the length.
  • a band having length-changing permeability can be made utilizing tension-induced anisotropy.
  • the permeability profile can be selected so that the desired radially increasing (r) function is established on the finished core during winding of the band.
  • the core winding can directly follow the strip heat treatment (strip annealing) under tension and thus be actively controlled by tension control to the current, radially dependent permeability requirement
  • a core coil completely decoupled from strip production can be used
  • belts from different magazines can receive and successively process belts with different permeabilities, but according to these processes only graded and no radial continuous variations can be produced in the core.
  • FIG. 17 The course of the induced anisotropy ⁇ ⁇ above the tensile stress ⁇ is shown in FIG. 17 for different heat treatments.
  • FIG. 19 schematically shows a device 26 for producing soft magnetic strip material.
  • This comprises an input-side material feed 27 for providing strip-shaped material 39, a heat treatment device 28 for heat treatment of the band-shaped material 39 fed to it for producing a heat-treated strip material 40, a tensioning device 30, 31, 32, 33 which is designed to apply a tensile force to the strip-shaped material Material 39 to initiate and generate a tensile stress in the band longitudinal axis direction at least in the region of the heat treatment device 28.
  • the tensioning device 30, 31, 32, 33 is designed to vary the tensile force controllable.
  • the device 26 further comprises a measuring arrangement 33 for determining the permeability of the produced soft magnetic strip material 40 and a control unit 34 for controlling the tensioning device 30, 31, 32, wherein the control unit 32 is designed and coupled to the measuring arrangement 31 such that the tensioning device 30 Traction in response to the detected permeability ⁇ over a predetermined (desired) reference value controls.
  • the tensioning device 30, 31, 32 comprises two S-shaped roller drives 30, 32 coupled to one another and a dancer control 31. The speeds of the roller drives 30 and 32 are thereby controlled by the control unit 34, i. set such that the desired tensile stress builds up in the band material 39 (and 40) as a function of the permeability determined by means of the measuring arrangement 33.
  • the dancer control 31 serves to compensate for short-term speed fluctuations.
  • the device 26 may include a magnetic field generator 29 that generates at least one magnetic field for magnetic field treatment of the heat treated strip material, such as a magnetic field perpendicular to the direction of travel, also known as a transverse field.
  • a winding unit 35 with a plurality of mandrels 36 on a rotatable turret plate te for winding each of a defined portion of the strip material 40 produced.
  • the winding unit 35 may have an additional S-shaped roller drive 38, which supplies the treated strip material, so the strip material 40 to the respective winding mandrel 36.
  • FIG. 20 shows the relationship between a tensile stress introduced into the band-shaped material 39 by means of a tensile force F and the resulting anisotropy Ku and permeability ⁇ .
  • the permeability ⁇ is set by the generated tensile stress ⁇ and results from the mean slope of the hysteresis loop or from the saturation flux density B s or the magnetic field strength H namely the
  • the local cross-sectional area A Fe varies correspondingly assuming a constant width, and the applied tensile stress ⁇ at constant tensile force F.
  • This causes a corresponding change in the induced anisotropy Ku, which influences the permeability ⁇ correspondingly via the abovementioned relationships, so that these also change over the length of the soft-magnetic strip material 40 produced from the band-shaped material 39.
  • the belt material is unwound from a magazine and pulled through a tubular heat treatment furnace and placed under tension along the belt's longitudinal axis.
  • the initially amorphous material in the heat treatment zone can become a nanocrystalline state, which in this case accounts for the excellent soft magnetic properties of the outgoing strip.
  • the applied tensile stress induces a transverse anisotropy in the magnetic material, so that the outgoing soft magnetic strip (strip material) has a pronounced flatness
  • Hysteresis loop with tightly tolerated permeability ⁇ (in the range of 10,000 to less than 100 in the direction of measurement along the belt axis).
  • the achievable level of the permeability ⁇ or the induced anisotropy Ku of the applied tensile stress in the band is proportional.
  • the tape strip which is no longer under tension for example, is guided through the measuring arrangement 33, which measures the permeability ⁇ (and possibly other variables such as tape cross-section, coercive field, remanence ratio, losses, etc.) in real time.
  • the continuously moving band is processed into a ring band core in which a certain length of the magnetic tape is always unwound on a winding mandrel.
  • soft magnetic strip material having a wide variety of permeability levels can be made with extremely small deviations from the nominal permeability value over the entire strip length, permitting the permeability to decrease or increase selectively over certain strip length ranges to provide a desired radially variable permeability along the strip for each Core type practical continuously adjust.
  • information about the magnetic strip cross-section local A Fe of the strip.
  • the diagram shown in FIG. 21 exemplifies how the core permeability can be controlled by permeability variation over the run length.
  • the starting point is a core of 30mm height and 60mm average diameter.
  • the permeability is 100 at the inner periphery and 200 at the outer periphery, so that an average permeability m of 150 results.
  • the respective (adapted) permeability ⁇ is given over the strip length.
  • the regulation of the tensile stress takes place in such a way that the permeability ⁇ increases over the length of about 90 m required for a core.
  • FIG. 23 shows in three views a wound toroidal core 38 of strip material with a length increasing over the length Permeability shown.
  • FIG. 25 schematically illustrates an alternative manner of controlling the permeability to that shown in FIG.
  • the initial value of 100 is not reduced as quickly as possible, but instead the permeability is reduced from 200 to 100 with the same steepness as in the increase, after the value of 100 is reached, then again increased from 100 to 200. This avoids the losses which arise when returning from the upper permeability value to the lower permeability value as in the procedure according to FIG. 21.
  • the modified winding technique required for this purpose is schematically illustrated in FIG. 26, wherein a distinction is made between the rising edge and the falling edge, that is to say between increasing permeability value and decreasing permeability value over the strip length.
  • the strip is then guided on a path 1 with subsequently increasing permeability by means of a switch 43 and with subsequent decreasing permeability on a path 2.
  • path 1 the winding takes place as in the case shown in FIG it is wound up at the path 2 via a cache, for example, a roll magazine and from there only to the actual core winding station, for example, a further core winding station 2 is performed.
  • Hysteresis curve 45 shown on tape strip the measurement on the core with constant permeability
  • curve 46 shows the measurement for the gradient core.
  • the curve 45 thus approximates by the spatial adjustment of the permeability to the hysteresis curve on the tape strip (curve 54).
  • sub-figure 27b shows that the permeability has been increased from 700 to about 1400 over 14 meters of strip material in a particular shape to achieve a spatial adjustment of core permeability, yielding the hysteresis curve 46 as a result.
  • FIG. 28 shows in a diagram the actual (thus measured) course of the permeability (45b, x-measurement points) and the predicted course (desired course 46a) of the permeability along the belt which is necessary for a core is.
  • the tensile stress in the strip material was changed on the basis of the predicted "target" permeability, so that the increase in permeability (measurement points 46b) shown in FIG. 28 results.
  • Optimized amorphous and nanocrystalline gradient band cores open up a comparatively large permeability range with high saturation flux and at the same time very precisely adjustable permeability. This makes them suitable for a wide variety of applications.
  • permeability values well above about 100 are also accessible for storage chokes, which opens up new possibilities for realizing chokes with comparatively low number of turns in order to reduce copper losses.
  • Ring band core choke 1
  • the tape permeability of a tension-tempered, amorphous or nanocrystalline tape behaves in a good approximation stepwise on the modulation, that is, there is a virtually linear B (H) curve to saturation, corresponding to a saturation constant permeability, the then drops extremely sharply (see Figure 6).
  • a core of typical dimensions wound from such constant permeability material exhibits an L (1 D c) characteristic with a broadly sloped, sloping shoulder at the control limit (see Figure 7). Accordingly, the effective B (H) curve of the core shows a significant rounding during the transition to saturation (see Figure 8).
  • Powder Core Threshold The permeability of powder cores behaves for various typical initial permeabilities ⁇ (internal diameter permeabilities) like the curves shown in FIGS. 15 and 16.
  • ⁇ internal diameter permeabilities
  • a L (l D c) trace is shown for a core of typical dimensions and material as compared to a core of the same size and material constructed of two concentric rings.
  • IDC L-IDC
  • amorphous cobalt nickel, iron-based alloys, for example all Vitrovac, Vitropernn alloys or also all iron-based alloys with the following composition range:
  • M stands for the elements: Mo, TA or Zr with 0 ⁇ (b + c) ⁇ 4 atom%
  • T stands for the elements: V, Mn, Cr, Co or Ni with 0 ⁇ d ⁇ 5 atom%
  • Z stands for the elements: C, P or Ge with 0 ⁇ z ⁇ 2 atom%.

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Abstract

Weichmagnetischer Kern, bei dem an mindestens zwei unterschiedlichen Stellen des Kerns auftretende Permeabilitäten unterschiedlich sind.

Description

Weichmagnetischer Kern mit ortsabhängiger Permeabilität
Die Erfindung betrifft Kerne aus weichmagnetischem Material beispielsweise zur Herstellung von Induktivitäten.
In elektronischen Steuergeräten wie beispielsweise Gleichstrom-Gleichstrom- Wandlern (DC-DC-Wandler) werden häufig Speicherdrosseln, Speicherübertrager oder Filterdrosseln mit niederpermeablem Kernmaterial etwa als induktive Energiespeicher verwendet. In den Kernen solcher induktiven Bauelemente können je nach Bauform stark inhomogene Feldverteilungen auftreten. Das Kernmaterial wird daher im Allgemeinen über den Ort nicht optimal ausgesteuert bzw. ausgenutzt. Selbst bei relativ hochsymmetrischen Ringkerndrosseln ist dies noch merklich der Fall und führt bei größerem Innen-zu-Außendurchmes- ser- Verhältnis zu weniger optimalen Lösungen, denn bei gegebenem Volumen wird die maximal mögliche Induktivität nicht erreicht bzw. bei gegebener Induktivität die kleinste oder kostengünstigste Lösung nicht erzielt.
Oben erwähnte Kernaussteuerungseffekte führen bei den heute üblichen Kernen mit homogener Permeabilitätsverteilung ebenfalls über partielle Sätti- gungseffekte auf aussteuerungsabhängige effektive Kernpermeabilitäten. Damit gehen merkliche Verschlechterungen der Bauelementeigenschaften wie etwa die Vergrößerung des Messfehlers bei Stromwandlern einher. Diese können derzeit nur durch eine entsprechende Überdimensionierung des Kerns aufgefangen werden, die einen Betrieb im verbreiterten Übergangsbereich in die Sät- tigung vermeidet, was wiederum die Kosten steigert.
Aufgabe der Erfindung ist es, weichmagnetische Kerne bereitzustellen, die gegenüber bekannten Kernen bei gleichem Volumen bessere Eigenschaften bzw. bei gleichen Eigenschaften ein geringeres Volumen aufweisen. Die Aufgabe wird gelöst durch einen weichmagnetischen Kern, bei dem an mindestens zwei unterschiedlichen Stellen des Kerns auftretende
Permeabilitäten unterschiedlich sind.
Unter dem Begriff„unterschiedliche Permeabilitäten" ist zu verstehen, dass die Differenz zweier Permeabilitäten größer ist als die durch Produktionstoleranzen und Messungenauigkeiten hervorgerufenen Differenzen. So kann beispielsweise das Verhältnis zwischen auftretender minimaler und maximaler Permeabilität größer als 1 :1 ,1 oder 1 :1 ,2 oder 1 :1 ,5 oder 1 :2 oder 1 :3 oder 1 :5 sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 schematisch einen weichmagnetischen Ringkern mit einem durch die
Ringkernöffnung geführten Leiter;
Figur 2 in einem Diagramm den Verlauf der Feldstärke und der radiallinearen Permeabilitätszunahme über den Kernradius;
Figur 3 in einem Diagramm die relative Induktivitätserhöhung bei radiallinearer Permeabilitätszunahme gegenüber einem konstanten Permeabilitätsverlauf;
Figur 4 in einem Diagramm die radiale Abhängigkeit des Induktivitätsbeitrags im Kern;
Figur 5 in einem Diagramm die Permeabilität über dem eine effektive Feldstärke erzeugendem Strom für ein erstes Fallbeispiel; Figur 6 in einem Diagramm die Permeabilität über dem eine effektive Feldstärke erzeugendem Strom für ein zweites Fallbeispiel; Figur 7 in einem Diagramm die effektive Permeabilität über der effektiven Feldstärke für den in Figur 5 gezeigten Fall; Figur 8 in einem Diagramm den magnetischen Fluss über der effektiven
Feldstärke für den in Figur 6 gezeigten Fall;
Figur 9 in einem Diagramm beispielhafte Messungen der geometrieabhängigen Verrundung der Fluss-Feldstärke-Schleife für Kerne mit kon- stanter Permeabilität bei verschiedenen Außen- und Innendurchmessern;
Figur 10 in einem Diagramm den Verlauf der Induktivität in Abhängigkeit vom
Gleichstrom durch den Leiter bei der in Figur 1 gezeigten Anordnung bei einer ersten Dimensionierung;
Figur 1 1 in einem Diagramm den Verlauf der Induktivität in Abhängigkeit vom
Gleichstrom durch den Leiter in der in Figur 1 gezeigten Anordnung für einer zweiten Dimensionierung;
Figur 12 in einer Tabelle Parameter der in Figur 1 gezeigten Anordnung für vier unterschiedliche Fälle;
Figur 13 in einem Diagramm den Verlauf der Induktivität in Abhängigkeit von dem Gleichstrom durch den Leiter der in Figur 1 gezeigten Anordnung für die im Zusammenhang mit Figur 12 aufgezeigten Fälle;
Figur 14 schematisch den Aufbau eines zweiteiligen Kernes mit gestuftem
Permeabilitätsverlauf; Figur 15 in einem Diagramm die Induktivität in Abhängigkeit von dem Gleichstrom durch den Leiter der in Figur 1 gezeigten Anordnung bei Verwendung eines zweiteiligen Kerns im Vergleich zu einem einteiligen Kern;
Figur 16 in einem Diagramm den Induktivitätsbeitrag über den mittleren
Durchmesser für einteilige und zweiteilige Kerne bei verschiedenen Stromstärken; Figur 17 in einem Diagramm die induzierte Anisotropie über der Zugspannung bei unterschiedlichen Wärmebehandlungen;
Figur 18 in einem Diagramm die Permeabilität in Abhängigkeit von der Zugspannung für verschiedene Wärmebehandlungen;
Figur 19 in einem Blockdiagramm eine Anordnung zur Herstellung eines Kernes mit variabler Kernpermeabilität;
Figur 20 den Verlauf der Permeabilität über der Feldstärke für einen mit der
Anordnung nach Figur 19 hergestellten Kern;
Figur 21 in einem Diagramm den Verlauf der Kernpermeabilität in Abhängigkeit von der Bandposition bei einem Verfahren zur Herstellung eines Bandes mit einer sich über die Bandlänge ändernden Permeabilität;
Figur 22 in einem Diagramm die Magnetisierung über der Feldstärke bei verschiedenen Ringbandkernen aus nanokristallinem Material mit zug- spannungsinduzierter Anisotropie; Figur 23 schematisch den Aufbau eines einteiligen gewickelten Kerns mit über dem Radius variierender Permeabilität; Figur 24 schematisch den Aufbau eines zweiteiligen Kerns mit gepressten und gewickelten Kernteilen; Figur 25 in einem Diagramm den Verlauf der Kernpermeabilität in Abhängigkeit von der Bandposition bei einem zu dem in Figur 21 gezeigten Verfahren alternativen Verfahren zur Herstellung eines Bandes mit einer sich über die Bandlänge ändernden Permeabilität; Figur 26 in einer schematischen Skizze eine Wickelanordnung zur Anwendung bei dem in Figur 25 gezeigten Verfahren;
Figur 27 in einem Diagramm den magnetischen Fluss in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke für einen beispielhaften Gradientenkern; und
Figur 28 in einem Diagramm den Verlauf der Permeabilität und der Kernfeldstärke über der Bandposition. Die vorliegende Erfindung erlaubt es über eine ortsabhängige Permeabilitätsanpassung eines beliebig geformten Magnetkernes für den jeweiligen Anwendungsfall optimierte Lösungen bereitzustellen und so beispielsweise volumenreduzierte bzw. kostengünstigere Kerne zu ermöglichen. Je nach Geometrie der Kerne können so beispielsweise wie bei Ringkernen im Idealfall einige 10% In- duktivitätserhöhung bei gleichem Kernvolumen erreicht werden. Damit verbunden ist auch, dass solche Kerne einen deutlich schärferen Übergang von linearem Hysteresebereich in die Sättigung bzw. einen vergrößerten Aussteuerungsbereich mit konstanter bzw. weniger stark variierender Permeabilität aufweisen. Dabei öffnet sich auch die Möglichkeit, gezielt verrundete, effektive Hystereseformen durch entsprechend gesteuerte Abweichungen vom Idealfall einzustellen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Ortsabhängigkeit der Kern- Permeabilität den aus der geometrischen Form des Bauelements resultierenden inhomogenen Feldverteilungen angepasst wird. Damit werden ungleichmäßig über das Kernvolumen einsitzende Sättigungseffekte minimiert oder sogar vermieden. Je nach verwendetem Kernmaterial und Kernform wird dies auf ver- schiedene Weise erreicht. Gebräuchliche Kernformen sind beispielsweise Ringform, U-Form, I-Form oder Ähnliches.
Bei Ringkernen fällt die magnetische Feldstärke H invers mit dem Radius r ab, so dass
H = Ν Ι/(2ΤΤΓ) ist, wobei N die Windungszahl eines durch die Kernöffnung geführten Leiters und I die Stromstärke des diesen Leiter durchfließenden Stromes ist. Eine sol- che Anordnung ist in Figur 1 gezeigt, wobei ein Leiter 1 mit der Windungszahl N = 1 durch die Öffnung eines Ringkerns 2 geführt ist. Der Kern 2 hat einen die Öffnung definierenden Innendurchmesser D,, einen Außendurchmesser Da sowie eine Höhe h auf. Der oben erwähnte Feldstärkeabfall führt dazu, dass ein homogenes Magnetkernmaterial nach außen hin immer weniger stark auf sei- ner materialtypischen feldstärkeabhängigen Flusskurve, auch als B(H)-Kurve (magnetische Flussdichte B, Feldstärke H) bekannt, ausgesteuert wird. Grob vereinfacht können also die Innenbereiche des Kerns bereits nahe oder in der Sättigung, also mit entsprechend reduzierter Wirkung arbeiten, während die Außenbereiche nur schwach ausgesteuert sind. Dieser Effekt ist umso ausge- prägter je größer das Verhältnis von Außendurchmesser zu Innendurchmesser ist. In guter Näherung gilt, z.B. für Höhe h— bzw. =J(1/2nr)- o-M(r)-l)-h-dr im Falle konstanter Permeabilität:
L = Φ/Ι = (MoMh)/2TT)-ln(Da/Di) im Falle radial-linearer Permeabilitätszunahme: L = Φ/Ι = (MoMih/2TT)-(Da/Di-1 ) wobei μ(Γ)= ( JD^-r.
Dabei ist Φ der magnetische Fluss, μο ist die magnetische Feldkonstante, μ die Permeabilität, μ, die Permeabilität am Innendurchmesser D, und μ(Γ) für die ra- dial-lineare Permeabilitätszunahme.
Dem geschilderten Problem kann begegnet werden, indem die Permeabilität des Kernmaterials nach außen hin zunehmend gestaltet wird. Damit kann die Energiedichte in den radial weiter außen gelegenen Kernschichten und somit ihr Induktivitätsbeitrag deutlich erhöht werden.
Figur 2 zeigt hierzu in Abhängigkeit von dem Radius r für einen Kern mit einem Innendurchmesser D, = 30mm und einem Außendurchmesser Da = 60mm zum Einen den Verlauf des Magnetfeldes als Magnetfeldstärke H über dem Radius r (Kurve 3) eine mögliche Anpassung der Permeabilität μ (Kurve 4). Wie die Kurve 3 zeigt sind stark unterschiedliche Feldstärken H in radialer Richtung wirksam. Das Magnetmaterial wird dementsprechend verschieden stark ausgesteuert. Mit einem entsprechend gegengesetzten Verlauf der Permeabilität μ können die in Radialrichtung unterschiedlich wirksamen Feldstärken H kompensiert werden. Bezogen auf die lokal gültige B(H)-Kurve werden nun alle Kernbereiche ähnlich angesteuert und es ergibt sich insgesamt eine optimierte stromabhängige Induktivitätsaussteuerungskurve, wie etwa die L(ldc)-Aussteuerungs- kurve (Induktivität L in Abhängigkeit von dem sie durchfließenden Gleichstrom IDC) einer Drossel, d.h. mit erhöhten Induktivitätswerten bei kleinen Aussteue- rungen und minimierten, häufig gar nicht genutzten Induktivitätswerten bei Aussteuerungen über dem geforderten Betriebsbereich.
Figur 3 zeigt hierzu die relative Induktivitätserhöhung bei radial-linearer Permeabilitätszunahme gegenüber einer konstanten Permeabilität in Abhängigkeit vom Verhältnis Außendurchmesser Da zu Innendurchmesser D,. Daraus ist zu ersehen, dass bei kleinen Da/Di-Verhältnissen nur ein moderater Vorteil von bis zu ca. 30% bei typischen Kernen auftritt. Ein beachtliches Potential stellt sich jedoch bei Kernen heraus, bei denen die Verhältnisse größer sind (ab einem
Figur 4 zeigt den Zugewinn an Gesamtinduktivität abhängig vom Radius r, d. h. die Differenz zwischen einem Kern mit radial-linear zunehmenden Permeabilität (r) und einem Kern mit konstanter Permeabilität μ = max(Di). Dem in Zusammenhang mit Figur 4 erläuterten Beispiel wurde ein Kern zugrunde gelegt, bei dem der Außendurchmesser Da = 24mm, der Innendurchmesser D, = 6mm, die Höhe h = 20mm und der Sättigungsfluss Bs = 1 ,2T betragen hat. Wie allein schon qualitativ der Figur 4 zu entnehmen ist, nimmt mit zunehmendem Radius der Zugewinn deutlich zu.
Die Auswirkungen der 1/r Feldstärkeaussteuerung für einen Bandkern mit Au- ßendurchmesser Da = 25mm, Innendurchmesser D, = 15mm und einer Höhe h = 10mm ist in den Figuren 5 und 6 dargestellt. Hierbei ist jeweils die im Kern wirksame Permeabilität μ als Funktion der Kernaussteuerung lDc prop. HDc,eff aufgelöst nach verschiedenen Kernbereichen bzw. Kernschalen vom Durchmesser D angegeben. Die Figur 5 zeigt hierbei den Fall, bei dem die Permeabi- lität μ = 1000 ist für eine Feldstärke H kleiner oder gleich einer Sättigungsfeldstärke HSAT und die ansonsten 1 ist. Für verschiedene Durchmesser D der Kernschalen, beispielswese mit Werten zwischen D = 15 und D = 25, zeigt sich eine deutliche Auffächerung des Eintritts der Sättigung über den Kern. Figur 6 zeigt den Fall, bei dem die Permeabilität μ vom Radius r abhängig ist für ver- schiedene Kernschalendurchmesser D = 15...25 mm. Daraus ist zu ersehen, dass eine optimale radiale Permeabilitätsabhängigkeit zu einem einheitlichen Übergang in die Sättigung führt.
Die Figuren 7 und 8 zeigen die (HDc)-Verläufe und die L(lDc)-Verläufe, d.h. die effektive Permeabilität und die L(ldc)-Aussteuerungskurve (Induktivität L in Abhängigkeit von dem sie durchfließenden Gleichstrom lDc) für den im Zu- sammenhang mit den Ausführungsbeispielen nach Figuren 5 und 6 verwendeten gewickelten Bandkernen. Figur 7 zeigt dabei wiederum den Fall μ=1000 für und ansonsten 1 , wobei HSAT die Sättigungsfeldstärke ist. Figur 8 betrifft den Fall (r) = a-r, wobei a ein konstanter Proportionalitätsfaktor ist. In Figur 7 ist hierzu die effektive Permeabilität über der effektiven Feldstärke Heff und bei dem in Figur 8 gezeigten Diagramm ist die Flussdichte B über der effektiven Feldstärke Heff aufgetragen ist. Aus den Figuren 7 und 8 ist sofort zu erkennen, dass sich ein deutlich verbreiterter Übergang in die Sättigung für einen Kern mit konstanter Permeabilität einstellt. Mit radial-linear zunehmender Permeabilität kann hingegen zum Einen eine gleichbleibende Induktivität für merklich höhere Felder (Drosselströme) bereitgestellt werden und der Bereich mit konstanter Permeabilität kann deutlich vergrößert werden wie dies etwa bei Stromsensoranwendungen von Vorteil ist. In Figur 9 ist in einem Diagramm ein Beispiel für die geometrieabhängige
Verrundung der B(H)-Schleife für Kerne mit konstanter Permeabilität μ bei verschiedenen Außen- und Innendurchmessern gezeigt. Wie sich daraus ersehen lässt, bestätigen die experimentellen Beobachtungen, deren zugehörige Messpunkte mit den Symbolen O,□ und xfür 3 verschiedene Außen- und
Innendurchmessverhältnisse dargestellt sind(Kurven 7), mit guter Übereinstimmung die Modellvoraussagen dargestellt durch unterbrochene Linien für die 3 verschiedenen Außen- und Innendurchmesserverhältnisse. Das eingefügte Bild in Figur 9 zeigt als Kurven 8 eine vergrößerte Darstellung der Verhältnisse im Bereich des Abknickens zur magnetischen Sättigung bei den Kurven 7.
In den Figuren 10 und 1 1 ist ein weiteres Beispiel für den stromabhängigen Induktivitätsverlauf (L(lDc)-Verlauf) gezeigt wobei von einem Kern mit einem Außendurchmesser Da=24mm, eine Höhe h=20mm sowie einen Sättigungsfluss Bs=1 ,2T bei einer Windungszahl von N=1 ausgegangen wurde. Ziel ist es da- bei, den Induktivitätswert L für Ströme IDC bis ca. 200A konstant zu halten. Figur 10 zeigt dabei den Fall, bei dem der Innendurchmesser D, = 6mm und damit Da/Di = 4 ist. Die Permeabilität μ, = μ(ϋ,) beim Innendurchmesser D, beträgt 90 und die Permeabilität μ3 = μ(ϋ3) am Außendurchmesser Da beträgt 360. Hierbei wird wiederum unterschieden zwischen einem Kern mit konstantem Permeabilitätsverlauf (Kurve 10) und einem Kern mit angepasstem Permeabilitätsverlauf (Kurve 1 1 ). Der Innendurchmesser D, beträgt im vorliegenden Fall 6mm.
Auch bei dem in Figur 1 1 gezeigten Diagramm wird zwischen einem Kern mit konstantem Permeabilitätsverlauf (Kurve 1 1 ) und einem Kern mit variablem Permeabilitätsverlauf (Kurve 12) unterschieden, wobei hierbei jeweils ein Kerninnendurchmesser von Di = 16mm verwendet wird. Somit ergibt sich hier ein Da/Di-Verhältnis von 1 ,5 mit einer Permeabilität μ, = μ(ϋ,) am Innendurchmesser Di von 240 und einer Permeabilität μ3 = μ(ϋ3) am Außendurchmesser Da von 360.
In der in Figur 12 gezeigten Tabelle sind vier Kerne einander gegenüber gestellt, wobei sämtliche Kerne einen Innendurchmesser von D, = 6mm und eine Höhe h = 25mm aufweisen. Es handelt sich dabei um einen CSC-MF- Kern 13 mit einer über den Radius konstanten Permeabilität μ = μ, = 90, einen CSC-HF- Kern 14 mit einer über den Radius r konstanten Permeabilität μ = μ, = 160, einen Kern VP mit einer über den Radius r konstanten Permeabilität μ = μ, = 66 und einen Kern VP mit variabler Permeabilität μ = μ(Γ) zwischen 66 und 191 . Die Tabelle enthält zu den einzelnen Kernen den jeweiligen Außendurchmesser Da, das jeweilige Kernvoluminen, den jeweils genutzten Permeabilitätsbereich bei maximalem Strom lmax sowie die Sättigungsflussdichte Bs. Die Kerne sollen beispielsweise zur Herstellung von Filterdrosseln mit einer Windung verwendet werden, deren angestrebte Induktivitätswerte bei Gleichstrom 500mH und bei 250A > 350mH sein sollen. Den Verlauf der Induktivität L über den durch die Drossel fließenden (Gleich-) Strom lDc ist in Figur 13 dargestellt. Wie daraus zu ersehen ist, kann trotz niedrigerer Sättigungsmagnetisierung Bs die Spezifikati- on mit niederpermeablem VP mit kleinerem Volumen gut erfüllt werden (vergleiche Kurven zu Kernen 13 bis 16).
In Figur 14 ist ein Kern dargestellt, der bereichsweise unterschiedliche
Permeabilitäten aufweist. Der dort gezeigte Kern 17 ist zweiteilig ausgeführt derart, dass zwei ringförmige Ringteile 17a und 17b konzentrisch ineinander eingepasst sind. Jedes der beiden Kernteile 17a und 17b hat für sich eine homogene Permeabilitätsverteilung, jedoch sind die Permeabilitäten einander gegenüber unterschiedlich, das heißt der innere Kernteil 17a hat eine geringere Permeabilität als der äußere Kernteil 17b. Im vorliegenden Fall sind beide Kernteile 17a und 17b Pulverkerne, jedoch können die beiden Kerne in beliebiger Weise unterschiedlich hergestellt sein (vergleiche auch Figur 24 und zugehörige Beschreibung). In Figur 15 sind die Induktivitätsverläufe eines wie in Figur 14 gezeigten optimierten, zweiteiligen Kerns (Kurve 18) und eines üblichen einteiligen Kerns (Kurve 19) einander gegenüber gestellt. Die gezeigten Kurven 18 und 19 beruhen dabei auf einem FeSi-Pulverkern mit einem Außendurchmesser Da = 47mm, einem Innendurchmesser D, = 24mm und einer Höhe h = 18mm. Die Permeabilität μ,3 am Innendurchmesser des Kernteils 17a beträgt 60 und die Permeabilität ib am Innendurchmesser des Kernteils 17b beträgt 90. In Figur 16 sind die Induktivitätsbeiträge über den Kerndurchmesser für einteilige und zweiteilige Kerne bei Strömen von 0A, 10A und 20A als Kurven 20 bis 25 dargestellt. Auch hieraus ist die Überlegenheit der Kerne mit radial sich ändernder Permeabilität sofort ersichtlich.
Anstelle eines mehrteiligen Magnetkerns mit sich schrittweise ändernder Permeabilität wie in Figur 14 gezeigt kann auch ein Pulverkern mit sich kontinuierlich ändernder Permeabilität hergestellt werden, in dem in eine Form schicht- weise Materialien von unterschiedlicher Permeabilität eingebracht wird oder zwei Materialien mit jeweils konstanter, untereinander aber unterschiedlicher Permeabilität (insbesondere eines der Materialien mit μ=0) mit in radialer Richtung unterschiedlichen Mischungsverhältnissen gemischt werden. Darüber hinaus ist es aber auch möglich, einen Kern mit sich kontinuierlich ändernder Permeabilität durch Wickeln eines Bandes mit sich über der Länge ändernder Per- meabilität zu erreichen. Ein Band mit sich über die Länge ändernder Permeabilität kann beispielsweise unter Ausnutzung zugspannungsinduzierter Anisotropie hergestellt werden. Bei gewickelten Bandkernen kann durch Verwendung einer Durchlaufwärmebehandlung des Bandes unter Zugspannung bei den weiten Grenzen variierbares Permeabilitätsprofil μ(Ι) entlang der Bandlaufrichtung I sehr genau eingestellt werden. Insbesondere kann das Permeabilitätsprofil so gewählt werden, dass sich beim Aufwickeln des Bandes die gewünschte radial zunehmende (r)-Funktion am fertigen Kern einstellt. In einer gekoppelten„In- Line"-Kernproduktion kann die Kernaufwicklung direkt der Wärmebehandlung des Bandes (Bandtemperung) unter Zug folgen und somit per Zugregelung aktiv auf die aktuelle, radial abhängige Permeabilitätsanforderung geregelt werden. Alternativ kann auch eine von der Bandherstellung vollständig entkoppelte Kernwicklung aus Bändern mit verschiedenen konstanten Permeabilitäten realisiert werden. Entsprechend automatisierte Wickelmaschinen können aus verschiedenen Magazinen Bänder mit unterschiedlichen Permeabilitäten beziehen und sukzessive verarbeiten. Nach diesen Verfahren können allerdings nur gestufte und keine radialkontinuierlichen Variationen im Kern erzeugt werden.
Den Verlauf der induzierten Anisotropie Κμ über der Zugspannung σ ist in Figur 17 dargestellt für unterschiedliche Wärmebehandlungen. Den zugehörigen Permeabilitätsverlauf μ über der Zugspannung σ zeigt Figur 18. Die Permeabilität hängt dabei folgendermaßen von der Vakuumpermeabilität μ0 des Bandes, dessen induzierter Anisotropie Ku sowie der Sättigungsflussdichte Bs folgendermaßen ab: μ=0,5-Β5 2/(μ0Κυ). Figur 19 zeigt schematisch eine Vorrichtung 26 zum Herstellen von weichmagnetischem Streifenmaterial. Diese umfasst eine eingangsseitige Materialzuführung 27 zum Bereitstellen von bandförmigem Material 39, eine Wärmebehandlungsvorrichtung 28 zur Wärmebehandlung des ihm zugeführten bandförmigen Materials 39 zur Erzeugung eines wärmebehandelten Bandmaterials 40, eine Spannvorrichtung 30, 31 , 32, 33, welche ausgebildet ist, eine Zugkraft in das bandförmige Material 39 einzuleiten und eine Zugspannung in dessen Bandlängsachsenrichtung zumindest im Bereich der Wärmebehandlungsvorrichtung 28 zu erzeugen. Die Spannvorrichtung 30, 31 , 32, 33 ist zum Variieren der Zug- kraft steuerbar ausgebildet.
Die Vorrichtung 26 umfasst außerdem eine Messanordnung 33 zum Bestimmen der Permeabilität des erzeugten weichmagnetischen Streifenmaterials 40 sowie eine Regelungseinheit 34 zum Steuern der Spannvorrichtung 30, 31 , 32, wobei die Regelungseinheit 32 derart ausgebildet und mit der Messanordnung 31 gekoppelt ist, dass die Spannvorrichtung 30 die Zugkraft in Reaktion auf die festgestellte Permeabilität μ gegenüber einem vorgegebenen (gewünschten) Referenzwert regelt. Bei der gezeigten Ausgestaltung umfasst die Spannvorrichtung 30, 31 , 32 zwei miteinander gekoppelte S-förmige Rollenantriebe 30, 32 sowie eine Tänzerregelung 31 . Die Geschwindigkeiten der Rollenantriebe 30 und 32 werden dabei so von der Regelungseinheit 34 gesteuert, d.h. eingestellt, dass sich die gewünschte Zugspannung in Abhängigkeit von der mittels der Messanordnung 33 festgestellten Permeabilität im Bandmaterial 39 (und 40) aufbaut. Die Tänzerregelung 31dient dazu, kurzzeitige Geschwindigkeitsschwankungen auszugleichen.
Zusätzlich kann die Vorrichtung 26 einen Magnetfeldgenerator 29 aufweisen, der mindestens ein Magnetfeld zur Magnetfeldbehandlung des wärmebehandelten Bandmaterials erzeugt wie zum Beispiel ein Magnetfeld senkrecht zur Bandlaufrichtung, auch bekannt als Querfeld. Ebenfalls optional kann eine Wickeleinheit 35 mit mehreren Wickeldornen 36 auf einer drehbaren Revolverplat- te 37 zum Aufwickeln jeweils eines definierten Abschnitts des erzeugten Bandmaterials 40. Die Wickeleinheit 35 kann dabei einen zusätzlichen S-förmigen Rollenantrieb 38 aufweisen, der das behandelte Bandmaterial, also das Streifenmaterial 40 dem jeweiligen Wickeldorn 36 zuführt.
Figur 20 zeigt den Zusammenhang zwischen einer in das bandförmige Material 39 mittels einer Zugkraft F eingeleiteten Zugspannung und daraus resultierender Anisotropie Ku und Permeabilität μ. Eine lokal in dem bandförmigen Material 39 auftretende Zugspannung σ ergibt sich dabei aus der anliegenden Zug- kraft F und einer lokalen magnetischen Querschnittsfläche AFe (Materialquerschnitt) zu σ = F/AFe, so dass eine induzierte Anisotropie Ku in Querrichtung zu dem längs erstreckten bandförmigen Material 39 in Abhängigkeit von der Zugspannung σ ansteigt. Die Permeabilität μ wird über die erzeugte Zugspannung σ eingestellt und ergibt sich aus der mittleren Steigung der Hystereseschleife bzw. aus der Sättigungsflussdichte Bs bzw. der magnetischen Feldstärke H nämlich der
Anisotropiefeldstärke HA, sowie der magnetischen Feldkonstanten μ0 in Verbindung mit der Anisotropie Ku wie oben in Zusammenhang mit Figur 17 erläutert.
Liegt also beispielsweise herstellungsbedingt eine schwankende Dicke des bandförmigen Materials vor, so schwankt entsprechend bei Annahme einer gleichbleibenden Breite die lokale Querschnittsfläche AFe und mit ihr bei konstanter Zugkraft F die anliegende Zugspannung σ. Diese wiederum bewirkt eine entsprechende Änderung der induzierten Anisotropie Ku, welche über die genannten Zusammenhänge die Permeabilität μ entsprechend beeinflusst, so dass sich auch diese über die Länge des aus dem bandförmigen Material 39 erzeugten weichmagnetischen Streifenmaterials 40 verändert. Bei einem Bandherstellungsverfahren kann somit beispielsweise vorgesehen werden, dass das Bandmaterial von einem Magazin abgewickelt und durch einen röhrenförmigen Wärmebehandlungsofen gezogen und unter Zugspannung entlang der Bandlängsachse gesetzt wird. Bei Glühtemperaturen über der Kris- tallisationstemperatur kann das anfänglich amorphe Material in der Wärmebehandlungszone in einen nanokristallinen Zustand übergehen, der in diesem Fall für die hervorragenden weichmagnetischen Eigenschaften des auslaufenden Bandes (Streifenmaterial) verantwortlich ist. Über die anliegende Zugspannung wird eine Queranisotropie im Magnetmaterial induziert, so dass das auslaufen- de weichmagnetische Band (Streifenmaterial) eine ausgeprägt flache
Hystereseschleife mit eng tolerierter Permeabilität μ (im Bereich von 10.000 bis unter 100 bei Messrichtung entlang der Bandachse) aufweist. Dabei ist das erreichbare Niveau der Permeabilität μ bzw. die induzierte Anisotropie Ku der angelegten Zugspannung im Band proportional. Diese Zusammenhänge sind in den Figuren 17 und 18 für die nanokristalline Legierung VP800 der Vacuum- schmelze anschaulich dargestellt.
Im Anschluss wird der beispielsweise nun nicht mehr unter Zugspannung stehende Bandstreifen durch die Messanordnung 33 geführt, welche in Echtzeit die Permeabilität μ (und ggf. noch andere Größen wie etwa Bandquerschnitt, Koerzitivfeld, Remanenzverhältnis, Verluste, etc.) misst. Mit der Kenntnis dieser Werte wird am Ende des Prozesses das kontinuierlich laufende Band zu einem Ringbandkern verarbeitet, in dem immer eine bestimmte Länge des Magnetbandes auf einem Wickeldorn abgewickelt wird.
Mit der beschriebenen Technologie kann also weichmagnetisches Bandmaterial mit verschiedensten Permeabilitätniveaus mit extrem geringen Abweichungen vom Sollpermeabilitätswert über die gesamte Bandlänge hergestellt werden, wobei die Permeabilität gezielt über gewisse Bandlängenbereiche abfallen oder ansteigen zu lassen, um wie oben erwähnt einen gewünschten radialvariablen Permeabilitätsverlauf entlang des Bandes für jeden Kerntyp praktisch kontinuierlich einzustellen. Mit Hilfe der für den Regelprozess notwendigen Messanordnung kann man auch fortlaufend Informationen über den magnetischen Bandquerschnitt (lokales AFe des Bandes) erhalten. Kombiniert man geregelte Permeabilität und Information über den Bandquerschnitt und setzt an das Ende einen Kernwickelprozess, so erhält man Ringbandkerne mit vorgegebenen Permeabilitätsverlauf und sehr geringen Exemplarstreuungen bezüglich des AFe-Wertes des Kerns.
Das in Figur 21 gezeigte Diagramm veranschaulicht beispielhaft, wie die Kern- permeabilität durch Permeabilitätsvariation über die Lauflänge gesteuert werden kann. Ausgegangen wird dabei von einem Kern von 30mm Höhe und 60mm mittlerem Durchmesser. Die Permeabilität beträgt am inneren Umfang 100 und am äußeren Umfang 200, so dass sich eine mittlere Permeabilität m von 150 ergibt. Dabei ist die jeweilige (angepasste) Permeabilität μ über der Bandlänge angegeben. Die Regelung der Zugspannung erfolgt dabei so, dass die Permeabilität μ über die für einen Kern benötigte Länge von ca. 90m ansteigt. Bei Erreichen der 90 Meter Marke wird die Permeabilität von μ = 200 möglichst rasch zurück auf μ = 100 zurückgefahren, damit der Steuerungspro- zess für den nächsten Kern von Neuem beginnen kann.
Figur 22 zeigt die Magnetisierung J über der magnetischen Feldstärke A für verschiedene Ringbandkerne aus nanokristallinem Material mit zugspannungs- induzierter Anisotropie für einen Permeabilitätsbereich von μ = 2000 bis 60. In Figur 23 ist in drei Ansichten ein gewickelter Ringkern 38 aus Bandmaterial mit über der Länge ansteigenden Permeabilität gezeigt.
Bei einer in Figur 24 gezeigten Weiterbildung wird ein Pulverkernteil 39a mit beispielsweise homogener Permeabilitätsverteilung verwendet, auf das dann Bandmaterial mit über der Länge ansteigendem Permeabilitätswert einen gewickelten Kernteil 39b ergebend aufgewickelt wird. In Figur 25 ist eine zu der in Figur 21 gezeigten Vorgehensweise alternative Art der Steuerung der Permeabilität schematisch dargelegt. Dabei wird nach dem Erreichen des oberen Permeabilitätswertes von 200 nicht möglichst schnell auf den Anfangswert von 100 zurückgefahren, sondern es wird mit der betragsmäßig gleichen Flankensteilheit wie beim Anstieg die Permeabilität von 200 auf 100 zurückgefahren, nachdem der Wert von 100 erreicht ist, wird dann wiederum von 100 auf 200 hochgefahren. Damit werden die Verluste, die beim Zurückfahren vom oberen Permeabilitätswert zum unteren Permeabilitätswert wie bei der Vorgehensweise nach Figur 21 entstehen, vermieden.
Allerdings wird dann eine abgeänderte Wickeltechnik notwendig. Die dazu benötigte geänderte Wickeltechnik ist in Figur 26 schematisch erläutert, wobei zwischen der steigenden Flanke und der fallenden Flanke, das heißt zwischen anwachsendem Permeabilitätswert und abfallendem Permeabilitätswert über die Bandlänge unterschieden wird. Jeweils an den Umkehrpunkten der Permeabilität wird mittels einer Weiche 43 daher das Band bei nachfolgend ansteigender Permeabilität auf einem Pfad 1 geleitet und bei nachfolgend abfallender Permeabilität auf einem Pfad 2. In Pfad 1 erfolgt das Aufwickeln wie bei dem in Figur 19 gezeigten Fall direkt, während es beim Pfad 2 über einen Zwischenspeicher beispielsweise ein Rollenmagazin aufgewickelt wird und von dort erst zum eigentlichen Kernwickelplatz, beispielsweise einem weiterem Kernwickelplatz 2 geführt wird. Figur 27 zeigt im Rahmen eines Ausführungsbeispiels Vergleichsmessungen zwischen einem Gradienten kern und einem Kern mit konstanter Permeabilität (μ=1000) jeweils mit den Abmessungen 13mm x 25mm (Innendurchmesser x Außendurchmesser) und einer Kernhöhe von 6,1 mm. Bei einem solchen Kern mit einem Außen-zu-Innendurchmesserverhältnis von knapp 2 kann der geo- metrisch bedingte Einmündungseffekt in die magnetischen Sättigung sehr schön beobachtet werden (Kurve 47) Im Einzelnen ist die idealisierte Hysteresekurve 45 am Bandstreifen gezeigt. Die Kurve 47 zeigt die Messung an dem Kern mit konstanter Permeabilität und Kurve 46 zeigt die Messung für den Gradientenkern. Die Kurve 45 nähert sich somit durch die räumliche Anpassung der Permeabilität an die Hysteresekurve am Bandstreifen (Kurve 54) an. In der zur Kurve 47 zugehörigen Teilfigur 27a ist zu erkennen, dass die Permeabilität, über die für den Kern notwendigen 17 Meter Bandmaterial, konstant gehalten wurde. Im Gegensatz dazu zeigt die Teilfigur 27b, dass die Permeabilität von 700 auf ca. 1400 über 14 m Bandmaterial in einer speziellen Form erhöht wurde, um eine räumliche Anpassung der Permeabilität am Kern zu erreichen, die als Resultat die Hysteresekurve 46 ergibt.
Zu dem oben im Zusammenhang mit Figur 27 erläuterten Ausführungsbeispiel zeigt Figur 28 in einem Diagramm den tatsächlichen (also gemessenen) Verlauf der Permeabilität (45b, x-Messpunkte) und den vorausberechneten Verlauf (Sollverlauf 46a) der Permeabilität entlang des Bandes welches für einen Kern notwendig ist. Während des Durchlaufglühprozesses wurde die Zugspannung im Bandmaterial anhand des vorausberechneten "Soll"-Verlaufes der Permeabilität so verändert, dass der in Fig. 28 gezeigte Anstieg der Permeabilität (Messpunkte 46b) entsteht.
Optimierte amorphe und nanokristalline Gradientenbandkerne erschließen bei großem Sättigungsfluss und gleichzeitig sehr genau einstellbarer Permeabilität einen vergleichsweise großen Permeabilitätsbereich. Dies macht sie für verschiedenste Anwendungen einsetzbar. Für Speicherdrosseln werden damit ins- besondere auch Permeabilitätswerte deutlich oberhalb von ca. 100 zugänglich, was neue Möglichkeiten erschließt, Drosseln mit vergleichsweise niedrigeren Windungszahlen zu realisieren, um Kupferverluste zu reduzieren. Für hochlineare gleichspannungstolerante Stromwandler ist der Permeabilitätsbereich von mehreren 100 bis zu wenigen 1000 interessant, da die unter Zugspannung wärmebehandelten Bänder aussteuerungsunabhängig einen nahezu konstante Permeabilität bis hin zur Sättigung aufweisen (μ(Η) = konstant) und diese Eigenschaft auch für den kompletten Kern erhalten werden kann (vgl. Figur 9).
Erstes Anwendungsbeispiel: Ringbandkern-Drossel:
Die Bandpermeabilität eines zugspannungsgetemperten, amorphen oder nano- kristallinen Bandes verhält sich in guter Näherung stufenförmig über die Aussteuerung, das heißt, es liegt eine praktisch lineare B(H)-Kurve bis hin zur Sättigung vor, entsprechend einer bis zur Sättigung konstanten Permeabilität, die dann extrem stark abfällt (vgl. Figur 6). Ein aus solchem Material mit konstanter Permeabilität gewickelter Kern mit typischen Abmessungen zeigt eine L(lDc)- Charakteristik mit einer breit ausgeschmierten, abfallenden Schulter an der Aussteuerungsgrenze (vgl. Figur 7). Dementsprechend zeigt die effektive B(H)- Kurve des Kerns eine merkliche Verrundung beim Übergang in die Sättigung (vgl. Figur 8). Wählt man dagegen ein radial anwachsendes Permeabilitätsprofil, das heißt (r)=a*r (mit a* = konstant) kann man im Grenzfall optimaler Anpassung auch für den kompletten Kern die ursprüngliche Bandcharakteristik beibehalten. Weiterhin bleibt nur der Permeabilitätswert und damit der Induktivitätswert bis hin zur Sättigung auf einheitlichem Maximalwert. Sollte dieser scharfe Übergang nicht erwünscht sein, können auch gezielt vom Optimum abweichende Zwischenzustände eingestellt werden.
Zweites Anwendungsbeispiel: Pulverkern-Drossel Die Permeabilität von Pulverkernen verhält sich für verschiedene, typische Initialpermeabilitäten μ, (Permeabilitäten am Innendurchmesser) wie die in Figur 15 und 16 gezeigten Verläufe. In Figur 16 wird ein L(lDc)-Verlauf für einen Kern mit typischen Abmessungen und aus typischem Material im Vergleich zu einem aus zwei konzentrischen Ringen aufgebauten Kern gleicher Abmessung und gleichem Material gezeigt. Auch hier kann eine Optimierung bezüglich der L(lDc)-Charakteristik erreicht werden. Die Hauptanwendung für die hier beschriebene Kernoptimierung werden hauptsächlich gewickelte, rotationssymmetrische Ringbandkerne betreffen, da diese eine vergleichsweise einfache räumliche Anpassung der Kernpermeabilität er- fordern mit verhältnismäßig moderaten Permeabilitätsveränderungen entlang der Bandlauflänge. Denkbar ist aber auch ein Einsatz des Verfahrens bei U- Kernen, bei I-Kernen und bei Kernen anderer Form, wobei die Permeabilitätsvariation entlang Bandlauflängen dann auf weit kürzeren Distanzen erfolgen muss, um die Feldstärkeinhomogenitäten an den Innenecken zu kompensieren.
Die Aussichten, zugspannungsgetempertes Bandmaterial mit niedrigsten Permeabilitäten (Permeabilitätswerte um und unter 50) herzustellen, sind begrenzt. Umgekehrt gibt es oberhalb von μ,=90 bzw. 160 mehr geeigneten Pul- verkernwerkstoff. Es könnte daher sinnvoll sein, kombinierte Band- und Pulver- ringkerne einzusetzen, also mit einem innenliegenden niederpermeablen Pulverkern und einem außenliegenden, höher permeablen unradial permeabilitäts- angepassten Bandkern wie etwa in Figur 24 gezeigt. Bandkerne können bei einwindigen Drosseln direkt auf einen stapeiförmigen Kupferleiter gewickelt werden und dann beispielsweise durch Ummolden oder einen übergeschobe- nen und zu vergießenden Trog fixiert werden.
Folgende Materialen können für einen solchen Prozess als geeignete Kern- werkstoffe angesehen werden: amorphe Kobalt-, Nickel-, Eisen-Basis- Legierungen die beispielsweise alle Vitrovac, Vitropernn-Legierungen oder auch alle Eisen-Basis-Legierungen mit folgendem Zusammensetzungsbereich:
Fei00-a-b-c-d-x-y-z CUaNbbMcTdSixByZz
mit: 10 < x < 18 Atom%; 5 < y <1 1 Atom%; 0 < a < 1 ,5 Atom%; 0 < b < 4 Atom% M steht für die Elemente: Mo, TA oder Zr mit 0 < (b+c) < 4 Atom%
T steht für die Elemente: V, Mn, Cr, Co oder Ni mit 0 < d < 5 Atom%
Z steht für die Elemente: C, P oder Ge mit 0 < z < 2 Atom%.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Weichmagnetischer Kern, bei dem an mindestens zwei unterschiedlichen Stellen des Kerns auftretende Permeabilitäten unterschiedlich sind.
2. Weichmagnetischer Kern nach Anspruch 1 , bei dem der Kern ringförmig ausgebildet ist.
3. Weichmagnetischer Kern nach Anspruch 2, bei dem der Kern einen radial sich ändernden Permeabilitätsverlauf aufweist.
4. Weichmagnetischer Kern nach Anspruch 3, bei dem der Kern aus einem weichmagnetischen Band gewickelt ist und das Band einen sich über die Band- länge ändernde Permeabilität aufweist.
5. Weichmagnetischer Kern nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Kern mindestens zwei aneinander gefügte weichmagnetische Elemente aufweist.
6. Weichmagnetischer Kern nach Anspruch 5, bei dem die magnetischen Elemente in sich homogene Permeabilitätsverteilungen, jedoch einander gegenüber unterschiedliche Permeabilitäten aufweisen.
7. Weichmagnetischer Kern nach Anspruch 5, bei dem von den magneti- sehen Elementen eines eine in sich inhomogene Permeabilitätsverteilung aufweist und das andere einen radial sich ändernden Permeabilitätsverlauf aufweist.
8. Weichmagnetischer Kern nach Anspruch 5, 6 oder 7, bei dem zumindest eines der weichmagnetischen Elemente Bänder aufweist.
9. Weichmagnetischer Kern nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Kern oder ein Element des Kerns ein einstückiger Pulverkern bzw. ein einstückiges Pulverkernelement ist.
10. Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns, der an mindestens zwei unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Permeabilitäten aufweist, wobei der Kern
einstückig und mit einer über den Ort variierenden Permeabilität ausgebildet wird oder
aus mindestens zwei weichmagnetischen Elementen mit jeweils für sich homogenen, jedoch einander gegenüber unterschiedlichen Permeabilitäten zusammengesetzt wird.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, bei dem zur Herstellung eines Ringkerns mittels eines Bandes aus weichmagnetischem Material
das Band einer Wärmebehandlung unterzogen wird,
das wärmebehandelte Band einer Zugkraft in Längsrichtung des Bandes ausgesetzt wird, um eine Zugspannung in dem bandförmigen Material zu erzeugen,
die Permeabilität pro Längenabschnitt des gespannten wärmebehandelten Bandes bestimmt wird,
die Zugkraft so angepasst wird, dass die ermittelte Permeabilität für jeden Längenabschnitt dem Wert eines vorgegebenen Permeabilitätsprofils entspricht und
das Band zu dem Ringkern aufgewickelt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem zur Herstellung eines Ringkerns mindestens zwei die weichmagnetischen Elemente bildende, konzentrische Teilringe mit unterschiedlichen Permeabilitäten passgenau ineinander ge- schachtelt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem zur Herstellung eines Pulverkerns Pulver mit unterschiedlicher Magnetpartikeldichte und/oder Permeabilitäten in eine Form gebracht werden und dort verdichtet oder ausgehärtet werden.
14. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem zur Herstellung eines Ringkerns auf ein ringförmiges Pulverkernelement ein weichmagnetisches Band mit über seine Länge sich ändernder Permeabilität aufgewickelt wird.
15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Verhältnis zwischen minimaler und maximaler Permeabilität größer als 1 :1 ,1 oder 1 :1 ,2 oder 1 :1 ,5 oder 1 :2 oder 1 :3 oder 1 :5 ist.
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