WO2014056972A1 - Magnetkern, insbesondere für einen stromtransformator, und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Magnetkern, insbesondere für einen stromtransformator, und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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Giselher Herzer
Christian Polak
Detlef Otte
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Vacuumschmelze Gmbh & Co. Kg
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    • C21D2201/03—Amorphous or microcrystalline structure

Definitions

  • Magnetic core in particular for a current transformer, and method for its production
  • the invention relates to a magnetic core, in particular for a current transformer, and method for producing such a magnetic core.
  • Magnet cores for current transformers, but also for power transformers and power chokes are typically provided as so-called ring band cores comprising strips of soft magnetic material.
  • various production methods and the associated production devices are known.
  • the known production devices are generally designed as continuous annealing plants and allow a heat treatment of rapidly solidified magnetic material (hereinafter "strip material") .
  • strip material rapidly solidified magnetic material
  • the more rapidly magnetized material is produced by means of a casting process and then wound into a roll, and then as a continuous strip in the continuous annealing plant During processing, the material is heat treated and simultaneously tensioned to obtain desired magnetic properties of the strip.
  • Anisotropy in the strip material can be induced via the applied tensile stress so that the soft magnetic strip material produced therefrom has a pronounced flat hysteresis loop with a defined permeability ⁇ (corresponding to the induced anisotropy) along the tensile direction since the permeability level achievable with the known production method is dependent on the applied tension.
  • a disadvantage of the known production method is that the provided amorphous strip material to be processed, due to the production by means of the casting process and the subsequent up and Abwicking to a coil or for processing in the continuous annealing furnace has a locally changing in the longitudinal direction of the band strip thickness.
  • magnetic cores especially toroidal cores, especially if they are to be used for current transformers should be as small, light and inexpensive. These properties depend essentially on the choice of the strip material, but also on the manufacturing process used, with which the magnetic properties of the material are influenced.
  • amorphous Co base alloys such as VITROVAC 6150 which have a saturation magnetization of 1
  • the object of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art.
  • a magnetic core is to be specified, which is suitable in particular for current transformers and has a low weight in comparison to the prior art. If possible, he should have a comparatively small volume and manufacture it cost-effectively. be len.
  • a method for producing such a magnetic core and uses of the magnetic core are to be specified.
  • the object is achieved by a magnetic core, for example for use in a current transformer, with a soft magnetic strip material of a nanocrystalline iron-based alloy having a permeability ⁇ between 1000 and 3500 and a magnetostriction less than 1 ppm.
  • the magnetic core is obtainable by a method comprising providing a band-shaped material; heat-treating the band-shaped material at a heat treatment temperature; subjecting the heat-treated belt-shaped material to a tensile force in the longitudinal direction of the belt-shaped material to generate a tensile stress in the belt-shaped material, thereby obtaining the soft magnetic strip material, wherein for generating the soft magnetic strip material from the belt-shaped material it is further provided: determining at least a magnetic measurement of the generated soft magnetic strip material and controlling the tensile force to adjust the tensile stress in response to the detected magnetic measurement.
  • the iron-based nanocrystalline alloy for the soft magnetic strip material contains, for example, at least 50 atomic% iron, at most 4 atomic% niobium and at least 15 and at most 20 atomic% silicon. More preferably, the iron-based nanocrystalline alloy contains at most 2 atomic% of niobium. A silicon content of at least 15 at% is advantageous in order to obtain a magnetostriction of less than 1 ppm. A niobium content of at most 4 atomic% is advantageous in order to keep the cost of the magnetic core according to the invention as low as possible. Therefore, a niobium content of at most 2 atomic% is particularly advantageous.
  • the iron-based nanocrystalline alloy is an alloy (hereinafter referred to as alloy A) consisting of
  • nanocrystalline structure in which at least 50% by volume of the grains have an average size smaller than 100 nm
  • An iron-based nanocrystalline alloy containing at least 50 at% of iron, at least 2 and at most 4 at% of niobium and at least 15 and at most 20 at% of silicon is hereinafter referred to as "Alloy B”.
  • the band-shaped material may be an alloy having the same constituents as the iron-based nanocrystalline alloy in the same proportions but being an amorphous material.
  • the band-shaped material differs in its magnetic Properties of the inventively provided nanocrystalline iron-based alloy. The magnetic properties were adjusted by the process steps, that is, the heat treatment under the action of a tensile force, whereby the soft magnetic strip material is obtained.
  • the shape as a band not only makes it possible to produce the iron-based nanocrystalline alloy under tension in a continuous furnace, but also to manufacture a magnetic core having any number of layers.
  • the band-shaped material is preferably obtained by a casting method.
  • the permeability of the iron-based nanocrystalline alloy which according to the invention should be between 1000 and 3500, can be determined in particular by selecting the tensile stress during the heat treatment.
  • the tensile stress can be up to about 800 MPa without the band breaking.
  • these currents can be higher, the higher the saturation polarization, J s , of the material.
  • the inductance of the magnetic core increases with the permeability and the size.
  • the permeability of the iron-based nanocrystalline alloy is between 1000 and 3000.
  • the tensile stress applied during the heat treatment is between 10 and 50 MPa.
  • the magnetic core has a core mass of less than 4.7 g at a maximum direct current load of 60 A. In another embodiment of the invention, at a maximum DC load of 100 A, the magnetic core has a core mass of less than 5.3 g.
  • the iron-based nanocrystalline alloy has a saturation magnetization greater than 1.3 T.
  • the saturation magnetization By increasing the saturation magnetization, the magnetic core can be further downsized and its weight reduced. This is possible because, due to the higher saturation, the permeability can be increased without the core saturating early.
  • the magnetic cores according to the invention can also be produced more cost-effectively due to the lower Nb content.
  • nanocrystalline iron-based alloys with a magnetostriction below 1 ppm have particularly good soft-magnetic properties even with internal stress if the permeability ⁇ is between 1000 and 3500.
  • the iron-based nanocrystalline alloy is obtained in the form of a soft magnetic strip material of an amorphous ribbon-shaped material.
  • the material is thus provided as a band before undergoing heat treatment under the action of a tensile force to obtain the strip material.
  • the strip material may have a thickness of 10 ⁇ to 50 ⁇ . This thickness allows the magnetic core according to the invention to be wound with a large number of layers, which at the same time has a small outer diameter.
  • the soft magnetic strip material may be coated with an insulating layer to protect the layers of the magnetic core from isolate each other electrically.
  • the layer may be, for example, a polymer layer, a powder coating or a ceramic layer.
  • Alloy A has a composition with a niobium content of less than 2 atomic percent (atomic%). This has the advantage that the raw material costs are lower compared to a composition with a higher niobium content, since niobium is a relatively expensive element. Further, the lower limit of the silicon content and the upper limit of the boron content are set so that the alloy in the form of a strip can be produced under a tensile stress in a continuous furnace, thereby achieving the above-mentioned magnetic properties. Thus, despite the lower niobium content, alloy A may also have the desired soft magnetic properties for magnetic core applications with this fabrication process.
  • the central part of the hysteresis loop is defined as the part of the hysteresis loop that lies between the anisotropy field strength points that characterize the transition to saturation.
  • a linear part of this central part of the hysteresis loop is represented herein by a nonlinearity factor NL of less than 3%, the nonlinearity factor being calculated as follows:
  • 5J aU f and 5J a b respectively denote the standard deviation of the magnetization from a compensation straight line by the ascending or descending branch of the hysteresis loop between magnetization values of ⁇ 75% of the saturation polarization J s .
  • Alloy A is thus particularly suitable for a magnetic core having a reduced size and a smaller weight with lower raw material costs and at the same time the desired soft magnetic properties for use as a magnetic core.
  • the remanence ratio of Alloy A is less than 0.05.
  • the hysteresis loop of alloy A is thus even more linear or flat.
  • the ratio of coercive force to anisotropic field strength is less than 5%.
  • At least 70 volume percent (vol%) of the grains have an average size less than 50 nm. This allows a further increase in the magnetic properties.
  • Alloy A is heat-treated in the form of a ribbon under tension to produce the desired magnetic properties.
  • Alloy A ie the finished heat-treated strip, is thus also characterized by a structure that has been created by its manufacturing process.
  • the crystallites have an average size of about 20 to 25 nm and a remanent stretch in the tape longitudinal direction of between about 0.02% and 0.5%, which is proportional to that applied during the heat treatment. put tension is.
  • the crystalline grains may have an elongation of at least 0.02% in a preferred direction.
  • Alloy B initially differs from Alloy A in that its niobium content is at least 2 at% and at most 4 at%. For the rest, alloy B corresponds to alloy A.
  • a method for producing the magnetic core according to the invention comprises the steps:
  • the order of the steps may vary depending on the application.
  • a provided strip-shaped material in particular amorphous strip-shaped material, which is subjected to a heat treatment in a subsequent step by application of the heat treatment temperature.
  • 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.
  • an anisotropy for example a transverse anisotropy
  • the tensile stress is adjusted such that the soft magnetic strip material produced by the method has a pronounced flat hysteresis loop with a defined permeability ⁇ in the tensile direction.
  • the application of the tensile force can take place simultaneously with the heat treatment.
  • the induced anisotropy is proportional to the introduced tensile stress, the permeability being dependent on the anisotropy.
  • FIGS. 3a and 3b A graphic representation and detailed description of the relationships are given in FIGS. 3a and 3b and the associated description.
  • a soft-magnetic strip material with defined magnetic properties or a modified microstructure is produced by means of the described steps and subsequently subjected to a measurement for determining one or more magnetic measured variables.
  • 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 changed so that the local tension prevailing in the band-shaped material tension can be kept constant. In this way, it is possible to compensate for an influence on the local tensile stress by the local cross-sectional area fluctuating over the longitudinal course of the band-shaped material due to the production, such that a related oscillation of the associated tensile stress is substantially prevented, as would be the case if only one constant traction would be applied.
  • a correspondingly constant anisotropy Ku can be induced, which causes a likewise constant permeability ⁇ .
  • further parameters are known which can influence and change an induced anisotropy in such a production method, including, for example, the heat treatment temperature, the passage speed of the strip-shaped material, the path for exposure to the heat treatment temperature (ie, a furnace length), which average) thickness of the band-shaped material, the heat conduction or the heat transfer to the band-shaped material and / or the nature of the selected alloy and parameters of the optional predictable magnetic field.
  • the regulation of the tensile stress that is, a variably adjustable in the process Force in the band, used to keep the induced anisotropy K u and thus the permeability ⁇ constant over the band length.
  • 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 defined section or even over the entire length of the strip-like material can be kept constant. If, by means of the described control, the tension is only kept constant in sections or constantly changed, this additionally opens up the possibility of keeping the tension in a first section at a first value and in a subsequent second section at a second value by changing a corresponding default value , Of course, more than two sections can be provided with an individually set constant tension value. Subsequently, for example, each section can be used for winding a separate magnetic core, and thus magnetic cores with different magnetic properties can be generated in succession.
  • controlling the tension includes automatically adjusting the tension by a predefined desired tension value.
  • the tensile force introduced into the strip-shaped material can therefore be varied automatically in small steps or continuously by the desired tensile stress value in response to the at least one magnetic measurement variable in order to local influences in the strip-shaped material, such as temperature differences, band diameters. to compensate for fluctuations in the flow rate and / or changes in the material composition.
  • the tensile force is steadily controlled, i. there is a constant review and (re) regulation.
  • a predefined setpoint can, as described above, also be provided only for a defined section of the strip-shaped material so that individual tensile stress levels can be assigned to one or more successive sections, whereby the induced anisotropy or length over the length of the respective section.
  • the targeted permeability can be set in a wide range targeted.
  • a permeability ⁇ in the range from below 1000 to 3500 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 advantageous for current transformers.
  • the embodiments described thus offer the advantage that a combination of the two preceding aspects, namely to be able to keep constant the tensile stress over a wide range and to specify a tensile stress level in sections by a respective nominal tensile stress value, is made possible.
  • it is not sufficient to introduce only a high tensile force into the band-shaped material in order to achieve the desired permeability, since the target permeability achieved would thus be precisely set only for a specific, local area of the band-shaped material.
  • 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.
  • soft magnetic strip material with one or more different respective 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 comprise, as an optional step, the application of a magnetic field (magnetic field treatment) to the band-shaped material, wherein the magnetic field treatment may take place, for example, subsequently or simultaneously to the heat treatment.
  • 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 comprise a step of winding at least a defined portion of the generated soft magnetic strip material to produce at least one magnetic core in the form of a toroidal core subsequent to the step of determining the at least one magnetic measurement quantity.
  • the strip material produced can thus be wound into one or more annular band cores following the steps described above. Since a permittility profile which is as constant or as continuous as possible is generated at one or more levels by means of the described method, magnetic cores having a respectively very constant permeability distribution within the magnet core but also with small specimen scattering of a plurality of magnetic cores with the same desired permeability value can be produced from this.
  • the magnetic cores according to the invention can, with the application of the method according to the invention, be treated with very small specimen scatters of a few than +/- 2.5%. Due to this, the magnetic cores according to the invention can be dimensioned accurately, which results in a significant weight reduction of up to 50% over the prior art.
  • the cores produced according to the prior art have a significantly higher specimen scattering of up to +/- 20%. This high tolerance must be maintained in the dimensioning, resulting in larger dimensions and higher core weights.
  • the step of winding is controlled in response to the at least one magnetic measurement.
  • This allows, for example, a specific winding of defined sections, which are determined via a characterization by means of the determined magnetic measured variable. If, for example, a different permeability level is reached, that is to say a jump in the permeability profile is detected or generated, the winding can be controlled accordingly. For example, the winding of a first magnetic core can be terminated and a winding of a new magnetic core can be started.
  • 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 toroidal core, defining the number of tape layers in response to the at least one magnetic measurement.
  • the local strip thickness or the magnetic cross-sectional area connected thereto are taken into account for the step of winding.
  • a number of band plies may already be determined prior to actual winding and may be varied in the course of the winding such that the wound core has a predefined core cross-sectional area A K Fe. The method described thus offers the possibility of producing a number of cores, each of the cores being next to a defined permeance. along the length of the wound strip material also has a defined core cross-section with a core cross-sectional area.
  • 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 toroidal cores with any number of layers. In this way, the size and the magnetic properties of a toroidal core can be easily adapted to an intended application by an appropriate selection of the number of windings or band layers.
  • the number of band layers can be varied such that a cross-sectional area A K Fei of a first annular band core and a cross-sectional area A K Fe2 of a second annular 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 layers can, for example, also be varied such that, alternatively or additionally, the permeability of the first ring band core and the permeability of the second ring band core are substantially equal.
  • the effect of the at least partially constant permeability and the effect of an equally large core cross-sectional area can be supported by a middle process when winding up the respective core.
  • the respective positive and negative deviations from a predefined setpoint compensate each other over a defined length (for example several meters) of the strip material.
  • the heat treatment temperature and a passage speed of the belt-shaped material are selected depending on the alloy selected in each case such that a magnetostriction in a nanocrystalline state of the corresponding heat-treated soft magnetic strip material is less than 1 ppm. This is to be regarded as a basic condition in order to wind a magnetic core out of the heat-treated soft magnetic strip material, which has a similar or even the same permeability as the unwound strip material even after the winding process in its wound state.
  • the highest possible anisotropy induced in the production process of the soft magnetic strip material causes the core to become increasingly insensitive to the constantly small additional anisotropies due to the winding stresses.
  • a corresponding comparison of a hysteresis measured on the unwrapped soft magnetic strip material and a hysteresis determined on the wound ring belt core is shown in FIG. 4.
  • the band-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.
  • the heat treatment temperature is above a crystallization temperature of the strip material for transferring the strip material from an amorphous state to a nanocrystalline state.
  • the nanocrystalline state is advantageous for the toroidal cores and responsible for excellent soft magnetic properties of the strip material produced.
  • the nanocrystalline structure achieves a low saturation magnetostriction with simultaneously high saturation polarization.
  • the proposed heat treatment under defined tensile stress results in a suitable magnetic alloy hysteresis with a central linear part. This is associated with low magnetic reversal losses and a permeability which is independent of the applied magnetic field or of the bias in the linear, central part of the hysteresis within wide limits and which are desired in magnetic cores, in particular for current transformers.
  • the determination of the at least one magnetic measured variable takes place in real time.
  • it is possible to carry out a magnetic characterization "in-line" within a production line during operation An exemplary selection of magnetic measured variables will be described below.
  • the band-shaped material or the produced soft-magnetic strip material 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 quantity may be selected from a group consisting of the saturation magnetic flux, the magnetic band cross-sectional area A Fe , the anisotropy field strength, the permeability, the coercive force, and the remanence ratio of the produced soft magnetic strip material. All these measured variables or the associated magnetic properties of the strip material produced have in common that they are dependent on a tensile stress introduced into the material and can thus be regulated accordingly by means of the described method.
  • the step of determining the magnetic measured quantity likewise comprises determining the local magnetic cross-sectional area A Fe , this not only allows to produce a soft magnetic strip material which, as described, has as constant a permeability course along its length as possible, but at the same time permits information about to gain the thickness profile of the strip material produced.
  • This combination makes it possible to wind from the produced strip material toroidal cores with very precisely adjustable permeability values and simultaneously adjustable core cross-sectional areas A K Fe of the toroidal core, in that a required strip length can already be defined before actual winding.
  • a device for producing soft magnetic strip material can be provided with
  • an input-side material supply for supplying strip-shaped material, a heat treatment device for heat-treating the strip-like material at a heat treatment temperature, -
  • a clamping device for applying the heat-treated strip-shaped material with a tensile force for generating a tensile stress in a band longitudinal axis of the band-shaped material at least in the region of the heat treatment apparatus, wherein
  • the tensioning device is designed to vary the tensile force in the band-shaped material controllable to adjust the tensile stress
  • the device further comprises a measuring arrangement for determining at least one magnetic measured quantity of the soft magnetic strip material produced and
  • a control unit for controlling the tensioning device, which is designed and connected to the measuring arrangement, that the rules of the tensioning device comprises a regulation of the tensile force in response to the at least one determined magnetic measured variable.
  • the apparatus may further comprise a winding unit having at least one winding mandrel for winding a defined portion of the produced soft magnetic strip material to produce at least one toroidal core, the winding unit being formed and connected to the measuring arrangement such that the winding is in response to the at least one determined one Measured variable takes place.
  • the device may comprise a device for generating at least one magnetic field for applying the heat-treated material to the at least one generated magnetic field.
  • the magnetic field may be directed transversely and / or perpendicular to the tape longitudinal axis or band surface.
  • the tensioning device for generating the tensile force in the band-shaped material can be configured such that the band-shaped material can nevertheless move continuously and the tensile force can be varied according to the control unit's specification on the basis of the magnetic measured variable determined by the measuring arrangement.
  • the clamping device must be able to introduce a sufficiently high tensile force into the band-shaped material and ensure a required accuracy, for example, allow reproducible tensile force changes and apply the predetermined tensile force even with a plastic strain of the band-shaped material and ensure.
  • the tensioning device for generating the tensile force comprises two coupled S-shaped roller drives, a dancer control and / or a swing control and torque-controlled brake drives and / or mechanically braked rollers.
  • a dancer control and / or a swing control and torque-controlled brake drives and / or mechanically braked rollers are coupled S-shaped roller drives, a dancer control and / or a swing control and torque-controlled brake drives and / or mechanically braked rollers.
  • other suitable clamping devices can be used, which meet the requirements mentioned.
  • the band-shaped material provided by means of the input-side material supply comprises a material cut and / or cast to a final width and / or cast into a coil.
  • the measuring arrangement is arranged in a section following the heat treatment device and / or the tensioning device, so that the soft magnetic strip material that runs through the measuring arrangement is free of the tensile force provided by the tensioning device.
  • a certain tension or tensile force can still be present for the transport and winding of the strip material.
  • the magnetic core according to the invention can be obtained.
  • the soft magnetic strip material may be coated with an insulating layer to electrically insulate the layers of the toroidal core from one another.
  • the strip material can be coated with the insulating layer before and / or after winding up to the magnetic core.
  • the use of the magnetic core according to the invention is further provided for a current transformer.
  • a current transformer By using the magnetic core according to the invention, it is advantageously possible in particular to obtain a DC-tolerant current transformer.
  • the requirements to be met by such a current transformer are described in WO 2004/088681 A2 and in standards such as IEC 62053-21 and IEC 62053-23.
  • the current transformers with magnetic cores according to the invention meet these requirements.
  • the smaller scattering enables targeted optimization of the core dimensions, thus achieving a significant reduction in core weight.
  • the core weight may be (iii) increased by
  • the saturation magnetization can be further reduced to more than 1.3 T, which is achieved by lowering the Nb content below 2 atomic%.
  • FIGS. 3a and 3b fundamentals 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 a resultant Anisotropy or permeability
  • FIG. 4 shows in a diagram the comparison of a hysteresis measured at the unwrapped soft magnetic strip material with a hysteresis determined at the wound core
  • FIG. 5 shows a schematic perspective sectional view of an embodiment of a magnetic core.
  • FIG. 1 schematically shows an exemplary sequence of the method for producing soft magnetic strip material for magnetic cores in the form of toroidal cores according to a first embodiment.
  • the method comprises providing a band-shaped material, heat treating the band-shaped material at a heat treatment temperature. and applying the heat-treated belt-shaped material with a tensile force in a longitudinal direction of the belt-shaped material to generate a tensile stress in the belt-shaped material. These steps serve to generate the soft-magnetic strip material from the strip-shaped material.
  • the method comprises determining at least one magnetic measurement of the produced soft magnetic strip material, and controlling the tensile force for adjusting the tensile stress in response to the determined magnetic measurement (arrow A).
  • the method comprises a step of winding at least a defined portion of the generated soft magnetic strip material to produce at least one toroidal core subsequent to the step of determining the at least one magnetic measurement quantity.
  • the step of winding is controlled in response to the at least one magnetic measurement (arrow B).
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an apparatus 20 for producing soft magnetic strip material according to an embodiment.
  • the apparatus 20 comprises an input-side material feed 21 for providing strip-shaped material, a heat treatment device 22 for heat treatment of the strip-shaped material at a heat treatment temperature, a tensioning device 24 for applying a tensile force to a strip longitudinal axis of the strip-shaped material at least in the area the heat treatment device 22.
  • the tensioning device 24 is controllably designed for a variation of the tensile force in the band-shaped material in order to set the desired tensile stress for producing the soft magnetic strip material.
  • the device 20 further comprises a measuring arrangement 25 for determining at least one magnetic measured quantity of the produced soft magnetic strip material and a regulating unit 26 for regulating the tensioning device 24, the regulating unit 26 being designed and is connected to the measuring arrangement 25, that the rules of the tensioning device 24 comprises a regulation of the tensile force in response to the at least one determined magnetic parameter.
  • the tensioning device 24 comprises two S-shaped roller drives coupled together and a dancer control.
  • the roller drives may additionally or alternatively also have different speeds, wherein the first roller drive in the direction of movement of the belt may have a slightly lower drive speed than the following roller drive, whereby an additional tensile force can then be generated between the two roller drives.
  • the first role can be braked instead driven.
  • the dancer control can also serve to compensate for speed fluctuations in addition to the generation of traction power. Alternatively or additionally, a swing control can be provided.
  • the apparatus 20 comprises a device 23 for generating at least one magnetic field for applying the heat-treated strip material to the at least one magnetic field and / or a winding unit 27 having a plurality of winding mandrels 28 for winding a respective defined portion of the produced soft magnetic strip material to produce a number of toroidal cores.
  • the winding unit 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.
  • FIGS. 3a and 3b show a relationship between a tensile stress introduced into a band-shaped material 30 by means of a tensile force F and a resulting anisotropy Ku or permeability ⁇ .
  • a locally occurring in the band-shaped material 30 tensile ⁇ results from the applied tensile force F and a local magnetic cross-sectional area A Fe (material cross-section) to: F
  • the local cross-sectional area A F E fluctuates correspondingly assuming a constant width and with it the 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 produced hereby from the strip-shaped material.
  • 3b also shows a profile of the permeability as a function of the tensile stress ⁇ for three heat treatment temperatures.
  • the heat treatment temperature and a flow rate 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 less than 1 ppm.
  • the product of bending stresses due to the winding of the strip material and the value of the magnetostriction represents an additional anisotropy induced in the wound strip material and should therefore be kept as small as possible. Otherwise, the permeability of the magnetic core would differ more or less from that of the unwrapped strip material. Thus, the higher the anisotropy induced in creating the unwrapped soft magnetic strip material, the less sensitive the toroidal core becomes to the ever-constant additional anisotropies due to the winding stresses.
  • a permeability ⁇ is in a range of 1000. This corresponds to a small to medium-induced induced anisotropy. Except for small defects in an area of magnetic saturation termination, the two hysteresis curves for the unwrapped soft magnetic strip material 60 and wound loop tape core 61 may be considered identical.
  • FIG. 5 shows a section through a magnetic core 51 which has a wound annular band core 52 and a coating 53 made of a powder coating.
  • the coating 53 fixes the annular band core 52.
  • the ring band core 52 has a height h, an outer diameter d a and an inner diameter d ,.
  • On the surfaces of the ring band core powder coating 53 is applied.
  • the magnetic core 51 has a height H, an outer diameter OD, and an inner diameter ID.
  • the tape cross-sectional area A Fe is marked.
  • band-shaped materials were selected whose composition is given in Table 1. These band-shaped materials were subjected to a heat treatment and further process steps for producing a soft magnetic strip material, for example, to obtain an iron-based nanocrystalline alloy or a cobalt-based amorphous alloy. Details of the further measures can be found in Table 1, column "Heat Treatment.”
  • the strip-like materials of Examples E-1, E-2 and E-3 were subjected to the process according to the invention.
  • Table 1 Composition, properties of band-shaped materials and method steps for transferring the band-shaped materials into soft magnetic strip material
  • J s denotes the saturation magnetization of the amorphous band-shaped material before crystallization, wherein the saturation magnetization of the nanocrystalline material can then be up to 3% higher.
  • the measurement of the saturation magnetization of the amorphous material was chosen because it is much easier to perform than that of the nanocrystalline material with comparable values.
  • V-1 and V-2 are comparative examples.
  • the term "crystallization" refers to the transfer of the amorphous ribbon-shaped material into a soft-magnetic strip material of an iron-based nanocrystalline alloy.
  • the band-shaped materials E-1, E-2 and E-3 are used in the examples according to the invention. Of these, E-2 and E-3 are particularly preferred because their saturation magnetization is greater than 1.3 T.
  • the magnetic core can be further downsized from a magnetic core using Example E-1 and Comparative Examples V-1 and V-2, and its weight can be reduced. This is possible because, due to the higher saturation, the permeability can be increased without the magnetic core saturating early.
  • a magnetic core of E-2 and E-3 compared to Example E-1 and Comparative Examples V-1 and V-2 can also be produced more cost-effectively due to the lower Nb content.
  • Table 2 shows Examples E-1 a, E-2a and E-3a and Comparative Examples V-1a and V-2a for magnetic cores obtained from the strip material produced according to Table 1 and intended for 60 A current transformers. E-2a and E-3a are preferred examples.
  • Table 3 shows Examples E-1 b, E-2b and E-3b and Comparative Examples V-1 b and V-2b for magnetic cores obtained from the strip material produced according to Table 1 and intended for 100 A current transformers. E-2b and E-3b are preferred examples.
  • the magnetic cores Due to the low magnetostriction (A s ⁇ 1 ppm) of the magnetic cores according to the invention they are insensitive to mechanical stresses. It was therefore possible to fix the toroidal cores by a thin coating with a powder coating. Such a type of fixation enables a size reduction of the magnetic core, but due to the mechanical stresses introduced in this case, it is only possible with magnetic cores which have a small magnetostriction. For magnetostriction values greater than 1 ppm, the mentioned mechanical stresses would significantly degrade the linearity of the phase error of the core transformer. For example, the alloy VC 220 F has a high magnetostriction of 10 ppm. Therefore, when using this alloy, the magnetic core had to be carefully grafted with as little stress as possible, which leads to the comparatively large dimensions of the corresponding core types (see V-2a in Table 2 and V-2b in Table 3).
  • the column “core dimension” represents the dimensions of the ring band core without coating 53 (see Fig. 5) .
  • the column “core fixed” shows the dimensions of the ring band core provided with a powder coating 53.
  • the magnetic cores according to the invention were produced using the method according to the invention with very low specimen scattering of less than +/- 2.5%. Because of this, the magnetic cores according to the invention could be accurately dimensioned, which compared to the prior art results in a significant weight reduction of up to 50%.
  • the cores produced according to the prior art have a significantly higher specimen scattering of up to +/- 20%. This high tolerance must be maintained in the dimensioning, resulting in larger dimensions and higher core weights.
  • a nominal value is a suitable, rounded value of a variable for designating or identifying a device or a system) of the magnetic cores.

Abstract

Magnetkern aus einer nanokristallinen Legierung auf Eisenbasis, die eine Permeabilität μ zwischen 1000 und 3500 und eine Magnetostriktion kleiner 1 ppm aufweist, der bei einer maximalen Toleranz gegenüber unipolaren Stromamplituden von 60 A eine Kernmasse von weniger als 4,7 g oder bei einer maximalen Toleranz gegenüber unipolaren Stromamplituden von 100 A eine Kernmasse von weniger als 5,3 g aufweist.

Description

Magnetkern, insbesondere für einen Stromtransformator, und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft einen Magnetkern, insbesondere für einen Stromtrans- formator, und Verfahren zur Herstellung eines solchen Magnetkerns.
Magnetkerne für Stromtransformatoren, aber auch für Leistungstransformato- ren und Leistungsdrosseln, werden typischerweise als sogenannte Ringbandkerne bereitgestellt, die Streifen eines weichmagnetischen Materials umfas- sen. Für die Herstellung des weichmagnetischen Materials sind verschiedene Herstellungsverfahren 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 rascher- starrte Magnetmaterial wird mittels eines Gießprozesses hergestellt und anschließend zu einer Rolle gewickelt, um dann als kontinuierliches Band in die Durchlaufglühanlage eingeleitet und von dieser zu weichmagnetischem Material verarbeitet zu werden. Im Rahmen der Verarbeitung wird das Material wärmebehandelt und gleichzeitig unter Zugspannung gesetzt, um gewünschte magnetische Eigenschaften des Bandes zu erhalten.
Über die anliegende Zugspannung kann eine Anisotropie in dem Bandmaterial induziert werden, so dass das hieraus erzeugte weichmagnetische Streifenmaterial eine ausgeprägte flache Hystereseschleife mit einer definierten Permeabilität μ (entsprechend der induzierten Anisotropie) entlang der Zugspannungsrichtung aufweist, da das Permeabilitätsniveau, das mit dem bekannten Herstellungsverfahren erreichbar ist, von der angelegten Zugspannung abhängig ist. Nachteilig an dem bekannten Herstellungsverfahren ist jedoch, dass das bereitgestellte zu verarbeitende amorphe Bandmaterial aufgrund der Herstellung mittels des Gießverfahrens und des anschließenden Auf- und Abwickeins zu einem Coil bzw. zur Bearbeitung in dem Durchlaufglühofen eine in Längsrichtung des Bandes lokal verändernde Banddicke aufweist. Dies führt in Kombination mit einer in der Regel herstellungsbedingt konstanten Bandbreite dazu, dass eine jeweilige lokale Querschnittsfläche ortsabhängig 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 beschriebenen Zusammenhang führt dies wiederum dazu, dass sich auch die lokal induzierte Anisotropie und somit die lokale Permeabilität mit der schwanken- den Querschnittsfläche verändern.
Doch nicht nur die beschriebene Querschnittsflächenänderung, sondern auch weitere Parameter, wie die Wärmebehandlungstemperatur, ein optional vorsehbares Magnetfeld, die Durchlaufgeschwindigkeit des Bandes, die Ofenlänge, die Wärmeleitung und der Wärmeübergang auf das Band, die Banddicke sowie die verwendete Legierung haben Einfluss auf die induzierte Anisotropie Ku in einem solchen Prozess. Da diese Parameter nach dem Stand der Technik nie konstant gehalten werden können, verändern sich entsprechend auch die lokal induzierte Anisotropie und somit die lokale Permeabilität.
Außerdem sollen Magnetkerne, insbesondere Ringbandkerne, vor allem dann, wenn sie für Stromtransformatoren verwendet werden sollen, möglichst klein, leicht und preiswert sein. Diese Eigenschaften hängen wesentlich von der Wahl des Bandmaterials, aber auch vom eingesetzten Herstellungsverfahren ab, mit dem die magnetischen Eigenschaften des Materials beeinflusst werden.
Gute weichmagnetische Eigenschaften haben insbesondere nanokristalline Legierungen auf Eisenbasis. Flache Hystereseschleifen, welche durch ein kleines Remanenzverhältnis und ein lineares Magnetisierungsverhalten im zentralen Teil der Hystereseschleife gekennzeichnet sind, spielen für die Anwendung eine besonders wichtige Rolle. Solche flachen Schleifen können durch Wärmebehandlung im Magnetfeld eingestellt werden. Dabei ergeben sich relativ hohe Permeabilitäten, welche typischerweise oberhalb μ = 10000 liegen. Obwohl für viele Anwendungen wünschenswert, sind solch hohe Permeabilitätswerte für bestimmte Anwendungen wie z.B. Stromtransformator- kerne für Anwendungen in Stromtransformatoren mit DC-Toleranz weniger geeignet. Für die Anwendung in diesen Stromtransformatorkernen benötigt man vielmehr niedrigere Permeabilitätswerte im Bereich von μ = 500 bis 10.000, beispielsweise μ = 1000 bis 5000. Dies lässt sich zum Beispiel mit amorphen Co-Basis-Legierungen wie VITROVAC 6150 realisieren, welche bei einer Sättigungsmagnetisierung von 1 ,0 T je nach genauer Zusammensetzung und Wärmebehandlung Permeabilitätswerte im Bereich von μ = 600 bis 3000 aufweisen. Da Co aber ein sehr teurer Rohstoff ist, wurden nanokristalli- ne Fe-Basis-Legierungen mit Zusätzen an Ni und allenfalls geringen Zusätzen an Co beschrieben, mit welchen man im Gegensatz zu rein eisenbasierten Legierungen nach Wärmebehandlung im Magnetfeld ebenfalls kleine Permeabilitätswerte im Bereich μ = 1000 bis 10000 (je nach Konzentration an Ni und Co) einstellen kann. Nachteilig hieran ist jedoch, dass sich durch den Ni- bzw. Co- Zusatz gegenüber rein eisenbasierten Zusammensetzungen die Magnetostriktion auf werte von mehreren ppm erhöht. Dies macht den Mag- netkern empfindlich gegenüber mechanischen Spannungen. Es ist aber ebenfalls bekannt, dass man durch Wärmebehandlung von nanokristallinen Fe- Legierungen unter Zugspannung im Gegensatz zur Magnetfeldbehandlung auch Permeabilitäten unter 10000 einstellen kann. Es besteht jedoch noch immer das Bedürfnis, Magnetkerne bereitzustellen, die ein möglichst geringes Volumen und ein möglichst geringes Gewicht besitzen und kostengünstig herzustellen sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Magnetkern angegeben werden, der ins- besondere für Stromtransformatoren geeignet ist und ein im Vergleich zum Stand der Technik geringes Gewicht aufweist. Er soll dabei nach Möglichkeit ein vergleichsweise geringes Volumen besitzen und kostengünstig herzustel- len sein. Ferner sollen ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Magnetkerns sowie Verwendungen des Magnetkerns angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 , 1 1 und 15 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Magnetkern, beispielsweise zur Verwendung bei einem Stromtransformator, mit einem weichmagnetischen Streifen- material aus einer nanokristallinen Legierung auf Eisenbasis, die eine Permeabilität μ zwischen 1000 und 3500 und eine Magnetostriktion kleiner 1 ppm aufweist. Der Magnetkern ist erhältlich mittels eines Verfahrens, umfassend das Bereitstellen eines bandförmigen Materials; das Wärmebehandeln des bandförmigen Materials bei einer Wärmebehandlungstemperatur; das Beauf- schlagen des wärmebehandelten bandförmigen Materials mit einer Zugkraft in Längsrichtung des bandförmigen Materials, um eine Zugspannung in dem bandförmigen Material zu erzeugen, unter Erhalt des weichmagnetischen Streifenmaterials, wobei zum Erzeugen des weichmagnetischen Streifenmaterials aus dem bandförmigen Material weiterhin vorgesehen ist: das Ermitteln mindestens einer magnetischen Messgröße des erzeugten weichmagnetischen Streifenmaterials und Regeln der Zugkraft zum Einstellen der Zugspannung in Reaktion auf die ermittelte magnetische Messgröße.
Die nanokristalline Legierung auf Eisenbasis für das weichmagnetische Strei- fenmaterial enthält beispielsweise zumindest 50 Atom-% Eisen, höchstens 4 Atom-% Niob und zumindest 15 und höchstens 20 Atom-% Silicium. Besonders bevorzugt enthält die nanokristalline Legierung auf Eisenbasis höchstens 2 Atom-% Niob. Ein Siliciumgehalt von zumindest 15 Atom-% ist vorteilhaft, um eine Magnetostriktion kleiner 1 ppm zu erhalten. Ein Niobgehalt von höchstens 4 Atom-% ist vorteilhaft, um die Kosten des erfindungsgemäßen Magnetkerns so gering wie möglich zu halten. Deshalb ist ein Niobgehalt von höchstens 2 Atom-% besonders vorteilhaft. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die nanokristalline Legierung auf Eisenbasis eine Legierung (im Folgenden als Legierung A bezeichnet) ist, die aus
- Feioo-a-b-c-d-x-y-zCuaNbbMcTdSixByZz und bis zu 1 Atom-% Verunreinigungen besteht, wobei M eines oder mehrere der Elemente Mo, Ta oder Zr, T eines oder mehrere der Elemente V, Mn, Cr, Co oder Ni und Z eines oder mehrere der Elemente C, P oder Ge ist und
0 Atom-% < a < 1 ,5 Atom-%,
- 0 Atom-% < b < 2 Atom-%,
0 Atom-% < c < 2 Atom-%,
0 Atom-% < d < 5 Atom-%,
14 Atom-% < x < 18 Atom-%,
5 Atom% < y < 1 1 Atom-% und
- 0 Atom% < z < 2 Atom% ist,
- ein nanokristallines Gefüge, bei dem zumindest 50 Vol-% der Körner eine mittlere Größe kleiner als 100 nm aufweisen,
- eine Hystereseschleife mit einem zentralen linearen Teil,
- ein Remanenzverhältnis, Jr/Js, < 0,1 , und
- ein Verhältnis von Koerzitivfeldstärke, Hc, zu Anisotropiefeldstärke, Ha, < 10 % aufweist.
Eine nanokristalline Legierung auf Eisenbasis, die zumindest 50 Atom-% Eisen, zumindest 2 und höchstens 4 Atom-% Niob und zumindest 15 und höchstens 20 Atom-% Silicium enthält, wird im Folgenden als„Legierung B" bezeichnet.
Zur Herstellung des Magnetkerns wird zunächst ein bandförmiges Material bereitgestellt. Bei dem bandförmigen Material kann es sich um eine Legierung handeln, die dieselben Bestandteile wie die nanokristalline Legierung auf Eisenbasis in denselben Anteilen aufweist, aber ein amorphes Material ist. Außerdem unterscheidet sich das bandförmige Material in seinen magnetischen Eigenschaften von der erfindungsgemäß vorgesehenen nanokristallinen Legierung auf Eisenbasis. Die magnetischen Eigenschaften wurden durch die Verfahrensschritte, also die Wärmebehandlung unter Einwirkung einer Zugkraft, eingestellt, wodurch das weichmagnetische Streifenmaterial erhalten wird.
Die Gestalt als Band ermöglicht nicht nur das Herstellen der nanokristallinen Legierung auf Eisenbasis unter Zugspannung in einem Durchlaufofen, sondern auch das Herstellen eines Magnetkerns mit einer beliebigen Anzahl von Lagen. Das bandförmige Material wird vorzugsweise durch ein Gießverfahren erhalten.
Die Permeabilität der nanokristallinen Legierung auf Eisenbasis, die erfindungsgemäß zwischen 1000 und 3500 liegen soll, kann insbesondere durch Wahl der Zugspannung bei der Wärmebehandlung bestimmt werden. Die Zugspannung kann dabei bis zu etwa 800 MPa betragen, ohne dass das Band reißt. Man kann somit ein Band mit einer Permeabilität innerhalb des gesamten Permeabilitätsbereichs von μ = 1000 bis μ = 3500 abdecken. Je niedriger die Permeabilität, desto höher können die unipolaren Komponenten (= Gleichstromanteile) der elektrischen Ströme durch die Wicklungen des Magnetkerns sein, ohne das Material zu sättigen. Ebenso können bei gleicher Permeabilität diese Ströme umso höher sein, je höher die Sättigungspolarisation, Js, des Materials ist. Andererseits nimmt die Induktivität des Magnetker- nes mit der Permeabilität und der Baugröße zu. Um Magnetkerne mit gleichzeitig hoher Induktivität und hoher Toleranz gegenüber Gleichstromanteilen zu bauen, ist es daher vorteilhaft, Legierungen mit höherer Sättigungspolarisation einzusetzen. Vorzugsweise liegt die Permeabilität der nanokristallinen Legierung auf Eisenbasis zwischen 1000 und 3000. Vorzugsweise liegt die bei der Wärmebehandlung angewendete Zugspannung zwischen 10 und 50 MPa. In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Magnetkern bei einer maximalen Gleichstrombelastung von 60 A eine Kernmasse von weniger als 4,7 g auf. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung weist der Magnetkern bei einer maximalen Gleichstrombelastung von 100 A eine Kernmasse von weniger als 5,3 g auf.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die nanokristalline Legierung auf Eisenbasis eine Sättigungsmagnetisierung von mehr als 1 ,3 T auf. Durch eine Erhöhung der Sättigungsmagnetisierung kann der Magnetkern weiter verkleinert und sein Gewicht verringert werden. Dies ist möglich, da aufgrund der höheren Sättigung die Permeabilität erhöht werden kann, ohne dass der Kern frühzeitig in Sättigung geht. Neben der Gewichtsersparnis können die erfindungsgemäßen Magnetkerne aufgrund des geringeren Nb-Gehaltes auch kostengünstiger hergestellt werden.
Die Erfinder haben festgestellt, dass nanokristalline Legierungen auf Eisenbasis mit einer Magnetostriktion unterhalb 1 ppm besonders gute weichmagnetische Eigenschaften auch bei interner Spannung aufweisen, wenn die Per- meabilität μ zwischen 1000 und 3500 liegt.
Die nanokristalline Legierung auf Eisenbasis wird in Form eines weichmagnetischen Streifenmaterials aus einem amorphen bandförmigen Material erhalten. Das Material wird somit als Band bereitgestellt, bevor es der Wärmebe- handlung unter Einwirkung einer Zugkraft unter Erhalt des Streifenmaterials unterzogen wird. Das Streifenmaterial kann eine Dicke von 10 μιτι bis 50 μιτι aufweisen. Diese Dicke ermöglicht das Wickeln des erfindungsgemäßen Magnetkerns mit einer hohen Anzahl an Lagen, der gleichzeitig einen kleinen Außendurchmesser aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform kann das weichmagnetische Streifenmaterial mit einer Isolierschicht beschichtet sein, um die Lagen des Magnetkerns von- einander elektrisch zu isolieren. Die Schicht kann zum Beispiel eine Polymerschicht, ein Pulverlack oder eine keramische Schicht sein.
Legierung A
Legierung A weist eine Zusammensetzung mit einem Niobgehalt von weniger als 2 Atomprozent (Atom-%) auf. Dies hat den Vorteil, dass die Rohstoffkosten gegenüber einer Zusammensetzung mit einem höheren Niobgehalt niedriger sind, da Niob ein relativ teures Element ist. Ferner sind die Untergrenze des Siliziumgehalts und die Obergrenze des Borgehalts so festgelegt, dass die Legierung in Gestalt eines Bandes unter einer Zugspannung in einem Durchlaufofen hergestellt werden kann, wobei die oben genannten magnetischen Eigenschaften erreicht werden. Folglich kann mit diesem Herstellungsverfahren Legierung A trotz des niedrigeren Niobgehalts auch die gewünschten weichmagnetischen Eigenschaften für Magnetkernanwendungen aufwei- sen.
Durch das nanokristalline Gefüge mit einer Korngröße von weniger als
100 nm in mindestens 50 Volumenprozent von Legierung A wird eine niedrige
Sättigungsmagnetostriktion bei hoher Sättigungspolarisation erreicht. Durch die Wärmebehandlung unter Zugspannung resultiert eine magnetische Hystereseschleife mit einem zentralen linearen Teil, einem Remanenzverhältnis von weniger als 0,1 und einer Koerzitivfeldstärke von weniger als 10 % des Anisotropiefeldes. Damit verknüpft sind niedrige Ummagnetisierungsverluste und eine im linearen, zentralen Teil der Hystereseschleife in weiten Grenzen vom angelegten Magnetfeld bzw. der Vormagnetisierung unabhängige Permeabilität.
Hierin ist der zentrale Teil der Hystereseschleife definiert als der Teil der Hystereseschleife, der zwischen den Anisotropiefeldstärkepunkten liegt, die den Übergang in die Sättigung kennzeichnen. Ein linearer Teil dieses zentralen Teils der Hystereseschleife wird hierin durch einen Nichtlinearitätsfaktor NL von weniger als 3 % definiert, wobei der Nichtlinearitätsfaktor wie folgt errechnet wird:
NL (in %) = 100 (5Jauf + 5Jab) / (2Js) (1 )
Dabei bezeichnen 5JaUf bzw. 5Jab die Standardabweichung der Magnetisierung von einer Ausgleichsgeraden durch den auf- bzw. absteigenden Ast der Hystereseschleife zwischen Magnetisierungswerten von ± 75 % der Sättigungspolarisation Js.
Legierung A ist somit besonders für einen Magnetkern geeignet, der eine reduzierte Größe und ein kleineres Gewicht bei niedrigeren Rohstoffkosten und gleichzeitig die gewünschten weichmagnetischen Eigenschaften für die Anwendung als Magnetkern aufweist. In einem Ausführungsbeispiel beträgt das Remanenzverhältnis von Legierung A weniger als 0,05. Die Hystereseschleife von Legierung A ist somit noch linearer bzw. flacher. In einem weiteren Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis von Koerzitivfeldstärke zu Anisotropiefeldstärke weniger als 5 %. Auch ist in diesem Ausführungsbeispiel die Hystereseschleife noch linearer, so dass die Ummagnetisierungsverluste noch nied- riger sind. Besonders lineare Schleifen ergeben sich dabei im Bereich niedriger Permeabilitäten, d. h. in etwa μ = 1000 bis 3000.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen mindestens 70 Volumenprozent (Vol-%) der Körner eine mittlere Größe kleiner 50 nm auf. Dies ermög- licht eine weitere Steigerung der magnetischen Eigenschaften. Legierung A wird in Gestalt eines Bandes unter Zugspannung wärmebehandelt, um die gewünschten magnetischen Eigenschaften zu erzeugen. Legierung A, d. h. das fertige wärmebehandelte Band, ist somit auch durch ein Gefüge gekennzeichnet, das durch sein Herstellungsverfahren entstanden ist. In einem Aus- führungsbeispiel weisen die Kristallite eine mittlere Größe von etwa 20 bis 25 nm und eine remanente Dehnung in Bandlängsrichtung zwischen etwa 0,02 % und 0,5 % auf, welche proportional zu der bei der Wärmebehandlung ange- legten Zugspannung ist. Die kristallinen Körner können eine Dehnung von mindestens 0,02 % in eine Vorzugsrichtung aufweisen.
Legierung B
Legierung B unterscheidet sich von Legierung A zunächst dadurch, dass ihr Niobgehalt mindestens 2 Atom-% und höchstens 4 Atom-% beträgt. Für den Rest entspricht Legierung B der Legierung A
Herstellungsverfahren
Ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Magnetkerns umfasst die Schritte:
- 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 Zug- Spannung in dem bandförmigen Material zu erzeugen, unter Erhalt des weichmagnetischen Streifenmaterials, 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.
Die Reihenfolge der Schritte kann je nach Anwendungsfall auch variieren. Es wird also ein bereitgestelltes bandförmiges Material, insbesondere amorphes bandförmiges Material, vorgesehen, welches in einem nachfolgenden Schritt einer Wärmebehandlung durch Beaufschlagen mit der Wärmebehandlungstemperatur unterzogen wird. Anschließend wird das bandförmige Mate- rial gleichzeitig zur Wärmebehandlung und/oder nachfolgend hierzu mit der beschriebenen Zugkraft beaufschlagt, um eine Zugspannung in dem bandförmigen Material zu erzeugen. Über die anliegende Zugspannung kann eine Gefügeänderung des Materials und somit eine Anisotropie, beispielsweise eine Queranisotropie, in das bandförmige Material induziert werden. Bei- spielsweise ist die Zugspannung derart abgestimmt, dass das mittels des Verfahrens erzeugte weichmagnetische Streifenmaterial eine ausgeprägte flache Hystereseschleife mit einer definierten Permeabilität μ in Zugspannungsrichtung aufweist. Das Beaufschlagen mit der Zugkraft kann gleichzeitig zu der Wärmebehandlung erfolgen.
Wie bereits voranstehend beschrieben ist hierbei die induzierte Anisotropie proportional zu der eingeleiteten Zugspannung, wobei die Permeabilität von der Anisotropie abhängig ist. Eine grafische Darstellung und ausführliche Beschreibung der Zusammenhänge werden in Fig. 3a und 3b und der zugehöri- gen Beschreibung gegeben.
Aus dem bandförmigen Material wird mittels der beschriebenen Schritte ein weichmagnetisches Streifenmaterial mit definierten 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 Charakterisierung des erzeugten weichmagnetischen Streifenmaterials. Eine beispielhafte Aufzäh- lung ermittelbarer magnetischer 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, wobei die Regelung der Zugkraft in Abhängigkeit von der ermittelten 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 verändert, dass die lokal in dem bandförmigen Material herrschende Zugspannung konstant gehalten werden kann. Es kann auf diese Weise eine Beeinflussung der lokalen Zugspannung durch die herstellungsbedingt über den Längsverlauf des bandförmigen Materials schwankende lokale Querschnitts- fläche derart kompensiert werden, dass ein hiermit verbundenes Schwanken 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 kon- stanten Zugspannung eine entsprechend konstante Anisotropie Ku induziert werden, welche eine ebenfalls konstante Permeabilität μ bewirkt. Zusätzlich sind noch weitere Parameter bekannt, welche eine induzierte Anisotropie in einem derartigen Herstellungsverfahren beeinflussen und verändern können, hierzu zählen beispielsweise die Wärmebehandlungstemperatur, die Durch- laufgeschwindigkeit des bandförmigen 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 Prozess variabel einstellbaren Kraft im Band, dazu verwendet werden, die induzierte Anisotropie Ku und somit die Permeabilität 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 definierten Abschnitt oder sogar über die gesamte Länge des bandförmigen Materials konstant gehalten werden. Wird mittels der beschriebenen Regelung die Zugspannung lediglich abschnittsweise konstant gehalten oder stetig verändert, so eröffnet dies zusätzlich die Möglichkeit, durch Veränderung 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 konstanten Zugspannungswert vorgesehen sein. Anschließend kann beispielsweise jeder Abschnitt zum Wickeln eines eigenen Magnetkerns genutzt und somit Magnetkerne mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften aufeinanderfolgend erzeugt werden.
Beispielsweise umfasst das Regeln der Zugkraft ein automatisches Einstellen der Zugspannung um einen vordefinierten Sollzugspannungswert. Die in das bandförmige Material eingeleitete 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 Temperaturunterschiede, Banddi- ckenfluktuationen, Abweichungen der Durchlaufgeschwindigkeit und/oder Veränderungen in der Materialzusammensetzung auszugleichen.
Beispielsweise wird die Zugkraft stetig geregelt, d.h. es erfolgt eine ständige Überprüfung und (Nach-)Regelung. Ein vordefinierter Sollwert kann, wie vorstehend beschrieben, ebenfalls 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 Ab- Schnitts die induzierte Anisotropie bzw. die damit erzielte Permeabilität in einem weiten 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 1000 bis zu 3500 erreicht werden. Eine solche relativ niedrige Permeabilität μ ist vorteilhaft für Stromtransformatoren.
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 einen jeweiligen Sollzugspannungswert vorzugeben, ermöglicht wird. Es reicht beispielsweise nicht aus, nur eine hohe Zugkraft in das bandförmige Material einzubringen, um die gewünschte Permeabi- lität zu erzielen, da die erreichte Zielpermeabilität 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 kon- stanten 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 defi- nierte Abschnitte hergestellt werden kann.
Ferner kann das Verfahren als optionalen Schritt das Beaufschlagen des bandförmigen Materials mit einem Magnetfeld (Magnetfeldbehandlung) umfassen, wobei die Magnetfeldbehandlung beispielsweise nachfolgend oder gleichzeitig zu der Wärmebehandlung 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 weichmagnetischen Streifenmaterials zum Erzeugen mindestens eines Magnetkerns in Form eines Ringbandkernes nachfolgend zu dem Schritt des Ermitteins der mindestens einen magnetischen Messgröße umfassen. Durch den Schritt des Aufwickeins wird der erfindungsgemäße Magnetkern als Ringbandkern erhalten.
Das erzeugte Streifenmaterial kann somit im Anschluss an die voranstehend beschriebenen Schritte zu einem oder mehreren Ringbandkernen aufgewickelt werden. Da mittels des beschriebenen Verfahrens ein möglichst kon- stanter oder stetiger Permeabilitätsverlauf auf einem oder mehreren Niveaus erzeugt wird, können hieraus Magnetkerne mit einer jeweils sehr konstanten Permeabilitätsverteilung innerhalb des Magnetkerns aber auch mit geringen Exemplarstreuungen von mehreren Magnetkernen mit gleichem Sollwert für die Permeabilität hergestellt werden.
Die erfindungsgemäßen Magnetkerne können bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit sehr geringen Exemplarstreuungen von weni- ger als +/- 2,5 % hergestellt werden. Aufgrund dessen können die erfin- dungsgemäßen Magnetkerne zielgenau dimensioniert werden, was gegenüber dem Stand der Technik eine deutliche Gewichtsreduktion von bis zu 50 % ergibt. Die gemäß dem Stand der Technik hergestellten Kerne weisen eine deutlich höhere Exemplarstreuung von bis zu +/- 20% auf. Diese hohe Toleranz muss bei der Dimensionierung vorgehalten werden, womit sich größere Abmessungen und höhere Kerngewichte ergeben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Schritt des Aufwickeins in Reaktion auf die mindestens eine magnetische Messgröße gesteuert. Dies ermöglicht beispielsweise ein gezieltes Aufwickeln von definierten Abschnitten, die über eine Charakterisierung mittels der ermittelten magnetischen Messgröße bestimmt werden. Wird also beispielsweise ein unterschiedliches Permeabilitätsniveau erreicht, also ein Sprung in dem Permeabilitätsverlauf erkannt bzw. erzeugt, so kann das Aufwickeln entsprechend gesteuert werden. So kann beispielsweise das Aufwickeln eines ersten Magnetkerns beendet und ein Aufwickeln eines neuen Magnetkerns 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 Definieren der Anzahl von Bandlagen in Reaktion auf die mindestens eine magnetische Messgröße erfolgt. Hierzu finden beispielsweise die lokale Banddicke bzw. die hiermit verbundene magnetische Quer- schnittsfläche für den Schritt des Aufwickeins Berücksichtigung. Es kann bereits vor dem tatsächlichen Aufwickeln eine Anzahl von Bandlagen bestimmt und im Rahmen des Aufwickeins derart variiert werden, dass der gewickelte 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 Permea- bilitätsverlauf über die Länge des aufgewickelten Streifenmaterials außerdem einen definierten Kernquerschnitt mit einer Kernquerschnittsfläche aufweist.
Somit ermöglicht die Bandform nicht nur eine Verarbeitung der Legierung un- ter Zugspannung in einer nachfolgend näher beschriebenen Durchlaufglühanlage, sondern auch die Herstellung von Ringbandkernen mit einer beliebigen Anzahl an Lagen. Auf diese Weise können die Größe und die magnetischen Eigenschaften eines Ringbandkerns 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 ersten 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 alternativ oder zusätzlich die Permeabilität des ersten Ring- bandkerns und die Permeabilität des zweiten Ringbandkerns im Wesentlichen gleich groß sind.
So kann auch der Effekt der zumindest abschnittsweise konstanten Permeabilität und der Effekt einer gleichgroßen Kernquerschnittsfläche durch einen Mit- telungsprozess beim Aufwickeln des jeweiligen Kerns unterstützt werden. Mittels dieser Überlagerung beim Aufwickeln kompensieren sich über eine definierte Länge (beispielsweise mehrere Meter) des Streifenmaterials hinweg die jeweils positiven und negativen Abweichungen von einem vordefinierten Sollwert. Es kann somit in einem einzigen zusammenhängenden Herstellungsver- fahren bzw. Prozess aus einem Ausgangsmaterial, über eine Wärmebehandlung bis zu einer Magnetkernherstellung, ein fertig geprüfter Kern mit sehr geringer Exemplarstreuung bezüglich der Permeabilität und der Kernquer- schnittsfläche erzielt werden. Auf diese Weise werden engere Kerntoleranzen ermöglicht, so dass kleinere Magnetkerne herstellbar sind, welche wiederum zu einer Material- und Kostenersparnis beitragen. Die besondere Bedeutung der in dem erzeugten weichmagnetischen Streifenmaterial gemessenen magnetischen Messgrößen für die anschließend hieraus gewickelten Magnetkerne und die hiermit erzielte jeweilige geringe Exemplarstreuung wird nachfolgend näher erläutert. Üblicherweise werden die Wärmebehandlungstemperatur und eine Durchlaufgeschwindigkeit des bandförmigen Materials in Abhängigkeit von der jeweils gewählten Legierung derart ausgewählt, dass eine Magnetostriktion in einem nanokristallinen Zustand des entsprechend wärmebehandelten weichmagnetischen Streifenmaterials unter 1 ppm liegt. Dies ist als Grundbedin- gung anzusehen, um aus dem wärmebehandelten weichmagnetischen Streifenmaterial einen Magnetkern zu wickeln, welcher auch nach dem Wickelvorgang in seinem aufgewickelten Zustand eine ähnliche oder sogar gleiche Permeabilität aufweist wie das ungewickelte Streifenmaterial. Dies liegt darin begründet, dass ein Produkt aus durch das Aufwickeln hervorgerufenen Biege- Spannungen und dem Wert der Magnetostriktion eine zusätzliche, in das Streifenmaterial induzierte 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 unempfind- lieh ist. Einen entsprechenden Vergleich einer am ungewickelten weichmagnetischen Streifenmaterial gemessenen Hysterese und einer am gewickelten Ringbandkern bestimmten Hysterese ist in Fig. 4 dargestellt. Wie bereits erwähnt, kann das im Rahmen des beschriebenen Verfahrens als Ausgangsmaterial bereitgestellte bandförmige Material unter Zugspannung wärmebeaufschlagt werden, um die gewünschten magnetischen Eigenschaf- ten 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 Wärmebehandlungstemperatur über einer Kristallisationstemperatur des bandförmigen Materials liegt zum Überführen des bandförmigen Materials aus einem amorphen Zustand in einen nanokristallinen Zustand. Der nanokristalline Zustand ist für die Ringbandkerne vorteilhaft und für hervorragende weichmagnetische Eigenschaften des erzeugten Streifenmaterials verantwortlich. So wird durch das nanokristalline Gefüge eine niedrige Sättigungsmagnetostriktion bei gleichzeitig hoher Sättigungspolarisation erreicht. Durch die vorgeschlagene Wärmebehandlung un- ter definierter Zugspannung resultiert bei geeigneter Legierungswahl eine magnetische Hysterese mit einem zentralen linearen Teil. Hiermit verbunden sind niedrige Ummagnetisierungsverluste und eine im linearen, zentralen Teil der Hysterese in weiten Grenzen vom angelegten Magnetfeld bzw. von der Vormagnetisierung unabhängige Permeabilität, die bei Magnetkernen insbe- sondere für Stromtransformatoren gewünscht sind.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Ermitteln der mindestens einen magnetischen Messgröße in Echtzeit. Es ist in diesem Falle möglich, eine magnetische Charakterisierung„inline" inner- halb einer Produktionslinie im laufenden 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. das erzeugte weichmagnetische Streifenmaterial eine Herstellungsvorrichtung in voller Geschwindigkeit durchlaufen kann, ohne den Prozess für die Ermittlung unterbrechen oder verlangsamen zu müssen. Beispielsweise kann die mindestens eine magnetische Messgröße aus einer Gruppe bestehend aus dem magnetischen Sättigungsfluss, der magnetischen Bandquerschnittsfläche AFe, der Anisotropiefeldstärke, der Permeabilität, der Koerzitivfeldstärke und dem Remanenzverhältnis des erzeugten weichmagnetischen Streifenmaterials ausgewählt werden. All diesen Messgrößen 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 entspre- chend geregelt werden können.
Umfasst der Schritt des Ermitteins der magnetischen Messgröße ebenfalls ein Ermitteln der lokalen magnetischen Querschnittsfläche AFe, so erlaubt dies nicht nur ein weichmagnetisches Streifenmaterial herzustellen, welches, wie beschrieben, einen möglichst konstanten Permeabilitätsverlauf entlang seiner Länge aufweist, sondern erlaubt darüber hinaus gleichzeitig, 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 ein- stellbaren Kernquerschnittsflächen AKFe des Ringbandkerns zu wickeln, indem eine erforderliche Streifenlänge bereits vor dem tatsächlichen Aufwickeln definiert werden kann.
Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Vorrichtung zum Herstellen von weichmagnetischem Streifenmaterial vorgesehen sein 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 Zugspannung einzustellen,
- wobei zum Erzeugen des weichmagnetischen Streifenmaterials die Vor- richtung außerdem eine Messanordnung zum Ermitteln mindestens einer magnetischen Messgröße des erzeugten weichmagnetischen Streifenmaterials und
- wobei eine Regelungseinheit zum Regeln der Spannvorrichtung vorge- sehen ist, die 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. Die Vorrichtung kann außerdem eine Wickeleinheit mit mindestens 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 Messanordnung verbunden ist, dass das Aufwickeln in Reaktion auf die min- destens eine ermittelte Messgröße erfolgt.
Ferner kann die Vorrichtung eine Vorrichtung zum Erzeugen mindestens eines Magnetfelds zum Beaufschlagen des wärmebehandelten Materials mit dem mindestens einen erzeugten Magnetfeld umfassen. Das Magnetfeld kann quer und/oder senkrecht zu der Bandlängsachse bzw. Bandfläche gerichtet sein. Zum Beispiel kann die Spannvornchtung zum Erzeugen der Zugkraft in dem bandförmigen Material derart ausgestaltet sein, dass sich das bandförmige Material dennoch kontinuierlich fortbewegen kann und sich die Zugkraft nach Vorgabe der Regelungseinheit auf Grundlage der durch die Messanordnung ermittelten magnetischen Messgröße variieren lässt. Beispielsweise muss die Spannvorrichtung eine ausreichend hohe Zugkraft in das bandförmige Material einleiten können und eine erforderliche Genauigkeit gewährleisten, zum Beispiel reproduzierbare Zugkraftänderungen zulassen und die vorgegebene Zugkraft auch bei einer plastischen Dehnung des bandförmigen Materials aufbringen und gewährleisten können.
Hierzu umfasst die Spannvorrichtung zum Erzeugen der Zugkraft zwei miteinander gekoppelte S-förmige Rollenantriebe, eine Tänzerregelung und/oder eine Schwingenregelung sowie drehmomentgesteuerte 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 Materialzuführung 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 Wärmebehandlungsvorrichtung und/oder der Spannvorrichtung nachfolgenden Abschnitt angeordnet, so dass das die Messanordnung durchlaufende erzeugte weichmagnetische Streifenmaterial frei von der durch die Spannvorrichtung bereitgestellten Zug- kraft ist. Zum Transport und Wickeln des Streifenmaterials kann selbstredend dennoch eine gewisse Spannung bzw. Zugkraft anliegen. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der erfindungsgemäße Magnetkern erhalten werden. Gemäß einer Ausführungsform kann das weichmagnetische Streifenmaterial mit einer Isolierschicht beschichtet werden, um die Lagen des Ringbandkerns voneinander elektrisch zu isolieren. Das Strei- fenmaterial kann dabei vor und/oder nach dem Aufwickeln zu dem Magnetkern mit der Isolierschicht beschichtet werden.
Selbstredend können die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in beliebigen geeigneten anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendet werden.
Nach Maßgabe der Erfindung ist ferner die Verwendung des erfindungsgemäßen Magnetkerns für einen Stromtransformator vorgesehen. Unter Ver- wendung des erfindungsgemäßen Magnetkerns kann vorteilhafterweise insbesondere ein gleichstromtoleranter Stromtransformator erhalten werden. Die Anforderungen, die an einen solchen Stromtransformator zu stellen sind, sind in WO 2004/088681 A2 sowie in Normen wie IEC 62053-21 und IEC 62053- 23 beschrieben. Die Stromtransformatoren mit erfindungsgemäßen Magnet- kernen werden diesen Anforderungen gerecht.
Die Erfindung beruht somit auf der Erkenntnis, dass Magnetkerne für Stromtransformatoren erhalten werden können, die ein geringes Gewicht und ein geringes Volumen aufweisen sowie kostengünstig herzustellen sind, wenn (i) eine nanokristalline Legierung auf Eisenbasis mit einer Magnetostriktion kleiner 1 ppm verwendet wird, deren Permeabilität, welche zwischen μ = 1000 und 3500 liegt, durch Wärmebehandlung der Legierung unter Zugspannung gezielt eingestellt wird, und (ii) insbesondere durch die beschriebene Inline- Regelung bei der Wärmebehandlung die Streubreite der Magnetwerte der Kernbreite reduziert wird. Die geringeren Streuungen ermöglichen eine zielgenaue Optimierung der Kernabmessungen, womit eine deutliche Reduktion des Kerngewichts gelingt. Das Kerngewicht kann schließlich (iii) durch Erhö- hung der Sättigungsmagnetisierung auf mehr als 1 ,3 T weiter reduziert werden, was durch eine Absenkung des Nb-Gehaltes unter 2 Atom-% erreicht wird. Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die die Erfindung nicht einschränken sollen, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung den Verfahrensablauf gemäß einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 in einer schematischen Darstellung eine beispielhafte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens, Fig. 3a und 3b Grundlagen der zugspannungsinduzierten Anisotropie, Definition der mechanischen und magnetischen Begriffe und in zwei Diagrammen den Zusammenhang zwischen einer in ein bandförmiges Material eingeleiteten Zugspannung und einer resultierenden Anisotropie bzw. Permeabilität,
Fig. 4 in einem Diagramm den Vergleich einer am ungewickelten weichmagnetischen Streifenmaterial gemessenen Hysterese mit einer am gewickelten Kern bestimmten Hysterese, und Fig. 5 in einer schematischen perspektivischen Schnittdarstellung eine Ausführungsform eines Magnetkerns.
In Fig. 1 ist schematisch ein beispielhafter Ablauf des Verfahrens zum Herstellen von weichmagnetischem Streifenmaterial für Magnetkerne in Form von Ringbandkernen gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen 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 bandförmigen Materials, um eine Zugspannung in dem bandförmigen Material zu erzeugen. Diese Schritte dienen zum Erzeugen des weichmagnetischen Streifenmaterials aus dem band- förmigen Material. Außerdem umfasst das Verfahren 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 (Pfeil A). Optional umfasst das Verfahren einen Schritt des Aufwickeins mindestens eines definier- ten Abschnitts des erzeugten weichmagnetischen Streifenmaterials zum Erzeugen mindestens eines Ringbandkernes nachfolgend zu dem Schritt des Ermitteins der mindestens einen magnetischen Messgröße. Beispielsweise wird der Schritt des Aufwickeins in Reaktion auf die mindestens eine magnetische Messgröße gesteuert bzw. geregelt (Pfeil B).
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 20 zum Herstellen von weichmagnetischem Streifenmaterial gemäß einer Ausführungsform. Die Vorrichtung 20 umfasst eine eingangsseitige Materialzuführung 21 zum Bereitstellen von bandförmigem Material, eine Wärmebehandlungsvorrichtung 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 einzustellen.
Die Vorrichtung 20 umfasst außerdem eine Messanordnung 25 zum Ermitteln mindestens einer magnetischen Messgröße des erzeugten weichmagnetischen Streifenmaterials und eine Regelungseinheit 26 zum Regeln der Spannvorrichtung 24, wobei die Regelungseinheit 26 derart ausgebildet und mit der Messanordnung 25 verbunden ist, dass das Regeln der Spannvorrichtung 24 ein Regeln der Zugkraft in Reaktion auf die mindestens eine ermittelte magnetische Messgröße umfasst. In der dargestellten Ausführungsform um- fasst die Spannvorrichtung 24 zwei miteinander gekoppelte S-förmige Rollen- antriebe 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 er- zeugt werden kann. Alternativ kann die erste Rolle dabei auch gebremst anstelle angetrieben 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 Magnetfeld und/oder eine Wickeleinheit 27 mit mehreren Wickeldornen 28 zum Aufwickeln jeweils eines definierten Abschnitts des erzeugten weichmagnetischen Streifenmaterials zum Erzeugen einer Anzahl von Ringbandkernen, wobei die Wickeleinheit 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 Rollenan- trieb 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 eingeleiteten Zugspannung und einer resultierenden Anisotropie Ku bzw. Permeabilität μ. Eine lokal in dem bandförmigen Material 30 herrschende Zugspannung μ ergibt sich aus der anliegenden Zugkraft F und einer lokalen magnetischen Querschnittsfläche AFe (Materialquerschnitt) zu: F
σ = —
(2) so dass eine induzierte Anisotropie Ku in Querrichtung zu dem längserstreck- ten bandförmigen Material gemäß dem in Fig. 3b dargestellten Diagramm in Abhängigkeit von der Zugspannung σ ansteigt. Eine Permeabilität μ wird über die angelegte Zugspannung σ eingestellt und ergibt sich bekanntermaßen aus der mittleren Steigung der Hystereseschleife bzw. aus einer magnetischen Flussdichte Bs (Sättigungsmagnetisierung) bzw. einer magnetischen Feld- stärke H (Anisotropiefeldstärke Ha) sowie einer magnetischen Feldkonstanten μ0 in Verbindung mit der Anisotropie Ku wie folgt: μ = ± (3)
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 hiermit aus dem bandförmigen Material erzeugten weichmagnetischen Streifenmaterials verändert.
Fig. 3b zeigt außerdem einen Verlauf der Permeabilität in Abhängigkeit von der Zugspannung σ für drei Wärmebehandlungstemperaturen.
Fig. 4 zeigt einen Vergleich einer am ungewickelten weichmagnetischen Streifenmaterial gemessenen Hysterese 60 und einer am gewickelten Kern bestimmten Hysterese 61 . Um gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren aus dem ungewickelten weichmagnetischen Streifenmaterial einen aufgewickelten Ringbandkern zu erstellen, der eine möglichst ähnliche oder sogar gleiche Permeabilität aufweist wie das Streifenmaterial, sollte die Wärmebehandlungstemperatur und eine Durchlaufgeschwindigkeit in Abhängigkeit von einem gewählten Material bzw. einer gewählten Legierung derart abgestimmt sein, dass eine Magnetostriktion in einem nanokristallinen Zustand des Strei- fenmaterials unter 1 ppm liegt.
Das Produkt aus Biegespannungen aufgrund des Aufwickeins des Streifenmaterials und dem Wert der Magnetostriktion stellt eine zusätzliche in das aufgewickelte Streifenmaterial induzierte Anisotropie dar und sollte daher möglichst klein gehalten werden. Andernfalls würde sich die Permeabilität des Magnetkerns 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 Ringbandkern gegen die immer gleichbleibend kleinen zusätzlichen Anisotropien aufgrund der Wickelspannungen.
Wie aus dem dargestellten Hystereseverlauf 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 Einmündung in eine magnetische Sättigung können die beiden Hystereseverläufe für das ungewickelte weichmagnetische Streifenmaterial 60 und den aufgewickelten Ringbandkern 61 als identisch angesehen werden.
Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch einen Magnetkern 51 , der einen gewickelten Ringbandkern 52 und eine Beschichtung 53 aus einem Pulverlack aufweist. Die Beschichtung 53 fixiert den Ringbandkern 52. Eine solche Fixierung ermöglicht eine Größenreduktion des Magnetkerns. Beim vorliegenden Beispiel ist eine solche Fixierung trotz der dabei eingebrachten mechanischen Spannungen möglich, weil die Magnetkerne eine geringe Magnetostriktion besit- zen. Der Ringbandkern 52 besitzt eine Höhe h, einen Außendurchmesser da und einen Innendurchmesser d,. Auf die Oberflächen des Ringbandkerns ist die Pulverlack-Beschichtung 53 aufgebracht. Damit weist der Magnetkern 51 eine Höhe H, einen Außendurchmesser OD und einen Innendurchmesser ID auf. Ferner ist in Fig. 5 die Bandquerschnittsfläche AFe gekennzeichnet.
Beispiele
Die nachfolgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung im Verhältnis zu Vergleichsbeispielen. Dazu wurden bandförmige Materialien ausgewählt, de- ren Zusammensetzung in Tabelle 1 wiedergegeben ist. Diese bandförmigen Materialien wurden einer Wärmebehandlung und weiteren Verfahrensschritten zur Herstellung eines weichmagnetischen Streifenmaterials unterzogen, um beispielsweise eine nanokristalline Legierung auf Eisenbasis oder eine amorphe Legierung auf Kobaltbasis zu erhalten. Einzelheiten zu den weiteren Maßnahmen sind Tabelle 1 , Spalte„Wärmebehandlung" zu entnehmen. Die bandförmigen Materialien der Beispiele E-1 , E-2 und E-3 wurden dem erfindungsgemäßen Verfahren unterworfen.
Tabelle 1 : Zusammensetzung, Eigenschaften bandförmiger Materialien und Verfahrensschritte zur Überführung der bandförmigen Materialien in weichmagnetisches Streifenmaterial
Figure imgf000031_0001
Js bezeichnet die Sättigungsmagnetisierung des amorphen bandförmigen Materials vor der Kristallisation, wobei die Sättigungsmagnetisierung des nanokristallinen Materials dann bis zu 3% höher liegen kann. Die Messung der Sät- tigungsmagnetisierung des amorphen Materials wurde deshalb gewählt, weil sie deutlich einfacher durchzuführen ist als die des nanokristallinen Materials bei dennoch vergleichbaren Werten. V-1 und V-2 sind Vergleichsbeispiele. Der Begriff„Kristallisation" bezieht sich auf die Überführung des amorphen bandförmigen Materials in ein weichmagnetisches Streifenmaterial aus einer nanokristallinen Legierung auf Eisenbasis.
Die bandförmigen Materialien E-1 , E-2 und E-3 werden in den erfindungsgemäßen Beispielen eingesetzt. Von diesen sind E-2 und E-3 besonders bevorzugt, weil deren Sättigungsmagnetisierung größer 1 ,3 T ist. Durch die Erhö- hung der Sättigungsmagnetisierung kann der Magnetkern gegenüber einem Magnetkern mit Beispiel E-1 und den Vergleichsbeispielen V-1 und V-2 weiter verkleinert und sein Gewicht verringert werden. Dies ist möglich, da aufgrund der höheren Sättigung die Permeabilität erhöht werden kann, ohne dass der Magnetkern frühzeitig in Sättigung geht. Neben der Gewichtsersparnis kann ein Magnetkern aus E-2 und E-3 gegenüber Beispiel E-1 und den Vergleichsbeispielen V-1 und V-2 aufgrund des geringeren Nb-Gehaltes auch kostengünstiger hergestellt werden. Tabelle 2 zeigt Beispiele E-1 a, E-2a und E-3a und Vergleichsbeispiele V-1 a und V-2a für Magnetkerne, die aus dem gemäß Tabelle 1 herstellten Streifenmaterial erhalten wurden und für 60-A-Stromtransformatoren bestimmt sind. E-2a und E-3a sind bevorzugte Beispiele. Tabelle 3 zeigt Beispiele E-1 b, E-2b und E-3b und Vergleichsbeispiele V-1 b und V-2b für Magnetkerne, die aus dem gemäß Tabelle 1 herstellten Streifenmaterial erhalten wurden und für 100-A-Stromtransformatoren bestimmt sind. E-2b und E-3b sind bevorzugte Beispiele.
Tabelle 2: 60-A-Stromtransfornnatoren
Figure imgf000033_0001
Tabelle 3: 10O-A-Stromtransformatoren
Figure imgf000034_0001
In den Tabellen 2 und 3 ist in der Spalte„Legierung" der Kurzname der Legierung angegeben, wie er in Tabelle 1 verwendet worden ist. In den Tabellen 2 und 3 bedeutet diese Angabe, dass die in Tabelle 1 beschriebene Legierung zur Herstellung eines Magnetkerns eingesetzt wurden, nachdem die Legierung mittels Wärmebehandlung und weiteren Verfahrensschritten, wie in Tabelle 1 aufgeführt, in eine nanokristalline Legierung auf Eisenbasis überführt worden ist. Die nanokristalline Legierung auf Eisenbasis wurde in Form von weichmagnetischem Streifenmaterial erhalten, das zu Magnetkernen unter Erhalt von Ringbandkernen gewickelt wurde. Die Ringbandkerne wurden mit einem Pul- verlack beschichtet.
Aufgrund der geringen Magnetostriktion (As < 1 ppm) der erfindungsgemäßen Magnetkerne sind sie unempfindlich gegenüber mechanischen Spannungen. Es war deshalb möglich, die Ringbandkerne durch einen dünnen Überzug mit ei- nem Pulverlack zu fixieren. Solch eine Fixierungsart ermöglicht eine Größenreduktion des Magnetkernes, ist aber aufgrund der hierbei eingebrachten mechanischen Spannungen nur bei Magnetkernen möglich, welche eine kleine Magnetostriktion besitzen. Bei Magnetostriktionswerten größer als 1 ppm würden die erwähnten mechanischen Spannungen die Linearität des Phasenfehlers des mit dem Kern aufgebauten Stromtrafos deutlich verschlechtern. Beispielsweise weist die Legierung VC 220 F eine hohe Magnetostriktion von 10 ppm auf. Deshalb musste bei Verwendung dieser Legierung der Magnetkern vorsichtig, möglichst spannungsarm eingetrogt werden, was zu den vergleichsweise großen Abmessungen der entsprechenden Kerntypen führt (siehe V-2a in Tabelle 2 und V-2b in Tabelle 3).
Die Spalte„Kernabmessung" gibt die Dimensionen des Ringbandkerns ohne Beschichtung 53 wieder (siehe Fig. 5). Die Spalte„Kern fixiert" zeigt die Dimensionen des mit einer Pulverlack-Beschichtung 53 versehenen Ringbandkerns. Die Spalte„n ' gibt das Gewicht des unbeschichteten Magnetkerns wieder. Es ist zu erkennen, dass das Gewicht der erfindungsgemäßen Beispiele deutlich geringer als das der Vergleichsbeispiele ist. Die erfindungsgemäßen Magnetkerne wurden unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit sehr geringen Exemplarstreuungen von weniger als +/- 2,5 % hergestellt. Aufgrund dessen konnten die erfindungsgemäßen Magnetkerne zielgenau dimensioniert werden, was gegenüber dem Stand der Technik eine deutliche Gewichtsreduktion von bis zu 50 % ergibt. Die gemäß dem Stand der Technik hergestellten Kerne weisen eine deutlich höhere Exemplarstreuung von bis zu +/- 20% auf. Diese hohe Toleranz muss bei der Dimensionierung vorgehalten werden, womit sich größere Abmessungen und höhere Kerngewichte ergeben.
Die Spalte„Nom. Perm." Kennzeichnet die nominale Permeabilität, d.h.
denNominalwert bzw. den Nennwert der Permeabiltät (Nach DIN 40200 ist ein Nennwert ein geeigneter, gerundeter Wert einer Größe zur Bezeichnung oder Identifizierung eines Gerätes oder einer Anlage) der Magnetkerne.
Die Angaben in den Tabellen 2 und 3 zu Phasenfehlern und DC-Toleranz lassen ferner erkennen, dass die erfindungsgemäßen Magnetkerne die Normen für Stromtransformatoren, die in IEC 62053-21 bzw. IEC 62053-23 festgelegt sind, erfüllen. Phasenfehler und DC-Toleranz wurden gemäß IEC 62053-21 bzw. IEC 62053-23 bestimmt.

Claims

Patentansprüche
1 . Magnetkernmit einem weichmagnetischen Streifenmatehai aus einer na- nokristallinen Legierung auf Eisenbasis, die eine Permeabilität μ zwischen 1000 und 3500 und eine Magnetostriktion kleiner 1 ppm aufweist, wobei der Magnetkern erhältlich ist mittels eines Verfahrens, umfassend
das Bereitstellen eines bandförmigen Materials;
das Wärmebehandeln des bandförmigen Materials bei einer Wärmebehandlungstemperatur;
das Beaufschlagen des wärmebehandelten bandförmigen Materials mit einer Zugkraft in Längsrichtung des bandförmigen Materials, um eine Zugspannung in dem bandförmigen Material zu erzeugen, unter Erhalt des weichmagnetischen Streifenmaterials, wobei zum Erzeugen des weichmagnetischen Streifenmaterials aus dem bandförmigen Material weiterhin vorgesehen ist:
das 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. Magnetkern nach Anspruch 1 , wobei die nanokristalline Legierung auf Eisenbasis zumindest 50 Atom-% Eisen, höchstens 4 Atom-% Niob und zumindest 15 und höchstens 20 Atom-% Silicium enthält.
3. Magnetkern nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die nanokris- talline Legierung auf Eisenbasis höchstens 2 Atom-% Niob enthält.
4. Magnetkern nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die nanokristalline Legierung auf Eisenbasis eine Legierung ist, die
-aus Feioo-a-b-c-d-x-y-zCuaNbbMcTdSixByZz und bis zu 1 Atom% Verunreini- gungen besteht, wobei M eines oder mehrere der Elemente Mo, Ta oder Zr, T eines oder mehrere der Elemente V, Mn, Cr, Co oder Ni und Z eines oder mehrere der Elemente C, P oder Ge ist und
0 Atom-% < a < 1 ,5 Atom-%,
0 Atom-% < b < 2 Atom-%,
- 0 Atom-% < c < 2 Atom-%,
0 Atom-% < d < 5 Atom-%,
14 Atom-% < x < 18 Atom-%,
5 Atom% < y < 1 1 Atom-% und
0 Atom% < z < 2 Atom% ist,
-ein nanokristallines Gefüge, bei dem zumindest 50 Vol-% der Körner eine mittlere Größe kleiner als 100 nm aufweisen,
-eine Hystereseschleife mit einem zentralen linearen Teil,
-ein Remanenzverhältnis, Jr/Js, < 0,1 , und
-ein Verhältnis von Koerzitivfeldstärke, Hc, zu Anisotropiefeldstärke, Ha, < 10 % aufweist.
5. Magnetkern nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die nanokris- talline Legierung auf Eisenbasis eine Sättigungsmagnetisierung von mehr als
1 ,3 T aufweist.
6. Magnetkern nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln der mindestens einen magnetischen Messgröße in Echtzeit erfolgt.
7. Magnetkern nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mindes- tens eine magnetische Messgröße aus einer Gruppe, bestehend aus magnetischem Sättigungsfluss, magnetischer Bandquerschnittsfläche,
Anisotropiefeldstärke, Permeabilität, Koerzitivfeldstärke und
Remanenzverhältnis des erzeugten weichmagnetischen Streifenmaterials ausgewählt ist.
8. Magnetkern nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren einen Schritt des Aufwickeins mindestens eines definierten Abschnitts des erzeugten weichmagnetischen Streifenmaterials zum Erzeugen des Magnetkernes nachfolgend zu dem Schritt des Ermitteins der mindestens einen mag- netischen Messgröße umfasst.
9. Magnetkern nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Aufwickelns in Reaktion auf die mindestens eine magnetische Messgröße geregelt wird.
10. Magnetkern nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei der Schritt des
Aufwickelns ein Aufwickeln einer definierten Anzahl von Bandlagen des erzeugten weichmagnetischen Streifenmaterials zum Erzeugen des Magnetkerns umfasst und ein Definieren der Anzahl von Bandlagen in Reaktion auf die mindestens eine magnetische Messgröße erfolgt.
1 1 . Magnetkern nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei er bei einer maximalen Gleichstrombelastung von 60 A eine Kernmasse von weniger als 4,7 g aufweist oder dass er bei einer maximalen Gleichstrombelastung von 100 A eine Kernmasse von weniger als 5,3 g aufweist.
12. Verfahren zur Herstellung eines Magnetkerns mit einem weichmagnetischen Streifenmaterial aus einer nanokristallinen Legierung auf Eisenbasis, die eine Permeabilität μ zwischen 1000 und 3500 und eine Magnetostriktion kleiner 1 ppm aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst
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, unter Erhalt des weichmagneti- sehen Streifenmatenals, wobei zum Erzeugen des weich-magnetischen 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.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die mindestens eine magnetische Messgröße aus einer Gruppe, bestehend aus magnetischem Sättigungsfluss, magnetischer Bandquerschnittsfläche, Anisotropiefeldstärke, Permeabilität,
Koerzitivfeldstärke und Remanenzverhältnis des erzeugten weichmagnetischen Streifenmaterials ausgewählt ist.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, wobei es einen Schritt des Aufwickelns mindestens eines definierten Abschnitts des erzeugten weichmagnetischen Streifenmaterials nachfolgend zu dem Schritt des Ermitteins der mindestens einen magnetischen Messgröße umfasst, wobei der Schritt des Aufwickelns ein Aufwickeln einer definierten Anzahl von Bandlagen des erzeugten weichmagnetischen Streifenmaterials zum Erzeugen des Magnetkerns um- fasst und ein Definieren der Anzahl von Bandlagen in Reaktion auf die mindestens eine magnetische Messgröße erfolgt.
15. Verwendung eines Magnetkerns nach einem der Ansprüche 1 bis 14 für einen Stromtransformator.
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