DE1758787B2 - Weichmagnetisches eisenblech und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Weichmagnetisches eisenblech und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
Das beim Bau von Generatoren, Motoren oder Transformatoren verwendete Eisenblech muß in hohem
Maße magnetisch weich sein, um die bei der ständigen Ummagnetisierung entstehenden Hysterese- und Wir
belstromverluste möglichst klein zu halten. Vielfach wird daher für diesen Zweck siliziertes Eisenblech mit
einem Siliziumgehalt von 1 bis 4% verwendet. Mit Silizium legiertes Eisenblech weist geringere Verluste
durch Hysterese und Wirbelströme auf als unlegierte!» Blech. Nach der klassischen Wirbelstromtheorie ist die
Induktionsverteilung in einem (unendlich großen) Eisenblech nicht homogen: Die Induktion B ist an den
Blechwänden am größten und in der Blechmitte am kleinsten. Die Wirbelstromdichte g hat an den
Blechwänden ebenfalls die größten Werte, in der Blechmitte ist sie Null. Für die Wirbelstromverluste pro
Masseneinheit erhält man bei niederfrequenter Magnetisierung
1
24'
I'm. =
Darin ist ω die Kreisfrequenz, k die spezifische elektrische Leitfähigkeit, c/die Blechdicke und +ßmder
Scheitelwert der Induktion, gemittelt über die Blechdikke. Man erkennt, daß vw um so kleiner wird, je geringer
die elektrische Leitfähigkeit k ist. Die Hystereseverluste werden bekanntlich kleiner mit enger werdender
Hystereseschleife; diese Schleifen zeigen silizierte Bleche mit hohen Permeabilitäten μ. Die hohen μ-Werte
und kleinen it-Werte der silizierten Bleche bedingen deren geringe Hysterese- und Wirbelstromverluste und
damit deren Bedeutung in der Elektrotechnik.
Es ist bekannt, zur Verminderung von Wirbelstromverlusten
bei magnetisch weichen Werkstoffen, z.B. Transformatorenblechen, Isolierschichten aus Siliziumdioxid,
die beispielsweise elektrophoretisch abgeschieden sind, zu verwenden (DT-AS 10 78 196).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weichmagnetisches Eisenblech, z.B. Trafoblech oder
Dynamoblech, das zur Verringerung von Hysterese- und Wirbelstromverlusten beidseitig mit siliziumhaltigen
Überzügen versehen ist, zu schaffen, das nicht nur einfacher als die bisherigen siliziumhaltigen Eisenbleche
herzustellen ist, sondern auch noch bessere Eigenschaften hinsichtlich der Verluste hat
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst daß das Eisenblech ein Verbundmetall aus gewöhnlichem
unlegiertem Eisenblech und siliziumhaltigen Eisenüberzügen ist die in Dispersion zwischen 1 und 5 Gew.-%
Siliziumpulver mit einer Korngröße zwischen 0,1 und 1 μπι enthalten.
Die siliziumhaltigen Dispersionsüberzüge können sowohl reines Siliziumpulver als auch ein aus einer
Fe-Si-Legierung bestehendes Pulver enthalten. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Dicke jedes
Disperionsüberzuges etwa zwischen 10 und 30% der Gesamtblechdicke zu wählen. Dieses auf beiden Seiten
mit einem Dispersionsüberzug versehene Blech ist vorzüglich als sogenanntes Trafoblech bzw. Dynamoblech
beim Bau von Generatoren, Motoren und Transformatoren geeignet.
Ein ausgezeichnetes Verfahren zur Herstellung von weichmagnetischem Eisenblech nach der Erfindung
besteht darin, daß siliziumhaltiges Pulver mit einer Korngröße zwischen etwa 0,1 und 1 μπι in einem
galvanischen Eisenbad aufgeschlämmt sowie durch Badbewegung in der Schwebe gehalten wird und
zusammen mit Eisen in einem Dispersionsüberzug auf gewöhnlichem unlegiertem Eisenblech galvanisch abgeschieden
wird.
Die innerhalb des Blechs vorhandene Induktions- und Wirbelstromverteilung wird an Hand der schematichen
Zeichnung erläutert; es zeigt
F i g. 1 einen Querschnitt durch ein Eisenblech mit schematischer Darstellung der Induktion und der
Wirbelstromdichte,
F i g. 2 den Funktionsverlauf der Induktion und der Wirbelstromdichte über die Blechdicke,
F i g. 3 den Funktionsverlauf nach F i g. 2 für ein Eisenblech mit beidseitigen siliziumhaltigen Dispersionsüberzügen.
In F i g. 1 sind rein qualitativ die Induktion B und die
Wirbelstromdichte g als Pfeile bzw. Pfeilspitzen oder -enden für den Fall eines Blechs 1 der Dicke d, dessen
Ausdehnung in der Ordinatenrichtung und senkrecht zur Zeichenebene als unendlich angenommen ist,
eingetragen. F i g. 2 zeigt schematisch den Funktionsverlauf von Bund güber die Blechdicke d. Es ist deutlich
zu sehen, daß beide Werte an den Blechwänden 2 und 3 am größten sind. In der Blechmitte 4 ist beispielsweise
40
45
60 In F i g. 3 ist ein Schnitt durch ein Eisenblech schematisch gezeichnet, welches auf beiden Seiten mit
einem siliziumhaltigen Dispersionsüberzug versehen ist. Es sei angenommen, daß ein gewöhnliches Eisenblech 5,
z. B. Schwarzblech, mit der Permeabilität μ und der elektrischen Leitfähigkeit k auf beiden Seiten silizierte
Schichten 6 der Dicke d'12 trägt, deren Leitfähigkeit
k' < k ist und deren relative Permeabilität μ'
> μ ist Die Randbedingungen für die magnetische und elektrische
Feldstärke bedingen in den Randschichten 6 einen Sprung der Induktion B nach oben und einen Sprung der
Wirbelstromdichte g zu kleineren W trten. Man erkennt
in Fig.3, daß gerade die Blechteile 6, die die hohe Induktion B tragen, eine kleine Wirbelstromdichte g führen und damit nur geringe Wirbelstromverluste zeigen.
Die genaue Rechnung ergibt folgendes: wenn z. B. die
beidseitigen silizierten Randschichten nur 20% der elektrischen Leitfähigkeit des gewöhnlichen Eisenblechs
haben, also k' = 0,2 k und wenn die relative
Permeabilität der silizierten Schicht um den Faktor 3 gewachsen ist, also μ' = 3 μ, so sinken die Wirbelstrom-Verluste
auf ein Drittel der Werte des gewöhnlichen Eisenblechs, wenn die Dicken der beiden silizierten
Schichten zusammen 20% der gesamten Blechdicke betragen. Bei der Blechdicke 0,5 mm würde dies als
silizierte Schichten von 50 μπι auf beiden Seiten
bedingen.
Wegen dieser vorteilhaften Wirkung der silizierten Randschichten kann daher bei einem Verbundmetall,
das beidseitig mit einem siliziumhaltigen Eisenüberzug (Dispersionsüberzug) versehen ist, an Stelle von
herkömmlichem siliziertem Eisenblech unlegiertes Eisenblech verwendet werden.
Da es nicht möglich ist, Silizium wie ein Metall aus einer echten Lösung abzuscheiden, wird bei dem
Verfahren gemäß Anspruch 4 das Silizium in Form feinster Teilchen zusammen mit Eisen in Form eines
Dispersionsüberzuges galvanisch abgeschieden. Dabei hat es sich als günstig erwiesen, Siliziumpulver mit sehr
geringer Korngröße (0,1 bis 1 μηι) in einem galvanischen
Eisenbad aufzuschlämmen und durch Badbewegung in Schwebe zu halten derart, daß bei der
galvanischen Abscheidung von Eisen Siliziumteilchen gleichmäßig in den Eisenüberzug eingebaut werden. Auf
diese Weise können Eisenüberzüge mit einem Siliziumgehalt bis etwa 5% hergestellt werden.
Wird unlegiertes Eisenblech, z. B. das billige Schwarzblech,
beidseitig mit einem hinreichend, z. B. 25-100μηι dicken siliziumhaltigen F.isenüberzug versehen,
dann erhält man ein Verbundmaterial mit hochwertigen magnetischen Eigenschaften, das an
Stelle des verhältnismäßig teuren silizierten Blejhs beim Bau elektrischer Maschinen verwendet werden kann.
Das Verfahren wird durch folgende Beispiele noch näher erläutert:
Unlegiertes Eisenblech (Schwarzblech) wurde in einem Eisenbad folgender Zusammensetzung galvanisch
behandelt
Eisen(H)-chlorid 300 g/l
Mangan(II)-chlorid 5 g/l
Siliziumpulver
Siliziumpulver
(Korngröße 0,1 bis 1 μίτι) 20 g/l
pH-Wert 1,5 bis 2
Temperatur 90°
Stromdichte 2 A/dm2
Badbewegung durch mechanisches Rühren oder Umpumpen.
Aus diesem Bad wurden Eisenüberzüge mit einer Dicke von 20 bis 100 μπι abgeschieden. Diese Überzüge
hatten einen Siliziumgehalt von ca. 2 Gew.-%.
Unlegiertes Eisenblech wurde in einem Eisenbad folgender Zusammensetzung galvanisch behandelt.
Eisen(I I)-fluoroboratlösung, | 226 g/l |
42%ig | 10 g/l |
Natriumchlorid | |
Siliziumpulver | 100 g/l |
(Korngröße 0,1 bis 1 μηι) | Ibis 3 |
pH-Wert | 60° C |
Temperatur | 2 A/dm2 |
Stromdichte | |
Badbewegung durch mechanisches Rühren oder Umpumpen.
Aus diesem Bad wurden Eisenüberzüge mit einer Dicke von 20 bis 50 μπι abgeschieden. Diese Überzüge
hatten einen Siliziumgehalt von ca. 4 Gew.-%.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
- Patentansprüche:,-ς 1, Weichmagnetisches Eisenblech, das zur Verrinf erung von Hysterese- und Wirbelstromverlusten ; »beidseitig mit siliziumhaltigen Überzügen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Verbundmetall aus gewöhnlichem unlegiertem Eisenblech und siliziumhaltigen Eisenüberzügen ist, die in Dispersion zwischen etwa 1 und 5Gew.-% ic Siliziumpulver mit einer Korngröße zwischen etwa ©,1 und Ιμπι enthaltea
- 2. Eisenblech nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dispersionsüberzüge an Stelle von reinem Si-Pulver aus einer Fe-Si-Legierung bestehendes Pulver enthalten.
- 3. Eisenblech nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke jedes Dispersionsüberzuges etwa zwischen 10 und 30% der gesamten Blechdicke beträgt
- 4. Verfahren zur Herstellung von weichmagnetischem Eisenblech nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß siliziumhaltiges Pulver mit einer Korngröße zwischen etwa 0,1 und 1 μηι in einem galvanischen Eisenbad aufgeschlämmt sowie durch Badbewegung in der Schwebe gehalten wird und zusammen mit Eisen in einem Dispersionsüberzug auf gewöhnlichem unlegiertem Eisenblech galvanisch abgeschieden wird.
- 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn· zeichnet, daß reines Siliziumpulver verwendet wird.
- 6. Verfahren nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß ein aus einer Fe-Si-Legierung bestehendes Pulver verwendet wird.35
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