DE3619659C2 - Verwendung einer glasartigen Legierung auf Fe-Basis - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine glasartige Legierung auf Fe-Basis, die als Werkstoff für magnetische Kerne in Hochfrequenztransformatoren bei Frequenzen von 50 kHz oder mehr, in Gleichtaktdrosseln und anderen elektronischen Bauelementen geeignet ist.

Herkömmlich für Hochfrequenztransformatoren und -drosseln verwendete magnetische Kerne bestehen hauptsächlich aus Ferrit, da dieses einen hohen elektrischen Widerstand aufweist, so daß nur geringe Wirbelstromverluste auftreten. Da Ferrit jedoch eine relativ geringe Sättigungs-Magnetflußdichte und schlechte Temperaturcharakteristika hat, liegt der Nachteil darin, daß die Herstellung kleiner Magnetkerne daraus schwierig ist.

In letzter Zeit fanden glasartige magnetische Legierungen viel Aufmerksamkeit, da sie die herkömmlichen Magnetkernmaterialien aufgrund ihrer hohen Sättigungs-Magnetflußdichte übertreffen. Glasartige Legierungen lassen sich im allgemeinen in solche auf Fe-Basis und in solche auf Co-Basis einteilen. Der Nachteil der Legierungen auf Fe-Basis liegt darin, daß sie im allgemeinen bei hohen Frequenzen einen großen Kernverlust haben. Legierungen auf Co-Basis haben anfänglich einen geringen Kernverlust, der sich jedoch mit der Zeit verändert und diese Legierungen für die praktische Anwendung ungeeignet macht.

Aus der DE 28 24 749 A1 ist ein induktives Bauelement bekannt, auf dessen elektrisch leitende Wicklung ein weichmagnetisches Band aus einer glasartigen Legierung aufgewickelt ist. Das Band kann aus einer Legierung auf Fe-Basis hergestellt sein, die neben Fe wahlweise die Elemente Cu, Si, B sowie Cr und Mo enthält.

Aus der DE 30 01 899 A1 ist darüber hinaus eine glasartige Metallegierung bekannt, die aus 70 bis 90% Fe besteht. Bis zu einem Viertel können durch Cu, Nb und/oder Mn ersetzt sein. Die restlichen 10 bis 30% bestehen aus B, wobei bis zu drei Fünftel durch Si ersetzt sein können. Diese Legierung ist besonders geeignet, ihre weichmagnetischen Eigenschaften bei Wärmebehandlungen beizubehalten. Einerseits sind nämlich nach Verformungen eines solchen Materiales Wärmebehandlungen zur Wiederherstellung der weichmagnetischen Eigenschaften erforderlich, andererseits besteht bei der Wärmebehandlung die Gefahr, daß das glasartige Material kristallisiert und damit die weichmagnetischen Eigenschaften vollständig verliert.

Bis auf die Feststellung, daß es sich jeweils um weichmagnetische Legierungen handelt, sind den beiden Druckschriften jedoch keine Hinweise auf bestimmte magnetische Eigenschaften der Legierungen oder auf eine bestimmte Legierungszusammensetzung zur Erzielung besonderer Eigenschaften zu entnehmen.

Legierungen auf Fe-Basis haben einerseits eine höhere Beständigkeit gegen zeitliche Veränderungen als die eingangs genannten Legierungen auf Co-Basis, andererseits zeigen sie jedoch bei hohen Frequenzen einen höheren Kernverlust als diese. Aus Legierungen auf Fe-Basis hergestellte magnetische Kerne sind daher aufgrund des Kernverlustes bei hohen Frequenzen einem beträchtlichen Temperaturanstieg ausgesetzt. Daneben sind glasartige Legierungen auf Fe-Basis denen auf Co-Basis auch bezüglich der Permeabilität unterlegen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine glasartige Legierung auf Fe-Basis zur Verwendung als Werkstoff für magnetische Kerne bei hohen Frequenzen bereitzustellen, die einen niedrigen Kernverlust bei hoher Permeabilität aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 beschrieben.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der anliegenden Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Kernverlust W2/100 k von glasartigen Legierungen und dem Gehalt von Cu (=x);

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Kernverlust W2/100 k von glasartigen Legierungen und dem Anteil von M (=a);

Fig. 3 graphische Darstellungen, die jeweils die Gleichstrom-B-H-Kurve, den Kernverlust W2/100 k und die effektive Permeabilität µe1k der glasartigen Legierung bei 1 kHz zeigen;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der effektiven Permeabilität µe und der Frequenz f für die glasartige Legierung und die herkömmlichen Legierungen N, O;

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der effektiven Permeabilität µe1k bei 1 kHz und einem Erregungs-Magnetfeld Hm für die glasartige Legierungen P und die herkömmlichen Legierungen r, S;

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Impedanz |Z| und der Frequenz f für Gleichtaktdrosseln, die einerseits aus einer glasartigen Legierung T und andererseits aus einem herkömmlichen Ferrit U hergestellt sind;

Fig. 7 eine graphische Darstellung von Gleichtakt-Rauschpegeln, die an Eingangsanschlüssen von schaltenden Leistungsversorgungseinheiten abfallen, die eine aus der glasartigen Legierung V hergestellte Gleichtaktdrossel bzw. eine aus dem herkömmlichen Ferrit W hergestellte Gleichtaktdrossel aufweisen; und

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Veränderungsrate des Kernverlustes mit der Zeit (W₂₄-W₀)/W₀ der glasartigen Legierung und dem Gehalt von B (=z).

In den graphischen Darstellungen ist die magnetische Feldstärke in Einheiten aufgetragen, die zur Umwandlung in A/m mit 10³/4 π zu multiplizieren sind.

Die erfindungsgemäße glasartige Legierung auf Fe-Basis ist dadurch charakterisiert, daß sie Kupfer in einer Menge von 0,1-3 Atom-% enthält. Wenn der Cu-Anteil geringer als 0,1 Atom-%, zeigt er nur geringe Auswirkungen auf die Verringerung der Kernverluste. Wenn er 3 Atom-% übersteigt, werden die Kernverluste größer, als wenn die Legierung kein Kupfer enthält. Der bevorzugte Kupferanteil liegt bei 0,1-2 Atom-%.

Silizium und bor sind notwendig, um die Glasartigkeit der Legierung sicherzustellen. Die sich ergebende Legierung ist nicht glasartig, wenn die Si-Anteile (=y) und B-Anteile (=z) nicht folgende Anforderungen erfüllen: 8≦y≦19 Atom-%, 5≦z≦25 Atom-% und 15≦y+z≦30 Atom-%. Die bevorzugten Mengen von Silizium und Bor erfüllen folgende Bedingungen: 7≦z≦10 Atom-% und 18≦y+z 26 Atom-%. Wenn die Silizium- und Boranteile in den oben genannten Bereichen liegen, zeigt die sich ergebende Legierung einen geringen Kernverlust und eine kleine zeitliche Veränderung. Insbesondere wenn der Bor-Gehalt z im Bereich von 8-9,5 Atom-% liegt, ist die Veränderung des Kernverlustes über der Zeit extrem gering.

Ein kleiner Teil von Eisen wird durch ein oder mehrere andere Elemente M ersetzt, die aus der aus Nb und Mn bestehenden Gruppe ausgewählt werden. Der Anteil dieser Elemente M sollte insgesamt im Bereich von 0,001-0,1 liegen. Wenn der M-Anteil (=a) geringer als 0,001 ist, kann durch die Zugabe von M keine wesentliche Wirkung auf die Verringerung des Kernverlustes ausgeübt werden. Übersteigt andererseits der M-Anteil (=a) 0,1, hat die sich ergebende Legierung eine extrem verringerte Sättigungs-Magnetflußdichte und wird daneben so spröde, daß sie nicht in Bänder geformt werden kann. Die bevorzugte Menge von M beträgt 0,01-0,1.

Wenn M gleich Mn ist, hat die sich ergebende glasartige Legierung ein kleines Rechteckigkeitsverhältnis, eine hohe Konstanz der Permeabilität in einem sich verändernden magnetischen Feld und eine große Sättigungs-Magnetflußdichte, so daß sie für Magnetkerne von Hochfrequenztransformatoren für Vorwärtsumrichter und für solche von Gleichtaktdrosseln geeignet ist, die gute Charakteristika bezüglich impulsartiger Hochspannungs-Rauscherscheinungen haben.

Wenn M gleich Nb ist, hat die Legierung nicht nur einen geringen Kernverlust, sondern, verglichen mit hoch permeablen Legierungsmaterialien auf Co-Basis, auch eine hohe Permeabilität. Eine derartige, Nb enthaltende glasartige Legierung auf Fe-Basis ist daher nicht nur für Magnetkerne von Hochfrequenztransformatoren, sondern auch für die gewöhnliche Gleichtaktdrosseln geeignet. Da diese Legierung eine hohe Permeabilität im Bereich niedriger Frequenzen aufweist, ist sie daneben für Zusatzumformer für Schwingspul (MC)-Tonabnehmer geeignet.

Die glasartige Legierung muß nicht vollständig glasartig sein. Sie kann Kristalle bis zu einem solchen Maß enthalten, daß ihre Hochfrequenz-Magnetcharakteristika nicht verschlechtert werden. Daneben können in der Legierung die unvermeidlichen Fremdstoffe bzw. Verunreinigungen, wie z. B. N, S, C, O, in kleinen Mengen enthalten sein, so lange die charakteristischen Wirkungen nicht beeinträchtigt werden.

Die glasartige Legierung kann nach einem bekannten Flüssigkeits-Abschreckverfahren hergestellt werden, wie z. B. einem Einzelwalzverfahren, einem Doppelwalzverfahren usw. Für praktische Zwecke findet vorzugsweise das Einzelwalzverfahren Anwendung. Damit läßt sich ein glasartiges Legierungsband mit einer Dicke von 8-100 µm und einer Breite von ca. 0,5-100 mm herstellen. Als Werkstoff für magnetische Kerne zur Verwendung bei hohen Frequenzen findet vorzugsweise ein Band mit einer Dicke von 25 µm oder weniger Anwendung.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele im einzelnen erläutert.

Beispiel 1

Unter Verwendung der in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzungen von Legierungselementen wurden nach einem Einzelwalzverfahren verschiedene glasartige Legierungsbänder auf Fe-Basis hergestellt. Jedes Band hatte eine Breite von 5 mm und eine Dicke von etwa 18 µm. Jedes Band wurde so geformt, daß sich ein gewickelter Magnetkern mit 15 mm Innendurchmesser und 19 mm Außendurchmesser ergab. Der gewickelte Magnetkern wurde einer Wärmebehandlung in einer Stickstoff-Atmosphäre bei 400-560°C für eine Stunde ausgesetzt. Alle Wickelkerne wurden auf den Kernverlust W2/100k vermessen, d. h. bei einer maximalen Magnetflußdichte von 0,2 t und einer Frequenz f=100 kHz. Der gemessene Kernverlust für jede Legierung ist ebenfalls in Tabelle 1 dargestellt.

Zu Vergleichszwecken enthält Tabelle 1 auch die Kernverlust-Werte von herkömmlichen glasartigen Legierungen auf Fe-Basis, von einer glasartigen Legierung auf Co-Basis und von Mn-Zn-Ferrit.

Tabelle 1

Wie sich aus Tabelle 1 ergibt, haben die erfindungsgemäßen Legierungen geringere Kernverluste als die herkömmlichen Legierungen auf Fe-Basis und das Ferrit.

Beispiel 2

Die Kernverluste wurden bei einer maximalen Magnetflußdichte Bm=0,2 T und einer Frequenz f=100 kHz an der folgenden Legierung gemessen:

C = Fe₇₇_.₅_-xCu_xSi₁₃_.₅B₉.

Dabei wurde der Cu-Gehalt (=x) zwischen 0 und 3,5 Atom-% verändert.

Fig. 1 zeigt die Beziehungen zwischen den Kernverlusten W2/100k und dem Cu-Gehalt (=x). Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß in dem Bereich von 0,1-3 Atom-% Kupfergehalt die Kupfer enthaltenden Legierungen geringere Kernverluste haben als die Legierungen, die kein Kupfer enthalten.

Beispiel 3

Es wurden die Kernverluste bei einer maximalen Magnetflußdichte Bm=0,2 T und einer Frequenz=100 kHz an Legierungen gemessen, die durch die Formel:

(Fe₁_-aM_a)₇₆_.₅Cu₁Si₁₃_.₅B₉

angegeben werden, wobei M Nb oder Mn ist. Fig. 2 zeigt die Beziehungen zwischen den Kernverlusten W2/100k und dem M-Gehalt (=a), wobei die Buchstaben F und g folgende Legierungen angeben:

F: M = Nb
G: M = Mn

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, werden die Kernverluste geringer, wenn der M-Gehalt (=a) von 0 auf 0,001 ansteigt, und sie verlaufen abfallend weiter, wenn der M-Gehalt (=a) 0,001 übersteigt. Übersteigt der M-Gehalt (=a) jedoch 0,05, dreht sich die Tendenz der Kernverluste um und beginnt anzusteigen.

Was den Kernverlust anlangt, kann M in einer Menge von mehr als 0,1 enthalten sein. Da jedoch ein M-Anteil von mehr als 0,1 zur Sprödigkeit der glasartigen Legierungen führt, sollte der obere Grenzwert von M 0,1 betragen.

Beispiel 4

An den folgenden erfindungsgemäßen amorphen Legierungen auf Fe-Basis wurden Gleichstrom (DC)-B-H-Kurven gemessen:

J = (Fe₀.₉₈Mn₀_.₀₂)₇₆_.₅Cu₁Si₁₃_.₅B₉
K = (Fe₀.₉₄Nb₀_.₀₆)₇₆_.₅Cu₁Si₁₃_.₅B₉

Fig. 3 zeigt die Gleichstrom-B-H-Kurven der Legierungen J und K sowie ihre Kernverluste W2/100k bei einer maximalen Magnetflußdichte Bm=0,2 T und einer Frequenz f=100 kHz und ihre effektive Permeabilität µe1k bei 1 kHz.

Fig. 3 zeigt, daß die Mn enthaltende Legierung J eine B-H-Kurve mit niedrigem Rechteckigkeitsverhältnis ergibt, die für die Sättigung geringer geneigt ist und daneben eine hohe Konstanz der Permeabilität über einen weiten Magnetfeldbereich aufweist. Damit ist sie für Magnetkerne von Hochfrequenztransformatoren für Vorwärtsumrichter und von Gleichtaktdrosseln sehr geeignet, die für impulsförmige Hochspannungsrauscherscheinungen sehr wirksam sind.

Fig. 3 zeigt auch, daß die Nb enthaltende Legierung K so hohe Sättigungs-Magnetflußdichten und Permeabilitäten wie Legierungen auf Co-Basis aufweist. Damit ist sie nicht nur für Magnetkerne von Hochfrequenztransformatoren, sondern auch für die von Gleichtaktdrosseln mit guten Eigenschaften für gewöhnliche Gleichtaktrauscherscheinungen und von Booster-Transformatoren für Schwingspul-(MC)-Tonabnehmer sehr geeignet.

Beispiel 5

An den folgenden Legierungen wurde im Frequenzbereich von 1-200 kHz die effektive Permeabilität gemessen:

L = (Fe₀_.₉₅Nb₀_.₀₅)₇₇Cu₁Si₁₃B₉,
N = Fe₇₇_.₅Si₁₃_.₅B₉,
O = Co₆₉Fe₅Si₁₅B₁₀Mo₁.

Mit dem Buchstaben L ist eine erfindungsgemäße Legierung, mit N eine herkömmliche Legierung auf Fe-Basis und mit 0 eine Legierung auf Co-Basis bezeichnet. Die Beziehungen zwischen der effektiven Permeabilität der drei Legierungen und der Frequenz sind in Fig. 4 dargestellt.

Wie sich herausstellt, hat die erfindungsgemäße Legierung L eine erheblich höhere effektive Permeabilität als die herkömmliche Legierung N auf Fe-Basis und auch eine höhere effektive Permeabilität als die Legierung O auf Co-Basis.

Beispiel 6

An den folgenden Legierungen wurde die effektive Permeabilität bei 1 kHz µe1k gemessen, wobei ein Erregungsmagnetfeld Hm in einem Bereich zwischen 0 und 12 A/m lag:

P = (Fe₀_.₉₅Nb₀_.₀₅)₇₇Cu₁Si₁₃B₉,
R = Fe₇₇_.₅Si₁₃_.₅B₉,
S = Co₇₀Fe₅Si₁₅B₉Mo₁.

Die Beziehungen zwischen der effektiven Permeabilität µe1k der drei Legierungen und dem Erregungsmagnetfeld Hm sind in Fig. 5 dargestellt.

Fig. 5 zeigt, daß die erfindungsgemäße, Nb enthaltende Legierung P eine hohe Permeabilität µe1k hat und der herkömmlichen Legierung S auf Co-Basis in der Erregungsmagnetfeld-Abhängigkeit überlegen ist.

Beispiel 7

An einer aus einer Legierung T mit der Formel:

(Fe₀_.₉₅Nb₀_.₀₅)₇₇Cu₁Si₁₃B₉

hergestellten Gleichtaktdrossel sowie an einer aus einem Ferrit U hergestellten Gleichtaktdrossel wurde die Impedanz im Frequenzbereich von 0,01-2 MHz gemessen. Beide Gleichtaktdrosseln aus den Materialien T und U hatten die Form eines Toroids mit 25 mm Außendurchmesser, 15 mm Innendurchmesser und 12 mm Höhe und 40 Wicklungen aus einem 0,7-mm-Draht.

Fig. 6 zeigt die Beziehungen zwischen der Impedanz der Gleichtaktdrosseln aus den Materialien T und U und der Frequenz. Es ergibt sich, daß die erfindungsgemäße Legierung T fast über den gesamten gemessenen Frequenzbereich eine höhere Impedanz als das Ferrit U hat. Damit ist die obige Legierung T als Werkstoff für die Magnetkerne von Gleichtaktdrosseln geeignet.

Beispiel 8

Aus einer Legierung V mit der Formel:

(Fe₀_.₉₅Nb₀_.₀₅)₇₇Cu₁Si₁₃B₉

sowie aus einem herkömmlichen Ferrit W wurden Gleichtaktdrosseln hergestellt. Jede Gleichtaktdrossel wurde in einer Schaltleistungsversorgung montiert, um das an den Eingangsanschlüssen der Schaltleistungsversorgung abfallende Gleichtaktrauschen zu messen. Die Beziehungen zwischen den Gleichtakt-Rauschpegeln und der Frequenz sind in Fig. 7 dargestellt.

Aus Fig. 7 wird deutlich, daß der Rauschpegel im Falle der aus der erfindungsgemäßen Legierung V hergestellten Gleichtaktdrossel in Bereichen niedriger und hoher Frequenzen geringer als im Falle der aus dem Ferrit W hergestellten Gleichtaktdrossel ist. Damit ergibt sich eine gute Eignung der erfindungsgemäßen Legierung auf Fe-Basis für Gleichtaktdrosseln.

Beispiel 9

Die Veränderungsrate des Kernverlustes mit der Zeit wurde an einer Legierung mit der Formel:

(Fe₀_.₉₅Nb₀_.₀₅)₈₅_{. -z}Cu₁Si₁₃_.₅B_z

gemessen, wobei z von 7 auf 13 Atom-% verändert wurde. Die Veränderungsrate wurde bestimmt, indem zuerst der Kernverlust (W₀) der Legierung bei 0,2 T und 100 kHz gemessen, die Legierung für 24 Stunden bei 150°C gehalten, danach wieder ihr Kernverlust (W₂₄) gemessen und anschließend der Wert (W₂₄-W₀)/W₀ berechnet wurde.

Die Beziehung zwischen der Veränderungsrate des Kernverlustes mit der Zeit und dem B-Gehalt (=z) ist in Fig. 8 dargestellt.

Aus Fig. 8 wird deutlich, daß sich selbst bei einer Veränderung des B-Gehalts die zeitliche Veränderungsrate des Kernverlustes nicht stark ändert und daß sie insbesondere annähernd null ist, wenn der B-Gehalt in einem Bereich von 8-9,5 Atom-% liegt.

Claims (2)

1. Verwendung einer glasartigen Legierung auf Fe-Basis mit einer Zusammensetzung gemäß der Formel (Fe₁_-aM_a)₁₀₀_-x-y-zCu_xSi_yB_zmit den Elementen Nb und/oder Mn für M und0,001 a 0,1
0,1 x 3
8 y 19
5 z 25
15 y+z 30als Werkstoff für magnetische Kerne mit niedrigen Kernverlusten bei Frequenzen ab 50 kHz.

2. Verwendung einer glasartigen Legierung mit einer Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, wobei 0,01 a 0,1
0,1 x 2
7 z 10
18 y+z 26gilt, für den Zweck nach Anspruch 1.