DE2553003C2

DE2553003C2 - Magnetkern für einen Transformator, Motor oder Generator

Info

Publication number: DE2553003C2
Application number: DE19752553003
Authority: DE
Inventors: Gerald R. Livingston N.J. Bretts
Original assignee: Allied Corp
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1974-11-29
Filing date: 1975-11-26
Publication date: 1985-02-28
Also published as: NL182182C; HK3681A; DE2553003A1; JPS5177899A; JPS6130404B2; NL182182B; CA1200407A; FR2293043A1; NL7513556A; GB1525276A

Description

^|S Die Erfindung betrifft einen Magnetkern für einen Transformator, Motor oder Generator aus einer magnetischen Legierung.

In Japan J. Appl. Phys. 10, 1971, Seite 1730 ist bezüglich einiger amorpher Legierungen von Eisen, Kobalt oder Nickel mit Metalloiden erwähnt, daß sie ferromagnetisch sind.

In Journal Applied Physics, 38 (1967), Seiten 4096 und 4087 sind amorphe Fe-P-C-Legierungen mit ferromagnetischen Eigenschaften erwähnt, ohne daß spezielle Atomprozentsätze genannt sind. Für eine spezielle dieser Legierungen ist erwähnt, daß sie eine relativ niedrige Sättigungsmagnetisierung und eine relativ hohe Koerzitivkraft besitzt.

Schließlich beschreibt Hooper/Graaf, Amorphous Magnetism (1973), Selten 313 bis 320 einige strukturelle

und magnetische Eigenschaften amorpher Kobalt-Phosphor-Legierungen. Flg. 4 und Tabelle II dieser Druck-

-⁵ schrift zeigen, daß mit dem Phosphorgehalt die Sättigungsmagnetisierung abnimmt und bei 15% Phosphor bereits etwa ein Drittel des Wertes für 0% Phosphor erreicht hat. Daraus mußte geschlossen werden, daß höhere Metalloldgehalte für Magnetkerne nicht zu empfehlen sind.

Magnetkerne für Transformatoren, Motoren oder Generatoren bestehen au> einem weichmagnetischen Material und sollen geringen Hystereseverlust infolge innerer Reibung beim Ummagnetisieren, niedrige Wlrbelstrom-M verluste durch Änderungen im Kraftfluß, geringe Koerzitivkraft, hohe magnetische Permeabilität bei niedrigen Feldstärken, höheren Sättigungswert und möglichst geringe Veränderung der Permeabilität mit der Temperatur bei besonderen Verwendungen haben. Auch sollen die Materialien solcher Magnetkerne möglichst billig, leicht zugänglich und leicht verarbeitbar sein.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe bestand somit darin, Magnetkerne für Transformatoren, Moto-" ren oder Generatoren mit überlegenen Eigenschaften, Insbesondere mit hoher Sättigungsmagnetisierung und/oder niedriger Koerzitivkraft zu bekommen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Magnetkern aus einer magnetischen Legierung gelöst, die

überwiegend glasartig Ist und eine Zusammensetzung der allgemeinen Formel 'FE)-J_-85T₁H₅X₁₅^₅ besitzt, worin

FE mindestens eines der Elemente Eisen, Kobalt und Nickel, T mindestens ein Übergangsmetallelement und X

^m mindestens eines der Metalloide Aluminium, Antimon. Beryllium, Bor, Germanium, Kohlenstoff, Indium, Phosphor, Silicium und Zinn bedeutet.

Die überwiegend glasartigen bzw. amorphen Legierungen können in dem amorphen Grundmaterial statistisch verteilt Kristallite enthalten, die bis zu 50% ausmachen können, zweckmäßig aber höchstens 20%, bevorzugt höchstens 5% ausmachen. Der amorphe Charakter einer Legierung läßt sich durch Röntgenstrahlenbeugung ⁴^ bestimmen.

Magnetkerne aus den erfindungsgemäßen Legierungen zeigen allgemein überlegene Eigenschaften gegenüber bekannten polykristallinen Metallegierungen, wie sie nach dem Stande der Technik benutzt werden. Insbesondere besitzen sie sehr geringe Koerzitivkraft, hohe Permeabilität, hohen elektrischen spezifischen Widerstand ur.d andere erwünschte Eigenschaften, wie sie bei Verwendung In Magnetkernen verlangt werden.
5" In den erfindungsgemäß eingesetzten Legierungen sind die Übergangsmetallelemente solche, die In den Gruppen IB bis VIIB und VIII des Periodensystems aufgeführt sind. Vorzugsweise bedeutet X mindestens eines der Elemente Phosphor, Bor und Kohlenstoff mit geringen Zusätzen (bis zu etwa 5 Atom-%) an Aluminium und Silicium. 7u den typischen Legierungen gehören Fe₈₀Pi₆B₁AU, Fe₄₀Nl₄₀P₁₄B₆, Fe₂₉Nl₄₉Pi₄B₆Si₂, Fe₂₅Nl₂₅Co₂₀Cr₁₀B₂₀, Fe₅₅NI₈Co₅Cr_nB₁₇, Fe₈₂₆Pi₆Al₁B₀₄, Fe₈₂₆P₁₆Si₁₅B₀₄. und Fe₅₀Nl_45-6Cr₅P₁₉B_0-4. Die Reinheit aller genannten Elemente Ist diejenige, wie sie sich In der normalen gewerblichen Praxis findet.

Die bevorzugten Zusammensetzungen der Legierungen richten sich nach der gewünschten besonderen Verwendung. Für besonders hohe Sättigungswerte über 1,5 Tesla 1st es erwünscht, daß eine relativ hohe Menge an Kobalt und/oder Elsen enthalten Ist. Demnach kann eine solche Zusammensetzung durch die Formel |

(Co,Fe)₇₀_₈sTo__l5X_l5_₂5 wiedergegeben werden, worin T und X die obigen Bedeutungen haben. Für besonders geringe Koerzitivkraft unter 5 A/m kann die bevorzugte Zusammensetzung durch die Formel (Ni₁Fe)_70-85T_0-15X_15-25 wiedergegeben werden, worin T und X die oben angegebenen Bedeutungen haben und das Verhältnis von Nickel zu Elsen im Bereich von etwa 5 : 3 bis 1 : 1 liegt.

Die glasartigen Metallegierungen werden durch Abkühlung einer Schmelze mit einer Geschwindigkeit von etwa 10⁵ bis 10⁶° C/sec gebildet.

Verschiedenerlei bekannte Methoden stehen zur Fertigung von Folien, Bändern, Drähten oder Blechen zur Verfügung. Für Magnetkerne verwendet man zweckmäßig Drähte oder Bänder. Diese werden üblicherweise durch direktes Gießen geschmolzenen Materials auf eine gekühlte Oberfläche oder in ein Abschreckmittel Irgendwelcher Art hergestellt.

Die eiflndungsgemäß verwendeten glasartigen Metallegierungen haben hohe Zugfestigkeit von etwa 14 000 bis 42 000 kg/cm² je nach der Zusammensetzung. Im Vergleich hierzu liegt sie bei polykristallinen Legierungen in angelassenem Zustand, üblicherweise Im Bereich von etwa 2800 bis 5600 kg/cm². Eine hohe Zugfestigkeit ist von großer Bedeutung bei Verwendungen, wo starke Zentrifugalkräfte auftreten, wie sie be! Magnetkernen in Motoren und Generatoren festzustellen sind; denn Legierungen von höherer Festigkeit gestatten auch höhere Drehgeschwindigkeiten.

Alle glasartigen Metallegierungen haben einen hohen elektrischen spezifischen Widerstand im Bereich von etwa 160 bis 180 μίΐ ■ cm bei 2S° C je nach der jeweiligen Zusammensetzung.

Typische bekannte kristalline Legierungen haben einen spezifischen Widerstand von nur etwa 45 bis 160 μίϊ · cm. Ein hoher spezifischer Widerstand Ist wertvoll bei Wechselstromverwendungen zur Herabsetzung der in Wirbelstromverluste, die wiederum ein Faktor bei der Herabsetzung der Kernverluste sind.

Die Verarbeitbarkelt und Duktllität der glasartigen Legierungen sind gut. Nach dem Stande der Technik führt eine mechanische Behandlung, wie Stanzen und Drücken, leicht zu einem Abbau der magnetischen Eigenschaften. Dieser Abbau muß durch zusätzliche Wärmebehandlung behoben werden. In glasartigen Metallegierungen, wie sie gemäß der Erfindung verwendet werden, verändern sich die magnetischen Eigenschaften nicht und werden in vielen Fällen sogar durch eine solche Behandlung etwas verbessert.

Beispiele

An mehreren glasartigen Legierungsmustern wurden Magnetmessungen wie nachstehend angegeben durch- 2" geführt. Es wurden Bänder zu mehrschichtigen Ringen eines Durchmessers von etwa 1 bis 2 cm ähnlich Bandwlckelkemen für kleine und Minitransformatoren gewickelt. Zur Messung der magnetischen Induktion der, Ringe wurden Primär- und Sekundärwicklungen aus gelacktem oder mit Polytetrafluoräthylen überzogenem Kupferdraht verwendet. Es wurde Magnetlslerstrom von einem bipolaren Rechenverstärker geliefert, der von Hand kontrolliert oder von einem Generator mit veränderlichem Frequenzsignal betrieben wurde. Der Ausgang aus der Sekundärspule wurde Integriert und gegen das Feld auf einem X- K-Schreiber oder auf einem OszJüoskop \ wiedergegeben. Auf diese Welse wurden die Sättlgungsmagnetlsieruns, die Remanenz, das Verhältnis von ■"•,Remanenz zu magnetischer Induktion, die Koerzitivkraft und die maximale Durchlässigkeit in Gleichstromfeldern ermittelt.

Die Ergebnisse von drei Proben glasartiger Legierungen sind in der nachstehenden Tabelle zusammengestellt. -W Probe 1 hatte die Zusammensetzung Fe₈₀Pi₆B₁Al₃. Messungen wurden an einem Streifen aus Probe 1 mit einer Abmessung von 1,65 mm Breite und 0,036 mm Dicke durchgeführt. Probe 2 hatte die Zusammensetzung Fe₄ONU₀PuBf,. Messungen wurden an einem Streifen aus Probe 2 mit den Abmessungen 1,60 mm Breite und 0,033 mm Dicke durchgeführt. Probe 3 hatte die Zusammensetzung Fe29Nl4₉P_MB6Sl2- Messungen wurden an einem Draht aus Probe 3 durchgeführt, der einen Querschnitt In Form einer Halbellipse mit folgenden Abmessungen hatte: Ihre Hauptachse war 0,61 mm, und die halbe Nebenachse war 0,071 mm. Die Ergebnisse finden sich In der folgenden Tabelle.

Tabelle

Probe

Sättigungsmagnetisierung in Tesla

Remanenz
in Tesla

Verhältnis von
Remanenz zu
Induktion

Koerzitivkraft Größte

in A/m Permeabilität

1,71 0,83 0,49

0,40
0,41
0,185

0,63

0,9

0,8

62 X 10³
410 x 10³
185 x 10³

Demgegenüber hatten Streifen aus einer polykristallinen Legierung der Zusammensetzung Nl₅₀Fe₅₀ eine Sättigungsmagnetisierung von 1,55 Tesla, eine Remanenz von 1,2 bis 1,5 Tesla, ein Verhältnis von Remanenz zu Induktion von 0,85 bis 0,95, eine Koerzitivkraft von 6,4 A/m und eine höchste Permeabilität von 100 χ 10^J. Streifen aus einer anderen polykristallinen Legierung der Zusammensetzung Nl₈₀FeisMos hatten eine Sättigungsmagnetisierung von 0,8 Tesla, eine Remanenz von 0,4 bis 0,6 Tesla, ein Verhältnis von Remanenz zu Induktion von 0,5 bis 0,9, eine Koerzitivkraft von 2,4 A/m und eine höchste Permeabilität von 200 χ 10³.

Claims

Patentansprüche:

1. Magnetkern für einen Transformator, Motor oder Generator aus einer magnetischen Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung überwiegend glasartig 1st und eine Zusammensetzung der allgemeinen Formel .FE)₇₀₇₈₅T_0-15X_15-25 besitzt, worin FE mindestens eines der Elemente Elsen, Kobalt und Nickel, T mindestens ein Übergangsmetallelement und X mindestens eines der Metalloide Aluminium, Antimon, Beryllium, Bor, Germanium, Kohlenstoff, Indium, Phosphor, Silicium und Zinn bedeutet.

2. Magnetkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß (FE) Nickel und Eisen bedeutet, wobei das Verhältnis von Nickel zu Eisen im Bereich von 5 : 3 bis 1 : 1 liegt.

3. Magnetkern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß X mindestens eines der Elemente Phosphor, Bor, Kohlenstoff, Silicium und Aluminium bedeutet.