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EP4593040A1 - Method for producing soft magnetic core - Google Patents

Method for producing soft magnetic core

Info

Publication number
EP4593040A1
EP4593040A1 EP25152435.1A EP25152435A EP4593040A1 EP 4593040 A1 EP4593040 A1 EP 4593040A1 EP 25152435 A EP25152435 A EP 25152435A EP 4593040 A1 EP4593040 A1 EP 4593040A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
amorphous
semi
crystalline
strip
soft magnetic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP25152435.1A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Merlin Thamm
Inge Lindemann-Geipel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4593040A1 publication Critical patent/EP4593040A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/02Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
    • H01F41/0206Manufacturing of magnetic cores by mechanical means
    • H01F41/0213Manufacturing of magnetic circuits made from strip(s) or ribbon(s)
    • H01F41/0226Manufacturing of magnetic circuits made from strip(s) or ribbon(s) from amorphous ribbons
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/01Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/03Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
    • H01F1/12Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials
    • H01F1/14Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials metals or alloys
    • H01F1/147Alloys characterised by their composition
    • H01F1/153Amorphous metallic alloys, e.g. glassy metals
    • H01F1/15308Amorphous metallic alloys, e.g. glassy metals based on Fe/Ni
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/01Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/03Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
    • H01F1/12Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials
    • H01F1/14Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials metals or alloys
    • H01F1/147Alloys characterised by their composition
    • H01F1/153Amorphous metallic alloys, e.g. glassy metals
    • H01F1/15333Amorphous metallic alloys, e.g. glassy metals containing nanocrystallites, e.g. obtained by annealing

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for producing a soft magnetic core.
  • Soft magnetic materials are used in electrical machines to amplify and direct the magnetic flux. Unlike hard magnetic materials or permanent magnets, they are characterized by their easy remagnetization.
  • the coercive field strength is crucial here, as it indicates the magnetic field strength at which by which a previously magnetized material is demagnetized. The lower the coercive field strength, the lower the magnetic reversal losses in the low-frequency range. At frequencies above 1 kHz, however, eddy current losses dominate, which depend on factors such as the specific electrical resistance of the material and the layer thickness of the soft magnetic material. To achieve a high power density of the component, the soft magnetic material used should also exhibit a high saturation polarization.
  • nanocrystalline alloys are initially produced as thin amorphous ribbons using a rapid solidification process. They are then wound into toroidal cores. Heat treatment above the crystallization temperature results in the formation of nanometer-sized grains within an amorphous matrix. Due to this unique structure, nanocrystalline soft magnets exhibit one of the lowest coercive field strengths of all soft magnetic materials. However, the saturation polarization is reduced due to the non-ferromagnetic alloying elements, which are necessary for glass formation and to inhibit grain growth.
  • a further challenge is the rough surface of the strips (> 2 ⁇ m), which results in a fill factor of only about 80% for the toroidal cores.
  • the fill factor directly influences the power density, a reduced fill factor leads to a reduced power density of the resulting soft magnetic core.
  • the present invention is therefore based on the object of proposing a method and a device for producing a soft magnetic core with a low coercive field strength, which can be used in an industrial environment.
  • amorphous or semi-crystalline strip made of a metallic alloy is wound around a winding axis and then introduced into a holding device. Furthermore, a mechanical compressive force is exerted on the wound amorphous or semi-crystalline strip via a pressing device, wherein during the exertion of the compressive force, an electric current flows through the amorphous or semi-crystalline strip and the latter is heated by the electric current flow, so that nanocrystalline grains are formed in the amorphous or semi-crystalline strip.
  • the amorphous or semi-crystalline strip can be heated by inductive heating.
  • soft magnetic refers to any metallic alloy with a coercive field strength of less than 1 kA/m.
  • semi-crystalline refers to any ribbon that already contains partially nanocrystalline grains, with a concentration of nanocrystalline grains of ⁇ 50 vol.
  • nanocrystalline refers to an average grain diameter of less than or equal to 100 nm.
  • a “ribbon” is defined as a flat and elongated strip, i.e., a length and width are greater than a thickness; preferably, the thickness of the ribbon is a maximum of 10 percent of the length and/or width.
  • the heating of the amorphous or semi-crystalline ribbon is referred to below as heat treatment, and the application of the compressive force is referred to as compaction.
  • Heating can be achieved directly by an electric current flowing through the strip, which enables high heating rates and is therefore advantageous for alloys with high saturation polarization. If lower heating rates are sufficient, inductive heating can also be used, in which no direct electric current flows through the strip, or indirect heating can be achieved by a heating coil, typically also carrying an electric current, which is spaced from the amorphous or semi-crystalline strip and thus not in direct, i.e., immediate contact with it.
  • the pressing device and the amorphous or semi-crystalline strip are introduced into the holding device.
  • the heating rate is in a range of up to 1000 K/min, resulting in an alloy with a medium Grain diameters in a range from 10 nm to 100 nm can be produced.
  • the heating rate is preferably in a range from 100 K/min to 1000 K/min.
  • the average grain diameter is in a range from 10 nm to 40 nm.
  • the average grain diameter is particularly preferably in a range from 15 nm to 25 nm.
  • this process can be used to produce alloys with a magnetic saturation polarization in a range from 1 T to 2.2 T, particularly in a range from 1 T to 2 T.
  • the fill factor of the soft magnetic cores is controlled by precisely adjusting the mechanical compressive force.
  • the pressure-induced buckling and viscous flow of the amorphous or semi-crystalline ribbons under additional temperature influence increases the fill factor, allowing soft magnetic cores to be produced with a fill factor in a range from 70 vol.% to 95 vol.% of the total volume of the magnetic core.
  • "Buckling” refers to any permanent change in the shape of the windings of the amorphous or semi-crystalline ribbon that represents a deviation from the original shape or form of the winding.
  • Increasing the maximum fill factor also directly increases the magnetic power density of the soft magnetic core.
  • Compaction preferably takes place in a pressure range of ⁇ 1 GPa, particularly preferably ⁇ 100 MPa.
  • the metallic alloy is formed from Fe-B-X, in particular from Fe-Si-B-Cu or Fe-Si-B-P-Cu-(C) or Fe-Si-B-Mn.
  • X can comprise the elements Si and/or Co and/or Cu and/or P and/or Mn and/or Nb.
  • the mechanical compressive force can be applied axially along the winding axis of the amorphous or semi-crystalline ribbon.
  • the wound amorphous or semi-crystalline ribbon can easily buckle and flow viscously, thereby achieving improved compaction of the amorphous or semi-crystalline ribbon.
  • the mechanical compressive force can act on both sides of the amorphous or semi-crystalline ribbon along the winding axis.
  • the improved compaction can further increase the fill factor.
  • the axially acting mechanical compressive force induces a preferred magnetic direction that is aligned parallel to the winding axis of the soft magnetic core.
  • the preferred magnetic direction can be determined by aligning the atoms in a preferred direction during heat treatment. This can introduce magnetic uniaxial anisotropy into the material.
  • the amorphous or semi-crystalline strip can be wound on a winding device, in particular a mandrel.
  • the use of a winding device allows for the production of soft magnetic cores with various geometries. Furthermore, the winding device prevents the amorphous or semi-crystalline strip from breaking off in the radial direction perpendicular to the winding axis. Toroidal cores can be produced by simply winding or coiling the strips onto a mandrel. By cutting the toroidal cores, application-specific C, E, or U cores are also possible.
  • the amorphous or semi-crystalline tape can be coated with an electrically insulating layer before winding.
  • the formation of contact points between the strip windings can be prevented.
  • the coating does not impede the flow of electrical current that heats the amorphous or semi-crystalline strip, since the insulation layer is parallel to the electrical current flow.
  • the formation of an insulating layer between the windings of the amorphous or semi-crystalline strip increases the strength of the strip winding. This facilitates subsequent separation using wire sawing or waterjet cutting to produce cut strip cores.
  • Applying the insulating layer can also enable the compaction of rapidly solidified strips made of brittle crystalline alloys such as Fe-6.5Si and Sendust alloy, typically comprising 85 wt.% (mass percent) iron, 9 wt.% silicon, and 6 wt.% aluminum.
  • the electrically insulating layer can be applied to one or both sides.
  • the process can be carried out under vacuum or under a protective gas atmosphere.
  • a fluid can flow around the band and/or the band can be formed from the holding device and the pressing device.
  • Flowing a fluid around the strip is particularly advantageous when the process takes place under vacuum.
  • the flow of a fluid can also be understood as "flooding the process chamber" with a fluid.
  • the force-applying electrodes can be water-cooled, allowing the cooling rate to be further increased.
  • the temperature of the amorphous or semi-crystalline ribbon can be controlled by a thermocouple and/or a pyrometer.
  • the thermocouple continuously measures the temperature, and these measured values are processed via a connected control and regulation circuit. This makes it possible to adjust the temperature profiles, i.e., specific heating rates of the amorphous or semi-crystalline ribbon, or to keep the temperature constant over a longer period of time, i.e., to integrate hold times into the process.
  • the shape of a hysteresis curve of the material of the amorphous or semi-crystalline ribbon, and thus of the ribbon itself, can be adjusted by the mechanical compressive force. This advantageously enables easy adjustment of certain magnetic properties, and the amorphous or semi-crystalline ribbon can be manufactured according to the desired properties.
  • a device for producing a soft magnetic core comprises a holding device configured to receive at least one amorphous or semi-crystalline strip made of a metallic alloy and wound around a winding axis.
  • a pressing device configured to exert a mechanical compressive force on the wound amorphous or semi-crystalline strip is also provided.
  • a current/voltage source ensures that an electrical current flows through the amorphous or semi-crystalline strip, so that nanocrystalline grains form in the amorphous or semi-crystalline strip.
  • an inductive heating device may also be provided, which is configured to heat the amorphous or semi-crystalline strip by inductive heating, so that nanocrystalline grains form in the amorphous or semi-crystalline strip.
  • the device can also have a heating coil spaced apart from the amorphous or semi-crystalline ribbon, which is designed to indirectly heat the amorphous or semi-crystalline ribbon so that nanocrystalline grains form in the amorphous or semi-crystalline ribbon.
  • a heating coil spaced apart from the amorphous or semi-crystalline ribbon, which is designed to indirectly heat the amorphous or semi-crystalline ribbon so that nanocrystalline grains form in the amorphous or semi-crystalline ribbon.
  • an electric current can flow through the heating coil.
  • the method is designed to be carried out with the described device, i.e. the device is suitable for carrying out the described method.
  • Fig. 1 depicts an amorphous strip 3 wound around a winding device 2, wherein the wound amorphous strip 3 is additionally placed in a holding device 1.
  • the amorphous strip 3 can also be semi-crystalline.
  • the amorphous strip 3 is wound up until the outer diameter of the strip winding matches the outer diameter of a pressing device 4 (not shown here).
  • the amorphous strip 3 is then cut off.
  • the amorphous strip 3 can also be wound up and cut off in such a way that it does not abut the holding device 1.
  • the amorphous strip 3 can therefore also be pressed if the outer diameter of the amorphous strip 3 is smaller than that of the pressing device 4.
  • the winding device 2 is designed as a mandrel.
  • the mandrel prevents, among other things, the amorphous strip 3 from breaking out in the radial direction, i.e. perpendicular to the winding axis of the amorphous strip 3, during compaction.
  • Fig. 2 represents an amorphous band 3 wound in the holding device 1 around the winding device 2 during compaction. This means that in this embodiment, it is wound on both sides along the winding axis of the amorphous
  • a mechanical compressive force is applied to the wound amorphous strip 3 by a pressing device 4.
  • the pressing device 4 is designed as an upper punch and lower punch, so that two-sided pressing occurs.
  • a current/voltage source 6 is connected to the punches in such a way that a current can flow through the amorphous strip. This is possible because the punches are designed to be in direct contact with the amorphous strip 3.
  • the FAST/SPS process is a uniaxial pressing process for metallic and ceramic powders under the influence of pressure and temperature.
  • the pressure is typically less than 100 MPa, so graphite can be selected as the material for the pressing tool (corresponding here to pressing device 4).
  • hot-work tool steels, TZM alloys typically comprising molybdenum, 0.50% titanium, 0.08% zirconium, and 0.01-0.04% carbon
  • ceramic materials are also used for the tool.
  • the temperature used depends on the material and can reach up to 2500 °C.
  • the heating of the sample material and the compression tool is based on Joule heating, with a pulsed direct current flowing through the sample material and the compression tool. Due to the direct heating of the sample material, high heating rates of up to 1000 K/min can be achieved. This high heating rate enables the creation of special microstructures, especially for very small grains. This allows for short process cycles of less than one hour. This distinguishes FAST/SPS from conventional hot pressing, where compaction can take several hours.
  • the pressing device 4 comprises two annular punches, allowing the production of toroidal cores with an outer diameter of 30 mm and an inner diameter of 20 mm.
  • the inner diameter is determined by the diameter of the mandrel.
  • the shape of the pressing dies i.e., the shape of the pressing device, can be round or oval for ring-shaped geometries, or square with rounded edges, allowing the production of toroidal cores, C-, E-, and U-shaped cores.
  • the pressing dies can have a hole in the center.
  • the mandrel provided for this purpose fits into this cavity.
  • the holding device 1 is arranged outside the pressing device 4, which has a cavity in the center to which the winding device 2 is complementary. This means that the winding device 2 can be guided into the cavity of the pressing device.
  • the outer diameter of the wound amorphous strip 3 exactly corresponds to the outer diameter of the pressing device 4.
  • thermocouple 5 In a hole in the holding device 1, so that the temperature is measured near the amorphous strip 3.
  • the thermocouple 5 can also be placed in a hole in one of the pressing dies.
  • an amorphous strip 3 which has been coated on both sides. This means that the flat sides of the amorphous strip 3 are coated.
  • the coating can be applied using any method in which at least one flat side of the amorphous strip 3 is completely and continuously covered.
  • the coating can be produced by thermal oxidation or sol-gel dip coating in order to prevent an induced electrical current flow between the windings in the application.
  • This additional insulation layer, applied before compaction can prevent the formation of contact points between the strip windings.
  • the coating does not impede the flow of electrical current used to heat the winding, as the insulation layer is parallel to the electrical current flow. Furthermore, the formation of a separating layer between the windings increases the strength of the strip winding.
  • rapidly solidified ribbons made of crystalline alloys, such as Fe-6.5Si and Sendust alloy, typically comprising 85 wt.% iron, 8-10 wt.% silicon, and 5-7 wt.% aluminum, can be compacted due to their insulation properties.
  • These alloys have so far only been used as powders in dust cores. Due to their higher electrical resistance and lack of magnetostriction, both alloys are particularly suitable for high frequencies and noise-sensitive applications.
  • the process sequence described in this exemplary embodiment can therefore be summarized as follows:
  • the coated, rapidly solidified amorphous strip 3 is wound onto the mandrel.
  • the strip 3 is cut when the outer diameter of the strip winding matches the outer diameter of the pressing device 4 comprising an upper and a lower pressing die.
  • the upper and lower pressing dies are then pushed onto the mandrel.
  • the device is fully prepared when the holding device 1 is pushed over one of the pressing dies onto the winding, thus preventing radial breakage.
  • the device is located in a vacuum-sealed process chamber.
  • the wound amorphous strip 3 is then compacted, for example, at 25 MPa and a heating rate of 100 K/min until it reaches 400 °C. A fill factor of 90 vol.% is achieved.
  • the wound amorphous strip 3 is then heat-treated at 520 °C for one hour, with the measurable maximum permeability being 550,000 and the magnetic saturation being above 1 T. This also makes it possible to incorporate application-specific holding times during the heat treatment. This can improve the strength of the coated strips.
  • the originally amorphous strip 3 which becomes nanocrystalline after heating, cools down. Faster cooling is possible by flooding the process chamber to atmospheric pressure and removing the wound amorphous strip 3 from the device, ie, from the pressing device 4, the winding device 2, and the holding device 1.
  • This process allows the production of nanocrystalline alloys with a high iron content and average grain diameters of less than 30 nm. These alloys exhibit a significantly higher magnetic saturation of up to 2.2 T than commercially available Fe-Si-B-Cu-Nb alloys with 1.2 T.
  • inductive heating can also be used as an alternative to direct heating by means of an electric current flowing through the strip 3.
  • the strip 3 can also be heated indirectly by a heating coil through which an electric current flows and, for example, surrounds the strip 3. It is also possible to combine the three aforementioned methods for heating the strip 3, or at least two of these methods.
  • the geometry of the soft magnetic cores can be determined by the shape of the pressing device 4 and the shape of the winding device 2.
  • Toroidal cores can be produced by simply winding the amorphous strip 3 onto a mandrel. By cutting the toroidal cores, suitable C-, E-, or U-shaped cores are also possible. By cutting the strip into pieces and laminating it in the device, I-shaped cores can also be produced.
  • the fill factor can be controlled by adjusting the mechanical pressure.
  • the pressure-induced buckling and viscous flow of the amorphous ribbons 3 under the additional influence of temperature increases the fill factor.
  • Cores with a lower fill factor in the conventional range of 70 to 80% are more suitable for high-frequency applications up to 100 kHz.
  • Cores manufactured under high compression pressure with increased fill factors are more suitable for lower frequencies up to 20 kHz. However, they exhibit a higher magnetic power density than conventional nanocrystalline cores. Furthermore, adjusting the mechanical pressure can also influence the shape of the hysteresis loop, meaning that, in particular, the permeability and remanence can be adjusted to a certain extent.
  • the former includes power transformers, common-mode chokes, storage chokes, and magnetic amplifiers.
  • a transformer is an electrical device capable of transforming alternating current from one voltage level to another in order to convert an input voltage into a higher or lower output voltage. It typically consists of two tightly wound coils arranged around a common magnetic core. This core can be either block-shaped or ring-shaped. Requirements for the soft magnetic material are high magnetic saturation to enable the transformer to be as small as possible, very high permeability, and low core losses to achieve high efficiency.
  • the nanocrystalline strip with thicknesses of about 20 ⁇ m, is significantly thinner than conventional electrical steel sheets (d > 200 ⁇ m), the eddy current losses, which depend quadratically on the thickness, are drastically reduced at frequencies above 1 kHz, so that a significant increase in efficiency can be expected.
  • a common-mode choke is an electrical component used in circuits to reduce interference and noise. It consists of two identical inductors wound in opposite directions. By using a common-mode choke, the common-mode noise that occurs when two signals at the same potential level change can be minimized.
  • the choke blocks the common-mode noise and allows only the differential signal to pass. This allows for better signal quality. Due to a higher fill factor and higher magnetic polarization, the compacted windings of the Amorphous Band 3 cores made from more advanced alloy systems only saturate at higher field strengths than conventional toroidal cores. Therefore, they only become unusable at higher field strengths, distinguishing them from conventional cores when used as common-mode chokes.
  • a magnetic storage choke consists of a magnetic core and a winding. When a current flows through the winding, it creates a magnetic field around the core. This magnetic field stores a certain amount of energy. When the current in the winding is switched off, the energy stored in the magnetic field is released again in the form of an electric current flow in the winding. This process thus enables energy to be stored and released again.
  • the magnetic storage choke is often used in power supplies and other electronic devices to reduce interference and ensure a stable power supply. Due to the higher power density with similar losses, the compact windings manufactured using the described process are also preferable to conventional toroidal cores in this area.
  • a magnetic amplifier also known as a magnetic amplifier ring or magnetic amplifier core, is used to improve the efficiency and performance of electrical transformers or coils. It is made of a core material with high magnetic permeability, typically ferrite or iron.
  • the magnetic amplifier works by concentrating the magnetic field and increasing the magnetic flux. When a coil is wound around the magnetic amplifier and a current flows through the coil, this current creates a magnetic field. The magnetic field is passed through the magnetic amplifier core, which amplifies the magnetic flux and transfers magnetic energy more efficiently.
  • the efficiency of transformers and coils can be improved because less energy is lost and better magnetic coupling is achieved. This results in improved performance and reduced energy loss in electrical circuits.
  • disc-shaped axial flux motors are Particularly advantageous in the aviation and motorsport sectors due to their higher torque-to-power ratio and low weight.
  • the magnetic flux in axial flux motors is not radial, but axial to the axis of rotation.
  • the stator is arranged between two rotors equipped with permanent magnets. It consists of coils containing soft magnetic core materials for flux conduction. The electric current flowing through the coils creates a magnetic field, which is amplified by the soft magnetic core material. This creates magnetic poles at the ends of the coils.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns wird mindestens ein amorphes oder teilkristallines Band (3), welches aus einer metallischen Legierung ausgebildet ist, um eine Wickelachse gewickelt und anschließend das amorphe oder teilkristalline Band (3) in eine Haltevorrichtung (1) eingebracht wird. Zudem übt dann eine Pressvorrichtung (4) eine mechanische Druckkraft auf das gewickelte amorphe oder teilkristalline Band (3) aus, wobei währenddessen ein elektrischer Strom durch das amorphe oder teilkristalline Band (3) fließt und dieses durch den elektrischen Stromfluss erwärmt wird und/oder währenddessen das amorphe oder teilkristalline Band (3) durch ein induktives Heizen erwärmt wird und/oder währenddessen das amorphe oder teilkristalline Band (3) indirekt mittels einer von dem amorphen oder teilkristallinen Band (3) beabstandeten Heizwendel erwärmt wird, sodass in dem amorphen oder teilkristallinen Band (3) nanokristalline Körner ausgebildet werden. In a method for producing a soft magnetic core, at least one amorphous or semi-crystalline strip (3) made of a metallic alloy is wound around a winding axis, and the amorphous or semi-crystalline strip (3) is then introduced into a holding device (1). In addition, a pressing device (4) then exerts a mechanical compressive force on the wound amorphous or semi-crystalline strip (3), during which an electric current flows through the amorphous or semi-crystalline strip (3), which is heated by the electric current flow, and/or during which the amorphous or semi-crystalline strip (3) is heated by inductive heating, and/or during which the amorphous or semi-crystalline strip (3) is heated indirectly by means of a heating coil spaced apart from the amorphous or semi-crystalline strip (3), such that nanocrystalline grains are formed in the amorphous or semi-crystalline strip (3).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von einem weichmagnetischen Kern.The present invention relates to a method and a device for producing a soft magnetic core.

Weichmagnetische Werkstoffe werden in elektrischen Maschinen verwendet, um den magnetischen Fluss zu verstärken und zu lenken. Im Gegensatz zu hartmagnetischen Werkstoffen beziehungsweise Permanentmagneten zeichnen sie sich durch ihre einfache Ummagnetisierbarkeit aus. Die Koerzitivfeldstärke ist hierbei entscheidend, da sie die magnetische Feldstärke angibt, bei der ein zuvor magnetisierter Werkstoff entmagnetisiert wird. Je niedriger die Koerzitivfeldstärke, desto geringer sind die Ummagnetisierungsverluste im Niederfrequenzbereich. Bei Frequenzen oberhalb von 1 kHz dominieren hingegen die Wirbelstromverluste, die von Faktoren wie dem spezifischen elektrischen Widerstand des Werkstoffs und der Schichtdicke des weichmagnetischen Materials abhängen. Um eine hohe Leistungsdichte des Bauteils zu erreichen, sollte der verwendete weichmagnetische Werkstoff auch eine hohe Sättigungspolarisation aufweisen.Soft magnetic materials are used in electrical machines to amplify and direct the magnetic flux. Unlike hard magnetic materials or permanent magnets, they are characterized by their easy remagnetization. The coercive field strength is crucial here, as it indicates the magnetic field strength at which by which a previously magnetized material is demagnetized. The lower the coercive field strength, the lower the magnetic reversal losses in the low-frequency range. At frequencies above 1 kHz, however, eddy current losses dominate, which depend on factors such as the specific electrical resistance of the material and the layer thickness of the soft magnetic material. To achieve a high power density of the component, the soft magnetic material used should also exhibit a high saturation polarization.

Mit der Entdeckung der sog. Finemet-Legierung (Fe-Si-B-Cu-Nb) wurde eine neue Gruppe der weichmagnetischen Werkstoffe, nämlich die nanokristallinen Legierungen eingeführt. Diese Legierungen werden zunächst durch ein Rascherstarrungsverfahren in Form von dünnen amorphen Bändern hergestellt. Anschließend werden sie zu Ringbandkernen aufgehaspelt. Durch eine Wärmebehandlung oberhalb der Kristallisationstemperatur bilden sich Nanometer-große Körner in einer amorphen Matrix aus. Aufgrund dieser einzigartigen Struktur weisen nanokristalline Weichmagnete eine der niedrigsten Koerzitivfeldstärken aller weichmagnetischen Werkstoffe auf. Die Sättigungspolarisation ist allerdings infolge der nicht ferromagnetischen Legierungselemente, die für die Glasbildung und zur Hemmung von Kornwachstum notwendig sind, reduziert.With the discovery of the so-called Finemet alloy (Fe-Si-B-Cu-Nb), a new group of soft magnetic materials was introduced: nanocrystalline alloys. These alloys are initially produced as thin amorphous ribbons using a rapid solidification process. They are then wound into toroidal cores. Heat treatment above the crystallization temperature results in the formation of nanometer-sized grains within an amorphous matrix. Due to this unique structure, nanocrystalline soft magnets exhibit one of the lowest coercive field strengths of all soft magnetic materials. However, the saturation polarization is reduced due to the non-ferromagnetic alloying elements, which are necessary for glass formation and to inhibit grain growth.

Daher wurde die Forschung in den letzten Jahren dahingehend intensiviert, glasbildende Werkstoffe mit einem deutlich höheren Anteil an ferromagnetischen Elementen zu identifizieren. Diese sollen eine niedrige Koerzitivfeldstärke mit einer hohen magnetischen Sättigungspolarisation vereinen, um die magnetische Leistungsfähigkeit zu erhöhen und somit die Bauteilgröße zu minimieren.Therefore, research has intensified in recent years to identify glass-forming materials with a significantly higher proportion of ferromagnetic elements. These are intended to combine low coercive field strength with high magnetic saturation polarization in order to increase magnetic performance and thus minimize component size.

Hierbei hat sich jedoch gezeigt, dass durch die Abwesenheit von ferromagnetischen Legierungselementen, die das Kornwachstum behindern, die Dauer des Temperatureinflusses der Wärmebehandlung deutlich reduziert werden muss. Daraus folgt, dass eine hohe Aufheizrate essenziell für die Ausbildung nanokristalliner Körner ist. Allerdings ist eine Wärmebehandlung mit einer Aufheizrate im Bereich von mehreren Kelvin pro Sekunde in einem konventionellen Ofen nicht möglich.However, it has been shown that the absence of ferromagnetic alloying elements, which hinder grain growth, requires a significant reduction in the duration of the thermal influence during heat treatment. This means that a high heating rate is essential for the formation of nanocrystalline grains. However, heat treatment with a heating rate in the range of several Kelvin per second is not possible in a conventional furnace.

Eine weitere Herausforderung ist die raue Oberfläche der Bänder (> 2 µm), wodurch sich für die Ringbandkerne nur ein Füllfaktor von etwa 80 % ergibt. Da der Füllfaktor jedoch die Leistungsdichte unmittelbar beeinflusst, führt ein reduzierter Füllfaktor somit zu einer reduzierten Leistungsdichte des späteren weichmagnetischen Kerns.A further challenge is the rough surface of the strips (> 2 µm), which results in a fill factor of only about 80% for the toroidal cores. However, since the fill factor directly influences the power density, a reduced fill factor leads to a reduced power density of the resulting soft magnetic core.

Um diese Probleme zu lösen, beschreibt US 11,352,677 B2 ein Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Materials, das sowohl eine hohe Sättigungspolarisation als auch eine niedrige Koerzitivfeldstärke aufweist, wobei die amorphen Bänder zwischen vorgeheizte Kupferblöcke eingeklemmt und mit einer Aufheizrate von mindestens 10 K/s aufgeheizt werden. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass aufgrund des Batch-Betriebes der Durchsatz sehr gering ist, sodass dieses Verfahren lediglich für Laboranwendungen geeignet ist.To solve these problems, US 11,352,677 B2 A process for producing a soft magnetic material with both a high saturation polarization and a low coercive field strength, in which the amorphous ribbons are clamped between preheated copper blocks and heated at a heating rate of at least 10 K/s. However, the disadvantage of this process is that the throughput is very low due to the batch operation, making it suitable only for laboratory applications.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns mit einer niedrigen Koerzitivfeldstärke vorzuschlagen, die im industriellen Umfeld eingesetzt werden können.The present invention is therefore based on the object of proposing a method and a device for producing a soft magnetic core with a low coercive field strength, which can be used in an industrial environment.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns nach Anspruch 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.This object is achieved according to the invention by a method for producing a soft magnetic core according to claim 1 and a device for producing a soft magnetic core according to claim 11. Advantageous embodiments and further developments are described in the dependent claims.

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns wird mindestens ein amorphes oder teilkristallines Band, welches aus einer metallischen Legierung ausgebildet ist, um eine Wickelachse gewickelt und anschließend in eine Haltevorrichtung eingebracht wird. Weiterhin wird über eine Pressvorrichtung eine mechanische Druckkraft auf das gewickelte amorphe oder teilkristalline Band ausgeübt, wobei während des Ausübens der Drucckraft ein elektrischer Strom durch das amorphe oder teilkristalline Band fließt und dieses durch den elektrischen Stromfluss erwärmt wird, sodass in dem amorphen oder teilkristallinen Band nanokristalline Körner ausgebildet werden. Alternativ oder zusätzlich kann während des Ausübens der Druckkraft das amorphe oder teilkristalline Band durch ein induktives Heizen erwärmt werden. In einer weiteren Ausgestaltung ist es alternativ oder zusätzlich möglich, während des Ausübens der Druckkraft das amorphe oder teilkristalline Band indirekt mittels einer von dem amorphen oder teilkristallinen Band beabstandeten Heizwendel zu erwärmen.In a method for producing a soft magnetic core, at least one amorphous or semi-crystalline strip made of a metallic alloy is wound around a winding axis and then introduced into a holding device. Furthermore, a mechanical compressive force is exerted on the wound amorphous or semi-crystalline strip via a pressing device, wherein during the exertion of the compressive force, an electric current flows through the amorphous or semi-crystalline strip and the latter is heated by the electric current flow, so that nanocrystalline grains are formed in the amorphous or semi-crystalline strip. Alternatively or additionally, during the exertion of the compressive force The amorphous or semi-crystalline strip can be heated by inductive heating. In a further embodiment, it is alternatively or additionally possible to heat the amorphous or semi-crystalline strip indirectly while the compressive force is being applied, using a heating coil spaced apart from the amorphous or semi-crystalline strip.

Unter "weichmagnetisch" soll im Rahmen dieser Schrift jede metallische Legierung verstanden werden, bei der die Koerzitivfeldstärke weniger als 1 kA/m beträgt. Zudem wird unter "teilkristallin" jedes Band verstanden, dass bereits partiell nanokristalline Körner aufweist, wobei eine Konzentration von nanokristallinen Körnern < 50 Vol.-% vorliegt. Weiterhin werden unter "nanokristallin" mittlere Korndurchmesser von kleiner gleich 100 nm verstanden. Weiterhin wird unter einem "Band" ein flacher und länglicher Streifen verstanden, d. h. eine Länge und eine Breite sind größer als eine Dicke, vorzugsweise beträgt die Dicke des Bandes maximal 10 Prozent der Länge und bzw. oder der Breite. Zudem wird im Folgenden die Erwärmung des amorphen oder teilkristallinen Bands auch als Wärmebehandlung und die Ausübung der Druckkraft als Kompaktierung bezeichnet. Das bedeutet, die Kompaktierung und die Wärmebehandlung des amorphen oder teilkristallinen Bands finden im oben beschrieben Verfahren zeitgleich, d.h. zeitlich parallel, statt. Die Erwärmung kann hierbei direkt durch einen elektrischen Stromfluss durch das Band erfolgen, was hohe Heizraten ermöglicht und somit vorteilhaft ist für Legierungen mit hoher Sättigungspolarisation. Falls auch geringere Heizraten ausreichen, kann auch ein induktives Erwärmen erfolgen, bei dem kein direkter elektrischer Stromfluss durch das Band erfolgt bzw. ein indirektes Aufheizen durch eine typischerweise ebenfalls von einem elektrischen Strom durchflossene Heizwendel, die von dem amorphen oder teilkristallinen Band beabstandet ist, sich also nicht in direktem, d. h. unmittelbar berührendem Kontakt mit diesem befindet.For the purposes of this document, "soft magnetic" refers to any metallic alloy with a coercive field strength of less than 1 kA/m. Furthermore, "semi-crystalline" refers to any ribbon that already contains partially nanocrystalline grains, with a concentration of nanocrystalline grains of < 50 vol. Furthermore, "nanocrystalline" refers to an average grain diameter of less than or equal to 100 nm. Furthermore, a "ribbon" is defined as a flat and elongated strip, i.e., a length and width are greater than a thickness; preferably, the thickness of the ribbon is a maximum of 10 percent of the length and/or width. Furthermore, the heating of the amorphous or semi-crystalline ribbon is referred to below as heat treatment, and the application of the compressive force is referred to as compaction. This means that the compaction and heat treatment of the amorphous or semi-crystalline ribbon take place simultaneously, i.e., in parallel, in the process described above. Heating can be achieved directly by an electric current flowing through the strip, which enables high heating rates and is therefore advantageous for alloys with high saturation polarization. If lower heating rates are sufficient, inductive heating can also be used, in which no direct electric current flows through the strip, or indirect heating can be achieved by a heating coil, typically also carrying an electric current, which is spaced from the amorphous or semi-crystalline strip and thus not in direct, i.e., immediate contact with it.

Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Pressvorrichtung und das amorphe oder teilkristalline Band in die Haltevorrichtung eingebracht werden.Furthermore, it can be provided that the pressing device and the amorphous or semi-crystalline strip are introduced into the holding device.

Durch die Erwärmung des amorphen oder teilkristallinen Bands durch einen direkten elektrischen Stromfluss durch das Band liegt die Aufheizrate in einem Bereich von bis zu 1000 K/min, wodurch eine Legierung mit einem mittleren Korndurchmesser in einem Bereich von 10 nm bis 100 nm hergestellt werden kann. Bevorzugt liegt die Aufheizrate in einem Bereich von 100 K/min bis zu 1000 K/min. Insbesondere liegt der mittlere Korndurchmesser in einem Bereich von 10 nm bis 40 nm. Besonders bevorzugt liegt der mittlere Korndurchmesser in einem Bereich von 15 nm bis 25 nm.By heating the amorphous or semi-crystalline ribbon by a direct electric current flow through the ribbon, the heating rate is in a range of up to 1000 K/min, resulting in an alloy with a medium Grain diameters in a range from 10 nm to 100 nm can be produced. The heating rate is preferably in a range from 100 K/min to 1000 K/min. In particular, the average grain diameter is in a range from 10 nm to 40 nm. The average grain diameter is particularly preferably in a range from 15 nm to 25 nm.

Weiterhin können mit diesem Verfahren Legierungen hergestellt werden, die eine magnetische Sättigungspolarisation in einem Bereich von 1 T bis 2,2 T, insbesondere in einem Bereich von 1 T bis 2 T aufweisen. Zugleich wird über eine genaue Einstellung der mechanischen Druckkraft der Füllfaktor der weichmagnetischen Kerne gesteuert. Durch das druckinduzierte Umknicken und viskose Fließen der amorphen oder teilkristallinen Bänder unter zusätzlichem Temperatureinfluss wird der Füllfaktor erhöht, sodass weichmagnetische Kerne mit einem Füllfaktor in einem Bereich von 70 Vol.-% bis 95 Vol.-% des Gesamtvolumens des magnetischen Kerns hergestellt werden können. Unter "Umknicken" wird jede dauerhafte Formänderung der Wicklungen des amorphen oder teilkristallinen Bands verstanden, die eine Abweichung von der ursprünglichen Form bzw. Gestalt der Wicklung darstellt. Durch die Erhöhung des maximalen Füllfaktors wird zudem auch direkt die magnetische Leistungsdichte des weichmagnetischen Kerns erhöht. Bevorzugt erfolgt die Kompaktierung in einem Druckbereiche von < 1 GPa, besonders bevorzugt < 100 MPa.Furthermore, this process can be used to produce alloys with a magnetic saturation polarization in a range from 1 T to 2.2 T, particularly in a range from 1 T to 2 T. At the same time, the fill factor of the soft magnetic cores is controlled by precisely adjusting the mechanical compressive force. The pressure-induced buckling and viscous flow of the amorphous or semi-crystalline ribbons under additional temperature influence increases the fill factor, allowing soft magnetic cores to be produced with a fill factor in a range from 70 vol.% to 95 vol.% of the total volume of the magnetic core. "Buckling" refers to any permanent change in the shape of the windings of the amorphous or semi-crystalline ribbon that represents a deviation from the original shape or form of the winding. Increasing the maximum fill factor also directly increases the magnetic power density of the soft magnetic core. Compaction preferably takes place in a pressure range of < 1 GPa, particularly preferably < 100 MPa.

Zudem kann vorgesehen sein, dass die metallische Legierung aus Fe-B-X, insbesondere aus Fe-Si-B-Cu oder Fe-Si-B-P-Cu-(C) oder Fe-Si-B-Mn ausgebildet wird. Hierbei kann X die Elemente Si und/oder Co und/oder Cu und/oder P und/oder Mn und/oder Nb umfassen.Furthermore, it can be provided that the metallic alloy is formed from Fe-B-X, in particular from Fe-Si-B-Cu or Fe-Si-B-P-Cu-(C) or Fe-Si-B-Mn. Here, X can comprise the elements Si and/or Co and/or Cu and/or P and/or Mn and/or Nb.

Durch die Vielzahl möglicher metallischer Legierungen, die in dem vorgestellten Verfahren verwendet werden können, ist es möglich, ein breites Spektrum an Anwendungsgebieten abzudecken. Zudem kann das Verfahren dadurch flexibel an unterschiedlichste Anwendungsaufgaben angepasst werden.The variety of possible metallic alloys that can be used in the presented process makes it possible to cover a broad spectrum of applications. Furthermore, the process can be flexibly adapted to a wide variety of application tasks.

Außerdem kann die mechanische Druckkraft axial entlang der Wickelachse des amorphen oder teilkristallinen Bands aufgebracht werden.In addition, the mechanical compressive force can be applied axially along the winding axis of the amorphous or semi-crystalline ribbon.

Aufgrund der axialen Aufbringung der mechanischen Druckkraft kann das gewickelte amorphe oder teilkristalline Band leicht umknicken und viskos flie-βen, wodurch eine verbesserte Kompaktierung des amorphen oder teilkristallinen Bands erreicht wird. Es kann zudem vorgesehen sein, dass die mechanische Druckkraft entlang der Wickelachse beidseitig auf das amorphe oder teilkristalline Band wirkt. Durch die verbesserte Kompaktierung kann abermals der Füllfaktor erhöht werden. Außerdem wird durch die axial wirkende mechanische Druckkraft im Vergleich zu herkömmlichen weichmagnetischen Kernen eine magnetische Vorzugsrichtung induziert, die parallel zu der Wickelachse des weichmagnetischen Kerns ausgerichtet ist. Hierbei kann die magnetische Vorzugsrichtung dadurch festgelegt werden, dass während der Wärmebehandlung die Atome in einer bevorzugten Richtung ausgerichtet werden. Dadurch kann eine magnetische uniaxiale Anisotropie in den Werkstoff eingebracht werden.Due to the axial application of the mechanical compressive force, the wound amorphous or semi-crystalline ribbon can easily buckle and flow viscously, thereby achieving improved compaction of the amorphous or semi-crystalline ribbon. Furthermore, the mechanical compressive force can act on both sides of the amorphous or semi-crystalline ribbon along the winding axis. The improved compaction can further increase the fill factor. Furthermore, compared to conventional soft magnetic cores, the axially acting mechanical compressive force induces a preferred magnetic direction that is aligned parallel to the winding axis of the soft magnetic core. The preferred magnetic direction can be determined by aligning the atoms in a preferred direction during heat treatment. This can introduce magnetic uniaxial anisotropy into the material.

Weiterhin kann das amorphe oder teilkristalline Band auf einer Aufwicklungsvorrichtung, insbesondere einem Dorn, aufgewickelt werden.Furthermore, the amorphous or semi-crystalline strip can be wound on a winding device, in particular a mandrel.

Unter anderem durch den Einsatz einer Aufwicklungsvorrichtung können weichmagnetische Kerne mit verschiedenen Geometrien hergestellt werden. Zudem verhindert die Aufwicklungsvorrichtung ein Ausbrechen des amorphen oder teilkristallinen Bands in radialer Richtung senkrecht zur Wickelachse. Ringkerne können durch das einfache Aufwickeln oder auch Aufhaspeln der Bänder auf einen Dorn hergestellt werden. Durch einen Schnitt der Ringkerne sind auch anwendungstaugliche C-, E- oder U-Kerne möglich.Among other things, the use of a winding device allows for the production of soft magnetic cores with various geometries. Furthermore, the winding device prevents the amorphous or semi-crystalline strip from breaking off in the radial direction perpendicular to the winding axis. Toroidal cores can be produced by simply winding or coiling the strips onto a mandrel. By cutting the toroidal cores, application-specific C, E, or U cores are also possible.

Zusätzlich kann das amorphe oder teilkristalline Band vor der Wicklung mit einer elektrisch isolierenden Schicht beschichtet werden.In addition, the amorphous or semi-crystalline tape can be coated with an electrically insulating layer before winding.

Durch eine zusätzliche, vor dem Kompaktieren aufgebrachte Isolationsschicht, z.B. durch das Sol-Gel-Tauchbeschichten oder durch thermische Oxidation, kann eine Ausbildung von Kontaktstellen zwischen den Bandwicklungen verhindert werden. Somit werden energieverluststeigernde Wirbelströme in der späteren Anwendung verhindert. Die Beschichtung hindert dabei den elektrischen Stromfluss, der das amorphe oder teilkristalline Band erwärmt, nicht, da sich die Isolationsschicht parallel zum elektrischen Stromfluss befindet. Des Weiteren erhöht die Ausbildung einer Isolationsschicht zwischen den Wicklungen des amorphen oder teilkristallinen Bands die Festigkeit der Bandwicklung. Somit ist die spätere Trennung mittels Drahtsäge oder Wasserstrahlschneiden zur Herstellung von Schnittbandkernen einfacher umsetzbar. Das Aufbringen der Isolationsschicht kann es zudem ermöglichen, dass rascherstarrte Bänder aus spröden kristallinen Legierungen wie Fe-6,5Si und Sendust-Legierung typischerweise umfassend 85 m.-% (Massenprozent) Eisen, 9 m.-% Silicium und 6 m.-% Aluminium, kompaktiert werden können. Die elektrisch isolierende Schicht kann sowohl einseitig als auch beidseitig aufgebracht werden.By applying an additional insulation layer prior to compaction, e.g., through sol-gel dip coating or thermal oxidation, the formation of contact points between the strip windings can be prevented. This prevents eddy currents, which increase energy losses, in later applications. The coating does not impede the flow of electrical current that heats the amorphous or semi-crystalline strip, since the insulation layer is parallel to the electrical current flow. Furthermore, the formation of an insulating layer between the windings of the amorphous or semi-crystalline strip increases the strength of the strip winding. This facilitates subsequent separation using wire sawing or waterjet cutting to produce cut strip cores. Applying the insulating layer can also enable the compaction of rapidly solidified strips made of brittle crystalline alloys such as Fe-6.5Si and Sendust alloy, typically comprising 85 wt.% (mass percent) iron, 9 wt.% silicon, and 6 wt.% aluminum. The electrically insulating layer can be applied to one or both sides.

Außerdem kann das Verfahren unter Vakuum oder unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird.In addition, the process can be carried out under vacuum or under a protective gas atmosphere.

Durch die Durchführung des Verfahrens unter Vakuum oder unter einer Schutzgasatmosphäre kann verhindert werden, dass das amorphe oder teilkristalline Band oxidiert und somit die magnetischen Eigenschaften des weichmagnetischen Kerns verändert werden. Daher ist die Verfahrensvariante insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine hohe Reinheit der magnetischen Kerne notwendig ist. Alternativ kann das Verfahren auch unter atmosphärischen Bedingung, d.h. insbesondere unter Normalbedingungen bei 101325 Pa = 1,01325 bar = 1 atm in Luft durchgeführt werden.By performing the process under vacuum or a protective gas atmosphere, oxidation of the amorphous or semi-crystalline ribbon can be prevented, thus altering the magnetic properties of the soft magnetic core. This process variant is therefore particularly advantageous when high purity of the magnetic cores is required. Alternatively, the process can also be performed under atmospheric conditions, i.e., in particular under standard conditions at 101325 Pa = 1.01325 bar = 1 atm in air.

Außerdem kann das Band, nachdem keine mechanische Druckkraft mehr auf das Band ausgeübt wird sowie kein elektrischer Strom mehr durch das Band fließt, von einem Fluid umströmt werden und/oder das Band aus der Haltevorrichtung und der Pressvorrichtung ausgeformt werden.In addition, after no mechanical compressive force is exerted on the band and no electrical current flows through the band, a fluid can flow around the band and/or the band can be formed from the holding device and the pressing device.

Dadurch ist es möglich, das Band nach der Wärmebehandlung sowie der Kompaktierung schneller abzukühlen, sodass die Prozesszeit deutlich verkürzt werden kann. Das Umströmen des Bands mit einem Fluid ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Prozess unter Vakuum abläuft. Hierbei kann das Umströmen mit einem Fluid auch als "Fluten der Prozesskammer" mit einem Fluid verstanden werden. Zusätzlich können die kraftaufbringenden Elektroden wassergekühlt ausgebildet sein, sodass die Kühlrate weiter erhöht werden kann.This makes it possible to cool the strip more quickly after heat treatment and compaction, significantly reducing the process time. Flowing a fluid around the strip is particularly advantageous when the process takes place under vacuum. In this case, the flow of a fluid can also be understood as "flooding the process chamber" with a fluid. Additionally, the force-applying electrodes can be water-cooled, allowing the cooling rate to be further increased.

Zudem kann die Temperatur des amorphen oder teilkristallinen Bands durch ein Thermoelement und bzw. oder ein Pyrometer insofern gesteuert werden, dass das Thermoelement die Temperatur kontinuierlich misst und diese Messwerte über einen angeschlossenen Steuer- und Regelkreis verarbeitet werden. Dadurch ist es möglich, die Temperaturverläufe, d.h. bestimmte Aufheizraten des amorphen oder teilkristallinen Bands einzustellen oder auch die Temperatur über einen längeren Zeitraum konstant zu halten, d.h. Haltezeiten in den Prozess zu integrieren.In addition, the temperature of the amorphous or semi-crystalline ribbon can be controlled by a thermocouple and/or a pyrometer. The thermocouple continuously measures the temperature, and these measured values are processed via a connected control and regulation circuit. This makes it possible to adjust the temperature profiles, i.e., specific heating rates of the amorphous or semi-crystalline ribbon, or to keep the temperature constant over a longer period of time, i.e., to integrate hold times into the process.

Es kann auch vorgesehen sein, dass eine Form einer Hysteresekurve des Werkstoffs des amorphen oder teilkristallinen Bands und somit des Bands selbst durch die mechanische Druckkraft eingestellt werden kann. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine einfache Einstellung bestimmter magnetischer Eigenschaften und das amorphe oder teilkristalline Band kann entsprechend der gewünschten Eigenschaften gefertigt werden.It can also be provided that the shape of a hysteresis curve of the material of the amorphous or semi-crystalline ribbon, and thus of the ribbon itself, can be adjusted by the mechanical compressive force. This advantageously enables easy adjustment of certain magnetic properties, and the amorphous or semi-crystalline ribbon can be manufactured according to the desired properties.

Eine Vorrichtung zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns weist eine Haltevorrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, mindestens ein amorphes oder teilkristallines Band, welches aus einer metallischen Legierung ausgebildet und um eine Wickelachse gewickelt ist, aufzunehmen. Zudem ist eine Pressvorrichtung vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, eine mechanische Drucckraft auf das gewickelte amorphe oder teilkristalline Band auszuüben. Außerdem sorgt eine Strom-/Spannungsquelle dafür, dass elektrischer Strom durch das amorphe oder teilkristalline Band fließt, sodass sich in dem amorphen oder teilkristallinen Band nanokristalline Körner ausbilden. Alternativ oder zusätzlich zu dem direkten Stromfluss durch das amorphe oder teilkristalline Band kann auch eine induktive Heizvorrichtung vorgesehen sein, die dazu ausgebildet ist, das amorphe oder teilkristalline Band durch ein induktives Heizen zu erwärmen, sodass sich in dem amorphen oder teilkristallinen Band nanokristalline Körner ausbilden. Wiederum alternativ oder zusätzlich zu den beiden genannten Alternativen kann die Vorrichtung auch eine von dem amorphen oder teilkristallinen Band beabstandete Heizwendel aufweisen, die dazu ausgebildet ist, das amorphe oder teilkristalline Band indirekt zu erwärmen, sodass sich in dem amorphen oder teilkristallinen Band nanokristalline Körner ausbilden. Hierzu kann die Heizwendel von einem elektrischen Strom durchflossen werden.A device for producing a soft magnetic core comprises a holding device configured to receive at least one amorphous or semi-crystalline strip made of a metallic alloy and wound around a winding axis. A pressing device configured to exert a mechanical compressive force on the wound amorphous or semi-crystalline strip is also provided. Furthermore, a current/voltage source ensures that an electrical current flows through the amorphous or semi-crystalline strip, so that nanocrystalline grains form in the amorphous or semi-crystalline strip. Alternatively or in addition to the direct current flow through the amorphous or semi-crystalline strip, an inductive heating device may also be provided, which is configured to heat the amorphous or semi-crystalline strip by inductive heating, so that nanocrystalline grains form in the amorphous or semi-crystalline strip. Alternatively or in addition to the two alternatives mentioned, the device can also have a heating coil spaced apart from the amorphous or semi-crystalline ribbon, which is designed to indirectly heat the amorphous or semi-crystalline ribbon so that nanocrystalline grains form in the amorphous or semi-crystalline ribbon. For this purpose, an electric current can flow through the heating coil.

Das Verfahren ist dazu ausgebildet, mit der beschriebenen Vorrichtung durchgeführt zu werden, d.h. die Vorrichtung ist geeignet, das beschriebene Verfahren durchzuführen.The method is designed to be carried out with the described device, i.e. the device is suitable for carrying out the described method.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 beschrieben. Wiederkehrende Merkmale sind mit identischen Bezugszeichen versehen.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are described below with reference to Figures 1 and 2 described. Recurring features are provided with identical reference symbols.

Es zeigen:

  • Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Haltevorrichtung sowie einer Aufwicklungsvorrichtung mit einem gewickelten amorphen Band in einer Draufsicht und
  • Fig. 2 eine schematische Zeichnung einer Vorrichtung zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns in einer frontalen Ansicht.
They show:
  • Fig. 1 a schematic representation of a holding device and a winding device with a wound amorphous ribbon in a plan view and
  • Fig. 2 a schematic drawing of a device for producing a soft magnetic core in a frontal view.

Fig. 1 stellt ein um eine Aufwicklungsvorrichtung 2 gewickeltes amorphes Band 3 dar, wobei das aufgewickelte amorphe Band 3 zudem in einer Haltevorrichtung 1 platziert ist. Alternativ kann das amorphe Band 3 auch teilkristallin sein. Hier wird das amorphe Band 3 aufgehaspelt, solange bis der äußere Durchmesser der Bandwicklung mit dem äußeren Durchmesser einer Pressvorrichtung 4 (hier nicht dargestellt) übereinstimmt. Anschließend wird das amorphe Band 3 abgeschnitten. Alternativ kann das amorphe Band 3 auch derart aufgehaspelt und abgeschnitten worden sein, dass es nicht an die Haltevorrichtung 1 anstößt. Das amorphe Band 3 kann demzufolge auch gepresst werden, wenn der äußere Durchmesser des amorphen Bandes 3 kleiner ist als der der Pressvorrichtung 4. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Aufwicklungsvorrichtung 2 als Dorn ausgebildet. Hierbei verhindert der Dorn u.a. dass das amorphe Band 3 während der Kompaktierung in radialer Richtung, d.h. senkrecht zu der Wickelachse des amorphen Bands 3 ausbrechen kann. Fig. 1 depicts an amorphous strip 3 wound around a winding device 2, wherein the wound amorphous strip 3 is additionally placed in a holding device 1. Alternatively, the amorphous strip 3 can also be semi-crystalline. Here, the amorphous strip 3 is wound up until the outer diameter of the strip winding matches the outer diameter of a pressing device 4 (not shown here). The amorphous strip 3 is then cut off. Alternatively, the amorphous strip 3 can also be wound up and cut off in such a way that it does not abut the holding device 1. The amorphous strip 3 can therefore also be pressed if the outer diameter of the amorphous strip 3 is smaller than that of the pressing device 4. In this exemplary embodiment, the winding device 2 is designed as a mandrel. In this case, the mandrel prevents, among other things, the amorphous strip 3 from breaking out in the radial direction, i.e. perpendicular to the winding axis of the amorphous strip 3, during compaction.

Fig. 2 stellt ein in der Haltevorrichtung 1 um die Aufwicklungsvorrichtung 2 gewickeltes amorphes Band 3 während der Kompaktierung dar. D.h. es wird in diesem Ausführungsbeispiel beidseitig entlang der Wickelachse des amorphen Bands eine mechanische Druckkraft von einer Pressvorrichtung 4 auf das gewickelte amorphe Band 3 aufgebracht. In dieser Ausführungsvariante ist die Pressvorrichtung 4 als Oberstempel und Unterstempel ausgebildet, sodass zweiseitiges Pressen vorliegt. Alternativ ist es auch möglich, die mechanische Druckkraft lediglich einseitig durch eine Pressvorrichtung 4, beispielsweise nur durch einen Oberstempel oder nur durch einen Unterstempelaufzubringen. Weiterhin ist eine Strom-/Spannungsquelle 6 mit den Stempeln derart verbunden, dass ein Strom durch das amorphe Band fließen kann. Dies ist möglich, da die Stempel in unmittelbarem berührendem Kontakt zu dem amorphen Band 3 ausgebildet sind. Fig. 2 represents an amorphous band 3 wound in the holding device 1 around the winding device 2 during compaction. This means that in this embodiment, it is wound on both sides along the winding axis of the amorphous A mechanical compressive force is applied to the wound amorphous strip 3 by a pressing device 4. In this embodiment, the pressing device 4 is designed as an upper punch and lower punch, so that two-sided pressing occurs. Alternatively, it is also possible to apply the mechanical compressive force only on one side by a pressing device 4, for example, only by an upper punch or only by a lower punch. Furthermore, a current/voltage source 6 is connected to the punches in such a way that a current can flow through the amorphous strip. This is possible because the punches are designed to be in direct contact with the amorphous strip 3.

Somit kann man die Kompaktierung und die Wärmebehandlung unter dem FAST/SPS-Prozess (FAST: "Field Assisted Sintering Technique", SPS: "Spark Plasma Sintering") zusammenfassen. Das Fast/SPS-Verfahren ist ein uniaxiales Pressverfahren für metallische und keramische Pulver unter Druck- und Temperatureinfluss. Der Druck beträgt in der Regel weniger als 100 MPa, sodass Graphit als Material für das Presswerkzeug (entspricht hier der Pressvorrichtung 4) gewählt werden kann. Um einen höheren Druck verwenden zu können, werden aber auch Warmarbeitsstähle, TZM-Legierungen (typischerweise umfassend Molybdän, 0,50 % Titan, 0,08 % Zirconium und 0,01-0,04 % Kohlenstoff) oder keramische Werkstoffe für das Werkzeug verwendet. Die eingesetzte Temperatur richtet sich nach dem Werkstoff und kann bis zu 2500 °C betragen. Die Erwärmung des Probenmaterials und des Presswerkzeuges findet auf Basis der Jouleschen Erwärmung statt, indem standardmäßig ein gepulster Gleichstrom durch das Probenmaterial und das Presswerkzeug fließt. Infolge des direkten Aufheizens des Probenmaterials können hohe Heizraten bis 1000 K/min realisiert werden. Die hohe Aufheizrate ermöglicht das Einstellen von speziellen Gefügen, insbesondere von sehr kleinen Körnern. Es lassen sich so kurze Prozesszyklen von unter einer Stunde durchführen. Dadurch hebt sich das FAST/SPS gegenüber dem konventionellen Heißpressen ab, bei dem eine Kompaktierung mehrere Stunden dauern kann.Thus, compaction and heat treatment can be summarized under the FAST/SPS process (FAST: "Field Assisted Sintering Technique", SPS: "Spark Plasma Sintering"). The FAST/SPS process is a uniaxial pressing process for metallic and ceramic powders under the influence of pressure and temperature. The pressure is typically less than 100 MPa, so graphite can be selected as the material for the pressing tool (corresponding here to pressing device 4). To enable higher pressures, hot-work tool steels, TZM alloys (typically comprising molybdenum, 0.50% titanium, 0.08% zirconium, and 0.01-0.04% carbon), or ceramic materials are also used for the tool. The temperature used depends on the material and can reach up to 2500 °C. The heating of the sample material and the compression tool is based on Joule heating, with a pulsed direct current flowing through the sample material and the compression tool. Due to the direct heating of the sample material, high heating rates of up to 1000 K/min can be achieved. This high heating rate enables the creation of special microstructures, especially for very small grains. This allows for short process cycles of less than one hour. This distinguishes FAST/SPS from conventional hot pressing, where compaction can take several hours.

In dieser Ausführungsvariante umfasst die Pressvorrichtung 4 zwei ringförmige Stempel, sodass Ringkerne mit einem Außendurchmesser von 30 mm und einem Innendurchmesser von 20 mm hergestellt werden können. Der Innendurchmesser wird hierbei durch den Durchmesser des Dorns bestimmt.In this embodiment, the pressing device 4 comprises two annular punches, allowing the production of toroidal cores with an outer diameter of 30 mm and an inner diameter of 20 mm. The inner diameter is determined by the diameter of the mandrel.

Die Form der Pressstempel, d.h. die Form der Pressvorrichtung, kann für ringförmige Geometrien sowohl rund oder oval als auch viereckig mit abgerundeten Kanten ausgebildet sein, sodass sich Ringkerne, C-, E- und U-Kerne herstellen lassen. Die Presstempel können mittig ein Loch aufweisen. In diesen Hohlraum passt der dafür vorgesehene Dorn. Dieser verhindert mit der Haltevorrichtung 1, die außen auf die Stempel passt, ein späteres Ausbrechen des amorphen Bands 3 in radialer Richtung während der Kompaktierung. Das bedeutet, die Haltevorrichtung 1 ist außerhalb der Pressvorrichtung 4 angeordnet, welche einen Hohlraum in der Mitte aufweist, zu dem die Aufwicklungsvorrichtung 2 komplementär ausgebildet ist. D.h. die Aufwicklungsvorrichtung 2 kann in den Hohlraum der Pressvorrichtung geführt werden. Zudem entspricht der Außendurchmesser des gewickelten amorphen Bands 3 gerade dem Außendurchmesser der Pressvorrichtung 4.The shape of the pressing dies, i.e., the shape of the pressing device, can be round or oval for ring-shaped geometries, or square with rounded edges, allowing the production of toroidal cores, C-, E-, and U-shaped cores. The pressing dies can have a hole in the center. The mandrel provided for this purpose fits into this cavity. This mandrel, together with the holding device 1, which fits on the outside of the dies, prevents the amorphous strip 3 from subsequently breaking out in the radial direction during compaction. This means that the holding device 1 is arranged outside the pressing device 4, which has a cavity in the center to which the winding device 2 is complementary. This means that the winding device 2 can be guided into the cavity of the pressing device. Furthermore, the outer diameter of the wound amorphous strip 3 exactly corresponds to the outer diameter of the pressing device 4.

Für die Fertigung von rechteckigen Geometrien für I-Kerne oder von Kreissegmenten ist kein Dorn, d.h. keine Aufwicklungsvorrichtung 2 notwendig. Der Werkstoff und die Geometrie der Vorrichtung werden dem herzustellenden weichmagnetischen Kern und den Pressbedingungen angepasst. Die Temperatursteuerung erfolgt über ein Thermoelement 5 in einer Bohrung in der Haltevorrichtung 1, sodass die Temperatur in der Nähe des amorphen Bands 3 gemessen wird. Alternativ kann das Thermoelement 5 auch in einer Bohrung in einem der Presstempel platziert werden.For the production of rectangular geometries for I-cores or circular segments, no mandrel, i.e., no winding device 2, is necessary. The material and geometry of the device are adapted to the soft magnetic core to be produced and the pressing conditions. Temperature control is achieved via a thermocouple 5 in a hole in the holding device 1, so that the temperature is measured near the amorphous strip 3. Alternatively, the thermocouple 5 can also be placed in a hole in one of the pressing dies.

Außerdem wird im vorliegenden Fall ein amorphes Band 3 verwendet, welches beidseitig beschichtet wurde. D.h. die flächigen Seiten des amorphen Bands 3 sind beschichtet. Alternativ ist es auch möglich, lediglich eine flächige Seite des amorphen Bands 3 zu beschichten, also eine einseitige Beschichtung auszubilden. Hierbei kann die Beschichtung mithilfe jedes Verfahrens aufgebracht werden, bei dem mindestens eine flächige Seite des amorphen Bands 3 vollständig und durchgängig bedeckt wird. Insbesondere kann die Beschichtung durch thermisches Oxidieren oder das Sol-Gel-Tauchbeschichten hergestellt werden, um im Anwendungsfall einen induzierten elektrischen Stromfluss zwischen den Wicklungen zu verhindern. Durch diese zusätzliche, vor dem Kompaktieren aufgebrachte Isolationsschicht kann eine Ausbildung von Kontaktstellen zwischen den Bandwicklungen verhindert werden. Somit werden energieverluststeigernde Wirbelströme in der späteren Anwendung verhindert. Die Beschichtung hindert dabei den elektrischen Stromfluss, der zum Aufheizen der Wicklung eingesetzt wird, nicht, da sich die Isolationsschicht parallel zum elektrischen Stromfluss befindet. Des Weiteren erhöht die Ausbildung einer Trennschicht zwischen den Wicklungen die Festigkeit der Bandwicklung.Furthermore, in the present case, an amorphous strip 3 is used which has been coated on both sides. This means that the flat sides of the amorphous strip 3 are coated. Alternatively, it is also possible to coat only one flat side of the amorphous strip 3, i.e., to form a one-sided coating. The coating can be applied using any method in which at least one flat side of the amorphous strip 3 is completely and continuously covered. In particular, the coating can be produced by thermal oxidation or sol-gel dip coating in order to prevent an induced electrical current flow between the windings in the application. This additional insulation layer, applied before compaction, can prevent the formation of contact points between the strip windings. Thus, This prevents eddy currents, which increase energy losses, in subsequent applications. The coating does not impede the flow of electrical current used to heat the winding, as the insulation layer is parallel to the electrical current flow. Furthermore, the formation of a separating layer between the windings increases the strength of the strip winding.

Zudem können rascherstarrte Bänder aus kristallinen Legierungen, wie Fe-6,5Si und Sendust-Legierung typischerweise umfassend 85 m.-% Eisen, 8 - 10 m.-% Silicium und 5 - 7 m.-% Aluminium, aufgrund der Isolation kompaktiert werden. Diese Legierungen werden bislang nur als Pulver in Pulverkernen eingesetzt. Aufgrund ihres höheren elektrischen Widerstands und der nicht vorhandenen Magnetostriktion sind beide Legierungen besonders bei hohen Frequenzen und bei geräuschempfindlichen Anwendungen anwendbar.In addition, rapidly solidified ribbons made of crystalline alloys, such as Fe-6.5Si and Sendust alloy, typically comprising 85 wt.% iron, 8-10 wt.% silicon, and 5-7 wt.% aluminum, can be compacted due to their insulation properties. These alloys have so far only been used as powders in dust cores. Due to their higher electrical resistance and lack of magnetostriction, both alloys are particularly suitable for high frequencies and noise-sensitive applications.

Der in diesem Ausführungsbeispiel beschriebene Verfahrensablauf lässt sich demnach wie folgt zusammenfassen: Das beschichtete, rascherstarrte amorphe Band 3 wird auf den Dorn aufgehaspelt. Das Band 3 wird abgeschnitten, wenn der äußere Durchmesser der Bandwicklung mit dem äußernden Durchmesser der Pressvorrichtung 4 umfassend einen oberen und einen unteren Pressstempel übereinstimmt. Im Anschluss wird der obere und untere Pressstempel auf den Dorn geschoben. Die Vorrichtung ist fertig präpariert, wenn die Haltevorrichtung 1 über einen der Pressstempel auf die Wicklung geschoben wird, sodass diese ein radiales Ausbrechen verhindert. Zudem befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel die Vorrichtung in einer vakuumierten Prozesskammer.The process sequence described in this exemplary embodiment can therefore be summarized as follows: The coated, rapidly solidified amorphous strip 3 is wound onto the mandrel. The strip 3 is cut when the outer diameter of the strip winding matches the outer diameter of the pressing device 4 comprising an upper and a lower pressing die. The upper and lower pressing dies are then pushed onto the mandrel. The device is fully prepared when the holding device 1 is pushed over one of the pressing dies onto the winding, thus preventing radial breakage. Furthermore, in this exemplary embodiment, the device is located in a vacuum-sealed process chamber.

Die Kompaktierung des gewickelten amorphen Bands 3 erfolgt anschließend beispielsweise mit 25 MPa und einer Aufheizrate von 100 K/min bis zum Erreichen von 400 °C. Dabei wird ein Füllfaktor von 90 Vol.-% erreicht. Das gewickelte amorphe Band 3 wird im Anschluss bei 520 °C eine Stunde wärmebehandelt, wobei die messbare maximale Permeabilität bei 550000 und die magnetische Sättigung oberhalb von 1 T liegen. Somit ist es auch möglich, anwendungsspezifische Haltezeiten während der Wärmebehandlung einzubauen. Dadurch kann die die Festigkeit der beschichteten Bänder verbessert werden. Durch Abschalten des Stromflusses und damit dem Beenden der Erwärmung des amorphen Bands 3 kühlt das ursprünglich amorphe und nach dem Erwärmen nanokristalline Band 3 ab. Eine schnellere Abkühlung ist durch das Fluten der Prozesskammer auf Atmosphärendruck und der Ausformung des gewickelten amorphen Bands 3 aus der Vorrichtung, d.h. aus der Pressvorrichtung 4, der Aufwicklungsvorrichtung 2 sowie der Haltevorrichtung 1 möglich.The wound amorphous strip 3 is then compacted, for example, at 25 MPa and a heating rate of 100 K/min until it reaches 400 °C. A fill factor of 90 vol.% is achieved. The wound amorphous strip 3 is then heat-treated at 520 °C for one hour, with the measurable maximum permeability being 550,000 and the magnetic saturation being above 1 T. This also makes it possible to incorporate application-specific holding times during the heat treatment. This can improve the strength of the coated strips. By switching off the current flow and thus stopping the heating of the amorphous strip 3, the originally amorphous strip 3, which becomes nanocrystalline after heating, cools down. Faster cooling is possible by flooding the process chamber to atmospheric pressure and removing the wound amorphous strip 3 from the device, ie, from the pressing device 4, the winding device 2, and the holding device 1.

Durch dieses Verfahren lassen sich durch die hohe Aufheizrate von bis zu 1000 K/min nanokristalline Legierungen mit hohem Eisenanteil mit mittleren Korndurchmessern kleiner 30 nm herstellen. Diese Legierungen weisen mit bis zu 2,2 T eine deutlich höhere magnetische Sättigung als kommerziell verfügbare Fe-Si-B-Cu-Nb-Legierungen mit 1,2 T auf.This process, with its high heating rate of up to 1000 K/min, allows the production of nanocrystalline alloys with a high iron content and average grain diameters of less than 30 nm. These alloys exhibit a significantly higher magnetic saturation of up to 2.2 T than commercially available Fe-Si-B-Cu-Nb alloys with 1.2 T.

In einer weiteren Ausführungsform kann alternativ zum direkten Erwärmen mittels eines elektrischen Stromflusses durch das Band 3 auch ein induktives Erwärmen erfolgen. In einer weiteren Ausführungsform kann auch ein indirektes Aufheizen des Bands 3 durch eine Heizwendel erfolgen, die von einem elektrischen Strom durchflossen wird und beispielsweise das Band 3 umschließt. Es ist auch möglich, die drei genannten Methoden zum Beheizen des Bands 3 bzw. zumindest zwei dieser Methoden miteinander zu kombinieren.In a further embodiment, inductive heating can also be used as an alternative to direct heating by means of an electric current flowing through the strip 3. In a further embodiment, the strip 3 can also be heated indirectly by a heating coil through which an electric current flows and, for example, surrounds the strip 3. It is also possible to combine the three aforementioned methods for heating the strip 3, or at least two of these methods.

Wie oben bereits erwähnt, kann die Geometrie der weichmagnetischen Kerne durch die Form der Pressvorrichtung 4 und die Form der Aufwicklungsvorrichtung 2 bestimmt werden. Ringkerne können durch das einfache Aufwickeln des amorphen Bands 3 auf einen Dorn hergestellt werden. Durch einen Schnitt der Ringkerne sind auch anwendungstaugliche C-, E- oder U-Kerne möglich. Durch eine Stückelung des Bandes und dessen Laminierung in der Vorrichtung lassen sich auch I-Kerne herstellen.As mentioned above, the geometry of the soft magnetic cores can be determined by the shape of the pressing device 4 and the shape of the winding device 2. Toroidal cores can be produced by simply winding the amorphous strip 3 onto a mandrel. By cutting the toroidal cores, suitable C-, E-, or U-shaped cores are also possible. By cutting the strip into pieces and laminating it in the device, I-shaped cores can also be produced.

Über die Einstellung des mechanischen Drucks kann der Füllfaktor gesteuert werden. Durch das druckinduzierte Umknicken und viskose Fließen der amorphen Bänder 3 unter zusätzlichem Temperatureinfluss wird der Füllfaktor erhöht. Kerne mit einem niedrigeren Füllfaktor im konventionellen Bereich von 70 bis 80 % eigenen sich eher für Hochfrequenzanwendungen bis 100 kHz.The fill factor can be controlled by adjusting the mechanical pressure. The pressure-induced buckling and viscous flow of the amorphous ribbons 3 under the additional influence of temperature increases the fill factor. Cores with a lower fill factor in the conventional range of 70 to 80% are more suitable for high-frequency applications up to 100 kHz.

Kerne, die unter hohem Pressdruck mit erhöhten Füllfaktoren hergestellt werden, bieten sich eher für niedrigere Frequenzen bis 20 kHz an. Dabei weisen sie jedoch eine höhere magnetische Leistungsdichte auf als die konventionellen nanokristallinen Kerne. Zudem kann durch das Einstellen des mechanischen Drucks auch die Form der Hystereseschleife beeinflusst werden, d. h. insbesondere die Permeabilität und die Remanenz können in gewissem Umfang eingestellt werden.Cores manufactured under high compression pressure with increased fill factors are more suitable for lower frequencies up to 20 kHz. However, they exhibit a higher magnetic power density than conventional nanocrystalline cores. Furthermore, adjusting the mechanical pressure can also influence the shape of the hysteresis loop, meaning that, in particular, the permeability and remanence can be adjusted to a certain extent.

Einsatzbereiche für die so hergestellten nanokristallinen Bauteile mit hoher magnetischer Sättigungspolarisation und niedrigen Verlusten ergeben sich im Bereich der Stromversorgung oder in der Elektromobilität. Zu dem ersteren Bereich zählen etwa Leistungstransformatoren, Gleichtaktdrosseln, Speicherdrosseln und magnetische Verstärker. Ein Transformator ist ein elektrisches Gerät, das in der Lage ist, Wechselstrom von einer Spannungsebene auf eine andere zu transformieren, um eine Eingangsspannung in eine höhere oder niedrigere Ausgangsspannung umzuwandeln. Er besteht normalerweise aus zwei eng gewickelten Spulen, die um einen gemeinsamen magnetischen Kern angeordnet sind. Dieser kann sowohl block- als auch ringförmig sein. Bedingungen an das weichmagnetische Material sind eine hohe magnetische Sättigung, um den Transformator möglichst klein auslegen zu können, sehr hohe Permeabilität und geringe Ummagnetisierungsverluste, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Da das nanokristalline Band mit Dicken von etwa 20 µm deutlich unter der Dicke konventioneller Elektrobleche liegt (d > 200 µm), sind die quadratisch von der Dicke abhängigen Wirbelstromverluste bei Frequenzen oberhalb von 1 kHz drastisch reduziert, sodass eine deutliche Erhöhung im Wirkungsgrad zu erwarten ist.Applications for the nanocrystalline components produced in this way, with high magnetic saturation polarization and low losses, arise in the power supply and electromobility sectors. The former includes power transformers, common-mode chokes, storage chokes, and magnetic amplifiers. A transformer is an electrical device capable of transforming alternating current from one voltage level to another in order to convert an input voltage into a higher or lower output voltage. It typically consists of two tightly wound coils arranged around a common magnetic core. This core can be either block-shaped or ring-shaped. Requirements for the soft magnetic material are high magnetic saturation to enable the transformer to be as small as possible, very high permeability, and low core losses to achieve high efficiency. Since the nanocrystalline strip, with thicknesses of about 20 µm, is significantly thinner than conventional electrical steel sheets (d > 200 µm), the eddy current losses, which depend quadratically on the thickness, are drastically reduced at frequencies above 1 kHz, so that a significant increase in efficiency can be expected.

Eine Gleichtaktdrossel ist eine elektrische Komponente, die in Schaltungen verwendet wird, um Störungen und Rauschen zu reduzieren. Sie besteht aus zwei identischen Induktivitäten, die in entgegengesetzten Richtungen gewickelt sind. Durch die Verwendung der Gleichtaktdrossel kann das Gleichtakt-Rauschen, das auftritt, wenn sich zwei Signale auf dem gleichen Potentialniveau ändern, minimiert werden. Die Drossel sperrt das Gleichtakt-Rauschen und lässt nur das differentielle Signal passieren. Dadurch kann eine bessere Signalqualität erreicht werden. Durch einen höheren Füllfaktor und eine höhere magnetische Polarisation werden die kompaktierten Wicklungen des amorphen Bands 3 aus weiter entwickelten Legierungssystemen im Vergleich zu den konventionellen Ringkernen erst bei größeren Feldstärken gesättigt. Daher werden sie erst bei höheren Feldstärken unbrauchbar und heben sich so von den konventionellen Kernen in der Anwendung als Gleichtaktdrossel ab.A common-mode choke is an electrical component used in circuits to reduce interference and noise. It consists of two identical inductors wound in opposite directions. By using a common-mode choke, the common-mode noise that occurs when two signals at the same potential level change can be minimized. The choke blocks the common-mode noise and allows only the differential signal to pass. This allows for better signal quality. Due to a higher fill factor and higher magnetic polarization, the compacted windings of the Amorphous Band 3 cores made from more advanced alloy systems only saturate at higher field strengths than conventional toroidal cores. Therefore, they only become unusable at higher field strengths, distinguishing them from conventional cores when used as common-mode chokes.

Eine magnetische Speicherdrossel besteht aus einem magnetischen Kern und einer Wicklung. Wenn ein Strom durch die Wicklung fließt, erzeugt er ein Magnetfeld um den Kern. Dieses Magnetfeld speichert eine gewisse Menge an Energie. Durch das Abschalten des Stroms in der Wicklung wird die im Magnetfeld gespeicherte Energie in Form eines elektrischen Stromflusses in der Wicklung wieder freigesetzt. Dieser Prozess ermöglicht es somit, Energie zu speichern und wieder freizugeben. Die magnetische Speicherdrossel wird oft in Stromversorgungen und anderen elektronischen Geräten eingesetzt, um Störungen zu reduzieren und eine stabile Stromversorgung sicherzustellen. Durch die höhere Leistungsdichte bei ähnlichen Verlusten sind die mit dem beschriebenen Verfahren hergestellten kompaktieren Wicklungen auch in diesem Bereich den konventionellen Ringbandkernen vorzuziehen.A magnetic storage choke consists of a magnetic core and a winding. When a current flows through the winding, it creates a magnetic field around the core. This magnetic field stores a certain amount of energy. When the current in the winding is switched off, the energy stored in the magnetic field is released again in the form of an electric current flow in the winding. This process thus enables energy to be stored and released again. The magnetic storage choke is often used in power supplies and other electronic devices to reduce interference and ensure a stable power supply. Due to the higher power density with similar losses, the compact windings manufactured using the described process are also preferable to conventional toroidal cores in this area.

Ein magnetischer Verstärker, auch als magnetischer Verstärkungsring oder magnetischer Verstärkerkern bezeichnet, wird verwendet, um die Effizienz und Leistung von elektrischen Transformatoren oder Spulen zu verbessern. Es besteht aus einem Kernmaterial mit hoher magnetischer Permeabilität, typischerweise aus Ferrit oder Eisen. Der magnetische Verstärker funktioniert, indem er das magnetische Feld konzentriert und den magnetischen Fluss erhöht. Wenn eine Spule um den magnetischen Verstärker gewickelt wird und ein Strom durch die Spule fließt, erzeugt dieser Strom ein Magnetfeld. Das Magnetfeld wird durch den magnetischen Verstärkerkern geleitet, der den magnetischen Fluss verstärkt und die magnetische Energie effizienter überträgt. Durch die Verwendung eines magnetischen Verstärkers kann die Effizienz von Transformatoren und Spulen verbessert werden, da weniger Energie verloren geht und eine bessere magnetische Kopplung erreicht wird. Dies führt zu einer verbesserten Leistung und einem geringeren Energieverlust in elektrischen Schaltungen.A magnetic amplifier, also known as a magnetic amplifier ring or magnetic amplifier core, is used to improve the efficiency and performance of electrical transformers or coils. It is made of a core material with high magnetic permeability, typically ferrite or iron. The magnetic amplifier works by concentrating the magnetic field and increasing the magnetic flux. When a coil is wound around the magnetic amplifier and a current flows through the coil, this current creates a magnetic field. The magnetic field is passed through the magnetic amplifier core, which amplifies the magnetic flux and transfers magnetic energy more efficiently. By using a magnetic amplifier, the efficiency of transformers and coils can be improved because less energy is lost and better magnetic coupling is achieved. This results in improved performance and reduced energy loss in electrical circuits.

Insbesondere in der Elektromobilität sind scheibenförmige Axialflussmotoren besonders im Bereich der Luftfahrt und dem Motorsport aufgrund ihres höheren Drehmoment-zu-Leistung-Verhältnis und ihres geringen Gewichts vorteilhaft. Im Gegensatz zu den Radialflussmotoren ist der magnetische Fluss in den Axialflussmotoren nicht radial, sondern axial zur Drehachse. Der Stator ist zwischen zwei Rotoren, die mit Permanentmagneten bestückt sind, angeordnet. Er besteht aus Spulen, die für die Flussleitung weichmagnetische Kernmaterialien enthalten. Durch den elektrischen Stromfluss in den Spulen wird in diesen ein Magnetfeld aufgebaut, das durch das weichmagnetische Kernmaterial verstärkt wird. Es bilden sich so magnetische Pole an den Enden der Spulen aus.Especially in electromobility, disc-shaped axial flux motors are Particularly advantageous in the aviation and motorsport sectors due to their higher torque-to-power ratio and low weight. Unlike radial flux motors, the magnetic flux in axial flux motors is not radial, but axial to the axis of rotation. The stator is arranged between two rotors equipped with permanent magnets. It consists of coils containing soft magnetic core materials for flux conduction. The electric current flowing through the coils creates a magnetic field, which is amplified by the soft magnetic core material. This creates magnetic poles at the ends of the coils.

Diese induzierten Pole des Stators wechselwirken mit den Polen der Permanentmagnete des Rotors. Über eine gezielte Steuerung des elektrischen Stroms in den Spulen werden die magnetischen Pole in den Weichmagneten so magnetisiert, dass die Rotoren durch die Wechselwirkung mit den Polen der enthaltenen Hartmagnete in Bewegung versetzt werden. Durch die höhere Festigkeit und der höheren Leitungsdichte der hier hergestellten weichmagnetischen Kerne kann die Leistung dieser Motoren verbessert werden.These induced poles of the stator interact with the poles of the rotor's permanent magnets. By carefully controlling the electric current in the coils, the magnetic poles in the soft magnets are magnetized in such a way that the rotors are set in motion by their interaction with the poles of the hard magnets they contain. The increased strength and higher conductivity of the soft magnetic cores manufactured here can improve the performance of these motors.

Claims (11)

Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns, bei dem mindestens ein amorphes oder teilkristallines Band (3), welches aus einer metallischen Legierung ausgebildet ist, um eine Wickelachse gewickelt wird und anschließend das amorphe oder teilkristalline Band (3) in eine Haltevorrichtung (1) eingebracht wird und dann durch eine Pressvorrichtung (4) eine mechanische Druckkraft auf das gewickelte amorphe oder teilkristalline Band (3) ausgeübt wird, wobei währenddessen ein elektrischer Strom durch das amorphe oder teilkristalline Band (3) fließt und das amorphe oder teilkristalline Band (3) durch den elektrischen Stromfluss erwärmt wird und/oder währenddessen das amorphe oder teilkristalline Band (3) durch ein induktives Heizen erwärmt wird und/oder währenddessen das amorphe oder teilkristalline Band (3) indirekt mittels einer von dem amorphen oder teilkristallinen Band (3) beabstandeten Heizwendel erwärmt wird, sodass in dem amorphen oder teilkristallinen Band (3) nanokristalline Körner ausgebildet werden. Method for producing a soft magnetic core, in which at least one amorphous or semi-crystalline band (3) which is made of a metallic alloy, is wound around a winding axis and then the amorphous or semi-crystalline ribbon (3) is introduced into a holding device (1) and then a mechanical pressure force is exerted on the wound amorphous or semi-crystalline strip (3) by a pressing device (4), wherein an electric current flows through the amorphous or semi-crystalline ribbon (3) and the amorphous or semi-crystalline ribbon (3) is heated by the electric current flow and/or during which the amorphous or semi-crystalline ribbon (3) is heated by inductive heating and/or during which the amorphous or semi-crystalline ribbon (3) is heated indirectly by means of a heating coil spaced apart from the amorphous or semi-crystalline ribbon (3), so that nanocrystalline grains are formed in the amorphous or semi-crystalline ribbon (3). Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Legierung aus Fe-B-X, insbesondere aus Fe-Si-B-Cu oder Fe-Si-B-P-Cu-(C) oder Fe-Si-B-Mn ausgebildet ist.Method for producing a soft magnetic core according to claim 1, characterized in that the metallic alloy is formed from Fe-BX, in particular from Fe-Si-B-Cu or Fe-Si-BP-Cu-(C) or Fe-Si-B-Mn. Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass X die Elemente Si und/oder Co und/oder Cu und/oder P und/oder Mn und/oder Nb umfasst.A method for producing a soft magnetic core according to claim 2, characterized in that X comprises the elements Si and/or Co and/or Cu and/or P and/or Mn and/or Nb. Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucckraft axial entlang der Wickelachse des amorphen oder teilkristallinen Bands (3) aufgebracht wird.Method for producing a soft magnetic core according to one of the preceding claims, characterized in that the compressive force is applied axially along the winding axis of the amorphous or semi-crystalline strip (3). Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das amorphe oder teilkristalline Band (3) auf einer Aufwicklungsvorrichtung (2), insbesondere einem Dorn, aufgewickelt wird.Method for producing a soft magnetic core according to one of the preceding claims, characterized in that the amorphous or semi-crystalline strip (3) is wound on a winding device (2), in particular a mandrel. Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das amorphe oder teilkristalline Band (3) vor der Wicklung mit einer elektrisch isolierenden Schicht wenigstens einseitig, vorzugsweise beidseitig beschichtet wird.Method for producing a soft magnetic core according to one of the preceding claims, characterized in that the amorphous or semi-crystalline strip (3) is coated with an electrically insulating layer on at least one side, preferably on both sides, before winding. Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren unter Vakuum oder unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird.Method for producing a soft magnetic core according to one of the preceding claims, characterized in that the method is carried out under vacuum or under a protective gas atmosphere. Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Band (3), nachdem keine Druckkraft mehr auf das Band (3) ausgeübt wird sowie kein elektrischer Strom mehr durch das Band (3) fließt, von einem Fluid umströmt wird und/oder das Band (3) aus der Haltevorrichtung (1) und der Pressvorrichtung (4) ausgeformt wird.Method for producing a soft magnetic core according to one of the preceding claims, characterized in that the strip (3) is flowed around by a fluid after no more compressive force is exerted on the strip (3) and no more electric current flows through the strip (3) and/or the strip (3) is formed from the holding device (1) and the pressing device (4). Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des amorphen oder teilkristallinen Bands (3) durch ein Thermoelement (5) gesteuert wird.Method for producing a soft magnetic core according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature of the amorphous or semi-crystalline strip (3) is controlled by a thermocouple (5). Verfahren zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Form einer Hysteresekurve des amorphen oder teilkristallinen Bands (3) durch die mechanische Druckkraft eingestellt wird.Method for producing a soft magnetic core according to one of the preceding claims, characterized in that a shape of a hysteresis curve of the amorphous or semi-crystalline band (3) is adjusted by the mechanical compressive force. Vorrichtung zur Herstellung eines weichmagnetischen Kerns aufweisend: eine Haltevorrichtung (1), die dazu ausgebildet ist, mindestens ein amorphes oder teilkristallines Band (3), welches aus einer metallischen Legierung ausgebildet und um eine Wickelachse gewickelt ist, aufzunehmen, eine Pressvorrichtung (4), die dazu ausgebildet ist, eine mechanische Druckkraft auf das gewickelte amorphe oder teilkristalline Band (3) auszuüben und eine Strom-/Spannungsquelle (6), die dazu ausgebildet ist, elektrischen Strom durch das amorphe oder teilkristalline Band (3) zu leiten, sodass sich in dem amorphen oder teilkristallinen Band (3) nanokristalline Körner ausbilden, und/oder eine induktive Heizvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, das amorphe oder teilkristalline Band (3) durch ein induktives Heizen zu erwärmen , und/oder eine von dem amorphen oder teilkristallinen Band (3) beabstandete Heizwendel, die dazu ausgebildet ist, das amorphe oder teilkristalline Band (3) indirekt zu erwärmen, sodass sich in dem amorphen oder teilkristallinen Band (3) nanokristalline Körner ausbilden. Apparatus for producing a soft magnetic core comprising: a holding device (1) which is designed to receive at least one amorphous or semi-crystalline strip (3) which is made of a metallic alloy and wound around a winding axis, a pressing device (4) which is designed to exert a mechanical compressive force on the wound amorphous or semi-crystalline strip (3) and a current/voltage source (6) which is designed to conduct electrical current through the amorphous or semi-crystalline band (3) so that nanocrystalline grains form in the amorphous or semi-crystalline band (3), and/or an inductive heating device designed to heat the amorphous or semi-crystalline strip (3) by inductive heating, and/or a heating coil spaced from the amorphous or semi-crystalline band (3) which is designed to heat the amorphous or semi-crystalline band (3) indirectly, so that nanocrystalline grains form in the amorphous or semi-crystalline band (3).
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