DE69834615T2

DE69834615T2 - Herstellungsverfahren für einen Magnetkern aus einer weichmagnetischen nanokristallinen Legierung und Anwendung in einem Differentialschutzschalter

Info

Publication number: DE69834615T2
Application number: DE69834615T
Authority: DE
Inventors: Georges Couderchon; Philippe Verin; Christian Caquard
Original assignee: Mecagis SNC
Current assignee: Mecagis SNC
Priority date: 1997-12-04
Filing date: 1998-11-13
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2018-11-14
Also published as: ES2262215T3; PL330100A1; PL186805B1; FR2772182B1; EP0921540B1; DE69834615D1; EP0921540A1; ATE327562T1; FR2772182A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetkern aus einer nanokristallinen weichmagnetischen Legierung, der insbesondere zur Herstellung eines Fehlerstromschutzschalters der Klasse AC verwendet werden kann.
Bei den Fehlerstromschutzschaltern der Klasse AC handelt es sich um Fehlerstromschutzschalter, die für sinusförmige Fehlerströme empfindlich sind. Sie weisen einen Magnetkern aus einer weichmagnetischen Legierung auf, bei dem zugleich eine hohe magnetische Permeabilität μ und eine sehr gute Temperaturstabilität dieser magnetischen Permeabilität gesucht wird. Bei der Größe des gegebenen Magnetkerns ist die Empfindlichkeit des Fehlerstromschutzschalters umso besser, je höher die magnetische Permeabilität ist; diese Permeabilität sollte im Betriebstemperaturbereich des Fehlerstromschutzschalters (im Allgemeinen von –25 °C bis +100 °C) stabil sein, um eine gute Betriebssicherheit zu erzielen.
Die Magnetkerne für Fehlerstromschutzschalter der Klasse AC werden aus einer weichmagnetischen Legierung des Typs FE-Ni 20–80 hergestellt, durch ein Glühen stabilisiert. Diese nachteilige gegenwärtige Technik ermöglicht nicht, auf betriebssichere Art und Weise maximale magnetische Impedanzpermeabilitäten μ_z von deutlich mehr als 300.000 zu erhalten, was die Möglichkeiten der Verkleinerung der Abmessung von Magnetkernen und folglich der Abmessung von Fehlerstromschutzschaltern einschränkt.
Die nanokristallinen weichmagnetischen Legierungen des Typs, der mehr als 60 Atom-% Eisen, Kupfer, Silicium, Bor und eines Elements, das aus Titan, Niob, Zirconium, Hafnium, Vanadium, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Mangan ausgewählt ist, umfasst, haben den Vorteil, dass sie ermöglichen, maximale magnetische Impedanzpermeabilitäten μ_z von deutlich mehr als 300.000 zu erhalten, was ermöglicht, Magnetkerne für Fehlerstromschutzschalter der Klasse AC mit deutlich reduzierter Abmessung herzustellen. Diese Magnetkerne werden erhalten, indem die Legierung in Form eines amorphen Bands gegossen wird, das aufgewickelt wird, um einen Ringkern auszubilden, anschließend einer thermischen Kristallisationsbehandlung unterzogen wird, die der Legierung eine nanokristalline Struktur verleihen soll. Die Magnetkerne dieses Typs weisen jedoch eine unzureichende Temperaturstabilität auf: Bei 100 °C liegt die magnetische Permeabilität unter mehr als 40 % der magnetischen Permeabilität bei 25 °C; sie können folglich nicht zur Herstellung von miniaturisierten Fehlerstromschutzschaltern verwendet werden.
EP 0563606 beschrieb einen Stromwandler für Fehlerstromschutzschalter der Art, die einen Ringkern aus einem Magnetkern umfasst, der aus einer Legierung auf Basis von weichmagnetischem Eisen implementiert werden kann, die zu mehr als 50 % aus feinen Kristallkörnern mit einer Größe von weniger als 100 nm besteht und zusätzlich zu einem Eisenanteil von mehr als 60 (Atom-%) 0,5 bis 2 % Kupfer, 2 bis 5 % mindestens eines der folgenden Metalle Niob, Wolfram, Tantal, Zirconium, Hafnium, Titan und/oder Molybdän, 5 bis 14 % Bor und 14 bis 17 % Silicium umfasst.
WO 96/33595 beschrieb einen Stromwandler, insbesondere für Differenzialschalter für Fehlerstrom, der für gepulste Ströme empfindlich ist, der Art, die einen Ringkern aus einem Magnetkern umfasst, der aus einer Legierung auf Basis von weichmagnetischem Eisen implementiert werden kann, die zu mehr als 50 % aus feinen Kristallkörnern mit einer Größe von weniger als 100 nm besteht und zusätzlich zu einem Eisenanteil von mehr als 60 % (Atom-%) 0,5 bis 2 % Kupfer, 2 bis 5 % mindestens eines der folgenden Metalle Niob, Wolfram, Tantal, Zirconium, Hafnium, Titan und/oder Molybdän, 5 bis 14 % Bor und 14 bis 17 % Silicium umfasst.
DE 4 019 636 beschrieb ein Verfahren zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften von amorphen ferromagnetischen Materialien, das darin besteht, diese kontinuierlich einem alternierenden Magnetfeld auszusetzen, dessen Frequenz von 50 bis 50 kHz beträgt, mit sinusförmiger, rechtwinkliger oder dreieckiger Form, und dessen Stromdichte von 10 bis 500 A/cm² beträgt.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, diesem Missstand abzuhelfen, indem ein Mittel zum Herstellen eines Magnetkerns bereitgestellt wird, der in einem Fehlerstromschutzschalter der Klasse AC mit reduzierten Abmessungen verwendet werden kann.
Zu diesem Zweck hat die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Magnetkerns aus einer nanokristallinen weichmagnetischen Legierung zur Aufgabe, deren chemische Zusammensetzung mehr als 60 Atom-% Eisen, 10 bis 20 Atom-% Silicium, 0,1 bis 2 Atom-% Kupfer, 5 bis 20 Atom-% Bor, 0,1 bis 10 Atom-% mindestens eines Elements, das aus Titan, Niob, Zirconium, Hafnium, Vanadium, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Mangan ausgewählt ist, sowie aus der Bearbeitung resultierende Verunreinigungen umfasst; wobei die Summe der Anteile von Silicium und Bor unter 30 Atom-% liegt; die nanokristalline Legierung durch eine thermische Kristallisationsbehandlung der Legierung im amorphen Zustand erhalten wird; der Magnetkern bei 50 Hertz und 25 °C eine maximale magnetische Impedanzpermeabilität μ_z von mehr als 350.000 aufweist, wobei diese maximale magnetische Impedanzpermeabilität μ_z sich bei einem Temperaturbereich von –25 °C bis +100 °C um weniger als 25 % verändert. Gemäß diesem Verfahren wird an dem Magnetkern eine thermische Behandlung in einem zur Achse des Kerns parallelen Magnetfeld bei einer Temperatur von 150 °C bis 400 °C durchgeführt, wobei das Magnetfeld in Form von Pulsen angewandt wird.
Vorzugsweise wird die thermische Behandlung in dem zur Achse des Kerns parallelen Magnetfeld bei einer Temperatur von 200 °C bis 350 °C durchgeführt.
Gleichfalls vorzugsweise umfasst die chemische Zusammensetzung der nanokristallinen weichmagnetischen Legierung 10 bis 17 Atom-% Silicium, 0,5 bis 1,5 Atom-% Kupfer, 5 bis 14 Atom-% Bor und 2 bis 4 Atom-% mindestens eines Elements, das aus Titan, Niob, Zirconium, Hafnium, Vanadium, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Mangan ausgewählt ist.
Vor dem Durchführen der thermischen Kristallisationsbehandlung der Legierung im amorphen Zustand wird an der Legierung im amorphen Zustand bei einer Temperatur, die unter der Temperatur des Beginns der Kristallisation der Legierung im amorphen Zustand liegt, eine thermische Relaxationsbehandlung durchgeführt. Beispielsweise kann die thermische Relaxationsbehandlung darin bestehen, während eines Zeitraums von 0,1 bis 10 Stunden eine Temperatur von 250 °C bis 480 °C aufrechtzuerhalten.
Der mittels dieses Verfahrens erhaltene Magnetkern wird vorteilhafterweise zur Herstellung eines Fehlerstromschutzschalters mit Eigenstrom der Klasse AC verwendet.
Die Erfindung wird nun genauer, jedoch nicht einschränkend, und durch Beispiele veranschaulicht beschrieben.
Um einen Magnetkern aus einer nanokristallinen weichmagnetischen Legierung herzustellen, wird die Legierung in Form eines amorphen Bands gegossen, anschließend wird ein Segment des Bands von geeigneter Länge derart um einen Spulenkern gewickelt, dass eine Ringkernspule mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt ausgebildet wird. Die Spule, die den Magnetkern bilden wird, wird dann einer thermischen Kristallisationsbehandlung unterzogen, die die amorphe Struktur destabilisieren und die Bildung von Kristallen, deren Größe weniger als 100 nm, sogar weniger als 20 nm beträgt, bewirken und auf diese Weise eine als „nanokristallin" bezeichnete Struktur ergeben soll. Diese Behandlung wird darauf mittels einer thermischen Behandlung in einem zu der Achse des Kerns parallelen Magnetfeld abgeschlossen. Die Legierung ist von der Art, die insbesondere in den europäischen Patentanmeldungen EP 0 271 657 und EP 0 299 498 beschrieben wurde. Sie besteht hauptsächlich aus Eisen in einem Anteil von mehr als 60 Atom-% und enthält weiterhin:

– 0,1 bis 2 Atom-% und vorzugsweise 0,5 bis 1,5 Atom-% Kupfer;
– 10 bis 20 Atom-% und vorzugsweise weniger als 17 Atom-% Silicium;
– 5 bis 20 Atom-% und vorzugsweise weniger als 14 Atom-% Bor;
– 0,1 bis 10 Atom-% mindestens eines Elements, das aus Titan, Niob, Zirconium, Hafnium, Vanadium, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Mangan ausgewählt ist; vorzugsweise 2 bis 4 Atom-% Niob.

Die Summe der Anteile von Silicium und Bor sollte vorzugsweise unter 30 Atom-% und noch besser unter 25 Atom-% bleiben.
Das Kristallisationsglühen besteht darin, eine Temperatur aufrechtzuerhalten, die über der Temperatur des Beginns der Kristallisation und unter der Temperatur des Beginns des Aufkommens von sekundären Phasen liegt, die die magnetischen Eigenschaften verschlechtern. Im Allgemeinen beträgt die Temperatur des Kristallisationsglühens von 500 °C bis 600 °C; sie kann jedoch für jedes Band optimiert werden, indem beispielsweise durch Versuche die Temperatur ermittelt wird, die die maximale magnetische Permeabilität herbeiführt.
Die in dem Magnetfeld durchgeführte thermische Behandlung wird bei einer Temperatur von 150 °C bis 400 °C und vorzugsweise von 200 °C bis 300 °C durchgeführt. Während des Aufrechterhaltens der Temperatur wird das Magnetform in Form einer Folge von Pulsen angewandt. Ein Puls entspricht einem Zeitabschnitt, während dem das angewandte Magnetfeld maximal ist, auf die ein Zeitabschnitt folgt, während dem das Magnetfeld nicht vorhanden oder sehr schwach ist (weniger als 10 des maximalen Magnetfelds, das während der Behandlung erreicht wird). Das während eines Zeitabschnitts angewandte Magnetfeld kann kontinuierlich oder alternierend sein, wobei es sich in diesem letzteren Fall bei der Intensität des Magnetfelds um die Spitzenintensität handelt (bei jedem Alternieren erreichte maximale Intensität). Die Intensität des Magnetfelds kann während des gesamten Zeitabschnitts des Anwendens des Felds konstant (Rechteckpulse) oder alternierend sein. Alle Pulse können dieselbe Intensität oder im Gegensatz dazu von einem Puls zum anderen eine alternierende Intensität aufweisen. Die thermische Behandlung kann zum Ende des Zeitabschnitts des Anwendens des Magnetfelds des letzten Pulses abgeschlossen werden; entscheidend ist, dass die Behandlung mindestens zwei Zeitabschnitte aufweist, während derer das Magnetfeld angewandt ist, die durch einen Zeitabschnitt voneinander getrennt sind, während dem das Magnetfeld nicht angewandt ist. Die Erfinder haben nämlich festgestellt, dass, wenn so vorgegangen wird, die Temperaturstabilität der magnetischen Eigenschaften des Magnetkerns sehr deutlich verbessert werden.
Mittels dieses Verfahrens erhält man einen Magnetkern, dessen maximale magnetische Impedanzpermeabilität μz bei 50 Hertz, bei einem alternierenden Erregermagnetfeld von 8 mA/cm (Spitzenwert), bei 25 °C mehr als 350.000, sogar 400.000 beträgt, wobei diese magnetische Permeabilität sich bei –25 °C bis +100 °C um weniger als 25 % verändert. Ein derartiger Magnetkern kann in einem Fehlerstromschutzschalter der Klasse AC verwendet werden. Aufgrund seiner starken magnetischen Permeabilität kann der Querschnitt des Kerns bei gleicher Empfindlichkeit des Schutzschalters im Vergleich zu dem Querschnitt eines Magnetkerns aus einer Fe-Ni-Legierung gemäß dem Stand der Technik deutlich reduziert werden.
Zusätzlich zu den thermischen Behandlungen, die beschrieben wurden, kann vor der thermischen Kristallisationsbehandlung an dem Kern eine thermische Relaxationsbehandlung bei einer Temperatur durchgeführt werden, die unter der Temperatur des Beginns der Kristallisation des amorphen Bands liegt und vorzugsweise von 250 °C bis 480 °C beträgt. Dieses Relaxationsglühen hat den Vorteil, außerdem die Empfindlichkeit der magnetischen Eigenschaften von Kernen gegenüber der Temperatur, die Streuung der magnetischen Eigenschaften von serienmäßig hergestellten Kernen und die Empfindlichkeit der magnetischen Eigenschaften gegenüber Beanspruchungen zu mindern.
Als Beispiel werden aus einem Band aus einer Fe_73,5Si_13,5BgCu₁Nb₃-Legierung (73,5 Atom-% Eisen, 13,5 Atom-% Silicium usw.) mit einer Dicke von 20 μm und einer Länge von 10 mm, das durch direktes Abschrecken auf einem gekühlten Rad erhalten wurde, drei Serien A, B, C von Magnetkernen hergestellt, die alle drei einer Kristallisationsbehandlung von 3 Stunden bei 530 °C (ohne Relaxationsbehandlung) unterzogen wurden. Zum Vergleich wurde die erste Serie A von Kernen keiner thermischen Behandlung in einem zur Achse des Kerns parallelen Magnetfeld unterzogen. Erfindungsgemäß wurden die zwei anderen Serien B und C einer thermischen Behandlung in einem zur Achse des Kerns parallelen Magnetfeld unterzogen, das in Form von Pulsen angewandt wird: 3 Zeitabschnitte von 5 Min. in dem Magnetfeld, die durch Zeitabschnitte von 15 Min. ohne Magnetfeld voneinander getrennt waren. Für eine der Serien, B, betrug die Behandlungstemperatur 200 °C und für die andere, C, betrug die Behandlungstemperatur 300 °C. An den drei Serien von Magnetkernen wird die maximale magnetische Impedanzpermeabilität μ_z, die bei 50 Hz in einem maximalen Erregerfeld von 8 mA/cm (Spitzenwert) bei 25 °C gemessen wurde, bei –25 °C, +80 °C und +100 °C gemessen, wobei das Verhältnis Δμ/μ die Veränderungen von μ_z in Bezug auf seinen Wert bei 25 °C darstellt. Die Ergebnisse waren die folgenden:
Diese Beispiele zeigen gut, dass, obgleich die Serie A eine hervorragende magnetische Permeabilität aufweist, ihre Temperaturstabilität unzureichend ist. Im Gegensatz dazu weisen die Beispiele B und C geringere, jedoch trotzdem sehr befriedigende Permeabilitäten auf und zeigen eine gute Temperaturstabilität der magnetischen Permeabilität vor.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Magnetkerns aus einer nanokristallinen weichmagnetischen Legierung, deren chemische Zusammensetzung mehr als 60 Atom-% Eisen, 10 bis 20 Atom-% Silicium, 0,1 bis 2 Atom-% Kupfer, 5 bis 20 Atom-% Bor, 0, 1 bis 10 Atom-% mindestens eines Elements, das aus Titan, Niob, Zirconium, Hafnium, Vanadium, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Mangan ausgewählt ist, sowie aus der Bearbeitung resultierende Verunreinigungen umfasst, wobei die Summe der Anteile von Silicium und Bor unter 30 Atom-% liegt und die nanokristalline Legierung durch eine thermische Kristallisationsbehandlung der Legierung im amorphen Zustand erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern bei 50 Hertz und 25 °C eine maximale magnetische Impedanzpermeabilität μ_z von mehr als 350.000 aufweist, wobei diese maximale magnetische Impedanzpermeabilität μ_z sich bei einem Temperaturbereich von –25 °C bis +100 °C um weniger als 25 % ändert, und dass an dem Magnetkern eine thermische Behandlung in einem zur Achse des Kerns parallelen Magnetfeld bei einer Temperatur von 150 °C bis 400 °C durchgeführt wird, wobei das Magnetfeld in Form von Pulsen angewandt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung in dem zur Achse des Kerns parallelen Magnetfeld bei einer Temperatur von 200 °C bis 350 °C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Zusammensetzung der nanokristallinen weichmagnetischen Legierung 10 bis 17 Atom-% Silicium, 0,5 bis 1,5 Atom-% Kupfer, 5 bis 14 Atom-% Bor und 2 bis 4 Atom-% mindestens eines Elements, das aus Titan, Niob, Zirconium, Hafnium, Vanadium, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Mangan ausgewählt ist, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Durchführen der thermischen Kristallisationsbehandlung der Legierung im amorphen Zustand an der Legierung im amorphen Zustand bei einer Temperatur, die unter der Temperatur des Beginns der Kristallisation der Legierung im amorphen Zustand liegt, eine thermische Relaxationsbehandlung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Relaxationsbehandlung darin besteht, während eines Zeitraums von 0,1 bis 10 Stunden eine Temperatur von 250 °C bis 480 °C aufrechtzuerhalten.
Magnetkern aus einer nanokristallinen weichmagnetischen Legierung, deren chemische Zusammensetzung mehr als 60 Atom-% Eisen, 10 bis 20 Atom-% Silicium, 0,1 bis 2 Atom-% Kupfer, 5 bis 20 Atom-% Bor, 0,1 bis 10 Atom-% mindestens eines Elements, das aus Titan, Niob, Zirconium, Hafnium, Vanadium, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Mangan ausgewählt ist, sowie aus der Bearbeitung resultierende Verunreinigungen umfasst, wobei die Summe der Anteile von Silicium und Bor unter 30 Atom-% liegt und die nanokristalline Legierung durch eine thermische Kristallisationsbehandlung der Legierung im amorphen Zustand erhalten werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern bei 50 Hertz und 25 °C eine maximale magnetische Impedanzpermeabilität μ_z von mehr als 350.000 aufweist, wobei diese Permeabilität sich bei einem Temperaturbereich von –25 °C bis +100 °C um weniger als 25 % ändert.
Verwendung eines Magnetkerns nach Anspruch 6 zur Herstellung eines Fehlerstromschutzschalters der Klasse AC.