Nanokristalline Magnetmaterialien in der ... - MAGNETEC GmbH

MAGNETEC
MAGNET-TECHNOLOGIE
Nanokristalline Magnetmaterialien in der modernen Leistungselektronik
Universell einsetzbarer weichmagnetischer Werkstoff erhöht die Leistungsdichte von induktiven
Bauelementen
Dr. Martin Ferch, MAGNETEC GmbH, Langenselbold
In den letzten Jahren erfuhren nanokristalline Magnetwerkstoffe zunehmende
Akzeptanz in der modernen Leistungselektronik. Neben der unumstrittenen
Leistungsfähigkeit dieser neuen Materialien liegt dies vor Allem an dem
mittlerweile günstigeren Preisniveau als Folge des Wettbewerbs durch die
gestiegene Anzahl von Anbietern weltweit.
Charakterisierung und Eigenschaften
Die weichmagnetische nanokristalline Legierung Fe73,5Cu1Nb3Si15,5B7 ist seit einigen Jahren
am Markt erhältlich unter Markennamen wie FINEMET, VITROPERM oder NANOPERM. In
einem im Prinzip relativ einfachen aber revolutionären Produktionsverfahren werden auf der
Basis von kostengünstigen Vormaterialien wie Silizium und Eisen zunächst extrem dünne
Bänder hergestellt. Das Ergebnis ist eine neue Materialgeneration mit einer bisher nicht
gekannten Kombination von exzellenten weichmagnetischen Eigenschaften. Erstmals
liegen damit annähernd die hohe Aussteuerbarkeit von Siliziumeisen (‚Trafoblech’) und
noch bessere Hochfrequenzeigenschaften als die der Ferrite (niedrige Verluste und hohe
Permeabilität) in einem einzigen Material vereint vor. Diese nanokristalline Legierung
zeichnet sich darüber hinaus durch ein wesentlich besseres Preis-Leistungsverhältnis aus,
als die Ende der 80er Jahre epochemachenden amorphen Co-Legierungen mit in etwa
vergleichbaren Eigenschaften. Diese werden heute wegen der hohen Kosten und aus
Gründen der Umweltverträglichkeit nur noch vereinzelt in Spezialanwendungen eingesetzt.
Materialfamilie
Legierungszusammensetzung
Verluste
(20kHz,
200mT)
[W/kg]
Sättigung
Bsat
[mT]
Magnetostriktion
λs [10 -6 ]
Permeabilität
(50Hz)
μ 4 - μmax
max.
Betriebs-
Temp. [°C]
kornorientiertes Trafoblech Fe97Si3 > 1.000 2.000 9 2.000-35.000 ~ 120
kristalline Standardqualität I Ni45Fe55 > 150 1.550 25 12.000 – 80.000 130
kristalline Standardqualität II Ni54Fe46 > 100 1.500 25 60.000-125.000 130
Spezial-Siliziumeisen Fe93,5Si6,5 40 1.300 0,1 16.000 –23.000 130
Fe-amorphe Legierungen Fe76(Si,B)24 18 1.560 27 6.500 – 8.000 150
Hochleistungs-Ferrit MnZn 17 500 21 1.500 – 15.000 100/120
hochwertige kristalline Qualität Ni80Fe20 > 15 800 1 150.000-300.000 130
Co-amorphe Legierung a Co73(Si,B)27 5 550 < 0,2 100.000-150.000 90/120
Co-amorphe Legierung b Co77(Si,B)23 5,5 820 < 0,2 2.000 – 4.500 120
Co-amorphe Legierung c Co80(Si,B)20 6,5 1.000 < 0,2 1.000 – 2.500 120
Nanokristalline Legierung I FeCuNbSiB 4,0 1.230 0,1 20.000-200.000 120/180
Nanokristalline Legierung II FeCuNbSiB 4,5 1.350 +2,3 20.000-200.000 120/180
Nanokristalline Legierung III FeCuNbSiB 8,0 1.450 +5,5 ~ 100.000 120/180
Tabelle
Vergleich der wichtigsten Eigenschaften verfügbarer weichmagnetischer Materialien (Richtwerte)

High-Tech bei der Herstellung
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Beim Herstellprozess, dem sog. Rascherstarrungsverfahren, wird eine 50-200 kg umfassende
metallische Schmelze mit einer Temperatur von ungefähr 1.300°C durch eine speziell
geformte Keramik-Düse direkt auf ein schnell rotierendes, wassergekühltes Kupferrad
gegossen. Dabei wird das flüssige Metall innerhalb von einer Tausendstel Sekunde erstarrt.
So entsteht ein kontinuierliches, zunächst amorphes nur ca. 20 μm dünnes Metallband,
welches mit einer Geschwindigkeit von über 100 km/h aus der Schmelze extrahiert wird. Mit
anderen Worten wird diese Lieferform bereits in quasi einem einzigen Prozessschritt – ohne
kostspieliges Kalt – oder Warmwalzen - mit einer verhältnismäßig kompakten Anlage erzielt.
Anschließend werden die aus dem Bandmaterial hergestellten Ringbandkerne einer Glühung
unter Schutzgas in Anwesenheit von längs- und/oder quer zur Bandrichtung orientierten
Magnetfeldern unterzogen. Erst während dieser irreversiblen Wärmebehandlung formt sich die
ursprünglich amorphe Materialstruktur zu mikroskopischen Kristalliten mit typischen
Korngrößen um 10 nm – daher die Bezeichnung ‚nanokristallin’. Durch präzise kontrollierte
Variation der Wärmebehandlungsparameter (Temperatur, Zeit, Aufheiz- oder Abkühlrate)
können die geforderten Eigenschaften (z.B. Form der Hystereseschleife oder das
Permeabilitätsniveau) in weiten Bereichen variiert und gezielt eingestellt werden
Anwendervorteile und Einsatzgebiete
Das anfänglich noch relativ ungünstige Preis-Leistungsverhältnis des neuen Materials wird im
Vergleich zu etablierten kristallinen Legierungen oder Ferriten zunehmend wettbewerbsfähig.
Unabhängig von der Applikation ergeben sich dabei die folgenden Anwendervorteile bei der
Verwendung von nanokristallinen Magnetkernen bei der Auslegung von induktiven
Bauelementen:
• wesentlich kleinere Bauformen (Faktor 3 und mehr)
• deutlich geringeres Gewicht
• reduzierte Kupferverluste durch geringere Windungszahlen
• erweiterter Temperaturbereich von –25 ... + 120°C (Standard) / 180°C (Spezial)
• größere Reserven und stabilerer Betrieb, hohe Robustheit
•
Der aktuelle Trend in der Leistungselektronik geht in Richtung zu höheren Frequenzen und
kompakteren Bauformen bzw. höherer Leistungsdichte. Als Folge dieser Umstände stieg die
Zahl der realisierten Anwendungen der industriellen Leistungselektronik mit nanokristallinen
Kernen und damit der Bedarf in den letzten Jahren stetig an und wächst kontinuierlich weiter.
Unterschiedlichste Kerne, Transformatoren und Drosselspulen werden eingesetzt für:
• EMV-Filter für Frequenzumrichter und alle Arten von Schaltnetzteilen
• netzunabhängige Fehlerstromschutzschalter (Auslösetransformatoren für Schutzrelais)
• elektronische Energiezähler (potentialfreie Präzisionserfassung von Strom/Spannung)
• Stromversorgungen für die Kfz-Industrie (z.B. DC/DC Konverter im 42V Bordnetz)
• neuartige Systeme für die Kfz-Industrie (u.a. vollelektrische Lenkhilfen)
• elektrische Schweißstromquellen
• induktive Erwärmung
• Röntgengeneratoren für die Medizintechnik
• Solarwechselrichter
• Batterieladegeräte, Bordnetzumrichter und Triebköpfe für die Bahntechnik
• u.v.a.m.

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Eine der Hauptanwendungen für das neue Material sind stromkompensierte Drosseln für
EMV-Filter für jegliche Art von getakteten Stromversorgungen inklusive drehzahlveränderliche
Antriebe (Frequenzumrichter). Hier ergibt sich ein besonders ausgeprägter Bauvolumenvorteil,
da beide relevanten Materialeigenschaften (Permeabilität und Sättigungsinduktion) um
Faktoren höher liegen als die der hier üblicherweise eingesetzten Ferrite (siehe Tabelle).
Weitere wichtige realisierte Anwendungen sind Leistungstransformatoren von Schaltnetzteile
für den Leistungsbereich von einigen 100W bis hin zu mehreren 100kW,
Strombegrenzungskerne, Transduktordrosseln, Ansteuerübertrager für IGBT-Transistoren,
netzunabhängige FI-Schalter oder Transformatoren für die neuen elektronischen
Energiezähler. Weitere werden folgen – besonders im Zusammenhang mit ständig
weiterentwickelten Schaltungstopologien oder den gegenwärtig entwickelten neuen Systemen
der Automobilindustrie.
Verfügbare Produkte
Nanokristalline Kerne sind erhältlich in Form von Ringbandkernen oder Ovalkernen. Das
Material ist spröde und daher ist unbedingt ein Schutz vor mechanischen Einflüssen
erforderlich. Dieser kann entweder in Form eines Kunststoff-Schutztroges oder mit geeigneter
wärmebeständiger Beschichtung realisiert werden. Im Lieferzustand sind die Kerne dann sehr
robust und die wesentlichen Materialeigenschaften sind höchst linear und zeigen eine relativ
geringe Temperaturabhängigkeit.
Einerseits sind durch die Bindung an Bandmaterial hinsichtlich der Kerngeometrien Grenzen
gesetzt. Andererseits jedoch sind an die jeweilige Anwendung angepasste Änderungen der
Ringkerngeometrie leicht und ohne aufwendige Werkzeuge jederzeit möglich. Die aktuell
verfügbaren Kerngeometrien umfassen einen Außendurchmesserbereich von ca. 10 – 300
mm. Grundsätzlich sind auch Kerne mit Luftspalten oder Schnittbandkerne möglich, jedoch
werden diese aus fertigungstechnischen Gründen noch nicht standardmäßig angeboten.
Weitere Informationen unter: http://www.magnetec.de/ 15. 04. 2003