Nanokristalline Kerne für EMV, Stromwandler und Leistungstransformation

Es handelt sich um Metalllegierungen, die direkt aus der Schmelze als ca. 20 µm dicke Folie (Band) im so genannten Rascherstarrungsprozess gegossen werden. Durch das plötzliche Erkalten bleibt ein amorpher (glasartiger) Zustand erhalten. Einige Legierungen nutzt man bereits in diesem Zustand: amorphe Magnetmaterialien. Bei nanokristallinen Materialien wird durch eine nachfolgende Wärmebehandlung, teilweise im Magnetfeld, eine Nanostruktur mit Korngrößen von einigen Nanometern erzeugt, die hervorragende Magneteigenschaften bedingt: hohe Permeabilität, geringe Verluste, geringe Magnetostriktion. Zudem haben eisenbasierte nanokristalline und amorphe Materialien eine hohe Sättigungsinduktion von >1,2 T.

Das Band wird auf Breite geschnitten und zu ringförmigen Zylindern (Ringkernen) gewickelt. Bei Bedarf werden die Kerne mittels Schablonen in einer anderen Form (oval, rechteckig) fixiert. Es folgt eine Wärmebehandlung in Schutzatmosphäre, teilweise in einem Magnetfeld, wobei der Kern in der gewünschten Form entspannt wird und die Ziel-Magneteigenschaften eingestellt werden. Anschließend wird der Kern zum Schutz beschichtet oder in ein Gehäuse (Kerntrog) geklebt. Kerne können zur Stabilisierung auch imprägniert werden.

Das Faszinierende an nanokristallinem Material ist, dass man aus einem Material und vorgefertigten Rohkernen erst bei der Wärmebehandlung unterschiedlichste Eigenschaften einstellen kann und diese sogar später noch verändern kann. Es sind flache (lineare) Hystereseschleifen in einem Permeabilitätsbereich von wenigen 1000 bis ca. 200.000 möglich; runde Schleifen mit einer Maximalpermeabilität bis zu 600.000, und rechteckige Schleifen mit einer Remanenz von 90-97% der Sättigungsinduktion.

Aufgrund der um einen Faktor 3-4 höheren Sättigungsinduktion und der im Bereich bis ca. 200 kHz höheren Permeabilität als Ferrite sowie der hohen Temperaturresistenz (bis 200°C!) sind nanokristalline Kerne hervorragend geeignet für platzsparende und verlustarme Transformatoren im Frequenzbereich 5 – 100 kHz sowie platzsparende breitbandige Gleichtaktdrosseln (CMC). Bei FI-Kernen und Stromwandlern führt an nanokristallinen Kernen wegen der hohen Linearität sowohl bei hohen als auch niedrigen Permeabilitäten kein Weg vorbei. Und auch für Gegentaktdrosseln sind geschnittene nanokristalline Kerne unter bestimmten Bedingungen bestens geeignet. Kurz: überall dort, wo hohe Leistung oder Empfindlichkeit auf kleinstem Raum gefordert ist (Automobil-/Flugzeugbau, Installationstechnik, Robotik…), werden nanokristalline Kerne bevorzugt eingesetzt.

Hier wird es etwas komplexer – sprechen Sie zu Ihrer individuellen Anwendung die Spezialisten im Magnetic Products Technology Centre an. Die wichtigsten Aspekte in Kürze: Die Curietemperatur beträgt ca. 600°C, sodass die Sättigungsinduktion mit steigender Temperatur im interessanten Einsatzbereich nur moderat sinkt. Allerdings brechen die weichmagnetischen Eigenschaften bei ca. 230°C zusammen; dies ist auch für kurze Zeiten das absolute Maximum (zu beachten z.B. beim Umspritzen). Die Permeabilität ändert sich natürlich mit der Temperatur; je nach Permeabilitätsniveau und betrachtetem Parameter kann die Änderung positiv oder negativ sein. Für die Beurteilung der Langzeit-Stabilität bei höheren Temperaturen ist die Alterung relevant: Unter Einfluss von Temperatur und Magnetfeld werden die ursprünglich eingestellten Magneteigenschaften überschrieben, sodass diese wegdriften. Je stärker das Magnetfeld (Aussteuerung) des Kerns ist, je geringer die Anwendungsfrequenz, und je enger die erlaubten Toleranzen, desto kleiner ist die maximale Einsatztemperatur oder die kumulierte Temperatureinwirkung über Zeit. Z.B. wird die maximale Arbeitstemperatur für höchstpermeable, hochlineare FI-Kerne mit typisch engen Toleranzen mit 85°C oder 100°C angegeben; für stromkompensierte Drosseln im unteren Permeabilitätsbereich mit einem relevanten Frequenzbereich oberhalb einigen 10 kHz und ohne permanenten DC- oder Niederfrequenz-Bias sind dagegen 180°C oder sogar 200°C – bei entsprechendem Beschichtungs- oder Gehäusematerial – kein Problem.

Ja, es gibt einige Materialklassen, wobei sich für industrielle Anwendungen ein Material mit dem besten Kosten-Nutzen-Verhältnis praktisch als Standard durchgesetzt hat. Dieses wurde in den 80er Jahren unter dem Namen Finemet von Hitachi Metals entwickelt, wobei es heute eine unzählige Variantenvielfalt gibt. In der Produktlinie Acal BFi kOr bietet Acal BFi das Standardmaterial als kOr 120 an; Varianten optimiert für spezielle Anwendungen unter kOr 118, kOr 120HF, kOr 120LP und kOr 125. kOr 122 ist ein Material für niedrigere Permeabilitäten, und kOr 140 und kOr 170 neue Materialien mit höherer Sättigungsinduktion, die z.B. auch für Abschirmungen verwendet werden.

Magnetostriktion beschreibt die Wechselwirkung zwischen Magnetisierung und Volumen- oder Formänderung und hat bis auf spezielle Anwendungen negative Auswirkungen: das bekannteste Phänomen ist das Trafobrummen (bei Mittelfrequenztrafos eher ein Pfeifen); umgekehrt verändert Druck durch Montage oder Bewicklung die Magneteigenschaften und erhöht insbesondere die Verluste. Bei korrekter, auf das Bandmaterial genau abgestimmter Prozessführung kann mit Standardmaterial wie Acal BFi kOr 120 praktisch Magnetostriktionsfreiheit eingestellt werden. Nur so können höchste Permeabilitäten >100.000 überhaupt stabil realisiert werden.

Die Qualität von nanokristallinen Magnetkernen wird durch eine hohe Prozesssicherheit bei der Band- als auch Kernherstellung bestimmt. Weltweit gibt es nur wenige Bandhersteller, die eine gleichbleibende Qualität garantieren, und auf die seriöse Kernhersteller zurückgreifen. Um letztere zu identifizieren, sollte man sich nicht auf wenige Muster verlassen. Kurz: vergewissern Sie sich, ob ein Kernanbieter über langjährige Erfahrung bei der Massenproduktion von Kernen mit spezifischen Eigenschaften verfügt, in der Lage ist, kunden­spezifische Produkte anzubieten, und ob er eine stabile zuverlässige Quelle für das Bandmaterial hat. Acal BFi kOr verwendet Bandmaterial ausschließlich von stabilen und geprüften Partnern, mit denen wir eine lange Erfahrung haben.

Acal BFi bietet das magnetostriktionsfreie Standardmaterial als kOr 120 an, sowie auf bestimmte Anwendungen optimierte Varianten kOr 118 und kOr 122. Ringkerne und Schnittbandkerne sind in etablierten Standardabmessungen erhältlich. Die Vorteile dieses Materials entfalten sich aber erst durch kunden­spezifische Designs, womit sich ohne nennenswerte Mehrkosten Kerneigenschaften perfekt an die konkreten Anforderungen anpassen lassen. Acal BFi berät seine Kunden zu den Optimierungsoptionen und entwickelt kunden­spezifische Kerne hinsichtlich Form, Abmessungen, Permeabilität, Remanenz, Schnitten und Luftspalten, Schutzgehäusen, Beschichtungen etc.

Die Permeabilität µ eines Materials beschreibt seine Fähigkeit, magnetische Feldlinien zu konzentrieren. Eine hohe Permeabilität reduziert den magnetischen Widerstand und erhöht die Induktivität oder Impedanz eines Magnetkerns, was in Transformatoren, Gleichtaktdrosseln oder FI-Kernen genutzt wird. Allerdings nimmt die effektive Permeabilität mit steigender Frequenz ab, sodass bei HF-Anwendungen die Anfangspermeabilität kaum noch eine Rolle spielt und eher auf niedrige Verluste geachtet wird. Mit niedriger Permeabilität kann man dagegen hohe Sättigungsströme erzielen, was bei Gegentaktdrosseln und gleichstromsensitiven Stromwandlern vorteilhaft ist.

Imprägnierte Kerne können geschnitten werden, um durch den entstehenden Luftspalt die effektive Permeabilität zu verringern (auf 2500 – 10.000 je nach Schnittqualität) und eine Bewicklung auf Wickelkörpern zu ermöglichen. Größere Luftspalte können eingefügt werden, um die effektive Permeabilität exakt auf kleinere Werte einzustellen und die Sättigungsfestigkeit zu erhöhen. Dies verbessert zudem die Linearität in Anwendungen wie Gegentaktdrosseln und Flyback-Transformatoren im Vergleich zu Pulverkernen gleicher effektiver Permeabilität.

Nanokristalline und amorphe Kerne sind aus einer dünnen (ca. 20 µm) Metallfolie gewickelt, die besonders im nanokristallinen Zustand extrem spröde ist. Kerne sind deshalb nicht formstabil, scharfkantig und neigen zum Abbrechen von Splittern. Ohne Stabilisierung oder Umhüllung können sie nicht weiterverarbeitet, auch nicht transportiert werden. Für einen Schutz kommen in Betracht: Gehäuse, so genannte Tröge, aus Kunststoff, teilweise auch aus Metall; Epoxybeschichtung (Pulverbeschichtung); bei kleinen Kernen auch eine dünne Parylenebeschichtung. Kerne können zu ihrer Stabilisierung auch mit z.B. Epoxy imprägniert werden, dabei werden sie zu einem massiven, starren Körper, der je nach gewähltem Imprägniermaterial auch mechanisch bearbeitbar ist, als geschnitten oder gefräst werden kann. Um ihn bewickeln zu können, muss er wegen der scharfen Kanten allerdings zusätzlich bandagiert werden.

Beschichtete Kerne oder solche in Schutzgehäusen (Trögen) können direkt mit normalem Lackdraht bewickelt werden. Zur Trennung von Wicklungen in Transformatoren oder Gleichtaktdrosseln (stromkompensierten Drosseln, CMC) können Trennstege verwendet werden. Schnittbandkerne werden üblicherweise ohne Beschichtung geliefert, hier erfolgt die Bewicklung auf Wickelkörpern. Bei Gleichtaktdrosseln für hohe Ströme werden oft nur Kabel oder Stromschienen durch Ring- oder Ovalkerne geführt.