Zur Erfassung des Energieverbrauchs elektrischer Geräte und Anlagen in Industrie und Haushalt werden Energiezähler einge- setzt. Das älteste dabei gebräuchliche Prinzip ist das des Ferraris-Zählers. Der Ferraris-Zähler basiert auf der Ener- giezählung über die Rotation einer mit einem mechanischen Zählwerk verbunden Scheibe, die durch die strom-bzw. span- nungsproportionalen Felder entsprechender Feldspulen ange- trieben wird. Für die Erweiterung der Funktionsmöglichkeiten von Energiezählern wie z. B. für Mehrtarifbetrieb oder Fern- ablesung werden elektronische Energiezähler eingesetzt, bei denen die Strom-und Spannungserfassung über induktive Strom- und Spannungswandler erfolgt. Die Ausgangssignale dieser Wandler werden digitalisiert, phasenrichtig multipliziert, integriert und gespeichert. Das Ergebnis ist eine elektrische Größe, die unter anderem für eine Fernablesung zur Verfügung steht.

Die zur Energiezählung in industriellen Anwendungen einge- setzten elektronischen Energiezähler arbeiten wegen der oft sehr hohen Ströme, d. h. Ströme die mehr als 100 A betragen, indirekt. Es sind den Stromeingängen spezielle Stromwandler vorgeschaltet, so daß nur rein bipolare, nullsymmetrische Wechselströme im Zähler selbst gemessen werden müssen. Dazu dienen Stromwandler, die mit Wandlerkernen aus hochpermeablen Werkstoffen aufgebaut sind und zur Erreichung geringer Meß- fehler aber einen kleinen Phasenfehler mit sehr vielen Sekun-

därwindungen, d. h. typischerweise mehr als 2500 Sekundärwin- dungen bei einer Primärwindung von 1, ausgestattet sein müs- sen. Für den Einsatz in Haushaltszählern, die auch in indu- striellen Kleinanlagen einsetzbar sind, sind diese nicht ge- eignet, da die durch moderne Halbleiterschaltungen, z. B.

Gleichrichterschaltungen oder Phasenanschnittschaltungen, er- zeugten nicht nullsymmetrischen Stromverläufe einen Gleich- stromanteil enthalten, der diese Stromwandler magnetisch sät- tigt und damit die Energiezählung verfälscht.

Für die Abbildung solcher Ströme sind Stromwandler bekannt, die auf Basis offener bzw. mit mechanisch eingebrachten Luftspalten gescherter und dadurch niederpermeabler Magnet- kreise arbeiten. Da die Anforderungen an die Störsicherheit solcher Stromwandler jedoch sehr hoch sein müssen, um eine eichfähige Energiezählung zu ermöglichen, sind diese Kon- struktionen mit aufwendigen Abschirmungen gegen äußere Felder ausgestattet, die material-und montageintensiv und daher für eine breite Anwendungen im Haushaltsbereich ökonomisch ungün- stig sind.

Eine weitere bekannte Möglichkeit zur Realisierung ist die Verwendung von Stromwandlern mit verhältnismäßig niederper- meablen Wandlerkernen, d. h. Wandlerkerne, die eine Permeabi- lität ß ~ 2000 aufweisen. Durch eine solche Permeabilitat wird eine Sättigung mit kleinen Gleichstromanteilen vermie- den. Schwierig ist bei diesen Typen von Stromwandlern die Ba- lance zwischen dem höchsten unverfälscht übertragbaren Effek- tivwert des zu messenden bipolaren nullsymmetrischen Sinus- stroms und der höchsten unverfälscht übertragbaren Amplitude eines unipolaren halbwellengleichgerichteten Sinusstroms. Aus der hierfür maßgeblichen internationalen Norm IEC1036 ist ein Verhältnis dieser beiden Größen von 1 : 1 ableitbar.

Um dieses Verhältnis zu erreichen, ist eine möglichst niedri- ge Permeabilität erforderlich, die bei der Verwendung hand- habbarer Windungszahlen aber das Auftreten eines hohen Pha-

senfehlers zwischen Primär-und Sekundärstrom zur Folge hat.

Da dieser im Energiezähler kompensiert werden muß, ist eine entsprechende elektronische Schaltung erforderlich.

In bisher bekannten Ausführungen von Stromwandlern ist der Kompensationsbereich auf einen Phasenfehler von 5° be- schränkt. Bei der Konstruktion führt dieses dazu, daß der höchste übertragbare Effektivwert weit überdimensioniert wer- den muß. Es treten Verhältnisse 3-4 : 1 auf. Dies führt zu einer sehr schlechten Materialausnutzung und somit zu sehr hohen Herstellkosten.

Des Weiteren ist es erforderlich, daß eine sehr hohe Lineari- tät dieses Phasenfehlers aber den gesamten zu übertragenden Stormbereich eingehalten wird, um die Aufwendungen für die Kompensation möglichst gering zu halten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Strom- wandler für Wechselstrom mit Gleichstromanteilen der eingangs genannten Art dahingehend auszubilden, daß er eine hohe Aus- steuerbarkeit gleichermaßen mit Wechselstrom und Gleichstrom- komponenten aufweist.

Des Weiteren soll er zur genauen Stromerfassung aber einen weiten Strombereich eine hohe Linearität des Übersetzungsver- hältnisses aufweisen.

Ferner soll er eine hohe Immunität gegenüber externen Fremd- magnetfeldern ohne zusätzliche Abschirmmaßnahmen zeigen, so daß er mit einfachen Mitteln, insbesondere mit geringen Wand- lerkernmassen und Windungszahlen, preiswert herstellbar und insbesondere zur Erfassung des Energieverbrauchs elektrischer Geräte und Anlagen im Haushalt einsetzbar sein soll.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Stromwandler für Wechselstrom mit Gleichstromanteilen, bestehend aus zumindest einem Wandlerkern mit einer Primärwicklung und zumindest ei-

ner Sekundärwicklung, zu der ein Bürdenwiderstand parallel geschaltet ist und den Sekundärstrom niederohmig abschließt, gelöst, welcher dadurch gekennzeichnet ist, - daß als Wandlerkern ein geschlossener, luftspaltloser Ring- kern aus einem Band (Ringbandkern) aus einer amorphen, fer- romagnetischen Legierung vorgesehen ist, -daß die amorphe ferromagnetische Legierung einen Magneto- striktionswert |#S| < 0, 5 ppm sowie eine Permeabilität ß < 1400 aufweist, und -daß die Legierung eine Zusammensetzung aufweist, die im we- sentlichen aus der Formel Coa (Fel-XMnX) bNicXdSieBfCg besteht, worin X zumindest eines der Elemente V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ge und P ist, a-g in Atom% angegeben sind und wobei a, b, c, d, e, f, g und x die folgenden Bedingungen erfüllen : 40 < a < 82 ; 2 # b # 10 ; 0 < c < 30 ; 0 # d # 5 ; 0 0 < e < 15 ; 7 f f < 26 ; 0 : g < 3 ; mit 15 d + e + f + g < 30 und 0 < x < 1.

Durch diese Maßnahmen wird ein Stromwandler bereitgestellt, der eine exzellente Aussteuerbarkeit gleichermaßen mit Wech- selstrom-und Gleichstromkomponenten aufweist.

Er zeichnet sich ferner durch eine hohe Linearität des Über- setzungsverhältnisses aus, so daß eine genaue Stromerfassung über einen sehr weiten Strombereich gewährleistet ist. Durch seine luftspaltlose Konstruktion weist er des Weiteren eine hohe Immunität gegenüber externen Fremdmagnetfeldern auf, so daß keine zusätzlichen Abschirmmaßnahmen nötig sind. Durch die erfindungsgemäßen Legierungssysteme können sehr geringe Wandlerkernmassen erzielt werden.

Bei einer Primärwindungszahl von n1 = 1 können Stromwandler bereitgestellt werden, die mit einer Sekundärwindungszahl von

ungefähr 1500 auskommen. Insgesamt läßt sich nach der Erfin- dung ein gleichstromtoleranter Stromwandler herstellen, der äußerst preiswert herstellbar ist und für die eingangs ge- nannten Anwendungen in Industrie und Haushalt hervorragend geeignet ist.

Besonders gute Stromwandler lassen sich durch die Verwendung von amorphen, ferromagnetischen Legierungen verwirklichen, die einen Magnetostriktionswert |AS| < 0, 1 ppm sowie eine Permeabiltität µ < 1200 aufweisen, wobei die Legierung eine Zusammensetzung aufweist, die im wesentlichen aus der Formel Coa (Fel-XMnX) bNicXdSieBfCg besteht, worin X zumindest eines der Elemente, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ge und P ist, a-g in Atom% angegeben sind und wobei a, b, c, d, e, f, g und x die folgenden Bedingungen erfüllen : 50 < 75 ; 3 < 75 ; 20 c < 25 ; 20 # d # 3 ; 2 < 12 ; 8 f < 20 ; 0 < g < 3 mit 17 < d + e + f + g # 25 und und x : 5 0, 5.

Die obengenannten Legierungssysteme zeichnen sich durch li- neare, flache B-H-Schleifen auf bis zu einem Wert von H = 1 A/cm oder höher. Das erfindungsgemäße Legierungssystem ist nahezu magnetostriktionsfrei. Die Magnetostriktion wird vor- zugsweise durch eine Wärmebehandlung eingestellt, wobei die eigentliche Sättigungsmagnetostriktion durch eine Feinein- stellung des Eisen und/oder Mangan-Gehalts erreicht wird. Die Sättigungsmagnetisierung Bs von 0, 7 Tesla bis 1, 2 Tesla wird durch eine Feinabstimmung des Nickel-und des Glasbildner- Gehalts ermöglicht. Unter Glasbildner versteht man hier X, Silizium, Bor und Kohlenstoff.

Als besonders geeignet haben sich in dem erfindungsgemäßen amorphen, ferromagnetischen Kobaltbasislegierungssystem sol- che Legierungen erwiesen, bei denen die Parameter a + b + c > 77 mit c # 20 eingestellt sind. Dadurch können leicht Sätti-

gungsmagnetisierungen Bs von 0, 85 Tesla oder höher erreicht werden.

Die Permeabilität von weniger als 1400 baut auf dem physika- lischen Zusammenhang auf, daß die Permeabilität ß umgekehrt proportional zur uniaxialen Anisotropie Ku ist. Die uniaxiale Anisotropie Ku kann über eine Wärmebehandlung in einem trans- versalen Magnetfeld eingestellt werden. Je höher der Gehalt an Kobalt, Mangan, Eisen und Nickel ist, desto höher läßt sich die uniaxiale Anisotropie Ku einstellen. Der Nickelge- halt übt dabei einen besonders starken Einfluß auf die unia- xiale Anisotropie Ku aus.

Für das Erreichen einer niedrigen Permeabilität hat sich als günstiger Bereich der Banddicke des Ringbandkernes eine Dicke d < vorzugsweise gm, vorzugsweise 26 µm erwiesen.

Um eine möglichst lineare flache B-H-Schleife zu erreichen, hat sich eine Banddicke des Ringbandkernes d 2 17 ßm erwie- sen. Bei den erfindungsgemäßen Legierungen läßt sich hier- durch der oberflächenbedingte Anteil der Störanisotrpien überraschend stark absenken.

Typischerweise weist das Band des Ringbandkernes zumindest an einer Oberfläche eine elektrisch isolierende Schicht auf. In einer anderen Ausführungsform weist der gesamte Ringkern eine elektrisch isolierende Schicht auf. Dadurch werden besonders niedrige Permeabilitäten erzielt und auch die Linearität der B-H-Schleifen wird nochmals verbessert. Bei der Auswahl des elektrisch isolierenden Mediums ist darauf zu achten, daß dieses einerseits auf der Bandoberfläche gut haftet, anderer- seits jedoch keine Oberflächenreaktionen verursacht, die zu einer Schädigung der magnetischen Eigenschaften führen würde.

Bei den erfindungsgemäßen Legierungen haben sich Oxide, Acry- late, Phosphate, Silikate und Chromate der Elemente Kalzium, Magnesium, Aluminium, Titan, Zirkonium, Hafnium und Silizium

als besonders wirkungsvolle und verträgliche elektrisch iso- lierende Medien herausgestellt.

Besonders effektiv und wirtschaftliche ist dabei Magnesiu- moxid, welches als flüssiges magnesiumhaltiges Vorprodukt auf die Bandoberfläche aufgebracht werden kann und sich während einer speziellen gesonderten, die Legierung nicht beeinflus- senden Wärmebehandlung in eine dichte magnesiumhaltige Schicht umwandelt, deren Dicke D zwischen 25 nm und 400 nm liegt. Bei der eigentlichen Wärmebehandlung im transversalen Magnetfeld entsteht dann eine gut haftende, chemisch inerte, elektrisch isolierende Magnesiumoxidschicht.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschau- licht und im nachstehenden im Einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen : Figur 1 ein Ersatzschaltbild eines Stromwandlers und die Be- reiche der technischen Daten, wie sie in verschiede- nen Anwendungen auftreten können, Figur 2 Magnetfelder im Stromwandler ohne Berücksichtigung von Kernverlusten, Figur 3 ein Oszillogramm des Sekundärstroms eines Stromwand- lers bei halbwellengleichgerichteten Primärstrom, Figur 4 die Permeabilität in Abhängigkeit der Induktionsam- plitude, Figur 5 die Permeabilitätsänderung in Abhängigkeit der Tempe- ratur, Figur 6 die Permeabilitätsänderung in Abhängigkeit einer Aus- lagerungsdauer von erfindungsgemäßen Legierungen,

Figur 7 ein Diagramm mit einer möglichen Temperaturführung während der Wärmebehandlung, und Figur 8 einen Schnitt durch die Oberfläche eines Körpers des- sen Rauhtiefe bestimmt werden soll.

Figur 1 zeigt die prinzipielle Schaltung eines Stromwandlers 1. Auf einem Wandlerkern 4, der aus einem Ringbandkern aufge- baut ist, befindet sich die Primärwicklung 2, die den zu mes- senden Strom iprim führt, und eine Sekundärwicklung 3, die den Meßstrom isek führt. Der Sekundärstrom isek stellt sich automatisch so ein, daß die Amperwindungen primär und sekun- där im Idealfall gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sind.

Der Strom in der Sekundärwicklung 3 stellt sich dann nach dem Induktionsgesetz so ein, daß er die Ursache seiner Entste- hung, nämlich die zeitliche Änderung des magnetischen Flusses im Wandlerkern 4, zu hindern versucht.

Im idealen Stromwandler ist daher der Sekundärstrom, multi- pliziert mit dem Verhältnis der Windungszahlen, negativ gleich dem Primärstrom, was durch Gleichung (1) veranschau- licht wird : I r *A//A/ * prim sec Dieser Idealfall wird wegen der Verluste im Bürdenwiderstand 5, im Kupferwiderstand 6 der Sekundärwicklung und im Wandler- kern 4 nie erreicht.

Im realen Stromwandler weist daher der Sekundärstrom gegen- über der obigen Idealisierung einen Amplitudenfehler und ei- nen Phasenfehler auf, was durch Gleichung (2) beschrieben wird :

I real _ | ideal F (l) sec sec Phasenfehler : (p = o (jr6al sec Ein wichtiger Anwendungsbereich von Stromwandlern sind elek- tronische Energiezähler in Niederspannungswechselstromnetzen mit einer Netzfrequenz von 50 bzw. 60 Hertz. Die Auswer- teelektronik in solchen Zählern bildet das Produkt aus Strom und Spannung zu jedem Zeitpunkt und errechnet daraus die elektrische Leistung bzw. den Energieverbrauch.

Sehr häufig treten in Wechselstromnetzen induktive Lasten auf, z. B. durch Transformatoren oder Motoren. Sind solche induktiven Lasten im Leerlauf, so ist die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung nahezu 90°. Die elektrische Wirkleistung ist demnach nahezu 0. In dieser Situation geht der Phasenfehler des Stromwandlers besonders kritisch in die Energiezählung ein. Aus diesem Grund ist es wichtig, entweder einen möglichst geringen Phasenfehler, typischerweise einen Phasenfehler ç < 0, 2°, zu erreichen, oder einen über den Strommeßbereich möglichst konstanten und damit leicht kompen- sierbaren höheren Phasenfehler zu erreichen.

Im idealen Stromwandler heben sich gemäß der Gleichung (1) die Magnetfelder H von Primärstrom und Sekundärstrom gerade auf. Demnach würde der Wandlerkern 4 keine magnetische Aus- steuerung erfahren. Auch im realen Stromwandler kompensieren sich die beiden Felder noch nahezu, so daß die magnetische Aussteuerung des Wandlerkerns 4 im Verhältnis zum Magnetfeld des Primärstroms sehr klein ist. Diese Zusammenhänge sind in der Figur 2 veranschaulicht. Je geringer die Übertragungsfeh- ler des Stromwandlers sind, um so geringer ist die magneti- sche Aussteuerung des Wandlerkerns 4 im Verhältnis zum Ma- gnetfeld des Primärstroms. Damit geht einher, daß ein guter Stromwandler auch extrem hohe Ströme im Verhältnis zur Sätti- gungsfeldstärke des sekundärseitig nicht abgeschlossenen Wandlerkerns 4 übertragen kann.

Die wichtigste Kenngröße eines Stromwandlers 1 ist das Ver- hältnis aus ohmschen Widerstand im Sekundärkreis zum indukti- ven Widerstand der Sekundärwicklung, was aus der Gleichung (3) hervorgeht : R Q = # # tan # (typisch Q = 1/100... 1/500) (3) cal Dieser Gütefaktor Q des Stromwandlers 1, der in erster Nähe- rung den Phasenfehler bestimmt, soll möglichst klein sein. Er bestimmt ebenfalls das Verhältnis von magnetischer Aussteue- rung B des Wandlerkerns 4 zum Magnetfeld Hprim des Primär- stroms, was durch die Gleichung (4) veranschaulicht ist : <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> R<BR> <BR> <BR> <BR> Q = ### # ######## mit jeweils R=RCu+RR, #2###f, H=N#L/Lfe (4)<BR> # # L µµ0#prim Für eine detailliertere Betrachtung müssen die Verluste im Wandlerkern 4 mitberücksichtigt werden. Die Kernverluste sind abhängig von Materialeigenschaften des Wandlerkerns 4, d. h. bei Ringbandkernen aus dem Werkstoff, der Banddicke und ande- ren Parametern. Sie lassen sich beschreiben durch einen zwei- ten Phasenwinkel 8. Der zweite Phasenwinkel 8 entspricht der Phasenverschiebung zwischen B und H im Wandlerkern 4 aufgrund der Kernverluste. Die vollständigen Beziehungen für die Kenn- größen des Stromwandlers 1 gehen aus den Gleichungen (5), die den Phasenfehler beschreibt, und (6), die den Amplitudenfeh- ler beschreibt, hervor : Phasenfehler : Amplitudenfehler F (1) =-- sind (6) LFe=Eisen-Weglänge (mittl. Umfang) AFe= Eisen-Querschnitt des Ringkerns

Die Eigenschaften des Kernwerkstoffs sind darin über die re- lative Permeabilität ß und den Verlustwinkel 8 bzw. den Ver- lustfaktor tan # enthalten. Diese Werkstoffeigenschaften sind stark abhängig von der magnetischen Aussteuerung B des Wand- lerkerns und damit vom Primärstrom. Dies ist die Ursache für die Nichtlinearität der Wandlerkennlinien.

Sehr oft wird für elektrische Energiezähler, die zu Abrech- nungszwecken im Haushaltsbereich eingesetzt werden, eine so- genannte Gleichstromtoleranz gefordert. Damit ist kein echter Gleichstrom gemeint, sondern ein asymmetrischer Wechselstrom, wie er z. B. durch eine Diode im Verbraucherstromkreis ent- stehen kann.

Die internationale Norm IEC1036 fordert die Funktionsfähig- keit des Stromzählers, allerdings mit eingeschränkter Genau- igkeit, auch noch bei vollständig halbwellengleichgerichteten Wechselstrom. Das entspricht einer Situation, in der der kom- plette Primärstrom über eine Diode geleitet wird.

Die Figur 3 zeigt ein Oszillogramm des Primärstroms, des Se- kundärstroms eines Stromwandlers und der Flußdichte B in ei- nem Wandlerkern für einen halbwellengleichgerichteten Primär- strom. Wie man sieht, steigt die Flußdichte B im Wandlern mit jeder Halbwelle stufenförmig an bis der Wandlerkern in die Sättigung geht.

Die Auswirkung einer solchen Stromform auf dem Wandler läßt sich anhand von Figur 3 beschreiben : Während einer halben Periode wird die Flußdichte im Wandler- kern um den Wert : R #B1 = 2B = 2R/W.L. µµ0Hprim erhöht. Bei Ansteuerung mit einem symmetrischen Wechselstrom wird exakt die gleiche Flußdichte während der nächsten halben

Periode wieder abgebaut. Fehlt nun während dieser zweiten halben Periode die treibende Kraft des Primärstroms, so kann sich der Fluß im Kern nur sehr langsam abbauen. Dieser Abbau geschieht nach einem Exponentialgesetz : B (l-exp (-l/-)) (8) mit der Zeitkonstante T=L/R der Sekundärwicklung Diese Zeitkonstante ist genau dann groß, wenn der Wandler ge- mäß der Gleichung (3) eine hohe Güte aufweist. Sie liegt bei guten Stromwandlern im Sekundenbereich. Beim Startwert Bp wird während der Dauer einer Periode T = 1/f = 2 s/@ durch dieses entladen näherungsweise die Flußdichte R #B2 = B0#2#.R/W.L (9) abgebaut, die zunächst klein gegenüber AB1 ist.

D. h., die nächste Periode startet bereits mit einer erhöhten Flußdichte im Kern, so daß der Kern von Periode zu Periode eine höhere magnetische Flußdichte Bp annimmt. Die sich im Gleichgewichtszustand einstellende mittlere Flußdichte er- rechnet sich durch Gleichsetzen der Gleichung (7) und (9) zu : Wenn der Gleichgewichtswert B noch im linearen Bereich der Magnetisierungskurve des Wandlerkerns liegt, wird auch der halbwellengleichgerichtete Strom noch ohne erhöhten Fehler übertragen. Dies ist jedoch bei sehr kleiner Stromamplitude der Fall. Bei höherem Strom gerät der Wandlerkern in den Übergangsbereich zur Sättigung. Dort nimmt die Permeabilität rasch ab, so daß sich ein Gleichgewichtszustand im Knick der Magnetisierungskurve mit stark erhöhtem Fehler bis hin zur vollständigen Übersteuerung einstellt.

Mit Wandlerkernen aus kristallinen Legierungen und aus Ferri- ten gibt es keine sinnvolle Lösung für dieses Problem.

Hervorragende Ergebnisse werden nach der vorliegenden Erfin- dung indessen mit Wandlerkernen aus zumindest 70% amorphen, ferromagnetischen, nahezu magnetostriktionsfreien Kobalt- Basislegierungen erreicht. Diese Kobalt-Basislegierungen wei- sen eine flache, nahezu lineare B-H-Schleife auf mit einer Permeabilität ß < 1400. Die Wandlerkerne werden vorzugsweise als geschlossene, luftspaltlose Ringbandkerne in ovaler oder rechteckiger Gestalt ausgeführt.

In der nachfolgenden Tabelle sind zwei geeignete Legierungs- zusammensetzungen angegeben Legierung Sattigungs-Permeabi-Sattigungsmagnetostriktion X Kristallisationstemperatur induktion litât [at%] [T] µ as quenched wärmebehandelt [°C] Co72.8Fe4,7Si5.5 0.99 1220 -32*10-8 -1,6*10-8 500 B Co55.6Fe6.1Mn1.1 0. 93 710-110*10-8 +4. 2*10-3 432 Si B Ni Die in der Tabelle 1 wiedergegebenen amorphen, ferromagneti- schen Legierungen auf Kobaltbasis wurden zunächst als amor- phes Band aus einer Schmelze mittels der an sich bekannten Rascherstarrungstechnologie hergestellt. Die Rascherstar- rungstechnologie ist beispielsweise in der DE 37 31 781 Cl eingehend beschrieben. Das Band, das eine Dicke von ungefähr 20 jUm aufwies, wurde anschließend spannungsfrei zu einem Ringbandkern gewickelt.

Die Einstellung der erfindungswesentlichen linearen, flachen B-H-Schleife erfolgte dann durch eine spezielle Wärmebehand-

lung des gewickelten Ringbandkerns in einem Magnetfeld, das senkrecht zur Bandrichtung stand. Die Wärmebehandlung wurde so vorgenommen, daß sich der Wert der Sättigungsmagnetostrik- tion des rasch erstarrten (as quenched) Bandes während der Wärmebehandlung um einen von der Legierungszusammensetzung abhängigen Betrag in positive Richtung veränderte, bis er in dem in der Tabelle aufgeführten Bereichen lag.

Beispielsweise wurde die in Figur 5 dargestellte Wärmebehand- lung gefunden, mit der bei einer Legierung mit der Zusammen- setzung Co72 7Fe4 6Sis sB17, 2 der stark negative Wert der Ma- gnetostiktion von As =-45 x 10-8 des rascherstarrten (as quenched) Bandes in positive Richtung bis nahe zum Nulldurch- gang (AS =-2 x 10-8) verschoben wurde. Gleichzeitig stellt sich eine hochlineare F-Schleife mit einem annähernd idealen Permeabilitätswert von 1200 und einer Sättigungsinduktion Bs = 0, 998 T ein. Unter einer F-Schleife wird dabei eine Hyste- reseschleife verstanden, die ein Verhältnis von Remanenz Br zu Sättigungsinduktion Bs < 50 aufweist.

Falls jedoch die Querfeldtemperatur von 330 °C auf beispiels- weise 310 °C abgesenkt wurde, sank die Permeabilität auf den zu niedrigen Wert von 1100 ab, wobei die Magnetostriktion um etwa-10 x 10-8 vom Nulldurchgang entfernt lag. Demzufolge leidet die Linearität der (B)-Kennlinie und der Phasenfeh- ler stieg um 10% an.

Wenn dagegen die Querfeldtemperatur auf 370 °C erhöht wurde, stieg die Sättigungsmagnetostriktion auf AS # +8 x 10-8 an.

Gleichzeitig wuchs die Permeablität auf einen die Gleich- stromtoleranz reduzierenden vergleichsweise hohen Wert von == 1300. Darüber hinaus setzten bei dieser Temperatur erste Reifungsprozesse von bereits im rascherstarrten Band (as quenched) vorhandenen Kristallisationskeimen ein, die zu ei- ner wesentlichen Störung der Linearität der Kennlinie führ- ten.

Während der Wärmebehandlung wurde der Ringbandkern mit einem Schutzgas umspült, so daß an der Bandoberfläche keine Oxida- tionen oder anderweitige chemische Reaktionen auftraten, die die physikalischen Eigenschaften des Ringbandkerns negativ beeinflußen würden.

Der gewickelte Ringbandkern wurde unter einem Magnetfeld mit einer Rate von 1 bis 10 Kelvin/min auf die weit unterhalb der angegebenen Curietemperaturen liegenden Temperaturen von un- gefähr 300°C aufgeheizt und mehrere Stunden im angelegten transversalen Magnetfeld in diesem Temperaturintervall gehal- ten und anschließend mit einer Kühlrate von 0, 1 bis 5 Kel- vin/min wieder abgekühlt.

Zur Erreichung der erfindungsgemäßen linearen und sehr fla- chen B-H-Schleife wurde ein so starkes Magnetfeld angelegt, daß die temperaturabhängige Sättigungsinduktion der jeweili- gen Legierung an jeder Stelle innerhalb des Ringbandkerns si- cher überschritten wurde. Die so behandelten Ringbandkerne wurden schließlich durch Umhüllen mit einem Kunststoff verfe- stigt.

Die Herstellbarkeit von sehr kleinen und dennoch sehr hoch- präzisen Stromwandlern setzt voraus, daß sich die Amplituden- permeabilität 4 des Stromwandlerkerns im Aussteuerungsbereich von 1 mT < B < 0, 9 Bs um weniger als 6 %, vorzugsweise 4 % ändert. Diese Anforderung an die Linearität kann über den be- schriebenen Herstellungsvorgang eingehalten werden unter der Voraussetzung, daß das eingesetzte Bandmaterial relative Oberflächenrauheiten Ra rel aufweist.

Die Definition des Rauhtiefe Ra rel sei nachfolgend anhand Figur 8 erläutert. Dabei liegt die x-Achse parallel zur Ober- flache eines Körpers dessen Oberflächenrauhigkeit zu bestim- men ist. Die y-Achse ist dagegen parallel zur Flächennormale

der zu vermessenden Oberfläche. Die Oberflächenrauhigkeit RA entspricht dann der Höhe eines Rechtecks 7, dessen Lange gleich einer Gesamtmeßstrecke lm und das flächengleich mit der Summe der zwischen einem Rauheitsprofil 8 und einer mitt- leren Linie 9 eingeschlossenen Flächen 10 ist. Die auf die Dicke des Bandmaterials bezogene beidseitige Oberflächenrau- higkeit Ra rel ergibt sich dann gemäß der Formel Ra rel = (Ra Oberseite + Ra Unterseite)/d, wobei d die Dicke des Bandmate- rials ist.

Es konnte ein nur 4, 7 g schwerer Ringbandkern aus der Legie- rung C°72, 8Fe4, 7Si5, 5B17 herGestellt werden, der mit einer Sekundärwicklung mit einer Windungszahl nsec von 1000 verse- hen war. Der so hergestellte Stromwandler wies eine Lineari- tät des Phasenwinkels aber einen Strombereich von < 120 mA bis 120 A von = 0, 2° auf. Die Permeabilität dieses Ringband- kerns lag bei g = 1150. Der Ringbandkern hatte die Abmessun- gen 24, 5 x 20, 5 x 5, 5 mm mit einem Eisenquerschnitt von Age = 0, 088 cm2.

Der mit diesem Ringbandkern hergstellte Stromwandler verfügte aber einen Phasenfehler von 8, 9° +/-0, 1° im gesamten Strom- bereich. Das Verhältnis zwischen dem höchsten übertragbaren Effektivwert des zu messenden bipolaren nullsymmetrischen Si- nusstroms und der höchsten übertragbaren Amplitude eines uni- polaren halbwellengleichgerichteten Sinusstroms betrug 1, 4 : 1.

Ferner wies der Ringbandkern ein sehr gutes Alterungsverhal- ten bei 120°C auf, was in der Figur 6 dargestellt ist, was mit der sehr hohen Kristallisationstemperatur und der hohen Anisotropieenergie dieser Legierung zu erklären ist.

Bei der Herstellung des Ringbandkernes wurde besonderer Wert auf eine sorgfältige Abstimmung der Wickeltechnik und der Wärmebehandlung auf die magnetischen und metallurgischen Ei- genschaften der Legierungen gelegt. Insbesondere wurde darauf geachtet, daß die gewickelten Ringbandkerne in transversaler Richtung in jedem Punkt sicher gesättigt waren, was durch

stirnseitiges Stapeln mehrerer Ringbandkerne übereinander er- reicht wurde. Die richtungsmäßige Abweichung der Feldlinien von der Rotationssymmetrieachse des Ringbandkernsstapels be- trug ungefähr 0, 5°. Es hat sich erwiesen, daß eine Abweichung von höchstens 3° zulässig ist.

Wie der Figur 4 zu entnehmen ist, lassen sich mit dem erfin- dungsgemäß eingesetzten Legierungsbereich Permeabilitätswerte zwischen 500 und 1400 einstellen. Wie die Figur 5 zeigt, läßt sich gerade durch den Einsatz des beanspruchten Legierungssy- stems eine extrem hohe Temperaturstabilität der Permeabilität realisieren. So liegt beispielsweise die typische Änderung zwischen Raumtemperatur und +100°C bei weniger als 5%.

Aus den Figuren 4 und 5 kann zusätzlich gesehen werden, daß die Abhängigkeit der Permeabilität von der Austeuerung bzw. der Temperatur gegenüber Ferriten (N67 bzw. N27) wesentlich günstiger ist. Besonders auffällig ist dabei die starke Ab- hängigkeit der Permeabilität von der Aussteuerung und von der Temperatur, so daß bei Stromwandlern mit Wandlerkernen aus Ferrit die Linearisierung der Kennlinie durch Scherung und somit ein Luftspalt unumgänglich ist. Durch einen Luftspalt im Wandlerkern besteht aber die Gefahr der Induktion von Störspannungen durch extern eingestreute Magnetfelder. Ferner kann ein Temperatureinfluß bei gescherten Wandlerkernen aus Ferrit zu einer undefinierten Änderung des Luftspalts und da- mit zu einer überproportionalen Induktivitätsveränderung füh- ren.

Mit der vorliegenden Erfindung lassen sich kostengünstig Stromwandler für Industrie und Haushalt in kompakter Bauform herstellen, die Sekundärwicklungen mit Windungszahlen nsec 1500 aufweisen bei einer Primärwicklung nprim = 1 und für ei- nen Primärstrom iprim < 120 A ausgelegt sind.