Gegenstand mit kabelloser Ladevorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Abschirmfolie

Die Erfindung betrifft einen Gegenstand mit einer kabellosen Ladevorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Abschirmfolie, insbesondere einer Abschirmfolie zur Verwendung in einem Gegenstand mit einer kabellosen Ladevorrichtung.

Kabelloses Laden, das sogenannte „wireless charging" wird verwendet, um die Batterie bzw. den Akkumulator eines mobilen Geräts aufzuladen, ohne dass das mobile Gerät mit einer Stromquelle über einer mechanischen Verbindung wie ein Draht und/oder Stecker, verbunden ist.

Die US 2011/0241613 AI offenbart ein Batteriemodul mit einem Resonator zum kabellosen Empfangen von Energie. Eine Folie wird bereitgestellt, die dazu dient, gegen ein Magnetfeld ab- zuschirmen, das durch die felderregenden Spulen erzeugt wird und in den metallischen Teilen der Batterie Wirbelströme erzeugt und somit Verluste generiert, während die Batterie auf ^¬ geladen wird. Die Folie kann zwischen dem Resonator und der Batterie angeordnet werden. Diese Folie kann eine hohe Permea- bilität und niedrige Verluste aufweisen, um die Abschirmungsleistung der Folie zu erhöhen. Die US 2011/0241613 AI offenbart jedoch keine weiteren Merkmale über diese Folie, beispielsweise eine Zusammensetzung oder eine Struktur. Es besteht somit der Bedarf, Gegenstände mit einer kabellosen Ladevorrichtung mit einer Abschirmfolie, die für Verwendung in solchen Gegenständen geeignet ist, bereitzustellen. Ein Gegenstand mit kabelloser Ladevorrichtung wird bereitgestellt, der einen Empfänger zum kabellosen Empfangen von Energie oder einen Sender zum kabellosen Senden von Energie, und eine Abschirmfolie umfasst, die zumindest eine Lage aufweist. Die Lage weist eine Klebeschicht und eine weichmagnetische Folie aus einer nanokristallinen weichmagnetischen Legierung auf Eisenbasis oder aus einer amorphen weichmagnetischen Legierung auf Kobaltbasis auf. Die weichmagnetische Folie ist auf der Klebeschicht angeordnet.

Die Abschirmfolie weist die Gestalt eines Verbunds aus zumindest einer Klebeschicht und zumindest einer weichmagnetische Folie auf. Als weichmagnetische Folie wird eine Folie aus ei- ner nanokristallinen weichmagnetischen Legierung auf Eisenbasis oder einer amorphen weichmagnetischen Legierung auf Kobaltbasis verwendet. Diese Legierungen können mit Rascherstar- rungstechnologie hergestellt werden und liegen in Form von dünnen Folien bzw. Bändern mit einer Dicke von weniger als 30 μπι vor.

Legierungen mit guten weichmagnetischen Eigenschaften, die beispielsweise für Magnetkerne verwendet werden, können als der aktive Teil der Abschirmfolie verwendet werden. Beispiele dafür sind Fei ₀ o-a- _b -c-x- _y -zCu _a M _b T _c Si _x B _y Z _z mit bis zum 0,5 Atom% Verunreinigungen, wobei M eines oder mehrere der Gruppe bestehend aus Nb, Mo und Ta, T eines oder mehrere der Gruppe bestehend aus V, Cr, Co und Ni und Z eines oder mehrere der Gruppe bestehend aus C, P und Ge und 0,5 Atom% < a < 1,5 Atom%, 2 Atom% < b < 4 Atom%, 0 Atom% < c < 5 Atom%, 12 Atom% < x < 18 Atom%, 5 Atom% < y < 12 Atom% und 0 Atom% < z < 2 Atom% ist. Ein wei- teres Beispiel ist Fe ₃ , ₈ Nb ₃ CuiSii ₅ , ₆ B ₆ , ₆ , die unter dem Handelsnamen VITROPERM® 800 kommerziell erhältlich ist.

Diese nanokristallinen weichmagnetischen Legierungen sind re- lativ spröde. Folglich kann die Klebeschicht als Träger für die Folie dienen und eine gewisse Flexibilität zu der Abschirmfolie bereitstellen. Dies ermöglicht, dass die Abschirmfolie in gekrümmter, gebogener Form usw. in den Gegenstand integriert werden kann.

Wenn die weichmagnetische Folie aus der amorphen weichmagnetische Legierung auf Kobaltbasis ist, können amorphe weichmagnetische Legierungen wie Co ₆ 9,5 Fe ₃ , ₅ Mo ₃ Sii ₆ B7 oder Co72, ₇ Fe ₄ , ₈ Si ₅ ,5Bi7, die unter dem Handelsnamen VITROVAC® kommerziell erhältlich sind, verwendet werden. Die weichmagnetischen Eigenschaften dieser Legierungen auf Kobaltbasis sind ohne eine weitere Wärmebehandlung geeignet für eine Abschirmfolie für kabellose Ladeanwendungen. Sie sind duktil und können somit um Komponente des Gegenstands gewickelt oder an die Form der Komponenten an- gepasst werden.

Kabelloses Laden „wireless ' charging" ist auch als drahtloses Laden und induktives Laden genannt, obwohl induktives laden auch als bestimmte Art von kabellosem Laden darstellt.

Der Gegenstand kann eine oder mehrere getrennte Abschirmfolien aufweisen, die so angeordnet sind, dass sie die gewünschte Abschirmungsleistung gewährleistet. Beispielsweise kann die Abschirmfolie neben dem Empfänger oder neben dem Sender angeord- net sein. Wenn der Gegenstand ferner ein Gehäuse mit einer Innenoberfläche aufweist, kann die Abschirmfolie auf der Innenoberfläche angeordnet sein. Beispielsweise kann die Abschirm- folie so auf der Innenoberfläche angeordnet, dass elektronische Komponente des Geräts gegen ein externes Magnetfeld abgeschirmt werden. In einem Ausführungsbeispiel ist die weichmagnetische Folie keine durchgängige Folie, sondern weist die Gestalt mehrerer Streifen auf. Die Güte wird durch die Anordnung mehrerer Streifen in einer Lage weiter gesteigert, wobei die Wirbelströme in der Materialebenen räumlich eingeschränkt werden und es zu einer Domänenverfeinerung kommt.

In einem Ausführungsbeispiel sind benachbarte Streifen voneinander durch einen Abstand von 0,1 mm bis 0,3 mm beabstandet. Wenn der Abstand klein gehalten wird, kann die Dichte der weichmagnetischen Legierung und der Flussleitung erhöht werden .

Wie oben bereits erwähnt, können die Streifen die Form einer dünnen Folie oder eines Bandes aufweisen, die beispielsweise durch Rascherstarrungstechnologie hergestellt werden können.

Die Güte kann bei zunehmend kleineren Dicken erhöht werden. In einem Ausführungsbeispiel weisen ^' die Streifen eine Dicke, d, auf, wobei d ^ 21 μπι ist. In einem bestimmten Ausführungsbeispiel weist die Folie aus einer nanokristallinen weichmagneti- sehen Legierung eine Dicke von 18 μτη + 3 μιη auf.

In einem Ausführungsbeispiel weist die Abschirmfolie mehrere Lagen auf, wobei jede Lage eine Klebeschicht und eine weichmagnetische Folie aus einer nanokristallinen weichmagnetischen Legierung auf Eisenbasis oder aus einer amorphen weichmagnetischen Legierung auf Kobaltbasis aufweist, die auf der Klebeschicht angeordnet ist. Die Klebeschicht kann eine selbsttragende Klebefolie, die auf einer oder beiden Seiten eine haftende Oberfläche aufweist. Die Klebeschicht kann auch in flüssiger Form oder als Pulver auf den Streifen aufgebracht werden.

In einem Ausführungsbeispiel ist eine Klebefolie zwischen benachbarten Lagen angeordnet. Die Klebefolie kann als Träger für die weichmagnetische Folie dienen und anstelle oder zu- sätzlich zu der Klebeschicht vorhanden sein. Diese Klebefolie kann doppelseitig haftend sein. Die oberste und/oder unterste Lage der Abschirmfolie kann auch durch eine Klebefolie abgedeckt sein. Diese Klebefolie kann als Schutzfolie und/oder als Haftoberfläche dienen.

In einem Ausführungsbeispiel sind die Streifen benachbarter Lagen aufeinander und parallel zueinander angeordnet und bilden mehrlagige Säulen. Die Streifen können über einer Klebschicht mit dem benachbarten Streifen der Säule verbunden wer- den.

In einem Ausführungsbeispiel weist die ^' nanokristalline weichmagnetische Legierung eine runde Hystereseschleife auf, wobei die Güte erhöht und die Verluste reduziert werden. Die Form der Hystereseschleife kann mittels der Wärmebehandlungsmethode selektiv eingestellt werden. Um eine runde Hysterseschleife zu erzeugen, wird kein zusätzliches externes Magnetfeld während der Wärmebehandlung eingelegt. Eine runde Hytereseschleife wird durch ein Material mit minimierter Anisotropie, einem Remanenzverhältnis B _r /B _s und einer Permeabilität μ definiert. Die runde Hystereseschleife wird über eine Wärmebehandlung ohne bewusstes Anlegen eines Magnetfelds, d.h. nur unter dem Einfluss des Erdmagnetfeldes, oder einer mechanischen Spannung hergestellt. Die Hystereseschleife weist ein Remanenzverhältnis B _r /B _s im geschlossenen magnetischen Kreis von 30% bis 100% auf, wobei eine ideale runde Hystereseschelife ein isotopes Remanenzverhältnis von 100% aufweist. Die Hystereseschleife kann zum Beispiel an einem Ringbandkern gemessen, die bei- spielsweise Dimensionen von Außendiameter d _a = 25mm, Innendurchmesser di 13mm und Kernhöhe oder Bandbreite h = 20 mm aufweist .

Die Permeabilität im geschlossenen magnetischen Kreis, zum Beispiel gemessen an einem Ringbandkern beträgt p(lA/m, 50Hz) ^ 50000, wobei die Permeabilität bei einem Magnetfeld = 1 A/m und einer Messfrequenz = 50Hz gemessen wird. Die Ringbandkern- kann beispielsweise die Dimensionen: d _a =25mm, di=13mm, h=20mm aufwesien, wobei d _a der Außendurchmesser, di der Innendurch- messer, h die Kernhöhe oder Bandbreite ist.

Zum Beispiel kann bei der Herstellung von nänokristallinem Bandmaterial am Coil (mit beliebigen Bandbreiten) bei der Wärmebehandlung immer Test-Ringbandkerne mit beigelegt werden, um die Materialeigenschaft einer runden Hysteresechleife an den Test-Ringbandkernen, stellvertretend für das Bandmaterial am Coil, zu bestimmen.

Die nanokristalline weichmagnetische Legierung weist eine fre- quenzabhängige Permeabilität μ = μ' + ίμ ' ' und einen Gütefaktor Q(f) = μ'/μ'' auf. In einem Ausführungsbeispiel ist der maximale Gütefaktor Q _raax > 20. Je höher der maximale Gütefaktor, desto niedriger werden die Verluste.

Ein Verfahren zum Herstellen einer Abschirmfolie für einen Ge- genstand mit einer kabellosen Ladevorrichtung wird bereitgestellt, das Folgendes aufweist. Ein Band aus einer amorphen weichmagnetischen Legierung auf Eisenbasis wird bereitgestellt. Das Band wird bei einer Temperatur von 500°C bis 600°C für 1 Minute bis 1 Stunde unter einer N ₂ - oder H2~haltigen At- mosphäre und unter dem Magnetfeld der Erde wärmebehandelt, wobei ein nanokristallines weichmagnetisches Band hergestellt wird. Eine Klebschicht wird auf zumindest eine Seite des Bandes aufgebracht, um eine Lage einer Abschirmfolie herzustellen .

Um die weichmagnetischen Eigenschaften der Legierung zu erhöhen, wird das amorphe Band mit einer Legierung auf Eisenbasis wärmebehandelt. Ein externes Magnetfeld wird während der Wärmebehandlung nicht eingelegt, so dass die Wärmebehandlung nur unter dem Einfluss des Magnetfeldes der Erde stattfindet, um eine runde Hystereseschleife im Band zu erzeugen.

Die Lagen können aufeinander gestapelt werden, um mehrlagige Abschirmfolien herzustellen. Eine mehrlagige Abschirmfolie kann verwendet werden, die Flussleitung der Abschirmfolie zu erhöhen .

Das Band kann strukturiert werden, um mehrere Streifen aus dem Band herzustellen.

Unterschiedliche Reihenfolgen einiger dieser Schritte können verwendet werden. In einem Ausführungsbeispiel wird das amor- phe Band zunächst auf einen Träger aufgebracht, danach wärmebehandelt und danach wird eine Klebefolie auf das nanokristal- line Band aufgebracht. Anschließend kann das Band strukturiert werden, um mehrere

Streifen aus der nanokristallinen weichmagnetischen Legierung auf der Klebefolie zu erzeugen.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird das amorphe Band strukturiert, um mehrere Streifen herzustellen, danach werden die Streifen wärmebehandelt, um die nanokristalline weichmagnetische Legierung zu erzeugen und anschließend wird eine Klebefolie auf die Streifen aufgebracht. Als Klebeschicht kann eine einseitige oder doppelseitige Klebefolie oder Heißklebefolie oder pulverförmiger Heißkleber verwendet werden. Zwei oder mehrere unterschiedliche Materialien für verschiedene Klebeschichten können in einer Abschirmfolie verwendet werden.

Die Wärmebehandlung kann im Durchlauf erfolgen. Eine Wärmebehandlung im Durchlauf kann zum Beispiel bei einer verwobenen Struktur oder bei einer Reihenfolge der Schritte verwendet werden, in denen das Band oder die Streifen in länglicher Form wärmebehandelt wird. bzw. werden.

Das Band kann mittels verschiedener Methoden strukturiert werden, um die Streifen zu erzeugen. Beispielsweise kann das Band in mehrere Streifen mechanisch geschnitten oder chemisch ge- schnitten werden. Das Band kann mit Rollenscheren in mehrere Streifen mechanisch geschnitten oder unter Zugspannung über eine scharfe Kante gezogen werden, um das Material in Bruchstücke zu zerkleinern, die wie mehrere Streifen wirken.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden Abschirmteile aus dem Band mit der amorphen Legierung oder aus dem Band mit der nanokristallinen Legierung gestanzt oder geschnitten.

Diese Abschirmteile können dann aufeinander gestapelt werden um eine mehrlagige Abschirmfolie zu erzeugen. Bei Abschirmtei- len aus einer amorphen Legierung können die Teile vor oder nach der Wärmebehandlung gestapelt werden.

Bereitgestellt wird auch die Verwendung einer amorphen weichmagnetischen Legierung auf Kobaltbasis als Abschirmungsmateri- al in einer Abschirmfolie bei einem Gegenstand mit einer kabellosen Ladevorrichtung. Die amorphe weichmagnetische Legierung kann C069,s Fe ₃ , ₅ Mo ₃ Sii6B7 oder C072, sSis, 5B17 sein.

Bereitgestellt wird ferner die Verwendung einer nanokristalli- nen weichmagnetischen Legierung auf Eisenbasis als Abschir ^¬ mungsmaterial in einer Abschirmfolie bei einem Gegenstand mit Komponenten zum kabellosen Laden. Das kabellose Laden kann induktives Laden sein. Außerdem wird die Verwendung einer nanokristallinen weichmagnetischen Legierung auf Eisenbasis als Abschirmungsmaterial in einer Abschirmfolie bei einem Gegenstand mit Komponenten, die von externen Magnetfeldern störanfällig sind. Abzuschirmende Komponente können zum Beispiel Kabel, wie Signalkabel, Kontak- te und elektronische Bauelemente, wie Halbleiterchips sein. Die nanokristalline weichmagnetische Legierung kann aus einer Zusammensetzung mit Fei ₀ o-a-b-c-x-y-zCu _a MbTcSi _x B _y Z _z und bis zu 0,5 Atom% Verunreinigungen bestehen, wobei M eines oder mehrere der Gruppe bestehend aus Nb, Mo und Ta, T eines oder mehrere der Gruppe bestehend aus V, Cr, Co und Ni und Z eines oder mehrere der Gruppe bestehend aus C, P und Ge und 0,5 Atom% < a < 1,5 Atom%, 2 Atom% < b < 4 Atom%, 0 Atom% < c < 5 Atom%, 12 Atom% < x < 18 Atom%, 5 Atom% < y < 12 Atom% und 0 Atom% < z < 2 Atom% ist. Beispielsweise ist die nanokristalline weichmag- netische Legierung Fev3, e baCuiSiis, e^e, 6■

Ausführungsbeispiele und bestimmte Beispiele werden nun anhand der Zeichnungen und Tabelle näher erläutert. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems zum kabellosen Laden,

Figur 2a eine Draufsicht einer Lage einer Abschirmfo

Figur 2b zeigt einen Querschnitt der Lage der Abschirmfolie der Figur 2a,

Figur 2c zeigt einen Querschnitt einer Lage einer Abschirmfo- lie mit einer zusätzlichen Klebeschicht,

Figur 3 zeigt einen Querschnitt einer Abschirmfolie mit mehreren Lagen, Figur 4 zeigt eine schematische Ansicht des experimentellen

Aufbaus zur frequenzabhängigen Gütemessung an ebenen runden Proben, Figur 5 zeigt eine schematische Ansicht eines experimentellen Aufbaus zur frequenzabhängigen Gütemessung, Figur 6 zeigt Diagramme der Güte in Abhängigkeit der Frequenz für Proben mit unterschiedlichen Hystereseschleifen,

Figur 7 zeigt ein Diagramm der Güte als Funktion der Fre- quenz für Proben unterschiedlicher Dicke,

Figur 8 zeigt Diagramme der Güte in Abhängigkeit der Frequenz für Proben unterschiedlicher Dicke, Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung der induzierten

Anisotropie in einer quadratischen Probe auf einer planaren Induktivität,

Figur 10 zeigt ein Diagramm der Güte in Abhängigkeit der Fre- quenz für eine Probe mit einer Klebefolie, und

Figur 11 zeigt ein Diagramm der Güte in Abhängigkeit der Frequenz für eine Abschirmfolie mit mehreren Streifen einer nanokristallinen weichmagnetischen Legierung.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 10 zum kabellosen Laden „wireless charging" eines Geräts 13. Das System 10 weist einen ersten Teil 11 mit einer Sendespule 12 zum Senden von Energie an ein getrenntes Gerät 13, beispiels- weise ein mobiles oder tragbares Gerät wie ein Handy, auf, die eine Empfängerspule 14 zum Empfangen von Energie aufweist. Der erste Teil 11 wird mit einer Stromquelle, beispielsweise über einen Kabel und Stecker, verbunden. Die Energie, die kabellos von der Sendespule 12 des ersten Teils 11 an die Empfängerspule 15 im getrennten Gerät 13 übertragen wird, wird dort verwendet, eine nicht gezeigte Batterie bzw. Akkumulator aufzuladen .

Das mobile Gerät 13 weist eine Abschirmfolie 15 auf, die gegen das Eindringen des Magnetfeldes in das Gerät 13 bzw. in elekt- ronische Komponente des Geräts 13 abschirmt. Die Abschirmfolie kann auf einer Innenseite des Geräts 13 und/oder kann zwischen der Spule und der aufzuladenden Batterie angeordnet werden. Zwei oder mehrere Abschirmfolien können in das Gerät 13 integriert werden. Eine oder mehrere Abschirmfolien 15 können auch im ersten Teil 11 integriert werden.

Figur 2a zeigt eine Draufsicht und Figur 2b einen Querschnitt einer Lage 20 einer Abschirmfolie 21 nach einem ersten Ausführungsbeispiel, die als Abschirmfolie in einem kabellosen Lade- System verwendet werden kann. Die Lage 20 weist eine Folie 23 aus einer weichmagnetischen Legierung auf. In diesem Ausfüh- ungsbeispiel ist die Folie 23 in mehreren Streifen 22 getrennt. Die Streifen 22 sind parallel zueinander und auf einer Klebeschicht 24 angeordnet, die in diesem Ausführungsbeispiel eine einseitige Klebefolie ist. Die Klebefolie dient als Träger für die Streifen 22.

In diesem Ausführungsbeispiel ist die weichmagnetische Legierung eine nanokristalline Eisenbasis-Legierung und insbesonde- re Fe73 , 8 b3Cui S i i5,6B6,6- In weiteren Ausführungsbeispielen ist die Legierung eine amorphe Legierung auf Kobaltbasis, wie zum Beispiel Co ₆ 9,5 Fe ₃ , ₅ Mo ₃ S i i 6B7 oder Co ₇ 2, 7Fe ₄ , e S i s , 5B1 . In Figur 2c ist eine Lage 30 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel für eine Abschirmfolie dargestellt. Die Lage 30 weist eine Mehrzahl von Streifen 31 aus einer nanokristallinen weichmagnetischen Legierung auf Eisenbasis, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, auf, die ebenfalls auf einer Klebeschicht 32 angeordnet sind. Die Lage 30 weist eine zusätzliche Klebeschicht 33 auf, die auf den Oberseiten 34 der Streifen 22 angeordnet ist, so dass die Streifen 31 zwischen zwei Klebe- schichten 32, 33 angeordnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Abstände 35 zwischen den Streifen 31 nicht durch die zweite Klebeschicht 33 abgedeckt und diese Bereiche der Klebeschicht 32 liegen somit frei. Figur 3 zeigt einen Querschnitt einer Abschirmfolie 40 nach einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Abschirmfolie 40 weist drei Lagen 41, 42, 43 auf, die jeweils eine Mehrzahl von parallel angeordneten Streifen 44, 44 ^Λ , 44 ^{, Λ} aus einer nanokristallinen weichmagnetischen Legierung auf Eisenbasis und zumin- dest eine Klebeschicht aufweisen 45. Die unterste Lage 41 weist eine kontinuierliche Klebefolie 45 auf, die eine äußere Oberfläche 46 der Abschirmfolie 40 bildet.

Auf diese Klebefolie 45 ist eine Mehrzahl von Streifen 44 an- geordnet. Eine zweite Klebeschicht 46 ist auf den Oberseiten 47 der Streifen 44 angeordnet.

Die zweite Lage 42 weist eine Mehrzahl von Streifen 44 auf, die ebenfalls parallel zueinander in einer Ebene angeordnet sind. Die Streifen sind auf der zweiten Klebeschicht 46 der ersten Lage 41 angeordnet, Die zweite Lage 42 weist ebenfalls eine Klebeschicht 46 auf, die auf den Oberseiten 47 der Streifen 44 angeordnet ist.

Die dritte Lage 43 der Abschirmfolie 40 weist wie die anderen zwei Lagen 41, 42 eine Mehrzahl von Streifen 44 ^{Λ Λ} auf, die parallel angeordnet sind und auf deren Oberseite 47 eine Kleb- stoffschicht 48 angeordnet ist. Die Streifen 44 ^{, λ} der dritte Lagen 43 sind auf der Klebeschicht 46 der zweiten Lage 42 angeordnet. Die Streifen 44, 44', 44 ^< ' der drei Lagen 41, 42, 43 laufen parallel zueinander und sind aufeinander gestapelt, so dass mehrlagige Säulen gebildet sind.

Die Abschirmfolie 40 weist ferner eine zweite kontinuierliche äußere Klebefolie 49 auf, die auf der Klebschicht 48 der drit- ten Lage 43 angeordnet ist. Die Streifen 44 , 44 44 der drei Lagen 41, 42, 43 sind somit zwischen den zwei kontinuierlichen Klebefolien 45, 49 angeordnet.

Zur Erhöhung der Abschirmleistung sollte die weichmagnetische Le- gierung folgende Eigenschaften aufweisen: eine hohe Permeabilität, möglichst geringe Verluste im Frequenzbereich > 100 kHz bzw. einen möglichst hohen Gütefaktor im Frequenzbereich > 100 kHz.

Im Folgenden werden Gütemessungen an planaren Induktivitäten beschrieben. Anhand der Ausführungsbeispiele kann eine Material- , Banddicken-, Wärmebehandlungsmethoden- und eine Strukturie- rungsauswahl getroffen werden. Die Wärmebehandlung der Proben wurde an einem Stapel von ca. 50 Einzelteilen durchgeführt Für die Beispiele wurden die VITROVAC® Legierungen VC 6025 150, VC 6155 U55 mit der Zusammensetzung Co ₆ 9,5 Fe ₃ , ₅ Mo ₃ Sii ₆ B7 bzw.

Co ₇ 2,7Fe ₄ ,8Si ₅ ,5B ₁₇ und die VITROPERM® Legierung VP 800 mit der Zusammensetzung Fe ₇₃ , ₈ b3CuiSii5, β, 6 verwendet. Die Materialgütemessungen wurden mit Hilfe einer planaren Spule und einer LC-Messbrücke durchgeführt. Die quadratischen oder runden Proben wurden mit minimalem Abstand (zum Beispiel ca. 0.2 bis 0.3mm) einseitig auf die planare Spule gelegt. Alle nachfolgend gezeigten Ergebnisse beziehen sich auf eine einzige Materialschicht. Je nach Anwendungsfall kann jedoch eine Abschirmfolie oder ein Abschirmteil mehrere weichmagnetische Schichten aufweisen.

Figur 4 zeigt eine schematische Ansicht des experimentellen Aufbaus zur frequenzabhängigen Gütemessung an ebenen runden Proben . Figur 5 zeigt eine schematische Ansicht eines experimentellen Aufbaus zur frequenzabhängigen Gütemessung an ebenen, quadratischen Proben (oben) und an ebenen, quadratischen Proben mit innerer Strukturierung, um Streifen aus der Probe herzustellen. Die Streifen weisen eine Streifenbreite von 1 mm auf, ei- nen Anstand zwischen den Streifen von 0,2 mm und kann durch

Laserschneiden unter Benutzung zum Beispiel eines Q-Switch Lasers, oder durch Schneiden, wie Rollenscheren in Streifen und anschließendes Zusammensetzen hergestellt werden. Die Figuren 4 und 5 zeigen den Versuchsaufbau zur frequenzabhängigen Gütebestimmung. Mit einer LC-Messbrücke bestimmt man die frequenzabhängige komplexe Permeabilität μ = μ' + ίμ ' ' einer planaren Induktivität. Die Induktivität setzt sich aus der Spule und der aufgelegten Probe zusammen. Der Gütefaktor berechnet sich aus:

Q( f )= μ'/μ' ' und da die Zyklusverluste aufgrund von Wirbelströmen nur vom Imaginäranteil der Permeabilität bestimmt werden können, ergibt sich ein hoher Gütefaktor in jenen Frequenzbereichen in denen die Materialverluste gering sind.

Der Einfluss des Legierungssystems auf die Güte wird untersucht . Figur 6 zeigt Diagramme der Güte in Abhängigkeit der Frequenz. Die frequenzabhängige Güte wurde an Proben der Geometrie 20,3 x 20,3 mm gemessen. Auf der linken Seite sind die Ergebnisse für Co-Basislegierungen wie VC 6025 50 und VC 6155 U55 und auf der rechten Seite sind Ergebnisse für die nano- kristalline Fe-Basislegierung VP 800 angegeben. Für beide Materialklassen liegen die Proben nach einer Wärmebehandlung ohne Magnetfeld, die mit X bezeichnet sind, und mit Magnetfeld, die mit F und Z bezeichnet sind, vor. Die Materialparameter, der Wärmebehandlungszustand sowie die maximal erreichbaren Gütewerte sind für die gezeigten Beispiele in der Tabelle 1 zusa ^' mmengefasst . Aus dem Vergleich der maximal erreichbaren Gütewerte kann man ersehen, dass man mit Fe-Basislegierungen im nanokristallinen Zustand höhere Gütewer- te erreichen kann.

Figur 7 zeigt ein Diagramm der Güte als Funktion der Frequenz, für Proben der Geometrie da=28mm di=10mm der Co- Basislegierungen VC 6025 50 mit unterschiedlichen Banddicken im Bereich von 15 μπι bis 34 μπι .

Figur 8 zeigt Diagramme der Güte in Abhängigkeit der Fre- quenz . Die frequenzabhängige Güte wurde an Proben der Geomet ^¬ rie 20.3x 20.3mm mit verschiedenen Banddicken gemessen für die Legierungen VC 6025 50 mit einer Wärmebehandlung auf "Runde" Hystereseschleife und mit der Bandicke 15 und 27 μπι und für die Legierung VP800 im nanokristallinen Zustand mit Wärmebehandlung auf "Runde" Hysterseschleife und mit der Bandicke 17 μπι und 25 μπι.

Die Wirbelstromverluste werden mit abnehmender Materialdicke reduziert. Somit erreicht man die höchsten Gütewerte bei den kleinsten Banddicken, wie aus der Figur 6, der Figur 8 und aus der Tabelle 1 abzulesen ist.

Der Einfluss der Wärmebehandlung mit und ohne Magnetfeld auf die Güte wird untersucht.

Eine Wärmebehandlung der oben angeführten Materialien kann mit und ohne angelegte Magnetfelder erfolgen. Durch das Anlegen von Magnetfeldern während einer Wärmebehandlung können in weichmagne- tischen Proben gerichtete Anisotropien eingebracht werden. Mit einer Wärmebehandlung ohne Magnetfeld erhält man Proben mit "Runden" Hystereseschleifen, die nur noch eine sehr geringe Restanisotropie aufweisen (Kennzeichnung dieser Proben mit den Buchstaben "X") .

Wird während der Wärmebehandlung ein Magnetfeld quer zur Bandlängsrichtung angelegt, wird so eine Queranisotropie in der Probe erhalten, welche in Bandrichtung gemessen zu einer "Flachen" Hystereseschleife führt (Kennzeichnung mit dem Buchstaben "F") .

Ebenso besteht die Möglichkeit, das Magnetfeld während der Wärmebehandlung parallel zur Bandlängsrichtung anzulegen. In diesem Fall erhält man eine Längsanisotropie in der Probe, welche in Bandrichtung gemessen zu einer "Z-förmigen" Hystereseschleife führt (Kennzeichnung mit dem Buchstaben "Z") . Man würde nun erwarten, dass Proben mit "Flachen" Hystereseschleifen eine hohe Güte zeigen, da Ringbandkerne mit "Flachen" Hystereseschleifen geringere Verluste aufweisen. Aus der Figur 6 und der Tabelle 1 ist aber ersichtlich, dass Proben mit "Runden" Hystereseschleifen (X) im Vergleich zu Proben mit "Flachen" Hystereseschleifen (F) wesentlich höhere Gütewerte aufweisen. Eine Erklärung dafür wird in der Figur 9 gegeben. Das radialsymmetrische Magnetfeld einer planaren Spule führt in der guadratischen Probe zu Bereichen mit "Flachen" Hysteresen

(Anisotropierichtung normal zu Feldlinie (.L)) und zu Bereichen mit "Z-förmigen" Hysteresen (Anisotropierichtung parallel zu Feldlinie (II)) . Beide Bereiche treten in den Proben auf.

Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung der induzierten Anisotropie (Quer, Längs) in einer quadratischen Probe auf ei- ner planaren Induktivität. In beiden Fällen gibt es Bereiche, in denen die induzierte Anisotropie parallel ( | | ) und in denen die Anisotropie normal (o) zum Magnetfeldverlauf in der Probe gerichtet ist. Ringbandkerne mit "Z-förmigen" Hystereseschleifen zeigen hohe Verluste. Planare Proben mit einer "F" oder "Z" Wärmebehandlung sind aufgrund des Mischzustandes somit stärker verlustbehaftet und zeigen daher eine geringere Güte. Im Falle von guadratischen Proben (hier 20,3 x 20,3mm), die auf einer radialsym- metrischen Spulenanordnung (siehe Figur 9) verwendet werden, kann zwischen Proben mit Längs (Z)- und Queranisotropie (F) nicht unterschieden werden. Wie in den Ausführungsbeispielen in der Tabelle 1 gezeigt, er- geben sich für nanokristalline Fe-Basislegierungen wie VITROPERM 800 nach einer Wärmebehandlung auf eine "Runde" Hystereseschleife die besten Gütefaktoren.

Der Einfluss einer Beschichtung mit Klebefolie auf die Güte wird untersucht. Figur 10 zeigt ein Diagramm der Güte in Abhängigkeit der Frequenz. Die frequenzabhängige Güte wurde an Proben der Geometrie 20.3x 20.3mm der Legierung VP800 im nanokristallinen Zustand mit Wärmebehandlung auf "Runde" Hysterseschleife gemessen. Die Abbildung zeigt eine Messung an einer unbeschichteten Probe und einer mit Klebefolie beschichteten Probe. Die Banddicke beider Proben beträgt 17 μτη.

Der Einfluss einer Beschichtung von nanokristallen VITROPERM® 800 Proben mit Klebeband auf die Güte ist sehr gering. Messungen des Güteverlaufes an beschichteten und unbeschichteten Proben ergaben durchwegs sehr ähnliche Werte, wie dies aus der Figur 10 ersichtlich ist. Die Ergebnisse wurden auch in der Tabelle 1 dargestellt. Dieses Ergebnis ist nützlich, da eine innere Strukturierung, beispielsweise durch Aufschneiden des Materials an einer Rollenschere und anschließendes Zusammenfügen, nur nach einer Beschichtung des nanokristallinen Materials mit einer Klebefolie möglich ist.

Der Einfluss der inneren Strukturierung auf die Güte wird auch untersucht. Eine weitere Gütesteigerung bei nanokristallinem VITROPERM® 800 mit "Runder" Hystereseschleife konnte durch eine innere Strukturierung erreicht werden. Hierzu wurden schmale Schlitze in der Materialebene eingebracht. Die Figur 10 zeigt den Vergleich des Güteverlaufes für eine nanokristalline Probe mit und ohne innere Strukturierung und dass die Güte durch innere Strukturierung verdoppelt werden kann. Die Materialparameter, der Wärmebehandlungszustand sowie die für die einzelnen Proben erreichten Gütewerte wurden in der Tabelle 1 zusammengefasst . Die Verlustre- duktion lässt sich einerseits über die Unterbrechung der Wirbelströme in der Legierungsebene und andererseits über die entstehende Domänenverfeinerung im Vergleich zu nicht geschlitzten Proben erklären. Die Domänenverfeinerung konnte mit Kerrmikro- skopuntersuchungen bestätigt werden.

Figur 11 zeigt ein Diagramm der Güte in Abhängigkeit der Frequenz. Die frequenzabhängige Güte wurde an einer Probe der Geometrie 20.3x 20.3mm der Legierung VP800 im nanokristallinen Zustand mit Wärmebehandlung auf "Runde" Hysterseschleife ge- messen. Die Probe wurde mit Klebefolie beschichtet. An der

Probe wurde zuerst der Güteverlauf im ungeteilten Zustand gemessen. Im Anschluss erfolgte die Messung an der jeweils in 2, 4, 8, 16 Teile geteilten Probe. Dies entspricht Strukturierungen von 10,2mm, 5,1mm, 2,5mm und 1,3mm mit einem Abstand der Einzelteile von 0,2mm. Anschließend wurde der Güteverlauf erneut gemessen .

Die Materialparameter, der Wärmebehandlungszustand sowie die, für die einzelnen Strukturierungen erreichten Gütewerte sind in der Tabelle 1 zusammengefasst . Die Figur 11 zeigt weiterführenden

Einfluss der Streifenbreite auf die Güte. Der Gütewert steigt mit der Abnahme der Streifenbreite an. Um eine effiziente Güte- Steigerung zu erreichen müssen die Streifen der inneren Strukturierung möglichst schmal gewählt werden.

Um einlagige oder mehrlagige Abschirmfolien oder Abschirmteile mit hoher Güte aus einer nanokristallinen, weichmagnetischen

Fe-Basislegierung (VITROPERM® 800) herzustellen, kann eine der folgenden Fertigungswege verwendet werden.

1.) Wärmebehandlung am Coil => Folienverbund => Struktur => Abschirmfolie oder Abschirmteil

Mit diesem Fertigungsweg können die einzelnen Prozesse mit höher Wirtschaftlichkeit durchgeführt werden. Den Startpunkt bildet direkt gegossenes oder geschnittenes VITROPERM Band beliebiger Breite aufgewickelt zu Coils auf speziellen Trägern. Danach erfolgt die Wärmebehandlung der Coils auf "Runde" Hystereseschleife bei 575°C und unter N2 oder H2 Atmosphäre, wobei das Material in den nanokristallinen Zustand übergeführt wird. Das spröde Band wird nun in einem "Reel-to-Reel" Prozess mit einem Klebeband be- schichtet um eine Verarbeitbarkeit für weitere Schritte sicherzustellen. Für einen mehrlagigen Folienverbund (mehrere

Schichten VITROPERM®) muss der "Reel-to-Reel" Prozess mit doppelseitigem Klebeband mehrmals durchgeführt werden. Durch die Be- schichtung mit Klebeband kann das ansonsten spröde Bandmaterial nun weiteren Verarbeitungsschritten unterzogen werden. Im An- schluss könnten direkt Abschirmteile durch Schneiden oder Stanzen hergestellt werden.

Für Abschirmmaterial mit höheren Güteanforderungen kann eine in- nere Strukturierung durchgeführt werden. Der ein- oder mehrlagige Folienverbund wird nun auf Rollenscheren in schmale Streifen (0,5 bis 10mm) geschnitten. Über eine Vorrichtung werden die einzelnen Streifen auf einem weiteren Trägerklebeband mit einem gegenseitigen Abstand von < 0,2mm wieder zusammengeführt, so dass ein Folienverbund entsteht, wie er in Figur 3 gezeigt wird.

2.) Teil => Struktur => Wärmebehandlung am Teil => Folienverbund => Abschirmteil

Der unter 1.) beschriebene Fertigungsweg sieht die mechanische Be- arbeitung des Materials nach der Wärmebehandlung in einem "Reel-to- Reel" Prozess vor, bei dem der einzelne Abschirmteil erst am Ende der Produktionskette entsteht . Im Gegensatz dazu kann die Wärmebehandlung an bereits vorgefertigten Teilen, gestapelten Paketen und strukturierten gestapelten Paketen durchgeführt werden. Hierzu wird direkt gegossenes oder geschnittenes VITROPERM® Band beliebiger Breite verarbeitet. Die Herstellung von Einzelteilen könnte auf Rollenscheren, Ablängautomaten oder an Stanzen erfolgen. Danach erfolgt die Wärmebehandlung der Einzelteile auf "Runde" Hystereseschleife bei 575°C und unter N ₂ oder H, Atmosphäre, wobei das Material in den nanokristallinen Zustand übergeführt wird. Anschließend werden die glasartig spröden Einzelteile geschichtet oder zu strukturiert gestapelten Paketen zusammengesetzt, wobei alle unter 1.) beschrieben Möglichkeiten realisierbar wären . Ein flexibles Abschirmteil erhält man durch Beschichten der wärmebehandelten Teile, der gestapelten Pakete oder der strukturiert gestapelten Pakete mit Klebefolie. Diese Klebefolie sollte vorzugsweise als lange Trägerfolie vorliegen, um im Anschluss wieder einen "Reel-to-Reel" Prozess zu ermöglichen. 3.) Wärmebehandlung am Coil => Folienverbund => Struktur durch Brechen => Abschirmfolie Den Startpunkt bildet direkt gegossenes oder geschnittenes

VITROPERM^ Band beliebiger Breite aufgewickelt zu Coils auf speziellen Trägern, Danach erfolgt die Wärmebehandlung der Coils auf "Runde" Hystereseschleife bei 575°C und unter N2 oder H2 At- mosphäre, wobei das Material in den nanokristallinen Zustand übergeführt wird. Das spröde Band wird nun in einem "Reel-to- Reel" Prozess beidseitig mit einem Klebeband beschichtet. Zur Steigerung der Güte wird hier eine andere Vorgehensweise zur inneren Strukturierung vorgeschlagen. In dem beschriebenen "Reel-to- Reel" Prozess muss der Folienverbund unter Zugspannung über eine scharfe Metallkante gezogen werden, um das sich zwischen den

Folien befindliche, spröde VITROPERM® Band in kleine Teile zu zerbrechen. Auch hier werden die Wirbelströme in der Materialebene räumlich eingeschränkt, die Verluste werden reduziert und der Gütefaktor steigt an.

Eine weitere Verarbeitung zu mehrlagigen Abschirmfolien oder Teilen wäre analog wie unter 1.) beschrieben möglich. Anstelle der erwähnten handelsüblichen einseitigen oder doppelseitigen Klebefolien, die zum Fixieren der Magnetmaterialschichten, oder zur Realisierung einer inneren Strukturierung notwendig sind, können auch andere Klebetechnologien, wie Heißklebefolien, pulverförmiger Heißkleber oder ähnliches eingesetzt werden. Tabelle 1

Die Nummern 1 bis 7 und 10 zeigen Vergleichsbeispiele für den Stand der Technik, die Nummern 8, 9 und 11 bis 17 zeigen erfindungsgemäße Beispiele .

In der Tabelle bezeichnet

Js : Sättigungspolarisation

Wärmebehandlung:

X _ Wärmebehandlung ohne Magnetfeld

F Wärmebehandlung im magnetischen Querfeld mit dem

Ergebnis einer Anisotropie quer zur Bandlängsrichtung Z _ Wärmebehandlung im magnetischen Längsfeld mit dem

Ergebnis einer Anisotropie entlang der Bandlängsrichtung Amorph - Die Probe liegt nach der Wärmebehandlung im amorphen Zustand vor

Nano - Die Probe liegt nach der Wärmebehandlung im nanokris- tallinen Zustand vor,

KF: mit Klebefolie kaschiert