Die Erfindung betrifft einen Magnetkern, der zum Einsatz in einem Stromwandler geeignet ist, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Magnetkerns und einen Stromwandler mit einem solchen Magnetkern.

Zur Erfassung des Energieverbrauchs elektrischer Geräte und Anlagen in Industrie und Haushalt werden Energiezähler eingesetzt. Das älteste dabei gebräuchliche Prinzip ist das des Ferraris-Zählers. Der Ferraris-Zähler basiert auf der Energiezählung über die Rotation einer mit einem mechanischen Zählwerk verbundenen Scheibe, die durch die strom-bzw. spannungsproportionalen Felder entsprechender Feldspulen angetrieben wird. Für die Erweiterung der Funktionsmöglichkeiten von Energiezählern wie z. B. für Mehrtarifbetrieb oder Fernablesung werden elektronische Energiezähler eingesetzt, bei denen die Strom-und Spannungserfassung über induktive Strom-und Spannungswandler erfolgt.

Eine spezielle Anwendung, bei der eine besonders hohe Genauigkeit gefordert ist, ist die Erfassung der Energieströme im Bereich der Elektrizitätsversorgungsunternehmen. Hier müssen zum einen die von den jeweiligen Kraftwerken erzeugten und in die Hochspannungsnetze eingespeisten Energiemengen präzise bestimmt werden, zum anderen sind für die Abrechnung die wechselnden Anteile von Verbrauch oder Lieferung im Verkehr zwischen den Energieversorgungsunternehmen von großer Bedeutung. Die hierfür eingesetzten Energiezähler sind Multifunktions-Einbaugeräte, deren Eingangssignale für Strom und Spannung aus dem jeweiligen Hoch-und

Mittelspannungsanlagen aber Kaskaden von Strom-und Spannungswandlern abgegriffen werden und deren Ausgangssignale zur digitalen und graphischen Registrierung bzw. Anzeige sowie zu Steuerungszwecken in den Schaltwarten dienen. Dabei dienen die netzseitig ersten Wandler zur potentialgetrennten Transformation der hohen Strom-und Spannungswerte, z. B. 1 bis 100 kA und 10 bis 500 kV, auf in Schaltschränken handhabbare Werte, die zweiten transformieren diese im eigentlichen Energiezähler auf die von der Meßelektronik benötigten Signalpegel im Bereich weniger 10 bis 100 mV.

Die Figur 1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines solchen Stromwandlers und die Bereiche der technischen Daten, wie sie in verschiedenen Anwendungen auftreten können. Gezeigt ist hier ein Stromwandler 1. Auf einem Magnetkern 4, der aus einem amorphen weichmagnetischen Band aufgebaut ist, befindet sich die Primärwicklung 2, die den zu messenden Strom Iprim führt und eine Sekundärwicklung 3, die den Meßstrom Isec führt. Der Sekundärstrom Isec stellt sich automatisch so ein, daß die Amperewindungen primär und sekundär im Idealfall gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sind. Der Verlauf der Magnetfelder in einem solchen Stromwandler ist in der Figur 2 dargestellt, wobei Verluste im Magnetkern nicht berücksichtigt sind. Der Strom in der Sekundärwicklung 3 stellt sich dann nach dem Induktionsgesetz so ein, daß er die Ursache seiner Entstehung, nämlich die zeitliche Änderung des magnetischen Flusses im Magnetkern 4, zu hindern versucht.

Im idealen Stromwandler ist daher der Sekundärstrom, multipliziert mit dem Verhältnis der Windungszahlen, negativ gleich dem Primärstrom, was durch Gleichung (1) veranschaulicht wird : <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> ideal<BR> <BR> <BR> Isec =-Iprim * (Nprim/Nsec) (1)

Dieser Idealfall wird wegen der Verluste im Bürdenwiderstand 5, im Kupferwiderstand 6 der Sekundärwicklung und im Magnetkern 4 nie erreicht.

Im realen Stromwandler weist daher der Sekundärstrom gegenüber der obigen Idealisierung einen Amplitudenfehler und einen Phasenfehler auf, was durch Gleichung (2) beschrieben wird : Amplitudenfehler Phasenfehl er : Die Ausgangssignale eines solchen Stromwandlers werden digitalisiert, multipliziert, integriert und gespeichert. Das Ergebnis ist eine elektrische Größe, die für die genannten Zwecke zur Verfügung steht.

Die zur Energiezählung in diesen Anwendungen eingesetzten elektronischen Energiezähler arbeiten"indirekt", so daß nur rein bipolare, nullsymmetrische Wechselströme im Zähler selbst gemessen werden müssen. Dazu dienen Stromwandler, die mit Magnetkernen aus hochpermeablen Werkstoffen aufgebaut sind und zur Erreichung geringer Meßfehler über einen kleinen Phasenfehler (p mit sehr vielen, d. h. typischerweise 2500 und mehr, Sekundärwindungen ausgestattet sein müssen.

Für die Abbildung rein bipolarer Ströme sind Stromwandler bekannt, deren Magnetkerne aus hochpermeablen kristallinen Legierungen, insbesondere Nickel-Eisen-Legierungen, bestehen, die ca. 80 Gew. % Nickel enthalten und unter dem Namen "Permalloy"bekannt sind. Diese weisen einen grundsätzlich sehr niedrigen Phasenfehler (p auf. Sie haben dabei aber den Nachteil, daß dieser Phasenfehler (p stark mit dem zu messenden Strom Iprim, was gleichbedeutend mit der Aussteuerung des Wandlerkerns ist, variiert. Für eine präzise Strommessung bei wechselnden Lasten mit diesen Wandlern ist

daher eine aufwendige Linearisierung im Energiezähler erforderlich.

Des weiteren sind Stromwandler bekannt, die auf der Basis eisenloser Luftspulen arbeiten. Dieses Prinzip ist als sogenanntes Rogowski-Prinzip bekannt. Hierbei entfällt der Einfluß der Aussteuerung auf den Phasenfehler. Da die Anforderungen an die Störsicherheit solcher Stromwandler jedoch sehr hoch sein müssen, um eine eichfähige Energiezählung zu ermöglichen, sind diese Konstruktionen mit aufwendigen Abschirmungen gegen äußere Felder ausgestattet, was einen hohen Material-und Montageaufwand bedeutet und daher kostenintensiv ist.

Ferner sind Lösungen bekannt, bei denen ein mit einem Luftspalt versehener (gescherter) Ferrit-Schalenkern als Magnetkern eingesetzt wird. Diese Stromwandler verfügen aber eine sehr gute Linearität, jedoch ist aufgrund der relativ niedrigen Permeabilität der Ferrite eine sehr hohe Windungszahl in Verbindung mit einem sehr großvolumigen Magnetkern erforderlich, um bei dem Stromwandler einen geringen Phasenwinkel zu erzielen. Diese auf Ferrit- Schalenkernen basierenden Stromwandler weisen ferner ebenfalls eine hohe Empfindlichkeit gegenüber externen Fremdfeldern auf, so daß auch dort Abschirmmaßnahmen getroffen werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Magnetkern anzugeben, der bei Einsatz in einem Stromwandler im Vergleich zum Stand der Technik eine höhere Meßgenauigkeit eines zu messenden Stroms gestattet. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Magnetkerns sowie ein Stromwandler mit einem solchen Magnetkern angegeben werden.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Magnetkern, der zum Einsatz in einem Stromwandler geeignet ist und der dadurch gekennzeichnet ist, daß er aus einem gewickelten Band aus

einer amorphen ferromagnetischen Legierung besteht, eine Sättigungspermeabilität aufweist, die größer als 20.000 und kleiner als 300.000 ist, eine Sättigungsmagnetostriktion aufweist, deren Betrag kleiner als 0,5 ppm ist und im wesentlichen frei von mechanischen Spannungen ist. Der Magnetkern weist eine magnetische Anisotropieachse auf, entlang der sich die Magnetisierung des Magnetkerns besonders leicht ausrichtet und die senkrecht zu einer Ebene ist, in der eine Mittellinie des Bandes verläuft, d. h. die senkrecht zur Richtung des gewickelten Bandes verläuft. Die Legierung weist eine Zusammensetzung auf, die im wesentlichen aus der Formel Coa (Fel-xMnx) bNicXdSieBfCg besteht, worin X zumindest eines der Elemente V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ge, P ist, a bis g in Atom-% angegeben sind und wobei a, b, c, d, e, f, g und x die folgenden Bedingungen erfüllen : 40 < a < 82i 3 < b 10 ; 0 < 7 < f < 26 ; 0 g 3 ; mit 15 d + e + f + g < 33 und 0 x 1.

Die Permeabilität bezieht sich auf eine angelegte Feldstärke, die in der Ebene liegt, in der die Mittellinie des Bandes liegt, und die hierdurch hervorgerufene Induktion.

Es hat sich gezeigt, daß bei einem solchen Magnetkern die Abhängigkeit der Permeabilität von der Magnetisierung sehr klein ist. Die Hystereseschleife des Magnetkerns ist also sehr schmal und linear.

Da die Permeabilität mit über 20.000 sehr groß ist und zudem im wesentlichen unabhängig von der Vormagnetisierung ist, sind der absolute Phasenfehler und der absolute Amplitudenfehler eines Stromwandlers mit einem solchen Magnetkern sehr klein. Der absolute Amplitudenfehler kann

kleiner als 1% 0 sein. Der absolute Phasenfehler kann kleiner als 0,1° sein.

Der Stromwandler weist neben dem Magnetkern mindestens eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung, zu der ein Bürdenwiderstand parallel geschaltet ist und der den Sekundärstromkreis niederohmig abschließt, auf.

Es hat sich ferner gezeigt, daß die Hystereseschleife des Magnetkerns eine hohe Linearität aufweist. So betragen ein Permeabilitätsverhältnis u/p < 1,1 und ein Permeabilitätsverhältnis plo/po, S < 1, 25, wobei uo, 5, U4, u1o und u1s die Permeabilitäten bei einer Feldamplitude H von 0.5,4,10 und 15 mA/cm sind.

Die kleine Sättigungsmagnetostriktion und die Ausrichtung der Anisotropieachse wirken sich besonders vorteilhaft auf die hohe Linearität der Hystereseschleife aus.

Aufgrund der guten Linearität weisen der Phasen-sowie der Amplitudenfehler im wesentlichen keine Abhängigkeit vom zu messenden Strom auf.

Da der absolute Phasenfehler, der absolute Amplitudenfehler und die Abhängigkeit der Fehler vom zu messenden Strom sehr klein sind, kann durch den Stromwandler eine sehr exakte Stromerfassung erfolgen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß mit der Legierung der beschriebenen Zusammensetzung durch eine geeignete Wärmebehandlung ein Magnetkern mit den beschriebenen Eigenschaften erzeugt werden kann. Dabei sind sehr viele Parameter aufeinander abgestimmt, damit der Magnetkern die beschriebenen Eigenschaften aufweist.

Im folgenden wird eine Wärmebehandlung, die ein Verfahren zur Herstellung eines Magnetkerns ist und ebenfalls die Aufgabe löst, beschrieben : Nach Herstellung und Wicklung des Bandes zum Magnetkern wird der Magnetkern auf eine Zieltemperatur (Entspannungstemperatur) zwischen 380°C und 500° C erhitzt.

Der Magnetkern wird von der Zieltemperatur auf Zimmertemperatur abgekühlt, wobei spätestens ab der Curie- Temperatur der Legierung ein Magnetfeld H > 100 A/cm, besser > 1000 A/cm eingeschaltet wird, das parallel zur zu erzeugenden Anisotropieachse des Magnetkerns ist. Die Curie- Temperatur Tc ist die Temperatur, bei der eine spontane Magnetisierung der Legierung einsetzt. Je nach Legierungszusammensetzung, die die Lage der Curietemperatur bestimmt und zu erzielendem Permeabilitätsniveau erfolgt die Abkühlung mit Raten zwischen 0,1 und 10 K/min. Der Temperatur-Zeit-Verlauf kann dabei stationär, nichtlinear, stetig oder unstetig sein. Die Abkühlzeit kann dabei zwischen 0,25 und 60 Stunden betragen.

Die Zieltemperatur ist so gewählt, daß sie unterhalb der Kristallisationstemperatur der Legierung liegt. Vorzugsweise liegt die Zieltemperatur mindestens 100°C unter der Kristallisationstemperatur der Legierung.

Ferner ist die Zieltemperatur so gewählt, daß bei den beschriebenen Legierungen eine sehr kleine Sättigungsmagnetostriktion erzielt wird. Die hierzu erforderliche Zieltemperatur hängt vom Verhältnis von Fe, Mn zu Co. Je größer dieses Verhältnis ist um so kleiner wird die Zieltemperatur gewählt, um eine möglichst kleine Sättigungsmagnetostriktion zu erhalten.

Durch das Erhitzen werden zugleich ein Ausgleich mechanischer Spannungen und eine kleine Sättigungsmagnetostriktion erzielt.

Eine besonders hohe Linearität der Hystereseschleife läßt sich erzielen, wenn das Verhältnis des mechanischen elastischen Spannungstensors des Magnetkerns multipliziert mit der Sättigungsmagnetostriktion zur uniaxialen Anisotropie kleiner als 0,5 ist.

Es hat sich gezeigt, daß die beschriebene Dauer zum Abkühlen dazu führt, daß bei zugleich hoher Sättigungspermeabilität eine für eine gute Linearität der Hystereseschleife ausreichend hohe Anisotropie erzielt wird. Durch die beschriebene Eliminierung von Magnetostriktion und Spannung wird es möglich, trotz sehr kleiner Werte der uniaxialen Anisotropie hochlineare Hystereseschleifen mit sehr hohen Permeabilitäten zu erzeugen. Je länger die Abkühlung im Magnetfeld dauert, um so kleiner ist die Sättigungspermeabilität und um so höher ist die Anisotropie.

Dies liegt daran, daß sich atomare Bereiche der Legierung, die magnetische Dipolmomente aufweisen, unterhalb der Curie- Temperatur im Magnetfeld nach und nach immer weiter räumlich ausrichten, so daß eine Vorzugsrichtung für die Magnetisierung gebildet wird, das heißt die Anisotropieachse gebildet wird. Je ausgeprägter diese Ausrichtung im Magnetfeld ist, um so größer wird die uniaxiale Anisotropie, aber um so niedriger wird die Permeabilität.

Die im Magnetfeld ablaufenden Ausrichtungsvorgänge hängen von der Temperatur in zweifacher Weise ab. Je höher die Temperatur ist, um so beweglicher sind die atomaren und um so leichter richten sie sich aus. Je tiefer die Temperatur ist, um so größer ist die treibende Kraft des Magnetfeldes auf die magnetischen Dipolmomente der atomaren Bereiche, das heißt, um so stärker ist die ausrichtende Kraft, die auf die atomaren Bereiche wirkt. Durch die beschriebene Dauer der Abkühlung wurden diese Faktoren optimal aufeinander abgestimmt, so daß bei zugleich hoher Permeabilität eine für gute Linearität ausreichend hohe Anisotropie erzielt wird.

Das Magnetfeld ist derart gewählt, daß die Sättigungsmagnetisierung des Magnetkerns in seiner axialen Richtung sicher erreicht ist.

Zur Erzielung hoher Permeabilitäten ist die Zusammensetzung der Legierung ist derart gewählt, daß die Curie-Temperatur bei Berücksichtigung anderer zu optimierender Parameter, z. B. einer hohen Sättigungsinduktion, möglichst klein ist Die Curie-Temperatur liegt beispielsweise zwischen 190°C und 270°C. Dies ist aus technischen und wirtschaftlichen Gründen vorteilhaft, da aus Linearitätsgründen unterhalb der Curie- Temperatur nicht feldfrei abgekühlt werden kann. Eine Absenkung der Curie-Temperatur wird zunächst dadurch erreicht, daß der Metalloidgehalt, d. h. der Anteil von Si und B angehoben wird, wobei die Sättigungsinduktion gleichzeitig auch absinkt. Werden dagegen Mn-Zusätze innerhalb der diskutierten Bereiche zugefügt, so kann eine Absenkung der Curie-Temperatur unter Beibehaltung der Sättigungsinduktion erzielt werden.

Gleichzeitig wird durch eine Erhöhung des Metalloidgehaltes unter Berücksichtigung anderer zu optimierender Parameter, wie z. B. der Sättigungsmagnetostriktion, eine Erhöhung der Kristallisationstemperatur erzielt. Dies ist vorteilhaft, da eine hohe Kristallisationstemperatur ein besseres Alterungsverhalten des Magnetkerns sowie eine hohe Zieltemperatur und damit einen besseren Ausgleich der mechanischen Spannung ermöglicht.

Ferner wurde bei der Wahl der Zusammensetzung der Legierung berücksichtigt, daß die Sättigungsinduktion des Magnetkerns möglichst groß ist. Dies ist vorteilhaft, da bei großer Sättigungsinduktion der Linearitätsbereich erweitert wird und damit ein höherer Strom zuverlässig gemessen werden kann, bevor die Sättigung erreicht und dadurch die Linearität der Stromabbildung zerstört wird. Die Sättigungsinduktion ist um

so größer, je größer das Verhältnis von Co, Fe, Mn zum Rest der Legierung ist. Gleichzeitig nimmt dadurch die Kristallisationstemperatur ab.

Aufgrund der hohen Permeabilität kann der Stromwandler bei zugleich exakter Stromerfassung ein besonders kleines Volumen aufweisen.

Hinsichtlich der geforderten Eigenschaften besonders gute Stromwandler lassen sich durch die Verwendung von amorphen, ferromagnetischen Legierungen verwirklichen, die einen Magnetostriktionswert l, Sl < 0,1 ppm 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 bis g in Atom-% angegeben sind und wobei a, b, c, d, e, f, g und x die folgenden Bedingungen erfüllen : 63 < a < 73 ; 3 < b < 10 ; 0 < c < 5 ; 0 < d <_ 3 ; 12 5 e < 19 ; 7 < f < 20 ; 0 g 3 mit 20 5 d + e + f + g < 30 und x < 0, 5.

Eine weitere Verbesserung läßt sich mit Stromwandlern erzielen, die als Wandlerkernwerkstoff amorphe, ferromagnetische Legierungen der obengenannten Art enthalten, bei denen a, b, c die folgende Bedingung erfüllen : 68 < a + b + c < 75.

Die obengenannten Legierungssysteme zeichnen sich durch sehr lineare, ausgesprochen schmale Hystereseschleifen aus, wobei eine Permeabilität u4 > 120000 bei einer Feldamplitude fi von 4 mA/cm mit dem beschriebenen Verfahren gut einstellbar ist.

Die erfindungsgemäßen Legierungssysteme sind nahezu magnetostriktionsfrei. Die Magnetostriktion wird vorzugsweise durch eine Wärmebehandlung eingestellt, so daß lineare Hystereseschleifen mit einem aufgrund der hohen Sättigungsinduktion von Bs = 0,5 bis 0,7 T weiträumig nutzbaren Induktionsbereich und einem sehr guten Frequenzgang bezüglich der Permeabilität und vergleichsweise niedrigen Ummagnetisierungsverlusten herstellbar sind.

Solche hochlinearen Stromwandler werden bei den besonders hervorgehobenen Legierungszusammensetzungen erreicht, da mit einer angepaßten Wärmebehandlung ein Nulldurchgang der Sättigungsmagnetostriktion eingestellt werden kann.

Zusätzlich kann ausgenutzt werden, daß bei der üblichen Wärmebehandlung zur Eigenschaftseinstellung die Temperaturabhängigkeit der Permeabilität im oder sehr nahe am Nulldurchgang liegt.

Aufgrund der hohen Sättigungsinduktion können sehr hohe Ströme gemessen werden, bevor die Sättigung erreicht und dadurch die Linearität der Stromabbildung gestört wird.

Durch eine Feinabstimmung des Verhältnisses von Silizium zu Bor sowie des Verhältnisses von Co, Fe, Mn zum Rest der Legierung, kann eine besonders hohe Sättigungsinduktion erzielt werden. Dabei läßt sich die Sättigungsinduktion durch Erhöhung des Anteils der ferromagnetischen Elemente Co und Fe, aber auch durch Mn gegenüber dem Gesamtmetalloidgehalt erhöhen. Darüber hinaus senkt Si aufgrund seiner 4 Valenzelektronen das magnetische Moment stärker ab als B mit nur 3 Valenzelektronen. Auf diese Weise läßt sich durch eine günstige Feinabstimmung von B zu Si die Sättigungsinduktion bei konstantem Gesamtmetalloidgehalt weiter erhöhen. Die mit sinkendem Metalloidgehalt negativer werdende Magnetostriktion muß dann allerdings wieder über den Fe-Gehalt soweit abgeglichen werden, daß der Nulldurchgang schließlich durch die Zieltemperatur erreicht werden kann.

Durch Feinabstimmung des Eisengehalts zum Mangangehalt kann bei Wahl einer geeigneten Zieltemperatur eine Sättigungsmagnetostriktion erzielt werden, deren Betrag kleiner als 0,1 oder gar 0,05 ppm ist. Aufgrund der kleinen Sättigungsmagnetostriktion ist die zur uniaxialen Anisotropie in Konkurrenz stehende Störanisotropie besonders klein. Damit läßt sich auch bei kleinen uniaxialen Anisotropien, die für eine hohe Permeabilität Voraussetzung sind, eine gute Linearität der Hystereseschleife erreichen.

Vorzugsweise weist der Magnetkern keinen Luftspalt auf. Ein Stromwandler mit einem Magnetkern ohne Luftspalt weist eine besonders hohe Immunität gegenüber externen Fremdmagnetfeldern ohne zusätzliche Abschirmmaßnahmen auf.

Der Magnetkern ist beispielsweise ein geschlossener, luftspaltloser Ringkern, Ovalkern oder Rechteckkern. Weist das Band, wie im Fall des Ringkerns eine Rotationssymmetrieachse auf, so ist die Anisotropieachse parallel zur Rotationssymmetrieachse.

Hinsichtlich der Wirbelstromverluste und damit dem Verlauf der Permeabilität hat sich als günstiger Bereich für die Banddicke des Bandes eine Dicke d < 26 um erwiesen. Um andererseits eine möglichst lineare schmale Hystereseschleife zu erreichen, hat sich eine Banddicke d > 15 um erwiesen. Bei den erfindungsgemäßen Legierungen läßt sich hierdurch der oberflächenbedingte Anteil der Störanisotropien überraschend stark absenken.

Besonders kleine Koerzitivfeldstärken und damit eine besonders gute Linearität der Hystereseschleife wird erzielt, wenn das Band zumindest an einer Oberfläche mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen ist. Dies bewirkt einerseits eine bessere Entspannung des Kerns, andererseits lassen sich durch die elektrisch isolierende Schicht auch besonders niedrige Wirbelstromverluste erreichen.

Das Band wird beispielsweise vor dem Wickeln an mindestens einer seiner beiden Oberflächen mit der elektrisch isolierenden Schicht versehen. Hierfür wird je nach Anforderung an die Güte der isolierenden Schicht, ein Tauch-, Durchlauf-, Sprüh-oder Elektrolyseverfahren am Band eingesetzt.

Alternativ wird der gewickelte Magnetkern vor Erhitzen auf die Zieltemperatur einer Tauchisolation unterzogen, so daß das Band mit der elektrisch isolierenden Schicht versehen wird. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Tauchverfahren bei Unterdruck herausgestellt.

Bei der Auswahl des isolierenden Mediums ist darauf zu achten, daß dieses einerseits auf der Bandoberfläche gut haftet, andererseits keine Oberflächenreaktion verursacht, die zu einer Schädigung der Magneteigenschaften führen kann.

Bei den hier in Rede stehenden Legierungen haben sich Oxide, Acrylate, Phosphate, Silikate und Chromate der Elemente Calzium, Magnesium, Aluminium, Titan, Zirkonium, Hafnium, Silizium als wirkungsvolle und verträgliche Isolatoren herausgestellt. Besonders effektiv ist dabei Magnesium, welches als flüssiges magnesiumhaltiges Vorprodukt auf die Bandoberfläche aufgebracht wird und sich während einer speziellen, die Legierung nicht beeinflussenden Wärmebehandlung in eine dichte magnesiumhaltige Schicht umwandelt, deren Dicke D zwischen 25 nm und 3 um liegen kann.

Bei den Temperaturen der oben beschriebenen Magnetfeldwärmebehandlung entsteht dann die eigentliche Isolatorschicht aus Magnesiumoxid.

Die Sekundärwicklung des Stromwandlers kann eine Windungszahl aufweisen, die kleiner oder gleich 2200 ist. Die Primärwicklung des Stromwandlers kann eine Windungszahl aufweisen, die gleich drei ist. Der Stromwandler kann für einen Primärstrom ausgelegt sein, der kleiner oder gleich 20A beträgt.

Das Erhitzen auf die Zieltemperatur erfolgt möglichst schnell. Beispielsweise erfolgt das Erhitzen auf die Zieltemperatur mit einer Rate zwischen 1 bis 15 K/min.

Der Magnetkern wird beispielsweise zwischen 0,25 und 4 Stunden auf der Zieltemperatur gehalten, um einen möglichst guten Ausgleich der mechanischen Spannungen zu erzielen.

Diese Zeit kann um so kürzer sein, je höher die Zieltemperatur ist.

Die Abkühlung zwischen der Entspannungstemperatur und der Curie-Temperatur erfolgt ebenfalls möglichst schnell, z. B. mit Raten von 0,5-10 K/min. Dabei reguliert die Abkühlrate den Anteil des freien Volumens und damit der atomaren Ausrichtungsfähigkeit, der bei tieferen Temperaturen zur Einstellung der Anisotropie zur Verfügung steht. Nach Erreichen der Curie-Temperatur wird im angelegten Feld, das senkrecht zur Richtung des Bandes steht, mit 0,1-5 K/min abgekühlt. Diese Abkühlrate wird so gewählt, daß unter der treibenden Kraft des magnetischen Feldes durch die atomare Reorientierung eine uniaxiale Anisotropie der gewünschten Größe entsteht. Da diese uniaxiale Anisotropie reziprok zur Permeabilität ist, läßt sich mit hohen Abkühlraten eine hohe Permeabilität einstellen.

Soll jedoch zur Linearisierung der Hystereseschleife oder zur Erhöhung der Anisotropiefeldstärke eine etwas höhere magnetfeldinduzierte uniaxiale Anisotropie eingestellt werden, so kann unterhalb der Curie-Temperatur ein stationäres Temperaturplateau eingefügt werden. Die Temperatur ist dabei so niedrig zu wählen, daß die magnetischen Momente möglichst hoch sind, andererseits aber auch so hoch, daß die Kinetik der Ausrichtungsvorgänge noch schnell genug abläuft. Je nach Wirkung kann die Länge des Temperaturplateaus bei angelegtem Magnetfeld zwischen 0,1 und 24 h betragen.

Zur Herstellung des Magnetkerns wird beispielsweise zunächst ein amorphes Band aus einer Schmelze mittels der an sich bekannten Rascherstarrungstechnologie, die beispielsweise in der DE 37 31 781 Cl beschrieben ist, hergestellt. Das amorphe Legierungsband wird anschließend spannungsfrei zum Magnetkern gewickelt. Dabei ist zur Verringerung der Störanisotropien vorzugsweise so zu verfahren, daß das Band eine geringe Oberflächenrauheit aufweist.

Die Wärmebehandlung wird so vorgenommen, daß sich der Wert der Sättigungsmagnetostriktion As während der Wärmebehandlung um einen von der Legierungszusammensetzung abhängigen Betrag in positive Richtung verändert, bis er im Bereich g ! < 0, 5 ppm, vorzugsweise g ! < 0,05 ppm liegt. Dieser Wert ist auch dann zu erreichen, wenn der Betrag von Bs im"as quenched"-Zustand des Bandes, d. h. also direkt nach dem Gießvorgang, deutlich über diesem Wert liegt.

Je nach eingesetzter Legierung kann dabei eine Bespülung des Magnetkerns mit einem reduzierenden oder wenigstens passiven Schutzgas erfolgen, so daß an der Bandoberfläche weder Oxidationen noch andere Reaktionen auftreten können, abgesehen von den in gewissen Fällen zulässigen selbstpassivierenden und gleichzeitig auch elektrisch isolierenden äußerst dünnen Metalloid-Oxidschichten.

Der so behandelte Magnetkern wird schließlich verfestigt, z. B. durch Tränken, Beschichten, Umhüllen mit geeigneten Kunststoffmaterialien und/oder Verkapselung und mit jeweils mindestens der Sekundärwicklung des Stromwandlers versehen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.

Figur 3 zeigt schematisch den Verlauf einer Wärmebehandlung eines Magnetkerns.

Figur 4 zeigt im Vergleich die Abhängigkeiten der Permeabilitäten des Magnetkerns und der Permeabilitäten von Permalloy-Kernen von einer Induktionsamplitude, die durch ein erregendes Magnetfeld erzeugt wird.

Figur 5 zeigt die Abhängigkeit des Amplitudenfehlers und des Phasenfehlers vom zu messenden Strom (Primärstrom).

Figur 6 zeigt schematisch den Magnetkern, der aus einem Band mit einer isolierenden Schicht besteht, und seine Anisotropieachse.

Figur 6 ist nicht maßstabsgetreu und zeigt zwecks besserer Anschaulichkeit nur wenige Windungen.

Mit einem nur 3,3 g schweren Magnetkern M aus einer amorphen ferromagnetischen Legierung der Zusammensetzung C°67, 7Fe3/8M°1, 5Sil6, sB10, s konnte ein Stromwandler mit einer Primärwindungszahl N1 = 3 und einer Sekundärwindungszahl N2 = 2000 hergestellt werden, der über einen Bürdenwiderstand von 100 Ohm im Sekundärstromkreis niederohmig abgeschlossen war.

Dazu wurde der Magnetkern M, der aus einem mit einer ca.

250nm dicken isolierenden Schicht S aus Magnesiumoxid beschichtenem Band B bestand, der in Figur 3 dargestellten Wärmebehandlung unterzogen. Zunächst wurde der Magnetkern M mit einer Rate von ca. 420 K/h innerhalb einer Stunde auf eine Zieltemperatur von ca. 458°C erhitzt und dort etwa 1,5 h gehalten. Anschließend erfolgte eine Abkühlung mit einer Rate von ca. 120 K/h innerhalb von ca. zwei Stunden auf ca. 220°C und mit einer Rate von ca. 60 K/h innerhalb von ca. drei Stunden auf Raumtemperatur. Die Abkühlung mit der Rate von 60 K/h erfolgte in einem transversalen Magnetfeld, das parallel zu einer Rotationssymmetrieachse des Magnetkerns M war. Dabei bildete sich eine zum Magnetfeld parallele Anisotropieachse A

aus, entlang der sich die Magnetisierung des Magnetkerns M besonders leicht ausrichtet (siehe Figur 6).

In diesem Beispiel wurde die Magnetostriktion durch die Wärmebehandlung von Bs =-13,5*10-8 auf den sehr kleinen Wert von-1,2*10-8 verringert. Gleichzeitig wurden die im gewickelten Magnetkern M zuvor existierenden mechanischen Spannungen annähernd vollständig eliminiert und so die Bedingung ! o0 erfüllt, wobei 6 der mechanische elastische Spannungstensor ist. Damit war die Voraussetzung für hohe Permeabilitäten geschaffen und es wurde tatsächlich u (50 Hz) = 177.000 erreicht. Es wurde also eine günstige Kombination mit hoher Permeabilität und sehr guter Linearität (d. h. IRsl~° und 161~0) erzielt.

Die Hystereseschleife war dabei so linear, daß die in Figur 4 dargestellte Aussteuerungsabhängigkeit der Permeabilität annähernd konstant verläuft. Vergleichbare Eigenschaften wurden auch bei Zieltemperaturen von Ta = 449°C gemessen. Zum Vergleich ist in Figur 4 die Aussteuerungsabhängigkeit der Permeabilität konventioneller Permalloy-Legierungen dargestellt.

Die nach Bewicklung am beschriebenen Stromwandler gemessenen Verläufe von Phasenfehler (p und Amplitudenfehler F sind in Figur 5 dargestellt. Dabei zeigt der Vergleich zu konventionellen Permalloy-Legierungen beispielhaft die Vorzüge von Stromwandlern aus magnetostriktionsfreien hochpermeablen Amorphkernen.

Der Stromwandler wies einen mittleren Phasenfehler (p von 0,19° und dabei eine Linearität des Phasenwinkels Ap über einen Strombereich von 0,1 bis 2 A von weniger als 0,02° auf.

Die Permeabilität dieser amorphen wärmebehandelten ferromagnetischen Legierung liegt bei einer Feldamplitude H von 4 mA/cm bei 192000. Bei dem verwendeten Magnetkern M

handelt es sich um einen Ringbandkern der Abmessungen 19 x 15 x 5 mm mit einem Eisenquerschnitt von AFe = 0,081 cm2.

Ähnlich gute Stromwandler konnten mit Magnetkernen aus folgenden Legierungen hergestellt werden : Co67,62Fe3,7Mol 5Sil6, 5BlO, 68 Co6g,2Fe3,9Mo1,5Si16,3B10,1 Co67,65Fe3,4Mnl, OSil6, 75Mo0, 2Bll, o Co68,3Fe3,4Mn1,0Si16,5Mo0,5B10,3 Co68, 2Fe4iNi4Sii4Co, 2Bll, 4.

Im Gegensatz zu diesen Beispielen wurden unter Einsatz einer der bereits beschriebenen Legierung (der Zusammensetzung Co67-7Fe3, gMoi 5Sii6, 5Bio, 5) deutlich schlechtere Magneteigenschaften erreicht, wenn die Wärmebehandlung in anderer Weise geführt wurde. In einer ersten Abwandlung wurde mit der Absicht noch besserer Entspannung die Zieltemperatur bis auf 510°C erhöht. Die in der Folge auftretende stark nichtlineare Hystereseschleife besaß jedoch aufgrund starker Störanisotropien durch einsetzende Kristallisation eine Anfangspermeabilität von nur noch 9.400.

Wurde die Entspannung dagegen bei T6 = 400°C durchgeführt, so verschlechterte sich die Linearität der Hystereseschleife ebenfalls, wobei in diesem Fall die Anfangspermeabilität bei 97.000 lag.

Nach einer schnellen Abkühlung im Querfeld mit 2,5 K/min anstatt mit 1 K/min (vgl. Figur 3) verrundete die Schleife wegen der nun extrem kleinen uniaxialen Anisotropie Ku ebenfalls. Die Anfangspermeabilität lag demzufolge nur bei 127.000.

Nach einer langsamen Abkühlung im Querfeld mit 0,5 K/min behielt die Schleife ihre ausgeprägte Linearität. Die größere uniaxiale Anisotropienergie führte jedoch ebenfalls zu einer reduzierten Permeabilität von nur 139.000.