Der Ferrari wird erschwinglich

Die weichmagnetische nanokristalline Legierung Fe73,5Cu1Nb3Si15,5B7 steht für eine relativ neue Materialgeneration mit exzellenten weichmagnetischen Eigenschaften: Sie lässt sich annähernd so hoch aussteuern wie Siliziumeisen (Trafoblech) und bietet teils bessere Hochfrequenzeigenschaften als Ferrite (niedrige Verluste und hohe Permeabilität). Erhältlich ist die universell einsetzbare Legierung seit Jahren unter Markennamen wie Finemet, Vitroperm oder Nanoperm. Sie zeichnet sich durch ein inzwischen erheblich besseres Preis-Leistungsverhältnis aus als amorphe Co-Legierungen, die Ende der 80er-Jahre mit vergleichbar hochwertigen Eigenschaften auf den Markt kamen.

Unabhängig von der Anwendung ergeben sich etliche Vorteile beim Einsatz von nanokristallinen Magnetkernen für induktive Bauelemente wie Drosseln und Transformatoren:

Hergestellt werden Nanoperm-Kerne in Form von extrem dünnen Bändern auf Basis kostengünstiger Vormaterialien wie Silizium und Eisen: Im so genannten Rascherstarrungsverfahren trifft ungefähr 1300 °C heiße metallische Schmelze auf ein schnell rotierendes, wassergekühltes Kupferrad. Dabei erstarrt das flüssige Metall in nur 1 ms. Es entsteht ein zunächst amorphes, nur etwa 20 µm dünnes Metallband, das mit einer Geschwindigkeit von über 100 km/h kontinuierlich aus der Schmelze extrahiert wird, ohne Kalt- oder Warmwalzen. Die aus dem Band hergestellten Ringbandkerne werden abschließend einer Wärmebehandlung unterzogen (innerhalb von längs und/oder quer wirkenden Magnetfeldern), bei der sich mikroskopische Kristallite mit typischen Korngrößen um 10 nm bilden – daher die Bezeichnung „nanokristallin“.

Der Bedarf an nanokristallinen Kernen in der Leistungselektronik ist stark angestiegen und wächst weiter. Der Grund liegt im Trend hin zu höheren Frequenzen und kompakteren Bauformen, also höheren Leistungsdichten. Unterschiedlichste Kerne, Transformatoren und Drosselspulen werden eingesetzt, etwa in EMV-Filtern für Umrichter und in allen Arten von Schaltnetzteilen, in Auslösetrafos für Schutzrelais und in Solarwechselrichtern. Vor allem die Prozesstechnik, die Medizintechnik und die Kfz-Industrie profitieren von den nanokristallinen Kernen.

Eine der Hauptanwendungen sind stromkompensierte Drosseln in EMV-Filtern für jegliche Art von getakteten Stromversorgungen, inklusive drehzahlveränderlicher Antriebe (Frequenzumrichter). Hier ergibt sich ein besonders großer Bauvolumenvorteil, da Permeabilität und Sättigungsinduktion um Faktoren höher liegen als bei den traditionell verwendeten Ferriten. Auf eine große Nachfrage stoßen auch die nanokristallinen Kerne Cool-Blue der Magnetec GmbH, Langenselbold, die vor schädlichen Motorlagerströmen in Umrichtersystemen schützen. Sie sind besonders bei großen und größten Leistungen von Nutzen wie in Windenergieanlagen mit 1 bis 3 MW oder in Anlagen der Druck- und Papierindustrie: Die Ringbandkerne reduzieren die Überspannungen an den Wicklungsklemmen und unterdrücken signifikant die asymmetrischen Störströme. Dadurch erhöht sich die Lebensdauer der Motoren drastisch.

Nanoperm-Kerne sind erhältlich in Form von Ringband-, Oval- und neuerdings auch Schnittbandkernen (Kernen mit Luftspalt). Die wesentlichen Materialeigenschaften verlaufen annähernd linear und zeigen eine relativ geringe Temperaturabhängigkeit. Einsatztemperaturen bis zu 180 °C sind möglich. Die Kerngeometrien umfassen einen Außendurchmesserbereich von rund 10 bis 500 mm, und Änderungen an der Ringbandgeometrie lassen sich ohne aufwendigen Werkzeugeinsatz realisieren.

Dr. Martin Ferch Technischer Geschäftsführer bei der Magnetec GmbH, Langenselbold

Nanokristalline Kerne sind kompakter