WO2001027946A1 - Interface module for a local data network - Google Patents

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WO2001027946A1
WO2001027946A1 PCT/EP2000/009882 EP0009882W WO0127946A1 WO 2001027946 A1 WO2001027946 A1 WO 2001027946A1 EP 0009882 W EP0009882 W EP 0009882W WO 0127946 A1 WO0127946 A1 WO 0127946A1
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alloy
interface module
permeability
module according
magnetic
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PCT/EP2000/009882
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Inventor
Johannes Beichler
Johannes Binkofski
Ralf Heindel
Dirk Heumann
Harald Hundt
Jörg PETZOLD
Norbert Preusse
Ulrich PÜTZ
Original Assignee
Vacuumschmelze Gmbh
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Publication date
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    • H01F1/01Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
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    • H01F3/04Cores, Yokes, or armatures made from strips or ribbons
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    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/14Inductive couplings

Definitions

  • the invention relates to an interface module for local data networks with at least one inductive component for coupling interface circuits to a data line used to connect computers.
  • Such modules are also referred to as A modules.
  • I DC 8mA
  • the number of turns for ferrites must be high, typically 20 to 40 turns for 100 Mbit / s Ethernet transmitters.
  • the high number of turns leads to manufacturing disadvantages, for example when designing the transformers using planar technology.
  • LAN interface modules with ferrite cores take up a lot of space.
  • the main inductance maintains its value even with a maximum direct current preload of 8 mA in a temperature range from -40 ° C to 85 ° C, but preferably up to 120 ° C.
  • the permeability of the ferrites mentioned at the outset, in particular the MnZn ferrites fluctuates in the temperature range from -40 ° C. to 120 ° C. in some cases by more than +/- 40%. These fluctuations are undesirable.
  • the task is solved by an inductive component with a magnetic core made of an amorphous cobalt-based alloy or a nanocrystalline iron-based alloy, which have permeabilities ⁇ > 30000.
  • the main frequency range extends from local data networks to 10 MHz (10 Mbit / s Ethernet) or up to 125 MHz (100 Mbit / s Ethernet) or even higher in the case of Gigabit Ethernet.
  • 10 Mbit / s Ethernet 10 Mbit / s Ethernet
  • 125 MHz 100 Mbit / s Ethernet
  • ferrite cores helps to achieve the required level of indication
  • I DC up to 8mA high number of turns necessary. These lead to high coupling and winding capacities as well as a large leakage inductance. These influences have a negative impact on the pulse shape, due to overshoots and long rise and fall times.
  • amorphous and nanocrystalline alloys can also be adjusted to average permeability values in the range from 12,000 to 80,000 and generally have a high degree of saturation.
  • nanocrystalline and amorphous alloys it is therefore possible to coordinate the geometric dimensions of a magnetic core, its permeability and the number of turns so that small designs are possible. It should be particularly emphasized that the number of turns can be set to optimal values, so that there is at the same time a low leakage inductance and winding capacity.
  • amorphous and nanocrystalline magnetic cores can be used to create interface modules that meet the requirements for the signal form in accordance with standards and are also characterized by a particularly small construction volume and the possibility of cost-effective production using planar technology.
  • Figure 1 shows an overview of part of a local data network
  • Figure 2 shows an embodiment of a circuit of inductive components in an interface module
  • Figure 3 is a diagram showing the dependency of the real part of the permeability in the serial equivalent circuit diagram for a nanocrystalline alloy and a ferrite;
  • Figure 4 is a diagram showing the dependence of the inductance in the parallel equivalent circuit diagram of a coil with a nanocrystalline magnetic core and a coil with a ferrite core on the direct current load;
  • FIG. 5 shows the temperature dependency of the permeability of amorphous and nanocrystalline alloys in comparison to the temperature dependence of the permeability of ferrites
  • FIG. 6 shows the frequency response of the real part of the permeability of a nanocrystalline alloy compared to a ferrite
  • FIG. 7 shows the frequency response of the inductance in the parallel replacement circuit diagram for a coil with a magnetic core made of a nanocrystalline alloy and for coils of ferrite cores;
  • FIG. 8 shows the frequency response of the ohmic resistance in the parallel equivalent circuit diagram for a magnetic core made of a nanocrystalline alloy
  • FIG. 9 shows the frequency response of the insertion loss that can be achieved with the nanocrystalline magnetic core from FIGS. 7 and 8; and
  • Figure 10 shows an example of a flat hysteresis loop of a magnetic core made of a nanocrystalline alloy.
  • Local data networks or LANs are used to connect computers (PCs, workstations, mainframes) for data transmission over short distances.
  • LANs Local Area Networks
  • transmission standards IEEE 802.3, Ethernet, IEEE 802.4 (Token Bus), IEEE 802.5 (Token Ring), transmission rates (e.g. 10 MBit / s, 100 MBit / s for Ethernet) and physical transmission medium (RG58 coaxial cable, twisted pair , Fiber optic, etc.)
  • Computers can be interconnected via different topologies (star, bus, ring), thereby, as shown in FIG.
  • the interface module 5 in FIG. 2 comprises a transformer 7, as well as current-compensated chokes 8, which each have magnetic cores 9.
  • the magnetic cores 9 can be made of the same or different material.
  • the interface module can have further inductive components such as transformer, throttle and filter components.
  • Ethernet as systems representative of all these LAN technologies.
  • the main frequency range of the signals is ⁇ 10 MHz for 10 Mbit / s Ethernet and ⁇ 125 MHz for 100 Mbit / s Ethernet.
  • Interface modules 5 however, higher transmission rates (e.g. for Gigabit Ethernet) are also conceivable.
  • the inductive components presented here are inductive components for the LAN interface module 5, which contain the magnetic core 9 in the form of a small metal band core made of an amorphous or nanocrystalline alloy instead of a ferrite core.
  • This receives its standard-compliant properties through an optimized combination of strip thickness, alloy and heat treatment in the magnetic field as well as core technological manufacturing steps.
  • a first basic requirement is that the inductance of the LAN transmitter 7 is greater than 350 ⁇ H at 100 kHz. This must be ensured in the entire temperature range from 0 to 70 ° C or even from -40 ° C to + 85 ° C, possibly even from -40 ° C to + 120 ° C, with a direct current of up to 8 mA. 3, 4 and 5 show, this requirement was met with a correctly coordinated alloy, core dimension and winding, for example with nanocrystalline, but also with amorphous alloys.
  • FIG. 3 is a diagram in which the real part of the permeability is plotted in the serial equivalent circuit diagram against the strength of the constant field.
  • the solid curve shows the dependence of the real part of the permeability of the nanocrystalline alloy (FeCuNb) 77.5 (SiB) 22/5
  • the dashed curve shows the dependence of the real part of the permeability of a MnZn ferrite with the trade name (“Ferronics B ”) implies.
  • Figure 4 shows the ideal inductance of the transformer 7 as a function of the DC bias.
  • the dashed line is the ideal inductance of a transmitter with an MnZn ferrite core (“Ferronics B”) with an initial permeability of] x x - 5000 and 20 turns. From FIG. 4 it can be seen that the transmitter 5 with the magnetic core 9 made of the nanocrystalline alloy meets the requirements despite the small number of turns fulfilled much better than the transformer with the ferrite core.
  • FIG. 5 shows the relative change in permeability based on the permeability at room temperature in percent for different materials.
  • a first steeply rising curve represents the temperature change of a MnZn ferrite with the trade name "Siferrit N27".
  • the permeability of a further MnZn ferrite (“Ferronics B”) fluctuates in the temperature range from -40 to 120 ° C by more than +/- 40%.
  • the relative change in permeability for the nanocrystalline Fe7 3.5 Cu ⁇ Nb 3 Si ⁇ s, 5 B 7 and the amorphous (CuFi) 72 (MuMnSiB) 2B is in the range of +/- 20%.
  • a second basic requirement is that the insertion loss a E of the transmitter 7 is as low as possible over the entire frequency range.
  • a E values of well below 1 dB can be achieved at f> 100 kHz.
  • the insertion loss decreases with increasing value for R p .
  • R p is the ohmic resistance in the parallel equivalent circuit diagram for the transformer 7, which represents the remagnetization losses in the magnetic core 9 and the ohmic copper losses of the winding.
  • the relationship p mec h can be related
  • R p (f) 2 * ⁇ r N ⁇ * 1 / Pmech J (A Fe / l Fe ⁇ * B 7P Fe ( f
  • Pre (f) represents the frequency response of the specific total losses, which in turn depend on the hysteresis and the band properties. At the frequencies considered here of more than 100 kHz and extremely linear hysteresis loops, however, only play 8th
  • R p values can also be achieved with the low number of turns sought here.
  • particularly high R p values can be achieved with the lowest possible strip thicknesses of ⁇ 20 ⁇ m, better ⁇ 17 ⁇ m or, if possible, even ⁇ 14 ⁇ m.
  • the R p value can be further improved by coating at least one strip surface with an electrically insulating medium, which must have a small dielectric number of ⁇ r ⁇ 10.
  • a third basic requirement is that the leakage inductance L s of both the transformer 7 and the current-compensated chokes 8 is as small as possible. This is based on the requirements of ANSI X3.263 1995 points 9.1.3. (Flooding of the signal), 9.1.6. (Rise times of the signal) and 9.1.5. (Reflection loss requirements). A large leakage inductance causes an overshoot and a long rise time of the signal. At higher signal frequencies, the reflection attenuation is reduced by a large scattering ductility. Because of the core geometry used
  • the magnetic cores 9 have a high saturation induction of B s > 0.55 T, preferably> 0.9 T, better> 1 T and a linear hysteresis loop with a saturation to remanence ratio B r / B s ⁇ 0.2, preferably
  • the magnetostriction-free nanocrystalline materials based on Fe are characterized by a particularly high saturation induction of 1.1 T or more.
  • a list of all considered and suitable alloy systems can be found below.
  • a typical loop shape can be seen in FIG. 10. Such a hysteresis loop can be achieved, for example, by the production steps described below:
  • Mg which is applied to the strip surface as a liquid magnesium-containing preliminary product and, during a special heat treatment that does not affect the alloy, is converted into a layer of MgO, the thickness of which can be between 50 n and 1 ⁇ m ,
  • the magnetic core 9 consists of an alloy which is suitable for setting a nanocrystalline structure or not.
  • Magnetic cores 9 made of alloys which are suitable for nanocrystallization are subjected to a precisely coordinated crystallization heat treatment for adjusting the nanocrystalline structure, which is between 450 ° C. and 690 ° C. depending on the alloy composition. Typical holding times are between 4 minutes and 8 hours. Depending on the alloy, this heat treatment can be carried out in a vacuum or in a passive or reducing protective gas. In all cases, material-specific cleanliness conditions must be taken into account, which can be brought about by appropriate aids such as element-specific absorber or getter materials.
  • annealing is carried out either in a field-free manner or in a magnetic field along the direction of the wound strip (“longitudinal field”) or transversely thereto (“transverse field”) in order to achieve high permeability values.
  • longitudinal field the direction of the wound strip
  • transverse field transversely thereto
  • a combination of two or even three of these magnetic field constellations may be necessary in succession or in parallel.
  • the magnetic properties ie the linearity and the slope of the hysteresis loop
  • temperatures between 350 ° C and 690 ° C are required. Due to the kinetics of the atomic reorientation processes, the lower the cross-field temperature, the higher the resulting permeability values.
  • This magnetic field heat treatment is either combined directly with the crystallization heat treatment or carried out separately.
  • the magnetic properties ie the shape and gradient of the linear flat hysteresis loop
  • the magnetic properties are created by a heat treatment in a magnetic field that runs parallel to the axis of symmetry of the magnetic core 9 - that is, perpendicular to the band direction.
  • Favorable management of the heat treatment takes advantage of the fact that the value of the saturation agnostriction changes during the heat treatment in a positive direction, depending on the alloy composition, until it reaches the range ⁇ s
  • a reducing for example NH 3 , H 2 , CO
  • passive or even weakly oxidizing protective gas for example He, Ne, Ar, N 2 , C0 2
  • Oxidation or other reactions can occur. Nor can solid-state physical reactions due to diffusing protective gas be allowed to take place inside the material.
  • Particularly small magnetic cores 9 for LAN transmitters 7 can be achieved if the amorphous alloys used on the one hand have low Curie temperatures of, for example, less than 250 ° C., but on the other hand still have a sufficiently high saturation induction of, for example, 0.65 Tesla or more.
  • contradictory combinations can be achieved by gradually increasing the metalloid content (eg Si, B etc.) of the alloy and / or at the same time adding an antiferromagnetic element such as Mn in the range of less at% of the alloy.
  • the wound magnetic core 9 in the form of a metal strip core must be relaxed by means of a relaxation anneal even at the smallest magnetostriction values.
  • the temperature required for this is to be set so high that the relaxation kinetics on the one hand proceed sufficiently quickly, but on the other hand no crystallization occurs yet. This procedure is particularly effective when the crystallization and Curie temperatures are far more than 100 ° C apart, which is the case with the amorphous alloys with high metalloid content used here. 14
  • the magnetic cores 9 are electrically insulated (for example surface passivated, coated, whirl sintered or encapsulated in a plastic housing), provided with the primary and secondary windings and, if appropriate, glued or cast in the component housing. It is also possible to use a structure in so-called planar technology. This method is independent of whether the magnetic core 9 consists of amorphous or nano-crystalline material. Due to the brittleness, however, the mechanical handling of the tempered nanocrystalline magnetic cores 9 must be carried out with particular care. 15
  • the main inductance of the magnetic core 9 in the form of a wound metal strip core must meet the following condition:
  • the main inductance fulfills this value even with a maximum direct current preload of 8 mA in a temperature range from -40 ° to 85 ° C, when using nanocrystalline alloys also up to 120 ° C.
  • the error in the hysteresis loop of the magnetic core 9 is so small that the ratio of permeability ⁇ to the mean permeability ⁇ is in the range
  • Bs / 100 to 0.8 B s applies: 1.2> ⁇ (B) / ⁇ > 0.8, preferably 1.1> ⁇ (B) / ⁇ > 0.9, B likewise in the interval B s / 100 to 0.8 B 3 .
  • the cross-section tempering for predetermined values of the main inductance results for example, in the typical dimensions of the magnetic core 9 shown in Table 1, the dimensions being in the order of the outside diameter, inside diameter and height of the ring ring core present magnetic core 9 are specified.
  • the LAN interface modules 5 realized with these magnetic cores 9 have a large volume advantage over the ferrite cores due to their design, the high permeability and the high saturation induction of the metal strip cores used.
  • equation (1) is decisive for the dimensioning of inductive components with nanocrystalline or amorphous metal cores.
  • the number of turns N must not be chosen too small, since otherwise the insertion loss will be too great due to the too low R p resistance of the transformer 7.
  • small numbers of turns result in high leakage inductances, which cause overshoot and a long rise time for the signal.
  • An increase in the number of turns also leads to a smaller signal modulation B ac and thus to a lower distortion factor.
  • the transformer 7 therefore preferably has average turns between 5 and 25 turns. 18
  • alloy systems are described below. It has been found that the alloy systems described below can be used to produce inductive components for the interface modules 5 with particularly linear hysteresis loops and small designs, all of which have properties that conform to the standards, while complying with the conditions mentioned above.
  • Co a 40 - 82 at% preferably 55 ⁇ a ⁇ 72 at%
  • Ni d 0 - 30 at% preferably d ⁇ 20 at%
  • M e 0-5 at% preferably e ⁇ 3 at%
  • Si x 0 - 18 at% preferably x> 1 at%
  • the value of the saturation magnetostriction with a heat treatment matched to the alloy composition certainly reaches particularly small values of
  • the occurrence of harmful magnetoelastic resonances of the ring-shaped magnetic core 9 is thereby avoided. At certain frequencies of the induction curve, these led to drops in the permeability and / or to increased magnetic reversal losses.
  • a second alloy system has the composition Fe x Cu y M z SivBw, where M is an element from the group Nb, W,
  • M z 1 - 6 at% preferably 2 - 4 at%
  • Si v 6.5 - 18 at% preferably 14 - 17 at%
  • Alloys of this system have proven to be very suitable for the transformer 7 because of their linear loop shape and their very good frequency behavior. Particularly good properties are achieved in the alloy compositions highlighted as “preferred”, since here, just as in the alloy system 1, a zero crossing of the saturation magnetostriction can be set. It was also found here that the combination of a high specific electrical resistance from 1.1 to
  • high values for the gyromagnetic cutoff frequency, which ultimately depends on B s / ⁇ , are achieved. The latter is an important prerequisite for high permeabilities in the MHz range.
  • the temperature characteristic of the magnetic cores 9 can be specifically adjusted via the heat treatment to adjust the permeability. This can give rise to application-specific advantages that cannot be realized otherwise, particularly in harsh environmental conditions, such as can occur in telecommunications equipment.
  • Nb z 2 - 5 at% preferably 3 - 4 at%
  • Cu w 0.5 - 1.5 at%, preferably 1 at%, where y + z> 5 at%, preferably 7 at%, and y + z + v> 11, preferably 12 - 16 at%.
  • interface modules 5 can again be realized with particularly small designs.
  • alloy systems 2 to 5 are given a fine crystalline structure with grain diameters below 100 nm. These grains are surrounded by an amorphous phase, which however takes up less than 50% of the material volume.
  • All alloy systems 1 to 5 are characterized by the following properties:
  • the size of the fine-crystalline grain can be achieved through a targeted coordination of the heat treatment, the metalloid content and the content of refractory metals.
  • the saturation reduction can be fine-tuned by choosing the content of Ni, Co, M, Si, B and C.
  • the thickness of which can be less than 17 ⁇ m
  • the amorphous, distant or nanocrystalline alloys in Table 2 are characterized by particularly high saturation modulation values of up to 1.7 Tesla. These allow comparatively high permeability values, which gives advantages in terms of size and wrapping compared to remote transmitters.

Abstract

The invention relates to an interface module for a local data network comprising a series of inductive components (7,8) which connect the interface circuit (3, 4) to a data line (6). Said inductive components and in particular the translator (8) have a magnetic core (9) constructed from amorphous or nanocrystalline alloys and are characterized by a particularly small construction volume.

Description

Beschreibungdescription
Schnittstellenmodule für lokale DatennetzwerkeInterface modules for local data networks
Die Erfindung betrifft ein Schnittstellenmodul für lokale Datennetzwerke mit wenigstens einem induktiven Bauelement zur Kopplung von Schnittstellenschaltungen an eine der Verbindung von Rechnern dienende Datenleitung.The invention relates to an interface module for local data networks with at least one inductive component for coupling interface circuits to a data line used to connect computers.
Derartige Module werden auch als A -Module bezeichnet. In LAN-Schnittstellenmodulen wurden bisher Ringkerne aus hoch permeablen Ferritmaterial (typisch μ = 5000) für Übertrager und Drosseln eingesetzt. Um die erforderliche Hauptinduktivi - tat auch mit IDC = 8mA zu erreichen, muss bei Ferriten die Windungszahl hoch ausgelegt werden, typischerweise 20 bis 40 Windungen bei 100 Mbit/s-Ethernet-Übertragern. Die hohe Win- dungszahl führt zu einem zu fertigungstechnischen Nachteilen, z.B. bei der Ausführung der Übertrager in Planartechnik. Aus- serdem beanspruchen LAN-SchnittStellenmodule mit Ferritkernen viel Platz.Such modules are also referred to as A modules. So far, ring cores made of highly permeable ferrite material (typically μ = 5000) have been used for transformers and chokes in LAN interface modules. In order to achieve the required main inductance with I DC = 8mA, the number of turns for ferrites must be high, typically 20 to 40 turns for 100 Mbit / s Ethernet transmitters. The high number of turns leads to manufacturing disadvantages, for example when designing the transformers using planar technology. In addition, LAN interface modules with ferrite cores take up a lot of space.
Desweiteren ist eine Anforderung bei LAN-Schnittstellenmodu- len, dass die Hauptinduktivität ihren Wert auch bei einer maximalen Gleichstromvorbelastung von 8mA in einem Temperaturbereich von -40°C bis 85°C aber vorzugsweise bis 120° C beibehält. Die Permeabilität der eingangs genannten Ferrite, insbesondere der MnZn-Ferrite , schwankt jedoch im Temperatur- bereich von -40°C bis 120°C um zum Teil mehr als +/-40%. Diese Schwankungen sind unerwünscht.Furthermore, it is a requirement for LAN interface modules that the main inductance maintains its value even with a maximum direct current preload of 8 mA in a temperature range from -40 ° C to 85 ° C, but preferably up to 120 ° C. However, the permeability of the ferrites mentioned at the outset, in particular the MnZn ferrites, fluctuates in the temperature range from -40 ° C. to 120 ° C. in some cases by more than +/- 40%. These fluctuations are undesirable.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Schnittstellenmodule mit wenigstens einem induktiven Bauelement zu schaffen, das sich für den Einsatz in lokalen Datennetzwerken eignet und ein kleines Bauvolumen aufweist sowie eine hervor- laIt is therefore an object of the present invention to provide interface modules with at least one inductive component which is suitable for use in local data networks and has a small structural volume and an outstanding la
ragende Temperaturstabilität der Permeabilität in einem Temperaturbereich von -40°C bis 120°C aufweist.excellent temperature stability of permeability in a temperature range from -40 ° C to 120 ° C.
Erfundungsgemäß wird die Aufgabe durch ein induktives Bauele- ment mit einem Magnetkern aus einer amorphen Kobaltbasislegierung oder einer nanokristallinen Eisenbasislegierung gelöst, die Permeabilitäten μ>30000 aufweisen.According to the invention, the task is solved by an inductive component with a magnetic core made of an amorphous cobalt-based alloy or a nanocrystalline iron-based alloy, which have permeabilities μ> 30000.
Typischerweise reicht der Hauptfrequenzbereich von lokalen Datennetzwerken bis 10 MHz (lOMbit/s Ethernet) bzw. bis 125 MHz (100 Mbit/s Ethernet) oder im Fall von Gigabit-Ethernet sogar noch höher. Wie oben erwähnt, sind bei Verwendung von Ferritkernen zum Erreichen der erforerlichen Indiktivitat bei Typically, the main frequency range extends from local data networks to 10 MHz (10 Mbit / s Ethernet) or up to 125 MHz (100 Mbit / s Ethernet) or even higher in the case of Gigabit Ethernet. As mentioned above, the use of ferrite cores helps to achieve the required level of indication
IDC bis 8mA hohe Windungszahlen notig. Diese fuhren zu hohen Koppel- und Wicklungskapazitaten sowie zu einer großen Streu- induktivitat . Diese Einflüsse wirken sich nachteilig auf die Impulsform aus, und zwar durch Überschwinger sowie große An- stiegs- und Abfallzeiten.I DC up to 8mA high number of turns necessary. These lead to high coupling and winding capacities as well as a large leakage inductance. These influences have a negative impact on the pulse shape, due to overshoots and long rise and fall times.
Es besteht zwar die Möglichkeit bei amorphen und nanoknstal- lmen Legierungen die Permeabilität durch ein entsprechendes Herstellungsverfahren sehr hoch einzustellen, aber dies hatte zur Folge, daß die Magnetkerne leicht in Sättigung gehen. Amorphe und nanokristalline Legierungen lassen sich jedoch auch auf mittlere Permeabilitatswerte im Bereich von 12000 bis 80000 einstellen und verfugen im allgemeinen über eine hohe Sattigungsmduktion. Es ist daher bei nanokristallmen und amorphen Legierungen möglich, die geometrischen Abmessungen eines Magnetkerns, seine Permeabilität und die Windungs- zahl so aufeinander abzustimmen, daß kleine Bauformen möglich werden. Besonders hervorzuheben ist, daß die Windungszahlen auf optimale Werte eingestellt werden können, so daß sich gleichzeitig eine geringe Streumduktivitat und Wicklungska- pazitat ergibt. Somit lassen sich mit amorphen und nanokristallmen Magnetkernen Schnittstellenmodule schaffen, die die Anforderungen an die Signalform normgerecht erfüllen und sich zusätzlich durch ein besonders kleines Bauvolumen sowie die Möglichkeit zur kostengünstigen Fertigung in Planartechnik auszeichnen.Although it is possible to set the permeability very high in the case of amorphous and nanoknstall alloys by a corresponding manufacturing process, this has the consequence that the magnetic cores easily go into saturation. However, amorphous and nanocrystalline alloys can also be adjusted to average permeability values in the range from 12,000 to 80,000 and generally have a high degree of saturation. With nanocrystalline and amorphous alloys, it is therefore possible to coordinate the geometric dimensions of a magnetic core, its permeability and the number of turns so that small designs are possible. It should be particularly emphasized that the number of turns can be set to optimal values, so that there is at the same time a low leakage inductance and winding capacity. This means that amorphous and nanocrystalline magnetic cores can be used to create interface modules that meet the requirements for the signal form in accordance with standards and are also characterized by a particularly small construction volume and the possibility of cost-effective production using planar technology.
Für den Einsatz in Schnittstellenmodulen für lokale Datennetzwerke besonders geeignete Legierungen sind Gegenstand der abhangigen Ansprüche.Alloys which are particularly suitable for use in interface modules for local data networks are the subject of the dependent claims.
Nachfolgend wird die Erfindung naher anhand der beigefugten Zeichnung erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to the attached drawing. Show it:
Figur 1 ein Übersicht über ein Teil eines lokalen Datennetzwerks; Figur 2 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung von induktiven Bauelementen in einem Schnittstellenmodul;1 shows an overview of part of a local data network; Figure 2 shows an embodiment of a circuit of inductive components in an interface module;
Figur 3 ein Diagramm, das die Abhängigkeit des Realteils der Permeabilität im seriellen Ersatzschaltbild für eine nanokristalline Legierung und einen Ferrit darstellt;Figure 3 is a diagram showing the dependency of the real part of the permeability in the serial equivalent circuit diagram for a nanocrystalline alloy and a ferrite;
Figur 4 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Induktivität im Parallel-Ersatzschaltbild einer Spule mit einem nanokristallinen Magnetkern und einer Spule mit einem Ferritkern von der Gleichstrombelastung darstellt;Figure 4 is a diagram showing the dependence of the inductance in the parallel equivalent circuit diagram of a coil with a nanocrystalline magnetic core and a coil with a ferrite core on the direct current load;
Figur 5 die Temperaturabhängigkeit der Permeabilität von amorphen und nanokristallinen Legierungen im Vergleich zu der Temperaturabhängikeit der Permeabilität von Ferriten;FIG. 5 shows the temperature dependency of the permeability of amorphous and nanocrystalline alloys in comparison to the temperature dependence of the permeability of ferrites;
Figur 6 den Frequenzgang des Realteils der Permeabilität einer nanokristallinen Legierung im Vergleich zu einem Ferrit;FIG. 6 shows the frequency response of the real part of the permeability of a nanocrystalline alloy compared to a ferrite;
Figur 7 den Frequenzgang der Induktivität im Parallelersatz- Schaltbild für eine Spule mit einem Magnetkern aus einer nanokristallinen Legierung und für Spulen von Ferritkernen;FIG. 7 shows the frequency response of the inductance in the parallel replacement circuit diagram for a coil with a magnetic core made of a nanocrystalline alloy and for coils of ferrite cores;
Figur 8 den Frequenzgang des Ohmschen Widerstands im Paral- lelersatzschaltbild für einen Magnetkern aus einer nanokristallinen Legierung;FIG. 8 shows the frequency response of the ohmic resistance in the parallel equivalent circuit diagram for a magnetic core made of a nanocrystalline alloy;
Figur 9 den Frequenzgang der mit dem nanokristallinen Magnetkern aus Figur 7 und 8 erzielbaren Einführungs- dämpfung; und Figur 10 ein Beispiel für eine flachen Hystereseschleife eines Magnetkerns aus einer nanokristallinen Legierung.FIG. 9 shows the frequency response of the insertion loss that can be achieved with the nanocrystalline magnetic core from FIGS. 7 and 8; and Figure 10 shows an example of a flat hysteresis loop of a magnetic core made of a nanocrystalline alloy.
Lokale Datennetzwerke oder LANs (Local Area Networks) dienen der Verbindung von Rechnern (PCs, Workstations, Mainframes) zur Datenübertragung über kurze Strecken. Man unterscheidet LANs nach Ubertragungsstandards (IEEE 802.3, Ethernet, IEEE 802.4 (Token Bus), IEEE 802.5 (Token Ring), Übertragungsraten (z.B. 10 MBit/s, 100 MBit/s für Ethernet) und physikalischem Ubertragungsmedium (RG58-Koaxιalkabel, Twisted Pair, Glasfaser, usw.). Rechner können über verschiedene Topologien (Stern, Bus, Ring) zusammengeschaltet werden. Dabei werden, wie m Fig. 1 dargestellt, Zentral-Emheiten 1 wie Hubs, Switches, Bridges und Router sowie Netzkarten 2 (NICs = Network Interface Cards) m den Rechnern benotigt. Zur Übertragung der Daten der physikalischen Schicht wird m diesen Geraten und Karten ein Logik-Baustein 3 (Baustein für die physikalische Schicht) verwendet, der entweder direkt oder über einen Sender-Empfanger-Baustem 4 (Transceiver) an ein LAN-Schnittstellenmodul 5 gekoppelt wird. Dieses LAN- Schnittstellenmodul 5 stellt dann die Verbindung zu einer Da- tenle tung 6 her.Local data networks or LANs (Local Area Networks) are used to connect computers (PCs, workstations, mainframes) for data transmission over short distances. A distinction is made between LANs according to transmission standards (IEEE 802.3, Ethernet, IEEE 802.4 (Token Bus), IEEE 802.5 (Token Ring), transmission rates (e.g. 10 MBit / s, 100 MBit / s for Ethernet) and physical transmission medium (RG58 coaxial cable, twisted pair , Fiber optic, etc.) Computers can be interconnected via different topologies (star, bus, ring), thereby, as shown in FIG. 1, central units 1 such as hubs, switches, bridges and routers and network cards 2 (NICs = Network Interface Cards) m are required for the transmission of the data of the physical layer to these devices and cards, a logic module 3 (module for the physical layer) is used, either directly or via a transmitter-receiver module 4 (transceiver ) is coupled to a LAN interface module 5. This LAN interface module 5 then establishes the connection to a data line 6.
In Figur 2 ist ein Ausfuhrungsbeispiel des Schnittstellenmoduls 5 dargestellt. Das Schnittstellenmoduls 5 in Figur 2 umfaßt einen Übertrager 7, sowie stromkompensierte Drosseln 8, die jeweils Magnetkerne 9 aufweisen. Die Magnetkerne 9 können aus demselben oder aus unterschiedlichen Material sein. Neben den in Figur 2 dargestellten Bauelementen kann das Schnittstellenmodul weitere induktive Bauelemente wie Übertrager-, Drossel- und Filterbauelemente aufweisen.An exemplary embodiment of the interface module 5 is shown in FIG. The interface module 5 in FIG. 2 comprises a transformer 7, as well as current-compensated chokes 8, which each have magnetic cores 9. The magnetic cores 9 can be made of the same or different material. In addition to the components shown in FIG. 2, the interface module can have further inductive components such as transformer, throttle and filter components.
Im folgenden beschranken wir uns bei der Beschreibung auf LAN-Schnittstellenmodule 5 für 10 MBit/s- und lOOMBit/s-In the following, we restrict ourselves to LAN interface modules 5 for 10 MBit / s and LOOMBit / s.
Ethernet als für alle diese LAN-Technologien repräsentative Systeme. Der Hauptfrequenzbereich der Signale ist < 10 MHz für 10 MBit/s-Ethernet und < 125 MHz für 100 MBit/s- Ethernet. Mit den hier vorgestellten LAN-Ethernet as systems representative of all these LAN technologies. The main frequency range of the signals is <10 MHz for 10 Mbit / s Ethernet and <125 MHz for 100 Mbit / s Ethernet. With the LAN
Schnittstellenmodulen 5 sind jedoch auch höhere Übertragungsraten (z.B. für Gigabit-Ethernet) vorstellbar.Interface modules 5, however, higher transmission rates (e.g. for Gigabit Ethernet) are also conceivable.
An die im LAN-Schnittstellenmodul 5 eingesetzten induktiven Bauelemente sind die folgenden Anforderungen gestellt: a) inimales Bauvolumen b) Eignung für die verschiedene Übertragungscodesysteme, z.B. . MLT3 (100 MBit/s) . 4B5B (100 MBit/s) . Manchester-Codierung (10 MBit/s) c)Für 100 MBit/s-Ethernet muß nach ANSI X3.263-95 §9.1.7 gelten: Hauptinduktivität > 350 μH bei 100 kHz, 100 mVr s und 0 A < IDC < 8mA d)Für 100 MBit/s-Ethernet muß nach ANSI X3.263-95 §9.1.7 für die Anstiegszeit tAr.stιeg und die Abfallzeit
Figure imgf000007_0001
der Impulse gelten: 3ns < tAnstιeg/ tAbfaii < 5ns f) geringes Kerngewicht und SMD - Fähigkeit g) Ringkernform, dadurch einfachere Sicherheitsanforderungen nach IEC 950 h) geringe Einfügedämpfung und hohe Reflexionsdampfung (für 100 MBit/s-Ethernet nach ANSI X3.263-95 §9.1.5) im gesam- ten Frequenzbereich i) geringer und monotoner Temperaturgang der relevanten magnetischen Kenngrößen im Bereich -40°C - 100°C.
The following requirements are placed on the inductive components used in the LAN interface module 5: a) minimum construction volume b) suitability for the various transmission code systems, for example. MLT3 (100 Mbit / s). 4B5B (100 Mbps). Manchester coding (10 Mbit / s) c) For 100 Mbit / s Ethernet, the following must apply in accordance with ANSI X3.263-95 §9.1.7: Main inductance> 350 μH at 100 kHz, 100 mVr s and 0 A <I DC < 8mA d) For 100 Mbit / s Ethernet, according to ANSI X3.263-95 §9.1.7 for the rise time t A r.stιeg and the fall time
Figure imgf000007_0001
The impulses are: 3ns <t Ans tιeg / tAbfaii <5ns f) low core weight and SMD capability g) toroidal shape, thereby simpler security requirements according to IEC 950 h) low insertion loss and high reflection attenuation (for 100 Mbit / s Ethernet according to ANSI X3. 263-95 §9.1.5) in the entire frequency range i) low and monotonous temperature response of the relevant magnetic parameters in the range -40 ° C - 100 ° C.
Bei den hier vorgestellten induktiven Bauelementen handelt es sich um induktive Bauelemente für das LAN-Schnittstellenmodul 5, die statt eines Ferritkerns den Magnetkern 9 in der Form eines kleinen Metallbandkerns aus einer amorphen oder nanokristallinen Legierung enthalten. Dieser erhält seine normgerechten Eigenschaften durch eine optimierte Kombination aus Banddicke, Legierung und Wärmebehandlung im Magnetfeld sowie kerntechnologische Fertigungsschritte . Eine erste grundlegende Anforderung ist, daß die Induktivität des LAN-Übertragers 7 bei 100 kHz größer ist als 350 μH. Dies muß im gesamten Temperaturbereich von 0 bis 70°C oder sogar von -40°C bis +85°C, eventuell sogar von -40°C bis +120°C, bei einem Gleichstrom von bis zu 8 mA gewährleistet sein. Wie Fig. 3, 4 und 5 zeigen, wurde diese Anforderung bei richtig abgestimmter Legierung, Kerndimension und Bewicklung beispielsweise mit nanokristallinen, aber auch mit amorphen Legierungen erfüllt.The inductive components presented here are inductive components for the LAN interface module 5, which contain the magnetic core 9 in the form of a small metal band core made of an amorphous or nanocrystalline alloy instead of a ferrite core. This receives its standard-compliant properties through an optimized combination of strip thickness, alloy and heat treatment in the magnetic field as well as core technological manufacturing steps. A first basic requirement is that the inductance of the LAN transmitter 7 is greater than 350 μH at 100 kHz. This must be ensured in the entire temperature range from 0 to 70 ° C or even from -40 ° C to + 85 ° C, possibly even from -40 ° C to + 120 ° C, with a direct current of up to 8 mA. 3, 4 and 5 show, this requirement was met with a correctly coordinated alloy, core dimension and winding, for example with nanocrystalline, but also with amorphous alloys.
Figur 3 ist ein Diagramm, in dem der Realteil der Permeabilität im seriellen Ersatzschaltbild gegen die Stärke des Gleichfelds aufgetragen ist. Dabei veranschaulicht die durchgezogene Kurve die Abhängigkeit des Realteils der Permeabili- tat der nanokristallinen Legierung (FeCuNb) 77,5 (SiB) 22/5, wahrend die gestrichelte Kurve die Abhängigkeit des Realteils der Permeabilität eines MnZn-Ferrits mit der Handelsbezeichnung („Ferronics B") andeutet.FIG. 3 is a diagram in which the real part of the permeability is plotted in the serial equivalent circuit diagram against the strength of the constant field. The solid curve shows the dependence of the real part of the permeability of the nanocrystalline alloy (FeCuNb) 77.5 (SiB) 22/5 , while the dashed curve shows the dependence of the real part of the permeability of a MnZn ferrite with the trade name ("Ferronics B ") implies.
Figur 4 zeigt die ideale Induktivität des Übertragers 7 in Abhängigkeit von der Gleichstromvorbelastung. Die durchgezogene Kurve stellt die Induktivität des Übertragers 5 mit dem Magnetkern 9 aus der nanokristallinen Legierung (FeCuNb) 77,5 (SiB) 22,5 bei einer Anfangspermeabilitat μ_(p) = 40000 und 9 Windungen dar. Die gestrichelte Linie ist die ideale Induktivität eines Übertragers mit einem MnZn- Ferritkern („Ferronics B") mit einer Anfangspermeabilitat von ]xx - 5000 und 20 Windungen. Aus Figur 4 geht hervor, daß der Übertrager 5 mit dem Magnetkern 9 aus der nanokristallinen Legierung trotz der geringen Windungszahl die Anforderungen wesentlich besser erfüllt als der Übertrager mit dem Ferritkern.Figure 4 shows the ideal inductance of the transformer 7 as a function of the DC bias. The solid curve represents the inductance of the transformer 5 with the magnetic core 9 made of the nanocrystalline alloy (FeCuNb) 77, 5 (SiB) 22 , 5 with an initial permeability μ_ (p) = 40,000 and 9 turns. The dashed line is the ideal inductance of a transmitter with an MnZn ferrite core (“Ferronics B”) with an initial permeability of] x x - 5000 and 20 turns. From FIG. 4 it can be seen that the transmitter 5 with the magnetic core 9 made of the nanocrystalline alloy meets the requirements despite the small number of turns fulfilled much better than the transformer with the ferrite core.
In Figur 5 ist die relative Permeabilitatsanderung bezogen auf die Permeabilität bei Raumtemperatur in Prozent für verschiedene Materialien aufgetragen. Eine erste steil ansteigende Kurve stellt die Temperaturanderung eines MnZn-Ferrits mit dem Handelsnamen „Siferrit N27" dar. Die Permeabilität eines weiteren MnZn-Ferrits ( „Ferronics B" ) schwankt im Temperaturbereich von -40 bis 120 °C um mehr als +/- 40%. Die relative Permeabilitätsänderung für das nanokristalline Fe73,5CuιNb3Siιs,5B7 und das amorphe (CuFi) 72 (MuMnSiB) 2B liegt dagegen im Bereich von +/- 20%.FIG. 5 shows the relative change in permeability based on the permeability at room temperature in percent for different materials. A first steeply rising curve represents the temperature change of a MnZn ferrite with the trade name "Siferrit N27". The permeability of a further MnZn ferrite ("Ferronics B") fluctuates in the temperature range from -40 to 120 ° C by more than +/- 40%. The relative change in permeability for the nanocrystalline Fe7 3.5 CuιNb 3 Siιs, 5 B 7 and the amorphous (CuFi) 72 (MuMnSiB) 2B , however, is in the range of +/- 20%.
Des weiteren kann man an Fig. 6 und 7 ersehen, daß bei LAN- Übertrager 5 mit Metallbandkern anders als bei einem solchen mit Ferritkern keine Resonanzen auftreten (Fig. 6), und daß durch die Wicklungskapazität verursachte Resonanzen wegen der niedrigeren Windungszahl erst am oberen Rand des Signalspektrums auftreten (Fig. 7) und damit - im Vergleich zum Ferrit - eine kleinere Phasenverschiebung der Signale zur Folge ha- ben. Dies kann sich auf die effektive Bitrate auswirken, da weniger Bitfehler durch die verwendeten Übertragungsprotokolle korrigiert werden müssen.6 and 7 that, in contrast to those with a ferrite core, no resonances occur in the case of a LAN transformer 5 with a metal band core (FIG. 6), and that resonances caused by the winding capacity are only at the top due to the lower number of turns Edge of the signal spectrum (Fig. 7) and thus - compared to ferrite - result in a smaller phase shift of the signals. This can affect the effective bit rate since fewer bit errors have to be corrected by the transmission protocols used.
Eine zweite grundlegende Anforderung ist, daß die Ein- fügungsdämpfung aE des Übertragers 7 über den gesamten Frequenzbereich möglichst gering ist. Mit den hier vorgestellten Magnetkernen 9 sind bei f > 100 kHz aE-Werte von deutlich unter 1 dB erreichbar. Für einen vorgegebenen Wellenwiderstand (hier: 100 Ω) nimmt die Einfügungsdämpfung mit zunehmendem Wert für Rp ab. Rp ist dabei der ohmsche Widerstand im Parallelersatzschaltbild für den Übertrager 7, der die Ummagneti- sierungsverluste im Magnetkern 9 sowie die ohmschen Kupferverluste der Bewicklung repräsentiert. Auf der Grundlage der Elektrodynamik läßt sich mit der Dichte pmech der ZusammenhangA second basic requirement is that the insertion loss a E of the transmitter 7 is as low as possible over the entire frequency range. With the magnetic cores 9 presented here, a E values of well below 1 dB can be achieved at f> 100 kHz. For a given characteristic impedance (here: 100 Ω) the insertion loss decreases with increasing value for R p . R p is the ohmic resistance in the parallel equivalent circuit diagram for the transformer 7, which represents the remagnetization losses in the magnetic core 9 and the ohmic copper losses of the winding. On the basis of electrodynamics, the relationship p mec h can be related
Rp(f) = 2*π rN ^* 1/Pmech J (AFe/lFe ^* B 7PFe (fR p (f) = 2 * π r N ^ * 1 / Pmech J (A Fe / l Fe ^ * B 7P Fe ( f
herleiten, wobei Pre(f) den Frequenzgang der spezifischen Gesamtverluste darstellt, die ihrerseits wieder von den Hyste- rese- und von den Bandeigenschaften abhängen. Bei den hier betrachteten Frequenzen von mehr als 100 kHz und extrem linearen Hystereseschleifen, spielen allerdings nur noch 8derive, where Pre (f) represents the frequency response of the specific total losses, which in turn depend on the hysteresis and the band properties. At the frequencies considered here of more than 100 kHz and extremely linear hysteresis loops, however, only play 8th
bandabhangige Wirbelstromverluste sowie gyromagnetische Effekte eine Rolle.band-dependent eddy current losses and gyromagnetic effects play a role.
Wie aus Fig. 8 und 9 hervorgeht, lassen sich mit den hier verwendeten, warmebehandelten Magnetlegierungen ausreichend kleine aε- bzw. ausreichend große Rp-Werte auch bei den hier angestrebten niedrigen Windungszahlen erreichen. Wie auch leicht anhand von Gleichung (2) nachvollzogen werden kann, lassen sich besonders hohe Rp-Werte bei möglichst niedrigen Banddicken von < 20 μm, besser < 17 μm oder möglichst sogar < 14 um erreichen. Noch weiter verbessern laßt sich der Rp- Wert durch eine Beschichtung von mindestens einer Bandoberflache mit einem elektrisch isolierenden Medium, das eine kleine Dielektrizitatszahl von εr < 10 besitzen muß.As can be seen from FIGS. 8 and 9, with the heat-treated magnetic alloys used here, sufficiently small a ε or sufficiently large R p values can also be achieved with the low number of turns sought here. As can also be easily understood from equation (2), particularly high R p values can be achieved with the lowest possible strip thicknesses of <20 μm, better <17 μm or, if possible, even <14 μm. The R p value can be further improved by coating at least one strip surface with an electrically insulating medium, which must have a small dielectric number of ε r <10.
Eine dritte grundlegende Anforderung ist, daß die Streumduktivitat Ls sowohl des Übertragers 7 als auch der stromkompensierten Drosseln 8 möglichst klein ist. Dies geht aus den Anforderungen aus ANSI X3.263 1995 Punkte 9.1.3. (Uberschwm- gen des Signals), 9.1.6. (Anstiegszeiten des Signals) sowie 9.1.5. (Reflexionsdampfungsanforderungen) hervor. Eine große Streumduktivitat hat ein Uberschw gen sowie eine große Anstiegszeit des Signals zur Folge. Bei höheren Signalfrequenzen wird die Reflexionsdampfung durch eine große Streu duk- tivitat reduziert. Aufgrund der verwendeten KerngeometrieA third basic requirement is that the leakage inductance L s of both the transformer 7 and the current-compensated chokes 8 is as small as possible. This is based on the requirements of ANSI X3.263 1995 points 9.1.3. (Flooding of the signal), 9.1.6. (Rise times of the signal) and 9.1.5. (Reflection loss requirements). A large leakage inductance causes an overshoot and a long rise time of the signal. At higher signal frequencies, the reflection attenuation is reduced by a large scattering ductility. Because of the core geometry used
(Rmgbandkern) und der aufgrund hoher Permeabilität möglichen geringen Windungszahl lassen sich - im Gegensatz zu Ferriten - sehr kleine Streumduktivitaten erzielen.(Rmgbandkern) and the low number of turns possible due to high permeability - in contrast to ferrites - very small scattering conductivities can be achieved.
Zusammenfassend laßt sich festhalten, daß sich durch die Kombination aus flacher Hystereseschleife sowie verglichen mit Ferritlosungen deutlich höherer Permeabilität μ und Satti- gungsmduktion Bs bei Verwendung von dünnen Bandern der hier verwendeten, warmebehandelten Legierungen mit hohem spezifi- sehen elektrischen Widerstand Induktivitäten für LAN-In summary, it can be said that the combination of a flat hysteresis loop and significantly higher permeability μ and saturation reduction B s compared to ferrite solutions when using thin bands of the heat-treated alloys used here with high specific electrical resistance inductors for LAN
Schmttstellenmodule m t besonders niedrigen Windungszahlen und kleiner Baugroße herstellen lassen. In den hier zugrunde liegenden Untersuchungen wurde erkannt, daß sich die normgerechten Eigenschaften der kleinen Magnetkerne 9 von in den LAN-Schnittstellenmodulen verwendeten In- duktivitäten mit amorphen, nahezu agnetostriktionsfreien Kobalt-Basis-Legierungen sowie mit praktisch magnetostriktions- freien feinkristallinen Legierungen erreichen lassen. Letztere werden üblicherweise als "nanokristalline Legierungen" bezeichnet und sind durch ein extrem feines Korn mit einem mittleren Durchmesser von weniger als 100 n gekennzeichnet, das mehr als 50 % des Materialvolumens einnimmt. Eine wichtige Voraussetzung ist, daß die Magnetkerne 9 eine hohe Sättigungsinduktion von Bs > 0,55 T, vorzugsweise > 0,9 T, besser > 1 T und eine lineare Hystereseschleife mit einem Sätti- gungs- zu Remanenzverhältnis Br/Bs < 0,2 , vorzugsweiseHave joints made with particularly low numbers of turns and small size. In the studies on which it is based, it was recognized that the standard-compliant properties of the small magnetic cores 9 of inductors used in the LAN interface modules can be achieved with amorphous, almost agnetostriction-free cobalt-based alloys and with practically magnetostriction-free fine-crystalline alloys. The latter are usually referred to as "nanocrystalline alloys" and are characterized by an extremely fine grain with an average diameter of less than 100 n, which takes up more than 50% of the material volume. An important requirement is that the magnetic cores 9 have a high saturation induction of B s > 0.55 T, preferably> 0.9 T, better> 1 T and a linear hysteresis loop with a saturation to remanence ratio B r / B s < 0.2, preferably
< 0,08 besitzen. In diesem Zusammenhang zeichnen sich die magnetostriktionsfreien nanokristallinen Werkstoffe auf Fe- Basis durch eine besonders hohe Sättigungsinduktion von 1,1 T oder mehr aus. Eine Aufzählung sämtlicher betrachteter und für geeignet befundener Legierungssysteme findet sich weiter unten. Eine typische Schleifenform entnimmt man Fig. 10 Eine solche Hystereseschleife läßt sich beispielsweise durch die nachfolgend beschriebenen Fertigungsgänge erreichen:Have <0.08. In this context, the magnetostriction-free nanocrystalline materials based on Fe are characterized by a particularly high saturation induction of 1.1 T or more. A list of all considered and suitable alloy systems can be found below. A typical loop shape can be seen in FIG. 10. Such a hysteresis loop can be achieved, for example, by the production steps described below:
Das mittels Rascherstarrungstechnologie hergestellte weichmagnetische amorphe Band der Dicke d < 22 μm, vorzugsweise < 17 μm, besser < 14 μm aus einer der unten aufgezählten Legierungen wird auf speziellen Maschinen spannungsfrei zum Magnetkern 9 in dessen Endabmessung gewickelt. Alternativ kommen hierbei aber auch Magnetkerne 9 in Frage, die aus einem Stapel gestanzter Scheiben aus besagten Legierungen aufgebaut sind.The soft magnetic amorphous tape of thickness d <22 μm, preferably <17 μm, better <14 μm, produced from one of the alloys listed below, which is produced by means of rapid solidification technology, is wound stress-free to the magnetic core 9 in its final dimension on special machines. Alternatively, magnetic cores 9, which are constructed from a stack of punched disks made of said alloys, are also possible.
Es wurde herausgefunden, daß sich die normgerechten Anforde- rungen an die Frequenzeigenschaften dann noch besser erfüllen lassen, wenn das Band vor dem Wickeln des Magnetkerns 9 oder vor dem Stanzen der Scheiben auf einer oder auf zwei Seiten 10It has been found that the standards-compliant requirements for the frequency properties can be met even better if the tape is wound on one or on two sides before the magnetic core 9 is wound or before the disks are punched 10
elektrisch isolierend beschichtet wird. Hierfür wird je nach Legierung, Wärmebehandlung und Anforderungen an die Güte der Isolationsschicht ein Oxidations-, Tauch-, Durchlauf-, Sprühoder Elektrolyseverfahren am Band eingesetzt. Dasselbe kann aber auch durch Tauchisolation des gewickelten oder gestapelten Magnetkern 9 erreicht werden. Bei der Auswahl des isolierenden Mediums ist darauf zu achten, daß dieses einerseits auf der Bandoberfläche gut haftet, andererseits keine Oberflächenreaktionen verursacht, die zu einer Schädigung der Ma- gneteigenschaften führen können. Bei den hier verwendeten Legierungen haben sich Oxide, Acrylate, Phosphate, Silikate und Chromate der Elemente Ca, Mg, AI, Ti, Zr, Hf, Si als wirkungsvolle und verträgliche Isolatoren herausgestellt. Besonders effektiv, aber trotzdem schonend, war dabei Mg, welches als flüssiges magnesiumhaltiges Vorprodukt auf die Bandoberfläche aufgebracht wird, und sich während einer speziellen, die Legierung nicht beeinflussenden Wärmebehandlung in eine Schicht aus MgO umwandelt, deren Dicke zwischen 50 n und 1 um liegen kann.is coated electrically insulating. Depending on the alloy, heat treatment and requirements for the quality of the insulation layer, an oxidation, immersion, continuous, spray or electrolysis process is used for this. The same can also be achieved by dip insulation of the wound or stacked magnetic core 9. When selecting the insulating medium, care must be taken to ensure that it adheres well to the surface of the tape and does not cause any surface reactions that could damage the magnetic properties. In the alloys used here, oxides, acrylates, phosphates, silicates and chromates of the elements Ca, Mg, Al, Ti, Zr, Hf, Si have proven to be effective and compatible insulators. Particularly effective, but nonetheless gentle, was Mg, which is applied to the strip surface as a liquid magnesium-containing preliminary product and, during a special heat treatment that does not affect the alloy, is converted into a layer of MgO, the thickness of which can be between 50 n and 1 μm ,
Bei der anschließenden Wärmebehandlung der isolierten oder unisolierten Magnetkerne 9 zur Einstellung der weichmagnetischen Eigenschaften ist zu unterscheiden, ob der Magnetkern 9 aus einer Legierung besteht, die sich zur Einstellung einer nanokristallinen Struktur eignet oder nicht.In the subsequent heat treatment of the insulated or uninsulated magnetic cores 9 for setting the soft magnetic properties, a distinction must be made as to whether the magnetic core 9 consists of an alloy which is suitable for setting a nanocrystalline structure or not.
Magnetkerne 9 aus Legierungen, die sich zur Nanokristallisa- tion eignen, werden zur Einstellung des nanokristallinen Ge- füges einer exakt abgestimmten Kristallisationswärmebehand- lung unterzogen, die je nach Legierungszusammensetzung zwischen 450 °C und 690 °C liegt. Typische Haltezeiten liegen zwischen 4 Minuten und 8 Stunden. Je nach Legierung ist diese Wärmebehandlung im Vakuum oder im passiven oder reduzierenden Schutzgas durchzuführen. In allen Fällen sind materialspezi- fische Reinheitsbedingungen zu berücksichtigen, die fallweise durch entsprechende Hilfsmittel wie elementspezifische Absorber- oder Gettermaterialien herbeizuführen sind. Dabei wird 11 durch eine exakt abgeglichene Temperatur- und Zeitkombination ausgenutzt, daß sich bei den hier eingesetzten, weiter unten näher beschriebenen Legierungszusammensetzungen gerade die Magnetostriktionsbeiträge von feinkristallinem Korn und amor- pher Restphase ausgleichen und die erforderliche Magneto- striktionsfreiheit ( I λs | < 2 ppm, vorzugsweise sogar |λs| < 0,2 ppm) entsteht. Die hier gewünschten hohen Permeabilitäten setzen diese besonders exakt abgeglichenen Magnetostriktions- werte und damit eine besonders exakt eingestellte Korngrößen- Verteilung und damit Legierungszusammensetzung voraus. Wichtig ist dabei eine genaue Kontrolle der Magnetkerntemperatur im Bereich der Kristallentstehung. Auf keinen Fall darf das Material soweit erhitzt werden, daß durch die Bildung unmagnetischer Phasen wie z.B. Fe-Boride eine irreversible Schä- digung der Magneteigenschaften entsteht.Magnetic cores 9 made of alloys which are suitable for nanocrystallization are subjected to a precisely coordinated crystallization heat treatment for adjusting the nanocrystalline structure, which is between 450 ° C. and 690 ° C. depending on the alloy composition. Typical holding times are between 4 minutes and 8 hours. Depending on the alloy, this heat treatment can be carried out in a vacuum or in a passive or reducing protective gas. In all cases, material-specific cleanliness conditions must be taken into account, which can be brought about by appropriate aids such as element-specific absorber or getter materials. Doing so 11 exploited by an exactly balanced combination of temperature and time, that in the alloy compositions used here, described in more detail below, the magnetostriction contributions of fine-crystalline grain and amorphous residual phase compensate and the required freedom from magnetostriction (I λ s | <2 ppm, preferably even | λ s | <0.2 ppm) arises. The high permeabilities required here require these particularly precisely matched magnetostriction values and thus a particularly precisely adjusted particle size distribution and thus alloy composition. It is important to precisely control the magnetic core temperature in the area of crystal formation. Under no circumstances should the material be heated to such an extent that the formation of non-magnetic phases such as Fe boride causes irreversible damage to the magnetic properties.
Je nach Legierung und Ausführungsform des Bauelements wird zur Erreichung hoher Permeabilitätswerte entweder feldfrei oder im Magnetfeld längs zur Richtung des gewickelten Bandes ("Längsfeld") oder quer dazu ("Querfeld") getempert. In bestimmten Fällen kann auch eine Kombination aus zwei oder sogar drei dieser Magnetfeldkonstellationen zeitlich hintereinander oder parallel nötig werden.Depending on the alloy and embodiment of the component, annealing is carried out either in a field-free manner or in a magnetic field along the direction of the wound strip (“longitudinal field”) or transversely thereto (“transverse field”) in order to achieve high permeability values. In certain cases, a combination of two or even three of these magnetic field constellations may be necessary in succession or in parallel.
Die magnetischen Eigenschaften, d.h. die Linearität und die Steigung der Hystereseschleife, können - falls nötig - weiträumig durch eine zusätzliche Wärmebehandlung in einem Magnetfeld, das parallel zur .Rotationssymmetrieachse des Magnetkerns 9 steht - also senkrecht zur Bandrichtung, variiert werden. Je nach Legierung und dimensionsbedingt einzustellendem Permeabilitätsniveau sind dabei Temperaturen zwischen 350 °C und 690 °C erforderlich. Aufgrund der Kinetik der atomaren Reorientierungsvorgänge sind normalerweise die resultierenden Permeabilitätswerte umso höher, je niedriger die Querfeldtem- peratur angesetzt wird. Diese Magnetfeld-Wärmebehandlung wird entweder direkt mit der Kristallisationswärmebehandlung kombiniert oder separat durchgeführt. Für die Glühatmosphäre 12If necessary, the magnetic properties, ie the linearity and the slope of the hysteresis loop, can be varied widely by an additional heat treatment in a magnetic field that is parallel to the axis of rotation symmetry of the magnetic core 9 - that is, perpendicular to the band direction. Depending on the alloy and the permeability level to be set based on dimensions, temperatures between 350 ° C and 690 ° C are required. Due to the kinetics of the atomic reorientation processes, the lower the cross-field temperature, the higher the resulting permeability values. This magnetic field heat treatment is either combined directly with the crystallization heat treatment or carried out separately. For the glowing atmosphere 12
gelten dieselben Bedingungen wie bei der Temperung zur Einstellung der nanokristallinen Struktur.the same conditions apply as for the tempering to adjust the nanocrystalline structure.
Bei Magnetkernen 9 aus Amorphwerkstoffen erfolgt die Emstel- lung der magnetischen Eigenschaften, d.h. von Verlauf und Steigung der linearen flachen Hystereseschleife durch eine Wärmebehandlung in einem Magnetfeld, das parallel zur Rotationssymmetrieachse des Magnetkerns 9 verlauft - also senkrecht zur Bandrichtung. Durch eine gunstige Fuhrung der Warmebe- handlung wird ausgenutzt, daß sich der Wert der Sattigungs a- gnetostriktion wahrend der Wärmebehandlung um einen von der Legierungszusammensetzung abhangigen Betrag in positive Richtung verändert, bis er den Bereich | λs | < 2 ppm, vorzugsweise sogar | λs | < 0,05 ppm trifft. Wie Tabelle 2 zeigt, wur- de dies auch dann erreicht, wenn der Betrag von λs im as quenched Zustand des Bandes deutlich über diesem Wert lag. Je nach eingesetzter Legierung kann eine Bespulung des Magnetkerns 9 mit einem reduzierenden (z.B. NH3, H2, CO) , passiven oder sogar schwach oxidierenden Schutzgas (z.B. He, Ne, Ar, N2, C02) notig werden, so daß an den Bandoberflachen wederIn the case of magnetic cores 9 made of amorphous materials, the magnetic properties, ie the shape and gradient of the linear flat hysteresis loop, are created by a heat treatment in a magnetic field that runs parallel to the axis of symmetry of the magnetic core 9 - that is, perpendicular to the band direction. Favorable management of the heat treatment takes advantage of the fact that the value of the saturation agnostriction changes during the heat treatment in a positive direction, depending on the alloy composition, until it reaches the range λ s | <2 ppm, preferably even | λ s | <0.05 ppm hits. As Table 2 shows, this was also achieved if the amount of λ s in the as quenched state of the strip was significantly above this value. Depending on the alloy used, it may be necessary to rinse the magnetic core 9 with a reducing (for example NH 3 , H 2 , CO), passive or even weakly oxidizing protective gas (for example He, Ne, Ar, N 2 , C0 2 ), so that the band surfaces neither
Oxidationen noch andere Reaktionen auftreten können. Genausowenig dürfen im Innern des Materials festkorperphysikalische Reaktionen durch eindiffundierendes Schutzgas ablaufen.Oxidation or other reactions can occur. Nor can solid-state physical reactions due to diffusing protective gas be allowed to take place inside the material.
Je nach Lage von Curietemperatur und Kristallisations- temperatur der verwendeten Legierung können die Magnetkerne 9 für die in den LAN-Schnittstellenmodulen 5 verwendeten Induktivitäten unter angelegtem Magnetfeld mit einer Rate von 0,1 bis 10 K/mm auf Temperaturen zwischen 180 °C und 420 °C auf- geheizt werden, auf diesen Temperaturen im Magnetfeld zwischen 0,25 und 48 Stunden gehalten werden und anschließend mit 0,1 - 5 K/mm wieder auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Aufgrund der allgemeinen Zusammenhange K QC Ms(Ta)2 und Ku oc 1/μ (Ku = Anisotropieenergie, MΞ = Sattigungsmagnet sierung, Ta = Anlaßtemperatur im Magnetfeld) sind die erzieltenDepending on the position of the Curie temperature and crystallization temperature of the alloy used, the magnetic cores 9 for the inductances used in the LAN interface modules 5 can be applied at a rate of 0.1 to 10 K / mm to temperatures between 180 ° C. and 420 ° under an applied magnetic field C are heated, kept at these temperatures in the magnetic field between 0.25 and 48 hours and then cooled back to room temperature with 0.1 - 5 K / mm. Due to the general relationships K Q CM s (T a ) 2 and K u oc 1 / μ (K u = anisotropy energy, M Ξ = saturation magnetization, T a = tempering temperature in the magnetic field) are the achieved
Schleifen bei den hier eingesetzten Amorphlegierungen umso flacher, j e hoher MΞ ist. Demnach befindet man sich einem 13With the amorphous alloys used here, the flatter the flatter the higher M Ξ . So you are one 13
Dilemma, in dem sich hohe Permeabilitäten und hohe Sättigungsinduktionen, die bei hohen Unsymmetrieströmen allerdings unverzichtbar sind, gegenseitig ausschließen.Dilemma in which high permeabilities and high saturation induction, which are indispensable for high asymmetry currents, are mutually exclusive.
Besonders kleine Magnetkerne 9 für LAN-Ubertrager 7 lassen sich dann erreichen, wenn die eingesetzten Amorphlegierungen einerseits niedrige Curietemperaturen von beispielsweise weniger als 250 °C, andererseits aber eine immer noch hinreichend hohe Sättigungsinduktion von beispielsweise 0, 65 Tesla oder mehr besitzen. Solche, im Prinzip widersprüchlichen Kombinationen lassen sich dadurch erreichen, daß der Metalloidgehalt (z.B. Si, B etc.) der Legierung schrittweise erhöht wird, und/oder gleichzeitig ein antiferromagnetisches Element wie z.B. Mn im Bereich weniger at% der Legierung zugeschlagen wird. Infolge kleiner magnetischer Momente bei gleichzeitig temperaturbedingter Verzögerung der Reorientierungskinetik lassen sich dann unterhalb der Curietemperatur mittels definierter Abkühlung im Querfeld besonders kleine uniaxiale (Quer-) Anisotropien von nur 1 J/m3 oder noch weniger und da- mit Permeabilitätswerte von beispielsweise 20000 bis 200000 erreichen .Particularly small magnetic cores 9 for LAN transmitters 7 can be achieved if the amorphous alloys used on the one hand have low Curie temperatures of, for example, less than 250 ° C., but on the other hand still have a sufficiently high saturation induction of, for example, 0.65 Tesla or more. Such, in principle, contradictory combinations can be achieved by gradually increasing the metalloid content (eg Si, B etc.) of the alloy and / or at the same time adding an antiferromagnetic element such as Mn in the range of less at% of the alloy. As a result of small magnetic moments with a simultaneous temperature-related delay in the reorientation kinetics, particularly small uniaxial (transverse) anisotropies of only 1 J / m 3 or even less and thus permeability values of, for example, 20,000 to 200,000 can be achieved below the Curie temperature by means of defined cooling in the transverse field ,
Eine wichtige Vorausetzung zum Erreichen derartig hoher Permeabilitäten ist, daß jegliche Art von Störtermen wie z.B. magnetoelastische Anisotropien gegenüber den gewünschten magnetfeldinduzierten Anisotropien vernachlässigbar sind. Zur Erfüllung dieser Voraussetzung muß der gewickelte Magnetkern 9 in der Form eines Metallbandkern auch bei kleinsten Magne- tostriktionswerten mittels einer Relaxationsglühung entspannt werden. Die hierzu notwendige Temperatur ist so hoch anzusetzen, daß die Relaxationskinetik einerseits hinreichend schnell abläuft, andererseits jedoch noch keine Kristallisation entsteht. Eine besonders hohe Effektivität ist mit diesem Vorgehen dann zu erzielen, wenn die Kristallisations- und Curietemperatur um weit mehr als 100 °C auseinander liegen, was gerade bei den hier eingesetzten Amorphlegierungen mit hohem Metalloidgehalt der Fall ist. 14An important prerequisite for achieving such high permeabilities is that any kind of interference terms such as magnetoelastic anisotropies are negligible compared to the desired magnetic field-induced anisotropies. To meet this requirement, the wound magnetic core 9 in the form of a metal strip core must be relaxed by means of a relaxation anneal even at the smallest magnetostriction values. The temperature required for this is to be set so high that the relaxation kinetics on the one hand proceed sufficiently quickly, but on the other hand no crystallization occurs yet. This procedure is particularly effective when the crystallization and Curie temperatures are far more than 100 ° C apart, which is the case with the amorphous alloys with high metalloid content used here. 14
Fallweise kann zur Erhöhung der uniaxialen Anisotropieenergie zusatzlich zum langsamen Abkühlen der Magnetkerne 9 im Querfeld ein Temperaturplateau im Querfeld eingefügt werden. Den bekannten Einflüssen von Temperaturabhangigkeit der Satti- gungsmagnetisierung und Reoπentierungskmetik folgend, sind hier der optimale Abstand zur Curietemperatur und die Haltedauer bis zum asymptotischen Erreichen des Gleichgewichtswer- tes der uniaxialen Anisotropie die entscheidenden Parameter, die an die jeweilige Legierung anzupassen sind.In some cases, in order to increase the uniaxial anisotropy energy, in addition to slowly cooling the magnetic cores 9 in the transverse field, a temperature plateau can be inserted in the transverse field. Following the known influences of temperature dependency of the magnetization of the saturation and reflecting kematics, the optimal distance to the Curie temperature and the holding time until the equilibrium value of the uniaxial anisotropy is reached asymptotically are the decisive parameters that have to be adapted to the respective alloy.
Aufgrund der entmagnetisierenden Felder im Inneren eines Magnetkernstapels, die zu einer betragsmaßigen Schwächung und einer Divergenz der Feldlinien fuhren, lassen sich auch bei hohen Permeabilitatswerten hinreichend lineare Schleifen dadurch erreichen, daß die Magnetkerne 9 wahrend der Querfeldbehandlung stirnseitig exakt so aufgestapelt sind, daß die Stapelhohe mindestens das 10-fache, besser wenigstens das 20- fache des Magnetkernaußendurchmessers betragt. Dies gilt m gleicher Weise bei nanokristallinen wie bei amorphen Magnetwerkstoffen. Eine typische Magnetisierungskurve, die den linearen Charakter der hier realisierten Schleifen unterstreicht, ist der Fig. 10 zu entnehmen.Due to the demagnetizing fields inside a magnetic core stack, which lead to a weakening of the amount and a divergence of the field lines, even with high permeability values, sufficiently linear loops can be achieved in that the magnetic cores 9 are stacked on the face side during the cross-field treatment in such a way that the stack height is at least is 10 times, better at least 20 times the outer diameter of the magnetic core. This applies in the same way to nanocrystalline as to amorphous magnetic materials. A typical magnetization curve that underlines the linear character of the loops realized here can be seen in FIG. 10.
Im Anschluß an die Warmbehandlung werden die Magnetkerne 9 elektrisch isoliert (z.B. oberflächlich passiviert, beschichtet, wirbelgesintert oder in einem Kunststoffgehause verkapselt) , mit den Primär- und Sekundärwicklungen versehen und gegebenenfalls im Bauelementgehause verklebt oder vergossen. Hierbei besteht auch die Möglichkeit einen Aufbau in sogenannter Planartechnologie zu verwenden. Dieses Verfahren ist unabhängig davon, ob der Magnetkern 9 aus amorphem oder nano- kristallinem Material besteht. Aufgrund der Sprodigkeit hat allerdings die mechanische Handhabung der ausgetemperten nanokristallinen Magnetkerne 9 mit besonderer Vorsicht zu erfolgen. 15Following the heat treatment, the magnetic cores 9 are electrically insulated (for example surface passivated, coated, whirl sintered or encapsulated in a plastic housing), provided with the primary and secondary windings and, if appropriate, glued or cast in the component housing. It is also possible to use a structure in so-called planar technology. This method is independent of whether the magnetic core 9 consists of amorphous or nano-crystalline material. Due to the brittleness, however, the mechanical handling of the tempered nanocrystalline magnetic cores 9 must be carried out with particular care. 15
Eine weitere Fertigungsmoglichkeit ist, daß das Band zunächst einer Querfeldtemperung im Durchlauf unterzogen und anschließend zum Bandkern gewickelt wird. Der weitere Ablauf verlauft wie oben beschrieben. Die wesentlichen erfüllten Voraussetzungen für 10/100Base-T- Übertrager sind dabei:Another manufacturing possibility is that the strip is first subjected to a cross-field tempering in the run and then wound into the strip core. The rest of the process proceeds as described above. The essential requirements for 10 / 100Base-T transmitters are:
- Die Hauptinduktivitat des Magnetkerns 9 in der Form eines bewickelten Metallbandkerns muß nach ANSI X3.263 1995 die folgende Bedingung erfüllen:
Figure imgf000017_0001
- According to ANSI X3.263 1995, the main inductance of the magnetic core 9 in the form of a wound metal strip core must meet the following condition:
Figure imgf000017_0001
- Für den Widerstand Rp im Parallel-Ersatzschaltbild sind bereits mit geringen Windungszahlen ausreichend hohe Werte von über > lkΩ erreichbar.- For the resistor R p in the parallel equivalent circuit diagram, sufficiently high values of over> lkΩ can be achieved even with small numbers of turns.
- Die Hauptinduktivitat erfüllt diesen Wert auch bei einer maximalen Gleichstromvorbelastung von 8 mA in einem Temperaturbereich von -40° bis 85 °C, bei Verwendung von nanokristallinen Legierungen auch bis 120°C.- The main inductance fulfills this value even with a maximum direct current preload of 8 mA in a temperature range from -40 ° to 85 ° C, when using nanocrystalline alloys also up to 120 ° C.
- Der L earitatsf ehler der Hystereseschleife des Magnetkerns 9 ist so gering, daß für das Verhältnis von Per- meabilitat μ zur mittleren Permeabilität μ im BereichThe error in the hysteresis loop of the magnetic core 9 is so small that the ratio of permeability μ to the mean permeability μ is in the range
Bs/100 bis 0,8 Bs gilt: 1,2 > μ (B) / μ > 0,8, vorzugsweise 1,1 > μ (B) / μ > 0,9, wobei B gleichfalls im Intervall Bs/100 bis 0,8 B3 liegt.Bs / 100 to 0.8 B s applies: 1.2> μ (B) / μ> 0.8, preferably 1.1> μ (B) / μ> 0.9, B likewise in the interval B s / 100 to 0.8 B 3 .
- Unter Verwendung amorpher und nanokristall er Magnet- Werkstoffe ergeben sich nach abgeglichener Querfeldtemperung für vorgegebene Werte der Hauptinduktivitat z.B. die in Tab. 1 dargestellten typischen Abmessungen des Magnetkerns 9, wobei die Abmessungen in der Reihenfolge Außendurchmesser, Innendurchmesser und Hohe des in der Gestalt eines Ringbandkerns vorliegenden Magnetkerns 9 angegeben sind. 16- Using amorphous and nanocrystalline magnet materials, the cross-section tempering for predetermined values of the main inductance results, for example, in the typical dimensions of the magnetic core 9 shown in Table 1, the dimensions being in the order of the outside diameter, inside diameter and height of the ring ring core present magnetic core 9 are specified. 16
Figure imgf000018_0001
Figure imgf000018_0001
Ahnliche Abmessungen des Magnetkerns 9 ergeben sich auch beim Einsatz der anderen unten aufgezahlten Legierungen, die anwendungsspezifisch eingesetzt werden.Similar dimensions of the magnetic core 9 also result when using the other alloys listed below, which are used for specific applications.
Bei der Dimensionierung der induktive Bauelemente des Schnittstellenmoduls 5, insbesondere des Übertragers 7, sind eine Reihe von Zusammenhangen zu beachten.When dimensioning the inductive components of the interface module 5, in particular the transformer 7, a number of relationships must be taken into account.
Für die Induktivität des Übertragers 7 gilt der ZusammenhangThe relationship applies to the inductance of the transformer 7
L = N 2 μ0μrAfe/ lfeL = N 2 μ 0 μ r A fe / lfe
N = Windungs zahl μ0 = universelle Permeabilitatskonstante μr = Permeabilität des MaterialsN = number of turns μ 0 = universal permeability constant μ r = permeability of the material
Afe = Eisenquerschnitt des Magnetkerns lfe = Ei senweglange des Magnetkerns .A fe = iron cross section of the magnetic core l f e = iron path length of the magnetic core.
Aus Gleichung ( 2 ) wird ersichtlich, daß die erforderl iche Induktivität bei minimalem Bauvolumen nur dann erreichbar ist , wenn Windungs zahlen, Permeabil ität , Eisenquerschnitt und Ei- senweglange aufeinander abgestimmt sind . Die im gesamten Bereich der Arbeits frequenz gültige Permeabilität μ des Kernmaterials ist neben der günstigen ringförmigen Geometrie der ausschlaggebende Parameter für eine möglichst kompakte Abmessung des Übertragers 7 . Je nachdem welche der nachfolgend 17From equation (2) it can be seen that the required inductance can only be achieved with a minimal construction volume if the number of turns, permeability, iron cross-section and length of the iron path are coordinated. The permeability μ of the core material which is valid in the entire range of the working frequency is, in addition to the favorable annular geometry, the decisive parameter for the most compact possible dimension of the transmitter 7. Depending on which of the following 17
aufgezählten Legierungen zum Einsatz kommt, und wie die zugehörige Wärmebehandlung geführt wird, läßt sich in definierter Weise ein Permeabilitätsbereich zwischen 10000 und 100000 abdecken. Die mit diesen Magnetkernen 9 realisierten LAN- Schnittstellenmodule 5 besitzen aufgrund ihrer Bauform, der hohen Permeabilität und der hohen Sättigungsinduktion der eingesetzten Metallbandkerne gegenüber den Ferritkernen einen starken Volumenvorteil .Alloys listed are used, and how the associated heat treatment is carried out, a permeability range between 10,000 and 100,000 can be covered in a defined manner. The LAN interface modules 5 realized with these magnetic cores 9 have a large volume advantage over the ferrite cores due to their design, the high permeability and the high saturation induction of the metal strip cores used.
Bei der Auswahl des Kernwerkstoffes für die Induktivitäten des Übertragers 7 entsteht eine Einschränkung dadurch, daß der Magnetkern 9 bei der Gleichstromvorbelastung von 8 mA nicht in Sättigung gehen darf. Ferner muß der Klirrfaktor bei maximaler Idc-Aussteuerung unter einer normgemäß festgelegten Grenze bleiben. Die mit der Idc-Vorbelastung verbundene magnetische Feldstärke HDC ist durchWhen selecting the core material for the inductances of the transformer 7, a limitation arises because the magnetic core 9 must not saturate at the DC bias of 8 mA. Furthermore, the distortion factor at maximum I dc modulation must remain below a limit set in accordance with the standard. The magnetic field strength H DC associated with the I dc preload is through
Hdc = N * Idc / lfe (3)H dc = N * I dc / l fe (3)
gegeben. Die Induktivität und der Klirrfaktor dürfen bei dieser Gleichstromvorlastung im gesamten Temperaturbereich nur sehr geringfügig abfallen.given. With this direct current preload, the inductance and the distortion factor may only decrease very slightly over the entire temperature range.
Im Gegensatz zu den induktiven Bauelementen mit Ferriten, bei denen Gleichung (2) die Windungszahlen festlegt, ist für die Dimensionierung von induktiven Bauelementen mit nanokristallinen oder amorphen Metallkernen Gleichung (1) maßgebend. Die Windungszahl N darf nämlich nicht zu klein gewählt werden, da sonst die Einfügedämpfung aufgrund des zu geringen Rp- Widerstands des Übertragers 7 zu groß wird. Außerdem haben kleine Windungszahlen hohe Streuinduktivitäten zur Folge, die ein Überschwingen sowie eine große Anstiegszeit des Signals bewirken. Eine Erhöhung der Windungszahl führt ferner zu einer kleineren Signalaussteuerung Bac und damit zu einem gerin- geren Klirrfaktor. Der Übertrager 7 weist daher bevorzugt mittlere Windungszahlen zwischen 5 und 25 Windungen auf. 18In contrast to the inductive components with ferrites, in which equation (2) specifies the number of turns, equation (1) is decisive for the dimensioning of inductive components with nanocrystalline or amorphous metal cores. The number of turns N must not be chosen too small, since otherwise the insertion loss will be too great due to the too low R p resistance of the transformer 7. In addition, small numbers of turns result in high leakage inductances, which cause overshoot and a long rise time for the signal. An increase in the number of turns also leads to a smaller signal modulation B ac and thus to a lower distortion factor. The transformer 7 therefore preferably has average turns between 5 and 25 turns. 18
Diese Situation erfordert bei der Werkstoffauswahl eine Kombination aus hoher Sattigungs duktion Bs , hoher Permeabilität μ und geringen Kernverlusten (~ 1/RP) .When selecting materials, this situation requires a combination of high saturation reduction B s , high permeability μ and low core losses (~ 1 / R P ).
Eine hohe Permeabilität und damit eine geringe Windungsanzahl sowie die Ringbandform der Magnetkerne 9 fuhren zu kleinen Übertragern 7 mit kleiner Streumduktivitat und kleinen Koppel- und Wicklungskapazitaten. Dies wiederum fuhrt zu kürzeren Anstiegszeiten, besserer Unsymmetriedampfung sowie ver- bessertem Ubertragungsverhalten im gesamten Frequenzbereich.A high permeability and thus a low number of turns as well as the ring band shape of the magnetic cores 9 lead to small transformers 7 with a small leakage inductance and small coupling and winding capacitances. This in turn leads to shorter rise times, better asymmetry damping and improved transmission behavior in the entire frequency range.
Nachfolgend werden mehrere geeignete Legierungssysteme beschrieben. Es wurde herausgefunden, daß sich mit den nachfolgend beschriebenen Legierungssystemen unter Einhaltung der oben genannten Bedingungen induktive Bauelemente für die Schnittstellenmodule 5 mit besonders linearen Hystereseschleifen und kleinen Bauformen herstellen lassen, die alle normgerechten Eigenschaften besitzen.Several suitable alloy systems are described below. It has been found that the alloy systems described below can be used to produce inductive components for the interface modules 5 with particularly linear hysteresis loops and small designs, all of which have properties that conform to the standards, while complying with the conditions mentioned above.
Es sei angemerkt, daß bei der Angabe der nachfolgend aufgeführten Legierungssysteme die Kleiner- und Großerzeichen die Grenzen mite schließen; außerdem sind alle at%-Angaben als ungefähr zu betrachten. It should be noted that when specifying the alloy systems listed below, the small and large signs close the boundaries; in addition, all at% figures are to be regarded as approximate.
1919
Legierungssystem 1:Alloy system 1:
Ein erstes Legierungssystem weist die Zusammensetzung Coa (Feι-cMnc)bNidMeSiχByCz auf, wobei M ein oder mehrere Elemen- te aus der Gruppe Nb, Mo, Ta, Cr, W, Ge und / oder P bezeichnet und a+b+d+e+x+y+z = 100 ist, mitA first alloy system has the composition Co a (Fe ι - c Mn c ) b Ni d M e SiχB y C z , where M is one or more elements from the group Nb, Mo, Ta, Cr, W, Ge and / or P and a + b + d + e + x + y + z = 100, with
Co a = 40 - 82 at% vorzugsweise 55 < a < 72 at%Co a = 40 - 82 at% preferably 55 <a <72 at%
Fe+Mn b = 3 - 10 at% Mn/Fe c = 0 - 1 vorzugsweise x < 0.5Fe + Mn b = 3 - 10 at% Mn / Fe c = 0 - 1 preferably x <0.5
Ni d = 0 - 30 at% vorzugsweise d < 20 at%Ni d = 0 - 30 at% preferably d <20 at%
M e = 0 - 5 at% vorzugsweise e < 3 at%M e = 0-5 at% preferably e <3 at%
Si x = 0 - 18 at% vorzugsweise x > 1 at%Si x = 0 - 18 at% preferably x> 1 at%
B y = 8 -26 at% vorzugsweise 8 - 20 at% C z = 0 - 3 at%B y = 8 -26 at% preferably 8 - 20 at% C z = 0 - 3 at%
15<e+x+y-t-z<30, vorzugsweise 20<e+x+y+z<3015 <e + x + y-t-z <30, preferably 20 <e + x + y + z <30
Legierungen dieses Systems bleiben nach der beschriebenen Wärmebehandlung amorph. Abhängig von der Zusammensetzung und Wärmebehandlung konnten damit extrem lineare Hystereseschleifen mit einem sehr weiten Permeabilitätsbereich zwischen 500 und 150000 oder sogar mehr realisiert werden.Alloys of this system remain amorphous after the heat treatment described. Depending on the composition and heat treatment, extremely linear hysteresis loops with a very wide permeability range between 500 and 150,000 or even more could be realized.
Für die vorliegende Erfindung hat sich als besonders wichtig herausgestellt, daß sich der Wert der Sattigungs- magnetostriktion mit einer auf die Legierungszusammensetzung abgestimmten Wärmebehandlung sicher auf besonders kleine Werte von | λs | < 0,1 ppm einstellen laßt. Dadurch bedingt ist eine besonders lineare Schleifenform, die zu einer besonders hohen Konstanz der Permeabilität über einen weiten Induktionsbereich fuhrt. Außerdem wird hierdurch das Auftreten schädlicher magnetoelastischer Resonanzen des ringbandformi- gen Magnetkerns 9 vermieden. Diese wurden bei bestimmten Frequenzen des Induktionsverlaufes zu Einbrüchen in der Permea- bilitat und/oder zu erhöhten Ummagnetisierungsverlusten fuhren. Bei den Untersuchungen wurde herausgefunden, daß gerade die Kombination aus dieser annähernden Magnetostriktionsfrei- 20 heit, einer möglichst geringen Banddicke (am besten kleiner 17 μm) und einem vergleichsweise hohen spezifischen elektrischen Widerstand von 1,1 bis 1,5 μΩm zu einem extrem guten Frequenzverhalten führt, das für den Übertrager 7 besonders gut geeignet ist.It has been found to be particularly important for the present invention that the value of the saturation magnetostriction with a heat treatment matched to the alloy composition certainly reaches particularly small values of | λ s | <0.1 ppm can be set. This results in a particularly linear loop shape, which leads to a particularly high level of permeability over a wide induction range. In addition, the occurrence of harmful magnetoelastic resonances of the ring-shaped magnetic core 9 is thereby avoided. At certain frequencies of the induction curve, these led to drops in the permeability and / or to increased magnetic reversal losses. During the investigations it was found that the combination of this approximate magnetostriction-free 20 unit, the smallest possible band thickness (preferably less than 17 μm) and a comparatively high specific electrical resistance of 1.1 to 1.5 μΩm leads to an extremely good frequency response, which is particularly well suited for the transmitter 7.
Legierungssystem 2:Alloy system 2:
Ein zweites Legierungssystem weist die Zusammensetzung FexCuyMzSivBw auf, wobei M ein Element aus der Gruppe Nb, W,A second alloy system has the composition Fe x Cu y M z SivBw, where M is an element from the group Nb, W,
Ta, Zr, Hf, Ti, Mo oder eine Kombination aus diesen bezeichnet und x + y + z + v + w = 100 at% ist, mitTa, Zr, Hf, Ti, Mo or a combination of these and x + y + z + v + w = 100 at%, with
Fe x = 100 at% - y - z - v - w Cu y = 0,5 - 2 at % vorzugsweise 1 at %Fe x = 100 at% - y - z - v - w Cu y = 0.5 - 2 at% preferably 1 at%
M z = 1 - 6 at % vorzugsweise 2 - 4 at %M z = 1 - 6 at% preferably 2 - 4 at%
Si v = 6,5 - 18 at % vorzugsweise 14 - 17 at %Si v = 6.5 - 18 at% preferably 14 - 17 at%
B w = 5 - 14 at %, vorzugsweise 6 - 9 at % wobei v + w > 18 at %, vorzugsweise v+ w = 20 bis 24 at % ist.B w = 5-14 at%, preferably 6-9 at%, where v + w> 18 at%, preferably v + w = 20 to 24 at%.
Legierungen dieses Systems haben sich wegen ihrer linearen Schleifenform und ihres sehr guten Frequenzverhaltens für den Übertrager 7 als sehr gut geeignet herausgestellt. Besonders gute Eigenschaften werden bei den als "vorzugsweise" hervorgehobenen Legierungszusammensetzungen erreicht, da hier, ebenso wie im Legierungssystem 1 ein Nulldurchgang der Sätti- gungsmagnetostriktion eingestellt werden kann. Dabei wurde auch hier herausgefunden, daß gerade die Kombination aus ei- nem hohen spezifischen elektrischen Widerstand von 1,1 bisAlloys of this system have proven to be very suitable for the transformer 7 because of their linear loop shape and their very good frequency behavior. Particularly good properties are achieved in the alloy compositions highlighted as “preferred”, since here, just as in the alloy system 1, a zero crossing of the saturation magnetostriction can be set. It was also found here that the combination of a high specific electrical resistance from 1.1 to
1,2 μΩm und einer kleinen Banddicke zu einem ausgezeichneten Frequenzverhalten führt, das durch reduzierte Banddicken von 14 μm oder sogar noch darunter weiter gesteigert werden kann. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, sind bei optimal abgestimmter Wär- mebehandlung bei 100 kHz Anfangspermeabilitäten von μi(100 kHz) > 25000 problemlos einhaltbar, bei den hier durchgeführ- 21 ten Untersuchungen wurde fallweise sogar μi > 50000 beobachtet.1.2 μΩm and a small band thickness leads to excellent frequency behavior, which can be further increased by reduced band thicknesses of 14 μm or even less. As can be seen from FIG. 3, with optimally coordinated heat treatment at 100 kHz initial permeabilities of μi (100 kHz)> 25000 can be easily met, in the case of the In the 21st examinations, μi> 50,000 was observed in some cases.
Daneben hat sich auch die mit Bs = 1,1 bis 1,3 T gemessene, vergleichsweise hohe Sättigungsinduktion bei extrem linearen Schleifen als sehr vorteilhaft erwiesen, da hierdurch eine hohe Stabilität gegenüber Unsymmetrieströmen entsteht. Außerdem werden hohe Werte für die gyromagnetische Grenzfrequenz, die letztlich von Bs/μι abhängt, erzielt. Letzteres ist eine wichtige Voraussetzung für hohe Permeabilitäten im MHz- Bereich. Zusätzlich wurde gefunden, daß die Temperaturcharakteristik der Magnetkerne 9 über die Wärmebehandlung zur Einstellung der Permeabilität gezielt angepaßt werden kann. Daraus können gerade bei rauhen Umweltbedingungen, wie sie in Telekommunikationseinrichtungen durchaus auftreten können, nicht anders realisierbare anwendungsspezifische Vorteile erwachsen.In addition, the comparatively high saturation induction measured with B s = 1.1 to 1.3 T has proven to be very advantageous in the case of extremely linear loops, since this results in a high stability against asymmetry currents. In addition, high values for the gyromagnetic cutoff frequency, which ultimately depends on B s / μι, are achieved. The latter is an important prerequisite for high permeabilities in the MHz range. In addition, it was found that the temperature characteristic of the magnetic cores 9 can be specifically adjusted via the heat treatment to adjust the permeability. This can give rise to application-specific advantages that cannot be realized otherwise, particularly in harsh environmental conditions, such as can occur in telecommunications equipment.
Legierungssystem 3:Alloy system 3:
Ein drittes Legierungssystem ist zusammengesetzt gemäß FexZryNb2BvCu„, wobei x + y + z + v + w = 100 at % ist, mitA third alloy system is composed according to Fe x Zr y Nb 2 B v Cu ", where x + y + z + v + w = 100 at%, with
Fe x = 100 at - y - z - v - w vorzugsweise 83 - 86 at %Fe x = 100 at - y - z - v - w preferably 83 - 86 at%
Zr y = 2 - 5 at % vorzugsweise 3 - 4 at %Zr y = 2 - 5 at% preferably 3 - 4 at%
Nb z = 2 - 5 at % vorzugsweise 3 - 4 at %Nb z = 2 - 5 at% preferably 3 - 4 at%
B v = 5 - 9 at %B v = 5 - 9 at%
Cu w = 0,5 - 1,5 at % vorzugsweise 1 at % wobei y + z > 5 at %, vorzugsweise 7 at % ist, und y + z + v > 11, vorzugsweise 12 - 16 at % ist.Cu w = 0.5 - 1.5 at%, preferably 1 at%, where y + z> 5 at%, preferably 7 at%, and y + z + v> 11, preferably 12 - 16 at%.
Mit Legierungen dieses Systems werden durch Querfeldwärmebehandlungen, die legierungsspezifisch im Int λ ervall zwischen 510 °C und 680 °C durchzuführen sind, ebenfalls lineare Hystereseschleifen mit Permeabilitäten zwischen ca. 12.000 und mehr als 30.000 erreicht. Bei Banddicken um 15 μm 22With alloys of this system, linear hysteresis loops with permeabilities between approx. 12,000 and more than 30,000 are also achieved by cross-field heat treatments, which are to be carried out alloy-specifically in the interval between 510 ° C and 680 ° C. With strip thicknesses around 15 μm 22
liegen bei 100 kHz immer noch Anfangspermeabilitäten von nahezu 20.000 vor und damit ein gutes, für die induktiven Bauelemente im Schnittstellenmodul 5 geeignetes Frequenzverhalten. Besonders günstig wirkt sich auch hier die hohe Sättigungsinduktion von 1,5 bis 1,6 T auf die Größe des induktiven Bauelements und die Lage der gyromagnetischen Grenzfrequenz aus. Hervorzuheben ist hier die sehr kleine Sättigungsmagne- tostriktion, die bei Anlaßtemperaturen um 600° C deutlich unter |λs| = 1 ppm liegt.there are still initial permeabilities of almost 20,000 at 100 kHz and thus a good frequency response suitable for the inductive components in the interface module 5. Here too, the high saturation induction of 1.5 to 1.6 T has a particularly favorable effect on the size of the inductive component and the position of the gyromagnetic cutoff frequency. Particularly noteworthy is the very small saturation magnification, which is clearly below | λ s | at tempering temperatures of around 600 ° C = 1 ppm.
Legierungssystem 4:Alloy system 4:
Ein viertes Legierungssystem hat die Zusammensetzung FexMyBzCuw, wobei M ein Element aus der Gruppe Zr, Hf, Nb be- zeichnet und x + y + z + w = 100 at % ist, mitA fourth alloy system has the composition Fe x M y B z Cu w , where M denotes an element from the group Zr, Hf, Nb and x + y + z + w = 100 at%, with
Fe x = 100 at % - y - z - vorzugsweise 83 - 91 at % M y = 6 - 8 at % vorzugsweise 7 at % B z = 3 - 9 at %Fe x = 100 at% - y - z - preferably 83 - 91 at% M y = 6 - 8 at% preferably 7 at% B z = 3 - 9 at%
Cu w = 0 - l,5 at %.Cu w = 0 - 1.5 at%.
Mit Legierungen dieses Systems läßt sich die Grundvoraussetzung | λs | < 1 ppm erfüllen. Die mit den durch- geführten Querfeldbehandlungen zwischen 510 °C und 680 °C legierungsspezifisch erreichbaren Permeabilitäten liegen zwischen 2000 und 15000. Die hohe Sättigungsinduktion von 1,5 bis 1,6 T erlaubt ebenfalls die Realisierung sehr kleiner Schnittstellenmodule 5.With alloys of this system the basic requirement | λ s | Meet <1 ppm. The permeabilities achievable with the cross-field treatments between 510 ° C and 680 ° C, depending on the alloy, lie between 2000 and 15000. The high saturation induction of 1.5 to 1.6 T also allows the implementation of very small interface modules 5.
Legierungssystem 5:Alloy system 5:
Ein fünftes Legierungssystem hat die Zusammensetzung (Fe0,98Co0,o2) 9o-χZr7B2+xCUι mit x = 0 - 3, vorzugsweise x = 0, wobei bei entsprechendem Abgleich der restlichen Legierungsbestandteile Co durch Ni ersetzbar ist. 23A fifth alloy system has the composition (Fe 0 , 98 Co 0 , o 2 ) 9 o-χZr7B 2 + x CUι with x = 0 - 3, preferably x = 0, wherein Co can be replaced by Ni if the remaining alloy components are matched accordingly. 23
Mit diesem System ist bei legierungsspezifisch abgestimmter Querfeldwärmebehandlung ebenfalls ein Nulldurchgang in der Sättigungmagnetostriktion zu erreichen, der bei Anfangspermeabilitäten von μi > 10000 besonders lineare Hystereseverläufe erlaubt. Dadurch werden die Frequenzgänge der komplexen Permeabilität so gut, daß sie denen der Legierungssysteme 1 und 2 sehr nahe kommen. Herausragender Vorteil dieses Systems ist die hohe Sättigungsinduktion, die mit Werten um Bs= 1,70 T liegt.With this system, with cross-field heat treatment tailored to the alloy, a zero crossing in the saturation magnetostriction can also be achieved, which allows particularly linear hysteresis profiles with initial permeabilities of μi> 10000. This makes the frequency responses of the complex permeability so good that they come very close to those of alloy systems 1 and 2. The outstanding advantage of this system is the high saturation induction, which is around B s = 1.70 T.
Aufgrund der besonders günstigen Kombination aus annäherender Magnetostriktionsfreiheit und hoher Sättigungsinduktion lassen sich wieder Schnittstellenmodule 5 mit besonders kleinen Bauformen realisieren.Due to the particularly favorable combination of almost no magnetostriction and high saturation induction, interface modules 5 can again be realized with particularly small designs.
Die Legierungssysteme 2 bis 5 erhalten nach der Wärmebehandlung eine feinkristalline Struktur mit Korndurchmessern unter 100 nm. Diese Körner sind von einer amorphen Phase umgeben die allerdings weniger als 50 % des Materialvolumens ein- nimmt.After heat treatment, alloy systems 2 to 5 are given a fine crystalline structure with grain diameters below 100 nm. These grains are surrounded by an amorphous phase, which however takes up less than 50% of the material volume.
Sämtliche Legierungssysteme 1 bis 5 zeichnen sich durch die folgenden Eigenschaften aus:All alloy systems 1 to 5 are characterized by the following properties:
- sehr lineare Hystereseschleife .- very linear hysteresis loop.
- Betrag der Sättigungsmagnetostriktion \ λs \ < 2 ppm, vorzugsweise < 0,1 ppm nach der Wärmebehandlung. Bei den Kobalt- Basis-Amorphwerkstoffen dadurch einzustellen, daß der Fe und Mn-Gehalt entsprechend feinangepaßt wird. Bei den nanokristallinen Legierungen über die Größe des feinkristallinen Korns, zu erreichen durch eine gezielte Abstimmung der Wärmebehandlung, des Metalloidgehaltes und des Gehaltes an Re- fraktärmetallen. 24- Amount of saturation magnetostriction \ λ s \ <2 ppm, preferably <0.1 ppm after the heat treatment. In the case of the cobalt-based amorphous materials, this should be adjusted by appropriately adjusting the Fe and Mn content. In the case of the nanocrystalline alloys, the size of the fine-crystalline grain can be achieved through a targeted coordination of the heat treatment, the metalloid content and the content of refractory metals. 24
- Sattigungs duktion von 0.56 T - 1.7 T. Die Sattigungs - duktion kann durch die Wahl des Gehaltes an Ni, Co, M, Si, B und C feinabgestimmt werden.- Saturation reduction from 0.56 T - 1.7 T. The saturation reduction can be fine-tuned by choosing the content of Ni, Co, M, Si, B and C.
- Bander, deren Dicken weniger als 17 μm betragen können- belts, the thickness of which can be less than 17 μm
- Hoher spezifischer elektrischer Widerstand, der bis zu 1,5 μΩm betragen kann.- High specific electrical resistance, which can be up to 1.5 μΩm.
Beispiele:Examples:
Die oben genannten Anforderungen und Legierungsbereiche werden nach Durchfuhrung der beschriebenen Wärmebehandlung z.B. durch die in Tabelle 2 aufgeführten Legierungsbeispiele ein- gehalten bzw. erfüllt.The requirements and alloy ranges mentioned above are fulfilled after performing the heat treatment described e.g. complied with or fulfilled by the alloy examples listed in Table 2.
Figure imgf000026_0001
Figure imgf000026_0001
Tab2tab2
Die in Tabelle 2 amorphen, fern- oder nanokristallinen Legierungen zeichnen sich durch besonders hohe Werte der Sattigungsmduktion von bis zu 1,7 Tesla aus. Diese lassen vergleichsweise hohe Permeabilitatswerte zu, wodurch gegenüber Femtubertragern Vorteile hinsichtlich Baugroße und Bewicklung entstehen. The amorphous, distant or nanocrystalline alloys in Table 2 are characterized by particularly high saturation modulation values of up to 1.7 Tesla. These allow comparatively high permeability values, which gives advantages in terms of size and wrapping compared to remote transmitters.

Claims

25Patentansprüche 25Patentansprüche
1. Schnittstellenmodul für lokale Datennetzwerke mit einem als Übertrager dienenden induktiven Bauelement (7) zur Koppelung von Schnittstellenschaltungen an eine der Verbindung von Rechnern dienende Datenleitung, wobei das induktive Bauelement einen Magnetkern (9) und eine Vielzahl von darauf aufgebrachten Wicklungen aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das als Übertrager dienende induktive Bauelement (7) einen Magnetkern (9) aus einer amorphen oder nanokristallinen Legierung mit einer Permeabilität μ > 15000 aufweist und die Windungszahlen der Wicklungen zwischen 5 und 25 liegen.1. Interface module for local data networks with a serving as a transformer inductive component (7) for coupling interface circuits to a connection of computers serving data line, the inductive component having a magnetic core (9) and a plurality of windings applied thereon, characterized in that the inductive component (7) serving as a transformer has a magnetic core (9) made of an amorphous or nanocrystalline alloy with a permeability μ> 15000 and the number of turns of the windings is between 5 and 25.
2. Schnittstellenmodul nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die amorphe oder nanokristalline Legierung eine Permeabilität μ > 30000 aufweist.2. Interface module according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the amorphous or nanocrystalline alloy has a permeability μ> 30000.
3. Schnittstellenmodul nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Legierung die Zusammensetzung Coa (Feι-cMnc) bNidMeSixByCz aufweist, wobei M ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Nb, Mo, Ta, Cr, W, Ge und / oder P bezeichnet und a+b+d+e+x+y+z = 100 at% ist, mit3. Interface module according to claim 1 or 2, characterized in that the alloy has the composition Co a (Feι- c Mn c ) b Ni d M e Si x B y C z , wherein M one or more elements from the group Nb, Mo , Ta, Cr, W, Ge and / or P and a + b + d + e + x + y + z = 100 at%, with
Co a = 40 - 82 at%Co a = 40 - 82 at%
Fe+Mn b = 3 - 10 at%Fe + Mn b = 3 - 10 at%
Mn/Fe c = 0 - 1Mn / Fe c = 0-1
Ni d = 0 - 30 at%Ni d = 0 - 30 at%
M e = 0 - 5 at%M e = 0 - 5 at%
Si x = 0 - 18 at%Si x = 0 - 18 at%
B y = 8 -26 at%B y = 8 -26 at%
C z = 0 - 3 at% und 15 at% < e+x+y+z < 30 at% 26C z = 0 - 3 at% and 15 at% <e + x + y + z <30 at% 26
4. Schnittstellenmodul nach Anspruch 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Beziehungen gelten:4. Interface module according to claim 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the relationships apply:
Co a = 55 - 72 at Mn/Fe c = 0 - 0,5Co a = 55-72 at Mn / Fe c = 0-0.5
Ni d = 0 - 20 at% M e = 0 - 3 at% B y = 8 -20 at% Si x = 1 - 18 at% und 20 at% < e+x+y+z < 30 at%Ni d = 0 - 20 at% M e = 0 - 3 at% B y = 8 -20 at% Si x = 1 - 18 at% and 20 at% <e + x + y + z <30 at%
5. Schnittstellenmodul nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Legierung die Zusammensetzung FexCuyMzSivBw aufweist, wobei M ein Element aus der Gruppe Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, Mo oder eine Kombination aus diesen bezeichnet und x + y + z + v + w = 100 at% ist, mit5. Interface module according to claim 1 or 2, characterized in that the alloy has the composition Fe x Cu y M z Si v B w , where M is an element from the group Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, Mo or one Combination of these and x + y + z + v + w = 100 at%, with
Fe x = 100 at% - y - z - v - wFe x = 100 at% - y - z - v - w
Cu y = 0,5 - 2 at % M z = 1 - 6 at %Cu y = 0.5 - 2 at% M z = 1 - 6 at%
Si v = 6, 5 - 18 at %Si v = 6.5 - 18 at%
B w = 5 - 14 at %, wobei v + w > 18 at % ist.B w = 5 - 14 at%, where v + w> 18 at%.
6. Schnittstellenmodul nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Beziehungen gelten: Cu y - 1 at %6. Interface module according to claim 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the relationships apply: Cu y - 1 at%
M z = 2 - 4 at % Si v = 14 - 17 at % wobei v + w = 20 bis 24 at % ist.M z = 2-4 at% Si v = 14-17 at% where v + w = 20 to 24 at%.
7. Schnittstellenmodul nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Legierung die Zusammensetzung FexZryNbzBvCuw aufweist, wobei x + y + z + v + w = 100 at % ist, mit Fe x - 100 at % - y - z - v - w 277. Interface module according to claim 1 or 2, characterized in that the alloy has the composition Fe x Zr y Nb z B v Cu w , where x + y + z + v + w = 100 at%, with Fe x - 100 at % - y - z - v - w 27
Zr y = 2 - 5 at %Zr y = 2 - 5 at%
Nb z = 2 - 5 at %Nb z = 2 - 5 at%
B v = 5 - 9 at %B v = 5 - 9 at%
Cu w = 0,5 - l,5 at % wobei y + z > 5 at% und y + z + v > 11 at% ist.Cu w = 0.5 - 1.5 at% where y + z> 5 at% and y + z + v> 11 at%.
8. Schnittstellenmodul nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Beziehungen gelten: Fe x = 83 - 86 at %8. Interface module according to claim 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the relationships apply: Fe x = 83 - 86 at%
Zr y = 3 - 4 at %Zr y = 3-4 at%
Nb z = 3 - 4 at %Nb z = 3-4 at%
Cu w = 1 at % wobei y + z > 7 at % und y + z + v > 12 bis 16 at % ist.Cu w = 1 at% where y + z> 7 at% and y + z + v> 12 to 16 at%.
9. Schnittstellenmodul nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Legierung die Zusammensetzung FexMyBzCuw aufweist, wobei M ein Element aus der Gruppe Zr, Hf, Nb bezeichnet und x + y + z + w = 100 at % ist, mit9. Interface module according to claim 1 or 2, characterized in that the alloy has the composition Fe x M y B z Cu w , where M denotes an element from the group Zr, Hf, Nb and x + y + z + w = 100 at % is with
Fe x = 100 at % - y - z - w M y = 6 - 8 at % B z = 3 - 9 at % Cu w = 0 - 1,5 at %.Fe x = 100 at% - y - z - w M y = 6 - 8 at% B z = 3 - 9 at% Cu w = 0 - 1.5 at%.
10. Schnittstellenmodul nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Beziehungen gelten:10. Interface module according to claim 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the relationships apply:
Fe x = 83 - 91 at % M y = 7 at %.Fe x = 83 - 91 at% M y = 7 at%.
11. Schnittstellenmodul nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Legierung die Zusammensetzung (Fe0,98Co0,o2) 9o-χZr7B2+xCuι aufweist mit x = 0 - 3 at%, wobei bei entsprechendem Abgleich der restlichen Legierungsbestandteile Co durch Ni ersetzbar ist. 2811. Interface module according to claim 1 or 2, characterized in that the alloy has the composition (Fe 0 , 98Co 0 , o 2 ) 9o-χZr 7 B 2 + x Cu ι with x = 0 - 3 at%, with appropriate adjustment of the remaining alloy components Co can be replaced by Ni. 28
12. Schnittstellenmodul nach Anspruch 11 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß x = 0 gilt. 12. Interface module according to claim 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that x = 0 applies.
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