Transformatorenkerne aus Permalloy: ein praktischer Leitfaden für Ingenieure

Permalloy-Kerne können sich ein wenig wie ein "geheimes Menü" in der Magnetik anfühlen: nicht für jede Aufgabe geeignet, aber magisch für schwache Signale, ultra-geringes Rauschen und anspruchsvolle Instrumente, wenn nichts anderes mithalten kann. Dieser Leitfaden fasst zusammen, worauf es im Labor und am Band ankommt: wo Permalloy glänzt, wie es sich im Vergleich zu Ferriten, Siliziumstählen und nanokristallinen Legierungen verhält und wie man Kerne spezifiziert und beschafft, die nach der Wärmebehandlung und dem Zusammenbau tatsächlich die gewünschten Werte erreichen. 

• Was Sie von diesem Artikel haben werden
  • Eine leicht verständliche Karte der Permalloy-Familie (45/49/80% Ni und "supermalloy")
  • Seite-an-Seite-Eigenschaftsvergleiche, die Sie bei der Auswahl im ersten Durchgang verwenden können
  • Wärmebehandlung und Handhabung sind die entscheidenden Faktoren für die Durchlässigkeit
  • Beschaffungssprache, die von den Anbietern verstanden wird (ASTM A753, A596 Ringversuche)
  • Designprobleme mit DC-Vorspannung, Blechdicke und Magnetostriktion

Permalloy ist in seinem Kern eine weichmagnetische Nickel-Eisen-Legierung. Die bekannteste Sorte für Transformatoren ist die Ni-Variante 80% (oft als HyMu 80, Moly Permalloy oder ASTM A753 Alloy 4 bezeichnet), die für ihre extrem hohe Anfangs- und Maximalpermeabilität und ihre sehr geringe Koerzitivfeldstärke geschätzt wird - Eigenschaften, die es ermöglichen, den Fluss mit winzigen Magnetisierungskräften und minimaler Verformung zu bewegen. 

Die permalloy Familie auf einen Blick

• Legierung 1 (≈45% Ni Fe-Ni): höherer Bsat als 80% Ni, mäßige Durchlässigkeit
• Legierung 2 "High Perm 49" (≈48-49% Ni): höchster Bsat (~1,5-1,6 T) unter Ni-Fe, gute Permeabilität; bevorzugt, wenn Spielraum gegen Sättigung wichtig ist
• Legierung 3 (≈75-78% Ni, Cu/Cr-Zusätze): sehr hohe Permeabilität, eher für Abschirmungen/Spezialteile verwendet
• Legierung 4 "HyMu 80/Moly Permalloy" (≈80% Ni, ~5% Mo): die erste Wahl für ultrahochpermeable Laminate und Bandkerne
• Superlegierung (≈75% Ni, ~5% Mo): noch höhere Durchlässigkeit auf Kosten der mechanischen Robustheit und der Bsat-Marge 

Die Anziehungskraft von Permalloy ist einfach: Bei geringen Magnetisierungskräften (z. B. bei Audio-, Sensor- und Messgeräten) koppelt nichts den Fluss so sanft. Der Nachteil ist eine geringere Sättigungsflussdichte als bei Stählen und die Notwendigkeit einer sorgfältigen Wärmebehandlung und Handhabung. In der Praxis entscheiden sich Konstrukteure für 80% Ni, wenn sie einen verschwindend geringen Erregerstrom, eine extrem geringe Verzerrung bei kleinen Signalen und ein minimales "Singen" der Magnetostriktion benötigen. 

• Wo Permalloy-Kerne ihr Geld verdienen
  • Kleinsignal-Audioübertrager (Mikrofon- und Leitungspegel), magnetische Tonabnehmer, Tonbandköpfe
  • Präzisionsmesswandler und -transformatoren bei 50/60 Hz bis zu einigen kHz
  • In Transformatorstrukturen eingebaute hochdämpfende Abschirmungen
  • Jede Low-Level-Schnittstelle, bei der Kernrauschen, Hysterese und Magnetisierungsstrom minimiert werden müssen 

Schneller Vergleich: Permalloy gegen die üblichen Verdächtigen

Die nachstehenden Zahlen sind repräsentativ für weit verbreitete Sorten nach ordnungsgemäßer Wasserstoffglühung. Überprüfen Sie immer die Datenblätter der Lieferanten und Ihre spezifische Laminatdicke und Wärmebehandlung.

Quellen, die der Tabelle zugrunde liegen: HyMu 80 und Alloy 49 von Carpenter und MuShield; klassische Permeabilitäts-/Bsat-Bereiche von Lee's Electronic Transformers; Ferrit- und nanokristalline Bereiche aus Datenblättern und Anwendungshinweisen der Hersteller. Vergleichen Sie immer das Datenblatt Ihres Anbieters mit der spezifischen Sorte und Dicke, die Sie verwenden werden. 

• Umsetzung dieser Zahlen in Wahlmöglichkeiten
  • Wählen Sie Permalloy 80, wenn Magnetisierungsstrom und Linearität auf niedrigem Niveau dominieren und Ihre Flussdichte im Betrieb deutlich unter ~0,2-0,3 T bleibt.
  • Wählen Sie High Perm 49, wenn Sie ein "perm-ähnliches" Verhalten benötigen, aber die 0,6-0,8 T-Obergrenze von 80% Ni nicht akzeptieren können.
  • Bleiben Sie bei 50/60 Hz bei Siliziumstahl, denn er ist kostengünstig und robust.
  • Bevorzugen Sie Ferrit oberhalb von ~50-100 kHz; der Widerstand gewinnt, die Verluste sind gering, die Teile sind kompakt.
  • Erwägen Sie nanokristallines Material für Drosseln/Filter oder wenn Sie ein hohes μ und ~1,2 T Bsat im Bereich 50 Hz-100 kHz benötigen. 

Wärmebehandlung und Handhabung: wo μ gewonnen oder verloren wird

Hier ist die unbequeme Wahrheit: Hohe Permeabilität kann man nicht "kaufen" - man kann sie mit der richtigen Glühung erzeugen, und man kann sie durch unvorsichtige Handhabung zerstören. HyMu 80 und verwandte Legierungen erfordern eine Wasserstoffglühung (Taupunkt typischerweise unter -40 °C) bei etwa 1100-1180 °C für einige Stunden, gefolgt von einer kontrollierten Abkühlung. In diesem Schritt werden Spannungen abgebaut, die Körner wachsen und die Permeabilitätsanbieter werden entlastet. Nach dem abschließenden Glühen können Biegen, Stanzen oder sogar ein fester Schlag die μ-Zahl verringern. Viele Werkstätten führen das "Perfektionsglühen" als allerletzten Schritt durch und verpacken die Teile, um Spannungen und Streumagnetisierung beim Versand zu vermeiden. 

• Checkliste für die Wärmebehandlung von HyMu 80-Laminaten/Toroiden
  • Endgültiges Wasserstoffglühen nach allen Umform-, Stanz- oder Schweißarbeiten
  • Überprüfen des Ofentaupunkts (≤ -40 °C) und 2-4 Stunden bei ~1100-1180 °C einweichen
  • Kontrolliertes Abkühlen durch 700-300 °C bei einigen °C/min (anbieterspezifisch)
  • Vermeiden Sie mechanische Stöße nach dem Glühen; glühen Sie erneut, wenn die Teile belastet wurden.
  • Testringe gemäß ASTM A596 zur Bestätigung der Permeabilitäts-/Koerzitivfeldstärkeziele 

Das mechanische und magnetoelastische Verhalten von Permalloy trägt auch dazu bei, dass Transformatoren leise bleiben: Die Magnetostriktion um 80-82% Ni geht gegen Null, was belastungsbedingte Geräusche reduziert und bei Konstruktionen mit extrem niedrigem Brummen hilft. Die genaue Magnetostriktion hängt von der genauen Zusammensetzung und sogar von geringfügigen Legierungen ab; in veröffentlichten Arbeiten wird der "Nullpunkt λ" bei ~81,5% Ni angesetzt. 

• Praktische Auswirkungen der Magnetostriktion von "fast Null"
  • Weniger hörbares Brummen durch Magnetostriktion im Vergleich zu Stählen
  • Geringere Stressempfindlichkeit, aber keine Immunität - Arbeit tut immer noch weh μ
  • Änderungen der Zusammensetzung (z. B. Mo, Cu) können die Magnetostriktion geringfügig verändern; halten Sie den Grad in Ihrer Spezifikation fest. 

Laminatdicke, Wirbelströme und warum 0,1-0,2 mm wichtig sind

Wirbelstromverluste skalieren mit dem Quadrat der Blechdicke und der Frequenz. Wenn Sie die Laminatdicke halbieren, können Sie die Wirbelstromverlustkomponente vierteln (bei sonst gleichen Bedingungen). Das ist der Grund, warum Permalloy-Laminate in Audioqualität oft nur 0,1-0,2 mm dick sind und warum bandgewickelte Toroide bei niedrigen Flussdichten so gut funktionieren. Verwenden Sie die einfache proportionale Form Pe ∝ f^2-B^2-t^2 für Handelsstudien erster Ordnung und validieren Sie sie dann mit den Kernverlustdaten Ihres Herstellers. 

• Kernform-Entscheidungen, die sich auszahlen
  • Bandgewickelte Toroide minimieren Leckagen und Headroom-Verluste; ideal für kleine Signale
  • EI/C-Laminate sind einfacher zu montieren und kosten weniger; Isolierung und Stapelfaktor angeben
  • Vermeiden Sie Luftspalten, es sei denn, Sie wollen absichtlich vorspannen; der niedrige Bsat-Wert des 80% Ni bedeutet, dass Lücken schnell Headroom kosten. 

Wie man Permalloy-Kerne spezifiziert und bezieht (damit die Anbieter nicht raten)

Sie erhalten schneller bessere Teile, wenn sich Ihre Bestellung wie ein Prüfplan liest. Geben Sie die Legierung, die Produktform, die Wärmebehandlung und die Zahlen an, die Sie bei Erhalt tatsächlich messen werden.

• Checkliste für die Beschaffung
  • Legierung und Norm: "ASTM A753 Alloy 4 (HyMu 80) Laminate, Dicke X mm" oder "ASTM A753 Alloy 2 (High Perm 49)"
  • Wärmebehandlung: "Endgültige Wasserstoffglühung gemäß der Praxis des Lieferanten zur Erreichung der μ- und Hc-Ziele; Angabe von Ofentaupunkt, Zeit/Temperatur".
  • Magnetische Ziele: "Ringtest nach ASTM A596; min μ bei B=40 G; Hc max bei B=5-10 kG; Bsat (≥ X kG)"
  • Mechanik/Finish: Isolierschichtklasse, Stapelfaktor, Gratgrenzen, Ebenheit
  • Handhabung/Verpackung: nichtmagnetische Verpackung, Vermeidung von Restmagnetisierung, Aufrechterhaltung der ID-Rückverfolgbarkeit zur Wärme- und Glühcharge 

Wenn Sie Beispiele für "echte" Teile brauchen, schauen Sie sich Kleinsignal-Audiogeräte an, die mit 80-85%-Ni-Laminaten gebaut wurden: Ihre Breitband-Linearität bei Millivolt-Pegeln zeigt, was das Material leisten kann, wenn der Fluss klein bleibt und die Glühung richtig ist. 

• Typische Abnahmetests zur internen Durchführung
  • DC-Ringtest (A596) für μ und Hc an Coupons aus Ihrem Los
  • B-H-Schleife mit niedrigem Pegel bei Ihrer aktuellen Frequenz
  • Sweep-Ton-Verzerrung bei erwarteter Flussdichte (für Audio)
  • Temperaturdrift des Magnetisierungsstroms bei Betrieb B

Entwurfsmuster, die funktionieren (und einige, die nicht funktionieren)

Im Low-Level-Audiobereich (z. B. bei einem Step-up von 600 Ω auf 15 kΩ) können Sie mit einem 80%-Ni-Kern-Lam-Stack oder einem bandgewickelten Toroid Flussschwankungen im Milligauss- bis Niedrig-Gauss-Bereich mit vernachlässigbarem Hysteresebeitrag ausführen, was zu einer sauberen Niederfrequenzerweiterung bei vernünftigen Größen führt. Halten Sie die Spitzenflussdichte konservativ - in der Größenordnung von höchstens ein paar hundert mT - und vermeiden Sie eine Gleichstromvorspannung, es sei denn, Sie lassen den Kern klaffen (was zu Lasten von μ geht). Für Leistungs-/Instrumententransformatoren, bei denen der Fluss höher ist, bietet High Perm 49 den nötigen Spielraum, um die Verzerrung vor der Sättigung gering zu halten. 

• Häufig zu vermeidende Fehler
  • Annahme des Katalogs μ ohne Anpassung der Blechdicke und des Glühens
  • Teile nach dem Glühen aneinanderstoßen lassen (μ fällt stillschweigend)
  • Verwendung des 80% Ni, wenn eine Gleichstromvorspannung unvermeidlich ist und keine Lücke vorhanden ist
  • Das Überspringen eines Ringtests bei Schwankungen von Los zu Los ist real 

Eine Anmerkung zu konkurrierenden Materialien

Nanokristalline Kerne eignen sich dank hoher μ-Werte und ~1,25 T Bsat hervorragend für Gleichtaktdrosseln und einige Leistungsmagnete, aber oberhalb von ~100 kHz steigen ihre Wirbelstromverluste gegenüber Ferriten an. Aus genau diesem Grund dominieren Ferrite bei hohen Frequenzen. Nichts davon macht sie besser oder schlechter als Permalloy - es bedeutet einfach, dass Sie das Werkzeug wählen sollten, das zur Frequenz, zum Flusshub und zu den Signalpegeln passt, die Ihnen wichtig sind. 

• Schnelle Faustregeln
  • NF, kleine Signale, niedrigste Erregung: Permalloy 80
  • LF mit mehr Volt und Strom: High Perm 49
  • HF-Leistungsumwandlung: Ferrit
  • Breitbanddrosseln/-filter oder LF-HF-Brücken: Nanokristallin (validieren Sie Verluste bei Ihrem f)