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Material für magnetische Spulenkerne und Verfahren zur Erzeugung desselben.
Diese Erfindung bezieht sich auf ein magnetisches Material, das besonders für die Verwendung als magnetische Kerne bei Belastungsspulen für Telephonstromkreise u. dgl. geeignet ist.
Der Hauptzweck der Erfindung ist die Erzeugung eines magnetischen Materials, welches niedrige Verluste und relativ hohe Permeabilität hat und welches die zu seiner wirksamen Verwendung erforderlichen günstigen elektrischen und magnetischen Eigenschaften in hohem Grade besitzt.
Bis jetzt war es bei der Erzeugung von magnetischen Kernen, bei welcher fein zerteilte, mit einer isolierenden Substanz vermischte magnetische Teilchen verwendet wurden, üblich, die gepressten Kerne einer heissen Behandlung zu unterziehen, um die Permeabilität stabil und konstant zu machen.
Diese heisse Behandlung wird gewöhnlieh bei der relativ niederen Temperatur von 930 C bis 1070 C durchgeführt und erstreckt sich auf eine relativ lange Zeitdauer von ungefähr 12 Stunden. Wenn für die Kerne ein magnetisches Material mit hoher Permeabilität, wie z. B. eine Legierung von Nickel und Eisen, verwendet wird, das eine hohe Anfangspermeabilität hat, so entsteht ein Kern, der bezüglich seines Materials weniger zufriedenstellende elektrische und magnetische Eigenschaften hat, als es der Wert des ursprünglich hiezu verwendeten Materials anzeigen würde.
Diese schädliche Wirkung ist offenbar dem Pressungsprozesse zuzusehreiben. Bei gewissen Kernen zeigt sich diese Wirkung in einer niederen Permeabilität und einem hohen Hysteresisverlust.
Gemäss vorliegender Erfindung wird diese schädliche Wirkung dadurch beseitigt, dass dem pulverisierten magnetischen Material eine isolierende Substanz beigemischt wird, welche selbst unter Druck bei einer Temperatur zwischen 450 C bis 8000 C ihre Isolationseigenschaften beibehält. Wenn sodann dieser Kern während oder nach der Pressung einer Heissbehandlung bei hoher Temperatur ausgesetzt wird, kann der Verlust an magnetischen Eigenschaften während der Pressung verhindert werden oder die während der Pressung verlorenen magnetischen Eigenschaften können wiederhergestellt werden.
Eine für diesen speziellen Zweck geeignete isolierende Substanz besteht aus Kaolin und einem Flussmittel und wird im nachstehendem an Hand eines Beispieles, auf das jedoch die Erfindung nicht beschränkt sein soll, die Ausführungsart der Erfindung beschrieben.
In dem speziell angenommenen Prozess werden die metallischen Teilchen mit einer Mischung von Kaolin in kolloidalem Zustande und eines Flussmittels, wie z. B. Borsäure, behandelt, wodurch die Legierungsteilchen einzeln isoliert werden, worauf sie zu Kernen in gewünschter Form und Grösse gepresst werden. Die Kerne werden sodann mit einer Lösung von Zinkhydroxyd imprägniert, zwecks Ausscheidung von Feuchtigkeit erhitzt und schliesslich zu der für die besondere Legierung, aus der die Kerne konstruiert wurden, besten Temperatur einer Hitzebehandlung zugeführt, um die Isolation zu festigen und die erforderliche Permeabilität, niederen Hysteresisverlust und hohen spezifischen Widerstand, daher niedere Wirbelstromverluste in den Spulen zu erreichen.
Bei Ausführung der vorliegenden Erfindung wird das magnetische Material in folgender Weise zubereitet. Das verwendete Material wird vorzugsweise aus einer im allgemeinen,. Permalloy" genannten Nickel-Eisen-Legierung hergestellt, die einer Behandlung zwecks Zerkleinerung auf eine fein zerteilte Form unterzogen wird. Die Erfahrung hat gezeigt, dass es dort, wo niedere Wirbelstromverluste verlangt werden, wichtig ist, dass die Teilchen von geringer Grösse und vorzugsweise so dimensioniert sind, dass alle Teilchen ohne weiteres durch ein 120maschiges Netz und ein grosser Prozentsatz durch eiIl 200maschiges
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Netz durchgehen.
Erfindungsgemäss wird die Legierung durch Schmelzen von ungefähr 78tut Teilen Nickel und 21% Teilen Eisen in einer oxydierenden Atmosphäre zubereitet und die daraus entstandene Legierung in eine Gussform geschüttet. Nach Herstellung gemäss vorgenanntem Prozesse wird die entstandene Legierung ausserordentlich brüchig und daher besonders geeignet sein, um in eine fein zerteilte oder staubförmige Form gebracht zu werden, aus welcher die fertigen Kerne gegossen werden können.
Die Umwandlung der Legierung in eine fein zerteilte oder staubförmige Form kann auf irgendeine erprobte Art vorgenommen werden.
Die fein zerteilten Teilchen der Nickel- Eisen-Legierung werden vor der Hinzusetzung des Isolationsmaterials in einem geschlossenen Behälter bei einer Temperatur von ungefähr 750 C bis 980 C getempert, da sich die Temperatur von ungefähr 9250 C für die Erlangung der allerbesten Resultate als am geeignetsten erwiesen hat. Es ist sodann notwendig, die getemperte Legierung, die jetzt in Kuchenform ist, wieder in eine fein zerteilte Form zu bringen, worauf sie mit dem Isolationsmaterial vermischt wird.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird das Isolationsmaterial für die Staubteilehen hergestellt, indem die Bestandteile auf folgende Art gemischt werden : Ein Teil Kaolin wird in drei Gewiehtsteilen Wasser durch Erhitzen bis ungefähr 950 C und Durchrühren, bis es eine dünne gleichförmige kolloidale Masse bildet, aufgelöst. Hiezu wird eine Menge eines Flussmittels, wie z. B. Borsäure, im Gewichte von 4% des Kaolins beigefügt, um die Schmelztemperatur zu erniedrigen und die adhäsive Eigenschaft des Kaolins zu erhöhen, wobei die Borsäure am besten in dem heissen destillierten Wasser, in welchem das Kaolin gemischt wird, aufgelöst wird.
Zu dieser Mischung wird der pulverisierte Permalloystaub beigemengt, dessen Menge durch die gewünschte Permeabilität und die besondere Verwendung, welcher die fertigen Kerne zugeführt werden, bestimmt wird. Der Staub wird mit der Kaolinlösung durch völliges Umrühren mittels Hand oder durch Herumwälzen in einer Drehtrommel durchaus vermischt, wobei die Temperatur dieser Mischung bei ungefähr 1000 C gehalten wird, bis sämtliches mechanisch gehaltene Wasser entfernt ist. Die getrockneten isolierten Staubteilchen sind sodann in geeigneter Form, um in Kerne oder Ringe gepresst zu werden, die am besten mit einem Druck von ungefähr 14. 000 leg pro Quadratzentimeter gebildet werden.
Der hohe Druck beim Bilden der Ringe wird angewendet, um ihre Dichte zu erhöhen, da gefunden wurde, dass die Permeabilität mit der Dichte zunimmt.
Die gepressten Ringe werdenin einer Lösung von Zinkhydroxyd, das einen Überschuss an Ammoniak besitzt, während einer Zeitdauer von zwei bis sechs Minuten (je nach Grösse der Kerne) imprägniert, damit sich das Isolationsmaterial um die einzelnen Staubteilchen herum nochmals verteilen kann. Das so hinzugefügt Zinkhydroxyd wird bei der hohen Temperatur des darauffolgenden Temperaturprozesses zersetzt und bildet auf den Teilchen einen Oxydüberzug. Die Ringe werden sodann in der freien Luft bei 100 C während mehrerer Stunden getrocknet, wodurch das hygroskopisch vorhandene Wasser und Ammoniak entfernt wird, worauf sie im Ofen bei ungefähr 2900 C während mehrerer Stunden erhitzt werden, um die Menge des chemisch gebundenen Wassers zu verringern.
Nachdem die Ringe getrocknet sind, werden sie am besten in geschlossenen Topfen günstigst bei einer Glühtemperatur von ungefähr 6750 C (d. h. zwischen 450 und 800 C) erhitzt, wodurch das Kaolin zum Teile schmilzt und die Ringe die grösstmöglichste Permeabilität im Einklange mit niederen Kernverlusten erhalten. Es können einige Proberinge aus isoliertem Staub auf die obgenannte Art hergestellt und deren Permeabilität gemessen werden. Sollte deren Permeabilität zu niedrig sein, so kann sie dadurch erhöht werden, dass der isolierte Staub vor dem Pressen in Ringe einen Zusatz eines vorbestimmten Betrages von niehtisoliertem Staub oder von Staub, der einen leichten Isolierüberzug besitzt, bekommt.
Die Hitzebehandlung kann entweder durchgeführt werden, indem das geformte Material knapp vor der Pressung auf die gewünschte Temperatur erhitzt wird, heiss gepresst wird und sodann die heissen Kerne in geeignete Öfen oder Kühlräume eingelegt werden, wo sie innerhalb der gehörigen Zeit die Zimmertemperatur annehmen müssen ; oder indem die fertigen Kerne irgendwann nach Durchführung der mechanischen Operationen der gehörigen Heissbehandlung zugeführt werden.
Wenn nach der Pressung verschiedene Hitzebehandlungen angewendet werden, können verbesserte magnetische und elektrische Eigenschaften erreicht werden und gewährt dieser Prozess auch die Möglichkeit. sowohl die Permeabilität als auch die Hysteresisverluste zu bessern und zu kontrollieren.
Die magnetischen Teilchen werden vor dem Zusammenpressen isoliert, um den elektrischen Widerstand der Kerne stark zu erhöhen und dadurch den Wirbelstromverlust, der eintritt, wenn der Kern in ein magnetisches Wechselstromfeld gesetzt wird, zu erniedrigen. Der zum Festigen des Materials angewendete Druck genügt, um seine Dichte jener des die Staubteilchen bildenden Metalls anzugleichen und um im wesentlichen die leeren Zwischenräume zwischen den Teilchen auszufüllen, so dass der gepresste Kern im wesentlichen eine feste einheitliche Masse bildet. Durch den Prozess des Zusammenpressens kann wohl ein Teil der Isolierung auf den Teilchen durchgeschnitten oder abgerieben werden, wodurch der elektrische Widerstand der geformten Masse vermindert werden kann. Dem kann durch Zusetzen eines geringen Betrages eines Schmiermittels, wie z. B.
Paraffinöl, als Überzug auf die isolierten magnetischen Teilchen vor dem Zusammenpressen abgeholfen werden. Durch entsprechendes Überwachen der Art und Anwendung des Schmiermittels wird die Kernfestigkeit aufrechterhalten und ein höherer elektrischer Widerstand erreicht.
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Mehrere entsprechend der vorbeschriebenen Methode erzeugte Ringe aus Kernmaterial werden in Form einer Welle aufgeschichtet, so dass sie einen Kern bilden, auf welchem die gewöhnliche ringförmige Wicklung aufgetragen wird, wobei die Anzahl solch verwendeter Ringe von den vorhandenen elektrischen Charakteristiken des Telephonstromkreises, mit dem die Belastungsspulen in Verbindung stehen, abhängig ist.
Obwohl in der vorhergegangenen Beschreibung angegeben wurde, dass die Permalloyteilehen mit einer Lösung von Borsäure und kolloidalem Kaolin im bestimmten Verhältnisse isoliert sind, ist es natürlich, dass das Verhältnis und die Bestandteile verändert werden können. Auch können andere Flussmittel, wie z. B. Borax, gewöhnliches Salz oder Magnesiunisulphat, an Stelle der Borsäure genommen werden, um die Schmelztemperatur des Kaolins niedriger zu machen.
Wenn derartige Kerne oder Ringe verwendet werden, kann man Induktanzeinheiten bekommen, die höhere Permeabilität mit gleichen oder geringeren Hysteresis-und Wirbelstromverlusten besitzen wie die nach den vorher bekannten Methoden, jedoch viel geringerem Kernumfang und viel geringerem Spulenumfang aufweisen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Magnetisches Kernmaterial, bestehend aus kleinen Teilchen eine Nickel-Eisen-Legierung, in welcher Nickel vorherrschend ist und deren Permeabilität gegen mechanische Beanspruchung empfindlich ist, wobei die Teilchen mit einer isolierenden Substanz vermischt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Substanz sowohl ihre Isoliereigenschaften bei einer Temperatur zwischen 450 C und 8000 C beibehält als auch bei solchen Temperaturen zumindest teilweise zersetzt wird und dass die Mischung während oder nach dem Pressen bei einer zwischen den angegebenen Grenzen liegenden Temperatur mit Hitze behandelt wird.