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Magnetischer Kern und Verfahren zur Herstellung eines magnetischen Materials
Die Erfindung bezieht sich auf einen magnetischen Kern aus einem kubischen Ferrit und auf die Herstellung eines solchen Ferrits.
Nach der Erfindung wird als magnetisches Ferritmaterial eine praktisch homogene einfache Mischkristallphase von Manganferrit und Zinkferrit verwendet, im folgenden Manganzinkferrit genannt.
Der Vorteil eines solchen erfindungsgemässen Manganzinkferrits ist der hohe erreichbare Wert für die Anfangspermeabilität.
Es ist bei Verwendung von Manganzinkferrit nach der Erfindung weiter möglich, ein magnetisches Material herzustellen, bei dem der Temperaturkoeffizient der reziproken Anfangspermeabilität, mit anderen Worten der Temperaturkoeffizient des magnetischen Widerstandes, in einem Temperaturbereich in der Nähe der Zimmertemperatur, z. B. von 10 bis 400 C einen nahezu konstanten negativen Wert hat. Da der Temperaturkoeffizient in einem so grossen Temperaturbereich bei anderen bekannten Ferriten bisher nur positive Werte annimmt, besteht jetzt die Möglichkeit, durch Kombination eines derartigen Ferrits mit positivem Temperaturkoeffizienten mit einem erfindungsgemässen Manganzinkferrit mit negativem Temperaturkoeffizienten einen magnetischen Kreis mit einem Temperaturkoeffizienten Null oder praktisch Null zu bauen.
Ein derartiger magnetischer Kreis hat den Vorteil, dass sich die Selbstinduktion einer mit diesem Kreise zusammenarbeitenden Spule bei Temperaturänderungen praktisch nicht ändert.
In manchen Fällen hat es sich als möglich erwiesen, ein Manganzinkferrit mit einem so niedrigen Temperaturkoeffizienten herzustellen, dass das Material allein und ohne Kombination mit anderen bereits einen von der Temperatur praktisch unabhängigen Selbstinduktionswert hat.
Zu Erläuterung sei bemerkt, dass an sich der Temperaturkoeffizient der reziproken Anfangspermeabilität und nicht derjenige der Anfangspermeabilität selbst der technisch wichtige ist, weil in einem magnetischen Kreis mit einem oder mehreren Luftspalten der magnetische Widerstand additiv ist, und der magnetische Wider- stand der reziproken Permeabilität proportional ist.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Manganzinkferriten besteht in der Möglichkeit, ein magnetisches Material herzustellen, das bei niedrigen Induktionen in einem ausgedehnten Frequenzbereich, bis 100 oder sogar 1000 kHz und höher, niedrige Gesamtverluste (Wirbelstrom-, Hysteresis-und andere-verluste) aufweist, was zur Verwendung für Rundfunk-, Telegraphie-und Telephoniezwecke, elektroakustische Vorrichtungen usw. wichtig ist.
Bei Verwendung von Manganzinkferrit ist es weiter möglich, ein Material mit besonders geringen Hysteresisverlusten herzustellen, was bei Telegraphie und Telephonie für Transformatoren, Filterspulen, Pupinspulen usw. wichtig ist.
Ein wichtiger Punkt ist weiter, dass es möglich ist, ein Manganzinkferrit herzustellen, das verschiedene oder sämtliche der genannten Vorteile in sich vereinigt.
Gemischte Ferrite als Kernmaterial sind aus der deutschen Patentschrift Nr. 227787 (Hilpert), gemischte Zinkferrite aus"Comptes rendus, hebd. des Seances de l'Academie des Sciences" Band 209,1939, Seiten 164-167 bekanntgeworden, jedoch nicht Manganzinkferrite. Wohl wurde in einer Arbeit von J. L. Snock in "Physica"3, Seiten 463-483, 1936, auch ein Manganzinkferrit erwähnt ; dieses bestand aber nicht aus einer praktisch einfachen homogenen Mischkristallphase und war bei Zimmertemperatur unmagnetisch, daher als magnetischer Kern unbrauchbar.
Über die Bereitung eines Manganzinkferrits nach der Erfindung sei folgendes erwähnt.
Zweckmässig wird von einem innigen Gemisch der das Ferrit aufbauenden reinen Metalloxyde ausgegangen, das entweder durch Mischen der gesonderten Oxyde oder durch Niederschlagen einer sowohl Mangan als auch Zink und Eisen enthaltenden Lösung mit einer Lauge erhalten wird ; im letztgenannten Fall kann das niedergeschlagene Oxydhydratgemisch bereits teilweise die Ferritstruktur haben. Man kann aber auch von Karbonaten oder von anderen bei Erhitzung
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in Oxyde übergehende Verbindungen ausgehen.
Das Ausgangsgemisch wird zweckmässig zusammengepresst und dann gesintert, bis es sich in Ferrit umgewandelt hat.
Zur Erzielung einer hohen Anfangspermeabilität ist es vorteilhaft, bei der Sinterung dafür zu sorgen (z. B. durch eine hinreichend hohe Temperatur oder eine hinreichend lange Erhitzungsdauer, durch eine hinreichend hohe Reaktivität des ferritbildenden Ausgangsgemisches oder dadurch, dass das erste Sinterungserzeugnis gemahlen und von neuem gesintert wird, oder durch Kombinierung dieser Massnahmen), dass die Bildung von Ferrit aus den Ausgangsbestandteilen möglichst vollständig ist, d. h., dass das Gemisch gründlich durchreagiert. Um ein gründliches Durchreagieren zu fördern, wird weiter bei der Bereitung eines Manganzinkferrits zweckmässig von einem Gemisch grosser Feinheit ausgegangen. Man kann zur Erzielung grosser Feinheit und zugleich hoher Reaktivität das Ausgangsgemisch längere Zeit und kräftig mahlen.
Zweckmässig geht man dabei so weit, dass die mittlere Grösse der Teilchen kleiner wird als l p.. Sehr fein sind Gemische von Oxyden oder Oxydhydraten, die auf nassem Wege durch Niederschlagen einer Lösung der betreffenden Metalle mit einer Lauge hergestellt werden.
Das Verhältnis der Bestandteile des Ausgangsgemisches, das stöchiometrisch sein kann oder nicht, wird derart gewählt, dass das Gemisch bei der Sinterungstemperatur in eine praktisch einfache homogene Ferritmischkristallphase übergehen kann. Der Gehalt an Eisen (III)-oxyd liegt dabei gewöhnlich zwischen 40 und 70 Mol.-%.
Das Mischverhältnis von Mangan und Zink wird zweckmässig derart gewählt, dass sich ein Mischkristall mit einem Curiepunkt zwischen etwa 40 und 2500 C bildet. Ein solcher Curiepunkt ist vorteilhaft mit Rücksicht auf die Erzielung einer hohen Anfangspermeabilität.
Es sei darauf hingewiesen, dass auch der Eisengehalt sowie die Wärmebehandlung des Ferrits den Curiepunkt beeinflussen. Unter dem Curiepunkt ist im vorliegenden Falle die Temperatur zu verstehen, bei der ein magnetisches Material in einen Zustand übergeht, der in bezug auf die Permeabilität praktisch unmagnetisch ist.
Zur Herstellung eines Materials mit einem über einen ziemlich grossen Temperaturbereich nahezu gleichbleibenden, negativen oder sehr geringen Temperaturkoeffizienten der reziproken Anfangspermeabilität hat es sich als günstig erwiesen, die Sinterung des ferritbildenden Ausgangsgemisches in Sauerstoff oder Luft oder in einer hinreichend sauerstoffabgebenden Atmosphäre durchzuführen und nach der Sinterung das gebildete Ferrit in einer derartigen Atmosphäre mit einer bestimmten Geschwindigkeit abzukühlen. Vorzügliche Ergebnisse werden bei Abkühlung mit einer Geschwindigkeit von etwa 50 C je Minute erzielt.
Die günstigste Abkühlungsgeschwindigkeit ist von der Temperatur, bei der die Sinterung stattgefunden hat, von der Zusammensetzung des Ferrits, von etwaigen Verunreinigungen und auch von dem angestrebten Temperaturkoeffizienten abhängig, aber sie lässt sich experimentell leicht ermitteln.
Es hat sich gezeigt, dass, wenn ein Manganzinkferrit auf die obengeschilderte Art und Weise bereitet wird, das entstandene Ferrit neben einem günstigen Temperaturkoeffizienten auch einen sehr niedrigen Wert für die Verluste aufweist. Auch bei schneller Abkühlung lassen sich niedrige Verlustwerte erhalten, aber eine derartige schnelle Abkühlung führt zu nachteiligen Abschreckspannungen, die das Material spröde machen und die Anfangspermeabilität beeinträchtigen. Im Hinblick auf die Permeabilität empfiehlt sich eine Abkühlungsgeschwindigkeit von etwa 5 0 C je Minute.
Es ist gemäss der Erfindung möglich, durch die Wahl geeigneter Bedingungen ein magnetisches Material mit einem Verlustfaktor tge zu erhalten, der bei niedrigen Induktionen über einen grossen Frequenzbereich, bis zu 100 oder sogar 1000 kHz einen sehr niedrigen Wert hat, z. B. kleiner
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dielektrischen Verlusten und abzüglich des Gleichstromwiderstandes gemessen, und L die Selbstinduktion einer auf einen aus dem Ferritmaterial bestehenden ringförmigen Kern gewickelten Spule und (r) die Kreisfrequenz darstellt.
Ein Material mit derartigen niedrigen Verlusten ist sehr geeignet für Rundfunk-, Telephonie-und Telegraphiezwecke.
Wenn bei der Bereitung eines Manganzinkferrits mit niedrigen Verlusten ausserdem für eine hohe Anfangspermeabilität gesorgt wird, so lässt sich ein besonders wertvolles magnetisches Material herstellen, weil ein magnetischer Kern für hohe Frequenzen vor allem einen kleinen
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faktor tga und der am ringförmigen Kern gemessenen Anfangspermeabilität ; A.
Erfindungsgemäss ist es möglich, ein Material herzustellen, bei dem bei Frequenzen bis zu
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die man gewöhnlich bei Frequenzen von 10 bis zu 100 kHz verwendet. Auch für Pupinspulen, die bei Frequenzen von 0-3 bis 2-0 kHz verwendet werden, ist das Material nach der Erfindung vorzüglich geeignet.
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einem magnetischen Kreis mit einem oder mehreren Luftspalten der Quotient von tg òelf des effektiven Verlustfaktors tg und der P. elf
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effektiven Anfangspermeabilität tle, ff bei gleichbleibender magnetischer Belastung des Materials
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Unter Mzeff ist die Grösse zu verstehen, die z.
B. aus der bekannten Formel
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für einen magnetischen Kreis, welcher aus Teilen mit verschiedenen u-Werten besteht und somit eine oder mehrere Luftspalten enthält, berechnet wird. In dieser Formel stellen U, li und qi der Reihenfolge nach die Permeabilität, die Längen und die Querschnitte von jedem der Teile, aus denen der magnetische Kreis zusammengesetzt
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kann also der Verlustfaktor eines anderen aus diesem Material aufgebauten Kreises durch Multiplikation der Konstanten mit der effektiven Anfangspermeabilität dieses Kreises gefunden werden.
Wie bereits gesagt, besteht ein wichtiger Vorteil der Verwendung von Manganzinkferriten in der Möglichkeit, ein magnetisches Material mit niedrigen Hysteresisverlusten zu erhalten.
Nach der Erfindung sind solche Eigenschaften insbesonders möglich, wenn der Gehalt an Eisenoxyd im Manganzinkferrit 52 Mol.-% oder mehr beträgt. Vorzügliche Ergebnisse entstehen bei einem Gehalt von 52 bis 55 Mol.-%, aber auch ein höherer Gehalt ist verwendbar, soweit ein Ferritmischkristall mit einem solchen höheren Eisenoxydgehalt besteht. Ferrite mit niedrigen Hysteresisverlusten sind sehr wichtig für Telephoniezwecke.
Obgleich eine vollständige Erklärung der auffallenden magnetischen Eigenschaften, die das Manganzinkferrit besonders geeignet zur Verwendung für magnetische Kerne machen, jetzt noch nicht gegeben werden kann, stehen sie doch wahrscheinlich damit im Zusammenhang, dass Mangan in verschiedenen Valenzstufen vorkommen und bei Temperaturänderungen unter Sauerstoffaufnahme oder-abnahme in eine andere Valenzstufe übergehen kann.
Es sei noch bemerkt, dass der Ausdruck magnetischer Kern in der vorliegenden Patentschrift nicht nur einen innerhalb einer Spule angebrachten Kern, sondern ganz allgemein magnetische Bauteile elektromagnetischer Konstruktionen, z. B. auch Teile zur magnetischen Abschirmung, umfasst.
Beispiel 1 : Ein Gemisch von technischem Zinkoxyd, Braunstein und Eisen (III)-oxyd in einem Molekülverhältnis von 25-5 : 23-5 : 53, auf die reinen Oxyde ZnO, 1/3 Mn304 und Pesos bezogen, wird während zwölf Stunden in einer eisernen Schleudermühle gemahlen. Das Gemisch enthält etwa 0. 7% Siliciumdioxyd als Hauptverunreinigung. Auch bei einem Gehalt von etwa 2-5% werden noch gute Ergebnisse erzielt. Das Gemisch wird mit Wasser als
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Querschnitt von 5 zu 5 mm mit einem Druck von 4000 kg/cm2 gepresst. Dieser Ring wird während zwei Stunden auf 1300 C in einem elektrischen Ofen in Sauerstoff gesintert. Darauf wird der Ofen ausgeschaltet und mit seinem Inhalt sich selbst überlassen, wobei die Einleitung von Sauerstoff fortgesetzt wird.
Er kühlt dabei in etwa drei Stunden bis auf 200 C ab. Das erzielte Manganzinkferrit hatte einen Curiepunkt von 116 C und eine Anfangspermeabilität von 415, gemessen bei 20 .
Die Temperaturabhängigkeit der Anfangspermeabilität ist so gering, dass die Selbstinduktion einer aus dem Material hergestellten Spule bei einer effektiven Anfangspermeabilität von 15, im Gebiet zwischen 20 und 50 C bis auf weniger als 0-15% konstant ist. Bei 200 C war der
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2000 Hz und einer maximalen Induktion von 7-5 Gauss. Rh ist der Hysteresiswiderstand einer auf den ringförmigen Kern gewickelten Spule und L ihre Selbstinduktion.
Beispiel 2 : Auf ähnliche Weise, wie im ersten Beispiel beschrieben, wurde aus technischen Oxyden ein Kern mit einem Manganzink- ferrit mit 51 Mol.-% Eisen (III)-oxyd und Molgehalten an Mangan und Zink in gleicher Höhe hergestellt. Die Anfangspermeabilität war 335,
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Beispiel 3 : Ein Gemisch von reinem, durch Rösten von Mangannitrit erhaltenem Braunstein, reinem Zinkoxyd und reinem Eisen (III)-oxyd in einem Molverhältnis von 25 : 21 : 54 wird während zwölf Stunden in einer eisernen Schleudermühle gemahlen und dann auf die im ersten Beispiel geschilderte Weise zu einem Ring gepresst und gesintert. Die erzielte Anfangspermeabilität betrug 470 ; der Curiepunkt lag
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2000 Hz und einer Scheitelinduktion von 7-5 Gauss.
Beispiel 4 : Ein Gemisch der im dritten Beispiel erwähnten Oxyde in einem Molverhältnis von 32 : 20 : 48 wird auf die geschilderte Weise zu einem ringförmigen Kern verarbeitet. Seine
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Werte für sind in der Tabelle erwähnt.
, !' Rh betrug 95 bei 2000 Hz und einer Scheitel- induktion von 7-5 Gauss.
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<tb> Werte <SEP> für <SEP> bei <SEP> verschiedenen <SEP> Frequenzen <SEP> :
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PATENTANSPRÜCHE :
1. Magnetischer Kern, insbesondere für Rund- funk-, Telephonie-und Telegraphiezwecke, aus einem kubischen gemischten Zinkferrit, dadurch gekennzeichnet, dass als Ferrit eine praktisch einfache homogene Mischkristallphase von Manganzinkferrit gewählt ist.