CH256023A

CH256023A - Verfahren zur Herstellung eines ferromagnetischen Kernes mit geringen Verlusten bei Hochfrequenz.

Info

Publication number: CH256023A
Authority: CH
Inventors: Gloeilampenfabrieken N Philips
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1941-10-24
Filing date: 1942-10-29
Publication date: 1948-07-31
Also published as: NL61937C; DE976355C; GB626946A

Description

Verfahren zur Herstellung eines ferromagnetischen Kernes mit geringen Verlusten hei Hochfrequenz. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf < @iri Verfahren zur Herstellung eines ferro- magnetischen Kernes aus einem einen spezi fischen Widerstand höher als 1000 Ohm.cm aufweisenden Material, das wenigstens ferro- magnetisches kubisches Ferrit enthält, wobei der Kern bei niedriger Induktion, selbst bei hohen Frequenzen, nur zu geringen Verlusten ,1nla.ss gibt,

was für Rundfunk- und Tele- phoniezwecke, z. B. für die Anfertigung von Filterspulen, Pupinspulen, Transformatoren und elektroakustischen Vorichtungen von Be deutung ist. Die Erfindung bezieht sich fer- i!er auf einen nach diesem Verfahren herge- 5tellten ferromagnetischen Kern.

Nach bekannten Verfahren können ferro- wagRetisehe kubische F'errite mit einem hohen spezifischen elektriechen Widerstand, z. B. 1000 Ohm. cm und höher, erhalten werden, so dass die Wirbelstromverluste niedrig sind.

Unter kubischen Ferriten werden nach- siehend sowohl die kubischen Ferrite der For- tiiel _NIFe@0,, worin M ein zweiwertiges Me tall bedeutet, als auch aus solchen Ferriten be stehende 3lischkristalle (mit kubischer 117errit- struktur) verstanden.

Die vorliegende Erfindung beruht auf .der Erkenntnis, dass die Verluste, welche bei sol- Uhen Ferriten, trotzdem die Wirbelstromver- li ste sehr klein sind, auftreten. können, mit dein Sauerstoffgehalt des Ferrites im Zusam- nzenhangstehen. Bezüglich des Sauerstoffgehaltes kann be merkt werden, dass es bekannt ist, dass ein Ferrit bei Erhitzung auf hohe Temperaturen, wie sie z.

B. bei deren Herstellung angewendet werden, Sauerstoff abgeben kann. Um einen solchen Sauerstoffmangel zu vermeiden, wurde die obenerwähnte Erhitzung in reinem Sauer stoff durchgeführt.

Es wurde nunmehr festgestellt, dass, sogar wenn eine für die Herstellung oder für andere Zwecke erforderliche Erhitzung in reinem Sauerstoff durchgeführt wird, ein geringer Sauerstoffmangel vielfach auftritt, und dass . überraschenderweise ein solcher geringer Sauerstoffmangel, der nur einige Hundertstel- gewichtsprözente des gesamten r'erritgewieli- te:s betragen kann, für die Verluste sehr nach teilig ist. ;

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Her stellung eines ferromagnetischen Kernes aus einem einen spezifischen Widerstand höher als 1000 Ohm. cm aufweisenden Material, das wenigstens ferromagnetisches kubisches Ferrit enthält, kennzeichnet sieh dadurch, -dass bei der Anfertigung für einen so hohen Sauer stoffgehalt des Ferrites Sorge getragen wird,

dass bei Zimmertemperatur der auf die magne tische Feldstärke Null extrapolierte Kernver- lustfaktor tg ö im Frequenzgebiet zwischen 10 und 1000 kHz weniger als 0,06 beträgt. Der Verlustfaktor tg b ist definiert als das Verhältnis von Kernverlustwiderstand Ba, extrapoliert auf die Feldstärke Null und B;lindwidierstand coL einer Ringspule, die mit einem Ringkern aus dem betreffenden Ma terial versehen wird.

Der Wert R schliesst demnach den von der Spulenwicklung gelie ferten Anteil, nämlieh den Gleichstromwider stand und den von,der Frequenz des Spulen stromes abhängigen Wechselstromwiderstand bedingt durch Wirbelstromverluste der Spu- lenwicklung nicht ein. Ebenso sind Verluste durch Spulenkapazität und diejenigen in den Dielektrika nicht im Werte R eingeschlossen.

Ein solcher Sauerstoffgehalt kann auf ver schiedene Weise erreicht werden, je nach der Art des Ferrites.

Das grundsätzlich einfachste Verfahren besteht darin, dass man durch eine geeignete Wahl der Verhältnisse dafür Sorge trägt, dass die für die Bereitung des Ferrites erforder liehe Erhitzungstemperatur genügend niedrig gehalten wird.

Was diese Erhitzungstemperatur anbe langt, wird bemerkt, dass z. B. bei einem Ferrit, das durch Erhitzung einer innigen Mi- 5 schung der das Ferrit zusammensetzenden festen Oxyde bereitet wird, die Temperatur von der Intensität und der Feinheit abhän gen wird, mit -der bezw. zu der die Mischung gemahlen ist.

Eine während längerer Zeit gemahlene, sehr feine Mischung wird inner halb einer angemessenen Zeit ein völlig durchreagiertes, homogenes Produkt bei nied rigeren Temperaturen ergeben können als eine während kurzer Zeit gemahlene, gröbere Mi schung. Mit Rücksicht auf die Anfangs permeabilität des Endproduktes ist, wie im nachfolgenden näher auseinandergesetzt wird, eine solche vollständige Reaktion von grösster Bedeutung.

Wird ein Ferrit in .der Weise bereitet, dass aus einer Lösung der Metallverbindungen ein Niederschlag erzielt wird und der feinver teilte Niederschlag erhitzt wird, so ist für eine vollständige Reaktion im allgemeinen eine niedrigere Erhitzungstemperatur erforderlich, als wenn das Ferrit auf die obenumschriebene Weise erhalten wird.

Obzwar die Abänderung der Verhältnisse, unter denen, ein Ferrit bereitet wird, einen gewissen Spielraum in der erforderlichen Er hitzungstemperatur ermöglicht, gelingt es viel fach in der Praxis nicht, :schon bei der Be reitung eines Ferrites für einen genügend hohen Sauerstoffgehalt Sorge zu tragen. In diesem Falle lässt man ein solches Ferrit mit einem zu niedrigen Sauerstoffgehalt, das also in bezug auf Sauerstoff ungesättigt ist, zweck-. mässigerweise durch Anwendung von reinem Sauerstoff, Sauerstoff aufnehmen.

Die Verhältnisse, insbesondere die Tem peratur, bei der man ein Ferrit Sauerstoff aufnehmen lässt, sind von verschiedenen Fak toren abhängig, wie von der Sauerstoffmenge, die aufgenommen werden muss, um im Fre quenzbereich zwischen 10 und 1000 kHz einen Wert für tg ö kleiner als 0,06 zu erreichen, von dem Mass, in dem alle Teile des Ferrites für Sauerstoff zugänglich sind, von seiner Feinkörnigkeit bzw. P'orosität und ferner von der Art und der Zusammensetzung des Per- rites.

Es hat sich ergeben, da.ss die erreichten Verlustwerte am niedrigsten sind, wenn das Ferrit möglichst viel Sauerstoff aufgenom men hat. Da die aufgenommene Sauerstoff menge bei Abnahme der Temperatur steigt, ist es daher vorteilhaft, niedrige Temperaturen anzuwenden. Anderseits muss man aber dem Umstand Rechnung tragen, da,ss die Geschwin digkeit, mit der Sauerstoff aufgenommen wird, bei abnehmender Temperatur abnimmt.

Diese Geschwindigkeit ist ferner in hohem Masse von der Feinkörnigkeit und der Porosi- tät des Ferrites abhängig, und es ist daher mit Rücksicht auf die Zeit, welche ,die Sauer stoffaufnahme sonst beansprucht, erwünscht, das Ferrit in feinkörniger, poröser Form an zuwenden.

Ein wichtiger Faktor, der zu berücksich tigen ist, ist die Anfangspermeabilität des Endproduktes, da die Brauchbarkeit eines ferromagnetischen Kernes zur Hauptsache durch den Wert des Quotienten aus dem Ver lustfaktor t- 8 und der Anfangspermeabilität ,cc bedingt wird. Von grosser Bedeutung sind Kerne mit einer hohen Anfangspermeabilität lind niedrigen Verlusten.

Man wird daher vor bei der Anfertigung solcher Kern.(, ilie Massnahmen zur Erreichung eines geringen Verlustfaktors mit den Massnahmen kombi nieren, welche für das Erreichen einer hohen -infangspermeabilität erforderlich sind, wobei g-lafür Sorge betragen werden muss, dass die Verclriedenen Massnahmen einander nicht -iderstreitib sind.

Ewurde nunmehr festgestellt, dass man. den WVerl der Anfanbspermeabilität dadurch @,@ünstig beeinflussen kann, dass auf eine so hohe Temperatur erhitzt wird, dass sich eine einzige homogene Ferritphase bildet.

In bezug auf die Aufnahme von Sauer stoff muss aber dafür Sorge getragen -werden, (lass bei dieser Erhitzung nicht. eine so hohe Temperatur angewendet wird, dass das 3Ta- t;

-rial diehtsintert. Hat eine solche uner- wÜnsehte Erhitzung stattgefunden, so kommt dies in Grobkörnigkeit des Materials zum Aiisdruek, das dann nicht mehr genügend S@merstoff aufzunehmen vermag.

Inr allberneinen ist es mit Rücksicht auf die Permeabilität vorteilhaft, das Abkühlen n@ieh der erwähnten Erhitzung langsam er- folben zu lassen, so dass Abschreekspannun- nen im Ferrit vermieden werden,

Eine Ge- #ehwindigkeit von höchstens 10 C pro Mi- niite ist für hohe Anforderungen genügend l < < n-sam. Wenn die Gefahr der Bildung einer mrerwünsehten 'Menge einer zweiten Phase be- tezlit, welche die Anfangspermea.bilität nach beeinflusst, so kann mit einer grösseren ( @c@chivindibheit, z.

B. etwa l00 C pro Mi- wil-e, il-)belziiblt werden. Aus dem Vorher- henden folgt weiter, dass bei Aufnahme von Sarrer#,ztoff die Temperatur vorzugsweise über 4le@r Temperatur bleiben muss, bei der sich ein(- zweite Phase bilden kann.

Naturgemäss ist die an einem F'errit er- reiehte Anfangspermeabilität von seiner Art iind Zusammensetzung abhängig. So sind die ll.ögliclil@eiten zur Vermeidung der Bildun- einer zweiten Phase bei verschiedenen Fer- rIten stark verschieden.

Das Erhalten eines r-Uritberrobraphiselr homogenen Ferrites ist aber in vielen Fällen möglich, Ferner hat sich ergeben, dass, ebenso wie bei andern ferromagnetisehen Materialien, die Anfangspermeabilität vielfach einen Höchst wert dicht unter dem Curiepunkt aufweist; sehr günstig wird daher ein Ferrit sein mit. einem Curiepunkt, der ungefähr zwischen50 und \?50 C liebt. Ein solches F'errit wird z. B.

in der Weise erhalten, dass Zinkferrit, das einen niedrigen Curiepunkt besitzt, mit einem Ferrit mit einem. höheren Curiepunkt kom biniert wird, wie Nickelferrit.

Zwecks Erhaltung einer homogenen Ferrit- phase ist die Anwendung von reinen Roh materialien bei der Bereitung des Ferrites Hauptbedingung. Um zu erreichen, dass bei der Bereitung auf dem sobenannten trockenen Wege die Ausgangsmaterialien, aus denen das Ferrit bereitet wird, bei mögliehst nied riger Temperatur völlig miteinander reagie ren, werden sie einer 1Vlahlbea.rbeitung unter worfen, bei der man vorzugsweise so weit mahlt, dass eine mittlere Grösse der Teilchen,

von 1 Mikron oder kleiner erhalten wird. Da bekanntlich bei solchen Mahlverfahren eine Verunreinigung des zu mahlenden Stoffes durch Abnutzen der IITahlvorrichtunb auftre ten kann und solche Verunreinigungen wegen s der hohen Anforderungen, welche an die Rein heit gestellt werden müssen, unerwünscht sind, rnuss man diesem Umstand bei der Wahl der Mahlvorrichtung Rechnung tragen.

Ein sehr günstiges Bereitungsverfahren für ein Ferrit ist das Verfahren auf dem sogenannten nassen Wege. Bei Niederschlägen einer Lösung der das Ferrit zusammensetzen den Bestandteile kann nämlich eine sehr grosse Feinheit der Teilchen, und zwar eine mittlere Grösse der Teilchen kleiner als 0,1 Mikron, erreicht werden, so dass eine für die. vollständige Reaktion erforderliche Erhitzung bei niedriger Temperatur erfolgen kann. Fer ner lässt sich bei der Bereitung auf nassem Wege ein Ferrit leicht in reinem Zustande erhalten.

Will man einen auf diese Weise erhaltenen Niederschlag für Pressen geeignet machen, so wird er nach erfolgter Trocknung z. B. auf eine Temperatur von etwa 500 bis 700 C vorerhitzt. Der Quotient
EMI0004.0001
kann im Frequenzgebiet von 10 bis 1000 kHz weniger als 0,001 be tragen. Ferromagnetische Kerne nach der Er findung sind mit Erfolg in Spulen für Radio- und Telephoniezwecke verwendbar.

Durch das Anbringen eines oder mehrerer sogenann- ter Luftspalte können ihre Eigenschaften in mancher Hinsicht noch verbessert werden.

Das Verfahren nach der Erfindung wird im nachfolgenden an Hand einiger Beispiele näher erläutert, in denen die Bereitung einiger Ferrite mit niedrigen Verlusten, teilweise mit hohen Werten- für die Anfangspermeabilität beschrieben ist. Die genannten Ferrite be sitzen alle eine sogenannte Spinellstruktur, sind also kubisch.

Die in den. Beispielen er wähnten Werte für die Anfangspermeabilität p sind durch Messungen an einem ringförmi gen Kern des Materials festgestellt worden. Die Qualität eines Materials hinsichtlich der Verluste ist in der Grösse
EMI0004.0027
ausge drückt, in der R der auf die Feldstärke Null extrapolierte Kernverlustwiderstand und L die Induktivität einer auf einen ringförmigen Kern aufgewickelten Spule ist und co die Kreisfrequenz, bei der R und L gemessen werden.

Beispiel I: Ein während 11/-, Stunden durch Sintern auf 1000 C erhaltenes reines Kupferka:dmium- ferrit der Zusammensetzung 25 bIol. % Kup feroxyd, 25 Hol. % Kadmiumoxyd und 50 Mol. % Ferrioxyd wird während etwa 200 Stunden in einer Eisenkugelmühle gemahlen;

vom gemahlenen Ferrit wird mit einem Druck von 4 Tonnen/em@ ein kleiner Ring mit einem Durchmesser von 3 cm und einem Querschnitt von 4 X 4 mm gepresst, der darauf während 6 Stunden auf 1000 C in einem Sauerstoff- strom erhitzt wird, worauf mit einer Ge schwindigkeit von 5 C pro Minute im Sauer stoffstrom abgekühlt wird.

Der erhaltene Kern besitzt ein tg ö von etwa 0,01 bei einer Frequenz von 1000 kHz und eine Anfangs permeabilität von100. Der Wert
EMI0004.0051
beträgt somit etwa 0;0001 bei 1000 kHz. Die Ab hängigkeit von tg b von der Frequenz wird durch die Kurve a der beiliegenden Zeichnung dargestellt.

Beispiel II: Eine Mischung von 20 Hol. % reines Kup feroxyd, 30 Hol. % reines Zinkoxyd und 50 Hol. % reines Ferrioxyd wird während etwa 200 Stunden in einer Eisenkugelmühle gemahlen; von .der Mischung wird auf die in Beispiel I beschriebene Weise ein kleiner Ring gepresst, der während 2 Stunden auf 1050 C in einem Sauerstoffstrom erhitzt wird. Darauf wird mit einer Geschwindigkeit von 5 C pro Minute bis auf 600 C abgekühlt, auf welche Temperatur der Kern während 12 Stunden gehalten wird; schliesslich wird bis auf Zim mertemperatur abgekühlt, alles in Sauerstoff.

Der erhaltene Kern besitzt ein tg Ö von etwa 0,02 bei 1000 kHz und eine Anfangs permeäbilität von 200. Der Wert
EMI0004.0067
beträgt daher 0,0001 bei 1000 kHz. Die Abhängig keit von tg b von der Frequenz wird durch die Kurve b der Figur dargestellt.

Man kann ein Kupferzinkferrit der ge nannten Zusammensetzung auch in der Weise bereiten, dass aus 1 Liter einer gereinigten i Lösung von 0,2 Hol Kupfersulfat, 0,3 Mol Zinksulfat und 1 Hol Eisennitrat in der Wärme mit 0,5 Liter 9molarer Natronlauge ein Niederschlag erzielt wird, der nach .dem.

@luswa.schen getrocknet und einer Vorerhit- f zung auf 700 C unterworfen wird zwecks Erhöhung der Pressbarleit, ferner auf die rin Beispiel I beschriebene Weise zu einem Ring gepresst wird und dann erhitzt wird. Wenn während 3 Stunden auf 900 C erhitzt wird, F ferner mit einer Geschwindigkeit von 5 C pro Minute bis auf 600 C abgekühlt wird.

dann diese Temperatur während 30 Std. auf rechterhalten wird und schliesslich bis auf Zim mertemperatur abgekühlt wird, alles in einem ; Sauerstoffstrom, so wird die Abhängigkeit von tg ö von der Frequenz für den auf diese Weise erhaltenen Kern durch die Kurve der Figur dargestellt. Die Anfangspermeabili- tät beträgt 500.

Wird dieser auf dem nassen i Wege erhaltene Kupferzinkferritkern nach iler sselia.ndlung auf 600 C noch während 151 Stunden auf 51.0 C, während 34 Stunden at-if 410 C und während 12 Stunden auf il ()" C gehalten, alles in Sauerstoff, so ergibt sich ein Kern, beidem die Abhängigkeit von 1g (S von der Frequenz durch die Kurve d der 1'igur dargestellt wird.

Die Anfang.s- permea.bilitä-t des auf diese Weise erhaltenen Kernes beträgt 410.

Beispiel III: Eine Mischung von 28 Mol. % reines Ma- "@iiesinmoxyd, 1.8 Mol. ö reines Zinkoxyd und Mol. % reines Ferrioxyd wird während :20 Stunden in einer Eisensehwingungsmühle (,*(-,Mahlen. Von der 3Ti;

schung wird auf die im l')eispiel 1 beschriebene Weise ein kleiner Ring presst, der während zwei Stunden auf l-1[)()" C in Sauerstoff erhitzt wird, worauf l:u@bsam mit 5 bis 10 C pro Minute in Sauer- stofl.' abgekühlt wird.

Das erhaltene Produkt l@e sal) einen Wert to; 8 = 0,02 bei 1 f)110 kHz mnd eine Anfangspermeabilität von 150.

hie Abhängigkeit von tg 45 von der Fre- @tiienz wird durch die Kurve e in der Figur dargestellt.

M'ird dieser langsam gekühlte Kern auf 1i100 C erhitzt, während 18 Stunden auf diese Temperatur gehalten und weiter wäh rend ?0 Stunden auf 750 C, worauf wieder l:;ng@ain abgekühlt wird, alles in Sauerstoff, -o werden die tg d-Werte von Kurve f der I'i;@ur < erhalten.

Beispiel 1T': Ein(- 1lischung von 20 Mol.% reines Nik- 1@elOxj'd, 30 31o1.% reines Zinkoxyd und :,i 11a1. Greines Ferrioxyd wird während Stunden in einer Eisensehwingungsmühle @@eni < ihlen:

von der Mischung wird auf die in l,cispiil 1 beschriebene Weise ein kleiner Ring rif#presst, der während einer Stunde auf 1400 C erhitzt wird, weiter während l-6 Stunden auf 9;

0" C' gehalten und dann langsam, etwa 1 (0' C pro Minute, abgekühlt wird, alles in Saiirrstoff. Die t" @-ZVerte des erhaltenen K eines sind durch. die Kurve g der Figur dar- gestellt. Die Anfangspermeabilitä.t beträgt 560. Durch Anwendung einer Sauerstoff behandlung von 12 Stunden bei 1000 C und 20 Stunden bei750' C bei dem erhaltenen Kern ändern sich die tg ö-Werte nicht.

Sämtliche oben angegebenen tg d-Werte beziehen sich auf den auf die Feldstärke Null extrapolierten Wert für Zimmertemperatur.

Claims

PATENTANSPRüCHE I. Verfahren zur Herstellung eines ferro-, magnetischen Kernes aus einem einen spe zifischen Widerstand höher als 1000 Ohm. cm aufweisenden Material, das wenigstens ferro- magnetisches kubisches Ferrit enthält, da durch gekennzeichnet, dass man bei der An fertigung für einen solchen Sauerstoffgehalt. des Ferrites Sorge trägt, dass bei Zimmer temperatur der auf die magnetische Feld stärke Null extrapolierte Kernverlustfaktor to, 8 im Frequenzgebiet zwischen 10 und 1000 kIlz weniger als 0,06 beträgt.

Il. Ferramagnetischer Kern, hergestellt nach dem Verfahren gemäss Patentanspruch I. dadurch gekennzeichnet, dass der Kern bei Zimmertemperatur im Frequenzgebiet zwi schen 10 und1.000 kHz einen auf die magne tische Feldstärke Null extrapolierten Verlust faktor tg b kleiner als 0,06 besitzt. UNTERANSPRüCHE 1. Zierfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass man ein in bezug auf Sauerstoff ungesättigtes Ferrit Sauerstoff aufnehmen Usst. 2.

Verfahren nach Patentanspruch 1 und Unteranspruch ]-"dadurch gekennzeichnet, dass man ein in bezug auf Sauerstoff ungesättigtes Ferrit durch Anwendung von reinem Sauer, Stoff Sauerstoff aufnehmen lässt. 3. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass man Ferrit solcher Struktur verwendet, welche das Eindringen von Sauerstoff in die Masse ermöglicht. 4.

Verfahren nach Patentanspruch I und Unteransprüchen 1 und 3, dadurch gekenn zeichnet, dass ferritbildendes Material mit einer Korngrösse kleiner als 1 Mikron verwen det wird. 5, Verfahren nach Patentanspruch I und Unteransprüchen 1 und 3, dadurch gekenn zeichnet, dass ferritbildendes Material mit einer Korngrösse kleiner als 0,1 Mikron ver wendet wird. 6.

Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass ferritbildendes Material auf eine so hohe Temperatur erhitzt wird, dass sich eine einzige homogene Ferrit-- Phase bildet, worauf abgekühlt wird, so dass der Quotient aus Verlustfaktor tg d und An fangspermeabilität ,u, also EMI0006.0017 weniger als 0,001 im Frequenzbereich von 10 bis 1000 kHz beträgt. 7.

Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass man den Kern aus einem Ferrit mit einem Curiepunkt zwischen 50 und 250 C herstellt. B. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass man den Kern aus einem Mischkristall von Zinkferrit und einem Ferrit mit einem höheren Curiepunkt als der von Zinkferrit herstellt.

9. Ferromagnetischer Kern nach Patent ansprueh II, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient aus Verlustfaktor tg 8 und Anfangs permeabilität ,u, also EMI0006.0036 weniger als 0,001 im Frequenzbereich von 10 bis 1000 kHz be trägt.

10. Ferromagnetischer Kern nach Patent anspruch II und Unteranspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Curiepunkt des F'er- rites zwischen 50 und 250 C liegt.

11. Ferromagnetischer Kern nach Patent- ansprueh II und Unteransprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem Mischkristall von Zinkferrit und einem Ferrit mit einem höheren Curiepunkt als der von Zinkferrit besteht.