DE69100763T2 - Mn-Zn-Ferrite geringer Verlustleistung. - Google Patents
Mn-Zn-Ferrite geringer Verlustleistung.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft Mangan-Zink-Ferrite geringer Verlustleistung, die sich für Stromversorger eignen.
- Sogenannte Mangan-Zink-Ferrite werden allgemein als Kernmaterial für Spulen oder Transformatoren eingesetzt. Dies gilt für allerlei Kommunikationssysteme und -ausrüstungen, Stromversorger und dgl. Mit den Gegenständen für die Büroautomation haben sie sich jüngst auch als Transformatorenmaterial für umschaltbare Stromversorger, die im Hochfrequenzbereich von ca. 100 kHz angesiedelt sind, verbreitet.
- Für diese Anwendungen benötigen die Mangan-Zink-Ferrite zahlreiche Eigenschaften wie eine hochgesättigte Magnetflußdichte, hohe Permeabilität und geringe Verlustleistung. Beim Transformator für eine umschaltbare Stroinversorgungseinheit, die das Ziel der Erfindung ist, ist eine geringe Verlustleistung bei hohem magnetischen Feld am wichtigsten.
- Bislang hat man zu diesem Zweck versucht, die Eigenschaften des Mangan-Zink-Ferrits durch Zugabe von verschiedenen Spurenkomponenten zu verbessern.
- Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 58-15037 offenbart den Zusatz von Nb&sub2;O&sub5;, die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 60-132301 weiter die Zugabe von Nb&sub2;O&sub5;, CaO, SiO&sub2;, V&sub2;O&sub5;, ZrO&sub2;, Al&sub2;O&sub3;, SnO&sub2;, CuO, CoO und dgl. Ziel war es, die Verlustleistung bei 100 kHz, die gegenwärtig die Standard-Betriebsfrequenz ist, zu verbessern. Zur Zeit ist dadurch bei 100 kHz und 200 mT eine Verlustleistung von ca. 300 bis 350 mW/cm³ erreichbar.
- Ziel der Erfindung ist es, Mangan-Zink-Ferrite zur Verfügung zu stellen, bei denen - werden sie als Transformator für umschaltbare Stromversorgungseinheiten verwendet - die Verlustleistung erheblich reduziert ist - die Verlustleistung bei 100 kHz und 200 mT soll weiter vermindert werden.
- In einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird ein Mangan-Zink-Ferrit geringer Verlustleistung zur Verfügung gestellt, der im wesentlichen aus 52 bis 54,5 mol% Fe&sub2;O&sub3;, 33 bis 40 mol% MnO und 6 bis 14 mol% ZnO besteht und 0,005 bis 0,040 Gew.% Si0&sub2;, 0,02 bis 0,20 Gew.% CaO, 0,01 bis 0,08 Gew.% Nioboxid und 0,05 bis 0,40 Gew.% Titandioxid enthält.
- Im zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Mangan-Zink-Ferrit geringer Verlustleistung zur Verfügung gestellt, der im wesentlichen aus 52 bis 54,5 mol% Fe&sub2;O&sub3;, 33 bis 40 mol% MnO und 6 bis 14 mol% ZnO besteht und 0,005 bis 0,040 Gew.% SiO&sub2;, 0,02 bis 0,20 Gew.% Ca0, 0,01 bis 0,08 Gew.% Nioboxid und 0,005 bis 0,08 Gew.% Antimonoxid enthält.
- Fig. 1 zeigt in einer Kurve die Temperaturabhängigkeit der Verlustleistungen von einem erfindungsgemäßen Mangan-Zink- Ferriten und einem herkömmlichen käuflichen Produkt.
- Es wird nunmehr beschrieben, warum die Molverhältnisse der Grundkomponenten, umfassend Fe&sub2;O&sub3;, MnO und ZnO, erfindungsgemäß wie oben angegeben sind.
- Die Betriebstemperatur von einem Transformator für eine umschaltbare Stromversorgungseinheit beträgt gewöhnlich 60 bis 70ºc. Die Verlustleistung soll daher in dem vorgenannten Temperaturbereich sehr gering sein. Ferner soll eine negative Temperaturabhängigkeit über einen Temperaturbereich, der von Raumtemperatur bis ca. 80 bis 120ºC (über der Betriebstemperatur) geht, bestehen. Wird das Molverhältnis für Fe&sub2;O&sub3;, MnO und ZnO nach diesen Gesichtspunkten gewählt, so erhält man für Fe&sub2;O&sub3; 52 bis 54,5 mol%, für MnO 33 bis 40 mol% und für ZnO 6 bis 14 mol%.
- Zu den obigen Grundkomponenten werden als Spurenkomponenten SiO2, CaO, Nioboxid und Titandioxid oder Antimonoxid zugefügt. Die Mengen an Spurenkomponenten sind hierbei wie folgt:
- SiO&sub2; bewirkt eine Erhöhung des spezifischen Widerstands an den Korngrenzen und vermindert zusammen mit dem CaO den Wirbelstromverlust. Liegt die Menge unter 0,005 Gew.%, so wirkt der Zusatz jedoch nicht. Liegt sie hingegen über 0,040 Gew.%, tritt beim Sintern leicht ein anormales Kornwachstum auf und die magnetischen Eigenschaften werden instabil. Die Menge wird daher auf einen Bereich von 0,005 bis 0,040 Gew.% eingestellt.
- CaO ist eine Komponente, die mit SiO&sub2; zusammen wirksam den Korngrenzenwiderstand erhöht, was den Wirbelstromverlust vermindert. Liegt die Menge unter 0,02 Gew.%, wirkt sich der erhöhte Korngrenzenwiderstand auch nur schwach aus. Liegt sie hingegen über 0,20 Gew.%, wird umgekehrt der Wirbelstromverlust groß. Die Menge muß daher in einem Bereich von 0,02 bis 0,20 Gew.% liegen.
- Nioboxid (hauptsächlich Nb&sub2;O&sub5;) bewirkt eine Verminderung des Leistungsverlusts im Hochfrequenzbereich. Es ist zwar nicht ganz klar, warum der Zusatz von Nioboxid die Verlustleistung verbessert, vermutlich wird aber die Phase an der Korngrenze, die zu einem hohen Widerstand führt und hauptsächlich aus einer Mischphase von SiO&sub2; und Ca0 besteht, durch das Nioboxid modifiziert und ihr magnetisch schlechter Einfluß, wegen der Gegenwart der verschiedenen Phasen in der Korngrenze, gelindert. Liegt die Menge jedoch unter 0,01 Gew.%, so ist der Effekt schwach; liegt er hingegen über 0,08 Gew.%, so kann beim Sintern ein anomales Kornwachstum auftreten. Die Menge wird daher im Bereich von 0,01 bis 0,08 Gew.% liegen.
- Das Titanoxid (hauptsächlich TiO&sub2;) fördert wirksam nach dem Sintern beim Abkühlen eine Reoxidierung der Korngrenze, so daß der spezifische Widerstand erhöht und die Verlustleistung im Hochfrequenzbereich vermindert wird. Liegt die Menge unter 0,05 Gew.%, ist der Effekt gering; liegt sie über 0,40 Gew.%, nimmt die Verlustleistung erheblich zu. Daher wird die Menge auf einen Bereich von 0,05 bis 0,40 Gew.% eingestellt.
- Auch das Antimonoxid (hauptsächlich Sb&sub2;0&sub3;) verbessert die Verlustleistung, indem es sich mit SiO&sub2;, CaO und Nb&sub2;O&sub5; zusammenfügt. Vermutlich tritt ein ähnlicher Effekt auf wie bei der Zugabe des Nioboxids: das Antimonoxid wird auf der Korngrenze abgeschieden. Dieser Effekt verstärkt sich, wenn zugleich SiO&sub2; und CaO und weiter Nb&sub2;0&sub5; vorliegen. Liegt jedoch die Menge unterhalb 0,005 Gew.%, so ist die Wirkung der Zugabe gering; liegt sie hingegen über 0,08 Gew.%, so nimmt die Verlustleistung erheblich zu. Daher wird die Menge auf einen Bereich von 0,005 bis 0,05 Gew.% beschränkt.
- Durch die Erhöhung des spezifischen Widerstands kann man, wie erwähnt, wirksam den Leistungsverlust im Hochfrequenzbereich um 100 kHz vermindern Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß Nioboxid und weiter Titanoxid oder Antimonoxid in Gegenwart von SiO&sub2; und Ca0 gleichförmig in der Korngrenze verteilt wird. Dies ist unproblematisch, selbst wenn Titanoxid und Antimonoxid zugleich zusammen mit SiO&sub2;, Ca0 und Nioboxid zugegeben werden.
- Die erfindungsgemäßen Ferrite lassen sich wie gewöhnlich herstellen: Das heißt, Eisenoxid, Manganoxid und Zinkoxid werden so gemischt, daß die Ferritzusammensetzung am Ende 52 bis 54 mol% Fe&sub2;O&sub3;, 33 bis 40 mol% MnO und 6 bis 14 ZnO enthält. Dann werden 0,005 % bis 0,040 Gew.% SiO&sub2;, 0,02 bis 0,20 Gew.% CaO, 0,01 bis 0,08 Gew.% Nioboxid (als Nb&sub2;O&sub5;) und weiter als Spurenadditive mindestens 0,05 bis 0,40 Gew.% Titanoxid (als TiO&sub2;) und/oder 0,005 bis 0,08 Gew.% Antimonoxid (als Sb&sub2;O&sub3;) zum Ausgangsmaterial zugegeben. Die Spurenadditive können auch nach der Calcinierung zugegeben werden, d.h. bei der Pulverisierung.
- Dann wird das Ausgangsmaterial bei einer Temperatur nicht unter 800ºC calciniert, anschließend fein gepulvert, preßgeformt und bei hoher Temperatur nicht unter 1250ºC unter Stickstoffgas bei eIner gewählten Konzentration an Sauerstoff gesintert.
- Als Eisenoxid können Fe&sub2;O&sub3;, FeO, Fe&sub3;O&sub4; sowie Verbindungen verwendet werden, die sich beim Sintern zu Fe&sub2;O&sub3; umwandeln, bspw. Eisenhydroxid, Eisenoxalat und dgl. Als Manganoxid eignen sich MnO, MnO&sub2;, Mn&sub3;O&sub4; sowie Verbindungen, die sich beim Sintern zu MnO umwandeln, wie Mangancarbonat, Manganoxalat und dgl. Als Zinkoxid eignen sich ZnO sowie Verbindungen, die sich beim Sintern in ZnO umwandelt, wie Zinkcarbonat, Zinkoxalat und dgl.
- Die nachstehenden Beispiele dienen nur zur Darstellung der Erfindung, nicht zu deren Einschränkung.
- Die Rohmaterialien wurden so gemischt, daß man am Ende folgende Zusammensetzung erhielt: Fe&sub2;O&sub3;: 53,5 mol%, MnO: 34,5 mol% und ZnO: 12 mol%. Sie wurden dann an Luft 3 Stunden bei 900ºC calciniert. Zu dem calcinierten Produkt wurden SiO&sub2;, CaO (als CaCO&sub3;), Nb&sub2;O&sub5; und TiO&sub2; in der in Tabelle 1 gezeigten Menge zugefügt. Das Produkt wurde pulverisiert und naß in einer Kugelmühle gemischt. Das feine Pulver mit Polyvinylalkohol (PVA) als Binder versetzt und dann zu einem Ringkern mit einem Außendurchmesser von 36 mm, einem Innendurchmesser von 24 mm und einer Höhe von 12 mm geformt. Dieser Kern wurde drei Stunden bei 1320ºC unter Stickstoffgas, das einen kontrollierten Sauerstoffpartialdruck enthielt, gesintert.
- Der Leistungsverlust der so gesinterten Kerne wurde bei einer Frequenz von 100 kHz gemessen. Die Induktion betrug 0,2 T und die Temperatur 80ºC. Die Messung erfolgte mit einem Wechselspannungs-BH-Schlaufenaufnehmer. Die erzielten Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. TABELLE 1 Verlustleistung akzeptables Beispiel Vergleichsbeispiel
- Der Tabelle 1 zu entnehmen, daß alle erfindungsgemäßen Kerne, welche die angegebenen Mengen SiO&sub2;, Ca0, Nb&sub2;O&sub5; und Ti02 als Spurenadditive enthielten, die geringe Verlustleistung von weniger als 300 mW/cm³ erreichten.
- Demgegenüber war bei Kernen, welche die Spurenelemente in Mengen außerhalb der erfindungsgemäßen Bereiche enthielten, die Wirkung - die Verminderung der Verlustleistung - sehr viel kleiner. Im schlimmsten Fall war wegen eines anormalen Kornwachstums die Verlustleistung umgekehrt schädlich.
- Fig. 1 zeigt die Ergebnisse zur Temperaturabhängigkeit der Verlustleistung beim akzeptablen Beispiel 2 und dem Vergleichsbeispiel 8. Es ist zu erkennen, daß die Temperaturabhängigkeit der Verlustleistung beim akzeptablen Beispiel verglichen mit dem Vergleichsbeispiel über den gesamten Betriebstemperaturbereich kleiner ist.
- Die Rohmaterialien wurden so gemischt, daß die Zusammensetzung am Ende 52,7 mol% Fe&sub2;O&sub3;, 34,6 mol% Manganoxid und 12,7 mol% Zn0 betrug. Die Zusammensetzung wurde dann drei Stunden an Luft bei 900ºC calciniert. Zum calcinierten Produkt wurden SiO&sub2;, Ca0 (als CaC0&sub3;), Nb&sub2;O&sub5; und Sb&sub2;O&sub3; in den in Tabelle 2 gezeigten Mengen zugefügt. Das Produkt wurde dann pulverisiert und naß in einer Kugelmühle gemischt. Das feinpulverisierte Pulver wurde mit PVA als Binder versetzt und dann zu einem Ringkern geformt, der einen Außendurchmesser von 36 mm, einen Innendurchmesser von 24 mm und eine Höhe von 12 mm besaß.
- Die Kerne wurden drei Stunden bei 1320ºC unter Stickstoffgas, das einen kontrollierten Sauerstoffpartialdruck enthielt, gesintert.
- Die Verlustleistungen der so gesinterten Kerne wurden bei einer Frequenz von 100 kHz, einer Induktion von 200 mT und einer Temperatur von 80ºC gemessen und zwar mit einem Wechselspannungs-BH-Schlaufenaufnehmer Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2 Verlustleistung akzeptables Beispiel Vergleichsbeispiel
- Die Erfindung stellt damit Mangan-Zink-Ferrite zur Verfügung, die verglichen mit herkömmlichen Ferriten bei einem hohen magnetischen Feld eine erheblich geringere Verlustleistung aufweisen und für umschaltbare Stromversorgungseinheiten mit einer hohen Frequenz von ca. 100 kHz als Transformatorenkerne geeignet sind.
Claims (2)
1. Mn-Zn-Ferrit geringer Verlustleistung, bestehend im
wesentlichen aus 52-54,5 Mol% Fe&sub2;O&sub3;, 33-40 Mol% Mn0
und 6-14 Mol% ZnO, der 0,005-0,040 Gew.% Si0&sub2;, 0,02-
0,20 Gew.% Ca0, 0,01-0,08 Gew.% Nioboxid und 0,05-0,40
Gew.% Titanoxld enthält.
2. Mn-Zn-Ferrit geringer Verlustleistung, bestehend im
wesentlichen aus 52-54,5 Mol% Fe&sub2;0&sub3;, 33-40 Mol% Mn0
und 6-14 Mol% Zn0, der 0,005-0,040 Gew.% SiO&sub2; 0,02-
0,20 Gew.% Ca0, 0,01-0,08 Gew.% Nioboxid und 0,005-
0,08 Gew.% Antimonoxid enthält.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2050828A JPH0744098B2 (ja) | 1990-03-03 | 1990-03-03 | 低損失Ｍｎ―Ｚｎ系フェライト |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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