DE975802C

DE975802C - Ferromagnetischer Kern fuer hohe Frequenzen

Info

Publication number: DE975802C
Application number: DEN2334D
Authority: DE
Inventors: Marinus Willem Louwerse; Jacob Louis Snoek
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1943-07-01
Filing date: 1944-06-27
Publication date: 1962-09-27
Also published as: BE456575A; NL63875C; GB655666A; US2551711A; ES166680A1; FR906784A; ES180068A1; CH254931A

Description

Bei einem ferromagnetische!! Kern für hohe Frequenzen, insbesondere für Rundfunk-, Telephonie- und Telegraphiezwecke, der im allgemeinen bei niedrigen Induktionen verwendet wird, kommt es auf eine hohe Anfangspermeabilität und niedrige Verluste an. Als ferromagnetisches Material für niedrige Frequenzen wurde früher kompaktes Eisen verwendet. In Wechselfeldern entstanden in dem gut leitenden Metall Wirbelstromverluste, die mit ίο der Frequenz außerordentlich stark ansteigen. Während man für niedrige Frequenzen diese Wirbelstromverluste durch Lamellierung des Materials und gegenseitige Isolierung der einzelnen Schichten vermindern konnte, genügte diese Maßnahme für höhere Frequenzen keineswegs. Um metallisches Eisen auch für Hochfrequenzzwecke als Kernmaterial benutzen zu können, hat man es in feinster Unterteilung verwendet und die sogenannten Pulverkerne (Massekerne) hergestellt. Zum Zweck der Isolierung der einzelnen Pulverkörnchen sind diese dann von einem Bindemittel umgeben, das unmagnetisch ist und, ähnlich wie Luftspalte, die Permeabilität wesentlich herabsetzt; bei Eisen-Massekernen werden daher nur Permeabilitätswerte zwischen etwa 10 und 40 erreicht.

Hilpert (deutsche Patentschriften 226347 und 227 787) hat schon 1909 den Vorschlag gemacht, statt metallischen Eisens Ferrite oder Mischferrite,

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also oxydische Materialien, für Hochfrequenzkerne, zu verwenden. Er hatte nämlich festgestellt, daß Ferrite weichmagnetische Eigenschaften haben und gegenüber Eisen eine wesentlich geringere Leitfähigkeit aufweisen; die durch Wirbelströme verursachten Verluste sollen daher nicht mehr in Erscheinung treten, und man erwartete, daß Ferrite auch bei sehr hohen Frequenzen ohne weiteres geeignet wären.

ίο Diese Erwartung auf eine erhebliche Erweiterung des Frequenzbereiches nach oben erfüllte sich nicht. Ferrite zeigen nämlich aus anderen Gründen noch immer erhebliche Verluste, insbesondere die sogenannten Restverluste. Man konnte daher Ferrite ebenfalls nur in Form von Pulverkernen verwenden und erzielte damit — wie bei Eisen-Massekernen— nur niedrige Permeabilitätswerte.

Untersuchungen, die zur Erfindung geführt haben, ergaben, daß man auch mit kompakten, zusammengesinterten Ferritkernen hohe Werte der Anfangspermeabilität und niedrige Verluste erzielen kann, wenn man ein ferromagnetisches Ferrit mit unmagnetischem Zinkferrit zu einem homogenen, kubischen Mischkristallmaterial vereinigt. Im Zusammenhang mit Untersuchungen des Phasendiagramms von ferrithaltigen Metalloxyd-Eisenoxyd-Kombinationen in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung wurde bereits angegeben, daß bei gemischten Ferriten Eigenschaften, wie der Curiepunkt und der Sättigungswert, zwischen den entsprechenden Werten der Komponenten liegen. Das trifft auch bei Mischferriten, die Zinkferrit enthalten, nicht zu; im Gegenteil, hinsichtlich der Permeabilität erhält man sogar außerordentlich viel höhere Werte, als sie eine ferromagnetische Ferritkomponente zeigt.

Weiter war es an sich bekannt, daß Ferromagnetika im allgemeinen bei Temperaturerhöhung bis unterhalb des Curiepunktes ein Ansteigen der Permeabilität aufweisen, derart, daß ein Maximum dicht unterhalb des Curiepunktes erreicht wird. Es konnte daher zweckmäßig erscheinen, den Curiepunkt von Ferrit in einen Bereich wenig oberhalb der Betriebstemperatur zu legen, um bei dieser das Permeabilitätsmaximum zu erhalten.

Es war weiter bekannt, daß bei Nickelferrit durch Hinzufügen von Zinkferrit eine Herabsetzung des Curiepunktes erreicht werden kann. Da Zinkferrit aber unmagnetisch ist, war jedoch — auch unter Berücksichtigung des vorstehend erwähnten Hinweises auf das angebliche Verhalten der Eigenschaften von Mischferriten — eine wesentliche Verschlechterung der ferromagnetischen Eigenschaften, insbesondere der Sättigungsmagnetisierung, zu erwarten.

Die der Erfindung zugrunde liegenden Untersuchungen haben überraschenderweise gezeigt, daß wider Erwarten gerade durch Hinzufügen von Zinkferrit die für Kerne für hohe Frequenzen wichtigen Eigenschaften eines ferromagnetischen Ferrits wesentlich verbessert werden können.

Weitere Untersuchungen haben gezeigt, daß man besonders günstige Ergebnisse erhält, wenn man gemäß der Erfindung zusammengesinterte homogene kubische Mischkristalle aus Manganzinkferrit mit einem Fe₂O₃-Gehalt von 40 bis 70, vorzugsweise 52 bis 55 Molprozent, vorzugsweise mit 24,5 bis 20 Molprozent ZnO und 23,5 bis 32 Molprozent Manganoxyd, berechnet als MnO₉, für ferromagnetische Kerne mit hoher Permeabilität und einem Verlustfaktor kleiner als 0,06 im Frequenzbereich bis 100 kHz, gegebenenfalls bis 1000 kHz, und mit einem Curiepunkt zwischen 40 und 250⁰ C für hohe Frequenzbereiche, insbesondere für Rundfunk-, Telephonic- und Telegraphiezwecke, verwen- det. Das Material der angegebenen Zusammensetzungen kann kurz als »Manganzinkferrit« bezeichnet werden.

Derartiges Material, das Manganferrit als ferromagnetische Komponente enthält, führt zu vorzügliehen Ergebnissen in dem angegebenen Frequenzbereich, der für die Technik, insbesondere für die Trägerfrequenztelephonie, außerordentlich wichtig ist.

In den erwähnten Untersuchungen über die Phasendiagramme, in denen auch auf gemischte Ferrite kurz hingewiesen wurde, war bezüglich Manganzinkferrit — dessen Zusammensetzung im übrigen nicht näher angegeben ist — ausdrücklich angegeben worden, daß sein Curiepunkt o° C betrage, es also bei Zimmertemperatur nicht ferromagnetisch sei. Durch diesen falschen Hinweis wurde der Fachmann davon abgehalten, Manganzinkferrit zu verwenden.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß überraschenderweise im Gegensatz zu den durch den Stand der Technik gegebenen Hinweisen mit Manganzinkferrit ein besonders hochwertiger Hochfrequenzkern erhalten werden kann, der hohe Permeabilitätswerte mit geringer Temperaturabhängigkeit und niedrige Gesamtverluste (Wirbelstrom-, Hysterese- und andere Verluste) aufweist. Auch sind die Hystereseverluste für sich niedrig, was für TeIephonie- und Telegraphiezwecke bei Kernen für Transformatoren, Filterspulen, Pupinspulen usw., die stärkeren Wechselfeldern ausgesetzt werden, wichtig ist.

Das nach der Erfindung zu verwendende Manganzinkferrit kann zweckmäßig dadurch hergestellt werden, daß ein Gemisch von Manganoxyd und ω Zinkoxyd in einem solchen Verhältnis, daß der Curiepunkt des fertigen Mischferrits zwischen 40 und 250⁰ C liegt, zusammen mit 40 bis 70, vorzugsweise 52 bis 55 Molprozent Eisenoxyd (Fe₂O₃) bzw. ein entsprechendes Gemisch von Verbindungen, z. B. Karbonaten, die bei Erhitzung in diese Oxyde übergehen, mit einer Korngröße der Mischungskomponenten kleiner als 1 Mikron in einer zur Einstellung des Sauerstoffgehaltes dienenden sauerstoffhaltigen Atmosphäre zusammengesintert und darauf mit einer Geschwindigkeit von etwa 5⁰CJe Stunde langsam abgekühlt wird.

Die Feinheit des Ausgangsgemisches verhilft dazu, ein gut durchreagiertes, homogenes Material zu erzielen; die Einstellung des Sauerstoffgehaltes ist insbesondere für niedrige Verluste wichtig.

Durch langsames Abkühlen werden innere Spannungen vermieden, was zu einer hohen Anfangspermeabilität führt. Die günstigste Abkühlungsgeschwindigkeit ist z. B. von der Sintertemperatur, von der Zusammensetzung des Ferrites, von etwaigen Verunreinigungen und auch von dem angestrebten Temperaturkoeffizienten der Permeabilität abhängig; sie läßt sich experimentell leicht ermitteln.

ίο Die Ausgangsstoffe sollen sehr gut miteinander vermischt sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zur Herrichtung des Ausgangsgemisches Bestandteile hoher chemischer Reaktionsfähigkeit verwendet werden. Diese können z. B. durch Niederschlagen aus einer sowohl Mangan als auch Zink und Eisen enthaltenden Lösung mittels einer Base, z. B. einer Lauge, erhalten werden. Das niedergeschlagene Oxydhydratgemisch kann bereits Ferritstruktur aufweisen und zeichnet sich durch besonders große Feinheit aus.

Um ein gut homogenes Material zu erhalten, kann es auch zweckmäßig sein, daß bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur, z. B. von etwa 1300° C, gesintert wird. Die Dichtsinterung wird erleichtert, wenn dem Gemisch bis etwa 2,5% SiO₂ zugesetzt wird.

Die gewünschte Homogenität wird weiter dadurch begünstigt, daß das Manganzinkferrit in an sich bekannter Weise nach der ersten Sinterung gemahlen und erneut gesintert wird.

Es sei bemerkt, daß das nach der Erfindung verwendete Material außer den erwähnten Anteilen von Eisenoxyd, Manganoxyd und Zinkoxyd noch in geringen Mengen andere Oxyde enthalten kann.

Der Verlustfaktor tgö entspricht bekanntlich

dem Ausdruck —_r-, wobei R der Verlustwiderstand

unter Vermeidung von dielektrischen Verlusten und abzüglich des Gleichstromwiderstandes gemessen, L die Selbstinduktion einer auf einen aus dem Ferritmaterial bestehenden ringförmigen Kern gewickelten Spule und ω die Kreisfrequenz bedeuten.

Bei einem Manganzinkferrit kann neben einem niedrigen Verlustfaktor eine hohe Anfangspermeabilität erreicht werden; so läßt sich ein besonders wertvolles magnetisches Material herstellen, weil ein magnetischer Kern für hohe Frequenzen vor

allem einen kleinen Wert für den Ouotienten —■■ ~ μ

aus dem Verlustfaktor tg δ und der an einem ringförmigen Kern gemessenen Anfangspermeabilität μ haben soll.

Wenn man einmal die Größe dieses Quotienten,

z. B. durch Messungen an einem ringförmigen Kern des Ferrites, ermittelt hat, so kann der Verlustfaktor eines anderen aus diesem Material aufgebauten, z. B. wenigstens einen Luftspalt enthaltenden Kreises durch Multiplikation des Quotienten mit der effektiven Permeabilität dieses Kreises gefunden werden. Durch Luftspalte werden bekanntlich die Permeabilität und der Verlustfaktor in gleichem Maße herabgesetzt.

Bei einem nach der Erfindung zu verwendenden Material kann man bei Frequenzen bis zu 100 kHz für diesen Ouotienten Werte unter io~⁴ erreichen. Ein derartiges Material eignet sich vorzüglich zur Herstellung von Filterspulen für Trägerfrequenztelephoniezwecke, die man gewöhnlich bei Frequenzen von 10 bis 100 kHz verwendet. Aber auch für Pupinspulen, die bei Frequenzen von 0,3 bis 2,0 kHz verwendet werden, ist ein Material nach der Erfindung vorzüglich geeignet.

Der Ausdruck »ferromagnetischer Kern« umfaßt im Zusammenhang mit der Erfindung nicht nur einen innerhalb einer Spule angebrachten Kern, sondern ganz allgemein magnetische Bauteile elektromagnetischer Konstruktion, bei denen es auf eine hohe Anfangspermeabilität ankommt, z. B. Teile zur magnetischen Abschirmung.

Ausführungsbeispiele
Beispiel I

Ein Gemisch von technischem Zinkoxyd, Braunstein und Eisenoxyd in einem Molekülverhältnis von 23,5:23,5:53, bezogen auf die reinen Oxyde ZnO, Vs Mn₃O₄ und Fe₂O₃, wird 12 Stunden lang in einer eisernen Schleudermühle gemahlen. Das Gemisch enthält etwa 0,7% Siliziumdioxyd als Verunreinigung. Selbst bei einem Gehalt von etwa 2,5VoSiO₂ werden noch gute Ergebnisse erzielt. Das Gemisch wird mit Wasser als Plastifizierungs- und Bindemittel zu einem Ring mit einem Innendurchmesser von 2,5 cm und einem Querschnitt von 5 · 5 mm mit einem Druck von 4000 kg/cm² gepreßt. Dieser Ring wird 2 Stunden lang bei 1300⁰ 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 3 Stunden bis auf 200⁰ C ab. Das erhaltene Manganzinkferrit hat einen Curiepunkt von ii6° C und eine Anfangspermeabilität 415, gemessen bei 20⁰ C.

Die Temperaturabhängigkeit der Anfangspermeabilität ist so gering, daß die Selbstinduktion einer aus dem Material hergestellten Spule bei einer Effektivpermeabilität von 15 im Giebet zwischen 20 und 50⁰ C bis auf weniger als 0,15% konstant ist. Bei 20° C ist der Temperaturkoeffizient positiv.

Die Werte von —- sind für verschiedene Frequenzen in der zweiten Spalte der nachfolgenden Tabelle erwähnt. Der Hysteresefaktor ~- beträgt 11

bei einer Frequenz von 2000 Hz und einer maximalen Induktion von 7,5 Gauß. R_h ist der Hysteresiswiderstand einer auf den ringförmigen Kern gewickelten Spule und L ihre Selbstinduktion.

Beispiel II

Auf ähnliche Weise, wie im ersten Beispiel beschrieben, wird aus technischen Oxvden ein Kern

mit einem Manganzinkferrit mit 51 Molprozent Eisenoxyd und gleichen Prozentsätzen Mangan und Zink hergestellt. Die Anfangspertneabilität ist 335, der Curiepunkt liegt bei 82⁰ C. Die Temperaturabhängigkeit ist gering; bei 20⁰ C ist sie

negativ. Die Werte für -^- sind in der dritten ^te μ

Spalte der Tabelle erwähnt. -~- betrug 90 bei 2000 Hz und einer Scheitelinduktion von 7,5 Gauß.

Beispiel III

Ein Gemisch von reinem, durch Rösten von Mangannitrit erhaltenem Braunstein, reinem Zinkoxyd und reinem Eisenoxyd in einem Molverhältnis von 25:21:54 wird während 12 Stunden in einer eisernen Schleudermühle gemahlen und dann auf die im Beispiel I geschilderte Weise zu einem Ring gepreßt und gesintert. Die erzielte Anfangspermeabilität beträgt 470; der Curiepunkt liegt bei 124⁰ C. Der Temperaturkoeffizient ist ebenso groß wie im ersten Beispiel, aber bei 20⁰ C negativ. Die

Werte für -^- sind in der vierten Spalte der Tabelle

erwähnt.

betrug 3,0 bei 2000 Hz und einer

Scheitel induktion von 7,5 Gauß.

Beispiel IV

Ein Gemisch der im dritten Beispiel erwähnten Oxyde in einem Molekülverhältnis von 32:20:48 wird auf die geschilderte Weise zu einem ringförmigen Kern verarbeitet. Seine Anfangspermeabilität ist 590, und der Curiepunkt liegt bei ii8° C. Der Temperaturkoeffizient ist sehr gering und bei 20° C positiv. Die Werte für -^- sind in

der fünften Spalte der Tabelle erwähnt, -γ- betrug bei 2000 Hz und einer Scheitelinduktion von 7,5 Gauß.

Frequenz

2 kHz

16 kHz

40 kHz

kHz

	tg<5	• 10⁴
	μ
Beispiel I	Beispiel II	Beispiel III
O,O2	0,17
O,O5	0,20	0,025
0,08	0,20	0,056
O,l8	0,48	O,I5
0,30	0,55
0,48	1,2
1,46	3.9

Beispiel IV

O,o8 O,l6 0,30 0,64

Claims

PATENTANSPRUCH:

Anwendung von zusammengesinterten homogenen kubischen Mischkristallen aus Manganzinkferrit mit einem Fe₂O₃-Gehalt von 40 bis 70, vorzugsweise 52 bis 55 Molprozent, vorzugsweise mit 24,5 bis 20 Molprozent ZnO und 23,5 bis 32 Molprozent Manganoxyd, berechnet als MnO₂, für ferromagnetische Kerne mit hoher Permeabilität und einem Verlustfaktor kleiner als 0,06 im Frequenzbereich bis 100 kHz, gegebenenfalls bis 1000 kHz, und einem Curiepunkt zwischen 40 und 250⁰ C für hohe Frequenzbereiche, insbesondere für Rundfunk-, Telephonic- und Telegraphiezwecke.

© 209 682/6 9.