EP0542200B1 - Verwendung eines magnetischen Materials als Spulenkern - Google Patents

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EP0542200B1
EP0542200B1 EP92119218A EP92119218A EP0542200B1 EP 0542200 B1 EP0542200 B1 EP 0542200B1 EP 92119218 A EP92119218 A EP 92119218A EP 92119218 A EP92119218 A EP 92119218A EP 0542200 B1 EP0542200 B1 EP 0542200B1
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ferrite
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epoxy resin
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Pavel Dr. Neusser
Mauricio Dipl.-Phys. Esquerra
Georg Ing. Grad. Stadler
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TDK Electronics AG
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Siemens Matsushita Components GmbH and Co KG
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/01Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/03Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
    • H01F1/12Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials
    • H01F1/34Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials non-metallic substances, e.g. ferrites
    • H01F1/36Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials non-metallic substances, e.g. ferrites in the form of particles
    • H01F1/37Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials non-metallic substances, e.g. ferrites in the form of particles in a bonding agent

Definitions

  • the present invention relates to the use of a magnetic material for coil cores after the preamble of claim 1.
  • inductive components in the presence high external magnetic fields is the use of Coils as inductance in resonant circuits of inductive proximity switches, those in the automotive industry in welding machines be used.
  • High magnetic fields occur on which the permeability of the magnetic core cer coil in the inductive Reduce proximity switches so that their inductance and thus changes the quality of an oscillator whose frequency-determining circuit the coil as an inductive component contains. Therefore, there may be undesirable switching operations of the inductive Proximity switch come.
  • carbonyl iron In addition to the advantage of an almost constant permeability carbonyl iron still has high magnetic fields but the disadvantage of a relatively low initial permeability, which results in an application in inductive proximity switches result in correspondingly short switching distances. Furthermore, the production of carbonyl iron from chemical Relatively complex reasons, since pure iron chemically in a carbonyl compound must be included. Finally also results from mechanical reworking of coil cores made of carbonyl iron, for example by grinding, the disadvantage that the advantage of a high electrical resistance and associated low electrical losses is lost because the material is machined becomes electrically conductive.
  • the present invention has for its object a using a magnetic material for a coil core specify that with easy processability in the area of high Magnetic fields can be used and not only a constant permeability, but also a constant maintains high resistivity, resulting in low Core losses and thus a high quality of this core material containing coil are guaranteed.
  • the magnetic material used by a homogeneous Ferrite / plastic composition with a mixing ratio is formed, the maximum to be expected from the parameters External field strength and minimum permeability set has the advantage that next to one up to high Field strengths constant permeability due to the ferrite content maintain a high specific resistance at the same time remains, resulting in low core losses and thus high grades of coils containing this core material are guaranteed.
  • the magnetic material is made of a ferrite / plastic composition with a mixing ratio formed by the maximum expected external field strength and the minimum permissible Permeability is set. It is preferably is a composition of a nickel / zinc ferrite and an epoxy resin in a mixing ratio of 75 to 95 % By weight, preferably 83 to 88% by weight of ferrite and 5 to 25% by weight, preferably 12 to 17% by weight of epoxy resin.
  • other ferrites instead of nickel / zinc ferrite, e.g. B. a manganese / zinc ferrite and others instead of epoxy resin Plastics, e.g. B. other thermosets can be used.
  • the material used instead of sintering Hardening at relatively low temperatures to produce coil cores can also be processed, the result is Advantage that the shrinkage associated with sintering Cores are avoided, so that predetermined core dimensions easier can be met.
  • the nickel / zinc ferrite powder is used before mixing finely ground with epoxy resin, after which the mixture of this finely ground Powder for about 20 to 30 min by continuous
  • the epoxy resin is fed to the ferrite powder.
  • the processing The mixture to form granules that can be pressed can be made through Passlers sieves and dedusting take place.
  • the hardening of from the granulate pressed moldings take place at relatively low temperatures in the range of approximately 390 to 430 ° K.
  • curve 1 shows the initial permeability ⁇ i of a ferrite material with the designation K1
  • curve 2 shows the initial permeability for carbonyl iron
  • curve 3 shows the initial permeability of the magnetic material used in the form of a ferrite / plastic composition.
  • the corresponding curves 1 to 3 show the quality Q of the ring-wound shell cores made of the materials mentioned. The measurements according to curves 1 to 3 were each carried out for a frequency of 100 kHz.
  • a comparison of the curves according to FIGS. 1 and 2 shows that the quality Q for the magnetic material used is greater than that for carbonyl iron, although according to FIG. 1 the initial permeability ⁇ i for the magnetic material used is smaller than that for carbonyl iron.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines magnetischen Materials für Spulenkerne nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Es ist bekannt, daß die Permeabilität von für Spulenkerne verwendetem magnetischem Material mit zunehmender Feldstärke eines einwirkenden Magnetfeldes abnimmt. Dieser bekannte Sachverhalt ist beispielsweise in "Ferritkerne - Grundlagen, Dimensionierung, Anwendungen in der Nachrichtentechnik "von Kampczyk und Röß, 1. Auflage, Berlin, München: Siemens Aktiengesellschaft, 1978, insbesondere Seiten 354 bis 367 beschrieben.
Ein Beispiel für den Einsatz von induktiven Bauelementen in Anwesenheit hoher magnetischer Fremdfelder ist der Einsatz von Spulen als Induktivität in Schwingkreisen von induktiven Annäherungsschaltern, die in der Automobilindustrie in Schweißautomaten eingesetzt werden. Dabei treten hohe magnetische Felder auf, welche die Permeabilität des Magnetkerns cer Spule im induktiven Annäherungsschalter herabsetzen, so daß sich ihre Induktivität und damit die Güte eines Oszillators ändert, dessen frequenzbestimmender Kreis die Spule als induktives Bauelement enthält. Daher kann es zu unerwünschten Schaltvorgängen des induktiven Näherungsschalters kommen.
Um dieses Problem zu vermeiden, können magnetische Materialien für die Spulenkerne verwendet werden, deren Fermeabilität auch bis hin zu hohen magnetischen Fremdfeldern noch nahezu konstant ist. Als magnetisches Material für Spulenkerne kommt für diesen Zweck die Verwendung von Carbonyleisen in Frage. Die Eigenschaft einer praktisch konstanten Permeabilität auch noch bei hohen magnetischen Fremdfeldern ist beispielsweise aus "Magnetic Materials" von Tebble und Craik, Wiley & Sons, London, New York, Sydney, Toronto, 1969, Seiten 544 ff, bekannt. Dieser Druckschrift ist zu entnehmen, daß Carbonyleisen ein mikroskopisch geschertes Material ist, bei dem Eisenatome durch Stickstoff-, Kohlenstoff- und Sauerstoff-Moleküle getrennt werden.
Der Einsatz von Carbonyleisen für magnetfeldresistente Näherungsschalter, insbesondere für den Einsatz in der Nähe von Elektro-Schweißanlagen oder Galvanikanlagen, ist in "Sensoren in der Automatisierungstechnik" von Gerhard Schnell, Braunschweig, April 1991, Seite 19, beschrieben.
Neben dem Vorteil einer nahezu konstanten Permeabilität auch noch bei hohen magnetischen Fremdfeldern besitzt Carbonyleisen jedoch den Nachteil einer relativ niedrigen Anfangspermeabilität, woraus sich bei einer Anwendung in induktiven Annäherungsschaltern entsprechend kleine Schaltabstände ergeben. Weiterhin ist die Herstellung von Carbonyleisen aus chemischen Gründen relativ aufwendig, da reines Eisen chemisch in eine Carbonylverbindung eingebunden werden muß. Schließlich ergibt sich auch bei mechanischen Nachbearbeitungen von Spulenkernen aus Carbonyleisen, beispielsweise durch Schleifen, der Nachteil, daß der Vorteil eines hohen elektrischen Widestandes und damit verbundener geringer elektrischer Verluste verlorengeht, da das Material durch die mechanische Bearbeitung elektrisch leitend wird.
Verschiedene Ferrit/Kunststoff-Zusammensetzungen, u.a. auch in dem im Anspruch 1 angegebenen Mischungsverhältnis, sind in der EP-A-0 394 020, in Patent Abstracts of Japan, Vol. 14, No. 413 (E-974) und in Patent Abstracts of Japan, Vol. 14, No. 316 (E-949) angegeben. Allerdings geht es dort um die Erreichung einer möglichst hohen Permeabilität oder um die Erhöhung des elektrischen Widerstandes zur Verminderung von Hochfrequenzverlusten, während die Eigenschaften im Zusammenhang mit Fremdfeldstärken nicht angesprochen werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verwendung eines magnetischen Materials für einen Spulenkern anzugeben, das bei einfacher Verarbeitbarkeit im Bereich hoher Magnetfelder eingesetzt werden kann und dabei nicht nur eine konstante Permeabilität, sondern auch einen gleichbleibend hohen spezifischen Widerstand beibehält, wodurch geringe Kernverluste und damit eine hohe Güte der dieses Kernmaterial enthaltenden Spule gewährleistet sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
Weiterbildungen der Verwendung sind Gegenstand entsprechender Unteransprüche.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit aen Figuren 1 und 2 der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1
ein Diagramm der Anfangspermeabilität als Funktion des Magnetfeldes zum Vergleich eines Spulenkerns aus Ferrit, Carbonyleisen bzw. aus erfindungsgemäß verwendetem Material, und
Figur 2
ein der Figur 1 entsprechendes Diagramm der Güte von Spulen mit einem Magnetkern aus den Materialien gemäß Figur 1.
Das verwendete magnetische Material, das durch eine homogene Ferrit/Kunststoff-Zusammensetzung mit einem Mischungsverhältnis gebildet ist, das durch die Parameter maximal zu erwartende Fremdfeldstärke und minimal zulässige Permeabilität festgelegt ist, besitzt den Vorteil, daß neben einer bis hin zu hchen Feldstärken konstanten Permeabilität aufgrund des Ferrit-Gehaltes gleichzeitig ein hoher spezifischer Widerstand erhalten bleibt, woraus geringe Kernverluste und damit hohe Güten von dieses Kernmaterial enthaltenden Spulen gewährleistet sind.
Das magnetische Material wird durch eine Ferrit/Kunststoff-Zusammensetzung mit einem Mischungsverhältnis gebildet, das durch die maximal zu erwartende Fremdfeldstärke und die minimal zulässige Permeabilität festgelegt ist. Vorzugsweise handelt es sich um eine Zusammensetzung eines Nickel/Zink-Ferrits und eines Epoxidharzes in einem Mischungsverhältnis von 75 bis 95 Gew. %, vcrzugsweise 83 bis 88 Gew.% Ferrit und 5 bis 25 Gew.%, vorzugsweise 12 bis 17 Gew.% Epoxidharz. Im Rahmen der Erfindung sind anstelle des Nickel/Zink-Ferrits auch andere Ferrite, z. B. ein Mangan/Zink-Ferrit sowie anstelle von Epoxidharz andere Kunststoffe, z. B. andere Duroplaste, verwendbar.
Da das verwendete Material anstelle einer Sinterung durch Härtung bei relativ niedrigen Temperaturen zu fertigen Spulenkernen verarbeitet werden kann, ergibt sich darüber hinaus der Vorteil, daß die mit einer Sinterung verbundene Schrumpfung der Kerne vermieden wird, so daß vorgegebene Kernabmessungen leichter eingehalten werden können.
Vorzugsweise wird das Nickel/Zink-Ferritpulver vor dem Mischen mit Epoxidharz feingemahlen, wonach die Mischung dieses feingemahlenen Pulvers für etwa 20 bis 30 min durch kontinuierliches Zuführen des Epoxidharzes zum Ferritpulver erfolgt. Die Verarbeitung der Mischung zu preßfähigem Granulat kann durch Passlersieben und Entstauben erfolgen. Die Härtung von aus dem Granulat gepreßten Formlingen erfolgt bei relativ niedrigen Temperaturen im Bereich von etwa 390 bis 430° K.
Zur weiteren Erläuterung der Eigenschaften des verwendeten Materials wird im folgenden auf die Diagramme nach den Figuren 1 und 2 Bezug genommen, in denen die Anfangspermeabilität µi bzw. die Spulengüte Q als Funktion der Feldstärke H eines magnetischen Gleichfeldes für ringbewickelte Schalenkerne dargestellt sind.
In Figur 1 zeigt eine Kurve 1 die Anfangspermeabilität µi eines Ferrit-Materials mit der Bezeichnung K1, eine Kurve 2 die Anfangspermeabilität für Carbonyleisen und eine Kurve 3 die Anfangspermeabilität des verwendeten magnetischen Materials in Form einer Ferrit/Kunststoff-Zusammensetzung. In Figur 2 zeigen die entsprechenden Kurven 1 bis 3 die Güte Q der ringbewickelten Schalenkerne aus den genannten Materialien. Die Messungen nach den Kurven 1 bis 3 wurden jeweils für eine Frequenz von 100 kHz durchgeführt.
Aus einem Vergleich der Kurven nach den Figuren 1 und 2 ist ersichtlich, daß die Güte Q für das verwendete magnetische Material größer als die für Carbonyleisen ist, obwohl gemäß Figur 1 die Anfangspermeabilität µi für das verwendete magnetische Material kleiner als die von Carbonyleisen ist.

Claims (6)

  1. Verwendung eines gescherten magnetischen Materials mit möglichst konstanter Permeabilität als Spulenkern in einem induktiven Bauelement für den Einsatz im Bereich hoher magnetischer Fremdfelder,
    dadurch gekennzeichnet, daß eine homogene Ferrit/Kunststoff-Zusammensetzung mit einem Ferritanteil zwischen 75 und 95 Gew.% und einem Kunststoffanteil zwischen 25 und 5 Gew.% verwendet wird und
    das Mischungsverhältnis innerhalb dieses Bereiches derart eingestellt wird, daß bis zu der maximal zu erwartenden Fremdfeldstärke die minimal erforderliche Permeabilität bei gleichzeitig möglichst hohem elektrischem Widerstand zur Erreichung einer hohen Spulengüte im wesentlichen konstant beibehalten wird.
  2. Verwendung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    als Ferrit-Material ein Nickel/Zink-Ferrit Verwendung findet.
  3. Verwendung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    als Ferrit-Material ein Mangan/Zink-Ferrit Verwendung findet.
  4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 und 3,
    dadurch gekennzeichnet, das
    als Kunststoff Duroplaste Verwendung finden.
  5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    als Kunststoff Epoxidharz Verwendung findet.
  6. Verwendung nach einem der Ansprüche 1-5,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    ein Nickel/Zink-Ferrit und ein Epoxidharz in einem Mischungsverhältnis von 83 bis 88 Gew.% Ferrit und 12 bis 17 Gew.% Epoxidharz Verwendung findet.
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