NL8402601A - Magneetkern op basis van lithium-zink-mangaan ferriet. - Google Patents

Description

4 * ft 4· PHN 11.128 1 t.n.v. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven "Magneetkem qp basis van lithiumr-zink-mangaan ferriet".

De uitvinding heeft betrekking op een magneetkem van oxydisch, ferrcmagnetisch materiaal, bestaande uit éen spinelferriet metr kubische kristalstructuur.

Magneetkemen van oxydisch, ferromagnetisch materiaal, bestaande 5 uit een spinelferriet met kubische kristalstructuur, worden in grote aantallen gebruikt in inductiespoelen en in transformatoren op het gebied van teleccnnwnicatie en industriële en consumenten electronica. Afhankelijk van de toepassing lean men de materialen in kwestie in een viertal types verdelen.

10 - Het eerste type is een lage verliezen ferriet bestemd voor hoge kwaliteitsspoelen die in filters gebruikt worden. De magneetkemen zijn meestal ronde of vierkante potkemen.

- Het tweede type heeft een hoge magnetische heginpermeabiliteit en is bestemd voor laag-vermogen breedband en puls transformatoren. De 15 magneetkemen zijn meestal toroïden, E-kemen en verschillende typen potkemen.

- Het derde type is geschikt voor hoog-vermogen toepassingen zoals power transformatoren die in het frequentiegebied van 10-100 KHz verken. Het gebied van vermogens die verwerkt worden loopt typisch 20 van 10 tot 750 W. De mgneetkémen zijn meestal U-kemen of E-kemen.

- Het vierde type is bestemd voor toepassing in magneetkemen voor hoge kwaliteitsspoelen die in het frequentie gebied van 2-12 MHz toegepast worden. De magneetkemen zijn meestal potkemen, toroïden staven of kralen.

25 Hierboven nog niet vermelde toepassingen zijn verder magneetkemen voor antennestaven, storingsonderdrukkers en deeltjesversnellers. Geheugenkemen vallen hier typisch niet onder.

Voor toepassing bij hogere frequenties (in het bijzonder hoger dan 1 MHz) werd in verband met zijn hoge veerstand tot nu toe Ni-Zn 30 ferriet als magneetkem materiaal gebruikt (J* = ÏO'LQ-. cm). (Een materiaal dat inzetbaar is bij frequenties boven 1 MHz is uiteraard ook geschikt voor toepassing bij frequenties beneden 1 MHz). Gezien de hoge prijs van Ni-Zn ferriet werd uitgezien naar een vervangend ferriet 8402801 if -ï PHN 11.128 2 systeem met vergelijkbare electrische en magnetische eigenschappen.

De uitvinding verschaft een magneetkem op basis van een dergelijk ferriet systeem. Dit wordt gekenmerkt door de volgende samenstelling 5 “θ,5 ^ “x111 °4H§cf + £ met 0,0 5 4 z 4 0,62 0 4 a 4 0,04 0,014 x+y^ 0,25 10 -0,2 4· <f 4+0,50 -0,5x 4 €.4 +0,25a waaraan extra is toegevoegd p gew.% BI2O2 + q gew.% Vp^ waarbij 15 0 4 p 4 0,15 0 4 q 4 0,20 0,005 4pfq4o,20 als q = 0 dan p Φ 0, en omgekeerd.

Naast een kostenbesparing van ongeveer 30% die de toepassing 20 van dit op Li-Zn-Mn ferriet gebaseerde ferriet systeem-in magneetkemen levert, blijkt een belangrijk voordeel te zijn dat met de zeer geringe toevoegingen van BI2O2 en/of ^2^5 ^-e uitvinding voorschrijft een materiaal gerealiseerd kan worden dat zeer lage verliezen paart aan een verhoogde dichtheid. Dit in vergelijking met eenzelfde materiaal, 25 bij dezelfde temperatuur gesinterd, doch zonder deze toevoegingen.

Voegt men meer 2^20^ en/of ^ uitvinding voorschrijft, dan kan het materiaal weliswaar bij een, eventueel aanzienlijk, verlaagde temperatuur gesinterd worden, doch dan blijkt het niet mogelijk te zijn cm magneetkemen met de hiervoor genoemde 30 zeer lage verliezen te realiseren.

De toevoeging van vp^ blijkt praktisch even effectief te zijn als de toevoeging van , zodat hetzij BI2O2 alleen, hetzij V205 alleen, hetzij Bi203 en vp^ tezamen toegevoegd kunnen worden.

Bij een toevoeging van minimaal 0,005 gew.% wordt al een materiaal 35 met een voldoend hoge dichtheid verkregen.

Het uitgangsmateriaal dient bij voorkeur een overmaat Fe te bevatten, en wel zodanig dat ƒ in de hiervoor gegeven samenstellings-formnle ligt in het gebied van 0,2 tot en met 0,4. Bij deze waarden 8402601 1 * £ PHN 11.128 3 van <f is de toevoeging van zeer geringe hoeveelheden Bi^ en/of ν20^ volgens de uitvinding het meest effectief gebleken, dat wil zeggen • kon een optimale ccmbinatie van hoge dichtheid en lage verliezen gerealiseerd worden.

5 De aanwezigheid van een kleine, doch specifieke hoeveelheid Mh blijkt, in combinatie met Bi^ en/of V2Qg als sintermiddel, essentieel te zijn voor het verkrijgen van een hoge electrische weerstand en lage, met de verliezen van Ni-Zn ferriet vergelijkbare, verliezen. Afhankelijk van da hoeveelheden Zn, Fe, Bi^ en V^Oj. dient de hoeveelheid Mh van to 0,01 tot 9*25 formule eenheden te variëren.

Ben verder aspect van het hiervoor beschreven Li-Zn-Ma ferriet systeem is, dat het in het bijzonder door variatie van de Li-Zn verhouding (dat wil zeggen door variatie van z in het gebied van 0,05 tot en met 0,62), een aantal materialen levert die aan uiteenlopende tg specificaties voldoen.

In het bijzonder zijn bij een zinkgehalte z van 0,3 tot en met 0,4 formule eenheden materialen met magnetische permeabiliteiten van 120 realiseerbaar die uitermate geschikt zijn cm er kernen voor spoel? kokers van te vervaardigen.

2o De toevoeging van maximaal 0,05 formule eenheden Co leidt tot materialen net lagere verliezen en tevens kan met het Co-gehalte de temperatuur factor van de permeabiliteit gestuurd worden.

Een aantal uitvoeringsvoorbeelden van de uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de volgende voorbeelden en van de 25 figuren.

Figuur 1 is een grafiek die de "isqoermeabiliteiten" toont van een aantal Li-Zn-ito-CQ ferriet kernen met dezelfde uitgangssamen-stelling die bij verschillende sintertemperaturen en onder toevoeging van verschillende hoeveelheden Bi^O^ (uitgedrukt in p gew.%) vervaardigd 30 werden.

Figuur 2 is eenzelfde grafiek als figuur 1, doch hierin zijn de "isoverliesfactoren” . 10”^ bij 2 MHz aangegeven.

Figuur 3 is eenzeljÉe grafiek als figuur 1, doch hierin zijn de "isoverliesfactoren" bij 10 MHz aangegeven.

35 Figuur 4 is eenzelfde grafiek als figuur 1 doch hierin zijn de "isodichtheden” (in g/cm3) aangegeven.

Figuur 5 is een grafiek die enerzijds aangeeft de sinter-temperatuur T die noodzakelijk is cm uitgaande van een gegeven Li-Zn-Mh- 8402601 . '3 PHN 11.128 4

Co ferriet samenstelling magneetkemen met een magnetische permeabiliteit 100 .te realiseren, als functie van de toevoeging (uitgedrukt in q gew.%) en die anderzijds aangeeft de dichtheid d (in d/cm ) van de magneetkemen als functie van de toevoeging V203 (uitgedrukt in q gew.%).

5 Figuur 6 is een grafiek die de verliesfactor — . 10 ^ van de magneetkemen van figuur 5 toont als functie van de toevoeging ^2°5 (11^¾6^33^ 331 Q gew.%). De verliesfactor werd bij 2 MHz en bij 10MHz gemeten.

Figuur 7 is een grafiek die van een aantal Li-Mn-Zn-Co ferriet 3 10 kernen volgens de uitvinding enerzijds de dichtheid d (in g/cm ) en anderzijds de verandering van de dichtheid met de sintertemperatuur (in g/ax? °C) toont als functie van de Fe-overmaat ƒ . s Figuur 8 is een grafiek die van de kernen van figuur 7 enerzijds de verliesfactor . 10 ^ bij ,2MHz toont als functie van 15 de Fe-ovennaat cf en anderzljès de verliesfactor bij 10MHz

Figuur 9 is een grafiek die van de kernen van figuuri7 de verliesfactor --2.- , io ® bij 15MHz toont als functie van de Fe-ovennaat /.

Figuur 10 is een grafiek die van de kernen van figuur 7 de 20 aanvangspermeabiliteit^ toont als functie van de Fe-overmaat J .

Figuur 11 is een grafiek die enerzijds de temperatuur- · coëfficiënt TF in het gebied van 5 - 25 °C en anderzijds de temperatuur-coëfficiënt van de permeabiliteit TF in het gebied van 25 - 75 °C van de kernen van figuur 7 toont als functie van de Fe-overmaat (f.

25 Figuur 12 is een grafiek die de sintertenperaturenlC ,, waarbij de magneetkemen van figuur 7 gesinterd weiden, toont in afhankelijkheid van de Fe-overmaat if .

Voorbeeld I

30 'Ter bereiding van een aantal magnetische ringkemen, met de samenstelling (Li0,285F60,285> ^0,374 ^0,019^0,175^2,150%^ P 9®·* Bi-Aj-tq gew.% V205 werden 419 g Fe2C>3 + ^5,70 g ZnO + 22,72 g Li2C03 + ^/31 g MnCo^ + 5,0 g CoG03 + x g B3-2°3 + Y 2 V205 afgewogen en in een kogelmolen van 35 2 1 inhoud gedurende 6 uur gooalen met 600 ml alcohol. Het mengsel werd droog gedampt, voorgestookt op 900 °C in lucht gedurende 2 uur, en weer gemalen in de 2 1 kogelmolen, deze keer met 500 ml water gedurende 6 uur. Na droogdampen werden er ringen (0./0,. = 14/16 mm) 8402601 PHN 11.128 5

«r V

t van geperst. Deze werden in een zuurstofhoudende atmosfeer o gesinterd (de opwarm/afkoelsnelheid was 150 C/uur) De ringen werden 2 uur op de toptanperatuur gehouden.

In de onderstaande tabel zijn de eigenschappen gegeven van 5 magnetische ringkemen met toevoegingen van óf Bi202 óf ν20^, met magnetische ringkemen met dezelfde samenstelling doch zonder toevoeging.

Tabel 10 Proefnr. Bi20, V205 Sinterterrperatuur dichtheid I tgé mlQ-6 (gew.%) (gew.%) °G ' (g/ση ) jft ± 2MHz 10MHz 43 — — 1125 127 4,25 34 80 45 0,04 — 1125 140 4,44 28 73 15 49 — 0,08 1125 120 4,42 30 76

In de grafieken van de figuren 1-4 zijn een aantal eigenschappen weergegeven van magnetische ringkemen net de uitgangssamen-stelling die hiervoor is aangegeveh.Bij de vervaardiging werd de sinter-20 temperatuur in het gebied van 1075 tot 1125 °C en de toevoeging p (B^O^) in het gebied van 0 tot 0,12 gew.% gevarieerd. De lijnen in de grafieken zijn isolijnen; zij verbinden punten met eenzelfde waarde van respectievelijk <fe permeabiliteit (figuur 1) de verliesfactor bij respectievelijk 2MHz (figuur 2) en 10MHz (figuur 3) aide dichtheid (figuur 4).

25 Uit de figuren 1-4 kont duidelijk naar voren dat door de toevoeging van een zeer geringe hoeveelheid Bi20.j een Li-Zn-Mn-Co ferrlet met uitstekende eigenschappen verkregen kan worden.

Voorbeeld II

3Q Op dezelfde wijze als in voorbeeld I beschreven werd een aantal magnetische ringkemen vervaardigd met de samenstelling ^33^0,27^0,04.¾09Fe2,27O4+4waaraan ^5 V2°5

Figuur 5 toont enerzijds de sintertenperaturen Tg die nodig waren cm bij gegeven toevoegingen q (in gew.%) ringkemen met dè 35 bovengenoemde samenstelling met een permeabiliteit= 100 te verschaffen. Anderzijds toont figuur 5 de dichtheden van de aldus verkregen ringkemen als functie van de V^ ^voeging <!· Vooral in het gebied van 0 tot 0,2 gew.% ν20^ toevoeging blijkt de dichtheid zeer sterk toe te nemen, 8402601 ΡΗΝ 11.128 6 1 ' « ^ “*6

Figuur 6 toont de verliesfactoren ~~~ · 10 bij 2MHz en bij 10MHz van ringkemen met de onder figuur 5 beschreven samenstelling en vervaardigingstechniek als functie van de toevoeging q (in gew.%). Minimale verliesfactoren blijken gerealiseerd te worden in het gebied 5 van 0 tot 0,2 gew.%.

Voorbeeld III

Kiest men, bijvoorbeeld op basis van de gegevens van figuur 1-4 voor een bepaalde hoeveelheid (ï^O^) toevoeging, dan blijkt dat de 10 : eigenschappen nog verder verbeterd kunnen worden door een juiste keuze van de Fe-overmaat van de te vervaardigen Li-Mn-Zn ferriet samenstelling.

Op dezelfde wijze als beschreven in voorbeeld I werd een aantal magnetische ringkemen vervaardigd met de samenstelling 15 <U0,285 Fe0,285> ^0,374 Co0,019 *>0.175 «W °4-M + °'04 **·* B12°3-De Fe-overmaat o varieerde in het gebied van 0,09 tot 0,33.

In de grafieken van de figuren 7-11 zijn een aantal eigenschappen van de aldus verkregen ringkemen weergegeven als functie van de Fe-overmaat cf .

20 Figuur 7 toont enerzijds de dichtheid d als functie van cf, en anderzijds de verandering van de dichtheid met de sintertemperatuur ^-. Duidelijk is te zien dat door een juiste keuze van de Fe-overmaat, bif een gegeven hoeveelheid toevoeging, de dichtheid geoptimaliseerd kan worden. Tevens blijkt dat er een gebied van (Γ-waarden is waar de 25 dichtheid zeer weinig afhangt van de temperatuur waarop wordt gesinterd.

De figuren 8, 9, 10 en 11 tonen hoe respectievelijk de verliesfactor bij 2MHz, 10MHz ën. 15MHz, de permeabiliteit, en de temperatuur coëfficiënt van de permeabiliteit door een juiste keuze van de Fe-overmaat, bij een gegeven hoeveelheid toevoeging, geoptimaliseerd 30 kunnen worden.

Figuur 12 toont de voor elke afzonderlijke waarde van de Fe-overmaat </ in het gebied van Q09 tot 0,33 optimale sintertemperatuur. Deze sintertemperaturen werden aangehouden bij de vervaardiging van de ringkemen waarvan de figuren 7-11 een aantal eigenschappen tonen.

35 Het voorkeursgebied van / : 0,2 ^ <f-^\o,4 blijkt in dit geval te corresponderen met het gebied van sintertemperaturen van. ongeveer 1125 °C tot ongeveer 1150 °C.

Opgemerkt wordt nog dat Go in een oxyderend milieu 3-waardig 8402601 * * ^ PHN 11.128 7 kan morden. Cta een bruikbaar materiaal te verkrijgen dient er voor gezorgd te worden dat bet sinteren onder zodanige omstandigheden plaatsvindt dat maximaal de helft van de Co-ionen 3-waardig wordt. Dit betekent dat in de formule die de samenstelling van het ferriet-materiaal voor 5 magneetkemen volgens de uitvinding beschrijft: (Li0,5 Pe0,5>l-z-a ^ «’a Pe2-*fi °tó ie de bovengrens van £ gelijk is aan +0,25 a. 2

De ondergrens van £ wordt bepaald door de omstandigheid dat bet Mi bij hogere sintertemperaturen, of in een minder oxyderend milieu, 10 geheel 2-waardig kan worden. Chi dit in rekening te brengen is £ > 0,5 x 15 20 25 30 35 84 0 26 0 1

Claims (3)

1. Magneetkem van oxydisch, ferromagnetisch. materiaal, bestaande uit een spinel ferriet met kubische kristalstructuur, met het kenmerk, dat het ferriet de volgende samenstelling heeft <^0,5 Vs'l-zA “a*/1 ^111 K2-X+J °4%J + ε 5 2 met 0,05 ^ z ^ 0,62 0. a. 4 0,05 0,01·^ x+y 0,25 -0,2 £ ^ +0,5 10 -0,5x ^ C ^ +0,25a waaraan extra is toegevoegd p gew.% Bi2C>2 en q gew.% V205 waarbij 0 4 p ^ 0,15 0 ^ q ^ 0,20 15 0,005 ^p+q^ 0,20 als q = 0, dan p ^ 0 en omgekeerd.

2. Magneetkem volgens conlusie 1, met het kenmerk dat 0,2 ^ ίέ 0,4

3. Magneetkem volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk dat 20 0,3 4.½ 4 0,4 25 30 35 8402601