DE1300859B

DE1300859B - Verfahren zur Herstellung von magnetischem Material mit hoher Permeabilitaet

Info

Publication number: DE1300859B
Application number: DEI15977A
Authority: DE
Inventors: Pierrot Andre; Lescroel Yves
Original assignee: International Telephone and Telegraph Corp
Current assignee: International Telephone and Telegraph Corp
Priority date: 1958-02-13
Filing date: 1959-02-05
Publication date: 1969-08-07
Also published as: CH401797A; US3057802A; ES246988A1; BE575606A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ferromagnetisches Material vom Ferrittyp zur Verwendung in der Fernmeldetechnik, Elektronik und Elektrotechnik für Kerne von Transformatoren und Induktionsspulen und andere Anwendungen, wo ein weiches magnetisches Material mit hoher Permeabilität und niedrigen Verlusten benötigt wird.

Die Koeffizienten, die weiter unten zur Charakterisierung des magnetischen Materials gemäß der Die noch eingeführten Koeffizienten

—j· ΙΟ⁶ und — · ΙΟ³ ermöglichen es, die Qualität verschiedener.Stoffe zu beurteilen und hängen nicht von einem eventuell vorhandenen Luftspalt ab.

Es ist darüber hinaus bekannt, daß in der Fernmeldetechnik erwünscht ist, in einem so kleinen Volumen wie möglich Transformatoren mit einer

Erfindung verwendet werden, sind wie folgt definiert: io so großen Bandbreite wie möglich unterzubringen,

Die Permeabilität μ ist die Permeabilität, gemessen bei einem Feld von 2 Millioersted, d. h. die Anfangspermeabilität für eine Frequenz von 800 Hz bei einer Temperatur von 20⁰C.

Die verwendeten Verlustkoeffizienten sind die Koeffizienten für eine Frequenz von 800 Hz, ein Feld von einer Amperewindung pro Zentimeter, eine Induktion von 1 Henry bei einer Temperatur von 20⁰C gemäß der Gleichung:

- F,

IH

800

L + h

f
800

L + t

800

N-I Inm

L,

(D

worin R_p den Verlustwiderstand bei Wechselstrom im Magnetkern einer Induktionsspule in Ohm bedeutet, L die Induktanz der Spule in Henry ist, / die Frequenz in Hz bedeutet, N die Anzahl der Windungen der Spulenwicklung und / den Effektivwert des Stromes in der Wicklung in Ampere darstellt. Inm ist die Länge des mittleren magnetischen Kraftweges in Zentimeter.

Die Koeffizienten der Wirbelstromverluste F_n, der Hysterese h und der Nachwirkung t bezüglich eines geschlossenen Magnetkreises wurden unter folgenden Bedingungen gemessen:

Der Koeffizient der Wirbelstromverlust F_n ist ausgedrückt in Ohm pro Henry für eine Frequenz von 800 Hz, gemessen bei einem Feld von 2 Millioersted und bei einer Temperatur von etwa 20⁰C für einen magnetischen Kreis mit einem Querschnitt von die eine sehr geringe Dämpfung innerhalb des Bandes haben.

Dies macht die Verwendung von Material mit hoher Anfangspermeabilität und niedrigen Verlusten erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein magnetisches Material herzustellen, das diese Bedingungen erfüllt.

Hierzu sind insbesondere Mangan-Zink-Ferrite

geeignet, bei denen von einem Gemisch von etwa 50 Molprozent Fe₂O₃, 25 bis 30 Molprozent MnO und 15 bis 24 Molprozent ZnO ausgegangen wird und die bis zu 5 Gewichtsprozent FeO enthalten.

Aus der britischen Patentschrift 730 703 sind solche Ferrite bekannt. Doch ist auch beschrieben, daß durch Verunreinigungen die Permeabilität vermindert und die Verluste erhöht werden.

Die Erfindung besteht in einem Verfahren zur Herstellung von Mangan-Zink-Ferrit mit hoher Anfangspermeabilität und niedrigen Verlusten, insbesondere für Kerne von Transformatoren und Induktionsspulen, durch Pressen und Sintern eines Gemisches von etwa 50 Molprozent Eisenoxyd (Fe₂O₃), 25 bis 30 Molprozent Manganoxyd und 15 bis 24 Molprozent Zinkoxyd derart, daß ein Teil des Fe₂O₃ in FeO umgewandelt wird, so daß das Endprodukt bis zu 5 Gewichtsprozent FeO enthält.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsmischung 0,05 bis 1,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff (C) zugesetzt werden.

Der Kohlenstoff beeinflußt die Kristallisation, so daß dieser Ferrit eine körnige Struktur aufweist, der Durchmesser der Körner gleichmäßig ist und etwa zwischen 10 und 30 Mikron liegt.

Dies ist besonders darauf zurückzuführen, daß die

0,3 cm² (0,5 χ 0,6 cm).
Der Koeffizient der Hystereseverluste h ist aus- 45 Glühtemperatur, welche zur Herstellung der Ferrite

jy · I

gedrückt in Ohm pro Henry für ein Feld von j- ■ = 1 A ■ i/cm und für die Frequenz / = 800 Hz, gemessen zwischen den Feldern von 2 und 22 Milp
erforderlich ist, niedriger gewählt werden kann.

Aus dem dritten Ausführungsbeispiel der britischen Patentschrift 730 703 sind zwar Mangan-Zink-Ferrite mit etwa der gleichen Ausgangszusammensetzung

lioersted, bei einer Frequenz von 800 Hz und bei 50 bekannt, die eine Permeabilität von 3650 haben.

der Temperatur von ungefähr 20⁰C.

Der Koeffizient der Nachwirkungsverluste i, ausgedrückt in Ohm pro Henry für eine Frequenz von / = 800 Hz, ist abgeleitet von der Ordinate beim

Ursprung der Kurve γήτ =-F(f), für das FeIdO bei einer Temperatur von etwa 20⁰G. Gemäß Gleichung (1) ergibt sich in der Tat für / = 0 und ί = 0:

800

da nach ί abgeleitet wird.

Die Koeffizienten F_n, h und t beziehen sich auf einen geschlossenen Kreis ohne Luftspalt und sind von besonderem Interesse bei Transformatoren ohne Luftspalt.

Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung werden Ferrite mit etwa gleicher Permeabilität, aber wesentlich geringeren Wirbelstromverlusten bzw. mit höherer Permeabilität und geringeren Wirbelstromverlusten erhalten. Außerdem hat der Kohlenstoff den Vorteil der dosierbaren Reduktion des Fe₂O₃, was durch Steuerung des Sauerstoffgehaltes der Sinteratmosphäre nur mit viel größerem Aufwand zu erzielen ist, insbesondere bei den hier verwendeten manganhaltigen Ferriten.

Aus der britischen Patentschrift 729 538 isl es zwar bekannt, einen Ferrit mit 52 bis 54 Molprozent Fe₂O₃, 29 bis 33 Molprozent MnO und 16 bis 17 Molprozent ZnO zur Erhöhung der Permeabilität bei nur unwesentlich erhöhten Verlusten CuO in einer Menge von 0,1 bis 10 Gewichtsprozent zuzusetzen. Abgesehen davon, daß diese bekannten Ferrite keinen Gehalt an FeO haben, gelingt es bei

3 4

dem bekannten Verfahren nicht, gleichzeitig die organische Bindemittel zu verdampfen, das gePermeabilität zu erhöhen und die Verluste zu ver- gebenenfalls während des Pressens verwendet wird, mindern. Im Gegensatz zu Kohlenstoff sind Metall- und werden dann in einer Stickstoffatmosphäre mit zusätze wie CuO auch nach der Herstellung des etwa 1% Sauerstoff geglüht. Die Temperatur der Ferrits noch im Material als Verunreinigung vor- 5 Glühung beträgt 1240⁰C, die Dauer 4 Stunden und handen. Schließlich kann mit dem Kohlenstoffzusatz die Abkühlung 15 Stunden in reinem Stickstoff. Der die Bildung von FeO gefördert werden, was mit Kühlvorgang der geglühten Kerne ist außerordent-CuO nicht möglich ist. lieh wichtig, weil während der Kühlung der über-

In der Ausgangsmischung zur Herstellung des schuß an dreiwertigen Ionen von Fe₂O₃ in zwei-Ferrits liegt der Kohlenstoffzusatz in Mischung mit io wertige Ionen umgewandelt wird, wodurch ein Maden entsprechenden Oxyden vor. Deshalb wird der terial erhalten wird, das genau so viele Moleküle Gehalt dieser Stoffe auf die Gesamtmenge der Aus- dreiwertiger Ionen wie Moleküle zweiwertiger Ionen gangsmischung bezogen. enthält und sehr gute magnetische Eigenschaften hat.

Um die erforderliche Permeabilität zu erhalten, Das auf diese Weise erhaltene magnetische Maist es sehr wichtig, vollkommen reine Ausgangs- 15 terial hat folgende Eigenschaften:
materialien zu verwenden. Die gefährlichsten Verunreinigungen sind Barium und Strontium. μ = 2630

Das Verfahren gemäß der Erfindung soll im Hin-

blick auf die Figur näher beschrieben werden. Jjl . \q* — o,5

Die Figur zeigt Kurven der Änderung des Ver- 20 ,"

hältnisses μ₂/μι als Funktion des Prozentgehaltes an u

Kohlenstoff. -\ ■ 10⁶ = 200

Die Ausgangsmischung bestand aus folgenden ■"

Oxyden in Molprozent: t

₂₅ — IO³ = 5

Fe₂O₃ 52,5 ''

MnO 28,3 Curie-Punkt «₀^

ZnO 19,2

Die Glühbehandlung dauerte 4 Stunden bei 1240⁰C in reinem Stickstoff mit 1% Sauerstoff, die Abkühlung 15 Stunden in reinem Stickstoff.

Die Figur zeigt die Änderung des Verhältnisses !I₂In₁ als Funktion des Gewichtsprozentgehaltes an Kohlenstoff, der der Mischung vor dem Mahlen zugesetzt wurde.

Die Kurve 1 bezieht sich auf Azetylenruß, Kurve 2 auf eine Suspension von kolloidalem Graphit in Wasser.

Der Kohlenstoff spielt einerseits eine wichtige Rolle bei der Kristallisation, andererseits wirkt er reduzierend, und es bildet sich FeO im Endprodukt.

Der Kohlenstoff wird bei der Sinterung vollkommen entfernt, und eine chemische Analyse ergibt, daß er nur in Spuren im Endprodukt vorhanden ist.

Die Beispiele beziehen sich auf dieselbe Zusammensetzung der Ausgangsmischung ohne Kohlenstoffzusatz in Molprozent, und zwar:

Fe₂O₃ 52,5

MnO 28,3

ZnO 19,2

Die Behandlung ist die gleiche wie im folgenden, angegeben für eine Mischung ohne Kohlenstoffzusatz. Der Kohlenstoff wird zur Ausgangsmischung vor dem Mahlen zugegeben.

Die Oxyde werden in dem oben angegebenen Verhältnis gemischt und 24 bis 48 Stunden lang in einer Stahlkugelmühle gemahlen. Es werden so viele Liter Wasser zugegeben, wie etwa der l,5fachen Gewichtsmenge der Mischung in Kilogramm entspricht.

Das Material wird filtriert, getrocknet und in Kerne gepreßt mit einem Druck von etwa 1 bis 101 pro Quadratzentimeter, beispielsweise mit 5 t pro Quadratzentimeter.

Die Kerne werden bei 20O⁰C getrocknet, um das

Beispiel 1

Bei einem Produkt mit der oben angegebenen Ausgangszusammensetzung, zu der 1 Gewichtsprozent Azetylenruß zugesetzt wurde und das in der beschriebenen Weise behandelt wurde, ergeben sich die folgenden magnetischen Werte:

	Il
F_n	IO³
Il	IG⁶ =
h *11² '*	10³ -
t	Bei
Il	= 3400
	0,18
= 250
2
ispiel 2

Bei einem Produkt mit der oben angegebenen Ausgangszusammensetzung, zu dem 1 Gewichtsprozent kolloidaler Graphit, suspendiert in Wasser, zugesetzt wurde und das in der beschriebenen Weise behandelt wurde, ergeben sich die folgenden magnetischen Werte:

// =4000
— · IO³ = 0,23

μ² t

IO⁶ = 200
IO³ = 1

Es wird besonders darauf hingewiesen, daß in den Beispielen die Koeffizienten der Wirbelstromverluste, der Hystereseverluste und der Nachwirkungsverluste besonders gute Werte haben.

Claims

5 Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung von Mangan-Zink-Ferrit mit hoher Anfangspenneabilität und niedrigen Verlusten, insbesondere für Kerne von Trans- to formatoren und Induktionsspulen, durch Pressen und Sintern eines Gemisches von etwa 50 Molprozent Eisenoxyd (Fe₂O₃), 25 bis 30 Molprozent Manganoxyd und 15 bis 24 Molprozent Zinkoxyd derart, daß ein Teil des Fe₂O₃ in FeO umgewandelt wird, so daß das Endprodukt bis zu 5 Gewichtsprozent FeO enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsmischung 0,05 bis 1,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff (C) zugesetzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen