Weichmagnetische Werkstoffe mit hohem Innovationspotential – KEM
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Weichmagnetische Werkstoffe mit hohem Innovationspotential

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Weichmagnetische Werkstoffe mit hohem Innovationspotential

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Die systematische Übernahme von Grundlagenforschungs-ergebnissen in die indu-strielle Fertigungspraxis führt auch bei den weichmagnetischen Werkstoffen für Anwendungen im Hochfrequenzbereich zu beträchtlichen Kennwertverbesserungen, die innovative Entwicklungen im elektronischen und elektrotechnischen Geräte- und Maschinenbau einleiten.

Der Autor Prof. Dr. rer. nat. habil. L. Michalowsky ist Leiter FuE der Kaschke KG GmbH & Co., Göttingen. Er ist Herausgeber mehrerer Fachbücher auf den Gebieten der technischen Keramik und Magnettechnik

Im Zusammenhang mit der richtungsweisenden Harmonisierung der europäischen Gesetzgebung zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) leiten sich eine Reihe von Forderungen an weichmagnetische Werkstoffe bezüglich notwendiger Eigenschaftsverbesserungen ab. Diese betreffen u.a. die Größe der Anfangspermeabilität, die Größe der Einfügungsdämpfung, insbesondere für die Unterdrückung von Störspannungen und -strömen, die spezifischen Kernverluste, die Temperaturabhängigkeit der Anfangspermeabilität, für Energiespeicher die Höhe der Sättigungsflußdichte und allgemein die mechanischen Eigenschaften, wie Zug-, Druck- und Torsionsfestigkeit sowie Schlag- und Bruchzähigkeit.
Das Gefüge von Festkörpern gilt aus werkstoffwissenschaftlicher Sicht als der Träger aller Eigenschaften. Durch den Herstellungsprozeß lassen sich , „Werkstoffe nach Maß“ – die Gefügeelemente mittlere Korngröße, Poren, Porenstruktur und Porengrößenverteilung, Struktur und Zusammensetzung der Korngrenzen, Mikrorißverteilungen, Gitterstapeldefekte, Versetzungen und atomare Punktdefekte gezielt beeinflussen.
Mangan-Zink-Ferrite mit hoher Anfangs-permeabilität
Mangan-Zink-Ferrite mit der molaren Zusammensetzung 52 % Fe2O3, 22 % ZnO und 26 % MnO sind Werkstoffe mit sehr kleiner Magnetostriktion und Kristallanisotropieenergie. Sie sind außerdem keramische Halbleiter mit Heißleiterverhalten. Sie eignen sich für die Herstellung hochpermeabler Werkstoffe mit Anfangspermeabilitäten (Kleinsignalverhalten bei Aussteuerungen 0,25 mT) von 6 000 bis 20 000. Zur Einstellung der intrinsischen Eigenschaften, wie Temperaturabhängigkeit der Anfangspermeabilität, werden dem Grundwerkstoff spezifische Additive wie CoO und TiO2 zugesetzt, um den Temperaturkoeffizienten der Anfangspermeabilität auf das physikalisch bedingte Minimum senken zu können. Für die Anwendung hochpermeabler Mangan-Zink-Ferrite im Frequenzbereich von 50 bis 400 kHz ist es notwendig, die Korngrenzen über den Aufbau dünner Schichten zu isolieren und damit die Ausbildung großflächiger Wirbelströme zu unterbinden. Dabei werden als Glasbildner die Oxide des Siliciums, Kalziums, Bismuth, Bors, Germaniums, Vanadiums und Indiums verwendet. Die bei der Sinterung der Pulverwerkstoffe sich bildenden Glasphasen im Dickenbereich weniger Nanometer tragen bei Temperaturen oberhalb 1100°C zum beschleunigten Stofftransport bei und fördern das Kornwachstum bei der Ausbildung der Mikrostruktur, wobei mittlere Korngrößen von 30 bis 50 µm Durchmesser für hochpermeable Mangan-Zink-Ferrite erwünscht sind. Mit den 8- bis 10-Komponentensystemen sind auf pulvermetallurgischem Wege Werkstoffe mit Anfangspermeabilitäten bis 20 000 herstellbar, die bei Ringkernen bis zu Außendurchmessern von 14 mm bis 100 kHz frequenzstabil sind, eine Curietemperatur von 130°C aufweisen und sehr kleine Temperaturkoeffizienten der Anfangspermeabilität zeigen.
Die höchstpermeablen Ferrite sind
n die Grundlage für die weitere Miniaturisierung von Schnittstellenübertragern und Entstördrosseln für Systeme der Kommunikationstechnik
n hervorragende breitbandige Entstörwerkstoffe mit hoher Einfügungsdämpfung bis zu einer Grenzfrequenz von 1 GHz
Mangan-Zink-Ferrite für die Leistungs-übertragung
Mangan-Zink-Ferrite mit der molaren Zusammensetzung 53,5 % Fe2O3, 8-10% ZnO und 36,5-38,5 % MnO sind ebenfalls Werkstoffe mit sehr klei-ner Magnetostriktion und Kri-stallanisotropieenergie. Für die Leistungsübertragung im Bereich weniger Watt bis in den kW-Bereich sind Curietemperaturen oberhalb 200 °C, Sättigungsflußdichten bis 500 mT und sehr niedrige Kernverluste bei Anwendungstemperaturen von 100 °C bei hohen Frequenzen erforderlich, um einen sicheren Übertragungsbetrieb gewährleisten zu können. Die notwendige drastische Reduzierung der Wirbelstromverluste ist nur über die Erhöhung des Kornwiderstandes und durch die perfekte Isolation der Korngrenzenbereiche zwischen den Körnern durch hochohmige Glasphasen zu erreichen. Zur Erhöhung des Kornwiderstandes sind Additive in Form der Oxide des Tantalums, des Vanadiums und Niobiums notwendig. Sie tragen zur Bildung von Sauerstoffleerstellen im Spinellgitter bei und erhöhen damit den Energiegap für den Transport von Ladungsträgern in das Leitungsband. Die Oxide des Kobalts, Chroms, Aluminiums, Kalziums und des Siliziums können teilweise im Spinellgitter gelöst werden bzw. bilden isolierende Glasphasen und bewirken damit Widerstandserhöhungen im Korn bzw. den Aufbau von Sperrschichten zwischen den Körnern. Der bisherige Stand bei der Optimierung von 8- bis 10-Stoffsystemen hat bei den feinkörnigen Mangan-Zink-Ferriten für Leistungsanwendungen zu wesentlichen Verlustleistungssenkungen geführt, wie an den Beispielen der Werkstoffe K 2008, K2010 und K2001 ersichtlich ist.
Damit sind diese Hochleistungswerkstoffe den Kompositen zuzuordnen, bestehend aus Glasmatrix mit Wanddicken von einigen Nanometern und dem Mangan-Zink-Ferrit als Filler. Weiterer Erkenntnisvorlauf läßt eine Reduzierung der Korngrößen auf weniger als 1 µm und damit eine Erhöhung der Anwendungsfrequenzen auf 5 MHz erwarten. Die Anwendung dieser neuen Werkstoffe wird vorzugsweise in Planartransformatoren, SMD-Induktivitäten und in kontaktlosen Energie-übertragungssystemen erfolgen. Eine wichtige neue Entwicklungsrichtung bei den Kompositen stellen die Polymerferrite auf Epoxidharz- bzw. Thermoplastbasis dar. Diese lassen Permeabilitäten bis 30 zu und sind für Anwendungsfrequenzen bis 50MHz geeignet. Wichtigste Anwendungen betreffen die Antennentechnik, Näherungsschalter, Drosseln zur Entstörung, Abschirmungen und die kontaktlose Leistungsübertragung.
Nanokristalline weichmagnetische metallische Werkstoffe
Nanokristalline weichmagnetische metallische Werkstoffe stellen eine neue Materialgruppe dar, die sich zum Teil durch extreme magnetische Kennwerte auszeichnet. Diese betreffen im besonderen
n Anfangspermeabilitäten von 1000 bis 200 000
n Sättigungsflußdichten von 1,2 bis 1,6 T
n Magnetostriktion nahezu 0
n Frequenzstabilität der Permeabilität bis 20 kHz
n Temperatureinsatzbereich von -40°C bis +120°C
n Kernverluste, gemessen bei T=100°C, f=50kHz, B=400mT: 15 bis 40 mW/cm³
n Gleichfeldvormagne-tisierung bis 100A/m
Es handelt sich bei diesen Werkstoffen um Legierungen des Systems Fe73,5Cu1Nb3 (Si,B)20-23 mit nanokristalliner Struktur. Das erkannte Poten-tial dieser neuen Werkstoffe läßt für eine Anfangspermeabilität vom 10 000 eine Frequenzstabilität bis zu 1 MHz erwarten. Die hohe Induktion der nanokristallinen Werkstoffe in Verbindung mit den niedrigen Kernverlusten lassen eine schnelle Verbreitung in Transformatoren hoher Leistungen erwarten. Vorerst verfügbare Standardabmessungen zu großen Ringkernen betreffen die Außendurchmesser 102, 150, 210 und 260 mm bei einer Kernhöhe von 15 bis 35 mm.
Mit den Ringkernen R210 wurden inzwischen gemeinsam zwischen der Kaschke KG GmbH & Co., der Rotima AG Zürich und der ABB Industrie AG Zürich Leistungstransformatoren für Anwendungen im Pendolino entwickelt, die sich durch eine Leistung von 50 kW bei einer Taktfrequenz von 11,7 kHz auszeichnen und bei Vollast die Kernerwärmung auf 80 °C begrenzt. Die nanokristallinen Werkstoffe besitzen auch für den Aufbau von Invertern, Frequenzumrichtern und für die kontaktlose Leistungsübertragung im Bereich von 10 bis 250 kW (derzeit 50 kW-Module) ein beträchtliches Potential. Die möglichen Volumeneinsparungen sind beachtlich.
Das Unter-nehmen
Die Kaschke KG GmbH & Co. produziert weichmagnetische Spezialwerkstoffe, Spulenkörper und Induktivitäten für die Hochfrequenztechnik und exportiert seine Erzeugnisse in 46 Länder der Welt mit einem Exportanteil von 70 Prozent.
Ausführliche Informationen
CD ROM Induktive Bauelemente, Ferrite, Metallpulverkerne
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