Pulverkern

Pulverkerne (Pulververbundwerkstoffe) stellen eine weitere Alternative zu Metallen und Ferriten als weichmagnetischer Kernwerkstoff dar. Aus Pulverwerkstoffen werden Kerne in unterschiedlichsten Kernformen sowie Formteile für Elektromotore und andere elektromagnetische Anwendungen hergestellt. Bei der Herstellung werden ferromagnetische Pulverteilchen zusammen mit einem Isolator (Bindemittel) vermischt. Der am weitesten verbreitete Weg ist das Pressen in eine metallische Form. Der Herstellungsweg bewirkt durch die Isolation der einzelnen Metallpulverteilchen eine deutliche Reduktion der Wirbelströme gegenüber Massivmaterial und damit der Wirbelstromverluste. Die Isolation der Teilchen führt dabei zu einer inneren Scherung der Magnetisierungskurve und zu entsprechend geringeren Permeabilitäten. Hierbei spricht man auch von einem verteilten Luftspalt.

Gegenüber kristallinen, amorphen und nanokristallinen Legierungen sind die erreichbaren Permeabilitäten gering und die Koerzitivfeldstärken relativ hoch. Die mechanische Empfindlichkeit gegen Stöße ist ähnlich wie bei Ferrit. Durch die relativ günstigen Kosten werden Pulverkerne und Ferrite vielfach in Consumer-Produkten verarbeitet.

Als alternatives Herstellverfahren gibt es noch die Gußtechnik, welche nur selten Anwendung findet. Hier ist der effektive Füllgrad an magnetischen Material deutlich geringer.

Um einen allgemeinen Vergleich zu anderen Magnetwerkstoffen zu ermöglichen, hier einige Eigenschaften für die gesamte Werkstofffamilie der Pulververbundwerkstoffe:

Koerzitivfeldstärke: Hc = 0,1 - 1 A/m
Sättigungspolarisation: Js = 0,5 - 1,9 T
Permeabilität (Kleinsignalaussteuerung): μ = 5 - 250
Spez. Elektrischer Widerstand: 1 - 10E6 Ohm x cm

Bei den Pulverwerkstoffen unterscheidet man:

Eisenpulverkerne
MPP-Kerne (Moly Permalloy Powder)
High Flux Powder Kerne
Sendust-Kerne

Eisenpulverkerne

Eisenpulver mit sehr hoher Reinheit und kleinster Partikelgröße (meist Karbonyleisenpulver) wird mit Isolationsmittel und Binder vermischt und bei hohen Drücken in gehärtete Werkzeuge gepresst. Nach einer Härtung des Binders ist der Kern fertig. Es erfolgt keine Sinterung, die Partikel sollen keine Kurzschlüsse untereinander erhalten. Ein nachfolgender Entgratungs- und Beschichtungsprozess schließt die Fertigung ab. Man unterscheidet die drei Gruppen:

hohe Permeabilitäten (60-100), Anwendung bis ca. 75 kHz
mittlere Permeabilitäten (20-50) Anwendung von 50 kHz - 2 MHz
niedrige Permeabilitäten (7-20) Anwendung von 2 MHz - 500 MHz

Ein Eisenpulverkern hat ein typ. Dichte von 5 - 7 g/cm³. Der Temperaturkoeffizient der Permeabilität liegt je nach Typ zwischen 100 und 1000 ppm/°C. Standard-Eisenpulverkerne können zwischen -65 °C und + 75 °C eingesetzt werden. Sonderausführungen sollen zeitlich begrenzt bis +200 °C Anwendungstemperatur einsetzbar sein.

MPP-Kerne

Pulver der Legierung 79-81% Nickel, 17% Eisen, 2-4% Molybdän werden ebenso mit einem hochtemperaturfesten Binder/Isolator beschichtet und in einem Werkzeug in Form gepresst. Nach dem Entgraten wird ein Glühprozess angeschlossen. Ein nachfolgender Entgratungs- und Beschichtungsprozess schließt die Fertigung ab.

Die erreichbaren Permeabilitäten liegen bei 14 - 350. Der am meisten genutzte Permeabilitätsbereich liegt bei 60 - 173. Sättigungswerte von Bs = 0,75 T werden erreicht. Der Temperaturkoeffizient der Permeabilität liegt je nach Typ zwischen 25 und 180 ppm/°C.

High Flux Kerne

Diese Kerne sind ein Abwandlung der MPP-Kerne mit einer anderen Materialzusammensetzung. Pulver der Legierung 50% Nickel und 50% Eisen wird nach dem oben beschriebenen MPP-Prozeß verarbeitet. Die erreichten Permeabilitäten liegen bei 14 - 160. Durch den höheren Eisenanteil werden Sättigungswerte von Bs = 1,5 T erreicht.

Sendust-Kerne

Diese in Japan um 1930 entwickelte Legierung aus Silizium, Aluminium und Eisen wird u.a. auch als Pulverwerkstoff verarbeitet. Die Sendust-Zusammensetzung Fe Si 9,6 Al 5,4 erreicht eine sehr geringe Magnetostriktion. Der Fertigungsprozess erfolgt ähnlich wie beim MPP-Kern.

Man erreicht Permeabilitäten von μ = 26-125. Sättigungswerte von Bs = 1,05 T werden erreicht.

Durch die preiswerteren Einsatzmaterialien sind Sendust-Pulverkerne billiger als MPP und High Flux-Kerne. Die Verluste liegen über denen von MPP aber unter denen von High-Flux und Eisenpulverkernen. Die niedrige Magnetostriktion führt zu einen sehr geringen Geräuschentwicklung im Betrieb.

Kernformen

Folgende Standardformen sind am Markt erhältlich: Ringkerne, E-Kerne, EF-Kerne, EM-Kerne, U-Kerne, Topfkerne, Garnrollenkerne, Stäbe.

Aus diesen Pulverwerkstoffen werden beispielsweise Ringkerne mit einem Außendurchmesser von ca. 4 – 170 mm hergestellt. Durch die notwendigen Presskräfte gibt es unabhängig von der Kernform Volumenbeschränkungen, die bei etwa 350 cm³ liegen.

Anwendungen

Kerne aus Pulververbundwerkstoffe werden bevorzugt für Anwendungen gewählt, bei denen sich die Permeabilität mit hohen DC-Aussteuerungen nicht verändern darf. Durch die relativ hohen elektrischen Widerstand bieten Sie Vorteile bei Leistungsanwendungen mit hohen Frequenzen. Bevorzugt werden Entstördrosseln, Speicherdrosseln, PFC-Drosseln u.ä. mit diesen Kernen aufgebaut, weniger geeignet sind sie für Transformatoren und Übertrager-Anwendungen.

Hersteller:

Magnetics, USA http://www.magmet.com/
Micrometals, USA http://www.micrometals.com
Arnold, USA http://www.arnoldmagnetics.com/
CSC, Korea http://www.changsung.com/intro-1.htm

siehe auch: Magnetwerkstoffe, weichmagnetische Werkstoffe, Drossel