Pulververbundwerkstoffe

Pulverkerne (Pulververbundwerkstoffe) sind pulvermetallurgisch hergestellte ferromagnetische Kernwerkstoffe. Sie sind eine Alternative zu massiven weichmagnetischen Metall- und Ferritwerkstoffen. Aus Pulverwerkstoffen werden Kerne in unterschiedlichsten Formen für Drosseln sowie Formteile für Elektromotoren und andere elektromagnetische Anwendungen hergestellt.

Grundlagen

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.

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

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.

Pulverkerne werden überall dort eingesetzt, wo es bei Frequenzen deutlich über der Netzfrequenz nicht allzu sehr auf die geringe Masse ankommt und/oder wo hohe magnetische Gleichfelder überlagert sind. Die Kosten hängen stark vom Material ab und liegen oft weit über denjenigen von Ferritkernen, jedoch unterhalb der Kosten von nanokristallinen und amorphen Bandkernen.

Eigenschaften von Pulverkernen

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 Ω•cm

Bei den Pulverwerkstoffen unterscheidet man^[1]:

• Eisenpulverkerne (Reineisen)
• MPP-Kerne (von engl. Moly Permalloy Powder; 81% Nickel + 17% Eisen + 2% Molybdän)
• „High Flux“ - Pulver-Kerne (50% Nickel + 50% Eisen)
• Sendust-Kerne (85% Eisen + 9.5% Silicium + 5.5% Aluminium)

Verschiedene Pulverkerne

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 kein Sintern, 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 (häufigste Form, meist isolierstoffumhüllt), 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 u.A. Entstördrosseln, Speicherdrosseln und PFC-Drosseln mit diesen Kernen aufgebaut, weniger geeignet sind sie für Transformatoren und Übertrager-Anwendungen.

Hersteller

• GKN Sinter Metals, Deutschland & Brasilien & USA, http://www.gknsintermetals.com
• PMG, Japan & Deutschland, http://www.pmgsinter.com
• HKR GmbH, Deutschland http://www.hkrweb.de
• Sintermetalle Prometheus, Deutschland http://www.smp.de
• Magnetics, USA http://www.mag-inc.com/
• Micrometals, USA http://www.micrometals.com
• Arnold, USA http://www.arnoldmagnetics.com/
• CSC, Korea http://www.changsung.com/
• Dongbu, Korea http://www.dongbufinechemical.com/common/product/MPC-Main.asp
• Ferroxcube, Spanien/Polen http://www.ferroxcube.com

Quellen

Fachbücher

• Hans Fischer: Werkstoffe in der Elektrotechnik. 2. Auflage, Carl Hanser Verlag, München Wien, 1982 ISBN 3-446-13553-7

Sonstige Quellen

1. ↑ http://www.bisoncores.com/products_mpp_intro1.htm