Hystereseschleifen – Form und Anwendung

Mit der Form von Hystereseschleifen werden bestimmte Anwendungen ermöglicht:

	Runde Hysterese-R-Schleifen entstehen, wenn im Material keine magnetische Vorzugsrichtung dominiert. Charakteristisch ist ein Verhältnis von Remanenz- zu Sättigungsinduktion von ${\displaystyle B_{R}/B_{S}\approx 50\,\%}$. R-Schleifen werden bei bipolarer Aussteuerung mit höchster Permeabilität benötigt, beispielsweise in Stromwandlern für Fehlerstrom-Schutzschalter, ISDN-Übertragern oder stromkompensierten Funkentstördrosseln.
	Rechteckige Hysterese-Z-Schleifen besitzen ein Remanenzverhältnis von ${\displaystyle B_{R}/B_{S}\approx 80\ldots 98\,\%}$. Die Anfangspermeabilität ist niedrig und die Maximalpermeabilität hoch. Z-Schleifen werden benötigt, wenn eine kleine Feldstärkeänderung eine sprunghafte Induktions- bzw. Impedanzänderung zur Folge haben soll. Beispiele sind Schaltkerne, Transduktordrosseln, hochpermeable bipolar ausgesteuerte Wandler und Transformatoren sowie Warensicherungsetiketten.
	Flache Hysterese-F-Schleifen besitzen einen Zentralbereich konstanter Steigung mit niedriger Remanenz und nahezu konstantem Permeabilitätsniveau. F-Schleifen werden für verzerrungsarme Signal-Übertragungen oder erhöhte Gleichstromtoleranz benötigt, beispielsweise in Speicherdrosseln, stromkompensierten Drosseln, Signalübertragern mit Gleichstromtoleranz, Stromwandlern oder Messwandlern.

Hystereseverluste

Die Magnetisierung eines ferromagnetischen Werkstoffes erfolgt durch paralleles Ausrichten der Elementarmagnete in den weissschen Bezirken abhängig von der anliegenden Feldstärke. Dabei ändern die weissschen Bezirke in ihren Domänen die Richtung ihrer Polarisation und manche gleichgepolte Domänen vergrößern sich auf Kosten benachbarter Domänen. Insgesamt ergibt dies eine Magnetisierung in den Magnetkernen, die ungefähr parallel zum äußeren Feld verläuft.

Da die Magnetkerne vor allem zur Führung von magnetischen Wechselfeldern dienen, erfolgt der Vorgang der Ummagnetisierung bei jedem Durchlauf einer Wechselstromwelle zwei Mal. Dies wird mit einer Hysteresekurve verdeutlicht. Bei diesen Polarisierungen wird Energie verbraucht. Die Verluste entstehen durch die Arbeit, die aufgebracht werden muss, um die Elementarmagnete im Kernmaterial im Rhythmus der Frequenz umzupolen. Diese Verluste, die beim Umpolen in Wärme umgesetzt wird, entsprechen der von der Hysteresekurve eingeschlossenen Fläche und werden deshalb Hystereseverluste genannt. Da die Hystereseverluste bei jedem Durchlauf der Hysteresekurve auftreten sind sie linear frequenzabhängig. Sie nehmen mit der magnetischen Flussdichte quadratisch zu.

Wirbelstromverluste

Wirbelstrom nennt man einen Strom, der in einem Magnetkern in einem sich zeitlich ändernden Magnetfeld induziert wird. Wirbelströme erwärmen das Kernmaterial und führen zu Verlusten auch schon bei niedrigen Frequenzen (50/60 Hz). Als Maßnahme gegen die Wirbelstromverluste werden Magnetkerne von Transformatoren und Elektromotoren nicht massiv ausgeführt, sondern lamelliert, „geblecht“. Diese formgestanzten oder geschnittenen Elektrobleche werden mit einem hitzebeständigen und isolierenden Lack beschichtet und parallel orientiert zu den magnetischen Feldlinien zu Blöcken geschichtet oder zu Ringen gerollt. Der magnetische Fluss verteilt sich somit auf einzelne voneinander getrennte Flüsse in den einzelnen Blechen, in denen sich damit nur kleinere Wirbelströme ausbilden können, deren Verlustleistung insgesamt deutlich geringer als in einem vollen Material ist. Die Bleche sind meist dünner als 1 mm. Je dünner das Blech ist, desto geringer sind die Wirbelstromverluste beziehungsweise je höher darf die Betriebsfrequenz sein.

Lamellierte Magnetkerne werden nur im Bereich niedriger Frequenzen von 16 bis 400 Hz, bei Ausgangsübertragern auch im gesamten Niederfrequenzbereich bis 20 kHz eingesetzt. Da die Wirbelstromverluste quadratisch mit der Frequenz ansteigen, begrenzen sie bei ungeeigneten Werkstoffen durch zu hohe Verluste den Frequenzbereich, bis zu dem das Material eingesetzt werden kann. Gewickelte Bandkerne mit Banddicken um 20 µm können jedoch bis 100kHz eingesetzt werden. Bei Frequenzen im Hochfrequenz-Bereich werden für Kerne von Übertragern, Spulen und Drosseln jedoch überwiegend Pulverkerne oder Ferrite eingesetzt. Ferrite haben einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand, in Pulverkernen liegen elektrisch voneinander getrennte ferromagnetische Teilchen vor, deren Abmessungen im Mikrometer-Bereich liegen. Es entstehen zwar Wirbelströme, sie sind jedoch von untergeordneter Bedeutung gegenüber den Hystereseverlusten.

Exzess- oder Zusatzverluste

Die Exzess- oder Zusatzverluste werden auf den Energiebedarf zurückgeführt, der bei der Magnetisierung magnetischer Elemente durch die Verschiebung der Bloch-Wände entsteht. Für hohe Induktionen sind sie gegenüber den Hysterese- und Wirbelstromverlusten zu vernachlässigen.

Nachwirkungsverluste

Die Nachwirkungsverluste erfassen das zeitliche Nacheilen der Induktion hinter einer vorangegangenen Feldänderung durch Verzögerungen der Drehprozesse magnetischer Elemente. Für hohe Induktionen sind sie gegenüber den Hysterese- und Wirbelstromverlusten zu vernachlässigen.

Unlegiertes, massives Weicheisen

Weicheisen (geglühtes Eisen) ist ein weichmagnetischer Werkstoff und besteht aus unlegiertem Eisen mit hohem Reinheitsgrad und ist unter dem Handelsnamen ARMCO-Eisen bekannt. Es wird entweder über Sinterverfahren aus Pulvern oder über einen Schmelzvorgang im Vakuum hergestellt und ist der preiswerteste Kernwerkstoff. Es zeichnet sich aus durch eine hohe Sättigungsmagnetisierung von ca. 2,15 Tesla, eine höhere Curie-Temperatur, die den Einsatz auch bei höheren Temperaturen erlaubt und eine relativ geringe Koerzitivfeldstärke ${\displaystyle H_{C}}$, so dass nach dem Abschalten des äußeren Magnetfeldes nur ein kleiner Restmagnetismus im Eisen verbleibt. Es kann dann eingesetzt werden, wenn eine temporäre Magnetisierung durch ein äußeres Magnetfeld nicht zu einer permanenten Magnetisierung führen soll.

Weicheisen hat für Magnetkerne den Nachteil einer guten elektrischen Leitfähigkeit. Dadurch können die im Wechselfeld auftretenden Wirbelstromverluste groß werden und einen massiven Kern aus Weicheisen stark erwärmen. Da bei Gleichstrom keinerlei Wirbelströme entstehen, beschränken sich die Anwendungen von Weicheisen in massiver Form auf beispielsweise Gleichfeld-Joche mit Gleichstrom-Vormagnetisierung, auf magnetischen Polschuhe, Ankerkörper, Relaisteile, Flussleitbleche und Relais. Außerdem spielt unlegiertes Weicheisen in magnetischen Abschirmungen eine Rolle.

Allgemeines

Eisen-Silicium-Legierungen waren die ersten weichmagnetischen Werkstoffe, die für die Stromgeneratoren, Transformatoren und Elektromotoren im 19ten Jahrhundert eingesetzt wurden. Die Zugabe von Silicium zum Eisen führt zu einer Erhöhung des spezifischen elektrischen Widerstands des Kernmaterials, wodurch die Wirbelstromverluste gegenüber unlegiertem Weicheisen verringert werden. Eine große Bedeutung in der Legierungszusammensetzung hat der Kohlenstoff. Schon geringe Anteile davon führen zu einer Alterung der magnetischen Eigenschaften, sie verschlechtern sich. Aus diesem Grund ist es erforderlich, den Kohlenstoffanteil im Elektroblech möglichst gering zu halten.

Die heute üblichen Legierungen werden unter dem Normbegriff Elektroblech zusammengefasst. Übliche andere Begriffe sind Dynamoblech, Transformatorblech, Motorenblech sowie Elektroband.

Geschichtete oder gewickelte und gegenseitig isolierte Elektrobleche als Magnetkerne werden überwiegend im Bereich der Netzfrequenz (50/60 Hz) und anderer niederfrequenter Wechselströme zur Übertragung größerer Leistungen verwendet.

FeSi-Legierungen (Elektroblech)

Elektroblech besteht aus einer Eisen-Silicium-Legierung aus hochreinem, kohlenstoffarmem Eisen mit Zuschlägen von etwa 1 bis ca. 4 % Silicium sowie geringen Mengen anderer Legierungselemente, wie z. B. Aluminium und Mangan mit bis zu 0,5 %. Eine Siliciumkonzentration über 4 % beeinträchtigt die mechanischen Eigenschaften des Materials; es wird spröde, verursacht Schwierigkeiten beim Walzen und wird deshalb für Elektrobleche nicht verwendet. Der Anteil von Kohlenstoff liegt meist unter 0,005 %.

Elektroblech wird aus der Schmelze durch Warmwalz-, Kaltwalz- und Glühprozesse hergestellt. Das Material wird dabei in dünne Bleche im Dickenbereich zwischen 0,18 bis 1 mm gewalzt. Die Bleche werden dann zur elektrischen Isolierung meist mit einer 1 bis 3 μm dicken, oft glühbeständigen Isolation beschichtet. Anschließend werden aus dem Blech durch Stanzen oder Schneiden Stanzteile oder Bänder gefertigt, aus denen dann die Eisenkerne für Motoren oder Transformatoren und Drosseln paketiert oder gewickelt werden.

Der Aufbau der Eisenkerne, Stator- oder Ankerpakete aus gegeneinander isolierten Stanzteilen verringert die Wirbelstromverluste. Das Stanzen verändert zwar die magnetischen Eigenschaften im Bereich der Schnittkanten durch Eigenspannungen, aber durch Glühen (Schlussglühung) bei ca. 800 °C können die ursprünglichen Eigenschaften wiederhergestellt werden.

Elektrobleche haben mit 2,03 T eine recht hohe Sättigungsmagnetisierung mit relativ geringer Restmagnetisierung, so dass die Ummagnetisierungsverluste gering sind. Sie werden hauptsächlich bei Netzfrequenz mit Flussdichten zwischen 1,5 und 1,8 T bei der Energieumformung verwendet.

Elektroblech ist genormt und in einer Liste mit Werkstoffnummern beschrieben. Es wird nach seinen Eigenschaften in isotrope, nicht-kornorientierte (NO-Elektroband) und anisotrope, kornorientierte (KO-Elektroband) Werkstoffe unterteilt.

Nicht kornorientierte, isotrope magnetische Materialien (NO-Elektroband) sind in allen Richtungen gleichermaßen magnetisierbar. Der ideale Gefügeaufbau für ein isotropes Elektroband ist ein polykristallines Gefüge mit Korngrößen zwischen 20 und 200 μm, wobei die Kristallite regellos in der Blechebene mit der Fläche ausgerichtet sind. Die Ausprägung einer hinreichenden Isotropie der magnetischen Eigenschaften des NO-Elektrobandes wird wesentlich durch die Gestaltung der Warmumformung, Kaltumformung und Schlussglühung beeinflusst. NO-Elektrobänder werden überwiegend in rotierenden elektrischen Maschinen eingesetzt, bei denen sich die Richtung des Magnetfeldes ändert.

Kornorientierte, anisotrope Materialien (KO-Elektroband, Texturblech) haben eine Vorzugsrichtung der Magnetisierbarkeit mit höherer Sättigungsflussdichte, die durch mehrere aufeinander folgende Walz- und Glühbehandlungen erzeugt wird. Durch diese gezielt eingebrachte Anisotropie, d. h. durch die einheitliche magnetische Orientierung der Kristallite, verringern sich bei entsprechender Magnetisierungsrichtung die Ummagnetisierungsverluste im Kern, und die Permeabilitätszahl steigt. Mit KO-Werkstoffen können daher, verglichen mit NO-Werkstoffen, beispielsweise Transformatoren gefertigt werden, die einen höheren Wirkungsgrad oder eine geringere Baugröße haben. KO-Elektroband wird bei Leistungstransformatoren, Verteilungstransformatoren und höherwertigen Kleintransformatoren eingesetzt, da in diesen das Magnetfeld immer in gleicher Richtung ist. Bevorzugte Bauform sind Wickel (Schnittbandkern, Ringkern). Gestanzte Bleche können verwendet werden, indem bzw. wenn eine sogenannte Jochverstärkung in dem Bereich angebracht wird, wo die Textur nicht die richtige Orientierung besitzt.

Elektroblech ist mit einer jährlichen weltweiten Erzeugung von rund 10 Mio. Tonnen der mengenmäßig und wertmäßig bedeutendste weichmagnetische Werkstoff. Es wird in vielen Formen gestanzt oder geschnitten und zur Herstellung von Magnetkernen für elektrische Maschinen, elektrische Generatoren, Elektromotoren, Transformatoren, Relais, Schaltschützen, Drosseln, Spulen, Zündspulen, Stromzähler und steuerbaren Ablenkmagneten verwendet.

NiFe-Legierungen (Mu-Metall, Permalloy und Supermalloy)

Die Entwicklungen der weichmagnetischen Nickel-Eisen-Legierungen ist eng verbunden mit der Entwicklung transatlantischer telegrafischer Seekabel. 1914 entwickelte Gustav Elmen in den Bell Laboratories eine für die Umhüllung des Leiters zum Zweck der Impedanzerhöhung geeignete hochpermeable Nickel-Eisen-Legierung, die er Permalloy nannte. Diese Legierung bestand ursprünglich aus 78,5 % Nickel und 21,5 % Eisen ohne weitere Zuschläge. Durch Hinzufügen von Kupfer, später Chrom oder Molybdän wurde 1923 diese Legierung mechanisch besser verformbar gemacht und mit dem neuen Handelsnamen Mu-Metall in vielen Überseekabeln eingesetzt, siehe auch Mu-Metall#Geschichte von Permalloy und Mu-Metall.

NiFe-Legierungen mit Zuschlägen von Kupfer (Cu), Chrom (Cr) oder Molybdän (Mo) besitzen weichmagnetische Eigenschaften mit niedrigen Koerzitivfeldstärken und relativ geringer elektrischer Leitfähigkeit. NiFe-Legierungen sind magnetisch anisotrop und zeichnen sich vor allem durch hohe Permeabilitätszahlen sowie auch durch geringe Magnetostriktion aus.

Diese Legierungen werden im Schmelzverfahren hergestellt und nach dem Abkühlen zu Blechen, in Bandform oder zu Draht verarbeitet. Es werden Stanzteile oder Bänder hergestellt. Mechanische Bearbeitung vermindert die Permeabilität drastisch, weshalb fertige Teile geglüht werden müssen.

Weichmagnetische Nickel-Eisen-Legierungen können unterschiedlich zusammengesetzt sein. Sie werden aufgrund des Nickel-Anteils in der Legierung in drei Gruppen eingeteilt. Neben den nachfolgend genannten Handelsnamen gibt es viele weitere Bezeichnungen wie Cryoperm, Ultraperm, Vacoperm, Recovac (Gruppe 1), Permax (Gruppe 2), Permenorm, Megaperm (Gruppe 3).

CoFe-Legierungen

Kobalt-Eisen-Legierungen (CoFe-Legierungen) wie Fernico oder Kovar wurden ursprünglich wegen ihres geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten für Glasdurchführungen entwickelt. Ende der 1930er Jahre konnte mit der Fernico-Legierung als Magnetkern in Spulen für den Rundfunkempfang eine erhebliche Verkleinerung der Abmessungen gegenüber Luftspulen erreicht werden. Nach dem 2. Weltkrieg wurde durch Änderung der Legierungszusammensetzung die extrem hohe Sättigungsmagnetisierung von CoFe-Blechen erkannt.

Kobalt-Eisen-Legierungen in der Zusammensetzung von etwa 49 % Kobalt, 49 % Eisen sowie Zusätzen von Vanadium, Niob, Chrom oder Mangan besitzen mit bis zu 2,3 T die höchste Sättigungspolarisation aller bekannten weichmagnetischen Werkstoffe. Mit Koerzitivfeldstärken von 40 bis 200 A/m liegen auch die Hystereseverluste dieser Werkstoffe im mittleren Bereich.

Neben guten mechanischen Eigenschaften werden Kobalt-Eisen-Legierungen vor allem wegen ihrer hohen Curie-Temperatur von bis zu 950 °C in Anwendungen mit höheren Temperaturen eingesetzt, beispielsweise in der Motorenindustrie und Aktuatorentechnik.

CoFe-Legierungen für Magnetkerne werden als Band, Stäbe, Draht, Stanzteile, EK-Kerne sowie als Massivteile geliefert. Handelsnamen für weichmagnetische Kobalt-Eisen-Legierungen sind u. a. Hyperco, Permendur, Phynicx, Vicalloy, Vacoflux, Vacodur.

AlFe-Legierungen (Alperm)

Aluminium-Eisen-Legierungen (Al-Fe-Legierungen) wie Alperm, die aus 83 bis 87 % Eisen und 13 bis 17 % Aluminium bestehen, haben ebenfalls weichmagnetische Eigenschaften und zeichnen sich durch eine besonders große mechanische Härte aus. Alperm wurde 1939 durch die japanischen Erfinder der Sendust-Legierung H. Masumoto and H. Saito entwickelt, um das während des Zweiten Weltkriegs in Japan knappe Nickel ersetzen zu können.

Alperm besitzt eine Sättigungsmagnetisierung von 0,8 T und hat eine Permeabilität von 55.000. Wegen seiner Härte wurde Alperm in Tonabnehmerköpfen von Tonbandgeräten eingesetzt. Heutzutage wird die große Magnetostriktion des Materials u. a. in magnetoelastischen Sensoren ausgenutzt.

Neben Alperm sind folgende Handelsnamen für weichmagnetische Aluminium-Eisen-Legierungen bekannt: Alfenol und Alfer.

Amorphes und nanokristallines metallisches Glas

Die Herstellung von metallischem Glas ist eine Technik aus den 1960er Jahren. Das erste weichmagnetische metallische Glasband wurde 1982 entwickelt und in den Folgejahren in Motoren und Transformatoren eingesetzt, in denen es auf niedrige Kernverluste ankommt, siehe auch Metallisches Glas#Geschichte.

Ein metallisches Glas ist eine weichmagnetische Legierung von Metallen und Nichtmetallen, die auf atomarer Ebene keine kristalline, sondern eine amorphe Struktur aufweisen. Die Zusammensetzungen solcher Legierungen können sehr verschieden sein. Eisen-basierte Legierungen bestehen typischerweise aus 70 bis 90 % Eisen, Kobalt (Co)-basierte Legierungen aus 75 bis 90 % Kobalt. Beide Versionen enthalten glasbildende Zusätze aus Silicium und Bor sowie Typ-spezifische Zusätze von Kupfer, Nickel oder Niob.

Ein metallisches Glas entsteht, wenn eine Schmelze einer geeigneten Legierung durch eine Düse auf ein gekühltes, rotierendes Kupferrad gegossen und innerhalb Millisekunden von etwa 1300 auf 10 °C abgekühlt wird. Zeitliche Temperaturabnahmen bis zu 1.000.000 K/s werden erreicht. Dabei entsteht auf dem Rad ein Band mit amorpher, glasartiger Struktur aus metallischen Partikeln. Das Band ist etwa 20 bis 40 µm dick und kann in Breiten bis zu 200 mm gefertigt werden.

Dieses Band wird mit einer dünnen, elektrisch isolierenden Schicht versehen und dann zu Rollen aufgewickelt. Aus dem Band können jedoch auch Segmente ausgestanzt werden.

Durch das schnelle Abkühlen der Schmelze ist die Größe der Elementarmagnete im entstandenen Material im atomaren Bereich geblieben. Zur Bildung eines nanokristallinen Zustandes der Elementarmagnete wird das Material einer zweistufigen Glühbehandlung unterzogen. Während der ersten Glühphase bei einer Temperatur zwischen 540 und 580 °C wachsen die Elementarmagnete auf eine Korngröße von etwa 10 bis 15 nm an. Die Korngröße in diesem „nanokristallinen metallischen Glas“ wird durch den Kupfer- bzw. Niob-Zuschlag stabilisiert. Metallisches Glas mit größerer Korngröße der Elementarmagnete, in dem die Körner auf etwa 100 nm anwachsen können, wird „Amorphes Metall“ (amorphous metal) genannt.

Nach der ersten Glühphase ist das Band magnetisch homogen und daher isotrop, d. h. die magnetischen Eigenschaften sind in allen Richtungen gleich. In diesem Zustand hat das Material eine runde Hystereseschleife mit einem Polarisationsverhältnis ${\displaystyle B_{R}/B_{S}}$ von etwa 50 % in Verbindung mit hoher Anfangs- und hoher Maximalpermeabilität, die bis zu mehreren hunderttausend ansteigen kann. In diesem Zustand wird das Band üblicherweise zunächst in seine gewünschte Bauform zu Bandkernen gewickelt. Danach kann die zweite Wärmebehandlung, die unterhalb der Kristallisationstemperatur liegt, erfolgen. Während dieser zweiten Glühbehandlung werden die Kerne einem starken Magnetfeld ausgesetzt. Dieses Feld "induziert" eine kontrollierte uniaxiale Anisotropie, d. h. eine magnetische Ausrichtung der Elementarmagnete, deren Richtung von der Orientierung des Feldes zum Bandkern und auch von der Glühtemperatur abhängt. Mit dieser zweiten Wärmebehandlung können gezielt spezielle Hystereseschleifen eingestellt werden.

Der Herstellprozess amorpher und kristalliner metallischer Glasbänder hat einige hervorragende Eigenschaften zur Folge. Die einzelnen Elementarmagnete im Material sind zum Teil durch die nichtleitenden glasbildenden Elemente gegeneinander isoliert, so dass der spezifische Widerstand des Werkstoffes mit etwa 120 bis 150 µΩ·cm etwa dreifach höher als von Elektroblech ist. Außerdem sind sie sehr klein, bei kristallinen metallischen Glasbändern liegen sie etwa um 10 nm. Dadurch sind die Wirbelstromverluste, auch bei höheren Frequenzen, geringer als bei anderen kristallinen Legierungen. Die zum Teil sehr hohe Permeabilität metallischer Glasbänder ermöglicht bei stromkompensierten Drosseln eine hohe Dämpfung auch im Bereich höherer Frequenzen. Im Vergleich zu Ferritkernen können die erforderlichen hohen Impedanzwerte schon mit niedrigeren Windungszahlen erreicht werden, wodurch die Kupferverluste verringert werden können. Ein weiterer Vorteil bei Kobalt-basierten amorphen und bei nano-kristallinen Glasbändern ist die geringe Magnetostriktion dieser Werkstoffe, die nahezu gleich Null ist. Dadurch lassen sich mechanisch unempfindliche und auch bei hohen Belastungen geräuscharme induktive Bauelemente herstellen.

Amorphe metallische und nanokristalline metallische Glasbänder werden als Magnetkerne in Fehlerstrom-Schutzschaltern, als Kerne für Transformatoren mit geringen Leerlaufverlusten. und zunehmend in stromkompensierten Drosseln für EMV-Filter zur breitbandigen Entstörung eingesetzt. Eine besondere Bedeutung erlangten Magnetkerne aus metallischem Glas in Elektromotoren in Leichtbauweise.

Allgemeines

Pulverkerne (Pulververbundwerkstoffe) sind pulvermetallurgisch hergestellte ferromagnetische Werkstoffe für Magnetkerne von Induktivitäten.

Bei der Herstellung werden ferromagnetische Metallkörner unterschiedlicher Legierungen in Form von Pulver zusammen mit einem geeigneten organischen oder anorganischen elektrisch isolierenden Bindemittel vermischt und durch Pressen und nachfolgender thermischer Aushärtung auf die gewünschte Dichte und in die geforderte Form gebracht. Entgraten und Beschichten zur äußeren Isolierung schließt die Fertigung ab. Die Farben der Beschichtung von Pulverkernen dienen meist zur Kennzeichnung der unterschiedlichen Materialien und deren Permeabilitäten. Die Kennzeichnung ist jedoch herstellerabhängig.

Pulverkerne haben eine ähnlich hohe Sättigungsinduktion wie Bleche aus dem gleichen Legierungsmaterial. Allerdings werden in Pulverkernen die einzelnen metallischen magnetischen Partikel durch das Bindemittel gegeneinander isoliert, sodass ein sogenannter verteilter Luftspalt entsteht. Damit entsteht eine innere Scherung der Magnetisierungskurve, die zu einer entsprechend geringeren Permeabilität gegenüber lamellierten Kernen führt. Pulverkerne vertragen deshalb natürlicherweise eine höhere Gleichstrom-Vormagnetisierung. Die Permeabilität wird außerdem von der Dichte des gepressten Kerns, d. h. vom Abstand der gepressten Metallkörner zueinander (dem Füllgrad) beeinflusst. Eine höhere Dichte an Metallkörnern, die mit höherem Druck und kleinerem Anteil an Bindemittel erreicht wird, hat eine höhere Permeabilität zur Folge. Auch die Größe der zu Kernen gepressten Metallkörner beeinflusst die Eigenschaften des Magnetkerns. Je kleiner die Körner, desto geringer sind die Wirbelstromverluste, wodurch der Betrieb, ähnlich wie bei Ferritkernen, bei höheren Frequenzen möglich wird.

Der maximal erzeugbare Pressdruck beschränkt die maximale Größe von Pulverkernen, sodass das maximale Volumen bei etwa 350 cm³ liegt. Charakteristisch ist die mechanische Empfindlichkeit gegen Stöße und die Alterung bei hoher thermischer Belastung. Die Kosten von Pulverkernen hängen vom Material ab und liegen oft weit über denjenigen von Ferritkernen, jedoch unterhalb der Kosten von nanokristallinen und amorphen Bandkernen.

Die Vorteile von Pulverkernen gegenüber lamellierten Metallkernen sind die geringeren Wirbelstromverluste bei höheren Frequenzen, weil die Körner durch das Bindemittel gegeneinander elektrisch isoliert sind. Pulverkerne werden deshalb überall dort eingesetzt, wo es bei Frequenzen deutlich über der Netzfrequenz nicht auf geringe Masse ankommt und/oder wo hohe magnetische Gleichfelder überlagert sind.

Einen allgemeinen Vergleich der weichmagnetischen Pulver- und Ferritwerkstoffe, die für ähnliche Anwendungen eingesetzt werden, zeigt die folgende Tabelle.

Pulverkerne haben Toleranzen des Al-Gehalts von ± 8…10%.

Pulverkerne sind als Ringkerne (häufigste Form, meist isoliert, Außendurchmesser ca. 4 bis 170 mm), E-Kerne, EF-Kerne, EM-Kerne, U-Kerne, Topfkerne, Garnrollenkerne und Stäbe erhältlich. Manche Hersteller bieten kundenspezifische Bearbeitung an.

Eisenpulverkerne (Carbonyleisen)

Die überwiegende Anzahl an Eisenpulverkernen wird aus Carbonyleisen hergestellt, jedoch gibt es auch Eisenpulverkerne, die aus Wasserstoff-reduziertem Eisenpulver hergestellt werden. Carbonyleisen ist ein hochreines Eisen, das durch Zersetzung von gereinigtem, flüssigem Eisenpentacarbonyl entsteht. Es kann durch Destillation gereinigt werden und bildet nach seiner Zersetzung oberhalb von 150 °C neben Kohlenstoffmonoxid ein besonders reines Eisenpulver (99,98…99,999 % Eisen), das sogenannte Carbonyleisen. Die Partikelgröße der Pulverkörner beträgt 2 bis 8 µm. Die BASF, bis heute der größte Hersteller von Carbonyleisen, setzte 1924 das schon 1891 entdeckte Herstellungsverfahren in die großtechnische Produktion von Eisenpentacarbonyl um und verarbeitete es zu hochreinem Carbonyleisen.

Eisenpulverkerne, die aus Wasserstoff-reduziertem Eisenpulver hergestellt werden, haben einen ähnlich hohen Reinheitsgrad und ähnliche mechanische und physikalische Eigenschaften.

Eisenpulverkerne sind die preiswertesten Pulverkerne. Sie haben eine Sättigungsinduktion von bis zu 1,6 T. Die jeweilige Permeabilität der verschiedenen Eisenpulverwerkstoffe, die etwa zwischen 10 und 100 liegen kann, wird durch den Pressdruck und den prozentualen Anteil des Binders im Pulver eingestellt.

Eisenpulverkerne haben eine relativ geringe und meist lineare Temperaturabhängigkeit ihrer Kennwerte über den Bereich von −55 bis +125 °C. Der Temperaturkoeffizient liegt je nach Typ etwa zwischen 30 und 550 ppm/K. Der Al-Wert kann mit einer Toleranz von ± 10% eingehalten werden. Typische Anwendungen sind Schwingkreise, Drosseln und Übertrager im Frequenzbereich von 50 bis etwa 500 MHz.

Die Kernverluste von Eisenpulverkernen sind, verglichen mit andern Pulvermaterialien, hoch. Die höheren Kernverluste können allerdings wegen der preislichen Vorteile durch Verwendung mechanisch größerer Kerne und damit geringerer Aussteuerung ausgeglichen werden. Da die Kernverluste mit steigender Frequenz stark ansteigen, werden Eisenpulverkerne in Induktivitäten für Anwendungen mit höheren Leistungen nur bis etwa 500 kHz eingesetzt.

Eisenpulverkerne werden beispielsweise für Speicherdrosseln, Entstör-Drosseln und Übertrager verwendet.

FeSi-Pulverkerne (Mega Flux, XFlux)

Eisen-Silicium-Pulverkerne mit 6,5 % Silicium-Anteil erreichen mit 1,6 T eine etwas höhere Sättigungsinduktion als Carbonyleisen-Pulverkerne, weisen jedoch etwas geringere Kernverluste auf. Damit und mit den erreichbaren effektiven Permeabilitäten von 26…90 können sehr hohe Gleichstrom-Durchflutungen ertragen werden.

Mega Flux- und XFlux-Kerne sind nach eine kostengünstigere Alternative gegenüber den sogenannten HighFlux-Kernen (Eisen-Nickel-Legierung), sofern die etwas höheren Kernverluste akzeptabel sind. Si6,5-Fe-Pulverkerne werden in Anwendungen mit hoher DC-Strombelastung wie Schaltregler oder Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) eingesetzt.

SiAlFe-Pulverkerne (Sendust, Kool Mu)

Sendust, eine weichmagnetische Si-Al-Fe-Legierung aus 9 % Silicium, 6 % Aluminium und 85 % Eisen, wurde 1936 an der Kaiserlichen Universität Tōhoku in der Stadt Sendai, Japan als nickelfreie Alternative zu Permalloy für Spulen in Telefonnetzen entwickelt. Der Name ist ein Kunstwort und bedeutet Staub (englisch: dust) aus Sendai: Sen-dust.

Das Sendust-Pulvermaterial ist auch als Kool Mu bekannt. Der Einsatz des preiswerten Siliciums macht das Material kostengünstiger als MPP- und XFlux-Kerne. Sendust-Pulverkerne haben eine Sättigungsinduktion von etwa 1 T mit Permeabilitäten zwischen 14 und 125. Die Kernverluste sind deutlich niedriger als die von Eisenpulverkernen jedoch höher als die von MPP- und High-Flux-Kernen.

Ein Vorteil ist die niedrige Magnetostriktion, die im Betrieb zu einer geringen Geräuschentwicklung führt und im Audio-Bereich und bei Drosseln in Dimmern von Bedeutung ist. Der Temperaturkoeffizient der Induktivität dieser Kerne ist im Gegensatz zu anderen Pulverkernmaterialien negativ. Sendust-Pulverkerne sind je nach Herstellerangaben für Frequenzen bis etwa 500 kHz bzw. bis etwa 1 MHz geeignet. Sie werden als Ringkerne, E-, U-Kerne, als Blöcke und als Stäbe gefertigt.

NiMoFe-Pulverkerne (MPP-Kerne)

Die Molypermalloy-Legierung (MPP) besteht aus einer Nickel-Molybdän-Eisen-Legierung mit etwa 79…81 % Nickel, 2…4 % Molybdän und 17…20 % Eisen. Das Material wurde 1940 erstmals zur kapazitiven Kompensation in längeren Telefonleitungen eingesetzt.

MPP-Kerne haben eine Sättigungsinduktion von etwa 0,8 T. Die Permeabilitäten betragen 14…550. Der Temperaturkoeffizient der Permeabilität beträgt je nach Typ 25…180 ppm/°C. Die Kerne sind unter den Pulverkernen preislich im oberen Bereich. Sie sind je nach Hersteller von 200 kHz bis 1 MHz einsetzbar.

MPP-Kerne weisen die geringsten Kernverluste unter den Pulverkernen auf. Sie eignen sich deshalb für verlustarme Transformatoren, für Drosseln mit hoher Rippelstrombelastung und Sperrwandler sowie für Induktivitäten mit hoher Güte und großer Temperaturstabilität und werden deshalb immer noch in Telefonleitungen eingesetzt.

NiFe-Pulverkerne (High-Flux-Kerne)

Ni-Fe-Pulverkerne sind als High-Flux-Pulverkerne bekannt und sind eine Abwandlung der MPP-Kerne ohne Molybdänzusatz mit der Materialzusammensetzung von 50 % Nickel und 50 % Eisen. High-Flux-Kerne erreichen mit der Sättigungsinduktion von 1,5 T und Permeabilitäten von 14…160 Werte, die mit Eisenpulver- und Si-Fe-Pulverkernen vergleichbar sind, haben jedoch geringere Kernverluste. Dazu bei trägt auch die Remanenz, die nahezu bei Null liegt, wodurch das Material sehr geringe Ummagnetisierungsverluste hat, was sie beispielsweise für Zeilentransformatoren geeignet macht. High-Flux-Pulverkerne haben außerdem eine gute Temperaturstabilität. Sie sind bis etwa 1 MHz einsetzbar und sind besonders für Anwendungen mit hoher Gleichstrom-Vormagnetisierung wie in Drosseln für Schaltregler geeignet.

Allgemeines

Die Ferrite wurden 1930 in Japan durch T. Takei und Y. Kato, die Gründer der Firma TDK, am Tokyo Institute of Technology erfunden, jedoch nur ungenügend patentiert. In den Niederlanden begann Anfang der 1940er Jahre J. L. Snoek am Philips Natuurkundig Laboratorium mit der Erforschung von Kupfer-Zink-Ferriten, Diese Entwicklung führte zu den Ferroxcube genannten Ferriten mit reproduzierbaren Eigenschaften für viele unterschiedliche Anwendungen, siehe auch Ferrite#Geschichte.

Ferrite sind ferrimagnetische Werkstoffe. Beim Ferrimagnetismus sind die einzelnen Elementarmagnete in den weissschen Bezirken des Materials parallel und antiparallel in unterschiedlicher Quantität und beliebiger Richtung ausgerichtet. Durch das Anlegen eines äußeren Magnetfeldes richten sie sich nach dem Feld aus, wobei dieses zu einer partiellen Auslöschung der magnetischen Momente führt. Die gesamte Magnetisierbarkeit wird etwas verringert. Mit dieser reduzierten Magnetisierbarkeit verhalten sich Ferrite dann makroskopisch ähnlich wie ferromagnetische Werkstoffe.

Ausgangsprodukt für die Herstellung weichmagnetische Ferrite sind die Eisenoxide Eisen(III)-oxid (Hämatit, Fe₂O₃) oder Magnetit (Fe₃O₄) in hochreiner Form. Dem feingemahlenen Grundmaterial werden ebenfalls feingemahlene Metalloxide oder Metallkarbonate der Metalle Nickel (Ni), Zink (Zn), Mangan (Mn), seltener Cobalt (Co), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg) oder Cadmium (Cd) hinzugefügt. Diese Pulver werden entweder trocken oder nass möglichst gleichmäßig miteinander vermischt. Die Mischung wird dann bei etwa 1000 °C einer Kalzinierung unterzogen. Hierbei kommt es ab etwa 950 °C zur Bildung von Manganzinkferrit, dabei löst sich das Kristallgitter des Eisenoxids auf und es bildet sich ein kubisches Spinellgitter, in dem jede Komponente als Ion ihren bestimmten Platz im Gitter einnimmt. Nach der Kalzinierung wird das entstandene Ferritpulver wieder mit Wasser und einem Binder gemischt und zu feinen, möglichst gleich großen Körnern mit Korngrößen von etwa 1 bis 2 µm zermahlen. Nach der Trocknung des Pulvers wird dieses mit hohem und gleichförmigem Druck zu Rohlingen in die gewünschte Form gepresst. Die Rohlinge werden danach in einer speziell angepassten Atmosphäre bei 1000…1450 °C gesintert. Während des Sinterns schrumpft das Volumen des Kerns um etwa 40…50%. Beim Sintern wachsen die einzelnen Körner zu einer Struktur mit unterschiedlich großen ferrimagnetischen Körnern heran. Da die Außengrenzen der Körner aus nichtleitendem Fe₂O₄ bestehen, sind sie praktisch elektrisch gegeneinander isoliert und haben elektrisch schlecht oder nichtleitende Materialeigenschaften, womit ihre äußerst geringen Wirbelstromverluste erklärbar sind.

Die Oberfläche von geteilten Ferritkernen wird nach dem Sintern im Bereich der Berührflächen plangeschliffen und im Falle eines Luftspaltes auf Maßhaltigkeit nachgearbeitet. Ferrit-Ringkerne werden oft mit einer Isolierschicht (Parylene, Epoxidharz oder Polyurethan) versehen, da hier keine Spulenkörper zum Einsatz kommen können und das Ferritmaterial nicht ausreichend isolierend ist.

Keramische Ferrite sind wie alle keramischen Werkstoffe hart und spröde und daher bruchgefährdet.

Eine weitere Möglichkeit ist, die zermahlenen Ferritkörner mit einem thermoplastischen Kompositwerkstoff zu mischen und diese Masse mittels eines Spritzgussverfahrens in die gewünschte Form zu bringen. Dies kann ohne Sinterung, d. h. ohne Schwund erfolgen, wodurch enge mechanische Toleranzen erreichbar sind. Eine nachträgliche Bearbeitung mit für Kunststoffe üblichen Verfahren ist möglich. Die sogenannten „Plastoferrite“ werden als Spulenträger, Mehrlochkerne sowie in Form von Gehäusen, Steckern und Folien hergestellt. Typische Anwendungsbeispiele für Plastoferrite sind Abschirmungen, Mikrowellenabsorber, Entstördrosseln sowie flexible Antennen. Flexible Ferrite werden außerdem bei der induktiven Energieübertragung verwendet, wie sie in der Qi-Spezifikation beschrieben ist. Auch in Drehtransformatoren für Lidar-Systeme sowie für RFID und Automobil-Anwendungen werden Plastoferrite eingesetzt.

Eigenschaften

Die Eigenschaften von Ferriten sind nicht mit denen von Pulverkernen vergleichbar. Bei Ferriten bilden die Körner durch Sinterung ein festes Gefüge, während Pulverkerne durch ein Bindemittel zusammengehalten werden. Die elektrische Isolierung der Körner gegeneinander ist bei Pulverkernen kritisch, während Ferrite von vornherein schlecht leiten. Ferrite haben eine geringe, schnell einsetzende Sättigung, jedoch eine relativ hohe Permeabilität. Sie zeichnen sich aus durch ihre geringen Kernverluste über einen weiten Frequenzbereich und durch ihre niedrigen Kosten. Pulverkerne gehen hingegen allmählich in die Sättigung, haben hohe Sättigungsflussdichten und geringe Permeabilitäten. Für Speicherzwecke (Speicherdrosseln, Flyback-Übertrager) ist man bei Ferritkernen auf offene Bauformen oder Luftspalte angewiesen, um Kernsättigung zu vermeiden.

Bei Ferritkernen sind zwei häufig vorkommende Werkstoffgruppen zu unterscheiden, deren Eigenschaften sich ergänzen:

• Mangan-Zink-Ferrite (MnZn) in der Zusammensetzung Mn_aZn_(1-a)Fe₂O₄

haben eine höhere Permeabilität (µ_i = 300 bis 20.000), eine höhere Sättigungsinduktion, einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 0,1 bis 10 Ωm und werden als Magnetkerne für Anwendungen mit höherer Leistung bis etwa 4 MHz eingesetzt, beispielsweise in Schaltnetzteilen, Stromsensoren, Planartransformatoren und Drosseln

• Nickel-Zink-Ferrite (NiZn) in der Zusammensetzung Ni_aZn_(1-a)Fe₂O₄

haben eine etwas niedrigere Permeabilität (µ_i = 10 bis 3.500), eine niedrigere Sättigungsinduktion, jedoch einen deutlich höheren spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 10⁴ bis 10⁶ Ωm und werden als Magnetkerne für HF-Filter, HF-Übertrager, Antennen, Drosseln und Transponder bis etwa 10 MHz sowie zur Entstörung bis etwa 1000 MHz eingesetzt.

Die Ausnahme bilden Gleichtaktdrosseln, in denen MnZn-Ferrite bis 70 MHz und NiZn-Ferrite von 70 MHz bis in den GHz-Bereich eingesetzt werden.

Innerhalb jeder Gruppe gibt es eine große Anzahl unterschiedlicher Materialzusammensetzungen mit unterschiedlichen Eigenschaften, so dass praktisch für jeden Frequenzbereich ein entsprechender Werkstoff zur Verfügung steht. Für Sonderanwendungen gibt es außerdem noch eine Werkstoffgruppe mit einer Cobalt-Zink-Fe₂O₄ Zusammensetzung, die für Mikrowellen geeignet ist.

Bauformen vom Ferritkernen

Für Ferritkerne und Ferrit-Materialien gibt es eine große Vielfalt von Bauformen und Baugrößen. Die Bauformen sind zum Teil genormt, jedoch führen kundenspezifische Lösungen auch immer wieder zu neuen, noch nicht genormten Bauformen. Die Bauformen werden mit Abkürzungen wie z. B. „E-Kern“ gekennzeichnet, die sich oft aus der Form ergeben. Bei der Vielzahl der Hersteller weltweit kommt es jedoch vor, dass die Abkürzungen nicht immer übereinstimmen, dies zeigt ein Vergleich der Hersteller Ferroxcube, Tridelta, Magnetics und Chen Yang.