Weichmagnetische Ferrite

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1 Weichmagnetische Ferrite zum Aufbau von Präzisions-Hochfrequenzbauelementen für Kommunikationstechnik, Automobilindustrie und Industrieautomatisierung Prof. Dr. rer. nat. Lothar Michalowsky Dipl.-Phys. Jörg Dreikorn Dr. Rüdiger Dreyer Dipl.-Ing. Mauricio Esguerra Dr. Ulrich Hoeppe Dr.-Ing. habil. Ralph Lücke Dr. Heiko Meuche Dipl.-Ing. Stefan Siebert Mit 158 Bildern und 38 Tabellen TAE Kontakt & Studium Band 584 Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c. Wilfried J.Bartz Dipl.-Ing. Elmar Wippler

2 Inhaltsverzeichnis 1 Theoretische Grundlagen zur Magnetisierung, freien Energie, der Domänenstruktur, zu den Magnetisierungsprozessen und den Eigenschaften der Ferrite 1 Lothar Michalowsky 1.1 Ferro-und Ferrimagnetismus intrinsische Eigenschaften weichmagnetische Werkstoffe Magnetokristalline Anisotropieenergie Magnetostriktion Induzierte uniaxiale Anisotropieenergie Elektrische Eigenschaften Halbleitung in Ferriten Dielektrische Eigenschaften Freie Energie weichmagnetischer Werkstoffe Eigenschaften weichmagnetischer Werkstoffe Magnetische Kenngrößen Permeabilitäts- und Koerzitivkraftmodelle Ummagnetisierungsprozesse Gefügedefinition und mikrostrukturelles Konstruieren Spezialliteratur zur Ferritkeramik Anlagen 33 2 Scherung und Linearisierung 39 Jörg Dreikorn 2.1 Einleitung und Grundbegriffe Einführung des Entmagnetisierungsfaktors Magnetischer Widerstand (Reluktanz) Näherungen für kleine Luftspalte Scherung der Hysterese Homogene Entmagnetisierung Inhomogene Entmagnetisierung Magnetische Eigenschaften Komplexe Permeabilität und Verlustwinkel Wirbelstrom- und Restverluste Hystereseverluste Klirrfaktor Temperaturabhängigkeit der Anfangspermeabilität Energiespeicherung Reversible Permeabilität und Sättigung Zusammenfassung zu den magnetischen Eigenschaften 56

3 2.3 Bauformen und Anwendungen Stabkerne Pilz- und Rollenkerne E-Kerne und verwandte Kernformen RM- und Schalenkerne für Filteranwendungen Breitbandübertrager Pulverkerne - verteilter Luftspalt Zusammenfassung Streufelder und Proximityeffekt Induktivitätsabnahme Proximityeffekt und Kupferverluste Methoden zur Verringerung des Streufeldes Formelzeichen Literatur 65 3 Messtechnik zur Kennwertbestimmung weichmagnetischer Werkstoffe 66 Stefan Siebert 3.1 Messtechnische Grundlagen Messung des magnetischen Flusses Magnetische Flussdichte Magnetische Polarisation Magnetische Feldstärke Relative Permeabilität Messtechnik Fluxmeter Integrationsprinzip Der Einfluss der Quellimpedanz Drift Aufbau eines Fluxmeters Digitale Integration Messung der magnetischen Eigenschaften mit Hilfe eines Hysteresegraphen Berechnung der Hysterese aus Feldstärke und Flussdichte Darstellung der Neukurve Darstellung der Permeabilitätskurve Bestimmung der Ummagnetisierungsverluste Andere Messverfahren Wattmeter- und Voltmetermethode Messtechnik zur Charakterisierung von Ferritkernen nach IEC Heiko Meuche 4.1 Motivation Messung an gepaarten Kernen Klammerung gepaarter Kerne Prüfspulen Streufelder und Wirbelstromverluste 85

4 4.3 Messungen bei geringer Aussteuerung Induktivität, A L -Wert und Anfangspermeabilität Bezogener Temperaturbeiwert Bezogener Verlustfaktor Hysteresematerialkonstante Total Harmonie Distortion THD (Klirrfaktor) Disakkomodationsfaktor Messung bei hoher Aussteuerung Spezifische Kernverlustleistung Amplitudenpermeabilität Übertragungsrate in Abhängigkeit der Leitungslänge JI 4.6 Literatur 91 5 Weichmagnetische Ferritwerkstoffe für die Leistungsübertragung Ralph Lücke 6.1 Applikationsseitige Grundlagen,; 6.2 Werkstoffseitige Anforderungen an Leistungsübertragerferrite Kernformspezifische Besonderheiten Neueste Ergebnisse der Materialentwicklung Möglichkeiten und Grenzen üblicher Ferrit-Stoffsysteme Literatur Weichmagnetische Ferrite für Kleinsignalanwendungen 109 Mauricio Esguerra 6.1 Einleitung ] 6.2 Filter/Oszillator-Anwendungen Niedriger Verlustfaktor Eng tolerierter A L -Wert Eng tolerierter Temperaturbeiwert Niedriger Desakkomodationsfaktor H Weiter Abgleichbereich Auswahl geeigneter Werkstoffe für analoge Filter Breitband-Anwendungen Betriebsdämpfung Bandbreite Einfluss vom Streufluss Grunddämpfung Spannungsklirrfaktor Core Distortion Factor (CDF) und Shape Distortion Factor (SDF) Hysteresebeiwert (nach IEC 60401) Schaltungskorrektur: Circuit Correction Factor (CCF) Applikationsmessung: ADSL- Reichweite in Abhängigkeit von eingesetzter Kernform sowie Werkstoff Gleichstromvormagnetisierung (gescherte Kerne) Materiaiwahl Kernform-und Luftspaltwahl Local Area Network (LAN)-Anwendungen Werkstoff T Literatur

5 7 Nickel-Zink-Kobalt-Ferrite für Anwendungen in der Entstör- und Transpondertechnik sowie in HF-Absorbern Rüdiger Dreyer 7.1 Physikalische Grundlagen Vorbemerkung Permeabilität und Dielektrizitätskonstante Curietemperatur und Temperaturverhalten Sättigungsflussdichte, Remanenz, Koerzitivfeldstärke Güte Q und Verluste P Spezifischerwiderstand Fertigungsverfahren Materialklassen und elektromagnetische Eigenschaften Ni-Zn-Ferrite Ni-Zn-Co-Ferrite (Perminvarferrite) Niedrigsinternde Ni-Zn-Cu-Ferrite Kernformen und Anwendungsbereiche Entstöranwendungen Störspannungen Störstrahlung Antennenanwendungen Literaturverzeichnis Mikrowellenferrite und ihre Anwendungen 146 Ulrich Hoeppe 8.1 Einleitung Material Mikrowellenferrite: Unterschiede zu anderen Anwendungen Bewegungsgleichung der Magnetisierung Suszeptibilität, Resonanz, und Wellenausbreitung im Ferritmaterial Wichtige Eigenschaften von Mikrowellenferriten Spinelle, Kristallstruktur, Dotierung, Eigenschaften Granate Kristallstruktur, Dotierung, Yttrium-Eisen-Granat (YIG) AI-YIG und Gd-YIG Anwendungen Nichtreziproker Phasenschieber Tor Phasenschieberzirkulator Tor Y-Zirkulator Literatur Alternative magnetische Werkstoffentwicklungen und Wirkprinzipien für Bauelemente der Elektronik und Elektrotechnik 158 Lothar Michalowsky 9.1 Einführende Bemerkungen Weichmagnetische Verbundwerkstoffe mit organischer und anorganisch-nichtmetallischer Bindung 160

6 9.3 Höchstpermeable amorphe und nanokristalline Werkstoffe Keramische Hochtemperatursupraleiter Hochtemperatursupraleitung in keramischen Werkstoffen Werkstoffe mit sehr großem Magnetowiderstand Literatur 188 Autorenverzeichnis Sachregister