Magnetische Bauelemente für die Autoelektronik von morgen

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Die Güten lassen sich noch weiter steigern

Eine weitere Möglichkeit zur Verlustreduktion beziehungsweise Gütesteigerung wurde mit dem Einbringen gerichteter Anisotropien erreicht. Dabei wurden vorerst „F“-Schleifen-Materialien mit magnetischer Queranisotropie untersucht, die jedoch gegenüber isotrop geglühtem Material mit runder Hystereseschleife höhere Verluste bzw. niedrigere Güten aufwiesen. Eine Erklärung dafür ist das gleichverteilte Auftreten von „F“-Schleifen- und „Z“-Schleifenanteilen, wobei „Z“-Schleifenanteile stark verlustbehaftet sind. Weiter konnten zirkular gerichtete Anisotropien sowie senkrecht gerichtete Anisotropien in Plättchen aus nanokristallinem VITROPERM eingebracht werden, die dann wie theoretisch vorausgesagt, zu entsprechender Verlustreduktion führten. Damit erreicht man Güten, die noch höher liegen als die bisher bekannten Werte an isotrop geglühtem Material mit runder Schleife. Mit Domänenbildern konnten die im Material eingetemperten „Leichten Richtungen“ sichtbar gemacht werden (Bild 2).

Gerichtete Anisotropien werden gezielt eingebracht

Des Weiteren wurden Wärmebehandlungsmethoden für Plättchen entwickelt,mit denen es möglich war, „zirkulare“- und „senkrechte“- Anisotropien in das Magnetmaterial einzubringen. An einer Methode zur Einbringung von „radialer“ Anisotropie wird noch gearbeitet.

Die gezeigten Konfigurationen führen alle zu „F“-Schleifen im Material. Dennoch erreicht man höhere Güten als bei „R“-Schleifen, die bisher immer favorisiert wurden. Theoretisch sollte man die höchsten Güten bei Materialien ohne magnetische Vorzugsrichtung, also bei „R“–Schleifenformen (isotropes Material) erhalten. In der Praxis gibt es aber Störanisotropien, wie Oberflächenrauheit, Kristallite, Oxide, die zu mechanischen Spannungen führen, so dass die Güte oft geringer ausfällt. Durch das gezielte Einbringen gerichteter Anisotropien (leichte Achse senkrecht zur Feldrichtung H) ist es aber nun möglich, hohe Güten zu erreichen.

Ringbandkerne lassen sich in die Leiterplatte einbetten

Auch Ringbandkerne, also geschlossene magnetische Kreise, wurden im Rahmen des Projektes den Projektpartnern zur Verfügung gestellt. Diese Kerne können auch in Leiterplatten eingebettet und als Induktivität verwendet werden. Der Einsatz von Ringbandkernen mit einer Kernhöhe (= Bandbreite) von 1 mm aus amorphem Material war sehr erfolgreich. Die Ringbandkerne wiesenPermeabilitäten von ca. 1800 auf und wurden in verschiedenen Kerndimensionen für Einbettversuche und Messungen bereitgestellt. Bei Ringandkernen ist es für diese Anwendungen wichtig, Permeabilitäten von möglichst µ<2000 zu realisieren, um den Einsatzbereich solcher Induktivitäten zu möglichst hohen Frequenzen (>500 kHz) zu verschieben. Denn je höher die Anwendungsfrequenz, desto höher die damit übertragene elektrische Leistung bei minimaler Baugröße.

Die Suche nach neuen Werkstoffen geht weiter

Es ist geplant, den Projektpartnern nanokristallines VITROPERM in verschiedenen Legierungsvarianten und unterschiedlichen Geometrien bereit zu stellen. Ziel ist es, die entstandenen Muster in Leiterplatten einzubetten und hinsichtlich ihrer Permeabilität (Induktivität), Verlustleistung/Güte und Temperaturbeständigkeit zu charakterisieren. Im Anschluss daran sollen die ermittelten Messwerte für Ringbandkerne denen von amorphem VITROVAC vergleichend gegenübergestellt werden. Durch den Einsatz nanokristalliner Legierungen als Kernmaterial könnte die Temperaturbeständigkeit deutlich erhöht werden. Mit der Wahl der Kerngröße (Innen- und Außendurchmesser) kann der Wert der Induktivität angepasst werden. Permeabilitäten im Bereich von μ=2000 bis <1000 sind mit dieser Methode möglich.

* * Dr. Gernot Vaerst ist Key Account Manager und leitet das Forschungsprojekt VISA bei der Vacuumschmelze in Hanau.

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