Brevet FR2627624A1 — publié le 19890825

FERRITE DE MANGANESE-ZINC SUBSTITUE AU NICKEL La présente invention concerne les ferrites de manganèse-zinc et en particulier ceux utilisés pour les applications de puissance. On trouve typiquement sous cette dénomination la con-. version d'énergie électrique (alimentations à découpage, convertisseurs continu-continu, onduleurs), les transformateurs de puissance à haute fréquence ( > 400 Hz), les inductances de choc de puissance, et d'une manière générale, le confinement de flux importants chaque fois que la fréquence des champs magnétiques appliqués dépasse 400 Hz et engendre des pertes prohibitives dans les circuits magnétiques feuilletés classiques. Parmi les ferrites doux, Itune des principales compositions est constituée par les ferrites de manganèse-zinc. On les utilise en particulier dans les applications de puissance pour réallser des noyaux destinés à transférer de l'énergie sous forme magnétique. Ils sont les seuls à être utilisables dans ces sppllcations compte tenu des fréquences et des inductions rencontrées. En effet, bien qu'ayant des résistivités milite fois plus faibles que celles des ferrites du nickel-zinc (donc des pertes par courants de Foucault plus importantes), on préfère les ferrites de manganèse-zinc pour leurs plus fortes inductions à saturation et leurs pertes hystérétiques plus faibles. Les caractéristiques essentielles recherchées pour ces noyaux sont actuellement les suivantes - une induction de saturation Bsat maximale, même * température élevée (c'est-à-dire de ltordre de 100 à 1250C) - un niveau de pertes totales PL aussi faible que possible, à des fréquences aussi élevées que possible, pour permettre la miniaturisation des circuits - un coefficient de température des pertes totales négatif, ce qui permet d'atteindre un point de fonctionnement optimum à une température nettement supérieure à la température ambiante (c'est-à-dire de l'ordre de 80 à 1000C).- Dans le diagramme ternaire des ferrites doux Fe203. MnO.ZnO, les matériaux élaborés pour les applications en puis sance se situent généralement dans la régions Fe203 : 53,5% + 0,5 MnO : 34,58 + 1 ZnO : 12% + 1 en proportions molaires. Or, si le niveau des pertes totales est généralement satisfaisant, l'induction à saturation de tels maté riaux dépasse rarement 350 mT à 1000C. On connaît deux façons d'augmenter cette induction. On peut enrichir la composition du ferrite en oxyde ferrique Fie203. On peut aussi effectuer le frittage du matériau à une température plus élevée que celle à laquelle le matériau est habi tuellement fritté. Dans les deux cas, l'amélioration sur l'induc tion est obtenue au détriment des pertes totales, qui augmentent notablement, et du eoefficient de température qui accentue sa positivité. Afin de pallier ces inconvénients, l'invention propose un ferrite de manganèse-zinc de composition légèrement diffé rente de celle donnée ci-dessus et d'ajouter au matériau de base que constitue le ferrite de manganèse-zinc, une quantité de nickel sous forme d'oxyde lors de l'élaboration de la poudre de ferrite. Il a été constaté par l'expérience, qu'une quantité d'oxyde de nickel comprise entre 0,05 et 1% en poids de l'ensem- ble constitué par les oxydes Fie203, MnO et ZnO, donnait des résultats pleinement satisfaisant. L'invention a donc pour objet un ferrite de manganèse-zinc, caractérisé en ce qu'il comprend également, afin de réduire les pertes totales, un ajout de nickel introduit sous forme d'oxyde. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, don née à titre non limitatif, et gracie aux dessins annexés parmi lesquels - la figure 1 est un diagramme représentant l'évolu- tion des pertes totales en fonction de la température pour un ferrite de l'art connu, - les figures 2 à 5 sont des diagrammes représentant l'évolution des pertes totales en fonction de la tempërature pour des ferrites selon l'invention, - la figure 6 est un diagramme représentant la variation de l'induction en fonction du pourcentage de NiO, - la figure 7 est un diagramme représentant la variation de la perméabilité initiale en fonction du pourcentage de NiO. La figure 1 est un diagramme représentant l'évolution des pertes totales PL en fonction de la température T pour un ferrite de manganèse-zinc de l'art connu. Les pertes totales PL sont exprimées en mW/cm3 et la température est exprimée en OC. La composition molaire retenue pour le ferrite est la sulvante Fie 203 : 54,5% MnO : 35,258 ZnO : 10,258 C'est un ferrite pouvant être utilisé pour les applications en puissance. Il a été préparé de façon conventionnelle. Les oxydes Fe203, MnO et ZnO ont d'abord été broyés et mélangés et le mélange obtenu a été préfritté dans un four de chamottage à plus de 10000 C. Le produit chamotté a été ensuite broyé en présence d'ajouts organiques. La barbotine obtenue est séchée par atomisation (spray drying). Par compression, on a donné au ferrite une forme de tore. Le frittage final, réalisé de façon classique, lui a donné une structure de céramique. Le retour à la température ambiante a été effectué sous atmosphère contrôlée. Les pertes ont été mesurées pour une fréquence de 16 kHz et sous une induction de 200 mT. D'après la figure 1, on constate que les pertes augmentent avec la température et que la pente de la courbe s'accentue aux environs de 700C. Entre 50 et 1000C, les pertes totales 3 passent de 105 à 175 mW/cm3. Cet accroissement des pertes avec la température est évidemment un inconvénient., surtout pour des applications de puissance. Les figures 2 à 5 sont des diagrammes représentant l'évolution des pertes totales PL en fonction de la température T pour des ferrites de manganèse-zinc selon l'invention. Les conditions d'élaboration de ces ferrites et les conditions sous lesquelles les mesures de pertes ont été effectuées sont les mêmes que pour le ferrite décrit plus haut et correspondant à la figure 1. Les ferrites selon l'invention comportent un certain pourcentage de nickel introduit sous forme d'oxyde NiO lors de l'étape de broyage succédant à l'étape de chamottage. Les figures 2 à 5 correspondent respectivement à des alouts d'oxyde de nickel de 0,258, 0,58, 1% et 2% en poids par rapport à la masse constituée par les oxydes de fer, de manganèse et de zinc. D'après les courbes des figures 2 à 5, on constate que l'ajout de nickel a modifié l'évolution des pertes totales en fonction de la température; D'après la figure 2, (NiO = 0,258) les pertes diminuent lorsque la température augmente jusqu'à environ 700C et elles augmentent ensuite. Entre 50 et- 1000C, les pertes totales passent de 105 à 125 mW/cm3 avec un minimum de 100 mW/cm3 vers 700C. Les courbes des figures 3 à 5 montrent que les pertes diminuent lorsque la température augmente. D'après la figure 3 (NiO = 0,5%), les pertes passent de 110 à 75 3 mW/cm3 lorsque la température augmente de 50 à 1000 C. D'après la courbe 4 (NiO = 1%), elles passent de 125 à 85 mW/cm3 lorsque la température augmente de 50 à 1000C. D'après la courbe 5 (NiO = 2%), elles passent de 180 à 125 mW/cm3 lorsque la température augmente de 50 à 1000 C. Ces résultats montrent qu'un faible ajout de nickel (0,25% de NiO pour la figure 2) permet d'inverser la pente de la première partie de la courbe. En fait, cette inversion apparaît pour 0,05% de NiO. I1 en résulte que la deuxième partie de la courbe, bien que de pente positive, est néanmoins intéressante parce que le niveau des pertes totales demeure faible (125 mW/cm3 à 1000C pour la figure 2 contre 175 mW/cm3 à 1000C pour la figure 3) . Une addition de 0,5% de NiO inverse totalement la pente de la courbe des pertes totales en fonction de la température. Un pourcentage trop important de NiO (voir la figure 5) a cependant pour conséquence de reIever le niveau général des pertes. La figure 6 est un diagramme représentant l'induction B en millitesias en fonction du pourcentage pondérai de NiO pour des ferrites selon l'invention et pour un champ magnétique d'in densité 400 A/m. La courbe 1 a été tracée pour une température de 250C et la courbe 2 pour 1000C. On peut remarquer que les valeurs de l'induction ne sont pas trop affectées par l'ajout de NiO, pour la gamme de valeur allant de O à 2%. La figure 7 est un diagramme représentant la variation de la perméabilité Initiale H en fonction du pourcentage pondéral de NiO dans les ferrites selon l'invention. La courbe représentée dans ce diagramme, tracée pour une fréquence de 100 kHz, montre que la valeur de H diminue lorsque le pourcentage de NiO augmente. Elle passe de la valeur 2400 pour 0% de NiO à la valeur 1600 pour 0,5% de NiO. La valeur de la perméabilité d'amplitude ta passe de 4000 pour 0% de NiO à 5000 pour 0,5% de NiO (mesures faites à 1000C et sous 200 mT). L'ajout d'une quantité appropriée de nickel a donc une influence bénéfique sur les pertes totales sans pour autant altérer les autres paramètres essentiels des ferrites. Un ajout d'oxyde de nickel compris entre 0,05 et 1% en poids de la masse d'oxydes de fer, ,de manganèse et de zinc donne les meilleurs résultats. L'idéal semble être 0,5% de NiO : pertes totales de faibles valeurs avec pente de la courbe entièrement négative, excellente valeur de l'induction, bonnes valeurs de H et de lla. REVENDICATIONS 1. Ferrite de manganèse-zinc, caractérisé en ce qu'il comprend également afin de réduire les pertes, totales, un ajout de nickel introduit sous forme d'oxyde. 2. Ferrite de manganèse-zinc selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pourcentage pondéral d'oxyde de nickel représente entre 0,05 et 1% de la masse constituée par les oxydes de fer, de manganèse et de zinc. 3. Ferrite de manganèse-zinc selon la revendication 3, caractérisé en ce que le pourcentage pondéral dioxyde de nickel représente O; 5% de la masse constituée par les oxydes de fer, de manganèse et de zinc.