專利名稱：用于電動機的塊狀非晶體金屬磁元件的制作方法
相關申請的相互引用本申請是在1998年11月6日申請的序列號為09/187656的名稱為“Bulk Amorphous Metal Magnetic Components For Electric Motors”的部分繼續申請。
背景技術：
發明領域本發明涉及一種非晶體金屬磁元件，更具體說，涉及一種具有一般呈多面體形狀的塊狀非晶體金屬磁元件的高效率的電動機。
現有技術電動機一般包括由多個無定向的電工鋼的層疊疊片組構成的磁元件。在各種磁阻電動機和渦流電動機中，定子由層疊的疊片組制成。在鼠籠式電動機、磁阻同步電動機和開關磁阻電動機中，定子和轉子都由層疊的疊片組制成的。每個疊片組一般通過把在機械上軟的、無定向的電工鋼模壓、沖壓或切割成所需的形狀制成的。然后，把制成的疊片組層疊在一起并連接在一起而形成轉子和定子。
雖然和無定向電工鋼相比，非晶體金屬提供了優良的磁性能，但是長期來，由于它們的某些物理性能和相應的制造限制，一直認為它們不適用于塊狀磁元件，例如電動機的定子和轉子。例如，非晶體金屬比無定向電工鋼薄而硬，并因而導致制造工具和模具的較快的磨損。引起的加工和制造成本的增加使得利用這種技術制造塊狀非晶體金屬磁元件在商業上是不實際的。非晶體金屬的厚度使得在裝配的元件中的疊片組的數量增加，這進一步增加了非晶體金屬的轉子或定子磁部件的總的成本。
非晶體金屬一般以具有均勻的帶寬的薄的連續的帶的形式供應。不過，非晶體金屬是非常硬的材料，這使得要實現容易的切割和加工是非常困難的，并且一旦退火而達到最大磁性能，則變為非常脆。這使得利用常規的方法來制造塊狀非晶體金屬磁元件是困難而昂貴的。在例如電動機的應用中，非晶體金屬的脆性也引起對塊狀磁元件的耐用性的擔心。
塊狀非晶體金屬磁元件的另一個問題是，當非晶體金屬材料受到物理應力時，其導磁率減少。根據在非晶體金屬材料上的應力的強度，導磁率的減少程度可能是相當大的。當塊狀非晶體金屬磁元件受到應力時，鐵心引導或會聚磁通的效率被減小，因而引起較高的磁損失、增加發熱和減少功率。由于非晶體材料的磁致伸縮性質，在電動機的工作期間，由磁力和機械力而產生的應力，由機械夾持或其它方式固定所述塊狀非晶體金屬磁元件而產生的機械應力，或者非晶體金屬材料的熱膨脹或磁飽和引起的膨脹而產生的內應力都會引起所述的應力敏感性。
對于某種高速電動機，不允許具有一般電工鋼具有的鐵心損失。在這種情況下，迫使設計者使用坡莫合金作為替代物。不過，伴隨的飽和磁感應的減少(例如，各種坡莫合金為0.6-0.9T，而普通電工鋼為1.8-2.0T)使得必須增加由坡莫合金或其變形物構成的磁元件的尺寸。此外，坡莫合金的所需的軟磁特性受在相對低的應力下可能發生的塑性變形的不可逆的不利影響。這種應力在坡莫合金元件的制造或工作期間可能發生。
發明概述本發明提供一種低損耗的塊狀非晶體金屬磁元件，其具有多面體的形狀，并由多層非晶體金屬條構成，用于高效率的電動機中。此外，本發明還提供一種用于制造所述塊狀非晶體金屬磁元件的方法。所述磁元件可在大約為50赫茲-20000赫茲的頻率范圍內工作，并且和在相同頻率范圍內工作的硅鋼磁元件相比，具有改善的性能特性。更具體地說，按照本發明構成的并在激勵頻率“f”下被激勵到峰值感應值“Bmax”的磁元件在室溫下具有小于“L”的鐵心損失，其中L由下式給出L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4，所述鐵心損失，激勵頻率和峰值磁感應值分別以每千克瓦、赫茲和特斯拉度量。最好是，所述磁元件(i)當在大約60赫茲的頻率和大約1.4T的磁通密度下工作時，具有小于或等于大約1瓦/千克的非晶體金屬材料鐵心損失；(ii)當在大約1000赫茲的頻率和大約1.4T的磁通密度下工作時，具有小于或等于大約20瓦/千克的非晶體金屬材料鐵心損失；或者(iii)當在大約20000赫茲的頻率和大約0.30T的磁通密度下工作時，具有小于或等于大約70瓦/千克的非晶體金屬材料鐵心損失。本發明的元件的減少的鐵心損失有利地改善了包括所述元件的電動機的效率。
在本發明的第一實施例中，所述塊狀非晶體金屬磁元件包括多層形狀基本上相同的層疊的非晶體金屬條，它們被層疊在一起而形成多面體形的部件。
本發明還提供一種用于構成塊狀非晶體金屬磁元件的方法。按照本發明的方法的第一實施例，非晶體金屬條狀材料被切割以形成具有預定長度的多個切割條。所述切割條被疊置從而形成層疊的非晶體金屬條狀材料棒，并被退火以便增強材料的磁性能，并且可選擇地，把初始的玻璃狀結構轉換成納級晶體結構。所述退火的、層疊的棒用環氧樹脂浸漬并固化。然后，層疊的棒以預定長度被切割，從而形成多個具有預定的三維幾何形狀的多面體形的磁元件。優選的非晶體金屬材料具有基本上由公式Fe80B11Si9限定的組成物。
按照本發明的方法的第二實施例，非晶體金屬條狀材料被圍繞一個心軸繞制，以形成具有基本上呈圓角的拐角的基本上為矩形的鐵心。然后，使所述基本上為矩形的鐵心退火，以便增強材料的磁性能，并且可選擇地，把初始的玻璃狀結構轉換成納級晶體結構。然后所述鐵心用環氧樹脂浸漬并固化。然后所述矩形鐵心的短邊被切割以形成兩個磁元件，它們具有和所述基本上呈矩形的鐵心的所述短邊的尺寸和形狀近似的預定的三維幾何形狀。從所述基本上呈矩形的鐵心的長邊除去有圓角的拐角，并且所述基本上呈矩形的鐵心的長邊被切割而形成多個具有預定的三維幾何形狀的多面體形的磁元件。優選的非晶體金屬材料具有由公式Fe80B11Si9限定的組成物。
本發明還涉及一種按照上述方法構成的塊狀非晶體金屬磁元件。
按照本發明的塊狀非晶體金屬磁元件的結構尤其適用于高效的、可變磁阻電動機和渦流電動機中的非晶體金屬定子或轉子元件。同樣，所述塊狀非晶體金屬磁元件可用作鼠籠電動機、磁阻同步電動機和開關磁阻電動機中的轉子和定子。本領域的技術人員可以理解，這種電動機可以包括一個或幾個轉子和一個或幾個定子。因而，此處所用的關于電動機的術語“轉子”和“定子”意味著范圍從1個到許多個例如3個或3個以上的轉子和定子。本領域的技術人員還應當理解，此處使用的術語“電動機”泛指各種旋轉電機，其中包括發電機以及可選擇地作為發電機工作的再生冷卻式液體火箭發動機。本發明的磁元件可以用于構成這些裝置中的任何一種裝置。本發明的優點包括簡化制造過程和縮短制造時間，減少在所述塊狀非晶體金屬磁元件制造期間遇到的應力(即磁致伸縮)，并優化最終的塊狀非晶體金屬磁元件的性能。


通過參看下面結合附圖對本發明的優選實施例進行的詳細說明，可以更充分地理解本發明及其優點，在所有附圖中，相同的標號代表類似的元件；其中圖1是按照本發明構成的呈三維矩形形狀的塊狀非晶體金屬磁元件的透視圖；圖2A是按照本發明構成的具有棱柱形結構的塊狀非晶體金屬磁元件的透視圖；圖2B是按照本發明構成的具有相對設置的弓形表面的塊狀非晶體金屬磁元件的透視圖；圖2C是由6個圖2A所示的棱柱形元件和6個圖2B所示的弓形元件構成的電動機的定子的頂視圖；圖3A是按照本發明構成的電動機的塊狀非晶體金屬磁定子的透視圖；圖3B是按照本發明構成的電動機的塊狀非晶體金屬磁轉子的透視圖；圖3C是由圖3A的定子和圖3B的轉子構成的電動機的定子和轉子的頂視圖；圖4是按照本發明的被固定以進行切割和疊置的非晶體金屬條卷的側視圖；圖5是非晶體金屬條棒的透視圖，表示用于生產多個按照本發明的棱柱形磁元件的切線；圖6是非晶體金屬條卷的側視圖，其被繞在一個心軸上，從而形成按照本發明的基本上呈矩形的鐵心；以及圖7是基本上呈矩形的非晶體金屬鐵心的透視圖，表示用于形成多個按照本發明的基本上呈棱柱形的磁元件的切割線。
優選實施例的詳細說明本發明涉及一種高效率的電動機，其采用低損耗的塊狀非晶體金屬磁元件例如定子、轉子和用于定子和轉子的零部件。一般地說，按照本發明構成的多面體形狀的塊狀非晶體金屬磁元件具有多種幾何形狀，其中包括但不限于矩形、方形和棱柱形。此外，上述的任何幾何形狀都可以包括至少一個弓形表面，最好包括兩個相對設置的弓形表面，從而形成彎曲的或弓形的塊狀非晶體金屬磁元件。此外，按照本發明，可以把整個的定子和轉子構造為塊狀非晶體金屬磁元件。這些定子和轉子可以具有一體的結構，或者可以由能夠集中形成完整的部件的幾個零件構成。另外，定子與/或轉子可以是一個全部由非晶體金屬部件或者由非晶體金屬部件和其它的磁材料組合而成的合成的結構。
現在詳細參看附圖，圖1表示基本上呈多面體形狀的塊狀非晶體金屬磁元件10。此處所用的多面體這個術語指的是多面的或者多側的固體。其中包括但不限于，三維的矩形、方形、梯形和棱柱形。此外，任何上述的幾何形狀可以包括至少一個、最好是兩個彼此相對設置的弓形表面或側面，從而形成基本上呈弓形的元件。圖1所示的磁元件10由被層疊在一起并被退火的多個形狀基本上相同的非晶體金屬條狀材料的疊層20構成。按照本發明構成的并在激勵頻率“f”下被激勵到峰值磁感應值“Bmax”的三維磁元件10在室溫下具有小于“L”的鐵心損耗，其中L由下式給出L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4，所述鐵心損失、激勵頻率和峰值磁感應值分別以瓦/千克、赫茲和特斯拉度量。在優選實施例中，所述磁元件(i)當在大約60赫茲的頻率和大約1.4T的磁通密度下工作時，具有小于或等于大約1瓦/千克的非晶體金屬材料鐵心損失；(ii)當在大約1000赫茲的頻率和大約1.4T的磁通密度下工作時，具有小于或等于大約20瓦/千克的非晶體金屬材料鐵心損失；或者(iii)當在大約20000赫茲的頻率和大約0.30T的磁通密度下工作時，具有小于或等于大約70瓦/千克的非晶體金屬材料鐵心損失。本發明的元件的減少的鐵心損失有利地改善了包括所述元件的電動機的效率。這些鐵心損失的較低值使得本發明的塊狀磁元件尤其適用于這樣的電動機中，其中多的極數和高的轉速要求使用例如大約100赫茲以上的高頻磁激勵。常規鋼在高頻時的固有的高鐵心損失使得它們不適于用作要求高頻磁激勵的電動機。這些鐵心損失的性能值適用于本發明的各個實施例，而不管塊狀非晶體金屬磁元件的具體幾何形狀。
圖2A所示的磁元件100基本上是棱柱形的，并且包括5個側面110或表面。五邊形的多面體元件100由具有基本上相同的尺寸和形狀的多層非晶體金屬條狀材料20構成。所述條狀材料20被疊置、層疊在一起，然后退火。
圖2B所示的磁元件200包括至少一個、最好兩個相對設置的弓形表面210。所述弓形元件200由多層非晶體金屬條狀材料20構成，它們具有基本上相同的形狀和尺寸，并被疊置、層疊在一起，然后退火。
圖2C所示的塊狀非晶體金屬磁元件300可被用作徑向間隙電動機的定子，其由6個磁元件100和6個磁元件200構成。
圖3A所示的塊狀非晶體金屬磁元件400基本上是環形的，并且包括多個朝向環形元件400的中心徑向向內延伸的基本上呈矩形的齒410。所述元件400由多層非晶體金屬條狀材料20構成，它們具有基本上相同的形狀和尺寸，并被疊置、層疊在一起，然后退火。按照圖3A所示的實施例構成的塊狀非晶體金屬磁元件可以在徑向氣隙電動機中用作定子。
圖3B所示的塊狀非晶體金屬磁元件500基本上呈盤形，并且包括多個基本上呈矩形的徑向向外延伸的齒510。所述元件500由多層非晶體金屬條狀材料20構成，它們具有基本上相同的形狀和尺寸，并被疊置、層疊在一起，然后退火。按照圖3B所示的實施例構成的塊狀非晶體金屬磁元件可以在徑向氣隙電動機中用作轉子。
接著參看圖3C，定子400和轉子500都被制成按照本發明的塊狀非晶體金屬磁元件，并被用作高效率的徑向氣隙電動機600的部件。
本發明還提供一種用于制造塊狀非晶體金屬磁元件的方法。如圖4所示，非晶體金屬條狀材料的卷30由切割刀具40切割成多個具有相同形狀和尺寸的條20。條20被疊置而形成層疊的非晶體金屬條狀材料棒50。棒50被退火，利用環氧樹脂浸漬并固化。棒50可以沿著圖5所示的線52切割而成為多個基本上呈梯形的磁元件10。最終的磁元件10可以基本上是矩形、梯形、方形或者其它多面體形的。棒50也可以被切割而形成三維形狀的，其中包括五邊形棱柱11、弓形塊12、環形塊13或盤形塊14，分別如圖2A，2B，3A和3B所示。
在本發明的第二實施例中，如圖6和7所示，通過圍繞基本上呈矩形的心軸60纏繞一條非晶體金屬條22或一組非晶體金屬條22，從而形成基本上呈矩形的繞制鐵心70。所述鐵心70的短邊74的高度最好大約等于最終的塊狀非晶體金屬磁元件10的所需的長度。鐵心70被退火，利用環氧樹脂浸漬并固化。通過切割短邊74可以形成兩個元件10，剩下在長邊78a，78b上的有圓角的的拐角76。通過從長邊78a，78b上除去有圓角的拐角76，并在由虛線72所示的多個位置切割長邊78a，78b，可以形成另外的磁元件10。在圖7所示的例子中，塊狀非晶體金屬磁元件10具有基本上呈矩形的形狀，雖然通過本發明也可以形成其它的形狀。繞制的鐵心70也可以被切割而形成三維的形狀，其中包括五邊形棱柱11、弓形塊12、環形塊13或盤形塊14，分別如圖2A，2B，3A和3B所示。
按照這種方式構成的結構尤其適合于磁元件，例如在電動機中的非晶體金屬定子部件和轉子部件。磁元件的制造被簡化了，并且減少了制造時間。在塊狀非晶體金屬磁元件的制造期間受到的應力被減到最小。最終的磁元件的磁性能成為最佳的。
本發明的塊狀非晶體金屬磁元件10可以使用許多非晶體金屬合金制造。一般地說，適用于按照本發明構成的磁元件10的合金由公式M70 -85Y5-20Z0-20限定，下標是原子百分數，其中M至少是Fe、Ni和Co中的一種，Y至少是B、C和P中的一種，Z至少是Si、Al和Ge中的一種；附帶條件是(i)多達10個原子百分數的成分“M”可以由金屬物質Ti、V、Cr、，Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta和W中的至少一種代替，以及(ii)多達10個原子百分數的成分(Y+Z)可由非金屬物質In、Sn、Sb和Pb中的至少一種代替。這里使用的術語“非晶體金屬合金”指的是這樣一種金屬合金，其基本上沒有任何長范圍的次序，其特征在于，它們的X射線衍射強度最大值定性地類似于對液體或無機氧化物玻璃觀察到的值。
適用于本發明的實施的非晶體金屬合金在市場上是可以得到的，其一般呈連續的薄條或帶的形式，寬度可達20厘米或更寬，厚度大約為20-25微米。這些合金基本上全部具有玻璃狀的微觀結構(例如大約至少80％體積的材料具有非晶體結構)。最好是，所述合金基本上100％的材料具有非晶體結構。非晶體結構的體積百分數可以由本領域中已知的方法確定，例如X射線、中子或電子衍射、透射電子顯微鏡，或者差動掃描測熱方法。其中“M”是鐵，“Y”是硼，“Z”是硅的合金能夠以低的成本實現最高的感應值。為此，由鐵-硼-硅合金構成的非晶體金屬條是優選的。最優選的是這樣的非晶體金屬條是具有包括大約11個原子百分數的硼和大約9個原子百分數的硅的成分，其余部分是鐵和伴隨的雜質構成。這種條是由HoneywellInternational Inc.出售，商標名稱為METLAS的合金2605SA-1。
指定的用于本發明的元件10的非晶體金屬條的磁性能可以通過在一定溫度和時間內進行熱處理來增強，以提供所需的增強而不用改變條的基本上全部的玻璃狀的微觀結構。在熱處理的至少一部分期間，至少最好在冷卻部分期間，可以選擇地對條施加磁場。
適用于元件10的一些非晶體合金的磁性能可以通過對所述合金進行熱處理來形成納級晶體微觀結構從而大大改善。這些微觀結構的特征在于，其中存在高密度的晶粒，所述晶粒具有小于大約100納米的尺寸，小于大約50納米更好，小于大約10-20納米最好。所述晶粒最好占據鐵基合金的至少50％的體積。這些優選的材料具有低的鐵心損失和低的磁致伸縮。后一種性質使得材料不易因電動機在制造與/或操作期間產生的應力而導致磁性能的劣化。在給定的合金中用于生產納級晶體結構所需的熱處理必須在比為了保持其中具有基本上全部的玻璃狀微觀結構而進行的熱處理所需的溫度更高或時間更長地進行。此處使用的術語非晶體金屬和非晶體合金還包括這樣的材料，其最初具有基本上全部的玻璃狀微觀結構，隨后通過熱處理或其它處理轉換成具有納級晶體微觀結構的材料。可以通過熱處理而形成納級晶體微觀結構的非晶體合金還通常被簡稱為納級晶體合金。本發明的方法使得納級晶體合金能夠形成最終的塊狀磁元件所需的幾何形狀。這種形成方法是，在合金被熱處理以形成更脆和更難于處理的納級晶體結構之前；在合金仍然處于鑄態的、易變形的、基本上非晶體的形式時完成比較便利；。
兩類優選的具有通過在其中形成納級晶體微觀結構來大大增強的磁性能的合金由以下的公式給出，其中的下標是原子百分數。
第一類優選的納級晶體合金是Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw，其中R是Ni和Co中至少一個，T是Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一個，Q是Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一個，u的范圍從0到大約10，x的范圍大約為3-12，y的范圍大約為0-4，z的范圍大約為5-12，w的范圍大約為0到小于約8。此后，這種合金被熱處理，從而在其中形成納級晶體微觀結構，其具有高的飽和磁感應(例如至少1.5T)，低的鐵心損失，和低的飽和磁致伸縮(例如具有絕對值小于4×10-6的磁致伸縮)。這種合金尤其適用于對于所需的功率和轉矩需要最小尺寸的電動機的情況。
第二種優選的納級晶體合金是Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw，其中R是Ni和Co至少一個，T是Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一個，Q是Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一個，u的范圍從0到大約10，x的范圍大約為1-5，y的范圍為0到大約3，z的范圍大約為5-12，w的范圍大約為8-18。此后，這種合金被熱處理，從而在其中形成納級晶體微觀結構，其具有至少大約1.0T的飽和磁感應，特別低的鐵心損失，和低的飽和磁致伸縮(例如具有絕對值小于4×10-6的磁致伸縮)。這種合金尤其適用于需要在極高的轉速下工作的電動機(例如需要激勵頻率在1000赫茲更高)。
本發明的塊狀非晶體金屬磁元件10可以由層疊的非晶體金屬條的棒50或者由繞制的非晶體金屬條的鐵心70利用各種切割技術切割而成。元件10可以使用切割刀具或切割輪由棒50或者鐵心70切割而成。此外，元件10也可以通過放電加工或噴射水流切割。
塊狀非晶體金屬磁元件比由其它的鐵基磁金屬制造的元件能夠更有效地磁化和去磁。當被用作電動機中的定子和轉子時，所述塊狀非晶體金屬磁元件和由其它的鐵基磁金屬制造的元件相比，當二者在相同的磁感應和頻率下被磁化時，所述塊狀非晶體金屬磁元件發熱較少。因此，和采用由其它的鐵基磁金屬制造的元件的電動機相比時，使用所述塊狀非晶體金屬磁元件的電動機可以被設計成在以下條件下工作1)以較低的工作溫度；2)以較高的磁感應，從而可以減少尺寸和重量；或者3)以較高的頻率，從而減少體積和重量，或者能夠實現優異的運動控制。
如本領域中所熟知的那樣，鐵心損失是一種當鐵磁材料的磁化隨時間而改變時發生在所述鐵磁材料中的能量的耗散。給定的磁元件的鐵心損失一般通過周期地對所述元件進行激勵來確定。對所述元件提供時變的磁場，從而在其中產生相應的時變的磁感應或磁通密度。為了使測量標準化，激勵一般選擇為使得磁感應隨時間按頻率為“f”、峰值為Bmax的正弦變化。然后利用公知的電子測量儀器和技術確定鐵心損失。鐵心損失一般以每單位質量或體積的被激勵的磁材料的瓦數來指示。在本領域中已知鐵心損失隨著f和Bmax單調增加。用于檢測用于電動機的元件中的軟磁材料的鐵心損失的大多數標準的規約(例如ASTM Standards A912-93和A927(A927M94))需要這樣的位于基本閉合的磁路中材料的樣本，即這樣一種結構，其中閉合的磁力線被完全包括在所述樣本的體積內。在另一方面，在電動機元件例如轉子或定子中使用的磁材料位于磁開路中，即這樣一種結構，其中磁力線必須穿過氣隙。由于邊緣場效應和場的非均勻性，和在閉路測量時相比，在開路中受檢測的給定材料一般具有較高的鐵心損失，即較高值的每單位質量或體積的瓦數。本發明的塊狀非晶體金屬磁元件即使在開路結構中，在寬的磁通密度和頻率范圍內，仍然呈現低的鐵心損失。
不受任何理論的約束，據信本發明的低損耗的塊狀非晶體金屬磁元件的總鐵心損失由磁滯損失和渦流損失構成。它們都是峰值磁感應Bmax和激勵頻率f的函數。現有技術中對于非晶體金屬的鐵心損失的分析(見G.E.Fish.J.Appl.Phys.57，3569(1985)和G.E.Fish etal.，Appl.Phys.64，5370(1998))一般局限于磁材料在閉合磁路中獲得的數據。
本發明的塊狀非晶體金屬磁元件的每單位質量的總的鐵心損失L(Bmax，f)基本上可以由以下形式的函數確定L(Bmax，f)＝c1f(Bmax)n+c2fq(Bmax)m其中系數c1和c2，以及指數n、m和q必須由實驗確定，沒有已知的理論能夠精確地確定它們的值。使用這個公式使得能夠確定在任何所需的操作磁感應和激勵頻率下的本發明的塊狀非晶體金屬磁元件的總的鐵心損失。一般地說，在某些的幾何結構的電動機定子或轉子中的磁場在空間是不均勻的。例如本領域中已知的有限建模曲線技術能夠提供接近在實際的電動機或發電機中測量的磁通密度分布的峰值磁通密度的在空間和時間上的改變的估算。通過輸入合適的實驗公式給出在空間均勻的磁通密度下給定材料的鐵心損失，這些技術能夠以合適的精度預測給定元件在其操作配置下的相應的實際鐵心損失。
本發明的磁元件的鐵心損失的測量可以使用本領域中已知的許多方法進行測量。下面說明尤其適用于測量本實施例的一種方法。所述方法包括形成具有本發明的磁元件和磁通閉合結構裝置的磁路。選擇地，所述磁路可以包括多個本發明的磁元件和磁通閉合結構裝置。所述磁通閉合結構裝置最好包括具有高的導磁率和至少等于要被檢測的磁元件的磁通密度的飽和磁通密度的軟磁材料。最好是具有至少等于元件的飽和磁通密度的飽和磁通密度的材料。磁通的方向一般確定了元件的第一和第二相對表面，所述元件沿著所述方向被檢測。磁力線基沿著基本上垂直于第一相對表面的平面的方向進入元件。磁力線一般沿著非晶體金屬條的平面進入，并從第二個相對表面穿出。磁通閉合結構裝置一般包括磁通閉合磁元件，其最好按照本發明構成，但是也可以按照其它的方法使用本領域已知的材料構成。磁通閉合磁元件也具有第一和第二相對的表面，通過這些表面磁力線沿基本上垂直于所述表面的方向進入和穿出。磁通閉合磁元件的相對表面的尺寸和形狀和在實際測試期間與磁通閉合元件的匹配磁元件的各個表面的尺寸和形狀基本相同。磁通閉合磁元件和本發明的磁元件呈匹配關系，其第一和第二表面分別緊靠并基本上鄰接本發明的磁元件的第一和第二表面。通過在環繞本發明的磁元件或磁通閉合元件的第一繞組輸入電流來提供磁勢。由在環繞要被測試的磁元件的第二繞組中感應的電壓根據法拉第定律確定最終得到的磁通密度。由所述磁勢根據安培定律確定施加的磁場。然后由施加的磁場和得到的磁通密度利用常規的方法計算鐵心損失。
參見圖7，其中示出了適于確定磁元件10的鐵心損失的測試方法。鐵心70的長邊78b被用作進行鐵心損失測試的磁元件10。鐵心70的其余部分用作磁通閉合結構裝置，它們基本上是C形的，并包括4個有圓角的拐角76、短邊74和長邊78a。分開有圓角的拐角76、短邊74和長邊78a的每個切縫72是可以選擇的。最好是，只形成使長邊78b和鐵心70的其余部分分開的切縫。通過截割鐵心70除去長邊78b而形成的切割表面限定了磁元件的相對表面和磁通閉合磁元件的相對表面。在進行測試時，使長邊78b和被切縫限定的相應的表面平行且緊密接觸。長邊78b的表面在尺寸和形狀基本上和磁通閉合磁元件的表面的尺寸和形狀相同。兩個銅線繞組(未示出)環繞長邊78b。使一個合適幅值的交流電流通過第一繞組，從而提供在所需的頻率和峰值磁通密度下激勵長邊78b的磁勢。在長邊78b和在磁通閉合磁元件中的磁力線基本上在條32的平面內，并沿周向行進。在第二繞組中感應出表示隨時間改變的磁密的電壓。由測量的電壓和電流值利用常規的電子裝置確定鐵心損失。
為了更完整地理解本發明，下面給出一些例子。其中給出的用于說明本發明的原理和實施的特定技術、條件、材料、比例和報告數據是示例性的，不應當被解釋為對本發明的范圍的限制。
例1非晶體金屬矩形棱柱的制備和電磁測試大約60毫米寬、0.022毫米厚的Fe80B11Si9非晶體金屬條被圍繞矩形心軸或者尺寸大約為25毫米×90毫米的卷管繞制。圍繞心軸或卷管大約纏繞800圈的非晶體金屬帶，從而形成一個矩形的鐵心形式，其內部尺寸大約為25毫米×90毫米，積累厚度大約為20毫米。所述的鐵心/卷管裝置被在氮氣中退火。所述退火包括1)把所述裝置加熱到365℃；2)在大約365℃的溫度下保持大約2小時；以及3)使所述裝置冷卻到環境溫度。所述矩形的、繞制的、非晶體金屬鐵心從所述鐵心/卷管裝置上除去。所述鐵心利用環氧樹脂溶液進行真空浸漬。所述卷管被替換，并且重新組裝的、浸漬的鐵心/卷管裝置在120℃下固化大約4.5小時。當全部固化時，從鐵心/卷管裝置中再次除去鐵心。所得的矩形的、繞制的、環氧樹脂連結的非晶體金屬鐵心大約重2100克。
利用1.5毫米厚的切割刀片從環氧樹脂連結的非晶體金屬鐵心切割60毫米長、40毫米寬、20毫米厚的矩形棱柱(大約800層)。矩形棱柱和鐵心的剩余部分的切割表面在硝酸/水溶液中被浸蝕，并用氫氧化銨/水溶液清洗。
鐵心的剩余部分被在硝酸/水溶液中浸蝕，并利用氫氧化銨/水溶液清洗。然后把矩形棱柱和鐵心的剩余部分重新裝配成完整的截割鐵心的形式。把一次和二次電繞組固定到鐵心的剩余部分。在室溫以及60赫茲、1000赫茲、5000赫茲和20000赫茲下對截割鐵心形式進行電測試，并和類似的測試結構[National Arnold Magnetics，17030Muskrat Avenue，Adelanto，CA 92301(1995)]的其它鐵磁材料的類值進行比較。所得結果編輯成下面的表1、2、3和4。
表1在60Hz時的鐵心損失(W/kg)

表2在1000Hz時的鐵心損失(W/kg)


表3在5000Hz時的鐵心損失(W/kg)

表4在20000Hz時的鐵心損失(W/kg)


如表3和表4的數據所示，在5000赫茲或更高的激勵頻率下鐵心損失非常低。因而，本發明的磁元件尤其適用于高速電動機。
例2非晶體金屬梯形棱柱的制備大約48毫米寬、0.022毫米厚的Fe80B11Si9非晶體金屬條被切割成大約300毫米的長度。大約3800層的切割的非晶體金屬條被疊置，從而形成大約48毫米寬和300毫米長，累積厚度大約為96毫米的棒。所述棒氮氣中退火。所述退火包括1)把所述棒加熱到365℃；2)在大約365℃的溫度下保持大約2小時；以及3)使所述裝置冷卻到環境溫度。所述棒利用環氧樹脂溶液進行真空浸漬，并在120℃下固化大約4.5小時。所得的層疊的、環氧樹脂連結的非晶體金屬棒大約重9000克。
利用1.5毫米厚的切割刀片從疊置的、環氧樹脂連結的非晶體金屬棒切割形成梯形棱柱。所述棱柱的梯形表面具有52和62毫米的底和48毫米的高度。所述梯形棱柱的厚度為96毫米(3800層)。梯形棱柱和鐵心的剩余部分的的切面在硝酸/水溶液中被浸蝕，并用氫氧化銨水溶液清洗。
當在1000赫茲下激勵到1.0T的峰值磁感應時，所述梯形棱柱具有小于11.5W/kg的鐵心損失。
例3具有弧形截面的多面體塊狀非晶體金屬磁元件的制備大約50毫米寬、0.022毫米厚的Fe80B11Si9非晶體金屬條被切割成大約300毫米的長度。大約3800層的切割的非晶體金屬條被疊置，從而形成大約50毫米寬和300毫米長，累積厚度大約為96毫米的棒。所述棒氮氣中退火。所述退火包括1)把所述棒加熱到365℃；2)在大約365℃的溫度下保持大約2小時；以及3)使所述棒冷卻到環境溫度。所述棒利用環氧樹脂溶液進行真空浸漬，并在120℃下固化大約4.5小時。所得的層疊的環氧樹脂連結的非晶體金屬棒大約重9200克。
使用放電切割把層疊的環氧樹脂連結的非晶體金屬棒切割成三維的弧形的塊。所述塊的外徑大約為96毫米。內徑大約為13毫米。弧長大約為90度。塊的厚度大約為96毫米。
大約20毫米寬、0.022毫米厚的Fe80B11Si9非晶體金屬條圍繞外徑大約為19毫米的心軸或卷管纏繞。圍繞所述心軸或卷管纏繞所述非晶體金屬條大約1200圈，從而形成內徑大約為19毫米，外徑大約為48毫米的環形鐵心。所述鐵心的累積厚度大約為29毫米。所述鐵心在氮氣中退火。所述退火包括1)把所述棒加熱到365℃；2)在大約365℃的溫度下保持大約2小時；以及3)使所述鐵心冷卻到環境溫度。所述鐵心利用環氧樹脂溶液進行真空浸漬，并在120℃下固化大約4.5小時。所得的層疊的環氧樹脂連結的非晶體金屬鐵心大約重71克。
繞制的環氧樹脂連接的非晶體金屬鐵心利用噴射水流切割而形成半環形的三維形狀的物體。所述半環形的物體具有大約19毫米的內徑，大約48毫米的外經和大約20毫米的厚度。
多面體的塊狀非晶體金屬磁元件的切面在硝酸/水溶液中被浸蝕，并用氫氧化銨水溶液清洗。
當在1000赫茲下激勵到1.0T的峰值磁感應時，所述每個多面體塊狀非晶體金屬元件具有小于11.5W/kg的鐵心損失。
例4低損耗的塊狀非晶體金屬元件的高頻性能利用常規的非線性回歸法對上述例1中取得的鐵心損耗數據進行了分析。確定由Fe80B11Si9非晶體金屬條構成的低損耗的塊狀非晶體金屬磁元件的鐵心損失基本上由以下的函數限定L(Bmax，f)＝c1f(Bmax)n+c2fq(Bmax)m選擇系數c1，c2和指數n，m和q的合適的值，從而確定塊狀非晶體金屬磁元件的磁損失的上限。表5引用了例1的元件的測得損失和由上式預測的損失，其單位是瓦/千克。作為f(Hz)和Bmax(T)的函數的預測的損失利用系數c1＝0.0074，c2＝0.000282，指數n＝1.3，m＝2.4，q＝1.5。例1的塊狀非晶體金屬元件的測得的損失小于由公式預測的相應的損失。
表5

例5
納級晶體合金矩形棱柱的制備大約寬25毫米、厚0.018毫米的Fe73.5Cu1Nb3B9Si13.5非晶體金屬條被切割成大約300毫米的長度。大約1200層的切割的非晶體金屬條被疊置，從而形成大約25毫米寬和300毫米長，累積厚度大約為25毫米的棒。所述棒在氮氣中退火。所述退火按照以下步驟進行1)把所述棒加熱到580℃；2)在大約580℃的溫度下保持大約1小時；以及3)使所述棒冷卻到環境溫度。所述棒利用環氧樹脂溶液進行真空浸漬，并在120℃下固化大約4.5小時。所得的層疊的環氧樹脂連結的非晶體金屬棒大約重1200克。
使用1.5毫米厚的切割刀片由層疊的環氧樹脂浸漬的非晶體金屬棒切割成矩形的棱柱。所述棱柱的表面為邊長大約25毫米的方形，長度為50毫米。矩形棱柱的厚度為25毫米(1200層)。所述矩形棱柱的切面在硝酸水溶液中被浸蝕，并用氫氧化銨水溶液清洗。
當在1000赫茲下激勵到1.0T的峰值磁感應時，所述矩形棱柱具有小于11.5W/kg的鐵心損失。
上面對本發明進行了詳細說明，應當理解，不必嚴格地限定于這些細節，本領域技術人員可以想到各種變化和改進，所有這些變化和改進都落入由所附權利要求書限定的本發明范圍內。
權利要求
1.一種電動機，其具有至少一個低損耗的塊狀非晶體金屬磁元件，所述塊狀非晶體金屬磁元件包括多層被疊置在一起從而形成多面體形狀部件的形狀基本相同的非晶體金屬條，其中所述低損耗的塊狀非晶體金屬磁元件在激勵頻率f下被激勵到峰值磁感應Bmax時，具有小于L的鐵心損失，其中L由公式L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4給出，所述鐵心損失、激勵頻率和峰值磁感應值分別以瓦/千克、赫茲和特斯拉。
2.如權利要求1所述的電動機，其特征在于，所述非晶體金屬條每個具有由公式M70-85Y5-20Z0-20限定，下標是原子百分數，其中M至少是Fe、Ni和Co中的一種，Y至少是B、C和P中的一種，Z至少是Si、Al和Ge中的一種；附帶條件是(i)多達10個原子百分數的成分M可以由金屬物質Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta和W中的至少一種代替，以及(ii)多達10個原子百分數的成分(Y+Z)可由非金屬物質In、Sn、Sb和Pb中的至少一種代替。
3.如權利要求2所述的電動機，其特征在于，每個所述非晶體金屬條具有基本上由公式Fe80B11Si9確定的成分。
4.如權利要求2所述的電動機，其特征在于，所述非晶體金屬條已被熱處理，以在其中形成納級晶體微觀結構。
5.如權利要求4所述的電動機，其特征在于，每個所述非晶體金屬條具有基本上由公式Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw確定的成分，其中R是Ni和Co至少一種，T是Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一種，Q是Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一種，u的范圍從0到大約10，x的范圍大約為3-12，y的范圍從0到大約4，z的范圍大約為5-12，w的范圍0到小于8。
6.如權利要求4所述的電動機，其特征在于，每個所述非晶體金屬條具有基本上由公式Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw確定的成分，其中R是Ni和Co至少一種，T是Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一種，Q是Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一種，u的范圍從0到大約10，x的范圍大約為1-5，y的范圍從0到大約3，z的范圍大約為5-12，w的范圍大約為8-18。
7.如權利要求1所述的電動機，其特征在于，所述塊狀非晶體金屬磁元件構成所述電動機的定子的一部分。
8.如權利要求1所述的電動機，其特征在于，所述塊狀非晶體金屬磁元件構成所述電動機的定子。
9.如權利要求1所述的電動機，其特征在于，所述塊狀非晶體金屬磁元件構成所述電動機的轉子的一部分。
10.如權利要求1所述的電動機，其特征在于，所述塊狀非晶體金屬磁元件構成所述電動機的轉子。
11.如權利要求1所述的電動機，其特征在于，所述非晶體金屬磁元件構成所述電動機的轉子和定子。
12.如權利要求1所述的電動機，其特征在于，所述塊狀非晶體金屬磁元件在大約60赫茲的頻率和大約1.4T的磁通密度下工作時，具有小于或大約等于1瓦/千克的非晶體金屬材料鐵心損失。
13.如權利要求1所述的電動機，其特征在于，所述塊狀非晶體金屬磁元件在大約1000赫茲的頻率和1.4T的磁通密度下工作時，具有小于或大約等于20瓦/千克的非晶體金屬材料鐵心損失。
14.如權利要求1所述的電動機，其特征在于，所述塊狀非晶體金屬磁元件在大約20000赫茲的頻率和大約0.03T的磁通密度下工作時，具有小于或大約等于70瓦/千克的非晶體金屬材料鐵心損失。
15.用于具有轉子和定子的電動機中的至少一個低損耗的塊狀非晶體金屬磁元件，包括多層被疊置在一起從而形成多面體形狀部件的形狀基本相同的非晶體金屬條，其中所述低損耗的塊狀非晶體金屬磁元件在激勵頻率f下被激勵到峰值磁感應Bmax時，具有小于L的鐵心損失，其中L由公式L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4給出，所述鐵心損失、激勵頻率和峰值感應值分別以瓦/千克、赫茲和特斯拉度量。
16.如權利要求15所述的磁元件，其特征在于，所述磁元件至少構成所述定子的一部分。
17.如權利要求15所述的磁元件，其特征在于，所述磁元件至少構成所述轉子的一部分。
18.如權利要求16所述的磁元件，其特征在于，所述電動機包括從以下電動機中選擇的一種鼠籠式電動機、磁阻同步電動機和開關磁阻電動機。
19.如權利要求17所述的磁元件，其特征在于，所述電動機包括從以下電動機中選擇的一種可變磁阻電動機、渦流電動機、鼠籠式電動機、磁阻同步電動機和開關磁阻電動機。
20.如權利要求16所述的磁元件，其特征在于，所述電動機包括從以下電動機中選擇的一種鼠籠式電動機、磁阻同步電動機和開關磁阻電動機。
21.如權利要求15所述的磁元件，其特征在于，每個所述非晶體金屬條具有基本上由公式Fe80B11Si9確定的成分。
22.一種制造用于電動機中的塊狀非晶體金屬磁元件的方法，包括以下步驟(a)切割非晶體金屬條狀材料從而形成具有預定長度的多個切割條；(b)疊置所述切割條從而形成層疊的非晶體金屬條狀材料棒；(c)將所述層疊的棒退火；(d)用環氧樹脂浸漬所述層疊的棒并固化所述樹脂浸漬的層疊的棒；(e)以預定長度切割所述層疊的棒，從而提供多個具有預定的三維幾何形狀的多面體形的磁元件。
23.如權利要求22所述的制成塊狀非晶體金屬磁元件的方法，其特征在于，所述步驟(a)包括利用切割刀片、切割輪、噴射水流或放電機切割所述非晶體金屬條狀材料。
24.一種按照權利要求23所述的方法構造成的用于電動機中的塊狀非晶體金屬磁元件。
25.一種制造用于電動機中的塊狀非晶體金屬磁元件的方法，包括以下步驟(a)圍繞一個心軸纏繞非晶體金屬帶，從而形成具有基本上為圓角的拐角的基本上為矩形的鐵心；(b)將所述繞制的矩形鐵心退火；(c)用環氧樹脂浸漬所述纏繞的矩形的鐵心并固化所述環氧樹脂浸漬的矩形鐵心；(d)切割所述大致矩形的鐵心的短邊從而形成兩個多面體形狀的磁元件，它們具有和所述大致矩形的鐵心的所述短邊的尺寸和形狀近似的預定的三維幾何形狀；(e)從所述大致矩形的鐵心的長邊除去大致圓角的拐角；(f)切割所述大致矩形的鐵心的長邊從而形成多個具有所述預定的三維幾何形狀的磁元件。
26.如權利要求25所述的制造塊狀非晶體金屬磁元件的方法，其特征在于，所述步驟(d)和(f)中至少一個步驟包括利用切割刀片、切割輪、噴射水流或放電機切割所述非晶體金屬條狀材料。
27.一種按照權利要求25所述的方法制造的用于電動機中的塊狀非晶體金屬磁元件。
全文摘要
一種高效率的電動機，具有大致多面體形的塊狀非晶體金屬磁元件，在所述塊狀非晶體金屬中，多層非晶體金屬條被疊置在一起從而形成基本上三維的多面體形狀的部件。所述塊狀非晶體金屬磁元件可以包括弓形的表面，最好包括相對設置的兩個弓形表面。所述磁元件可以在約50－20000Hz的頻率范圍內工作。當所述電動機在激勵頻率f和峰值磁感應B
文檔編號C22C19/03GK1435003SQ00819177
公開日2003年8月6日 申請日期2000年12月8日 優先權日1999年12月23日
發明者N·J·德克里斯托法羅, P·J·斯塔馬蒂斯, G·E·菲斯 申請人:霍尼韋爾國際公司