專利名稱：電感器件、構(gòu)造非晶態(tài)金屬體磁元件的方法及生產(chǎn)工藝的制作方法
電感器件、構(gòu)造非晶態(tài)金屬體磁元件的方法及生產(chǎn)工藝
背景技術(shù)：
1. 發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生非晶態(tài)金屬的切割形狀的工藝，更具體地說，涉及一種用于生產(chǎn)切割疊片的選擇性蝕刻工藝，所述切割疊片相互結(jié)合在一起形成可用于電驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)機(jī)和感應(yīng)磁器件中的大致多面體形狀的低鐵損的非晶態(tài)金屬體磁元件。
2. 現(xiàn)有技術(shù)的描述
由片形磁性材料的多個(gè)疊片制成的磁元件廣泛用于電驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)機(jī)和電感器件，例如變壓器、鎮(zhèn)流器、電感器、飽和電抗器等。磁性材料的選擇尤其要考慮所需要的器件性能及經(jīng)濟(jì)方面的因素。
電驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)機(jī)元件最常用的材料是無取向電工鋼。在各種變磁阻電動(dòng)機(jī)和渦流電動(dòng)機(jī)中，定子是由疊片制成的。鼠籠式電動(dòng)機(jī)、磁阻同步電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)轍磁阻電動(dòng)機(jī)中的定子和轉(zhuǎn)子均是由疊片制成的。各疊片尤其是通過沖壓、沖孔或切割機(jī)械性能柔軟的無取向電工鋼至形成所需的形狀而形成的。然后將形成的疊片重疊及結(jié)合在一起以形成具有所需幾何形狀的轉(zhuǎn)子或定子，并且這些轉(zhuǎn)子或定子具有足夠的機(jī)械完整性以在電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)和操作過程中保持它們的構(gòu)造。
在旋轉(zhuǎn)的電驅(qū)動(dòng)式機(jī)器中，定子和轉(zhuǎn)子分隔開一段小間隙，該小
間隙可以是(i)徑向的，即大致垂直于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸，或(ii)軸向的，即大致平行于旋轉(zhuǎn)軸而且相互之間保持一定距離。在電動(dòng)機(jī)中，磁通線橫穿這些間隙而將轉(zhuǎn)子和定子連接起來。因此，大致上可將電磁型機(jī)器分為徑向通量設(shè)計(jì)或軸向通量設(shè)計(jì)兩類。電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域中還使用相應(yīng)的術(shù)語，即徑向間隙設(shè)計(jì)和軸向間隙設(shè)計(jì)。到目前為止，最為常見的還是徑向通量機(jī)器。上述沖孔和層疊方法都廣泛用于構(gòu)造徑向通量電動(dòng)機(jī)所用的轉(zhuǎn)子和定子。
盡管非晶態(tài)金屬相對無取向電工鋼而言有良好的磁性能，但是很長一段時(shí)間它們都被視為不適用于諸如電驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子等體磁元件，原因是由于其某些物理性能以及對制造的后繼阻礙，例如，非晶態(tài)金屬比無取向鋼更薄且更硬，因此使制造工具和沖莫具磨損得更快。由于工具成本和制造成本的增加，所以使用例如沖孔和沖壓這種傳統(tǒng)的技術(shù)來制造非晶態(tài)金屬體磁元件在經(jīng)濟(jì)角度上是不實(shí)際。由于非晶態(tài)金屬較薄，因此會(huì)增加已裝配元件中的疊片數(shù)量，從而進(jìn)一步增加非晶態(tài)金屬轉(zhuǎn)子或定子組件的總成本。
非晶態(tài)金屬尤其以具有均勻帶寬的連續(xù)薄帶來供應(yīng)。然而，非晶態(tài)金屬是非常硬的材料，因此其不易切割或成形。 一旦對其進(jìn)行退火以獲得峰值磁性，則非晶態(tài)金屬帶會(huì)變得很脆。這令使用傳統(tǒng)的方法去構(gòu)成非晶態(tài)金屬體磁元件變得困難及昂貴。非晶態(tài)金屬帶的脆性還會(huì)帶來應(yīng)用于電驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)機(jī)等體磁元件時(shí)的耐久性問題。
磁定子受到極高的磁力，所述磁力根據(jù)高速的旋轉(zhuǎn)速度而快速變化。這些磁力能在定子材料上施加相當(dāng)大的應(yīng)力，從而損壞非晶態(tài)金屬的磁定子。而且，轉(zhuǎn)子不論是因正常旋轉(zhuǎn)，還在當(dāng)機(jī)器啟動(dòng)、斷開時(shí)及當(dāng)負(fù)載變化尤其是出現(xiàn)突變時(shí)因加速旋轉(zhuǎn)，都會(huì)受到機(jī)械力。
有限量的非傳統(tǒng)方法已經(jīng)用于構(gòu)成非晶態(tài)金屬元件，例如，
Frischmann的美國專利4,197,146公開了 一種通過才莫制和壓實(shí)的非晶態(tài)金屬薄片而制成的定子。盡管這種方法可以形成復(fù)雜的定子形狀，然而在這種結(jié)構(gòu)中，非晶態(tài)金屬的分散薄片粒之間有大量的氣隙。這種結(jié)構(gòu)大大地增加了磁路的磁阻及用以操作電動(dòng)機(jī)的電流。
德國專利文獻(xiàn)DE 2805435和DE 2805438講述了將定子分成繞線件和極孰。將一種非磁性材料插入繞線件和極靱之間的接縫中，增加有效間隙，/人而增加了磁路的f茲阻以及增加了用以操作電動(dòng)機(jī)的電
7流。包括極靴片的材料層定向成使得其平面垂直于繞線護(hù)鐵件層的平 面。這種構(gòu)造還增加了定子的磁阻，這是因?yàn)槔@線件和極靴的鄰接層 只相交于接點(diǎn)，而不是沿著實(shí)線段而在它們的各自面的接點(diǎn)處。另夕卜， 這種方法講述了繞線件的疊層通過焊接而相互連接。使用諸如焊接等 熱量集中式工藝來連接非晶態(tài)金屬疊片，這會(huì)令非晶態(tài)金屬在接點(diǎn)處 或接點(diǎn)附近處再結(jié)晶。即使是小部分的再結(jié)晶非晶態(tài)金屬，也能使定 子中的磁損增大至無法接受的水平。
另 一關(guān)于使用鐵磁非晶態(tài)金屬的困難是由于磁致伸縮的現(xiàn)象。任 何磁致伸縮材料的某些磁性變化都響應(yīng)于施加在其上的機(jī)械應(yīng)力。例 如，當(dāng)包含非晶態(tài)材料的元件受到應(yīng)力時(shí)，其導(dǎo)磁率都明顯減小，同 時(shí)鐵損增加。由于磁致伸縮現(xiàn)象而造成的非晶態(tài)金屬器件退化也可以
由以下因素中的任意組合產(chǎn)生的應(yīng)力而導(dǎo)致的，這些因素包括(i) 在操作電驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)機(jī)過程中的磁力和機(jī)械力；(ii)由機(jī)械夾持或 固定非晶態(tài)金屬體磁元件就位時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力；或(iii)由熱膨脹 和/或非晶態(tài)金屬材料的磁飽和產(chǎn)生的膨脹而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。由于非晶 態(tài)金屬磁定子受到應(yīng)力，因此定子引導(dǎo)或聚焦磁通的效率就會(huì)降低， 從而導(dǎo)致磁損升高，效率降低，發(fā)熱量增加，并且功率減小。這種退 化的程度可以相當(dāng)大，這視特定的非晶態(tài)金屬材料和實(shí)際的應(yīng)力強(qiáng)度 而定，如美國專利5731649('649專利)所描述。鐵損退化常常表達(dá)為破 壞因子，即，由成品器件的實(shí)際4失損與在無應(yīng)力條件下測得的構(gòu)成材 料的固有鐵損之比的比值。
而且，非晶態(tài)金屬與傳統(tǒng)的包括常見的電工鋼在內(nèi)的軟磁材料相 比，具有明顯要低的各向異性能。這樣，對這些傳統(tǒng)金屬的磁性不會(huì) 有不良影響的應(yīng)力水平會(huì)對電動(dòng)機(jī)元件而言至關(guān)重要的磁性能產(chǎn)生 重大影響，例如導(dǎo)磁率和鐵損。例如，'649專利進(jìn)一步公開了通過將 非晶態(tài)金屬巻成線圈，利用環(huán)氧樹脂進(jìn)行成疊來形成非晶態(tài)金屬芯， 這不利地限制了線圈材料的熱膨脹和磁飽和膨脹，從而產(chǎn)生很高的內(nèi) 應(yīng)力和磁致伸縮，這會(huì)降低結(jié)合有所述芯的電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)的效率。為了避免應(yīng)力引起的磁性退化，'649專利公開了 一種磁元件，該磁元 件包括非晶態(tài)金屬的多個(gè)層疊的或繞成線圈的部分，所述部分小心地 安裝或包含在介電封裝中，而沒有使用粘合劑結(jié)合。
在目前技術(shù)的許多應(yīng)用中，包括那些相差很遠(yuǎn)的領(lǐng)域，例如高速 機(jī)床、航空和航天電動(dòng)機(jī)和促動(dòng)器，以及用于在計(jì)算機(jī)和其它微電子 設(shè)備中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的磁盤和光盤驅(qū)動(dòng)器中的主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)等，要求電驅(qū) 動(dòng)式電動(dòng)機(jī)可在高速下操作，大多情況下要超過15，000-20,000轉(zhuǎn)/分 鐘，有時(shí)甚至高達(dá)100， 000轉(zhuǎn)/分鐘。使用現(xiàn)有材料制成磁元件的局 限性造成大量的和非所需的設(shè)計(jì)妥協(xié)。在許多應(yīng)用中，尤其電動(dòng)機(jī)元 件用的電工鋼的鐵損是嚴(yán)格禁止的。在這種情況下設(shè)計(jì)者只能被迫使 用坡莫合金替代。然而，伴隨的飽和感應(yīng)的降低(例如，各種坡莫合 金為0.6-0.9T或更少，而普通的電工鋼為1.8-2.0T)使得必須增大由 坡莫合金或其變型所構(gòu)成的磁元件的尺寸。而且，理想的坡莫合金軟 磁性會(huì)受到不利且不可逆的塑性變形影響，這種情況可在應(yīng)力水平相 對較低時(shí)出現(xiàn)。這種應(yīng)力可在制造或操作坡莫合金元件的過程中出 現(xiàn)。
電感器件是多種現(xiàn)代電力設(shè)備和電子設(shè)備的基本元件，最常用的 有變壓器和電感器。這些不旋轉(zhuǎn)的器件大多采用包括軟鐵磁材料的芯 以及一個(gè)或多個(gè)環(huán)繞該芯的電繞組。電感器通常采用帶有兩端子的單 一繞組，并用作濾波器和儲(chǔ)能器件。變壓器通常有兩個(gè)或多個(gè)繞組， 并將電壓從一個(gè)水平變到至少 一個(gè)其它所需水平，并使整個(gè)電路的不 同部分相互之間電絕緣。電感器件有各種不同的尺寸，>^人而相應(yīng)地具 有不同的功率容量。不同類型的電感器件在從DC到GHz極寬范圍的 頻率內(nèi)都處于操作的最佳狀態(tài)。實(shí)際上，每一種已知類型的軟磁材料 都可用于構(gòu)造電感器件。對特定軟磁材料的選擇取決于所需性能和易 得性的組合，這種組合能保證制造的效率高，并且滿足特定市場所需 的體積和成本。 一般來說，理想的軟鐵磁芯材料具有較高的飽和感應(yīng)B^以將芯的尺寸減到最小，并且矯頑性Hc低，導(dǎo)磁率p高，以及鐵 損較低，從而使效率最大化。
用于電氣設(shè)備或電子器件的小至中等尺寸的電感器和變壓器還 常常由厚度低至100微米的不同級(jí)別片材的磁鋼沖壓而成的疊片來制 成。疊片通常層疊并固定起來，隨后與所需的一個(gè)或多個(gè)通常包括高 傳導(dǎo)率的銅或鋁線的電繞組巻繞在一起。這些疊片通常用于具有多種 已知形狀的芯。
用于電感器和變壓器芯的多種形狀由構(gòu)成元件裝配而成，這些構(gòu) 成元件具有某些印刷體字母的常見形式，例如"C"、 "U" 、 "E"、
'T，，通過這些形式能識(shí)別元件。裝配后的形狀可進(jìn)一步由表示構(gòu)成 元件的字母來表示，例如，"E-I"形狀是由"E"元件及'T，元件裝 配而成的。其它廣泛使用的裝配形狀包括"E-E" 、 "C-I" 、 "C-C"。 具有這些形狀的現(xiàn)有技術(shù)芯所用的構(gòu)成元件已由傳統(tǒng)的晶體鐵磁金 屬和機(jī)加工體軟鐵氧體塊的層壓片材構(gòu)成。
近來電子技術(shù)的一個(gè)重要趨勢是設(shè)計(jì)電源、轉(zhuǎn)換器以及使用開關(guān) 模式拓樸結(jié)構(gòu)電路的相關(guān)電路。目前功率半導(dǎo)體開關(guān)裝置性能的提高 允許開關(guān)模式器件在更高的頻率下操作。許多過去設(shè)計(jì)成在線形頻率 下進(jìn)行線性調(diào)節(jié)和操作的器件(通常對于電力網(wǎng)而言為50-60Hz，或 在軍事應(yīng)用中為400Hz)在基于開關(guān)模式管理下頻率通常為5-200kHz, 有時(shí)高達(dá)lMHz。頻率升高的一個(gè)主要?jiǎng)恿κ前殡S有所需的磁元件如 變壓器和電感器等尺寸的變小。然而，頻率的升高同時(shí)顯著提高了這 些元件的磁損。因此，非常有必要將這些損耗降低。
使用現(xiàn)有材料制成磁元件的局限性使得存在大量的和非所需的 設(shè)計(jì)妥協(xié)。在許多應(yīng)用中，常見電工鋼的鐵損是^f皮禁止的。在這種情 況下設(shè)計(jì)者只能被迫使用坡莫合金或鐵氧體來替代。然而，伴隨的飽 和感應(yīng)的降低(例如，各種坡莫合金為0.6-0.9T或更少，鐵氧體為 0.3-0.4T，而普通的電工鋼為1.8-2.0T)使得必須增大所制磁元件的尺 寸。而且，理想的坡莫合金軟磁性會(huì)受到塑性變形的不利且不可逆的影響，這種情況可在應(yīng)力水平相對較低時(shí)出現(xiàn)。這種應(yīng)力可在制造或 操作坡莫合金元件的過程中出現(xiàn)。盡管軟鐵氧體通常具有理想的低損 耗，但是它們較低的感應(yīng)值會(huì)導(dǎo)致器件對于許多其中空間因素較重要 的應(yīng)用而言變得不實(shí)際地大。另外，芯尺寸的增加需要更長的電繞組， 因此歐姆損耗增加。
對于例如飽和電抗器和一些扼流圈的電子應(yīng)用而言，非晶態(tài)金屬 采用了螺旋繞組的環(huán)形磁芯的形式。通常直徑在若干毫米至若干厘米 的范圍內(nèi)的這種形式的器件可在市場上獲得，而且這種器件通常用于
提供高達(dá)幾百伏-安(VA)的開關(guān)模式電源。這種芯構(gòu)造可以提供完
全閉合的磁路，其中退磁因數(shù)可忽略不計(jì)。然而，為了獲得所需的儲(chǔ) 能能力，許多電感器包括具有分散氣隙的磁路。這種氣隙的存在導(dǎo)致 不可忽略的退磁因數(shù)以及相關(guān)的形狀各向異性，它們體現(xiàn)為剪切的磁
化(B-H)回路。這種形狀各向異性可以比可能的感應(yīng)磁各向異性高 很多，從而成比例地增加了儲(chǔ)能能力。
已建議將使用分散氣隙以及傳統(tǒng)材料制成的環(huán)形磁芯用于這些 儲(chǔ)能應(yīng)用中。然而，有間隙的環(huán)形幾何形狀的設(shè)計(jì)靈活性極小。器件 用戶難以或不可能去調(diào)整間隙以選擇所需的剪切和儲(chǔ)能。另外，將繞
組用于環(huán)形磁芯所需的設(shè)備比同等層壓芯所需的繞組設(shè)備更加復(fù)雜、 昂貴及難以操作。很多時(shí)候，環(huán)形幾何形狀的芯不能用于高電流應(yīng)用， 因?yàn)橛深~定電流所規(guī)定的高量程電線不能彎曲至圓環(huán)繞組所需的程 度。另外，圓環(huán)設(shè)計(jì)只有一個(gè)磁路。結(jié)果，圓環(huán)設(shè)計(jì)就不能完全地匹 配，而且難于適用于多相變壓器和電感器，包括尤其常見的三相器件。 因此，需要尋找更易于制造和應(yīng)用的其它構(gòu)造。
而且，條-繞組的環(huán)形磁芯所固有的應(yīng)力會(huì)引起某些問題。繞組 固有地將條的外側(cè)面置于張緊狀態(tài)中，而內(nèi)側(cè)置于壓縮狀態(tài)中。額外 的應(yīng)力由用于保證繞組平滑所需的線性拉力來提供。由于磁致伸縮， 圓環(huán)繞組顯示出的磁性明顯比平條構(gòu)造的相同條所顯示的磁性要差。 一般而言，退火僅能釋放一部分應(yīng)力，因此只能除去一部分退化。除
ii此以外，圓環(huán)繞組中設(shè)置間隙也常引起其它問題。通過空隙，至少部 分地除去了繞組結(jié)構(gòu)中殘余的環(huán)向應(yīng)力。在實(shí)際應(yīng)用中，凈環(huán)向應(yīng)力 是不可預(yù)見的，而且可能是壓應(yīng)力或拉應(yīng)力。因此，實(shí)際的間隙往往 根據(jù)保持應(yīng)力平衡的需要，在相應(yīng)情況下分別閉合或打開一定的不可 預(yù)見量。因此，由于缺乏校正措施，因此最終的間隙通常與目標(biāo)間隙 不同。由于芯的磁阻大部份是由間隙確定的，因此在大量生產(chǎn)時(shí)一般 很難恒定地再現(xiàn)已完成芯的磁性。
非晶態(tài)金屬還用于功率更高的器件所用的變壓器，例如標(biāo)有額定
功率為10kVA至1MVA或更高的電力網(wǎng)的配電變壓器。這些變壓器 的芯常常形成分階式重疊的繞組，其大致呈矩形的構(gòu)造。在一種常見 的構(gòu)造方法中，首先形成矩形的芯并對其進(jìn)行退火。然后解開芯，允 許預(yù)成形的繞組穿過芯的長叉腳。在結(jié)合入預(yù)成形的繞組后，重新綁 好疊層并將其固定。Ballard等人的美國專利4，734，975中公開了以這 種方式制造變壓器的一種典型工藝。這種工藝需要大量的人力及操作 步驟，其涉及到很脆的經(jīng)退火的非晶態(tài)金屬帶。這些步驟特別冗長和 困難，以實(shí)現(xiàn)芯的功率小于10kVA。而且，這種構(gòu)造的芯不易于可控 地引入氣隙，但氣隙在許多電感器應(yīng)用中是必不可少的。
盡管以上所述的公開內(nèi)容代表一定的進(jìn)步，然而本領(lǐng)域目前仍需 要一種更先進(jìn)的非晶態(tài)金屬磁元件，這種元件具有優(yōu)越的磁性及物理 性能的組合，能滿足高速高效旋轉(zhuǎn)的電機(jī)及其它非旋轉(zhuǎn)型電感器件的 需要。還需要一種有效地使用非晶態(tài)金屬的構(gòu)造方法，這種方法能用 于大量生產(chǎn)各種類型的電動(dòng)機(jī)和磁元件。
發(fā)明概要
本發(fā)明提供一種呈多面體形狀的低損耗的非晶態(tài)金屬體磁元件， 該元件包括多個(gè)形狀基本一致的非晶態(tài)金屬條層，所述層通過粘合劑 層壓在一起。在本發(fā)明的一個(gè)方面， 一個(gè)或多個(gè)這種元件可用于構(gòu)成 高效率的電驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)機(jī)和感應(yīng)磁器件。本發(fā)明還提供了 一種選擇性地蝕刻非晶態(tài)金屬條原料的方法，以 便形成可用于構(gòu)成低鐵損非晶態(tài)金屬體磁元件的形狀。用語"非晶態(tài) 金屬條"在本申請中指細(xì)長的非晶態(tài)金屬帶材料，即，長度和寬度遠(yuǎn) 大于厚度的帶狀。長和寬方向限定了條的頂部表面和底部表面。
更具體而言，根據(jù)本發(fā)明 一個(gè)實(shí)施例構(gòu)成的磁元件在激勵(lì)頻率
"f，下被激勵(lì)至峰值感應(yīng)水平"Bmax"時(shí)，將在室溫下具有小于"L" 的鐵損，其中L由公式L-0.005f(B咖x)"+0.000012f^(B腿)"給出，鐵 損、激勵(lì)頻率和峰值感應(yīng)水平在測量時(shí)的單位分別為瓦特/千克、赫茲 和特斯拉。優(yōu)選的是，磁元件具有(i)當(dāng)在頻率大約為400Hz并且 通量密度大約為1.3T下操作時(shí)，非晶態(tài)金屬材料的鐵損小于或大致等 于2.8瓦特/千克；(ii)當(dāng)在頻率大約為800Hz并且通量密度大約為 1.3T下操作時(shí)，非晶態(tài)金屬材料的鐵損小于或大致等于5.7瓦特/千克； 或(iii)當(dāng)在頻率大約為2000Hz并且通量密度大約為l.OT下操作時(shí)， 非晶態(tài)金屬材料的鐵損小于或大致等于9.5瓦特/千克。
由于在周期性磁激勵(lì)下的鐵損低，因此本發(fā)明的磁元件可在DC 頻率至20000Hz甚至更高的頻率下操作。與在同樣頻率范圍內(nèi)操作的 傳統(tǒng)硅-鋼磁元件相比，這種元件能具有更高的工作性能。例如，這種 元件的高頻可操作性使其可用于制造能夠比傳統(tǒng)元件構(gòu)成的元件更 高速且更高效地工作的電動(dòng)機(jī)。
本發(fā)明構(gòu)成的非晶態(tài)金屬體磁元件尤其適于用作高效可變磁阻 電動(dòng)機(jī)和渦流電動(dòng)機(jī)的非晶態(tài)金屬定子或定子元件。類似地，非晶態(tài) 金屬體元件可用作鼠籠式電動(dòng)機(jī)、磁阻同步電動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)轍磁阻電動(dòng)機(jī) 中的至少一種轉(zhuǎn)子和定子。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以知道，所述電動(dòng)機(jī) 可包括一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子或一個(gè)或多個(gè)定子。因此，本申請中關(guān)于電動(dòng) 機(jī)的用語"轉(zhuǎn)子"及"定子"指多個(gè)轉(zhuǎn)子或定子，從1個(gè)至3個(gè)或更 多個(gè)。旋轉(zhuǎn)電機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以知道，徑向通量電動(dòng)機(jī)可以如下 所述地構(gòu)成(i)轉(zhuǎn)子位于內(nèi)部，并且其直徑一般小于定子的直徑； 或(ii)具有內(nèi)側(cè)向外(inside-out)式的結(jié)構(gòu)或杯形的結(jié)構(gòu)，其中轉(zhuǎn)子和定子的相對位置和尺寸可互換。本發(fā)明的轉(zhuǎn)子或定子可為一體式 結(jié)構(gòu)，或者為由已知部件連接在一起的多個(gè)子結(jié)構(gòu)的組件，本申請中 公開了所述子結(jié)構(gòu)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員也應(yīng)該知道，這里所用的"電驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)才幾" 是一種一般的概念，指的是各種旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，還包括電動(dòng)式發(fā)電機(jī)以 及可選地作為電動(dòng)式發(fā)電機(jī)的再生電動(dòng)機(jī)。本發(fā)明的磁元件可用于構(gòu) 成任何一種上述的器件。本發(fā)明的應(yīng)用過程中存在很多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu) 點(diǎn)包括制造簡單、制造時(shí)間短、在制造非晶態(tài)金屬體元件時(shí)受到的應(yīng) 力(即磁致伸縮)減小、所完成的非晶態(tài)金屬磁元件的性能最佳，并 且包括所述轉(zhuǎn)子或定子的電驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)機(jī)的效率提高。
一個(gè)或多個(gè)本發(fā)明的體磁元件也可以有效地結(jié)合到電感器件中，
其包括(i)具有帶至少一個(gè)氣隙的磁路并且包括至少一個(gè)低損耗鐵 磁非晶態(tài)金屬體磁元件的磁芯；(ii)至少一個(gè)環(huán)繞至少一部分磁芯 的電繞組；和(iii)一種元件，所述元件包括多個(gè)形狀基本類似的非 晶態(tài)金屬條的平面層，它們相互層疊、對準(zhǔn)并通過粘合劑結(jié)合在一起 從而形成多面體形狀的部件。在激勵(lì)頻率"f，為5kHz下激勵(lì)至峰值 感應(yīng)水平"Bmax"為0.3T下進(jìn)行工作時(shí)，這種電感器件的鐵損小于大 約12W/kg。這種電感器件能用于多種電路應(yīng)用中，例如用作變壓器， 自動(dòng)變壓器、可飽和電抗器或電感器。本發(fā)明的元件尤其可用于采用 了各種開關(guān)^t式電路拓樸結(jié)構(gòu)的功率調(diào)節(jié)型電子設(shè)備的構(gòu)造中。本發(fā) 明的器件可用于單相及多相應(yīng)用，尤其用于三相應(yīng)用。
有利的是，非晶態(tài)金屬體磁元件可以容易地裝配以形成已完成電 感器件的一個(gè)或多個(gè)磁路。在某些方面，元件的相配面相互緊密接觸 以形成具有低磁阻及大致方形B-H回路的器件。然而，通過組裝在相 配面之間具有氣隙的器件，就增加了磁阻，從而為器件提供了改善的 儲(chǔ)能能力，這種能力對許多電感器應(yīng)用有利。氣隙內(nèi)可選地填充有非 》茲性的間隔件。本發(fā)明元件的尺寸及形狀的靈活性允許設(shè)計(jì)者在適當(dāng)優(yōu)化感應(yīng) 元件時(shí)有較寬的自由度，包括能選擇全部芯及一個(gè)或多個(gè)芯內(nèi)的繞線 窗的尺寸和構(gòu)造。選擇性蝕刻尤其在制造任何所需尺寸和形狀的元件 時(shí)是有利的。因此，輕而易舉地減小了器件的總尺寸，并減少了芯的 體積及所需的繞組材料。器件設(shè)計(jì)的靈活性和芯材料的高飽和感應(yīng)能 力對設(shè)計(jì)出尺寸緊湊和高效的電子電路器件而言是有利的。與使用較 低飽和感應(yīng)的芯材料的傳統(tǒng)電感器件相比，指定功率和儲(chǔ)能水平的變 壓器和電感器通常體積更小并且效率更高。由于在周期性^磁激勵(lì)時(shí)的
鐵損低，因此本發(fā)明的磁元件可以在DC頻率至20000Hz甚至更高的 頻率范圍內(nèi)操作。與在同樣頻率范圍內(nèi)操作的傳統(tǒng)石圭-鋼^f茲元件相比， 這種元件能具有更高的操作性能。所述以及其它的所需特性使本發(fā)明 的器件易于定制以適于專門的磁應(yīng)用，例如，用于采用了開關(guān)模式電 路拓樸結(jié)構(gòu)并且切換頻率為lkHz至200kHz或更高的功率調(diào)節(jié)型電子 電路的變壓器或電感器。
本發(fā)明還提供了構(gòu)成非晶態(tài)金屬體磁元件的方法。所述方法包括 以下步驟(i)選擇性地蝕刻非晶態(tài)金屬條材料以形成多個(gè)疊片，各 疊片基本上呈相同的預(yù)定形狀；(ii)將疊片互相對準(zhǔn)地層疊以形成 疊片疊層；和(iii)用粘合劑將疊片疊層粘合在一起。所述方法還可 包括可選的熱處理或退火步驟以提高元件的磁性，或包括一個(gè)可選的 涂覆步驟，其中將一層絕緣涂層施加在元件表面的至少一部分上?？?按多種順序利用包括以下所述技術(shù)在內(nèi)的多種技術(shù)來完成這些步驟。 例如，粘合劑結(jié)合步驟可以在退火步驟之前或之后實(shí)施。優(yōu)選用于實(shí) 施所述方法的非晶態(tài)金屬材料具有大致由式Fe8。BnSi9組成的組分。
所述工藝可選地包括一個(gè)對所述元件進(jìn)行精整以達(dá)到以下至少 一種效果的步驟可選的是，對元件進(jìn)行精整以達(dá)到下述至少一種目 的(i)從所述元件除去多余的粘合劑；(ii)對所述元件進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻?拋光；和(iii)除去材料以確定所述元件的最終尺寸。該工藝還可包括 將疊片退火，以改善元件的磁性。有利的是，在單獨(dú)成形疊片的制造方法中，不存在在繞組時(shí)彎曲 加工條所固有的壓應(yīng)力和張應(yīng)力。形成疊片引起的任何應(yīng)力可能僅限 于小區(qū)域或其周邊附近。然后可選地精整疊片疊層，并除去任何多余 的粘合劑，并對疊片進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻鎾伖?，并確定最終的元件尺寸。
形成本發(fā)明元件的所需疊片形狀可以根據(jù)多種方法實(shí)施，以不排 它的方式包括有機(jī)械磨削切割法，金剛石線法，水平或垂直方位執(zhí)行 的高速銑削，磨料水射流銑削，通過電線或柱塞進(jìn)行的放電機(jī)加工， 電氣化學(xué)磨削，電氣化學(xué)加工，沖壓，激光切割，或通過其它本領(lǐng)域 普ili支術(shù)人員已知的方法。
本發(fā)明的體磁元件優(yōu)選結(jié)合有通過選擇性蝕刻工藝切割的疊片。
一般而言，所述工藝包括以下步驟(i)提供具有第一表面和第二表 面的非晶態(tài)金屬片材；(ii)在所述第一表面上印刷化學(xué)穩(wěn)定性材料， 所印刷的圖案限定了所預(yù)選的形狀；(iii)在所述第二表面上覆蓋防 護(hù)層；(iv)將所述非晶態(tài)金屬片材暴露于腐蝕劑中，以便從所述預(yù) 選形狀外側(cè)的所述第 一表面區(qū)域開始選擇性地蝕刻非晶態(tài)金屬；和 (v)將所述形狀與所述非晶態(tài)金屬片材分開。盡管本發(fā)明的選擇性 蝕刻工藝優(yōu)選用于切割組件的非晶態(tài)金屬件單獨(dú)層以便組裝成非晶 態(tài)金屬體磁元件，然而所述工藝也可用于制作其它應(yīng)用的形狀，例如 硬釬料金屬預(yù)成型坯。
本發(fā)明的選擇性蝕刻工藝有利之處在于，相對于沖壓工藝而言， 它更易于選擇或改變疊片的尺寸和形狀，沖壓工藝需要昂貴的重新設(shè) 計(jì)或重新制作精確的^f莫具組。而且，本發(fā)明的工藝易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的形 狀。
附圖簡介
結(jié)合以下對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例及附圖的詳細(xì)描述，能更全面地 理解本發(fā)明，并且本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)也能更加顯而易見。在所有附圖中釆 用相同的標(biāo)號(hào)來表示類似的部件，其中
圖1A是非晶態(tài)金屬原料層的平面圖，所述原料層已經(jīng)過選擇性 蝕刻而形成了用于構(gòu)成本發(fā)明非晶態(tài)金屬體磁元件的非晶態(tài)金屬環(huán)
形件；
圖1B是圖1A所示的非晶態(tài)金屬原料層在IB-IB處的剖視圖，所
磁元件的非晶態(tài)金屬環(huán)形件；
圖2A是非晶態(tài)金屬原料層的平面圖，所述原料層已經(jīng)過選擇性 蝕刻而形成了用于構(gòu)成本發(fā)明非晶態(tài)金屬體磁元件的非晶態(tài)金屬環(huán) 形件；
圖2B是圖2A所示非晶態(tài)金屬原料層在IIB-IIB處的剖視圖，所 述原料層已經(jīng)過選擇性蝕刻而形成了用于構(gòu)成本發(fā)明非晶態(tài)金屬體 磁元件的非晶態(tài)金屬環(huán)形件；
圖3是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的呈三維矩形的非晶態(tài)金屬體磁元件的透
視圖4A是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的呈棱形的非晶態(tài)金屬體磁元件透視
圖4B是非晶態(tài)金屬體磁元件的透視圖，其具有根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成 的相對設(shè)置的弧形表面；
圖4C是圖4A所示六棱柱體形元件及圖4B所示六段弧形元件所 構(gòu)成的電驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)機(jī)的定子的頂視圖5A是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的電驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)機(jī)的非晶態(tài)金屬體磁定 子的透視圖5B是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的電驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)機(jī)的非晶態(tài)金屬體磁轉(zhuǎn) 子的透視圖5C是由圖5A所示定子及圖5B所示轉(zhuǎn)子構(gòu)成的電驅(qū)動(dòng)式電動(dòng) 機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子的頂視圖5 D是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的用于內(nèi)側(cè)向外式的徑向間隙電驅(qū)動(dòng)式 電動(dòng)機(jī)的非晶態(tài)金屬體磁定子的頂視圖；圖6是用于測試非晶態(tài)金屬體磁元件的組件的透視圖，包括四個(gè)
元件，各元件呈多面體形狀，具有相對設(shè)置的弧形表面，并組裝起來
以形成大致為正圓形的環(huán)形圓柱體；
圖7A是用于構(gòu)成本發(fā)明電感器件的具有帶間隙環(huán)形磁芯的體磁 元件的透視圖7B是由非晶態(tài)金屬條材料選擇性蝕刻而成的用于結(jié)合到圖7A 所示元件中的疊片的平面圖8是本發(fā)明的呈"C-I"形狀的電感器件的透視圖，其由有"C" 和'T，形狀的非晶態(tài)金屬體磁元件裝配而成；
圖9是本發(fā)明的呈"E-r形狀的電感器件的透視圖，其由呈"E" 形及"I"形的非晶態(tài)金屬體磁元件以及設(shè)在"E，，形各個(gè)叉腳上的繞 組裝配而成；
圖10是圖9所示器件的一部分的剖視圖；和
圖ll是本發(fā)明的呈"E-r形狀的電感器件的平面圖，其包括呈 "E"形及"I"形的非晶態(tài)金屬體磁元件、以及裝配在相應(yīng)元件相配 面之間的氣隙及間隔件。
本發(fā)明的詳細(xì)描述
本發(fā)明在 一 方面涉及由非晶態(tài)金屬帶或片材來切割出工件的工 藝，以及結(jié)合有這種工件的低損耗的非晶態(tài)金屬體元件。這種元件又 可用于構(gòu)成多種器件，包括高效率的電感器件和電驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)機(jī)。
本發(fā)明構(gòu)成的大致呈多面體形狀的非晶態(tài)金屬體元件具有各種 幾何形狀，包括但不限于矩形及方棱形。而且，上述任何一種幾何形 狀都可包括至少一個(gè)弧形表面，優(yōu)選具有兩個(gè)相對設(shè)置的弧形表面以 形成大致彎曲的或弧形的非晶態(tài)金屬體元件。本發(fā)明還提供了 一種元 件，其中的多面體形狀一般為圓柱形，并且可包括多個(gè)從大致環(huán)形的 部分開始徑向向內(nèi)或向外地延伸的齒。根據(jù)本發(fā)明，某些類型的電驅(qū) 動(dòng)式電動(dòng)機(jī)的全部定子和轉(zhuǎn)子優(yōu)選采用這種齒形的非晶態(tài)金屬體元件。這些定子和轉(zhuǎn)子可具有一體式的構(gòu)造或可由多個(gè)構(gòu)件組成，并共 同構(gòu)成完整的元件?；蛘撸ㄗ雍?或轉(zhuǎn)子可以是復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括整個(gè) 非晶態(tài)金屬零件或由非晶態(tài)金屬零件與其它磁性材料結(jié)合而成。本發(fā) 明的體磁元件可以結(jié)合到電驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)機(jī)內(nèi)，優(yōu)選為徑向通量型的電 動(dòng)機(jī)。
本發(fā)明還提供了 了一種電感器件，其包括一個(gè)和多個(gè)根據(jù)本發(fā)明 方法切割的非晶態(tài)金屬層裝配而成的體磁元件。電感器件至少有一個(gè) 氣隙，但也可以具有多個(gè)更復(fù)雜形狀的氣隙以及具有多個(gè)磁路，在所 述磁路中電路的磁阻可通過改變所選芯構(gòu)造中的氣隙來進(jìn)行調(diào)節(jié)。
參見附圖1A-1B,顯示了本發(fā)明的用于生產(chǎn)切割形非晶態(tài)金屬材 料的選擇性蝕刻工藝的一個(gè)實(shí)施方式。呈延伸帶350狀的非晶態(tài)金屬 原料具有自由側(cè)351?；瘜W(xué)穩(wěn)定性材料358以形成環(huán)352的圖案的形 式而施加在帶的相對側(cè)353上。保護(hù)性材料358通常施加在表面353 上，除了狹窄的同心外圓形邊界區(qū)354和內(nèi)圓形邊界區(qū)356。自由側(cè) 351覆蓋有防護(hù)層，然后將帶暴露于腐蝕劑中達(dá)到一段所需的時(shí)間。 在一個(gè)實(shí)施例中，防護(hù)層由相同的用于定義側(cè)353形狀的化學(xué)穩(wěn)定性 材料組成?；蛘?，自由側(cè)351與由不明顯受腐蝕劑侵蝕的材料所構(gòu)成 的載體(carrier)層(未示出)結(jié)合在一起。載體條優(yōu)選由耐腐蝕金 屬，例如不銹鋼、鎳基合金如鉻鎳鐵合金、鈦、鉭、鋁或聚合物材料 組成。優(yōu)選用粘合劑將載體條輕輕地粘附于非晶態(tài)金屬條上。載體條 還可通過磁力或靜電力來粘附。在一些實(shí)施方式中，載體條用來在半 連續(xù)或連續(xù)的巻到巻的工藝中通過裝置來輸送帶，以完成至少一些必 要的制造步驟。有利的是，在一些實(shí)施例中載體條可再次使用。防護(hù) 層基本上保護(hù)自由側(cè)351免受侵蝕，但是位于未受材料358保護(hù)的側(cè) 353上的非晶態(tài)金屬被化學(xué)腐蝕，在區(qū)域354及356處產(chǎn)生可選地部 分滲透帶350厚度的溝槽。溝槽削弱了帶，從而令環(huán)352輕易地與帶 350薄片的其余部分分離。在一些實(shí)施例中，暴露于腐蝕劑更長時(shí)間會(huì)完全腐蝕溝槽，從而完全將環(huán)352分離。暴露時(shí)間太短則不能充分 削弱帶，而不能用合理的力進(jìn)行分離。
本發(fā)明選擇性蝕刻工藝的一種相關(guān)實(shí)施方式如圖2A-2B所示。在 這種實(shí)施方式中，外邊界區(qū)354'是對向的略小于360。的圓弧。化學(xué)穩(wěn) 定性材料358覆蓋圓的其余部分。因此，蝕刻工藝留出一個(gè)接片(tab) 361，通過該接片，環(huán)352'在蝕刻后仍與帶薄片連接，而不管帶350 暴露于獨(dú)刻劑的時(shí)間是否足以完全地腐蝕并穿透區(qū)域354'及356'處溝 槽的帶的厚度。在其它實(shí)施例中，可在工件周圍設(shè)置多個(gè)這種接片。
優(yōu)選的是，反復(fù)實(shí)施圖1-2所示的方法以形成一系列例如環(huán)352 的零件，這些零件以固定的間隔而沿著非晶態(tài)金屬條原料的長度方向 排列。在選擇性蝕刻后，零件保持在原料之上并且可以被進(jìn)一步處理。 更優(yōu)選的是，在蝕刻后原料繞在線軸上達(dá)一段延伸的帶長度，并且大 量的蝕刻后零件連接在帶上?？蛇x的是，載體層可以保持與帶連接， 但是載體也可以在蝕刻操作之后但在材料再次繞組之前除去。另外， 如圖1-2所述的工藝可以輕易地應(yīng)用于半連續(xù)或連續(xù)的巻到巻工藝 中。選擇圖1-2實(shí)施例所述的部分是為了方便闡述，使環(huán)的形狀相對 簡單，本發(fā)明的工藝也可以易用于制造其它復(fù)雜的形狀。有利的是， 可用本發(fā)明的工藝形成具有多個(gè)特征的形狀，例如多齒型電動(dòng)機(jī)疊 片，同時(shí)不需要傳統(tǒng)沖壓工藝中所需的制備及維護(hù)復(fù)雜沖壓模具的費(fèi) 用。因此，本發(fā)明的工藝尤其適用于這種零件的快速成型或高效大批 量的生產(chǎn)。
很多工藝都適用于將化學(xué)穩(wěn)定性材料施加在帶表面之一的一部 分上，以在蝕刻操作的準(zhǔn)備階段形成本發(fā)明工件的預(yù)選形狀。優(yōu)選的 是，原料表面的一些對應(yīng)于所需形狀的區(qū)域涂覆有防護(hù)材料，所需形 狀外的區(qū)域沒有涂覆?；瘜W(xué)穩(wěn)定性材料保護(hù)涂覆區(qū)域免受蝕刻劑侵 蝕，非保護(hù)區(qū)域則受到腐蝕。
施加化學(xué)穩(wěn)定性材料時(shí)優(yōu)選采用印刷工藝。印刷指任何將穩(wěn)定性 材料的預(yù)選圖案快速地在原料材料表面上復(fù)制的工藝。許多已知的印刷工藝都可用于本發(fā)明，包括光刻、凸板印刷、凹板印刷和絲網(wǎng)印刷 方法。除此以外，靜電印刷和噴墨沉積方法也適用。在許多所述工藝 中，沉積可以通過連續(xù)添加原料來完成，而不需要其中部分原料陸續(xù) 到位并開始在某區(qū)域沉積材料的分度運(yùn)動(dòng)。所需的分度操作需要啟動(dòng) 及終止材料，從而使工藝自動(dòng)化復(fù)雜化并導(dǎo)致經(jīng)常性的錯(cuò)誤材料添 加、中斷及需要人工操作或干預(yù)的其它問題。用于金屬條材料的傳統(tǒng) 兩面光刻工藝經(jīng)常需要這種分度步驟。
上述的單面選擇性蝕刻工藝比現(xiàn)有的適用于金屬條材料的光刻 蝕刻方法具有顯著得多的優(yōu)點(diǎn)。后一種方法通常需要圖案在原料的兩 側(cè)相互對準(zhǔn)地形成，尤其當(dāng)生產(chǎn)的零件尺寸要求不那么嚴(yán)格時(shí)，例如， 條兩側(cè)的光刻模具的精確對準(zhǔn)時(shí)，將偶然尺寸公差控制在約1微米內(nèi)。 然而，用于磁元件的許多零件不需要這種嚴(yán)格的尺寸控制，IO微米內(nèi) 的公差都是可以接受的。因此，成形單面防護(hù)層的沉積以及其它的成 形工藝可以更高的效率和更高的速度來實(shí)施，而不需要蝕刻圖案在帶 原料的相對側(cè)精確對準(zhǔn)，因此降低了復(fù)雜性和生產(chǎn)單個(gè)零件的成本。
本發(fā)明的各零件的選擇性蝕刻是這樣完成的，通過將包含形成圖 案的穩(wěn)定劑的原料 一 側(cè)暴露于腐蝕劑足夠長時(shí)間以獲得理想的蝕刻 深度，所述腐蝕劑可以是氣態(tài)的，但優(yōu)選為液體，例如強(qiáng)酸。在一些 實(shí)施例中，暴露持續(xù)的時(shí)間足以將工件和余下薄片之間區(qū)域的材料除 去，直至原料的整個(gè)深度，這樣，所需部分就從原料薄片的余下部分 斷開。而在其它實(shí)施例中，暴露持續(xù)的時(shí)間較短，這樣蝕刻劑不會(huì)穿 透整個(gè)深度，而留下弱化部分而限定了所需部分及余下薄片之間的邊 界?？蛇x的是，在蝕刻步驟完成后，可從帶表面除去化學(xué)穩(wěn)定性材料。 可以使用多種技術(shù)，包括在適當(dāng)溶劑中溶解材料、分解、或機(jī)械刮削， 磨蝕等等。
有利的是，圖1-2所示的工藝實(shí)施例有助于對體磁元件的選擇性
蝕刻部分進(jìn)行隨后處理及進(jìn)行結(jié)合。優(yōu)選的是，所關(guān)注工件與非晶態(tài)程中能輕易地分離。如上所述，蝕刻可以除去邊界區(qū)中的大部份厚度，
優(yōu)選為至少約50%，更優(yōu)選為至少約80%?；蛘?，外圍邊界層的一部 分可以基本上完全被穿透，而其它部分未被穿透，這樣工件通過少數(shù) 接片而仍然與帶薄片保持連接，如圖2A-2B所示的至少一個(gè)接片。在 任一所述方法中，機(jī)械操作，例如人工分離或簡單的人工或自動(dòng)沖壓 操作可隨后用于除去及收集所需量的工件來組裝成體元件。這種沖壓 操作容易操作得多而且比傳統(tǒng)的沖壓技術(shù)要求更低，傳統(tǒng)的沖壓技術(shù)
必須精確地切割工件，而且不能形成預(yù)定的弱化區(qū)。自動(dòng)的在線工藝 按順序包括，從供帶巻軸上輸送帶原料，對工件和薄片進(jìn)行如上所述 的選擇性蝕刻，分離工件并聚集各工件的沖壓步驟，并且在收巻巻軸 上收集余下薄片，優(yōu)選采用這種流水線工藝，因?yàn)樯a(chǎn)效率高、并且 成本效率高。
以上所述工藝有利地用于制作非晶態(tài)金屬疊片層，并將其用于大 致多面體狀的非晶態(tài)金屬電動(dòng)機(jī)體元件中。這里使用的用語"多面體" 指的是多面的或側(cè)面的實(shí)心體，包括但不限于，三維的矩形、方形、 梯形和棱形。除此以外，任何上述幾何形狀都可包括至少一個(gè)，優(yōu)選 兩個(gè)相互對立的弧形表面或側(cè)面，以形成大致弧形形狀的元件。本發(fā) 明的元件還可具有大致圓柱形的形狀。圖3所示磁元件10由多個(gè)形 狀大致一致的非晶態(tài)金屬條材料層20組成，材料層20被層壓在一起 并進(jìn)行退火。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的并且在激勵(lì)頻率"f，下被激勵(lì)至峰值 感應(yīng)水平"Bmax"的三維磁元件IO在室溫下的鐵損約小于"L"，其中L 由公式I^0.005f(B腿)"+0.000012F(B腿)"給出，鐵損、激勵(lì)頻率和 峰值感應(yīng)水平的測量單位分別為瓦特/千克、赫茲和特斯拉。在某些優(yōu) 選的實(shí)施例中，磁元件具有(i)當(dāng)在頻率為大約400Hz和通量密度 為大約1.3特斯拉(T)下操作時(shí)，非晶態(tài)金屬材料的鐵損小于或大約等 于2.8瓦特/千克；(ii)當(dāng)在頻率為大約800Hz和通量密度為大約1.3T 下操作時(shí)，非晶態(tài)金屬材料的鐵損小于或大約等于5.7瓦特/千克；或(iii)當(dāng)在頻率為大約2000Hz和通量密度為大約l.OT下操作時(shí)，非 晶態(tài)金屬材料的鐵損小于或大約地等于9.5瓦特/千克。
本發(fā)明的元件的優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)元件或其任一部分在沿著大致處于 所含非晶態(tài)金屬件的平面中的任意方向而被磁激勵(lì)時(shí)，元件的鐵損較 低。本發(fā)明元件的較小鐵損又提供了包含該元件的電動(dòng)機(jī)或電感器件 的效率。低鐵損值使本發(fā)明的體磁元件尤其適用于電動(dòng)機(jī)，其中高極 數(shù)(pole count)或高轉(zhuǎn)速所需要高頻率的磁激勵(lì)，例如，高于100Hz 激勵(lì)。傳統(tǒng)鋼在高頻率時(shí)固有的高鐵損常常使其不適用于要求高頻率 激勵(lì)的電動(dòng)機(jī)。這些鐵損性能值適用于本發(fā)明的所有實(shí)施例，而與非 晶態(tài)金屬體元件的特定幾何形狀無關(guān)。
圖4A所示的磁元件100 —般呈棱形，優(yōu)選包括五個(gè)側(cè)面110或 表面。五邊形的多面體元件100由多個(gè)非晶態(tài)金屬條材料20的層組 成，所述各層的尺寸及形狀大致相同，條材料20層疊、層壓在一起， 然后進(jìn)行退火。
由圖4B所示的磁元件200包括至少一個(gè)、優(yōu)選為兩個(gè)相對設(shè)置 的弧形表面210?；⌒蔚脑?00由多個(gè)非晶態(tài)金屬條材料20層組成， 所述各層的尺寸及形狀大致相同，條材料20層疊、層壓在一起，然 后進(jìn)行退火。
圖4C所示的非晶態(tài)金屬體磁元件300可以用作徑向間隙電驅(qū)動(dòng) 式電動(dòng)4幾的定子，并且由六個(gè)石茲元件100和六個(gè)》茲元件200組成。
圖5A所示的非晶態(tài)金屬體磁元件400通常為圓形，包括多個(gè)大 致矩形的朝向圓形元件400中心的徑向向內(nèi)延伸的齒410。元件400 包括非晶態(tài)金屬條材料20的多個(gè)層，所述各層的尺寸及形狀大致相 同，條材料20層疊、層壓在一起，然后進(jìn)行退火。根據(jù)圖5A實(shí)施例 構(gòu)成的非晶態(tài)金屬體元件可以用作徑向氣隙的電驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)機(jī)的定 子。
圖5B所示的非晶態(tài)金屬體元件500通常呈圓盤狀，包括多個(gè)徑 向向外延伸的大致矩形的齒510。元件500由非晶態(tài)金屬條材料20的多個(gè)層組成，所述各層的尺寸及形狀大致相同，條材料20層疊、層 壓在一起，然后進(jìn)行退火。根據(jù)圖5B實(shí)施例構(gòu)成的非晶態(tài)金屬體元 件可以用作徑向氣隙的電驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子。
接下來參見圖5C，定子400和轉(zhuǎn)子500為根據(jù)本發(fā)明的非晶態(tài) 金屬體元件，并作為高效徑向氣隙電驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)機(jī)600的一部分。該 電動(dòng)機(jī)還包括繞組以及可旋轉(zhuǎn)地支撐與定子400對準(zhǔn)的轉(zhuǎn)子500的軸 承，這是電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的。
圖5D所示的體非晶態(tài)元件800可以用作高效率的內(nèi)側(cè)向外式徑 向氣隙電驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)機(jī)中的定子。元件800包括多個(gè)形狀基本上相同 的疊片20。各疊片20包括具有大致環(huán)形尺寸和形狀的中心部分810， 以及多個(gè)/人中心部分810徑向向外延伸的齒形部分820。齒形部分820 通常簡稱為齒。疊片20可通過任何適當(dāng)?shù)墓に嚩懈畛伤栊螤睿?優(yōu)選選擇性蝕刻的方法。然后將疊片互相對準(zhǔn)地層疊，并通過粘合劑 的浸漬將疊片結(jié)合在一起以形成元件800。浸漬的作用是將粘合劑分 散并滲透到疊片之間，使得各疊片至少一部分表面覆蓋著粘合劑。在 元件800用作電驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)機(jī)定子的操作中，中心部分810用作護(hù)鐵， 即，通過齒820出入定子的》茲通線的磁通返回路徑。各個(gè)齒820在元 件800的外周圓附近的齒端處有加寬部分830。各個(gè)齒820接近中心 部分810的部分840通常稱為齒根。繞組槽口 850是通過相鄰齒對820 之間的間隙形成。當(dāng)元件800用作電動(dòng)機(jī)定子時(shí)，電繞組(未示出) 環(huán)繞各個(gè)齒820，穿過該齒旁邊的繞組槽口 850。在操作電動(dòng)機(jī)時(shí)， 繞組受到電流的流動(dòng)的激勵(lì)，以提供磁通勢。可通過電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域中多 種已知的方法將各齒的繞組互連并通電。
本發(fā)明還提供了一種構(gòu)造低損耗的體元件的方法。 一方面，使用 非晶態(tài)金屬條制備單個(gè)所需形狀的疊片，然后將其層疊成三維的疊片 疊層并將其結(jié)合在一起。疊片可以用任何適當(dāng)?shù)姆椒ㄇ懈?，但?yōu)選選 擇性蝕刻。所述結(jié)合優(yōu)選包括施加及激活粘合劑而將疊片相互粘合的 步驟，這樣疊片疊層具有足夠的機(jī)械及結(jié)構(gòu)完整性，而使元件在成品器件中有可處理及可操作性?？蛇x的是，對元件進(jìn)行精整以達(dá)到下述
至少一種目的(i)除去多余的粘合劑；(ii)給所述元件適當(dāng)?shù)谋砻鎾伖猓?和(iii)除去材料以確定所述元件的最終尺寸。這種方法還包括可選的 改善元件磁性的退火步驟。所述方法的步驟可以按照多種順序及使用 多種技術(shù)來實(shí)施，包括本申請中所闡述的技術(shù)以及本領(lǐng)域的技術(shù)人員 公知的其它技術(shù)。
尤其優(yōu)選用不生成毛邊或其它邊緣缺損的方法來形成疊片。更具 體而言，在某些工藝及條件下，會(huì)形成所述這些及其它的從疊片平面 突出的缺陷。這些缺陷常常造成層與層之間的電短路，電短路繼而又 不利地增加元件的鐵損。
有利的是，選擇性地蝕刻某零件通常能大大地減少或避免這種邊 緣缺陷的情況。選擇性蝕刻的零件尤其展示出圓緣以及在最接近邊緣 處所述零件的厚度逐漸變小，這樣就減少了在所述零件的疊層中出現(xiàn) 如上所述的層與層之間的短路的可能性。另外，這種有粘合劑的疊層 的浸漬可以通過改善錐形邊緣附近的燈芯作用及毛細(xì)作用得到改進(jìn)。 設(shè)置一個(gè)或多個(gè)穿過各疊片的小孔可進(jìn)一步改善浸漬。當(dāng)各個(gè)疊片相 互對準(zhǔn)地層疊時(shí)，這些孔可以對準(zhǔn)以形成槽道，通過所述槽道浸漬劑 容易流動(dòng)，這樣可以保證浸漬劑至少在各疊片與相鄰疊面結(jié)合的表面 大部分區(qū)域上的分布更加合理。還可以在各疊片中加入其它例如表面 槽道和槽口等的結(jié)構(gòu)，用作增強(qiáng)浸漬劑流動(dòng)的工具。在光蝕刻的疊片 中，可以容易并有效地設(shè)置上述的孔和流動(dòng)增強(qiáng)工具。另外，可以在 疊片疊層中插入各種間隔件以促進(jìn)流動(dòng)的改善。
在許多情形下，在沖壓前進(jìn)行可選的適度的熱處理而對采用沖壓 或類似操作而從帶薄片上取下各工件有幫助的這一實(shí)施例，可以有利 地改變非晶態(tài)金屬的機(jī)械性能。具體而言，熱處理在某種程度上降低 了非晶態(tài)金屬的展延性，從而在沖壓工藝中斷裂前可限制非晶態(tài)金屬 的機(jī)械變形量，以及限制所需的機(jī)械的沖4莫力。非晶態(tài)金屬展延性的
25降低可以減少因非晶態(tài)金屬變形而造成的沖壓和模具材料的直接磨 削和磨損。
本發(fā)明使用粘合劑將非晶態(tài)金屬條材料的多個(gè)工件或疊片以相 互間適當(dāng)對準(zhǔn)的方式而粘合在一起，從而形成體三維物體。這種結(jié)合 提供了足夠的結(jié)構(gòu)完整性以允許本發(fā)明的元件能夠得到處理及使用， 或能加入其它更大的結(jié)構(gòu)中去。適合的粘合劑有很多種，包括環(huán)氧樹
脂類、清漆、厭氧粘合劑、氰基丙烯酸鹽粘合劑及室溫硫化(RTV) 硅酮材料。粘合劑優(yōu)選具有低粘性、低收縮率、低彈性模量、高剝落 強(qiáng)度、耐高溫能力以及高介電強(qiáng)度。粘合劑可以覆蓋各疊片表面區(qū)域 的任何部分，覆蓋程度足以使相鄰疊片相互充分結(jié)合，從而保證足夠 強(qiáng)度而使完成的元件具有足夠的機(jī)械完整性。粘合劑基本上可以覆蓋 大致整個(gè)表面區(qū)域。環(huán)氧樹脂類可為通過化學(xué)活化而固化的多組分 式，或者是通過熱活化或紫外線活化而固化的單組分式。粘合劑優(yōu)選 具有小于1000cps的粘性，其熱膨脹系數(shù)大約等于金屬的熱膨脹系數(shù)， 或?yàn)榇蠹s10ppm。 一種優(yōu)選的粘合劑為P.D.George公司銷售的商品號(hào) 為Epoxylite 8899的熱活化型環(huán)氧樹脂。本發(fā)明器件的粘合優(yōu)選是使 用這種環(huán)氧樹脂浸漬而完成的，用丙酮以體積比為1:5將其進(jìn)行稀釋， 從而降低其粘性并提高帶的層與層之間的滲透性。另 一優(yōu)選的粘合劑 為National Starch and Chemical Company 7>司銷'售的商品名為 Permabond 910FS的甲基氰基丙烯酸鹽粘合劑。本發(fā)明器件的粘合優(yōu) 選通過施加這種粘合劑，使該粘合劑通過毛細(xì)作用而在帶的層之間滲 透來進(jìn)行的。Permabond 910FS是單組分的低粘性液體，其在室溫下 在處于潮濕中時(shí)5秒內(nèi)就會(huì)固化。
適當(dāng)?shù)氖┘诱澈蟿┑姆椒òńn、噴涂、刷涂及靜電沉積。在 條狀或帶狀的形式下，還可以通過使金屬經(jīng)過用于將粘合劑傳遞至非 晶態(tài)金屬的棒或輥?zhàn)?，來完成非晶態(tài)金屬的涂覆。輥?zhàn)踊虬舻谋砻娲?糙，例如凹板印刷或繞線型輥?zhàn)佑绕淠苡行У卦诜蔷B(tài)金屬上均勻地 涂覆粘合劑。每次在一層非晶態(tài)金屬層上施加粘合劑，可在切割前或切割后施加于條材料上，或在切割后施加于各個(gè)層?；蛘?，粘合劑可 在疊片層疊后施加在整個(gè)疊層上。優(yōu)選的是，可通過疊片間的粘合劑 的毛細(xì)管流動(dòng)將粘合劑浸漬于疊層之間。浸漬可在室溫及壓力下實(shí) 施?？蛇x但是優(yōu)選的是，將疊層置于真空或靜壓下，使浸漬更徹底， 同時(shí)最小化加入的粘合劑的總體積，從而保證了高的層疊因素。優(yōu)選 使用低粘性的粘合劑，例如環(huán)氧樹脂或氰基丙烯酸鹽粘合劑。溫?zé)徇€ 可以降低粘合劑的粘性，因此促進(jìn)了疊片層間的滲透。根據(jù)需要可以 活化粘合劑以改善結(jié)合。在粘合劑經(jīng)過任何需要的活化和固化后，對 元件進(jìn)行精整，除去任何多余的粘合劑，對元件進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻鎾伖?br>
以及確定最終的所需元件尺寸。如果在至少約175。C的溫度下實(shí)施， 則粘合劑的活化或固化還可用于影響磁性，本申請的下文中將會(huì)詳細(xì)描述。
對本發(fā)明元件的精整還可包括將外涂層施加于其外表面的至少 一個(gè)部分上。適當(dāng)?shù)耐繉影ㄍ苛?、漆、清漆、或樹脂?？捎酶鞣N方 法施加涂層，包括在浴槽或流化床中噴涂和浸漬?？墒褂煤谢虿缓?溶劑載體的簡單噴涂技術(shù)?；蛘撸o電或電泳沉積技術(shù)也可以適用。
如果需要，精整操作還可包括除去任何多余的涂層。這種工藝尤其對 具有多余的材料存在于相互旋轉(zhuǎn)零件間的緊密空隙中的電動(dòng)機(jī)元件 有利。外涂層有利地使元件上電繞組的絕緣構(gòu)造免受金屬最邊緣區(qū)的 磨損，并且用于捕集任何將從元件上脫落或受永磁體吸引的薄片或其 它材料，否則這些材料將不適當(dāng)?shù)芈涞诫妱?dòng)機(jī)或其附近結(jié)構(gòu)中。
本申請7>開的構(gòu)造方式特別適用于》茲元件，例如電驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)機(jī) 的定子和轉(zhuǎn)子及不旋轉(zhuǎn)的電感器件。磁元件的制造簡單化，制造時(shí)間 縮短，使用其它方法構(gòu)造非晶態(tài)金屬體元件時(shí)受到的應(yīng)力降至最低。 所得到的元件磁性能最佳。本申請描述的各種工藝步驟可以按照這里 所列舉的順序或可以按照其它相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的順序來實(shí) 施。本發(fā)明的非晶態(tài)金屬體磁元件可以用許多種非晶態(tài)金屬合金來 制造。 一般而言，適用于制造本發(fā)明元件的合金由公式M70-85Yl2oZo.20
來限定，下標(biāo)表示原子百分率，其中"M"至少為Fe、 Ni和Co中的 一種，"Y"至少為B、 C和P中的一種，"Z"至少為Si、 Al和Ge中 的一種，條件是(i)高達(dá)10個(gè)原子百分率的組分M可以由金屬 Ti、 V、 Cr、 Mn、 Cu、 Zr、 Nb、 Mo、 Ta和W中的至少一種來取代， (ii)高達(dá)10個(gè)原子百分率的組分(Y+Z)可以由非金屬In、 Sn、 Sb 和Pb中的至少一種來取代。本申請中使用的用語"非晶態(tài)金屬合金" 指基本上沒有任何長程有序的金屬合金，該合金的特征為其X射線衍 射強(qiáng)度峰值定性地類似于液體或無機(jī)氧化物玻璃的X射線衍射強(qiáng)度 峰值。
適用作實(shí)施本發(fā)明所用原料的非晶態(tài)金屬合金能在市場上獲得， 通常呈連續(xù)的薄條或薄帶狀，寬度至20cm或更寬，厚度約為20-25 微米。這些合金具有大致完全玻璃狀的微觀結(jié)構(gòu)(例如材料體積的至 少約80%具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu))。優(yōu)選合金中大致100%的材料具有非晶 態(tài)結(jié)構(gòu)。非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的體積分?jǐn)?shù)可以通過本領(lǐng)域中已知的方法確定， 例如X射線、中子、電子衍射、透射電子顯微鏡術(shù)或者差示掃描量熱 法。對于其中"M" 、 "Y"、及"Z"分別地至少主要為鐵、硼和硅 的合金而言，能以最低成本獲得合金的最高感應(yīng)值。因此，合金優(yōu)選 包含至少70原子百分率的Fe，至少5原子百分率的B,和至少5原 子百分率的Si,條件是B和Si的總含量至少為15原子百分率。由鐵 -硼-硅合金組成的非晶態(tài)金屬條是更為優(yōu)選的。最優(yōu)選的是，非晶態(tài) 金屬條包括大約11原子百分率的硼和大約9原子百分率的硅，其余 成分為4失和雜質(zhì)。Honeywell International Inc7iS司銷售這種約1.56T飽 和感應(yīng)以及約137|tiQ-cm電阻率的合金條，商品名為]\1￡101^8@合金 2605SA-1。另一合適的非晶態(tài)金屬條的成分包括大約13.5原子百分率 的硼、約4.5原子百分率的硅和約2原子百分率的碳，其余成分為鐵 和雜質(zhì)。Honeywell International Inc.公司銷售這種約1.56T飽和感應(yīng)以
28及約137nQ-cm電阻率的合金條，商品名為,101^8@合金2605SC。 對于需要更高飽和感應(yīng)的應(yīng)用而言，基本上包括鐵、約18原子百分 率的Co、約16原子百分率的硼、約l原子百分率的硅、其余成分為 鐵和雜質(zhì)所形成的條是適于的。Honeywell International Incy^司銷售 這種合金條，商品名為METG1^^^金2605CO。然而，用這種材料 構(gòu)成的元件的損耗會(huì)稍稍高于用]^￡丁01^^@合金26058八-1構(gòu)成的元 件。
本領(lǐng)域才支術(shù)已知，鐵磁材料可由其飽和感應(yīng)來表征，或由其々包和 通量密度或磁化來表征。適用于本發(fā)明的合金優(yōu)選有至少約1.2特斯 拉(T)的飽和感應(yīng)，更優(yōu)選具有至少約1.5T的飽和感應(yīng)。該合金還 具有高電阻率，優(yōu)選為至少約100nQ-cm,最優(yōu)選為至少約130pQ-cm。
指定用于元件的非晶態(tài)金屬條的機(jī)械及磁性能一般可通過在足
致完全玻璃狀的微觀結(jié)構(gòu)并不發(fā)生改變。熱處理包括加熱部分、可選 的浸泡部分和冷卻部分?？蛇x擇性地在至少一個(gè)部分期間將^f茲場施加 于條上，例如至少在熱處理的冷卻部分期間。在給定磁元件的操作過 程中，基本上沿著通量所處方向施加/f茲場，這種優(yōu)選的^f茲場施加方式 在某些情況下進(jìn)一步增加了元件的磁性以及減少了其鐵損。可選的 是，熱處理包括一次以上的這種熱循環(huán)。而且， 一次或多次熱處理循 環(huán)可在元件制造的不同階段進(jìn)行。例如，分散的疊片或疊片疊層可在 粘合劑結(jié)合之前或之后進(jìn)行熱處理。優(yōu)選的是，熱處理在粘合前進(jìn)行， 因?yàn)楹芏嘤形Φ恼澈蟿┙?jīng)受不住熱處理所需的溫度。
非晶態(tài)金屬的熱處理可采用任何能使金屬具有理想熱剖面的加 熱手段。適當(dāng)?shù)募訜崾侄伟t外線熱源、烤箱、流化床、與高溫?zé)?沉的接觸，通過在條中通電流進(jìn)行的電阻加熱，以及感應(yīng)(RF)加熱。 加熱手段的選擇可取決于以上列舉的處理步驟的順序。
適用于元件的某些非晶態(tài)合金的磁性可通過對合金進(jìn)行熱處理 以形成納米晶微觀結(jié)構(gòu)而大大得到改進(jìn)。這種微觀結(jié)構(gòu)的特征為，其中存在一種平均尺寸小于約100納米的高密度晶粒，優(yōu)選小于50納 米，更優(yōu)選為大約10-20納米。晶粒優(yōu)選占鐵基合金體積的至少50%。 這些優(yōu)選材料的鐵損低，并且磁致伸縮低。磁致伸縮低這一性能還使 材料受到制造和/或操作電動(dòng)機(jī)或電感器件所導(dǎo)致的應(yīng)力而出現(xiàn)磁性 退化的影響變小。在給定合金中形成納米晶結(jié)構(gòu)所進(jìn)行的熱處理必須 比保持基本上完全玻璃狀的微觀結(jié)構(gòu)而進(jìn)行的熱處理的溫度更高或 時(shí)間更長。本申請所用的非晶態(tài)金屬和非晶態(tài)合金還包括一種最初形 成基本上完全玻璃狀的微觀結(jié)構(gòu)而隨后通過熱處理或其它工藝轉(zhuǎn)變 成一種有納米晶微觀結(jié)構(gòu)材料的材料?？赏ㄟ^熱處理而形成納米晶微 觀結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)合金通常可簡稱為納米晶合金。本發(fā)明的方法可以用 納米晶合金來制備理想幾何形狀的體磁元件。在合金經(jīng)過熱處理形成 納米晶結(jié)構(gòu)之前，當(dāng)合金仍然處于其鑄造的、有延性的、大致非晶態(tài) 的形式時(shí)，更有利于所述的這種制備，因?yàn)橥ㄟ^熱處理形成納米晶結(jié) 構(gòu)通常使合金更脆和更難于處理。
兩種通過在其中形成納米晶微觀結(jié)構(gòu)以改進(jìn)磁性的優(yōu)選合金由 下列公式給出，其中下標(biāo)為原子百分率。
第一種優(yōu)選納米晶合金是Fe跡u-x，-wRuTxQyBzSiw，其中R為Ni 和Co中的至少一種，T為Ti、 Zr、 Hf、 V、 Nb、 Ta、 Mo和W中的 至少一種，Q為Cu、 Ag、 Au、 Pd和Pt中的至少一種，u的范圍為從 0至大約10, x的范圍為從大約3至12， y的范圍為從0至大約4， z 的范圍為從大約5至12， w的范圍為從0至大約小于8。在這種合金 經(jīng)過熱處理而在其中形成納米晶微觀結(jié)構(gòu)后，它就具有高的飽和感應(yīng) (例如，至少大約1.5T)、低的鐵損和低的飽和磁致伸縮(例如，磁 致伸縮的絕對值小于4xl(T6)。這種合金尤其適合用于為達(dá)到所需額 定功率而需要使尺寸最小化的器件中。
第二種優(yōu)選納米晶合金為Fe1()o+x-y-z-wRuTxQyBzSiw,其中R為Ni 和Co的至少一種，T為Ti、 Zr、 Hf、 V、 Nb、 Ta、 Mo和W中的至 少一種，Q為Cu、 Ag、 Au、 Pd和Pt中的至少一種，u的范圍為從O
30至大約IO， x的范圍為從大約l至5， y的范圍為從0至大約3， z的 范圍為從大約5至12， w的范圍為從8至18。在這種合金經(jīng)過熱處 理而在其中形成納米晶微觀結(jié)構(gòu)后，它具有至少大約l.OT的飽和感 應(yīng)，特別低的鐵損以及低的飽和磁致伸縮(例如，磁致伸縮的絕對值 小于4xl0—6)。這種合金尤其適合用于需要在高激勵(lì)頻率(例如在 1000Hz或更高頻率)下操作的元件，例如在極高速的電動(dòng)機(jī)或高頻率 的電感器或變壓器。
非晶態(tài)體磁元件比由其它鐵基磁性金屬制成的元件能更高效地
磁化及去磁。在操作中，當(dāng)兩種元件在相同的感應(yīng)和頻率下磁化時(shí)， 非晶態(tài)金屬體元件比由另 一鐵基磁性金屬制成的元件所產(chǎn)生的熱量 更少。因此，使用非晶態(tài)金屬體元件的電驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)成可在下 列情況下工作(i)更低的工作溫度；(ii)更高的感應(yīng)，以使其尺 寸和重量減??；或(iii)更高的頻率，當(dāng)與采用其它鐵基磁性金屬所 制成的元件的電驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)機(jī)相比較時(shí)，其尺寸和重量減小或運(yùn)動(dòng)控 制得以改善。
另外的優(yōu)點(diǎn)在于，包含本發(fā)明的非晶態(tài)金屬體元件的電動(dòng)機(jī)可設(shè) 計(jì)有高的極數(shù)。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電激勵(lì)頻率和極數(shù)之比值成正比。本 申請所公開的對低鐵損元件的使用就允許可在比其它已知軟磁材料 制傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)所用頻率高得多的頻率下進(jìn)行電激勵(lì)，因?yàn)橐阎洿挪?料的鐵損更高。因此，設(shè)計(jì)者有更大的自由度來為給定的速度選擇極 數(shù)和激勵(lì)頻率?？梢赃x擇一種高極數(shù)電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)操作在最大 速度下具有可接受的鐵損，但同時(shí)在較寬范圍的激勵(lì)頻率下(因此能 在較寬范圍的轉(zhuǎn)速下)保持可接受的功率和扭矩性能。在一些應(yīng)用中， 這種靈活性意味著可以無需通過變速箱就能直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，這樣避免 了變速箱的復(fù)雜性、保養(yǎng)需求及效率的降低。
本技術(shù)領(lǐng)域中已知，鐵損是指在鐵磁材料的磁化隨時(shí)間而變化時(shí) 在鐵磁材料內(nèi)部出現(xiàn)的能量消散。通常通過循環(huán)地激勵(lì)元件來確定給 定磁元件的鐵損。隨時(shí)間變化的磁場施加在元件上，在元件內(nèi)產(chǎn)生相
31應(yīng)的隨時(shí)間變化的磁感應(yīng)或通量密度。為了使測量標(biāo)準(zhǔn)化，激勵(lì)一般 選擇成使得樣品內(nèi)的磁感應(yīng)均勻并且磁感應(yīng)隨著頻率"f，下的時(shí)間以 及隨著峰值幅度Bmax而呈正弦曲線地變化。然后，通過已知電測量儀 器及技術(shù)來確定鐵損。傳統(tǒng)上，損耗是以瓦特/單位質(zhì)量或單位體積的 激勵(lì)磁性材料而記錄的。本技術(shù)領(lǐng)域中已知，損耗隨著f和Bm^而單 調(diào)地增加。測量電動(dòng)機(jī)元件所用軟磁材料的鐵損的大部分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程[例
如ASTM標(biāo)準(zhǔn)A912-93和A927 (A927M-94)]要求一種位于基本閉 合磁路中的材料樣品，即，其中閉合磁通線完全包含于樣品體積內(nèi)的 一種構(gòu)造。另一方面，電動(dòng)機(jī)元件如轉(zhuǎn)子或定子等所采用的磁性材料 位于磁開放電路中，即其中磁通線橫穿氣隙的一種構(gòu)造。由于邊緣場 效應(yīng)及磁場的不均勻性，在開放電路內(nèi)測試的給定材料通常展示出更 高的鐵損，即，每單位質(zhì)量或體積的瓦特值比閉合電路中所測的相應(yīng) 值更高。有利的是，本發(fā)明體磁元件即使在開放電路構(gòu)造中也能在較 寬通量密度和頻率的范圍內(nèi)展示出低的鐵損。
不受任何理論束縛，相信本發(fā)明低損耗非晶態(tài)金屬體元件的總鐵 損由來自磁滯損耗和渦流損耗的值組成。所述兩個(gè)值均為峰值磁感應(yīng)
Bmax及激勵(lì)頻率f的函數(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)中對非晶態(tài)金屬內(nèi)的鐵損的分析
(例如G.E.Fish, J.Appl.Phys.2， 3569(1985)和G.E.Fish等人， J.Appl.Phys.M, 5370(1988))通常限于從處于閉合磁路中的材料上獲得 的數(shù)據(jù)。
本發(fā)明體磁元件的每單位質(zhì)量的總鐵損L ( Bmax,f)基本上可由函 數(shù)L(B醒,f卜cf(B匪)n+c^(B鵬;r來限定，其中系數(shù)c和C2，指數(shù)n、 m和q必須都根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而定，而沒有已知的理論來精確地確定其值。 使用這種公式，就允許可在任何所需要的工作感應(yīng)和激勵(lì)頻率下確定 本發(fā)明體磁元件的總鐵損。經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，在許多特定幾何形狀的磁器件 內(nèi)，尤其在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和定子內(nèi)，磁場在空間分布上是不均勻的。例 如有限元模型的建模等是本領(lǐng)域現(xiàn)有的用于評(píng)價(jià)峰值通量密度隨空 間和時(shí)間變化的技術(shù)，這種變化非常接近于在實(shí)際電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)內(nèi)測到的通量密度分布。導(dǎo)入用于在空間分布均勻的通量密度下確定給 定材料磁芯損耗的適當(dāng)經(jīng)驗(yàn)公式，這種技術(shù)可以通過對元件體積進(jìn)行 數(shù)值積分，而以適當(dāng)?shù)木_度來預(yù)測給定元件在操作構(gòu)造中的相應(yīng)實(shí) 際鐵損。
可以通過各種本領(lǐng)域已知的方法來測量本發(fā)明磁元件的鐵損。下 面將介紹尤其適用于測量本發(fā)明元件的方法。這種方法包括使用本發(fā) 明的磁元件及通量封閉結(jié)構(gòu)裝置形成磁路?？蛇x的是，磁路可包括多 個(gè)本發(fā)明的磁元件以及一個(gè)通量封閉結(jié)構(gòu)裝置。通量封閉結(jié)構(gòu)裝置優(yōu) 選包括一種具有高的導(dǎo)磁率并且飽和通量密度至少等于測試元件時(shí) 的通量密度的軟磁材料。優(yōu)選的是，軟磁材料的飽和通量密度至少等 于元件的飽和通量密度。元件測試所沿著的通量方向通常形成了元件 的第 一和第二相對面。磁通線一般沿著正交于第 一相對面平面的方向 進(jìn)入元件。磁通線通常沿著非晶態(tài)金屬條的平面而從第二相對面中穿 出。通量封閉結(jié)構(gòu)裝置通常包括通量封閉磁元件，所述封閉磁元件優(yōu) 選根據(jù)本發(fā)明而構(gòu)成，但也可以根據(jù)本領(lǐng)域已知的方法和材料構(gòu)成。 通量封閉磁元件也具有第一和第二相對面，磁通線通常以正交于其各 自平面的方向而進(jìn)入并穿出所述相對面。通量封閉元件的相對面的尺 寸和形狀基本上與磁元件的相應(yīng)面相同，通量封閉元件在實(shí)際測試中 與所述的相應(yīng)面相配。通量封閉磁元件設(shè)置成與其第一和第二面形成 相配的關(guān)系，所述第一面和第二面分別緊密地接近和相當(dāng)接近本發(fā)明 磁元件的第一和第二面。通過在環(huán)繞本發(fā)明磁元件或環(huán)繞通量封閉磁 元件的第一繞組中通電流，來施加磁通勢。所得通量密度通過法拉第 定律由環(huán)繞待測試磁元件的第二繞組內(nèi)所感應(yīng)出的電壓來確定。施加 的磁場通過安培定律由磁通勢確定。然后用傳統(tǒng)的方法通過所加磁場 和所得通量密度來計(jì)算鐵損。
圖6描述了用于實(shí)施上述不要求通量封閉結(jié)構(gòu)裝置的一種測試方 法的組件60。組件60包括四個(gè)本發(fā)明的弧形非晶態(tài)金屬體磁元件 200。各個(gè)元件200^4本上相同的正圓形、環(huán)形和圓柱形的對向90。的弧形段，其帶有圖4B所示的弧形表面210。每一元件具有第一相對 面66a和第二相對面66b。元件200設(shè)置成相配的關(guān)系，以形成通常 具有正圓形的圓柱體的組件60。每一元件200的第 一相對面66a都接 近并且通常平行于相鄰元件200的相應(yīng)的第一相對面66a。四組元件 200的相鄰面因此而限定了四個(gè)環(huán)繞組件60等距間隔開的間隙。元件 200可通過帶62緊密結(jié)合。組件60形成一種具有四個(gè)可穿透段(各 段包括一個(gè)元件200)和四個(gè)間隙64的^茲路。兩個(gè)銅線繞組(未示出) 螺旋式地穿過組件60。適當(dāng)強(qiáng)度的交流電通過第一繞組并提供磁通 勢，該磁通勢在所需的頻率和峰值通量密度下激勵(lì)組件60。所得到的 磁通線通常位于條20的平面內(nèi)并沿著圓周方向。在每一元件200內(nèi)， 在第二繞組內(nèi)感應(yīng)出代表隨時(shí)間變化的通量密度的電壓?？傝F損由電 壓和電流的測量值通過傳統(tǒng)電子方式來確定，并等量地分配于四個(gè)元 件200中。
在本發(fā)明的另一方面，在電感器件中結(jié)合有低損耗非晶態(tài)金屬體 磁元件是有利的。詳見圖7A,圖7A顯示了本發(fā)明的包括磁芯650的 電感器件，該磁芯包括呈圓環(huán)狀的帶有內(nèi)置氣隙660的單一非晶態(tài)金 屬體元件。如圖7B清楚顯示，由非晶態(tài)金屬條切出形狀基本相似的 多個(gè)平面層652。然后將這些層對準(zhǔn)地層疊，并用粘合劑結(jié)合在一起。 也就是說，將這些層652定位成使得它們各自的內(nèi)側(cè)和外側(cè)邊緣 656,654和槽口 657大致對準(zhǔn)，以形成平滑的大致呈圓柱形的內(nèi)側(cè)和 外側(cè)表面。所述對準(zhǔn)可以在將每一層652依次加到疊層中來完成。或 者，可以在層疊完成后將層排成一組。對準(zhǔn)的槽口一起限定了氣隙 660，其中間隔件(未示出)可選地插入面658和658'之間。
每一層呈大致環(huán)形的形狀，并具有外側(cè)邊緣654和內(nèi)側(cè)邊緣656。 每一層652中都形成了從外側(cè)邊緣654延伸至內(nèi)側(cè)邊緣656的槽口 65 。 選擇槽口 657的寬度使得在完成的芯650內(nèi)獲得適當(dāng)?shù)耐舜乓蜃?。?652通過粘合劑結(jié)合起來，優(yōu)選使用低粘性的環(huán)氧樹脂662進(jìn)行浸漬。 在所描述的方面中，層為圓形的環(huán)，但是其他非圓形的形狀也是可以的，例如橢圓形、跑道形及任何縱橫比的方形和矩形圖框形狀。任何
實(shí)施例中的層的內(nèi)側(cè)或外側(cè)頂部都可選地呈輻射式。所示槽口 657顯 示為沿著徑向方向，但是也可以在從內(nèi)側(cè)邊緣656延伸至外側(cè)邊緣654 的任何方位中形成。另外，槽口 657可以形成所述的大致矩形形狀， 或?yàn)殄F形的形狀，或者可以具有適當(dāng)?shù)耐庑我员阍诖判镜腂-H回路上 獲得理想效果。本發(fā)明的電感器件的構(gòu)造還包括在芯上設(shè)置至少一個(gè) 圓環(huán)繞組(未示出)。
本發(fā)明的選擇性蝕刻工藝特別優(yōu)選用于制造小零件，因?yàn)橄鄬Χ?言其自動(dòng)化更容易，而且能夠更緊密及可重現(xiàn)地控制成品層的尺寸。 這種控制又能夠大批量地生產(chǎn)包括均勻尺寸疊片的芯，這種芯因而具 有極好的且均勻的磁性。本發(fā)明的制造方法與帶繞組的芯結(jié)構(gòu)相比還 有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)閷l彎曲成螺旋結(jié)構(gòu)時(shí)固有的壓應(yīng)力和張應(yīng)力不再 存在于扁形的疊片中。任何由切割、沖孔、蝕刻等導(dǎo)致的應(yīng)力可能僅 限于小面積區(qū)域或接近各疊片的周邊區(qū)域。
在本發(fā)明的另 一方面，使用了類似的制造工藝以形成結(jié)合在非晶 態(tài)金屬體磁元件中的層，所述非晶態(tài)金屬體磁元件的整體形狀通常類 似例如"C" 、 "U" 、 "E，，及'T，等印刷體字母，通過這些字母能 識(shí)別所述元件。每一個(gè)元件包括非晶態(tài)金屬的多個(gè)平面層。這些層按 大致相同的高度和包裝密度而相互對準(zhǔn)地結(jié)合在一起，以形成用于本 發(fā)明電感器件的元件。本發(fā)明裝置的多個(gè)元件是通過將元件固定于與 固定部件相鄰的位置而裝配起來的，從而形成至少一個(gè)磁路。在裝配 好的構(gòu)造中，所有元件內(nèi)的非晶態(tài)金屬條層位于大致平行的平面內(nèi)。 每一個(gè)元件具有至少兩個(gè)的彼此相鄰的相配面，它們與其它元件上 的互補(bǔ)相配面數(shù)量相同并且與之平行。 一些形狀，例如C、 U和E形 終止于一般大致共面的相配面中。I形(或矩形的棱形)在其相對端 處可具有兩個(gè)平行的相配面，或在其長側(cè)具有一個(gè)或多個(gè)相配面，或 者同時(shí)設(shè)置了這兩種相配面。相配面優(yōu)選基本上垂直于元件內(nèi)組成帶的平面，以便使鐵損最小。本發(fā)明的一些實(shí)施例還包括這樣的體磁元 件，其具有相對于元件特征的細(xì)長方向而斜接的相配面。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，當(dāng)形成有單一磁路的電感器件時(shí)，使 用具有兩個(gè)相配面的兩個(gè)磁元件。在其它方面，元件有多于兩個(gè)的相
配面，或者器件具有多于兩個(gè)的元件；因此， 一部分這些實(shí)施例還提 供了兩個(gè)以上的磁路。在本申請中，用語"磁路，，指由于環(huán)繞至少一 部分磁路的帶電繞組所產(chǎn)生的外加磁通勢使得連續(xù)磁通線流動(dòng)所經(jīng) 過的路徑。閉合磁路是指磁通專門地位于磁性材料芯內(nèi)的磁路，而在 開放電路中，部分磁通路位于材料芯的外部，例如橫穿氣隙或芯部分 之間的非磁性間隔件。本發(fā)明器件的磁路優(yōu)選相對閉合，磁通路大部 分位于器件元件的磁層內(nèi)，但也穿過相應(yīng)元件的鄰近相配面之間的至 少兩個(gè)氣隙。電路的開放程度可通過由氣隙及可穿透磁芯材料對總磁 阻的貢獻(xiàn)來規(guī)定。優(yōu)選的是，在本發(fā)明器件的磁路的磁阻中，由間隙 引起的電阻至多為由可穿透元件所引起的電阻的十倍。
可選地，元件的制造包括在元件上制備相配面的步驟，所述面基 本上為平面并垂直于組成層。如有必要，制造面的步驟可包括精整相 配面并除去任何粗糙或不平的平整操作。平整操作優(yōu)選包括銑削、表 面磨削、切割、拋光、化學(xué)蝕刻和電化學(xué)蝕刻等類似操作中的至少一 種，以提供平面的相配面。平整步驟尤其優(yōu)選用于位于元件一側(cè)的相 配面，以抵消因非晶態(tài)金屬層的不完全對準(zhǔn)而產(chǎn)生的任何影響。
具體見圖8，圖8描述了本發(fā)明的大致呈"C-I"狀的電感器件 30，其包括"C"狀的磁元件32和呈'T，狀的磁元件33。 "C"元件 32還包括第一邊叉腳29和第二邊叉腳44，它們均從背部分34的共 同側(cè)開始垂直地延伸，并終止于第一矩形的相配面43和第二矩形的 相配面45的遠(yuǎn)端處。相配面一般是大致共面的。邊叉腳29和44沖 背部分34—側(cè)的相對端延伸出。'T'元件33是矩形的棱形，有第一 矩形的相配面42和第二矩形的相配面46，這兩者均位于元件33的共 同側(cè)。相配面42和46之間在尺寸和間隔方面與元件32的叉腳29和
3644末端處的相應(yīng)相配面43和45互補(bǔ)。邊叉腳29和44、邊叉腳之間 的背部分34以及I元件33均有大致矩形的幾何截面，它們優(yōu)選都具 有基本上相同的高度、寬度和有效磁區(qū)域。有效磁區(qū)域指在幾何截面 內(nèi)由磁性材料占據(jù)的區(qū)域，該區(qū)域等于總幾何區(qū)域乘于層疊系數(shù)。本 領(lǐng)域技術(shù)已知，可以在器件30的元件上施加一個(gè)或多個(gè)繞組，例如 在C元件32的相應(yīng)叉腳29及44上施加繞組47和48?；蛘?，繞組可 以施加于實(shí)施例(未示出)中的I元件33上。
圖9-ll描述本發(fā)明的"E畫I"器件80,其包括"E，，及T狀的 構(gòu)成元件。E元件82包括多個(gè)由鐵磁金屬條制備而成的多個(gè)層。每一 層呈基本相同的E-形狀。這些層結(jié)合在一起以形成厚度基本均勻的E 元件82，該元件具有背部分84、中心叉腳86E、第一邊叉腳90和第 二邊叉腳94。中心叉腳86以及邊叉腳90、 94均從部分84的共同側(cè) 開始垂直地延伸，并各自終止于矩形面87、 91及95的遠(yuǎn)端處。中心 叉腳86從背部分84的中心延伸出，而邊叉腳90和94各自從背部分 84同一側(cè)的相對端上延伸出。中心叉腳86和邊叉腳90、 94的長度通 常大致相同，使得相應(yīng)面87、 91和95基本上共面。如圖10所示， 中心叉腳86和任一邊叉腳90和94之間的背部分84的A-A截面基本 上呈矩形，其厚度由層疊層的高度限定，其寬度由每層的寬度限定。 背部分84的A-A截面優(yōu)選與面87、 91和95中任一個(gè)至少一樣寬。
I元件81具有矩形的棱形形狀，并包括采用了與E元件82內(nèi)層 所用鐵磁金屬條相同的多個(gè)層。這些層結(jié)合在一起以形成厚度基本均 勻的I件81。1元件81的厚度和寬度基本上等于背部分84在剖面A-A 處的厚度和寬度，其長度基本上等于E元件82在邊叉腳90、 94外側(cè) 表面之間所測得的長度。在I元件81 —側(cè)中心處設(shè)有相配面88,而 第一端相配面92和第二端相配面96位于元件81同一側(cè)的相對端處。 每一個(gè)相配面87、 91及95的尺寸分別與面88、 92和96的尺寸基本 上相同。如圖9和11進(jìn)一步所示，器件80的裝配包括(i)提供一個(gè)或 多個(gè)電繞組，例如繞組77、 78及79，其環(huán)繞元件82或81的一個(gè)或 多個(gè)部分；(ii)將E元件82和I元件81對準(zhǔn)成緊密排列在一起， 其中所有層處于大致平行的平面內(nèi)；和(iii)將元件81和82機(jī)械地 固定成并列位系。對準(zhǔn)元件82和81，使得面87與88， 91與92, 95 與96分別相鄰靠。各組面之間的間隔形成了三個(gè)厚度基本相同的氣 隙。間隔件89、 93和97可選地置于這些間隙內(nèi)，以提高器件80內(nèi) 每一磁路的磁阻和儲(chǔ)能能力。或者，相應(yīng)面可以緊密相配地接觸，以 使氣隙最小并且提高初始感應(yīng)系數(shù)。
"E-I"器件80可以結(jié)合到具有初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的單相變壓 器中。在一個(gè)這樣的實(shí)施方式中，繞組79用作初級(jí)繞組，而在串聯(lián) 的輔助繞組77和78用作次級(jí)繞組。在這種實(shí)施方式中，優(yōu)選的是， 每一個(gè)邊叉腳90和94的寬度至少為中心叉腳86寬度的一半。
圖9-11的實(shí)施方式提供了三條磁路，其路徑如"E-r器件80中 虛線51、 52和53所示。因此，器件80可以用作三相電感器，其中 三個(gè)叉腳均各自帶有用于三相中一相的繞組。在另一實(shí)施方式中，
"E-I"器件80可以用作三相變壓器，每一個(gè)叉腳均具有用于三相中 一相的初級(jí)和次級(jí)繞組。在用于三相電路的E-I器件的大部^f分實(shí)施方 式中，優(yōu)選叉腳86、 90和94具有相同的寬度，以便更好地平衡三相。 在某些專門設(shè)計(jì)中，不同的叉腳可以具有不同的截面、不同的間隙或 不同的匝數(shù)。適于各種多相應(yīng)用的其它形式對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言 是顯而易見的。
提供了以下實(shí)例，以便更全面地理解本發(fā)明。所提供的用于闡述 本發(fā)明原理和實(shí)踐的特定技術(shù)、條件、材料、比例和所列數(shù)據(jù)是例舉 性的，并應(yīng)視為限制了本發(fā)明的范圍。
實(shí)例1
非晶態(tài)金屬定子的制備及測試用于內(nèi)側(cè)向外式主軸電驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)機(jī)的非晶態(tài)金屬定子的疊片
是通過選擇性蝕刻工藝從大約22微米厚的Fe8oBnSi9非晶態(tài)金屬帶上 切下。各疊片包括一個(gè)中心的一般呈圓環(huán)狀的環(huán)形區(qū)，及多個(gè)從中心 環(huán)形區(qū)徑向向外地延伸的齒，大致如圖5D所示。環(huán)形區(qū)的內(nèi)徑和外 徑分別大約為9毫米和11毫米。在齒周邊測得的元件外徑為大約25 毫米。疊片在350-400°C溫度下進(jìn)行熱處理達(dá)0.5-3個(gè)小時(shí)，以改進(jìn) 其軟磁性。然后將大約120個(gè)疊片層疊起來，以形成大致圓柱形的高 度約為4.2毫米的結(jié)構(gòu)。將疊層浸泡于低粘性的熱活化型環(huán)氧樹脂中， 樹脂可以浸漬并滲入相鄰疊片之間的間隔。所使用的環(huán)氧樹脂為 Epoxylite 8899，按照體積比為1:5用丙酮進(jìn)行稀釋，以獲得適當(dāng)?shù)?粘性。將疊層在夾具中相互對準(zhǔn)并輕輕進(jìn)行施壓至高度大約為4毫米， 以提高疊層的壓實(shí)密度。然后將浸漬后的疊層暴露于大約177。C溫度 下將近2.5小時(shí)，以便活化并固化環(huán)氧樹脂溶液。在冷卻后，將疊層 從夾具中取出，通過電泳涂覆上3M的ScotchCast 電工樹脂5133, 以形成適用于內(nèi)側(cè)向外式電動(dòng)^L的定子。
通過附上環(huán)繞中心環(huán)形區(qū)的初級(jí)和次級(jí)電繞組，來測試定子的》茲 性。初級(jí)繞組由所需頻率和幅度的AC電流源激勵(lì)；所得到的最大通 量密度是由穿過次級(jí)繞組處的感應(yīng)電壓計(jì)算得出，假設(shè)磁通完全實(shí)施 在中心環(huán)形區(qū)內(nèi)，有效地忽略了齒根附近處的任何通量。調(diào)整激勵(lì)以 提供一系列規(guī)定頻率和通量密度的測試點(diǎn)。用Yokogawa2532瓦特計(jì) 來確定鐵損。
本實(shí)施例中的定子芯在/人DC直至高達(dá)至少2kHz的頻率幅度內(nèi) 展示出有利的低鐵損。值得注意的是，在50Hz (0.05kHz)及1.0T下 的損耗為大約0.21W/kg;在400Hz ( 0.4kHz)及1.0T下的損耗為大約 1.6W/kg，同一頻率下以及在UT下為2.8W/kg;在800Hz (0.8kHz) 及1.0T下的損耗為大約3.3W/kg,同一頻率下以及在1.3T下為 5.7W/kg;在2000Hz (2kHz)及l(fā).OT下的損耗大約為9.5W/kg,同一 頻率下以及在1.3T下為14.8W/kg。
39還應(yīng)注意的是，定子芯的損耗表現(xiàn)可以通過函數(shù)
L(B,，f)-df(B,)n+c^(B皿;T來描述。尤其是，定子的損耗小于利用 函數(shù)L = 0.005(B臓)"+0.000012f5(B咖x)"估計(jì)的值。
所得的低鐵損值使定子芯尤其適合用于高轉(zhuǎn)速的電動(dòng)機(jī)中，在這 種電動(dòng)機(jī)中，電頻率可以高達(dá)l-2kHz或更高。
實(shí)例2
納米晶合金矩形棱柱的制備
內(nèi)側(cè)向外式主軸電動(dòng)機(jī)定子的疊片通過對約30毫米寬和0.018 毫米厚的Fe73.5CUlNb3B9Si13.5非晶態(tài)金屬帶進(jìn)行光刻來制成。各疊片 包括一個(gè)通常呈圓環(huán)形狀的中心環(huán)形區(qū)，該中心環(huán)形區(qū)具有多個(gè)從中 心環(huán)形區(qū)徑向向外延伸的齒，通常如圖5D所示。環(huán)形區(qū)具有相鄰的 分別約為9毫米和11毫米的內(nèi)徑和外徑。在齒周邊測得的元件外徑 為大約25毫米。將疊片通過熱處理，以便在非晶態(tài)金屬內(nèi)形成納米 晶微觀結(jié)構(gòu)。通過實(shí)施以下步驟來進(jìn)行退火1 )加熱零件至580°C; 2 )在大約580°C的溫度下保持約1小時(shí)；和3 )使零件冷卻至室溫。 然后將大約160個(gè)經(jīng)熱處理后的疊片層疊起來，以形成大致圓柱形的 高約4.2毫米的結(jié)構(gòu)，將其浸入低粘性的熱活化型環(huán)氧樹脂中，這種 樹脂能夠浸漬并滲入相鄰疊片之間的空間里。所用的環(huán)氧樹脂為 Epoxylite 8899,以體積比為1:5用丙酮進(jìn)行稀釋以獲得適當(dāng)?shù)恼承浴?將疊層在夾具中相互對準(zhǔn)并輕輕壓至大約4毫米的高度，以提高疊層 的壓實(shí)密度。然后將浸漬后的疊層暴露于大約177。C的溫度下將近2.5 小時(shí)，以便活化并固化環(huán)氧樹脂溶液。在冷卻后，將疊層從夾具中取 出，通過電泳涂覆上3M的ScotchCast 電樹脂5133以形成適用于內(nèi) 側(cè)向外式電動(dòng)機(jī)的定子。
通過附上環(huán)繞中心環(huán)形區(qū)的初級(jí)和次級(jí)電繞組，來測試定子的磁 性。初級(jí)繞組由所需頻率和幅度的AC電流源激勵(lì)；所得到的最大通 量密度是由穿過次級(jí)繞組處的感應(yīng)電壓計(jì)算得出，假設(shè)磁通完全實(shí)施
40在中心環(huán)形區(qū)內(nèi)，而有效地忽略了齒根附近處的任何通量。調(diào)整激勵(lì)
以提供一系列規(guī)定頻率和通量密度的測試點(diǎn)。用Yokogawa2532瓦特 計(jì)來確定鐵損。
納米晶合金定子顯示出低的鐵損。值得注意的是，在50Hz (0.05kHz)及1.0T下的損耗為大約0.21W/kg;在400Hz ( 0.4kHz) 及l(fā).OT下的損耗為大約1.6W/kg，在同一頻率下以及在1.3T下為 2.8W/kg;在800Hz(0.8kHz)及1.0T下的損耗為大約3.3W/kg，在同 一頻率下以及在1.3T下為5.7W/kg;在2000Hz ( 2kHz )及l(fā).OT下的 損耗為大約9.5W/kg,在同一頻率下以及在1.3T下為14.8W/kg。因此， 定子適用于高速高效率的電驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)機(jī)。
在對本發(fā)明進(jìn)行了相當(dāng)全面的詳細(xì)描述之后，可以理解，并不一 定要嚴(yán)格遵循這些細(xì)節(jié)，而是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可預(yù)見到各種變化或 更改，所有這些變化或更改都屬于所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明范圍 內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電感器件，包括a)磁芯，所述磁芯具有帶至少一個(gè)氣隙的磁路，并且包括至少一個(gè)低損耗鐵磁非晶態(tài)金屬體磁元件；b)至少一個(gè)電繞組，所述電繞組環(huán)繞所述磁芯的至少一部分；c)所述元件包括多個(gè)形狀大致相似的、非晶態(tài)金屬條的相互間層疊且對準(zhǔn)的平面層，所述平面層通過粘合劑結(jié)合在一起以形成多面體形狀的部分；和d)所述電感器件當(dāng)在激勵(lì)頻率“f”為5kHz時(shí)激勵(lì)至峰值感應(yīng)水平“Bmax”為0.3T下操作時(shí)，其鐵損小于約12W/kg。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電感器件，其特征在于，所述器件選 自變壓器、自動(dòng)變壓器、飽和電抗器和電感器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電感器件，其特征在于，所述磁芯包 括多個(gè)所述低損耗的鐵磁非晶態(tài)金屬體磁元件，各所述磁元件具有至 少兩個(gè)相配面，所述磁元件并列地裝配，使得各所述相配面貼近并基 本上平行于另一所述元件的相配面之一。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電感器件，其特征在于，各所述元件 的形狀選自C、 E、 I、 U、梯形及弧形。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電感器件，其特征在于，各所述元件 的形狀選自E-I、 E-E、 C-I、 C-C和C-I-C形。
6. —種用于構(gòu)造低鐵損的非晶態(tài)金屬體磁元件的方法，包括下 列步驟a) 選擇性地蝕刻非晶態(tài)金屬條材料，以形成多個(gè)各自具有基本相 同預(yù)定形狀的疊片；b) 將所述疊片互相對準(zhǔn)地層疊，以形成疊片疊層；和c) 利用粘合劑結(jié)合所述疊片疊層。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 下列步驟a)精整所述元件以達(dá)到至少一個(gè)以下目的(i)從所述元件上除去 多余的粘合劑；(ii)對所述元件進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻鎾伖?；?iii)除去材料 以確定所述元件的最終元件尺寸。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 下列步驟a)對所述疊片進(jìn)行退火，以提高所述元件的磁性。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述退火步驟在 所述粘合劑結(jié)合步驟之后實(shí)施。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述退火步驟在 所述粘合劑結(jié)合步驟之前實(shí)施。
11. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 下列步驟a)用絕緣涂層劑來涂覆所述元件表面的至少一部分。
12. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 下列步驟a)在所述元件上制備至少兩個(gè)相配面，所述面是基本上平面的， 并且垂直于所述層。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述制備步驟 包括平整操作，所述平整操作包括對所述相配面進(jìn)行銑削、表面磨削、 切割、拋光、化學(xué)蝕刻和電化學(xué)蝕刻中的至少一種。
14. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述粘合劑結(jié)合 步驟包括對所述疊片疊層進(jìn)行浸漬處理。
15. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述粘合劑包括 選自單組分和雙組分的環(huán)氧樹脂類、清漆、厭氧粘合劑、氰基丙烯酸 鹽粘合劑及室溫^琉化(RTV)硅酮材料中的至少一種成分。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述粘合劑包 括低粘性的環(huán)氧樹脂。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述粘合劑具 有小于大約1000cps的粘性。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述粘合劑具 有小于大約10ppm的熱膨脹系數(shù)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述粘合劑具 有小于大約10ppm的熱膨脹系數(shù)。
20. —種根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法構(gòu)成的低鐵損的非晶態(tài)金屬 體磁元件。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的低鐵損的非晶態(tài)金屬體磁元件，其 特征在于，所述元件在激勵(lì)頻率"f，下激勵(lì)至峰值感應(yīng)水平BmaxT 操作時(shí)，具有小于約"L "的鐵損，其中，L由公式 L二0.005f(Bmax)"+0.000012f^(B皿)"來給出，所述鐵損、所述激勵(lì)頻 率和所述峰值感應(yīng)水平的測量單位分別為瓦特/千克、赫茲和特斯拉。
22. —種用于生產(chǎn)具有預(yù)選形狀的切割型非晶態(tài)金屬零件的工 藝，包括下列步驟a) 提供具有第 一表面和第二表面的非晶態(tài)金屬片材；b) 將化學(xué)穩(wěn)定性材料按照限定了預(yù)選形狀的圖案而印刷于所述 第一表面上；c) 用防護(hù)層覆蓋所述第二表面；d) 將所述非晶態(tài)金屬片材暴露于腐蝕劑中，以便從所述第一表面 的處于所述預(yù)選形狀外側(cè)的區(qū)域開始選擇性地蝕刻非晶態(tài)金屬；和e) 將所述形狀與所述非晶態(tài)金屬片材分離。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的工藝，其特征在于，所述印刷步驟 包括選自平面印刷術(shù)、凸板印刷、凹板印刷、絲網(wǎng)印刷、靜電印刷和 噴墨沉積印刷方法中的至少 一種印刷方法。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的工藝，其特征在于，所述印刷步驟 在所述非晶態(tài)金屬片材的連續(xù)運(yùn)動(dòng)過程中沉積所述化學(xué)穩(wěn)定性材料。
25. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的工藝，其特征在于，所述限定了所 述預(yù)選形狀的圖案和所述防護(hù)層包括基本上相同的化學(xué)穩(wěn)定性材料。
26. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的工藝，其特征在于，所述防護(hù)層包 括載體條。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的工藝，其特征在于，所述載體條包 括選自不銹鋼、鎳基合金、鈦、鉭和鋁中的至少一種金屬。
28. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的工藝，其特征在于，所述載體條由 聚合物材料構(gòu)成。
29. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的工藝，其特征在于，所述暴露步驟 持續(xù)一段足以顯著地弱化所述形狀與所述片材的連接的時(shí)間。
30. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的工藝，其特征在于，所述暴露步驟 持續(xù) 一 段足以穿透所述片材的時(shí)間，從而將所述形狀與所述片材分 離。
31. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的工藝，其特征在于，所述形狀包括 至少一個(gè)將所述形狀連接于所述片材其余部分上的接片。
32. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的工藝，其特征在于，所述分離步驟 包括將所述形狀從所述非晶態(tài)金屬片材上切斷的沖壓操作。
33. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電感器件，其特征在于，所述器件當(dāng) 在激勵(lì)頻率"f，激勵(lì)至峰值感應(yīng)水平Bm肌下操作時(shí)，具有小于約"L" 的鐵損，其中，L由公式I^0.005f(Bmax)"+0.000012p(B腿y'6來給出， 所述鐵損、所述激勵(lì)頻率和所述峰值感應(yīng)水平的測量單位分別為瓦特 /千克、赫茲和特斯拉。
全文摘要
一種電感器件，包括a)磁芯，磁芯具有帶至少一個(gè)氣隙的磁路，并且包括至少一個(gè)低損耗鐵磁非晶態(tài)金屬體磁元件；b)至少一個(gè)電繞組，電繞組環(huán)繞磁芯的至少一部分；c)元件包括多個(gè)形狀大致相似的、非晶態(tài)金屬條的相互間層疊且對準(zhǔn)的平面層，平面層通過粘合劑結(jié)合在一起以形成多面體形狀的部分；和d)電感器件當(dāng)在激勵(lì)頻率“f”為5kHz時(shí)激勵(lì)至峰值感應(yīng)水平“B<sub>max</sub>”為0.3T下操作時(shí)，其鐵損小于約12W/kg。本發(fā)明還披露了用于構(gòu)造低鐵損的非晶態(tài)金屬體磁元件的方法和用于生產(chǎn)具有預(yù)選形狀的切割型非晶態(tài)金屬零件的工藝。本發(fā)明的非晶態(tài)金屬體磁元件的工作特性大大優(yōu)于在相同頻率范圍內(nèi)工作的硅-鋼元件的工作特性。
文檔編號(hào)H02K1/02GK101552092SQ20091000292
公開日2009年10月7日 申請日期2004年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月25日
發(fā)明者C·E·克羅格爾, G·E·費(fèi)希, N·J·德克里斯托法羅, S·M·林奎斯特 申請人:梅特格拉斯公司