用于电动机的块状非晶体金属磁元件的制作方法

专利名称：用于电动机的块状非晶体金属磁元件的制作方法
相关申请的相互引用本申请是在1998年11月6日申请的序列号为09/187656的名称为“Bulk Amorphous Metal Magnetic Components For Electric Motors”的部分继续申请。
背景技术：
发明领域本发明涉及一种非晶体金属磁元件，更具体说，涉及一种具有一般呈多面体形状的块状非晶体金属磁元件的高效率的电动机。
现有技术电动机一般包括由多个无定向的电工钢的层叠叠片组构成的磁元件。在各种磁阻电动机和涡流电动机中，定子由层叠的叠片组制成。在鼠笼式电动机、磁阻同步电动机和开关磁阻电动机中，定子和转子都由层叠的叠片组制成的。每个叠片组一般通过把在机械上软的、无定向的电工钢模压、冲压或切割成所需的形状制成的。然后，把制成的叠片组层叠在一起并连接在一起而形成转子和定子。
虽然和无定向电工钢相比，非晶体金属提供了优良的磁性能，但是长期来，由于它们的某些物理性能和相应的制造限制，一直认为它们不适用于块状磁元件，例如电动机的定子和转子。例如，非晶体金属比无定向电工钢薄而硬，并因而导致制造工具和模具的较快的磨损。引起的加工和制造成本的增加使得利用这种技术制造块状非晶体金属磁元件在商业上是不实际的。非晶体金属的厚度使得在装配的元件中的叠片组的数量增加，这进一步增加了非晶体金属的转子或定子磁部件的总的成本。
非晶体金属一般以具有均匀的带宽的薄的连续的带的形式供应。不过，非晶体金属是非常硬的材料，这使得要实现容易的切割和加工是非常困难的，并且一旦退火而达到最大磁性能，则变为非常脆。这使得利用常规的方法来制造块状非晶体金属磁元件是困难而昂贵的。在例如电动机的应用中，非晶体金属的脆性也引起对块状磁元件的耐用性的担心。
块状非晶体金属磁元件的另一个问题是，当非晶体金属材料受到物理应力时，其导磁率减少。根据在非晶体金属材料上的应力的强度，导磁率的减少程度可能是相当大的。当块状非晶体金属磁元件受到应力时，铁心引导或会聚磁通的效率被减小，因而引起较高的磁损失、增加发热和减少功率。由于非晶体材料的磁致伸缩性质，在电动机的工作期间，由磁力和机械力而产生的应力，由机械夹持或其它方式固定所述块状非晶体金属磁元件而产生的机械应力，或者非晶体金属材料的热膨胀或磁饱和引起的膨胀而产生的内应力都会引起所述的应力敏感性。
对于某种高速电动机，不允许具有一般电工钢具有的铁心损失。在这种情况下，迫使设计者使用坡莫合金作为替代物。不过，伴随的饱和磁感应的减少(例如，各种坡莫合金为0.6-0.9T，而普通电工钢为1.8-2.0T)使得必须增加由坡莫合金或其变形物构成的磁元件的尺寸。此外，坡莫合金的所需的软磁特性受在相对低的应力下可能发生的塑性变形的不可逆的不利影响。这种应力在坡莫合金元件的制造或工作期间可能发生。
发明概述本发明提供一种低损耗的块状非晶体金属磁元件，其具有多面体的形状，并由多层非晶体金属条构成，用于高效率的电动机中。此外，本发明还提供一种用于制造所述块状非晶体金属磁元件的方法。所述磁元件可在大约为50赫兹-20000赫兹的频率范围内工作，并且和在相同频率范围内工作的硅钢磁元件相比，具有改善的性能特性。更具体地说，按照本发明构成的并在激励频率“f”下被激励到峰值感应值“Bmax”的磁元件在室温下具有小于“L”的铁心损失，其中L由下式给出L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4，所述铁心损失，激励频率和峰值磁感应值分别以每千克瓦、赫兹和特斯拉度量。最好是，所述磁元件(i)当在大约60赫兹的频率和大约1.4T的磁通密度下工作时，具有小于或等于大约1瓦/千克的非晶体金属材料铁心损失；(ii)当在大约1000赫兹的频率和大约1.4T的磁通密度下工作时，具有小于或等于大约20瓦/千克的非晶体金属材料铁心损失；或者(iii)当在大约20000赫兹的频率和大约0.30T的磁通密度下工作时，具有小于或等于大约70瓦/千克的非晶体金属材料铁心损失。本发明的元件的减少的铁心损失有利地改善了包括所述元件的电动机的效率。
在本发明的第一实施例中，所述块状非晶体金属磁元件包括多层形状基本上相同的层叠的非晶体金属条，它们被层叠在一起而形成多面体形的部件。
本发明还提供一种用于构成块状非晶体金属磁元件的方法。按照本发明的方法的第一实施例，非晶体金属条状材料被切割以形成具有预定长度的多个切割条。所述切割条被叠置从而形成层叠的非晶体金属条状材料棒，并被退火以便增强材料的磁性能，并且可选择地，把初始的玻璃状结构转换成纳级晶体结构。所述退火的、层叠的棒用环氧树脂浸渍并固化。然后，层叠的棒以预定长度被切割，从而形成多个具有预定的三维几何形状的多面体形的磁元件。优选的非晶体金属材料具有基本上由公式Fe80B11Si9限定的组成物。
按照本发明的方法的第二实施例，非晶体金属条状材料被围绕一个心轴绕制，以形成具有基本上呈圆角的拐角的基本上为矩形的铁心。然后，使所述基本上为矩形的铁心退火，以便增强材料的磁性能，并且可选择地，把初始的玻璃状结构转换成纳级晶体结构。然后所述铁心用环氧树脂浸渍并固化。然后所述矩形铁心的短边被切割以形成两个磁元件，它们具有和所述基本上呈矩形的铁心的所述短边的尺寸和形状近似的预定的三维几何形状。从所述基本上呈矩形的铁心的长边除去有圆角的拐角，并且所述基本上呈矩形的铁心的长边被切割而形成多个具有预定的三维几何形状的多面体形的磁元件。优选的非晶体金属材料具有由公式Fe80B11Si9限定的组成物。
本发明还涉及一种按照上述方法构成的块状非晶体金属磁元件。
按照本发明的块状非晶体金属磁元件的结构尤其适用于高效的、可变磁阻电动机和涡流电动机中的非晶体金属定子或转子元件。同样，所述块状非晶体金属磁元件可用作鼠笼电动机、磁阻同步电动机和开关磁阻电动机中的转子和定子。本领域的技术人员可以理解，这种电动机可以包括一个或几个转子和一个或几个定子。因而，此处所用的关于电动机的术语“转子”和“定子”意味着范围从1个到许多个例如3个或3个以上的转子和定子。本领域的技术人员还应当理解，此处使用的术语“电动机”泛指各种旋转电机，其中包括发电机以及可选择地作为发电机工作的再生冷却式液体火箭发动机。本发明的磁元件可以用于构成这些装置中的任何一种装置。本发明的优点包括简化制造过程和缩短制造时间，减少在所述块状非晶体金属磁元件制造期间遇到的应力(即磁致伸缩)，并优化最终的块状非晶体金属磁元件的性能。


通过参看下面结合附图对本发明的优选实施例进行的详细说明，可以更充分地理解本发明及其优点，在所有附图中，相同的标号代表类似的元件；其中图1是按照本发明构成的呈三维矩形形状的块状非晶体金属磁元件的透视图；图2A是按照本发明构成的具有棱柱形结构的块状非晶体金属磁元件的透视图；图2B是按照本发明构成的具有相对设置的弓形表面的块状非晶体金属磁元件的透视图；图2C是由6个图2A所示的棱柱形元件和6个图2B所示的弓形元件构成的电动机的定子的顶视图；图3A是按照本发明构成的电动机的块状非晶体金属磁定子的透视图；图3B是按照本发明构成的电动机的块状非晶体金属磁转子的透视图；图3C是由图3A的定子和图3B的转子构成的电动机的定子和转子的顶视图；图4是按照本发明的被固定以进行切割和叠置的非晶体金属条卷的侧视图；图5是非晶体金属条棒的透视图，表示用于生产多个按照本发明的棱柱形磁元件的切线；图6是非晶体金属条卷的侧视图，其被绕在一个心轴上，从而形成按照本发明的基本上呈矩形的铁心；以及图7是基本上呈矩形的非晶体金属铁心的透视图，表示用于形成多个按照本发明的基本上呈棱柱形的磁元件的切割线。
优选实施例的详细说明本发明涉及一种高效率的电动机，其采用低损耗的块状非晶体金属磁元件例如定子、转子和用于定子和转子的零部件。一般地说，按照本发明构成的多面体形状的块状非晶体金属磁元件具有多种几何形状，其中包括但不限于矩形、方形和棱柱形。此外，上述的任何几何形状都可以包括至少一个弓形表面，最好包括两个相对设置的弓形表面，从而形成弯曲的或弓形的块状非晶体金属磁元件。此外，按照本发明，可以把整个的定子和转子构造为块状非晶体金属磁元件。这些定子和转子可以具有一体的结构，或者可以由能够集中形成完整的部件的几个零件构成。另外，定子与/或转子可以是一个全部由非晶体金属部件或者由非晶体金属部件和其它的磁材料组合而成的合成的结构。
现在详细参看附图，图1表示基本上呈多面体形状的块状非晶体金属磁元件10。此处所用的多面体这个术语指的是多面的或者多侧的固体。其中包括但不限于，三维的矩形、方形、梯形和棱柱形。此外，任何上述的几何形状可以包括至少一个、最好是两个彼此相对设置的弓形表面或侧面，从而形成基本上呈弓形的元件。图1所示的磁元件10由被层叠在一起并被退火的多个形状基本上相同的非晶体金属条状材料的叠层20构成。按照本发明构成的并在激励频率“f”下被激励到峰值磁感应值“Bmax”的三维磁元件10在室温下具有小于“L”的铁心损耗，其中L由下式给出L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4，所述铁心损失、激励频率和峰值磁感应值分别以瓦/千克、赫兹和特斯拉度量。在优选实施例中，所述磁元件(i)当在大约60赫兹的频率和大约1.4T的磁通密度下工作时，具有小于或等于大约1瓦/千克的非晶体金属材料铁心损失；(ii)当在大约1000赫兹的频率和大约1.4T的磁通密度下工作时，具有小于或等于大约20瓦/千克的非晶体金属材料铁心损失；或者(iii)当在大约20000赫兹的频率和大约0.30T的磁通密度下工作时，具有小于或等于大约70瓦/千克的非晶体金属材料铁心损失。本发明的元件的减少的铁心损失有利地改善了包括所述元件的电动机的效率。这些铁心损失的较低值使得本发明的块状磁元件尤其适用于这样的电动机中，其中多的极数和高的转速要求使用例如大约100赫兹以上的高频磁激励。常规钢在高频时的固有的高铁心损失使得它们不适于用作要求高频磁激励的电动机。这些铁心损失的性能值适用于本发明的各个实施例，而不管块状非晶体金属磁元件的具体几何形状。
图2A所示的磁元件100基本上是棱柱形的，并且包括5个侧面110或表面。五边形的多面体元件100由具有基本上相同的尺寸和形状的多层非晶体金属条状材料20构成。所述条状材料20被叠置、层叠在一起，然后退火。
图2B所示的磁元件200包括至少一个、最好两个相对设置的弓形表面210。所述弓形元件200由多层非晶体金属条状材料20构成，它们具有基本上相同的形状和尺寸，并被叠置、层叠在一起，然后退火。
图2C所示的块状非晶体金属磁元件300可被用作径向间隙电动机的定子，其由6个磁元件100和6个磁元件200构成。
图3A所示的块状非晶体金属磁元件400基本上是环形的，并且包括多个朝向环形元件400的中心径向向内延伸的基本上呈矩形的齿410。所述元件400由多层非晶体金属条状材料20构成，它们具有基本上相同的形状和尺寸，并被叠置、层叠在一起，然后退火。按照图3A所示的实施例构成的块状非晶体金属磁元件可以在径向气隙电动机中用作定子。
图3B所示的块状非晶体金属磁元件500基本上呈盘形，并且包括多个基本上呈矩形的径向向外延伸的齿510。所述元件500由多层非晶体金属条状材料20构成，它们具有基本上相同的形状和尺寸，并被叠置、层叠在一起，然后退火。按照图3B所示的实施例构成的块状非晶体金属磁元件可以在径向气隙电动机中用作转子。
接着参看图3C，定子400和转子500都被制成按照本发明的块状非晶体金属磁元件，并被用作高效率的径向气隙电动机600的部件。
本发明还提供一种用于制造块状非晶体金属磁元件的方法。如图4所示，非晶体金属条状材料的卷30由切割刀具40切割成多个具有相同形状和尺寸的条20。条20被叠置而形成层叠的非晶体金属条状材料棒50。棒50被退火，利用环氧树脂浸渍并固化。棒50可以沿着图5所示的线52切割而成为多个基本上呈梯形的磁元件10。最终的磁元件10可以基本上是矩形、梯形、方形或者其它多面体形的。棒50也可以被切割而形成三维形状的，其中包括五边形棱柱11、弓形块12、环形块13或盘形块14，分别如图2A，2B，3A和3B所示。
在本发明的第二实施例中，如图6和7所示，通过围绕基本上呈矩形的心轴60缠绕一条非晶体金属条22或一组非晶体金属条22，从而形成基本上呈矩形的绕制铁心70。所述铁心70的短边74的高度最好大约等于最终的块状非晶体金属磁元件10的所需的长度。铁心70被退火，利用环氧树脂浸渍并固化。通过切割短边74可以形成两个元件10，剩下在长边78a，78b上的有圆角的的拐角76。通过从长边78a，78b上除去有圆角的拐角76，并在由虚线72所示的多个位置切割长边78a，78b，可以形成另外的磁元件10。在图7所示的例子中，块状非晶体金属磁元件10具有基本上呈矩形的形状，虽然通过本发明也可以形成其它的形状。绕制的铁心70也可以被切割而形成三维的形状，其中包括五边形棱柱11、弓形块12、环形块13或盘形块14，分别如图2A，2B，3A和3B所示。
按照这种方式构成的结构尤其适合于磁元件，例如在电动机中的非晶体金属定子部件和转子部件。磁元件的制造被简化了，并且减少了制造时间。在块状非晶体金属磁元件的制造期间受到的应力被减到最小。最终的磁元件的磁性能成为最佳的。
本发明的块状非晶体金属磁元件10可以使用许多非晶体金属合金制造。一般地说，适用于按照本发明构成的磁元件10的合金由公式M70 -85Y5-20Z0-20限定，下标是原子百分数，其中M至少是Fe、Ni和Co中的一种，Y至少是B、C和P中的一种，Z至少是Si、Al和Ge中的一种；附带条件是(i)多达10个原子百分数的成分“M”可以由金属物质Ti、V、Cr、，Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta和W中的至少一种代替，以及(ii)多达10个原子百分数的成分(Y+Z)可由非金属物质In、Sn、Sb和Pb中的至少一种代替。这里使用的术语“非晶体金属合金”指的是这样一种金属合金，其基本上没有任何长范围的次序，其特征在于，它们的X射线衍射强度最大值定性地类似于对液体或无机氧化物玻璃观察到的值。
适用于本发明的实施的非晶体金属合金在市场上是可以得到的，其一般呈连续的薄条或带的形式，宽度可达20厘米或更宽，厚度大约为20-25微米。这些合金基本上全部具有玻璃状的微观结构(例如大约至少80％体积的材料具有非晶体结构)。最好是，所述合金基本上100％的材料具有非晶体结构。非晶体结构的体积百分数可以由本领域中已知的方法确定，例如X射线、中子或电子衍射、透射电子显微镜，或者差动扫描测热方法。其中“M”是铁，“Y”是硼，“Z”是硅的合金能够以低的成本实现最高的感应值。为此，由铁-硼-硅合金构成的非晶体金属条是优选的。最优选的是这样的非晶体金属条是具有包括大约11个原子百分数的硼和大约9个原子百分数的硅的成分，其余部分是铁和伴随的杂质构成。这种条是由HoneywellInternational Inc.出售，商标名称为METLAS的合金2605SA-1。
指定的用于本发明的元件10的非晶体金属条的磁性能可以通过在一定温度和时间内进行热处理来增强，以提供所需的增强而不用改变条的基本上全部的玻璃状的微观结构。在热处理的至少一部分期间，至少最好在冷却部分期间，可以选择地对条施加磁场。
适用于元件10的一些非晶体合金的磁性能可以通过对所述合金进行热处理来形成纳级晶体微观结构从而大大改善。这些微观结构的特征在于，其中存在高密度的晶粒，所述晶粒具有小于大约100纳米的尺寸，小于大约50纳米更好，小于大约10-20纳米最好。所述晶粒最好占据铁基合金的至少50％的体积。这些优选的材料具有低的铁心损失和低的磁致伸缩。后一种性质使得材料不易因电动机在制造与/或操作期间产生的应力而导致磁性能的劣化。在给定的合金中用于生产纳级晶体结构所需的热处理必须在比为了保持其中具有基本上全部的玻璃状微观结构而进行的热处理所需的温度更高或时间更长地进行。此处使用的术语非晶体金属和非晶体合金还包括这样的材料，其最初具有基本上全部的玻璃状微观结构，随后通过热处理或其它处理转换成具有纳级晶体微观结构的材料。可以通过热处理而形成纳级晶体微观结构的非晶体合金还通常被简称为纳级晶体合金。本发明的方法使得纳级晶体合金能够形成最终的块状磁元件所需的几何形状。这种形成方法是，在合金被热处理以形成更脆和更难于处理的纳级晶体结构之前；在合金仍然处于铸态的、易变形的、基本上非晶体的形式时完成比较便利；。
两类优选的具有通过在其中形成纳级晶体微观结构来大大增强的磁性能的合金由以下的公式给出，其中的下标是原子百分数。
第一类优选的纳级晶体合金是Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw，其中R是Ni和Co中至少一个，T是Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一个，Q是Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一个，u的范围从0到大约10，x的范围大约为3-12，y的范围大约为0-4，z的范围大约为5-12，w的范围大约为0到小于约8。此后，这种合金被热处理，从而在其中形成纳级晶体微观结构，其具有高的饱和磁感应(例如至少1.5T)，低的铁心损失，和低的饱和磁致伸缩(例如具有绝对值小于4×10-6的磁致伸缩)。这种合金尤其适用于对于所需的功率和转矩需要最小尺寸的电动机的情况。
第二种优选的纳级晶体合金是Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw，其中R是Ni和Co至少一个，T是Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一个，Q是Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一个，u的范围从0到大约10，x的范围大约为1-5，y的范围为0到大约3，z的范围大约为5-12，w的范围大约为8-18。此后，这种合金被热处理，从而在其中形成纳级晶体微观结构，其具有至少大约1.0T的饱和磁感应，特别低的铁心损失，和低的饱和磁致伸缩(例如具有绝对值小于4×10-6的磁致伸缩)。这种合金尤其适用于需要在极高的转速下工作的电动机(例如需要激励频率在1000赫兹更高)。
本发明的块状非晶体金属磁元件10可以由层叠的非晶体金属条的棒50或者由绕制的非晶体金属条的铁心70利用各种切割技术切割而成。元件10可以使用切割刀具或切割轮由棒50或者铁心70切割而成。此外，元件10也可以通过放电加工或喷射水流切割。
块状非晶体金属磁元件比由其它的铁基磁金属制造的元件能够更有效地磁化和去磁。当被用作电动机中的定子和转子时，所述块状非晶体金属磁元件和由其它的铁基磁金属制造的元件相比，当二者在相同的磁感应和频率下被磁化时，所述块状非晶体金属磁元件发热较少。因此，和采用由其它的铁基磁金属制造的元件的电动机相比时，使用所述块状非晶体金属磁元件的电动机可以被设计成在以下条件下工作1)以较低的工作温度；2)以较高的磁感应，从而可以减少尺寸和重量；或者3)以较高的频率，从而减少体积和重量，或者能够实现优异的运动控制。
如本领域中所熟知的那样，铁心损失是一种当铁磁材料的磁化随时间而改变时发生在所述铁磁材料中的能量的耗散。给定的磁元件的铁心损失一般通过周期地对所述元件进行激励来确定。对所述元件提供时变的磁场，从而在其中产生相应的时变的磁感应或磁通密度。为了使测量标准化，激励一般选择为使得磁感应随时间按频率为“f”、峰值为Bmax的正弦变化。然后利用公知的电子测量仪器和技术确定铁心损失。铁心损失一般以每单位质量或体积的被激励的磁材料的瓦数来指示。在本领域中已知铁心损失随着f和Bmax单调增加。用于检测用于电动机的元件中的软磁材料的铁心损失的大多数标准的规约(例如ASTM Standards A912-93和A927(A927M94))需要这样的位于基本闭合的磁路中材料的样本，即这样一种结构，其中闭合的磁力线被完全包括在所述样本的体积内。在另一方面，在电动机元件例如转子或定子中使用的磁材料位于磁开路中，即这样一种结构，其中磁力线必须穿过气隙。由于边缘场效应和场的非均匀性，和在闭路测量时相比，在开路中受检测的给定材料一般具有较高的铁心损失，即较高值的每单位质量或体积的瓦数。本发明的块状非晶体金属磁元件即使在开路结构中，在宽的磁通密度和频率范围内，仍然呈现低的铁心损失。
不受任何理论的约束，据信本发明的低损耗的块状非晶体金属磁元件的总铁心损失由磁滞损失和涡流损失构成。它们都是峰值磁感应Bmax和激励频率f的函数。现有技术中对于非晶体金属的铁心损失的分析(见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闭合磁路中获得的数据。
本发明的块状非晶体金属磁元件的每单位质量的总的铁心损失L(Bmax，f)基本上可以由以下形式的函数确定L(Bmax，f)＝c1f(Bmax)n+c2fq(Bmax)m其中系数c1和c2，以及指数n、m和q必须由实验确定，没有已知的理论能够精确地确定它们的值。使用这个公式使得能够确定在任何所需的操作磁感应和激励频率下的本发明的块状非晶体金属磁元件的总的铁心损失。一般地说，在某些的几何结构的电动机定子或转子中的磁场在空间是不均匀的。例如本领域中已知的有限建模曲线技术能够提供接近在实际的电动机或发电机中测量的磁通密度分布的峰值磁通密度的在空间和时间上的改变的估算。通过输入合适的实验公式给出在空间均匀的磁通密度下给定材料的铁心损失，这些技术能够以合适的精度预测给定元件在其操作配置下的相应的实际铁心损失。
本发明的磁元件的铁心损失的测量可以使用本领域中已知的许多方法进行测量。下面说明尤其适用于测量本实施例的一种方法。所述方法包括形成具有本发明的磁元件和磁通闭合结构装置的磁路。选择地，所述磁路可以包括多个本发明的磁元件和磁通闭合结构装置。所述磁通闭合结构装置最好包括具有高的导磁率和至少等于要被检测的磁元件的磁通密度的饱和磁通密度的软磁材料。最好是具有至少等于元件的饱和磁通密度的饱和磁通密度的材料。磁通的方向一般确定了元件的第一和第二相对表面，所述元件沿着所述方向被检测。磁力线基沿着基本上垂直于第一相对表面的平面的方向进入元件。磁力线一般沿着非晶体金属条的平面进入，并从第二个相对表面穿出。磁通闭合结构装置一般包括磁通闭合磁元件，其最好按照本发明构成，但是也可以按照其它的方法使用本领域已知的材料构成。磁通闭合磁元件也具有第一和第二相对的表面，通过这些表面磁力线沿基本上垂直于所述表面的方向进入和穿出。磁通闭合磁元件的相对表面的尺寸和形状和在实际测试期间与磁通闭合元件的匹配磁元件的各个表面的尺寸和形状基本相同。磁通闭合磁元件和本发明的磁元件呈匹配关系，其第一和第二表面分别紧靠并基本上邻接本发明的磁元件的第一和第二表面。通过在环绕本发明的磁元件或磁通闭合元件的第一绕组输入电流来提供磁势。由在环绕要被测试的磁元件的第二绕组中感应的电压根据法拉第定律确定最终得到的磁通密度。由所述磁势根据安培定律确定施加的磁场。然后由施加的磁场和得到的磁通密度利用常规的方法计算铁心损失。
参见图7，其中示出了适于确定磁元件10的铁心损失的测试方法。铁心70的长边78b被用作进行铁心损失测试的磁元件10。铁心70的其余部分用作磁通闭合结构装置，它们基本上是C形的，并包括4个有圆角的拐角76、短边74和长边78a。分开有圆角的拐角76、短边74和长边78a的每个切缝72是可以选择的。最好是，只形成使长边78b和铁心70的其余部分分开的切缝。通过截割铁心70除去长边78b而形成的切割表面限定了磁元件的相对表面和磁通闭合磁元件的相对表面。在进行测试时，使长边78b和被切缝限定的相应的表面平行且紧密接触。长边78b的表面在尺寸和形状基本上和磁通闭合磁元件的表面的尺寸和形状相同。两个铜线绕组(未示出)环绕长边78b。使一个合适幅值的交流电流通过第一绕组，从而提供在所需的频率和峰值磁通密度下激励长边78b的磁势。在长边78b和在磁通闭合磁元件中的磁力线基本上在条32的平面内，并沿周向行进。在第二绕组中感应出表示随时间改变的磁密的电压。由测量的电压和电流值利用常规的电子装置确定铁心损失。
为了更完整地理解本发明，下面给出一些例子。其中给出的用于说明本发明的原理和实施的特定技术、条件、材料、比例和报告数据是示例性的，不应当被解释为对本发明的范围的限制。
例1非晶体金属矩形棱柱的制备和电磁测试大约60毫米宽、0.022毫米厚的Fe80B11Si9非晶体金属条被围绕矩形心轴或者尺寸大约为25毫米×90毫米的卷管绕制。围绕心轴或卷管大约缠绕800圈的非晶体金属带，从而形成一个矩形的铁心形式，其内部尺寸大约为25毫米×90毫米，积累厚度大约为20毫米。所述的铁心/卷管装置被在氮气中退火。所述退火包括1)把所述装置加热到365℃；2)在大约365℃的温度下保持大约2小时；以及3)使所述装置冷却到环境温度。所述矩形的、绕制的、非晶体金属铁心从所述铁心/卷管装置上除去。所述铁心利用环氧树脂溶液进行真空浸渍。所述卷管被替换，并且重新组装的、浸渍的铁心/卷管装置在120℃下固化大约4.5小时。当全部固化时，从铁心/卷管装置中再次除去铁心。所得的矩形的、绕制的、环氧树脂连结的非晶体金属铁心大约重2100克。
利用1.5毫米厚的切割刀片从环氧树脂连结的非晶体金属铁心切割60毫米长、40毫米宽、20毫米厚的矩形棱柱(大约800层)。矩形棱柱和铁心的剩余部分的切割表面在硝酸/水溶液中被浸蚀，并用氢氧化铵/水溶液清洗。
铁心的剩余部分被在硝酸/水溶液中浸蚀，并利用氢氧化铵/水溶液清洗。然后把矩形棱柱和铁心的剩余部分重新装配成完整的截割铁心的形式。把一次和二次电绕组固定到铁心的剩余部分。在室温以及60赫兹、1000赫兹、5000赫兹和20000赫兹下对截割铁心形式进行电测试，并和类似的测试结构[National Arnold Magnetics，17030Muskrat Avenue，Adelanto，CA 92301(1995)]的其它铁磁材料的类值进行比较。所得结果编辑成下面的表1、2、3和4。
表1在60Hz时的铁心损失(W/kg)

表2在1000Hz时的铁心损失(W/kg)


表3在5000Hz时的铁心损失(W/kg)

表4在20000Hz时的铁心损失(W/kg)


如表3和表4的数据所示，在5000赫兹或更高的激励频率下铁心损失非常低。因而，本发明的磁元件尤其适用于高速电动机。
例2非晶体金属梯形棱柱的制备大约48毫米宽、0.022毫米厚的Fe80B11Si9非晶体金属条被切割成大约300毫米的长度。大约3800层的切割的非晶体金属条被叠置，从而形成大约48毫米宽和300毫米长，累积厚度大约为96毫米的棒。所述棒氮气中退火。所述退火包括1)把所述棒加热到365℃；2)在大约365℃的温度下保持大约2小时；以及3)使所述装置冷却到环境温度。所述棒利用环氧树脂溶液进行真空浸渍，并在120℃下固化大约4.5小时。所得的层叠的、环氧树脂连结的非晶体金属棒大约重9000克。
利用1.5毫米厚的切割刀片从叠置的、环氧树脂连结的非晶体金属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为96毫米(3800层)。梯形棱柱和铁心的剩余部分的的切面在硝酸/水溶液中被浸蚀，并用氢氧化铵水溶液清洗。
当在1000赫兹下激励到1.0T的峰值磁感应时，所述梯形棱柱具有小于11.5W/kg的铁心损失。
例3具有弧形截面的多面体块状非晶体金属磁元件的制备大约50毫米宽、0.022毫米厚的Fe80B11Si9非晶体金属条被切割成大约300毫米的长度。大约3800层的切割的非晶体金属条被叠置，从而形成大约50毫米宽和300毫米长，累积厚度大约为96毫米的棒。所述棒氮气中退火。所述退火包括1)把所述棒加热到365℃；2)在大约365℃的温度下保持大约2小时；以及3)使所述棒冷却到环境温度。所述棒利用环氧树脂溶液进行真空浸渍，并在120℃下固化大约4.5小时。所得的层叠的环氧树脂连结的非晶体金属棒大约重9200克。
使用放电切割把层叠的环氧树脂连结的非晶体金属棒切割成三维的弧形的块。所述块的外径大约为96毫米。内径大约为13毫米。弧长大约为90度。块的厚度大约为96毫米。
大约20毫米宽、0.022毫米厚的Fe80B11Si9非晶体金属条围绕外径大约为19毫米的心轴或卷管缠绕。围绕所述心轴或卷管缠绕所述非晶体金属条大约1200圈，从而形成内径大约为19毫米，外径大约为48毫米的环形铁心。所述铁心的累积厚度大约为29毫米。所述铁心在氮气中退火。所述退火包括1)把所述棒加热到365℃；2)在大约365℃的温度下保持大约2小时；以及3)使所述铁心冷却到环境温度。所述铁心利用环氧树脂溶液进行真空浸渍，并在120℃下固化大约4.5小时。所得的层叠的环氧树脂连结的非晶体金属铁心大约重71克。
绕制的环氧树脂连接的非晶体金属铁心利用喷射水流切割而形成半环形的三维形状的物体。所述半环形的物体具有大约19毫米的内径，大约48毫米的外经和大约20毫米的厚度。
多面体的块状非晶体金属磁元件的切面在硝酸/水溶液中被浸蚀，并用氢氧化铵水溶液清洗。
当在1000赫兹下激励到1.0T的峰值磁感应时，所述每个多面体块状非晶体金属元件具有小于11.5W/kg的铁心损失。
例4低损耗的块状非晶体金属元件的高频性能利用常规的非线性回归法对上述例1中取得的铁心损耗数据进行了分析。确定由Fe80B11Si9非晶体金属条构成的低损耗的块状非晶体金属磁元件的铁心损失基本上由以下的函数限定L(Bmax，f)＝c1f(Bmax)n+c2fq(Bmax)m选择系数c1，c2和指数n，m和q的合适的值，从而确定块状非晶体金属磁元件的磁损失的上限。表5引用了例1的元件的测得损失和由上式预测的损失，其单位是瓦/千克。作为f(Hz)和Bmax(T)的函数的预测的损失利用系数c1＝0.0074，c2＝0.000282，指数n＝1.3，m＝2.4，q＝1.5。例1的块状非晶体金属元件的测得的损失小于由公式预测的相应的损失。
表5

例5
纳级晶体合金矩形棱柱的制备大约宽25毫米、厚0.018毫米的Fe73.5Cu1Nb3B9Si13.5非晶体金属条被切割成大约300毫米的长度。大约1200层的切割的非晶体金属条被叠置，从而形成大约25毫米宽和300毫米长，累积厚度大约为25毫米的棒。所述棒在氮气中退火。所述退火按照以下步骤进行1)把所述棒加热到580℃；2)在大约580℃的温度下保持大约1小时；以及3)使所述棒冷却到环境温度。所述棒利用环氧树脂溶液进行真空浸渍，并在120℃下固化大约4.5小时。所得的层叠的环氧树脂连结的非晶体金属棒大约重1200克。
使用1.5毫米厚的切割刀片由层叠的环氧树脂浸渍的非晶体金属棒切割成矩形的棱柱。所述棱柱的表面为边长大约25毫米的方形，长度为50毫米。矩形棱柱的厚度为25毫米(1200层)。所述矩形棱柱的切面在硝酸水溶液中被浸蚀，并用氢氧化铵水溶液清洗。
当在1000赫兹下激励到1.0T的峰值磁感应时，所述矩形棱柱具有小于11.5W/kg的铁心损失。
上面对本发明进行了详细说明，应当理解，不必严格地限定于这些细节，本领域技术人员可以想到各种变化和改进，所有这些变化和改进都落入由所附权利要求书限定的本发明范围内。
权利要求
1.一种电动机，其具有至少一个低损耗的块状非晶体金属磁元件，所述块状非晶体金属磁元件包括多层被叠置在一起从而形成多面体形状部件的形状基本相同的非晶体金属条，其中所述低损耗的块状非晶体金属磁元件在激励频率f下被激励到峰值磁感应Bmax时，具有小于L的铁心损失，其中L由公式L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4给出，所述铁心损失、激励频率和峰值磁感应值分别以瓦/千克、赫兹和特斯拉。
2.如权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述非晶体金属条每个具有由公式M70-85Y5-20Z0-20限定，下标是原子百分数，其中M至少是Fe、Ni和Co中的一种，Y至少是B、C和P中的一种，Z至少是Si、Al和Ge中的一种；附带条件是(i)多达10个原子百分数的成分M可以由金属物质Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta和W中的至少一种代替，以及(ii)多达10个原子百分数的成分(Y+Z)可由非金属物质In、Sn、Sb和Pb中的至少一种代替。
3.如权利要求2所述的电动机，其特征在于，每个所述非晶体金属条具有基本上由公式Fe80B11Si9确定的成分。
4.如权利要求2所述的电动机，其特征在于，所述非晶体金属条已被热处理，以在其中形成纳级晶体微观结构。
5.如权利要求4所述的电动机，其特征在于，每个所述非晶体金属条具有基本上由公式Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw确定的成分，其中R是Ni和Co至少一种，T是Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一种，Q是Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一种，u的范围从0到大约10，x的范围大约为3-12，y的范围从0到大约4，z的范围大约为5-12，w的范围0到小于8。
6.如权利要求4所述的电动机，其特征在于，每个所述非晶体金属条具有基本上由公式Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw确定的成分，其中R是Ni和Co至少一种，T是Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一种，Q是Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一种，u的范围从0到大约10，x的范围大约为1-5，y的范围从0到大约3，z的范围大约为5-12，w的范围大约为8-18。
7.如权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述块状非晶体金属磁元件构成所述电动机的定子的一部分。
8.如权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述块状非晶体金属磁元件构成所述电动机的定子。
9.如权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述块状非晶体金属磁元件构成所述电动机的转子的一部分。
10.如权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述块状非晶体金属磁元件构成所述电动机的转子。
11.如权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述非晶体金属磁元件构成所述电动机的转子和定子。
12.如权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述块状非晶体金属磁元件在大约60赫兹的频率和大约1.4T的磁通密度下工作时，具有小于或大约等于1瓦/千克的非晶体金属材料铁心损失。
13.如权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述块状非晶体金属磁元件在大约1000赫兹的频率和1.4T的磁通密度下工作时，具有小于或大约等于20瓦/千克的非晶体金属材料铁心损失。
14.如权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述块状非晶体金属磁元件在大约20000赫兹的频率和大约0.03T的磁通密度下工作时，具有小于或大约等于70瓦/千克的非晶体金属材料铁心损失。
15.用于具有转子和定子的电动机中的至少一个低损耗的块状非晶体金属磁元件，包括多层被叠置在一起从而形成多面体形状部件的形状基本相同的非晶体金属条，其中所述低损耗的块状非晶体金属磁元件在激励频率f下被激励到峰值磁感应Bmax时，具有小于L的铁心损失，其中L由公式L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4给出，所述铁心损失、激励频率和峰值感应值分别以瓦/千克、赫兹和特斯拉度量。
16.如权利要求15所述的磁元件，其特征在于，所述磁元件至少构成所述定子的一部分。
17.如权利要求15所述的磁元件，其特征在于，所述磁元件至少构成所述转子的一部分。
18.如权利要求16所述的磁元件，其特征在于，所述电动机包括从以下电动机中选择的一种鼠笼式电动机、磁阻同步电动机和开关磁阻电动机。
19.如权利要求17所述的磁元件，其特征在于，所述电动机包括从以下电动机中选择的一种可变磁阻电动机、涡流电动机、鼠笼式电动机、磁阻同步电动机和开关磁阻电动机。
20.如权利要求16所述的磁元件，其特征在于，所述电动机包括从以下电动机中选择的一种鼠笼式电动机、磁阻同步电动机和开关磁阻电动机。
21.如权利要求15所述的磁元件，其特征在于，每个所述非晶体金属条具有基本上由公式Fe80B11Si9确定的成分。
22.一种制造用于电动机中的块状非晶体金属磁元件的方法，包括以下步骤(a)切割非晶体金属条状材料从而形成具有预定长度的多个切割条；(b)叠置所述切割条从而形成层叠的非晶体金属条状材料棒；(c)将所述层叠的棒退火；(d)用环氧树脂浸渍所述层叠的棒并固化所述树脂浸渍的层叠的棒；(e)以预定长度切割所述层叠的棒，从而提供多个具有预定的三维几何形状的多面体形的磁元件。
23.如权利要求22所述的制成块状非晶体金属磁元件的方法，其特征在于，所述步骤(a)包括利用切割刀片、切割轮、喷射水流或放电机切割所述非晶体金属条状材料。
24.一种按照权利要求23所述的方法构造成的用于电动机中的块状非晶体金属磁元件。
25.一种制造用于电动机中的块状非晶体金属磁元件的方法，包括以下步骤(a)围绕一个心轴缠绕非晶体金属带，从而形成具有基本上为圆角的拐角的基本上为矩形的铁心；(b)将所述绕制的矩形铁心退火；(c)用环氧树脂浸渍所述缠绕的矩形的铁心并固化所述环氧树脂浸渍的矩形铁心；(d)切割所述大致矩形的铁心的短边从而形成两个多面体形状的磁元件，它们具有和所述大致矩形的铁心的所述短边的尺寸和形状近似的预定的三维几何形状；(e)从所述大致矩形的铁心的长边除去大致圆角的拐角；(f)切割所述大致矩形的铁心的长边从而形成多个具有所述预定的三维几何形状的磁元件。
26.如权利要求25所述的制造块状非晶体金属磁元件的方法，其特征在于，所述步骤(d)和(f)中至少一个步骤包括利用切割刀片、切割轮、喷射水流或放电机切割所述非晶体金属条状材料。
27.一种按照权利要求25所述的方法制造的用于电动机中的块状非晶体金属磁元件。
全文摘要
一种高效率的电动机，具有大致多面体形的块状非晶体金属磁元件，在所述块状非晶体金属中，多层非晶体金属条被叠置在一起从而形成基本上三维的多面体形状的部件。所述块状非晶体金属磁元件可以包括弓形的表面，最好包括相对设置的两个弓形表面。所述磁元件可以在约50－20000Hz的频率范围内工作。当所述电动机在激励频率f和峰值磁感应B
文档编号C22C19/03GK1435003SQ00819177
公开日2003年8月6日 申请日期2000年12月8日 优先权日1999年12月23日
发明者N·J·德克里斯托法罗, P·J·斯塔马蒂斯, G·E·菲斯 申请人:霍尼韦尔国际公司