专利名称：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2000年1月5日申请的序列号为09/477905的专利申请地部分继续申请，上述序列号为09/477905的申请又是1998年11月6日申请的序列号为09/186914的名称为“块状非晶体金属磁元件”的部分继续申请。
背景技术：
1.本发明的领域
本发明涉及一种非晶体金属磁元件；更具体地说，涉及一种基本上是三维的块状非晶体金属磁元件，其用于大的电子装置，例如磁谐振成像系统、电视和视频系统以及电子和离子束系统。
2.现有技术的说明
磁谐振成像(MRI)已经成为现代医疗中的一种重要的、非侵入性的诊断工具。MRI系统一般包括磁场产生装置。许多这种磁场产生装置使用永磁体或者电磁体作为磁动势源。通常磁场产生装置还包括一对磁极面，磁极面限定了一间隙，要被成像的体积被包含在所述间隙内。
美国专利No.4672346披露了一种具有实体结构并且包括由磁材料例如碳钢制成的板状体的极面。美国专利No.4818966教导，由磁场产生装置的磁极件产生的磁通可以通过由层叠的磁板制成磁极件的周边部分被集中在磁极件之间的间隙中。美国专利No.4827235披露了一种具有大的饱和磁化强度、软的磁性、以及20μΩ-cm或以上的电阻的磁极件。其中教导使用包括坡莫合金、硅钢、非晶体磁合金、铁氧体和磁性合成材料等的软磁材料。
美国专利No.5124651披露了一种具有主磁场磁体部件的核磁共振扫描器。所述部件包括上下铁磁磁极件。每个磁极件包括多个窄的、细长的铁磁长条块，它们被排成一排，其长轴平行于各个磁极件的极性方向。所述铁磁长条块最好由可导磁的合金制成，例如1008钢、软铁或其类似物。铁磁长条块由不导电的介质在电气上沿横向相互隔离，以便限制在磁场部件的磁极的极面的平面内产生涡流。1994年2月1日授权的Sakurai等人的美国专利5283544披露了一种用于MRI的磁场产生装置。该装置包括一对磁极件，所述磁极件可以通过层叠多个无定向的硅钢片由多个块状的磁极件元件构成。
虽然上述的专利进行了改进，但是本领域中仍然需要改进的磁极件。因为正是这些磁极件对于改善MRI系统的成像能力和成像质量是重要的。
虽然和非定向电工钢相比非晶体金属提供了优异的磁性能，但是长期以来一直认为它们不适用于块状磁元件，例如用于磁谐振成像系统(MRI)的极面磁体的瓦片(tile)，这是由于非晶体金属的某些物理性能和相应的制造限制所致。例如，非晶体金属比非定向硅钢薄而硬，因而导致制造工具和模具的较快的磨损。导致的工具成本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。非晶体金属的薄的厚度也使得在装配的元件中的叠层的数量增加，这进一步增加了非晶体金属磁元件的成本。
非晶体金属一般以具有均匀的带宽度的薄的连续带提供。不过，非晶体金属是非常硬的材料，这使得其非常难于切割和成形，并且一旦退火而达到峰值磁性能之后，便成为非常脆的。这使得利用常规的方法构成块状非晶体金属磁元件困难而昂贵。非晶体金属的脆性还引起例如对在MRI系统的应用中的块状非晶体金属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，其导磁率被减小。根据加于非晶体金属材料上的应力的强度，这个导磁率的减小可以是相当可观的。当块状非晶体金属磁元件受到应力时，铁心的引导或者会聚磁通的效率被减少，因而产生较高的磁损耗、增加发热，因而减少功率。由于非晶体金属的磁致伸缩性质，这种对于应力的敏感性可以由在装置的操作期间的磁势产生的应力、由于机械夹持或者其它方式固定块状非晶体金属磁元件而产生的机械应力或者由于热胀与/或由于非晶体金属材料的磁饱和而产生的内应力引起。
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，并且由多个铁磁性非晶体金属带的层构成。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。所述磁元件可以在50Hz-20000Hz的频率范围内工作，并且在和在相同频率范围内工作的硅钢磁元件相比时，具有改进的性能特性。更具体地说，按照本发明构成的磁元件，在一个激磁频率f下被激励到一个峰值感应值Bmax时，在室温下具有小于L的铁心损耗，其中L由公式L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4给出，所述铁心损耗、激磁频率和峰值磁感应值分别用每千克瓦、赫兹和特斯拉度量。最好是，磁元件将具有(i)以大约为60Hz的频率、大约为1.4特斯拉(T)的磁通密度工作时，小于或大约等于1瓦每千克的非晶体金属材料的铁心损耗；(ii)以大约为1000Hz的频率、大约为1.0T的磁通密度工作时，小于或大约等于12瓦每千克非晶体金属材料的铁心损耗，或者(iii)以大约为20000Hz的频率、大约为0.30T的磁通密度工作时，小于或大约等于70瓦每千克的非晶体金属材料的铁心损耗。
在本发明的第一实施例中，块状非晶体金属磁元件包括被层叠在一起而形成多面体形状的部件的多个形状基本上相同的非晶体金属材料带的层。
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。在所述方法的第一实施例中，非晶体金属带材料被切割成具有预定长度的多个切割的铁磁非晶体金属带。所述切割带被叠置而成为层叠的铁磁非晶体金属带材料长条块，并被退火从而增强材料的磁性能。所述退火的层叠的长条块被在环氧树脂中浸渍并固化。优选的铁磁非晶体金属材料具有由化学式Fe80B11Si9限定的组成。
在所述方法的第二实施例中，铁磁非晶体金属带材料围绕一个心轴卷绕，从而形成具有基本上是圆形的拐角的基本上是矩形的铁心。然后，所述基本上是矩形的铁心被退火，从而增强材料的磁性能。然后所述铁心利用环氧树脂浸渍并固化。然后切割矩形铁心的短边，从而形成两个磁元件，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化学式Fe80B11Si9限定的成分。
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。
按照本发明构成的块状非晶体金属磁元件尤其适用于高性能的MRI系统中的极面磁体的瓦片；电视和视频系统；以及电子束和离子束系统。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。
附图的简短说明
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1A是按照本发明构成的基本上呈矩形多面体形状的块状非晶体金属磁元件的透视图1B是按照本发明构成的基本上呈梯形多面体形状的块状非晶体金属磁元件的透视图1C是按照本发明构成的具有相对设置的弧形表面的多面体形的块状非晶体金属磁元件的透视图2是按照本发明的被布置成待切割和叠置的铁磁非晶体金属带的卷的侧视图3是非晶体金属带的长条块的透视图，示出了用于生产多个按照本发明的基本上呈梯形的磁元件的切割线；
图4是非晶体金属带的卷的侧视图，所述带被卷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5是按照本发明制成的基本上呈矩形的非晶体金属铁心的透视图。
优选实施例的详细说明
本发明提供一种基本上呈多面体形的低损耗的块状非晶体金属磁元件，按照本发明构成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的、方形的和梯形棱柱形的。此外，上述的任何几何形状都可以包括至少一个弧形表面，最好包括两个相对设置的弧形表面，从而形成弯曲的或弧形的块状非晶体金属磁元件。此外，按照本发明，可以把整个磁装置例如极面磁体制成一个块状非晶体金属磁元件。这些装置可以具有一个整体的结构，或者可以由能够集中而形成一个完整部件的几个零件构成。另外，一个装置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。
磁共振(MRI)成像装置通常使用磁极件(也称为极面)作为磁场产生装置的部件。如在本领域中已知的那样(见美国专利5283544)，这种磁场产生装置用于提供稳定的磁场和叠加在所述稳定的磁场上的时变的磁场梯度。为了产生高质量的高清晰度的MRI图像，重要的是稳定的磁场在要被研究的整个试样的体积内是均匀的，并且所述磁场梯度被准确地限定。所述均匀性可以通过利用合适的磁极件被增强。本发明的块状非晶体金属磁元件适用于构成这种极面。
用于MRI或其它磁体系统的磁极件适用于成形并沿预定的方向引导由至少一个磁通势(mmf)源产生的磁通。所述磁通势源可以包括已知的mmf产生装置，其中包括永磁体和电磁体，具有常规的导体的或超导的绕组。每个磁极件可以包括这里所述的一个或几个块状非晶体金属磁元件。
希望磁极件具有好的直流磁性能，包括高的导磁率和高的饱和磁密。在MRI系统中增加清晰度和更高的工作磁通密度的要求强加了另一个要求，即，磁极件也具有好的交流磁性能。更具体地说，需要由时变梯度磁场在磁极件中产生的铁心损失被减到最小。减小铁心损失有利地改善磁场梯度的清晰度(definition)，并且使得磁场梯度能够更快地改变，因而使得能够减小成像时间而不降低图像质量。
最早的磁极件由实体的磁材料制成，例如碳钢或高纯度铁，在本领域中通常被称为阿姆科(Armco)铁(见美国专利4672346)。它们具有优良的直流磁性能，但是在存在交流磁场时因为宏观的涡流而具有很高的铁心损失。通过形成由常规的钢片层叠而成的磁极件，获得了一些改进，例如由美国专利5283544中披露的。
然而仍然需要对磁极件进行进一步改进，使其不仅具有所需的直流性能，而且到达改善交流性能；其中最重要的性能是较低的铁心损失。所需的高的磁通密度、高的导磁率和低的铁心损失的组合借助于在磁极件的结构中使用本发明的磁元件实现了。
现在详细参看附图，图1A表示具有三维的基本上呈多面体形状的块状非晶体金属磁元件10。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铁磁非晶体金属带材料的叠层20构成。图1B所示的磁元件具有三维的大体上是梯形的形状，并由被层叠在一起并被退火的多个尺寸和形状基本上相同的铁磁非晶体金属带材料的叠层20构成。图1C所示的磁元件包括两个相对设置的弧形表面12。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铁磁非晶体金属带材料的叠层20构成。
本发明的块状非晶体金属磁元件10是一个总体上三维的多面体，并且可以是矩形的、方形的，或梯形棱柱形的。此外，如图1C所示，元件10可以具有至少一个弧形表面12。在优选实施例中，提供两个弧形表面12，并且彼此相对地设置。
按照本发明构成的并在激磁频率f下被激励到峰值感应值Bmax的三维的磁元件10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、激磁频率和峰值磁感应值分别以每千克瓦、赫兹和特斯拉测量。在一个优选实施例中，所述磁元件(i)当以大约60赫兹的频率和大约1.4T的磁通密度工作时，具有小于或大致等于1瓦每千克的非晶体金属材料的铁心损失；(ii)当以大约1000赫兹的频率和大约1.0T的磁通密度工作时，具有小于或大致等于12瓦每千克的非晶体金属材料的铁心损失；或者(iii)当以大约20000赫兹的频率和大约0.30T的磁通密度工作时，具有小于或大致等于70瓦每千克的非晶体金属材料的铁心损失。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气装置的效率。
低的铁心损失使得本发明的块状非晶体金属磁元件尤其适用于高频激磁的情况下，例如在至少大约100Hz的频率下进行的激磁。常规钢在高频下固有的高的铁心损失使得它们不适用于要求高频激磁的装置中。这些铁心损失性能值适用于本发明的各个实施例，而和块状非晶体金属磁元件的特定的几何结构无关。
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2所示，非晶体金属带材料卷30由切割刀具40切割成多个具有相同形状和尺寸的带20。带20被层叠而形成叠置的非晶体金属带材料长条块50。长条块50被退火，利用环氧树脂浸渍并固化。长条块50可以沿着图3所示的线52切割而成为多个总体上是矩形、方形或梯形棱柱形的部件。此外元件10可以包括至少一个弧形表面12，如图1C所示。
在本发明的方法的第二实施例中，如图4和5所示，通过围绕基本上呈矩形的心轴60卷绕一个铁磁非晶体金属带22或一组非晶体金属带22，以形成基本上呈矩形的绕制铁心70，从而形成块状非晶体金属磁元件10。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，剩下和长边78a，78b相连的有圆角的的拐角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5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三维形状，例如具有至少一个梯形或方形表面的形状。
本发明的块状非晶体金属磁元件10也可以利用多种切割技术从层叠的非晶体金属带的长条块50切割而成，或者由绕制的非晶体金属带的铁心70切割而成。元件10可以利用切割刀片或切割轮从长条块50或铁心70切割而成。此外，元件10可以利用放电加工或喷射水流(water jet)切割而成。
按照本发明构成的块状非晶体金属磁元件尤其适用于高性能的MRI系统，电视和视频系统，以及电子束和离子束系统中的极面磁体的瓦片。磁元件的制造被简化，并缩短制造时间，减少否则在所述块状非晶体金属磁元件制造期间遇到的应力，并优化最终的块状非晶体金属磁元件的性能。
本发明的决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的合金由化学式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)成分M的多达10个原子百分数可以由金属物质Ti，V，Cr，Mn，Cu，Zr，Nb，Mo，Ta，Hf，Ag，Au，Pd，Pt和W中的至少一种代替，(ii)成分(Y+Z)的多达10个原子百分数可由非金属物质In，Sn，Sb和Pb中的至少一种代替，以及(iii)成分(M+Y+Z)的至少一个(1)原子百分数可以是附带的杂质。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顺序(order)，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于液体或无机氧化物玻璃观察到的最大值。
适于本发明应用的合金在所述元件要被使用的温度下是铁磁的。铁磁材料是一种这样的材料，在该材料的特征温度(一般称为居里温度)以下的温度下，其呈现出组成原子的磁矩的强的大范围耦联(long-range coupling)和空间排列。最好是，要在室温下工作的装置中使用的材料的居里温度至少大约为200℃，至少大约为375℃更好。如果这里包括的材料具有合适的居里温度，这些装置可以在其它的温度下操作，包括下降到低温温度或者在升高的温度。
如同本领域所知，铁磁材料的特征还在于其饱和磁感应，或者等效地，在于其饱和磁通密度或磁化强度。适用于本发明的合金优选地具有至少大约1.2T的饱和磁感应，更优选地具有至少大约1.5T的饱和磁感应。所述合金还具有高的电阻率，优选地具有至少大约100μΩ-cm，更优选地具有至少大约130μΩ-cm的电阻率。
适于实施本发明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态的微观结构(例如大约至少80％的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，或者差动扫描测热技术。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带是优选的。更具体地说，这样的合金是优选的其含有至少70个原子百分数的Fe，至少5个原子百分数的B，和至少5个原子百分数的Si，附带条件是B和Si的总量至少为15个原子百分数。最优选的是这样的非晶体金属带，其成分主要由大约11个原子百分数的硼和大约9个原子百分数的硅，其余部分是铁和附带的杂质构成。这种具有大约1.56T的饱和磁感应和大约137μΩ-cm电阻率的带由Honeywell International Inc.出售，商标为METLAS合金2605SA-1。
指定的用于本发明的元件10的非晶体金属带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，所述温度和时间应当足以提供所需的增强，而不改变带的基本上全部的玻璃态的微观结构。在热处理的至少一部分期间，至少最好在冷却部分期间，可以选择地对带施加磁场。
包括具有一个或几个极面磁体的电磁体通常用于在电磁体的间隙中产生时变磁场。所述时变磁场可以完全是交流磁场，即其时间平均值是0的磁场。选择地，时变磁场可以具有非零的时间平均值，一般被称为磁场的直流分量。在所述电磁体系统中，至少一根极面磁体处于时变磁场下。结果，在每个激磁周期，极面磁体被磁化和去磁。在极面磁体内的时变磁通密度或磁感应由其中的铁心损失而产生热量。在由多个块状磁元件构成的极面的情况下，总的损失由两部分构成，一部分是如果在隔绝状态下处于交流磁通波形下时在每个元件内产生的铁心损失，另一部分是在元件之间提供电的连续性的路径中循环的涡流引起的损失。
块状非晶体磁元件比由其它铁基磁材料制成的元件能够更有效地磁化和去磁。当用作磁极磁体时，块状非晶体金属元件和由其它的铁基磁金属制造的可比的元件相比，当二者在相同的磁感应和激磁频率下被磁化时，块状非晶体金属元件将产生较小的热量。此外，在本发明中优先使用的铁基非晶体金属和其它低损耗的软磁材料相比，例如坡莫合金，其饱和磁感应一般是0.6-0.9T，具有大得多的饱和磁感应。因此，和由其它的铁基磁金属制成的磁元件相比，块状非晶体金属元件可被设计用于在下述条件下工作1)较低的操作温度；2)较高的磁感应，以便减小体积和重量；或者3)较高的激磁频率，以便减小体积和重量，或者实现优异的信号分辨率。
美国专利5124651的教导认为，在由细长的铁磁长条块构成的磁极件中的涡流可以通过插入不导电的材料使这些铁磁长条块相互绝缘来减小。本发明提供了总损耗的进一步的实质性减小，这是因为，使用本发明教导的材料和构造方法在由其它材料和构造方法制成的现有技术中的元件具有的损耗的基础上又减小了在每个元件内产生的损耗。
如本领域中熟知的那样，铁心损失是当铁磁材料的磁化强度随时间改变时发生在铁磁材料内的能量消耗。给定的磁元件的铁心损失一般通过对所述元件进行循环激磁来确定。对元件施加时变磁场，从而在其中产生相应的时变磁感应或磁通密度。为了使测量标准化，所述激磁一般这样选择，使得磁感应在频率“f”和峰值“Bmax”下随时间按正弦变化。然后使用已知的电气测量仪器和技术确定铁心损失。铁心损失一般用被激磁的每单位质量或者每单位体积的磁材料的瓦数表示。在本领域中熟知，铁心损失随f和Bmax单调增加。用于测试在极面磁体的元件中使用的软磁材料的铁心损失的最标准的规程(例如ASTM标准A912-93和A927(A927M-94))要求所述材料的试样位于基本上闭合的磁路中，即要求一种这样的配置，其中闭合的磁力线完全包含在试样的体积内。在另一方面，使在元件例如极面磁体中使用的磁材料位于一个开路的磁路中，即其中磁力线必须穿过空气隙的一种配置。因为磁场的边缘效应和非均匀性，和在闭路中的测量相比，在开路中测试的给定材料一般具有较高的铁心损失，即每单位质量或体积较高的瓦数值。本发明的块状磁元件甚至在开路的配置中也在宽的磁通密度和频率范围内具有低的铁心损失。
没有任何理论的约束，据信本发明的低损耗的块状非晶体金属元件的总的铁心损失由磁滞损失和涡流损失构成。这两种贡献都是峰值磁感应Bmax和激磁频率f的函数。每个贡献的数量又取决于外界因素，其中包括元件的制造方法和在元件中使用的材料的热机函数关系(history)。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 et al.，Appl.Phys.64，5370(1998))一般局限于磁材料在闭合磁路中获得的数据。在这些分析中看到的低的磁滞和涡流损失部分是由于非晶体金属的高的电阻率带来的。
本发明的块状非晶体金属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必须全由实验确定，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磁频率下的本发明的块状非晶体金属元件的总的铁心损失。基本上发现，在特定的几何结构的块状非晶体金属元件中的磁场在空间是不均匀的。例如本领域中已知的有限元建模技术能够提供接近在实际的块状非晶体金属元件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。通过使用合适的在空间均匀的磁通密度下给出材料的铁心损失的实验公式作为输入，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发明的磁元件的一种方法。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密的饱和磁密的软磁材料。最好是具有至少等于元件的饱和磁密的饱和磁密的材料。这样的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。磁力线一般跟随非晶体金属带的平面，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和磁通闭合元件匹配的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。由在环绕被测试的磁元件的第二绕组感应的电压按照法拉第定律确定最终的磁通密度。由所述磁势和安培定律确定施加的磁场。然后由施加的磁场和所得的磁通密度利用常规的方法计算铁心损失。
参见图5，其中示出了具有能够利用下述的测试方法容易地确定的铁心损失的元件10。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。通过切割铁心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。为了进行测试，使长边7 8b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密下激励长边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带22的平面内，并沿周向行进。在第二绕组中感应出代表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。其中的特定的技术、条件、材料、比例和报告数据用于说明本发明的原理和实施，它们只是一些例子，不应当构成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
Fe80B11Si9铁磁非晶体金属带，大约60毫米宽，0.022毫米厚，围绕矩形心轴或者尺寸大约为25毫米×90毫米的心轴或卷轴绕制。围绕心轴或卷轴大约卷绕800圈的铁磁非晶体金属带，从而形成一个矩形的铁心形状，其内部尺寸大约为25毫米×90毫米，积累厚度大约为20毫米。所述的铁心装置/卷轴装置被在氮气中退火。所述退火包括1)把装置加热到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、非晶体金属铁心被从所述铁心/卷轴装置上除去。所述铁心利用环氧树脂溶液进行真空浸渍。所述卷轴被复位，并且重新组装的、浸渍的铁心/卷轴装置在120℃下固化大约4.5小时。当全部固化时，从铁心/卷轴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切割铁心的形状。把初级和次级电线圈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赫兹下对切割的铁心进行电测试，并和类似的测试结构[National Arnold Magnetics，17030MuskratAvenue，Adelanto，CA 92301(1995)]的其它磁材料的类别值进行比较。所得结果编辑成下面的表1-表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赫兹或更高的激磁频率下铁心损失非常低。因而，本发明的磁元件尤其适合使用在极面磁体中。
例2
非晶体金属梯形棱柱的制备
Fe80B11Si9铁磁非晶体金属带，大约48毫米宽，0.022毫米厚，被切割成大约300毫米的长度。大约3800层的切割的铁磁非晶体金属带被叠置，从而形成大约48毫米宽和300毫米长，积累厚度大约为96毫米的长条块。所述长条块在氮气中退火。所述退火包括1)把所述长条块加热到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。所述长条块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。所得的叠置的、环氧树脂连结的非晶体金属长条块大约重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长条块切割形成梯形棱柱。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)。梯形棱柱的切割表面和铁心的剩余部分的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的峰值磁感应值时，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元件的制备
Fe80B11Si9铁磁非晶体金属带，大约50毫米宽，0.022毫米厚，被切割成大约300毫米的长度。大约3800层的切割的铁磁非晶体金属带被叠置，从而形成大约50毫米宽和300毫米长，积累厚度大约为96毫米的长条块。所述长条块在氮气中退火。所述退火包括1)把所述长条块加热到365℃；2)在大约365℃的温度下保持大约2小时；以及3)使所述长条块冷却到环境温度。所述长条块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。所得的叠置的、环氧树脂连结的非晶体金属长条块大约重9200克。
使用放电切割把叠置的、环氧树脂连结的非晶体金属长条块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。
Fe80B11Si9铁磁非晶体金属带，大约20毫米宽，0.022毫米厚，围绕外径大约为19毫米的心轴或卷轴卷绕。围绕所述心轴或卷轴卷绕所述铁磁非晶体金属带大约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。所述铁心的积累厚度大约为29毫米。所述铁心在氮气中退火。所述退火包括1)把所述长条块加热到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。所得的叠置的、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(water jet)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割表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的峰值磁感应值时，所述每个多面体的块状非晶体金属磁元件具有小于11.5W/kg的铁心损失。
例4
低损耗的块状非晶体金属磁元件的高频性能
利用常规的非线性回归方法对上述的例1中取得的铁心损耗数据进行了分析。确定由Fe80B11Si9非晶体金属带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的元件测量的损失和由上式预测的损失，其单位是每千克瓦。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来计算。例1的块状非晶体金属磁元件的测量的损失小于由公式预测的相应的损失。
表5
上面对本发明进行了详细说明，应当理解，不必严格地限制于这些细节，本领域技术人员不脱离所附权利要求书限定的构思，可以作出各种改变和改型。
权利要求
1.一种低损耗的块状非晶体金属磁元件，包括多个被叠置在一起从而形成多面体形状的部件的形状基本相同的铁磁非晶体金属带的层，其中所述低损耗的块状非晶体金属磁元件在激磁频率f下被激励到峰值磁感应值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，激磁频率和峰值磁感应值分别以瓦/千克、赫兹和特斯拉来计量。
2.如权利要求1所述的块状非晶体金属磁元件，其中所述铁磁非晶体金属带具有由化学式M70-85Y5-20Z0-20限定的组成，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，Hf，Ag，Au，Pd，Pt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，以及(iii)多达约1个原子百分数的成分(M+Y+Z)可以是伴随的杂质。
3.如权利要求2所述的块状非晶体金属磁元件，其中每个所述铁磁非晶体金属带具有这样的组成，其中含有至少70个原子百分数的Fe，至少5个原子百分数的B，和至少5个原子百分数的Si，附带条件是，B和Si的总含量最少为15个原子百分数。
4.如权利要求3所述的块状非晶体金属磁元件，其中所述每个铁磁非晶体金属带具有基本上由化学式Fe80B11Si9限定的组成。
5.如权利要求1所述的块状非晶体金属磁元件，其中所述块状非晶体金属磁元件具有三维多面体的形状，其具有至少一个矩形的截面。
6.如权利要求1所述的块状非晶体金属磁元件，其中所述块状非晶体金属磁元件具有三维多面体的形状，其具有至少一个梯形的截面。
7.如权利要求1所述的块状非晶体金属磁元件，其中所述块状非晶体金属磁元件具有三维多面体的形状，其具有至少一个方形的截面。
8.如权利要求1所述的块状非晶体金属磁元件，其中所述块状非晶体金属磁元件包括至少一个弧形表面。
9.如权利要求1所述的块状非晶体金属磁元件，其中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瓦每千克的非晶体金属材料的铁心损失。
10.如权利要求1所述的块状非晶体金属磁元件，其中所述块状非晶体金属磁元件在大约1000赫兹的频率和大约1.0T的磁通密度下工作时，具有小于或大约等于12瓦每千克的非晶体金属材料的铁心损失。
11.如权利要求1所述的块状非晶体金属磁元件，其中所述块状非晶体金属磁元件在大约20000赫兹的频率和大约0.30T的磁通密度下工作时，具有小于或大约等于70瓦每千克的非晶体金属材料的铁心损失。
12.一种构成块状非晶体金属磁元件的方法，包括以下步骤
(a)切割铁磁非晶体金属带材料，从而形成具有预定长度的多个切割带；
(b)叠置所述切割带，从而形成叠置的铁磁非晶体金属带材料长条块；
(c)将所述层叠的长条块退火；
(d)用环氧树脂浸渍所述层叠的长条块并固化所述树脂浸渍的叠置的长条块；以及
(e)以预定长度切割所述叠置的长条块，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。
13.如权利要求12所述的构成块状非晶体金属磁元件的方法，其中所述步骤(a)包括使用切割刀片、切割轮、喷射水流或放电加工来切割所述铁磁非晶体金属带材料。
14.一种按照权利要求12所述的方法构成的块状非晶体金属磁元件，其中所述低损耗的块状非晶体金属磁元件在激磁频率f下被激励到峰值磁感应值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、激磁频率和峰值磁感应值分别以瓦/千克、赫兹和特斯拉来计量。
15.如权利要求14所述的块状非晶体金属磁元件，其中每个所述被切割的带具有由化学式M70-85Y5-20Z0-20限定的组成，下标是原子百分数，其中M是Fe，Ni和Co中的至少一种，Y是B，C和P中的至少一种，Z是Si，Al和Ge中的至少一种；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，Hf，Ag，Au，Pd，Pt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，以及(iii)多达约1个原子百分数的成分(M+Y+Z)可以是伴随的杂质。
16.如权利要求15所述的块状非晶体金属磁元件，其中每个所述被切割的带具有这样的组成，其中含有至少70个原子百分数的Fe，至少5个原子百分数的B，和至少5个原子百分数的Si，附带条件是，B和Si的总含量最少为15个原子百分数。
17.如权利要求16所述的块状非晶体金属磁元件，其中每个所述被切割的带具有基本上由化学式Fe80B11Si9限定的组成。
18.如权利要求15所述的块状非晶体金属磁元件，其中所述块状非晶体金属磁元件具有三维多面体的形状，其具有至少一个矩形的截面。
19.如权利要求17所述的块状非晶体金属磁元件，其中所述块状非晶体金属磁元件具有三维多面体的形状，其具有至少一个梯形的截面。
20.如权利要求14所述的块状非晶体金属磁元件，其中所述块状非晶体金属磁元件具有三维多面体的形状，其具有至少一个方形的截面。
21.如权利要求14所述的块状非晶体金属磁元件，其中所述块状非晶体金属磁元件包括至少一个弧形表面。
22.一种构成块状非晶体金属磁元件的方法，包括以下步骤
(a)围绕一个心轴卷绕铁磁非晶体金属带材料，从而形成具有基本上为圆的拐角的大致矩形的铁心；
(b)将所述绕制的矩形的铁心退火；
(c)用环氧树脂浸渍所述绕制的矩形的铁心，并固化所述环氧树脂浸渍的矩形铁心；
(d)切割所述基本上是矩形的铁心的短边而形成两个多面体形状的磁元件，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三维几何形状；
(e)从所述基本上呈矩形的铁心的长边除去有大致圆角的拐角，并且
(f)切割所述基本上呈矩形的铁心的长边而形成多个具有所述预定的三维几何形状的磁元件。
23.如权利要求22所述的用于制造块状非晶体金属磁元件的方法，其中所述步骤(d)和(f)中的至少一个步骤包括使用切割刀片、切割轮、喷射水流或放电加工切割所述铁磁非晶体金属带材料。
24.一种按照权利要求22所述的方法构成的块状非晶体金属磁元件，其中所述低损耗的块状非晶体金属磁元件在激磁频率f下被激励到峰值磁感应值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、激磁频率和峰值磁感应值的分别以瓦/千克、赫兹和特斯拉来计量。
25.如权利要求24所述的块状非晶体金属磁元件，其中所述铁磁非晶体金属带具有由化学式M70-85Y5-20Z0-20限定的组成，下标是原子百分数，其中M是Fe，Ni和Co中的至少一种，Y是B，C和P中的至少一种，Z是Si，Al和Ge中的至少一种；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，Hf，Ag，Au，Pd，Pt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，以及(iii)多达约1个原子百分数的成分(M+Y+Z)可以是伴随的杂质。
26.如权利要求25所述的块状非晶体金属磁元件，其中每个所述非晶体金属带具有这样的组成，其中含有至少70个原子百分数的Fe，至少5个原子百分数的B，和至少5个原子百分数的Si，附带条件是，B和Si的总含量最少为15个原子百分数。
27.如权利要求26所述的块状非晶体金属磁元件，其中所述铁磁非晶体金属带具有基本上由化学式Fe80B11Si9限定的组成。
28.如权利要求24所述的块状非晶体金属磁元件，其中所述预定的三维几何形状基本上是矩形。
29.如权利要求28所述的块状非晶体金属磁元件，其中所述预定的三维几何形状基本是方形。
全文摘要
一种块状非晶体金属磁元件具有多个被叠置在一起从而形成多面体形状的部件的形状基本相同的铁磁非晶体金属带层。所述块状非晶体金属磁元件可以包括弧形的表面，最好包括相对设置的两个弧形表面。所述磁元件可以在50－20000Hz的频率范围内工作。当所述块状非晶体金属磁元件在激磁频率f和峰值磁感应值Bmax下工作时，所述磁元件具有小于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、激磁频率和峰值磁感应值的单位分别是瓦/千克、赫兹和特斯拉。本发明的块状非晶体金属磁元件的性能特性大大优于在相同的频率范围内操作的硅钢元件的性能特性。
文档编号H01F27/25GK1436352SQ0181072
公开日2003年8月13日 申请日期2001年1月4日 优先权日2000年4月6日
发明者N·J·德里斯托发洛, G·E·菲什, P·J·斯塔马蒂斯 申请人:霍尼韦尔国际公司