专利名称：用于切割非晶态金属形状的选择性蚀刻工艺以及通过该工艺而制成的元件的制作方法
背景技术：
1.发明领域本发明涉及用于产生非晶态金属的切割形状的工艺，更具体地说，涉及一种用于生产切割叠片的选择性蚀刻工艺，所述切割叠片相互结合在一起形成可用于电驱动式电动机和感应磁器件中的大致多面体形状的低铁损的非晶态金属体磁元件。
2.现有技术的描述由片形磁性材料的多个叠片制成的磁元件广泛用于电驱动式电动机和电感器件，例如变压器、镇流器、电感器、饱和电抗器等。磁性材料的选择尤其要考虑所需要的器件性能及经济方面的因素。
电驱动式电动机元件最常用的材料是无取向电工钢。在各种变磁阻电动机和涡流电动机中，定子是由叠片制成的。鼠笼式电动机、磁阻同步电动机和转辙磁阻电动机中的定子和转子均是由叠片制成的。各叠片尤其是通过冲压、冲孔或切割机械性能柔软的无取向电工钢至形成所需的形状而形成的。然后将形成的叠片重叠及结合在一起以形成具有所需几何形状的转子或定子，并且这些转子或定子具有足够的机械完整性以在电动机的生产和操作过程中保持它们的构造。
在旋转的电驱动式机器中，定子和转子分隔开一段小间隙，该小间隙可以是(i)径向的，即大致垂直于转子的旋转轴，或(ii)轴向的，即大致平行于旋转轴而且相互之间保持一定距离。在电动机中，磁通线横穿这些间隙而将转子和定子连接起来。因此，大致上可将电磁型机器分为径向通量设计或轴向通量设计两类。电动机领域中还使用相应的术语，即径向间隙设计和轴向间隙设计。到目前为止，最为常见的还是径向通量机器。上述冲孔和层叠方法都广泛用于构造径向通量电动机所用的转子和定子。
尽管非晶态金属相对无取向电工钢而言有良好的磁性能，但是很长一段时间它们都被视为不适用于诸如电驱动式电动机的转子和定子等体磁元件，原因是由于其某些物理性能以及对制造的后继阻碍，例如，非晶态金属比无取向钢更薄且更硬，因此使制造工具和模具磨损得更快。由于工具成本和制造成本的增加，所以使用例如冲孔和冲压这种传统的技术来制造非晶态金属体磁元件在经济角度上是不实际。由于非晶态金属较薄，因此会增加已装配元件中的叠片数量，从而进一步增加非晶态金属转子或定子组件的总成本。
非晶态金属尤其以具有均匀带宽的连续薄带来供应。然而，非晶态金属是非常硬的材料，因此其不易切割或成形。一旦对其进行退火以获得峰值磁性，则非晶态金属带会变得很脆。这令使用传统的方法去构成非晶态金属体磁元件变得困难及昂贵。非晶态金属带的脆性还会带来应用于电驱动式电动机等体磁元件时的耐久性问题。
磁定子受到极高的磁力，所述磁力根据高速的旋转速度而快速变化。这些磁力能在定子材料上施加相当大的应力，从而损坏非晶态金属的磁定子。而且，转子不论是因正常旋转，还在当机器启动、断开时及当负载变化尤其是出现突变时因加速旋转，都会受到机械力。
有限量的非传统方法已经用于构成非晶态金属元件，例如，Frischmann的美国专利4,197,146公开了一种通过模制和压实的非晶态金属薄片而制成的定子。尽管这种方法可以形成复杂的定子形状，然而在这种结构中，非晶态金属的分散薄片粒之间有大量的气隙。这种结构大大地增加了磁路的磁阻及用以操作电动机的电流。
德国专利文献DE 2805435和DE 2805438讲述了将定子分成绕线件和极靴。将一种非磁性材料插入绕线件和极靴之间的接缝中，增加有效间隙，从而增加了磁路的磁阻以及增加了用以操作电动机的电流。包括极靴片的材料层定向成使得其平面垂直于绕线护铁件层的平面。这种构造还增加了定子的磁阻，这是因为绕线件和极靴的邻接层只相交于接点，而不是沿着实线段而在它们的各自面的接点处。另外，这种方法讲述了绕线件的叠层通过焊接而相互连接。使用诸如焊接等热量集中式工艺来连接非晶态金属叠片，这会令非晶态金属在接点处或接点附近处再结晶。即使是小部分的再结晶非晶态金属，也能使定子中的磁损增大至无法接受的水平。
另一关于使用铁磁非晶态金属的困难是由于磁致伸缩的现象。任何磁致伸缩材料的某些磁性变化都响应于施加在其上的机械应力。例如，当包含非晶态材料的元件受到应力时，其导磁率都明显减小，同时铁损增加。由于磁致伸缩现象而造成的非晶态金属器件退化也可以由以下因素中的任意组合产生的应力而导致的，这些因素包括(i)在操作电驱动式电动机过程中的磁力和机械力；(ii)由机械夹持或固定非晶态金属体磁元件就位时产生的机械应力；或(iii)由热膨胀和/或非晶态金属材料的磁饱和产生的膨胀而产生的内应力。由于非晶态金属磁定子受到应力，因此定子引导或聚焦磁通的效率就会降低，从而导致磁损升高，效率降低，发热量增加，并且功率减小。这种退化的程度可以相当大，这视特定的非晶态金属材料和实际的应力强度而定，如美国专利5731649(′649专利)所描述。铁损退化常常表达为破坏因子，即，由成品器件的实际铁损与在无应力条件下测得的构成材料的固有铁损之比的比值。
而且，非晶态金属与传统的包括常见的电工钢在内的软磁材料相比，具有明显要低的各向异性能。这样，对这些传统金属的磁性不会有不良影响的应力水平会对电动机元件而言至关重要的磁性能产生重大影响，例如导磁率和铁损。例如，′649专利进一步公开了通过将非晶态金属卷成线圈，利用环氧树脂进行成叠来形成非晶态金属芯，这不利地限制了线圈材料的热膨胀和磁饱和膨胀，从而产生很高的内应力和磁致伸缩，这会降低结合有所述芯的电动机或发电机的效率。为了避免应力引起的磁性退化，′649专利公开了一种磁元件，该磁元件包括非晶态金属的多个层叠的或绕成线圈的部分，所述部分小心地安装或包含在介电封装中，而没有使用粘合剂结合。
在目前技术的许多应用中，包括那些相差很远的领域，例如高速机床、航空和航天电动机和促动器，以及用于在计算机和其它微电子设备中存储数据的磁盘和光盘驱动器中的主轴驱动电机等，要求电驱动式电动机可在高速下操作，大多情况下要超过15,000-20,000转/分钟，有时甚至高达100,000转/分钟。使用现有材料制成磁元件的局限性造成大量的和非所需的设计妥协。在许多应用中，尤其电动机元件用的电工钢的铁损是严格禁止的。在这种情况下设计者只能被迫使用坡莫合金替代。然而，伴随的饱和感应的降低(例如，各种坡莫合金为0.6-0.9T或更少，而普通的电工钢为1.8-2.0T)使得必须增大由坡莫合金或其变型所构成的磁元件的尺寸。而且，理想的坡莫合金软磁性会受到不利且不可逆的塑性变形影响，这种情况可在应力水平相对较低时出现。这种应力可在制造或操作坡莫合金元件的过程中出现。
电感器件是多种现代电力设备和电子设备的基本元件，最常用的有变压器和电感器。这些不旋转的器件大多采用包括软铁磁材料的芯以及一个或多个环绕该芯的电绕组。电感器通常采用带有两端子的单一绕组，并用作滤波器和储能器件。变压器通常有两个或多个绕组，并将电压从一个水平变到至少一个其它所需水平，并使整个电路的不同部分相互之间电绝缘。电感器件有各种不同的尺寸，从而相应地具有不同的功率容量。不同类型的电感器件在从DC到GHz极宽范围的频率内都处于操作的最佳状态。实际上，每一种已知类型的软磁材料都可用于构造电感器件。对特定软磁材料的选择取决于所需性能和易得性的组合，这种组合能保证制造的效率高，并且满足特定市场所需的体积和成本。一般来说，理想的软铁磁芯材料具有较高的饱和感应Bsat以将芯的尺寸减到最小，并且矫顽性Hc低，导磁率μ高，以及铁损较低，从而使效率最大化。
用于电气设备或电子器件的小至中等尺寸的电感器和变压器还常常由厚度低至100微米的不同级别片材的磁钢冲压而成的叠片来制成。叠片通常层叠并固定起来，随后与所需的一个或多个通常包括高传导率的铜或铝线的电绕组卷绕在一起。这些叠片通常用于具有多种已知形状的芯。
用于电感器和变压器芯的多种形状由构成元件装配而成，这些构成元件具有某些印刷体字母的常见形式，例如“C”、“U”、“E”、“I”，通过这些形式能识别元件。装配后的形状可进一步由表示构成元件的字母来表示，例如，“E-I”形状是由“E”元件及“I”元件装配而成的。其它广泛使用的装配形状包括“E-E”、“C-I”、“C-C”。具有这些形状的现有技术芯所用的构成元件已由传统的晶体铁磁金属和机加工体软铁氧体块的层压片材构成。
近来电子技术的一个重要趋势是设计电源、转换器以及使用开关模式拓扑结构电路的相关电路。目前功率半导体开关装置性能的提高允许开关模式器件在更高的频率下操作。许多过去设计成在线形频率下进行线性调节和操作的器件(通常对于电力网而言为50-60Hz，或在军事应用中为400Hz)在基于开关模式管理下频率通常为5-200kHz，有时高达1MHz。频率升高的一个主要动力是伴随有所需的磁元件如变压器和电感器等尺寸的变小。然而，频率的升高同时显著提高了这些元件的磁损。因此，非常有必要将这些损耗降低。
使用现有材料制成磁元件的局限性使得存在大量的和非所需的设计妥协。在许多应用中，常见电工钢的铁损是被禁止的。在这种情况下设计者只能被迫使用坡莫合金或铁氧体来替代。然而，伴随的饱和感应的降低(例如，各种坡莫合金为0.6-0.9T或更少，铁氧体为0.3-0.4T，而普通的电工钢为1.8-2.0T)使得必须增大所制磁元件的尺寸。而且，理想的坡莫合金软磁性会受到塑性变形的不利且不可逆的影响，这种情况可在应力水平相对较低时出现。这种应力可在制造或操作坡莫合金元件的过程中出现。尽管软铁氧体通常具有理想的低损耗，但是它们较低的感应值会导致器件对于许多其中空间因素较重要的应用而言变得不实际地大。另外，芯尺寸的增加需要更长的电绕组，因此欧姆损耗增加。
对于例如饱和电抗器和一些扼流圈的电子应用而言，非晶态金属采用了螺旋绕组的环形磁芯的形式。通常直径在若干毫米至若干厘米的范围内的这种形式的器件可在市场上获得，而且这种器件通常用于提供高达几百伏-安(VA)的开关模式电源。这种芯构造可以提供完全闭合的磁路，其中退磁因数可忽略不计。然而，为了获得所需的储能能力，许多电感器包括具有分散气隙的磁路。这种气隙的存在导致不可忽略的退磁因数以及相关的形状各向异性，它们体现为剪切的磁化(B-H)回路。这种形状各向异性可以比可能的感应磁各向异性高很多，从而成比例地增加了储能能力。
已建议将使用分散气隙以及传统材料制成的环形磁芯用于这些储能应用中。然而，有间隙的环形几何形状的设计灵活性极小。器件用户难以或不可能去调整间隙以选择所需的剪切和储能。另外，将绕组用于环形磁芯所需的设备比同等层压芯所需的绕组设备更加复杂、昂贵及难以操作。很多时候，环形几何形状的芯不能用于高电流应用，因为由额定电流所规定的高量程电线不能弯曲至圆环绕组所需的程度。另外，圆环设计只有一个磁路。结果，圆环设计就不能完全地匹配，而且难于适用于多相变压器和电感器，包括尤其常见的三相器件。因此，需要寻找更易于制造和应用的其它构造。
而且，条-绕组的环形磁芯所固有的应力会引起某些问题。绕组固有地将条的外侧面置于张紧状态中，而内侧置于压缩状态中。额外的应力由用于保证绕组平滑所需的线性拉力来提供。由于磁致伸缩，圆环绕组显示出的磁性明显比平条构造的相同条所显示的磁性要差。一般而言，退火仅能释放一部分应力，因此只能除去一部分退化。除此以外，圆环绕组中设置间隙也常引起其它问题。通过空隙，至少部分地除去了绕组结构中残余的环向应力。在实际应用中，净环向应力是不可预见的，而且可能是压应力或拉应力。因此，实际的间隙往往根据保持应力平衡的需要，在相应情况下分别闭合或打开一定的不可预见量。因此，由于缺乏校正措施，因此最终的间隙通常与目标间隙不同。由于芯的磁阻大部份是由间隙确定的，因此在大量生产时一般很难恒定地再现已完成芯的磁性。
非晶态金属还用于功率更高的器件所用的变压器，例如标有额定功率为10kVA至1MVA或更高的电力网的配电变压器。这些变压器的芯常常形成分阶式重叠的绕组，其大致呈矩形的构造。在一种常见的构造方法中，首先形成矩形的芯并对其进行退火。然后解开芯，允许预成形的绕组穿过芯的长叉脚。在结合入预成形的绕组后，重新绑好叠层并将其固定。Ballard等人的美国专利4,734,975中公开了以这种方式制造变压器的一种典型工艺。这种工艺需要大量的人力及操作步骤，其涉及到很脆的经退火的非晶态金属带。这些步骤特别冗长和困难，以实现芯的功率小于10kVA。而且，这种构造的芯不易于可控地引入气隙，但气隙在许多电感器应用中是必不可少的。
尽管以上所述的公开内容代表一定的进步，然而本领域目前仍需要一种更先进的非晶态金属磁元件，这种元件具有优越的磁性及物理性能的组合，能满足高速高效旋转的电机及其它非旋转型电感器件的需要。还需要一种有效地使用非晶态金属的构造方法，这种方法能用于大量生产各种类型的电动机和磁元件。
发明概要本发明提供一种呈多面体形状的低损耗的非晶态金属体磁元件，该元件包括多个形状基本一致的非晶态金属条层，所述层通过粘合剂层压在一起。在本发明的一个方面，一个或多个这种元件可用于构成高效率的电驱动式电动机和感应磁器件。
本发明还提供了一种选择性地蚀刻非晶态金属条原料的方法，以便形成可用于构成低铁损非晶态金属体磁元件的形状。用语“非晶态金属条”在本申请中指细长的非晶态金属带材料，即，长度和宽度远大于厚度的带状。长和宽方向限定了条的顶部表面和底部表面。
更具体而言，根据本发明一个实施例构成的磁元件在激励频率“f”下被激励至峰值感应水平“Bmax”时，将在室温下具有小于“L”的铁损，其中L由公式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6给出，铁损、激励频率和峰值感应水平在测量时的单位分别为瓦特/千克、赫兹和特斯拉。优选的是，磁元件具有(i)当在频率大约为400Hz并且通量密度大约为1.3T下操作时，非晶态金属材料的铁损小于或大致等于2.8瓦特/千克；(ii)当在频率大约为800Hz并且通量密度大约为1.3T下操作时，非晶态金属材料的铁损小于或大致等于5.7瓦特/千克；或(iii)当在频率大约为2000Hz并且通量密度大约为1.0T下操作时，非晶态金属材料的铁损小于或大致等于9.5瓦特/千克。
由于在周期性磁激励下的铁损低，因此本发明的磁元件可在DC频率至20000Hz甚至更高的频率下操作。与在同样频率范围内操作的传统硅-钢磁元件相比，这种元件能具有更高的工作性能。例如，这种元件的高频可操作性使其可用于制造能够比传统元件构成的元件更高速且更高效地工作的电动机。
本发明构成的非晶态金属体磁元件尤其适于用作高效可变磁阻电动机和涡流电动机的非晶态金属定子或定子元件。类似地，非晶态金属体元件可用作鼠笼式电动机、磁阻同步电动机和转辙磁阻电动机中的至少一种转子和定子。本领域的技术人员可以知道，所述电动机可包括一个或多个转子或一个或多个定子。因此，本申请中关于电动机的用语“转子”及“定子”指多个转子或定子，从1个至3个或更多个。旋转电机领域的技术人员可以知道，径向通量电动机可以如下所述地构成(i)转子位于内部，并且其直径一般小于定子的直径；或(ii)具有内侧向外(inside-out)式的结构或杯形的结构，其中转子和定子的相对位置和尺寸可互换。本发明的转子或定子可为一体式结构，或者为由已知部件连接在一起的多个子结构的组件，本申请中公开了所述子结构。
本领域的技术人员也应该知道，这里所用的“电驱动式电动机”是一种一般的概念，指的是各种旋转电动机，还包括电动式发电机以及可选地作为电动式发电机的再生电动机。本发明的磁元件可用于构成任何一种上述的器件。本发明的应用过程中存在很多优点。这些优点包括制造简单、制造时间短、在制造非晶态金属体元件时受到的应力(即磁致伸缩)减小、所完成的非晶态金属磁元件的性能最佳，并且包括所述转子或定子的电驱动式电动机的效率提高。
一个或多个本发明的体磁元件也可以有效地结合到电感器件中，其包括(i)具有带至少一个气隙的磁路并且包括至少一个低损耗铁磁非晶态金属体磁元件的磁芯；(ii)至少一个环绕至少一部分磁芯的电绕组；和(iii)一种元件，所述元件包括多个形状基本类似的非晶态金属条的平面层，它们相互层叠、对准并通过粘合剂结合在一起从而形成多面体形状的部件。在激励频率“f”为5kHz下激励至峰值感应水平“Bmax”为0.3T下进行工作时，这种电感器件的铁损小于大约12W/kg。这种电感器件能用于多种电路应用中，例如用作变压器，自动变压器、可饱和电抗器或电感器。本发明的元件尤其可用于采用了各种开关模式电路拓扑结构的功率调节型电子设备的构造中。本发明的器件可用于单相及多相应用，尤其用于三相应用。
有利的是，非晶态金属体磁元件可以容易地装配以形成已完成电感器件的一个或多个磁路。在某些方面，元件的相配面相互紧密接触以形成具有低磁阻及大致方形B-H回路的器件。然而，通过组装在相配面之间具有气隙的器件，就增加了磁阻，从而为器件提供了改善的储能能力，这种能力对许多电感器应用有利。气隙内可选地填充有非磁性的间隔件。
本发明元件的尺寸及形状的灵活性允许设计者在适当优化感应元件时有较宽的自由度，包括能选择全部芯及一个或多个芯内的绕线窗的尺寸和构造。选择性蚀刻尤其在制造任何所需尺寸和形状的元件时是有利的。因此，轻而易举地减小了器件的总尺寸，并减少了芯的体积及所需的绕组材料。器件设计的灵活性和芯材料的高饱和感应能力对设计出尺寸紧凑和高效的电子电路器件而言是有利的。与使用较低饱和感应的芯材料的传统电感器件相比，指定功率和储能水平的变压器和电感器通常体积更小并且效率更高。由于在周期性磁激励时的铁损低，因此本发明的磁元件可以在DC频率至20000Hz甚至更高的频率范围内操作。与在同样频率范围内操作的传统硅-钢磁元件相比，这种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发明的器件易于定制以适于专门的磁应用，例如，用于采用了开关模式电路拓扑结构并且切换频率为1kHz至200kHz或更高的功率调节型电子电路的变压器或电感器。
本发明还提供了构成非晶态金属体磁元件的方法。所述方法包括以下步骤(i)选择性地蚀刻非晶态金属条材料以形成多个叠片，各叠片基本上呈相同的预定形状；(ii)将叠片互相对准地层叠以形成叠片叠层；和(iii)用粘合剂将叠片叠层粘合在一起。所述方法还可包括可选的热处理或退火步骤以提高元件的磁性，或包括一个可选的涂覆步骤，其中将一层绝缘涂层施加在元件表面的至少一部分上。可按多种顺序利用包括以下所述技术在内的多种技术来完成这些步骤。例如，粘合剂结合步骤可以在退火步骤之前或之后实施。优选用于实施所述方法的非晶态金属材料具有大致由式Fe80B11Si9组成的组分。
所述工艺可选地包括一个对所述元件进行精整以达到以下至少一种效果的步骤可选的是，对元件进行精整以达到下述至少一种目的(i)从所述元件除去多余的粘合剂；(ii)对所述元件进行适当的表面抛光；和(iii)除去材料以确定所述元件的最终尺寸。该工艺还可包括将叠片退火，以改善元件的磁性。
有利的是，在单独成形叠片的制造方法中，不存在在绕组时弯曲加工条所固有的压应力和张应力。形成叠片引起的任何应力可能仅限于小区域或其周边附近。然后可选地精整叠片叠层，并除去任何多余的粘合剂，并对叠片进行适当的表面抛光，并确定最终的元件尺寸。
形成本发明元件的所需叠片形状可以根据多种方法实施，以不排它的方式包括有机械磨削切割法，金刚石线法，水平或垂直方位执行的高速铣削，磨料水射流铣削，通过电线或柱塞进行的放电机加工，电气化学磨削，电气化学加工，冲压，激光切割，或通过其它本领域普通技术人员已知的方法。
本发明的体磁元件优选结合有通过选择性蚀刻工艺切割的叠片。一般而言，所述工艺包括以下步骤(i)提供具有第一表面和第二表面的非晶态金属片材；(ii)在所述第一表面上印刷化学稳定性材料，所印刷的图案限定了所预选的形状；(iii)在所述第二表面上覆盖防护层；(iv)将所述非晶态金属片材暴露于腐蚀剂中，以便从所述预选形状外侧的所述第一表面区域开始选择性地蚀刻非晶态金属；和(v)将所述形状与所述非晶态金属片材分开。尽管本发明的选择性蚀刻工艺优选用于切割组件的非晶态金属件单独层以便组装成非晶态金属体磁元件，然而所述工艺也可用于制作其它应用的形状，例如硬钎料金属预成型坯。
本发明的选择性蚀刻工艺有利之处在于，相对于冲压工艺而言，它更易于选择或改变叠片的尺寸和形状，冲压工艺需要昂贵的重新设计或重新制作精确的模具组。而且，本发明的工艺易于实现复杂的形状。
附图简介结合以下对本发明的优选实施例及附图的详细描述，能更全面地理解本发明，并且本发明的优点也能更加显而易见。在所有附图中采用相同的标号来表示类似的部件，其中
图1A是非晶态金属原料层的平面图，所述原料层已经过选择性蚀刻而形成了用于构成本发明非晶态金属体磁元件的非晶态金属环形件；图1B是图1A所示的非晶态金属原料层在IB-IB处的剖视图，所述原料层已经过选择性蚀刻而形成了用于构成本发明非晶态金属体磁元件的非晶态金属环形件；图2A是非晶态金属原料层的平面图，所述原料层已经过选择性蚀刻而形成了用于构成本发明非晶态金属体磁元件的非晶态金属环形件；图2B是图2A所示非晶态金属原料层在IIB-IIB处的剖视图，所述原料层已经过选择性蚀刻而形成了用于构成本发明非晶态金属体磁元件的非晶态金属环形件；图3是根据本发明构成的呈三维矩形的非晶态金属体磁元件的透视图；图4A是根据本发明构成的呈棱形的非晶态金属体磁元件透视图；图4B是非晶态金属体磁元件的透视图，其具有根据本发明构成的相对设置的弧形表面；
图4C是图4A所示六棱柱体形元件及图4B所示六段弧形元件所构成的电驱动式电动机的定子的顶视图；图5A是根据本发明构成的电驱动式电动机的非晶态金属体磁定子的透视图；图5B是根据本发明构成的电驱动式电动机的非晶态金属体磁转子的透视图；图5C是由图5A所示定子及图5B所示转子构成的电驱动式电动机的定子和转子的顶视图；图5D是根据本发明构成的用于内侧向外式的径向间隙电驱动式电动机的非晶态金属体磁定子的顶视图；图6是用于测试非晶态金属体磁元件的组件的透视图，包括四个元件，各元件呈多面体形状，具有相对设置的弧形表面，并组装起来以形成大致为正圆形的环形圆柱体；图7A是用于构成本发明电感器件的具有带间隙环形磁芯的体磁元件的透视图；图7B是由非晶态金属条材料选择性蚀刻而成的用于结合到图7A所示元件中的叠片的平面图；图8是本发明的呈“C-I”形状的电感器件的透视图，其由有“C”和“I”形状的非晶态金属体磁元件装配而成；图9是本发明的呈“E-I”形状的电感器件的透视图，其由呈“E”形及“I”形的非晶态金属体磁元件以及设在“E”形各个叉脚上的绕组装配而成；图10是图9所示器件的一部分的剖视图；和图11是本发明的呈“E-I”形状的电感器件的平面图，其包括呈“E”形及“I”形的非晶态金属体磁元件、以及装配在相应元件相配面之间的气隙及间隔件。
本发明的详细描述本发明在一方面涉及由非晶态金属带或片材来切割出工件的工艺，以及结合有这种工件的低损耗的非晶态金属体元件。这种元件又可用于构成多种器件，包括高效率的电感器件和电驱动式电动机。
本发明构成的大致呈多面体形状的非晶态金属体元件具有各种几何形状，包括但不限于矩形及方棱形。而且，上述任何一种几何形状都可包括至少一个弧形表面，优选具有两个相对设置的弧形表面以形成大致弯曲的或弧形的非晶态金属体元件。本发明还提供了一种元件，其中的多面体形状一般为圆柱形，并且可包括多个从大致环形的部分开始径向向内或向外地延伸的齿。根据本发明，某些类型的电驱动式电动机的全部定子和转子优选采用这种齿形的非晶态金属体元件。这些定子和转子可具有一体式的构造或可由多个构件组成，并共同构成完整的元件。或者，定子和/或转子可以是复合结构，包括整个非晶态金属零件或由非晶态金属零件与其它磁性材料结合而成。本发明的体磁元件可以结合到电驱动式电动机内，优选为径向通量型的电动机。
本发明还提供了了一种电感器件，其包括一个和多个根据本发明方法切割的非晶态金属层装配而成的体磁元件。电感器件至少有一个气隙，但也可以具有多个更复杂形状的气隙以及具有多个磁路，在所述磁路中电路的磁阻可通过改变所选芯构造中的气隙来进行调节。
参见附图1A-1B，显示了本发明的用于生产切割形非晶态金属材料的选择性蚀刻工艺的一个实施方式。呈延伸带350状的非晶态金属原料具有自由侧351。化学稳定性材料358以形成环352的图案的形式而施加在带的相对侧353上。保护性材料358通常施加在表面353上，除了狭窄的同心外圆形边界区354和内圆形边界区356。自由侧351覆盖有防护层，然后将带暴露于腐蚀剂中达到一段所需的时间。在一个实施例中，防护层由相同的用于定义侧353形状的化学稳定性材料组成。或者，自由侧351与由不明显受腐蚀剂侵蚀的材料所构成的载体(carrier)层(未示出)结合在一起。载体条优选由耐腐蚀金属，例如不锈钢、镍基合金如铬镍铁合金、钛、钽、铝或聚合物材料组成。优选用粘合剂将载体条轻轻地粘附于非晶态金属条上。载体条还可通过磁力或静电力来粘附。在一些实施方式中，载体条用来在半连续或连续的卷到卷的工艺中通过装置来输送带，以完成至少一些必要的制造步骤。有利的是，在一些实施例中载体条可再次使用。防护层基本上保护自由侧351免受侵蚀，但是位于未受材料358保护的侧353上的非晶态金属被化学腐蚀，在区域354及356处产生可选地部分渗透带350厚度的沟槽。沟槽削弱了带，从而令环352轻易地与带350薄片的其余部分分离。在一些实施例中，暴露于腐蚀剂更长时间会完全腐蚀沟槽，从而完全将环352分离。暴露时间太短则不能充分削弱带，而不能用合理的力进行分离。
本发明选择性蚀刻工艺的一种相关实施方式如图2A-2B所示。在这种实施方式中，外边界区354′是对向的略小于360°的圆弧。化学稳定性材料358覆盖圆的其余部分。因此，蚀刻工艺留出一个接片(tab)361，通过该接片，环352′在蚀刻后仍与带薄片连接，而不管带350暴露于蚀刻剂的时间是否足以完全地腐蚀并穿透区域354′及356′处沟槽的带的厚度。在其它实施例中，可在工件周围设置多个这种接片。
优选的是，反复实施图1-2所示的方法以形成一系列例如环352的零件，这些零件以固定的间隔而沿着非晶态金属条原料的长度方向排列。在选择性蚀刻后，零件保持在原料之上并且可以被进一步处理。更优选的是，在蚀刻后原料绕在线轴上达一段延伸的带长度，并且大量的蚀刻后零件连接在带上。可选的是，载体层可以保持与带连接，但是载体也可以在蚀刻操作之后但在材料再次绕组之前除去。另外，如图1-2所述的工艺可以轻易地应用于半连续或连续的卷到卷工艺中。选择图1-2实施例所述的部分是为了方便阐述，使环的形状相对简单，本发明的工艺也可以易用于制造其它复杂的形状。有利的是，可用本发明的工艺形成具有多个特征的形状，例如多齿型电动机叠片，同时不需要传统冲压工艺中所需的制备及维护复杂冲压模具的费用。因此，本发明的工艺尤其适用于这种零件的快速成型或高效大批量的生产。
很多工艺都适用于将化学稳定性材料施加在带表面之一的一部分上，以在蚀刻操作的准备阶段形成本发明工件的预选形状。优选的是，原料表面的一些对应于所需形状的区域涂覆有防护材料，所需形状外的区域没有涂覆。化学稳定性材料保护涂覆区域免受蚀刻剂侵蚀，非保护区域则受到腐蚀。
施加化学稳定性材料时优选采用印刷工艺。印刷指任何将稳定性材料的预选图案快速地在原料材料表面上复制的工艺。许多已知的印刷工艺都可用于本发明，包括光刻、凸板印刷、凹板印刷和丝网印刷方法。除此以外，静电印刷和喷墨沉积方法也适用。在许多所述工艺中，沉积可以通过连续添加原料来完成，而不需要其中部分原料陆续到位并开始在某区域沉积材料的分度运动。所需的分度操作需要启动及终止材料，从而使工艺自动化复杂化并导致经常性的错误材料添加、中断及需要人工操作或干预的其它问题。用于金属条材料的传统两面光刻工艺经常需要这种分度步骤。
上述的单面选择性蚀刻工艺比现有的适用于金属条材料的光刻蚀刻方法具有显著得多的优点。后一种方法通常需要图案在原料的两侧相互对准地形成，尤其当生产的零件尺寸要求不那么严格时，例如，条两侧的光刻模具的精确对准时，将偶然尺寸公差控制在约1微米内。然而，用于磁元件的许多零件不需要这种严格的尺寸控制，10微米内的公差都是可以接受的。因此，成形单面防护层的沉积以及其它的成形工艺可以更高的效率和更高的速度来实施，而不需要蚀刻图案在带原料的相对侧精确对准，因此降低了复杂性和生产单个零件的成本。
本发明的各零件的选择性蚀刻是这样完成的，通过将包含形成图案的稳定剂的原料一侧暴露于腐蚀剂足够长时间以获得理想的蚀刻深度，所述腐蚀剂可以是气态的，但优选为液体，例如强酸。在一些实施例中，暴露持续的时间足以将工件和余下薄片之间区域的材料除去，直至原料的整个深度，这样，所需部分就从原料薄片的余下部分断开。而在其它实施例中，暴露持续的时间较短，这样蚀刻剂不会穿透整个深度，而留下弱化部分而限定了所需部分及余下薄片之间的边界。可选的是，在蚀刻步骤完成后，可从带表面除去化学稳定性材料。可以使用多种技术，包括在适当溶剂中溶解材料、分解、或机械刮削，磨蚀等等。
有利的是，图1-2所示的工艺实施例有助于对体磁元件的选择性蚀刻部分进行随后处理及进行结合。优选的是，所关注工件与非晶态金属带原料的余下薄片之间的边界弱化至足以允许令工件在生产过程中能轻易地分离。如上所述，蚀刻可以除去边界区中的大部份厚度，优选为至少约50％，更优选为至少约80％。或者，外围边界层的一部分可以基本上完全被穿透，而其它部分未被穿透，这样工件通过少数接片而仍然与带薄片保持连接，如图2A-2B所示的至少一个接片。在任一所述方法中，机械操作，例如人工分离或简单的人工或自动冲压操作可随后用于除去及收集所需量的工件来组装成体元件。这种冲压操作容易操作得多而且比传统的冲压技术要求更低，传统的冲压技术必须精确地切割工件，而且不能形成预定的弱化区。自动的在线工艺按顺序包括，从供带卷轴上输送带原料，对工件和薄片进行如上所述的选择性蚀刻，分离工件并聚集各工件的冲压步骤，并且在收卷卷轴上收集余下薄片，优选采用这种流水线工艺，因为生产效率高、并且成本效率高。
以上所述工艺有利地用于制作非晶态金属叠片层，并将其用于大致多面体状的非晶态金属电动机体元件中。这里使用的用语“多面体”指的是多面的或侧面的实心体，包括但不限于，三维的矩形、方形、梯形和棱形。除此以外，任何上述几何形状都可包括至少一个，优选两个相互对立的弧形表面或侧面，以形成大致弧形形状的元件。本发明的元件还可具有大致圆柱形的形状。图3所示磁元件10由多个形状大致一致的非晶态金属条材料层20组成，材料层20被层压在一起并进行退火。根据本发明构成的并且在激励频率“f”下被激励至峰值感应水平″Bmax″的三维磁元件10在室温下的铁损约小于“L”，其中L由公式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6给出，铁损、激励频率和峰值感应水平的测量单位分别为瓦特/千克、赫兹和特斯拉。在某些优选的实施例中，磁元件具有(i)当在频率为大约400Hz和通量密度为大约1.3特斯拉(T)下操作时，非晶态金属材料的铁损小于或大约等于2.8瓦特/千克；(ii)当在频率为大约800Hz和通量密度为大约1.3T下操作时，非晶态金属材料的铁损小于或大约等于5.7瓦特/千克；或(iii)当在频率为大约2000Hz和通量密度为大约1.0T下操作时，非晶态金属材料的铁损小于或大约地等于9.5瓦特/千克。
本发明的元件的优点在于，当元件或其任一部分在沿着大致处于所含非晶态金属件的平面中的任意方向而被磁激励时，元件的铁损较低。本发明元件的较小铁损又提供了包含该元件的电动机或电感器件的效率。低铁损值使本发明的体磁元件尤其适用于电动机，其中高极数(pole count)或高转速所需要高频率的磁激励，例如，高于100Hz激励。传统钢在高频率时固有的高铁损常常使其不适用于要求高频率激励的电动机。这些铁损性能值适用于本发明的所有实施例，而与非晶态金属体元件的特定几何形状无关。
图4A所示的磁元件100一般呈棱形，优选包括五个侧面110或表面。五边形的多面体元件100由多个非晶态金属条材料20的层组成，所述各层的尺寸及形状大致相同，条材料20层叠、层压在一起，然后进行退火。
由图4B所示的磁元件200包括至少一个、优选为两个相对设置的弧形表面210。弧形的元件200由多个非晶态金属条材料20层组成，所述各层的尺寸及形状大致相同，条材料20层叠、层压在一起，然后进行退火。
图4C所示的非晶态金属体磁元件300可以用作径向间隙电驱动式电动机的定子，并且由六个磁元件100和六个磁元件200组成。
图5A所示的非晶态金属体磁元件400通常为圆形，包括多个大致矩形的朝向圆形元件400中心的径向向内延伸的齿410。元件400包括非晶态金属条材料20的多个层，所述各层的尺寸及形状大致相同，条材料20层叠、层压在一起，然后进行退火。根据图5A实施例构成的非晶态金属体元件可以用作径向气隙的电驱动式电动机的定子。
图5B所示的非晶态金属体元件500通常呈圆盘状，包括多个径向向外延伸的大致矩形的齿510。元件500由非晶态金属条材料20的多个层组成，所述各层的尺寸及形状大致相同，条材料20层叠、层压在一起，然后进行退火。根据图5B实施例构成的非晶态金属体元件可以用作径向气隙的电驱动式电动机的转子。
接下来参见图5C，定子400和转子500为根据本发明的非晶态金属体元件，并作为高效径向气隙电驱动式电动机600的一部分。该电动机还包括绕组以及可旋转地支撑与定子400对准的转子500的轴承，这是电动机领域的技术人员可以理解的。
图5D所示的体非晶态元件800可以用作高效率的内侧向外式径向气隙电驱动式电动机中的定子。元件800包括多个形状基本上相同的叠片20。各叠片20包括具有大致环形尺寸和形状的中心部分810，以及多个从中心部分810径向向外延伸的齿形部分820。齿形部分820通常简称为齿。叠片20可通过任何适当的工艺而切割成所需形状，优选选择性蚀刻的方法。然后将叠片互相对准地层叠，并通过粘合剂的浸渍将叠片结合在一起以形成元件800。浸渍的作用是将粘合剂分散并渗透到叠片之间，使得各叠片至少一部分表面覆盖着粘合剂。在元件800用作电驱动式电动机定子的操作中，中心部分810用作护铁，即，通过齿820出入定子的磁通线的磁通返回路径。各个齿820在元件800的外周圆附近的齿端处有加宽部分830。各个齿820接近中心部分810的部分840通常称为齿根。绕组槽口850是通过相邻齿对820之间的间隙形成。当元件800用作电动机定子时，电绕组(未示出)环绕各个齿820，穿过该齿旁边的绕组槽口850。在操作电动机时，绕组受到电流的流动的激励，以提供磁通势。可通过电动机领域中多种已知的方法将各齿的绕组互连并通电。
本发明还提供了一种构造低损耗的体元件的方法。一方面，使用非晶态金属条制备单个所需形状的叠片，然后将其层叠成三维的叠片叠层并将其结合在一起。叠片可以用任何适当的方法切割，但优选选择性蚀刻。所述结合优选包括施加及激活粘合剂而将叠片相互粘合的步骤，这样叠片叠层具有足够的机械及结构完整性，而使元件在成品器件中有可处理及可操作性。可选的是，对元件进行精整以达到下述至少一种目的(i)除去多余的粘合剂；(ii)给所述元件适当的表面抛光；和(iii)除去材料以确定所述元件的最终尺寸。这种方法还包括可选的改善元件磁性的退火步骤。所述方法的步骤可以按照多种顺序及使用多种技术来实施，包括本申请中所阐述的技术以及本领域的技术人员公知的其它技术。
尤其优选用不生成毛边或其它边缘缺损的方法来形成叠片。更具体而言，在某些工艺及条件下，会形成所述这些及其它的从叠片平面突出的缺陷。这些缺陷常常造成层与层之间的电短路，电短路继而又不利地增加元件的铁损。
有利的是，选择性地蚀刻某零件通常能大大地减少或避免这种边缘缺陷的情况。选择性蚀刻的零件尤其展示出圆缘以及在最接近边缘处所述零件的厚度逐渐变小，这样就减少了在所述零件的叠层中出现如上所述的层与层之间的短路的可能性。另外，这种有粘合剂的叠层的浸渍可以通过改善锥形边缘附近的灯芯作用及毛细作用得到改进。设置一个或多个穿过各叠片的小孔可进一步改善浸渍。当各个叠片相互对准地层叠时，这些孔可以对准以形成槽道，通过所述槽道浸渍剂容易流动，这样可以保证浸渍剂至少在各叠片与相邻叠面结合的表面大部分区域上的分布更加合理。还可以在各叠片中加入其它例如表面槽道和槽口等的结构，用作增强浸渍剂流动的工具。在光蚀刻的叠片中，可以容易并有效地设置上述的孔和流动增强工具。另外，可以在叠片叠层中插入各种间隔件以促进流动的改善。
在许多情形下，在冲压前进行可选的适度的热处理而对采用冲压或类似操作而从带薄片上取下各工件有帮助的这一实施例，可以有利地改变非晶态金属的机械性能。具体而言，热处理在某种程度上降低了非晶态金属的展延性，从而在冲压工艺中断裂前可限制非晶态金属的机械变形量，以及限制所需的机械的冲模力。非晶态金属展延性的降低可以减少因非晶态金属变形而造成的冲压和模具材料的直接磨削和磨损。
本发明使用粘合剂将非晶态金属条材料的多个工件或叠片以相互间适当对准的方式而粘合在一起，从而形成体三维物体。这种结合提供了足够的结构完整性以允许本发明的元件能够得到处理及使用，或能加入其它更大的结构中去。适合的粘合剂有很多种，包括环氧树脂类、清漆、厌氧粘合剂、氰基丙烯酸盐粘合剂及室温硫化(RTV)硅酮材料。粘合剂优选具有低粘性、低收缩率、低弹性模量、高剥落强度、耐高温能力以及高介电强度。粘合剂可以覆盖各叠片表面区域的任何部分，覆盖程度足以使相邻叠片相互充分结合，从而保证足够强度而使完成的元件具有足够的机械完整性。粘合剂基本上可以覆盖大致整个表面区域。环氧树脂类可为通过化学活化而固化的多组分式，或者是通过热活化或紫外线活化而固化的单组分式。粘合剂优选具有小于1000cps的粘性，其热膨胀系数大约等于金属的热膨胀系数，或为大约10ppm。一种优选的粘合剂为P.D.George公司销售的商品号为Epoxylite 8899的热活化型环氧树脂。本发明器件的粘合优选是使用这种环氧树脂浸渍而完成的，用丙酮以体积比为1∶5将其进行稀释，从而降低其粘性并提高带的层与层之间的渗透性。另一优选的粘合剂为National Starch and Chemical Company公司销售的商品名为Permabond 910FS的甲基氰基丙烯酸盐粘合剂。本发明器件的粘合优选通过施加这种粘合剂，使该粘合剂通过毛细作用而在带的层之间渗透来进行的。Permabond 910FS是单组分的低粘性液体，其在室温下在处于潮湿中时5秒内就会固化。
适当的施加粘合剂的方法包括浸渍、喷涂、刷涂及静电沉积。在条状或带状的形式下，还可以通过使金属经过用于将粘合剂传递至非晶态金属的棒或辊子，来完成非晶态金属的涂覆。辊子或棒的表面粗糙，例如凹板印刷或绕线型辊子尤其能有效地在非晶态金属上均匀地涂覆粘合剂。每次在一层非晶态金属层上施加粘合剂，可在切割前或切割后施加于条材料上，或在切割后施加于各个层。或者，粘合剂可在叠片层叠后施加在整个叠层上。优选的是，可通过叠片间的粘合剂的毛细管流动将粘合剂浸渍于叠层之间。浸渍可在室温及压力下实施。可选但是优选的是，将叠层置于真空或静压下，使浸渍更彻底，同时最小化加入的粘合剂的总体积，从而保证了高的层叠因素。优选使用低粘性的粘合剂，例如环氧树脂或氰基丙烯酸盐粘合剂。温热还可以降低粘合剂的粘性，因此促进了叠片层间的渗透。根据需要可以活化粘合剂以改善结合。在粘合剂经过任何需要的活化和固化后，对元件进行精整，除去任何多余的粘合剂，对元件进行适当的表面抛光以及确定最终的所需元件尺寸。如果在至少约175℃的温度下实施，则粘合剂的活化或固化还可用于影响磁性，本申请的下文中将会详细描述。
对本发明元件的精整还可包括将外涂层施加于其外表面的至少一个部分上。适当的涂层包括涂料、漆、清漆、或树脂。可用各种方法施加涂层，包括在浴槽或流化床中喷涂和浸渍。可使用含有或不含溶剂载体的简单喷涂技术。或者，静电或电泳沉积技术也可以适用。如果需要，精整操作还可包括除去任何多余的涂层。这种工艺尤其对具有多余的材料存在于相互旋转零件间的紧密空隙中的电动机元件有利。外涂层有利地使元件上电绕组的绝缘构造免受金属最边缘区的磨损，并且用于捕集任何将从元件上脱落或受永磁体吸引的薄片或其它材料，否则这些材料将不适当地落到电动机或其附近结构中。
本申请公开的构造方式特别适用于磁元件，例如电驱动式电动机的定子和转子及不旋转的电感器件。磁元件的制造简单化，制造时间缩短，使用其它方法构造非晶态金属体元件时受到的应力降至最低。所得到的元件磁性能最佳。本申请描述的各种工艺步骤可以按照这里所列举的顺序或可以按照其它相关领域的技术人员已知的顺序来实施。
本发明的非晶态金属体磁元件可以用许多种非晶态金属合金来制造。一般而言，适用于制造本发明元件的合金由公式M70-85Y1-20Z0-20来限定，下标表示原子百分率，其中“M”至少为Fe、Ni和Co中的一种，“Y”至少为B、C和P中的一种，“Z”至少为Si、Al和Ge中的一种，条件是(i)高达10个原子百分率的组分M可以由金属Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta和W中的至少一种来取代，(ii)高达10个原子百分率的组分(Y+Z)可以由非金属In、Sn、Sb和Pb中的至少一种来取代。本申请中使用的用语“非晶态金属合金”指基本上没有任何长程有序的金属合金，该合金的特征为其X射线衍射强度峰值定性地类似于液体或无机氧化物玻璃的X射线衍射强度峰值。
适用作实施本发明所用原料的非晶态金属合金能在市场上获得，通常呈连续的薄条或薄带状，宽度至20cm或更宽，厚度约为20-25微米。这些合金具有大致完全玻璃状的微观结构(例如材料体积的至少约80％具有非晶态结构)。优选合金中大致100％的材料具有非晶态结构。非晶态结构的体积分数可以通过本领域中已知的方法确定，例如X射线、中子、电子衍射、透射电子显微镜术或者差示扫描量热法。对于其中“M”、“Y”、及“Z”分别地至少主要为铁、硼和硅的合金而言，能以最低成本获得合金的最高感应值。因此，合金优选包含至少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，条件是B和Si的总含量至少为15原子百分率。由铁-硼-硅合金组成的非晶态金属条是更为优选的。最优选的是，非晶态金属条包括大约11原子百分率的硼和大约9原子百分率的硅，其余成分为铁和杂质。Honeywell International Inc.公司销售这种约1.56T饱和感应以及约137μΩ-cm电阻率的合金条，商品名为METGLAS合金2605SA-1。另一合适的非晶态金属条的成分包括大约13.5原子百分率的硼、约4.5原子百分率的硅和约2原子百分率的碳，其余成分为铁和杂质。Honeywell International Inc.公司销售这种约1.56T饱和感应以及约137μΩ-cm电阻率的合金条，商品名为METGLAS合金2605SC。对于需要更高饱和感应的应用而言，基本上包括铁、约18原子百分率的Co、约16原子百分率的硼、约1原子百分率的硅、其余成分为铁和杂质所形成的条是适于的。HoneywellInternational Inc.公司销售这种合金条，商品名为METGLAS合金2605CO。然而，用这种材料构成的元件的损耗会稍稍高于用METGLAS合金2605SA-1构成的元件。
本领域技术已知，铁磁材料可由其饱和感应来表征，或由其饱和通量密度或磁化来表征。适用于本发明的合金优选有至少约1.2特斯拉(T)的饱和感应，更优选具有至少约1.5T的饱和感应。该合金还具有高电阻率，优选为至少约100μΩ-cm，最优选为至少约130μΩ-cm。
指定用于元件的非晶态金属条的机械及磁性能一般可通过在足以保证所需改进的温度和时间下进行热处理而得以改善，同时条的大致完全玻璃状的微观结构并不发生改变。热处理包括加热部分、可选的浸泡部分和冷却部分。可选择性地在至少一个部分期间将磁场施加于条上，例如至少在热处理的冷却部分期间。在给定磁元件的操作过程中，基本上沿着通量所处方向施加磁场，这种优选的磁场施加方式在某些情况下进一步增加了元件的磁性以及减少了其铁损。可选的是，热处理包括一次以上的这种热循环。而且，一次或多次热处理循环可在元件制造的不同阶段进行。例如，分散的叠片或叠片叠层可在粘合剂结合之前或之后进行热处理。优选的是，热处理在粘合前进行，因为很多有吸引力的粘合剂经受不住热处理所需的温度。
非晶态金属的热处理可采用任何能使金属具有理想热剖面的加热手段。适当的加热手段包括红外线热源、烤箱、流化床、与高温热沉的接触，通过在条中通电流进行的电阻加热，以及感应(RF)加热。加热手段的选择可取决于以上列举的处理步骤的顺序。
适用于元件的某些非晶态合金的磁性可通过对合金进行热处理以形成纳米晶微观结构而大大得到改进。这种微观结构的特征为，其中存在一种平均尺寸小于约100纳米的高密度晶粒，优选小于50纳米，更优选为大约10-20纳米。晶粒优选占铁基合金体积的至少50％。这些优选材料的铁损低，并且磁致伸缩低。磁致伸缩低这一性能还使材料受到制造和/或操作电动机或电感器件所导致的应力而出现磁性退化的影响变小。在给定合金中形成纳米晶结构所进行的热处理必须比保持基本上完全玻璃状的微观结构而进行的热处理的温度更高或时间更长。本申请所用的非晶态金属和非晶态合金还包括一种最初形成基本上完全玻璃状的微观结构而随后通过热处理或其它工艺转变成一种有纳米晶微观结构材料的材料。可通过热处理而形成纳米晶微观结构的非晶态合金通常可简称为纳米晶合金。本发明的方法可以用纳米晶合金来制备理想几何形状的体磁元件。在合金经过热处理形成纳米晶结构之前，当合金仍然处于其铸造的、有延性的、大致非晶态的形式时，更有利于所述的这种制备，因为通过热处理形成纳米晶结构通常使合金更脆和更难于处理。
两种通过在其中形成纳米晶微观结构以改进磁性的优选合金由下列公式给出，其中下标为原子百分率。
第一种优选纳米晶合金是Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw，其中R为Ni和Co中的至少一种，T为Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一种，Q为Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一种，u的范围为从0至大约10，x的范围为从大约3至12，y的范围为从0至大约4，z的范围为从大约5至12，w的范围为从0至大约小于8。在这种合金经过热处理而在其中形成纳米晶微观结构后，它就具有高的饱和感应(例如，至少大约1.5T)、低的铁损和低的饱和磁致伸缩(例如，磁致伸缩的绝对值小于4×10-6)。这种合金尤其适合用于为达到所需额定功率而需要使尺寸最小化的器件中。
第二种优选纳米晶合金为Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw，其中R为Ni和Co的至少一种，T为Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一种，Q为Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一种，u的范围为从0至大约10，x的范围为从大约1至5，y的范围为从0至大约3，z的范围为从大约5至12，w的范围为从8至18。在这种合金经过热处理而在其中形成纳米晶微观结构后，它具有至少大约1.0T的饱和感应，特别低的铁损以及低的饱和磁致伸缩(例如，磁致伸缩的绝对值小于4×10-6)。这种合金尤其适合用于需要在高激励频率(例如在1000Hz或更高频率)下操作的元件，例如在极高速的电动机或高频率的电感器或变压器。
非晶态体磁元件比由其它铁基磁性金属制成的元件能更高效地磁化及去磁。在操作中，当两种元件在相同的感应和频率下磁化时，非晶态金属体元件比由另一铁基磁性金属制成的元件所产生的热量更少。因此，使用非晶态金属体元件的电驱动式电动机设计成可在下列情况下工作(i)更低的工作温度；(ii)更高的感应，以使其尺寸和重量减小；或(iii)更高的频率，当与采用其它铁基磁性金属所制成的元件的电驱动式电动机相比较时，其尺寸和重量减小或运动控制得以改善。
另外的优点在于，包含本发明的非晶态金属体元件的电动机可设计有高的极数。电动机的转速与电激励频率和极数之比值成正比。本申请所公开的对低铁损元件的使用就允许可在比其它已知软磁材料制传统电动机所用频率高得多的频率下进行电激励，因为已知软磁材料的铁损更高。因此，设计者有更大的自由度来为给定的速度选择极数和激励频率。可以选择一种高极数电动机，这种电动机操作在最大速度下具有可接受的铁损，但同时在较宽范围的激励频率下(因此能在较宽范围的转速下)保持可接受的功率和扭矩性能。在一些应用中，这种灵活性意味着可以无需通过变速箱就能直接驱动负载，这样避免了变速箱的复杂性、保养需求及效率的降低。
本技术领域中已知，铁损是指在铁磁材料的磁化随时间而变化时在铁磁材料内部出现的能量消散。通常通过循环地激励元件来确定给定磁元件的铁损。随时间变化的磁场施加在元件上，在元件内产生相应的随时间变化的磁感应或通量密度。为了使测量标准化，激励一般选择成使得样品内的磁感应均匀并且磁感应随着频率“f”下的时间以及随着峰值幅度Bmax而呈正弦曲线地变化。然后，通过已知电测量仪器及技术来确定铁损。传统上，损耗是以瓦特/单位质量或单位体积的激励磁性材料而记录的。本技术领域中已知，损耗随着f和Bmax而单调地增加。测量电动机元件所用软磁材料的铁损的大部分标准规程[例如ASTM标准A912-93和A927(A927M-94)]要求一种位于基本闭合磁路中的材料样品，即，其中闭合磁通线完全包含于样品体积内的一种构造。另一方面，电动机元件如转子或定子等所采用的磁性材料位于磁开放电路中，即其中磁通线横穿气隙的一种构造。由于边缘场效应及磁场的不均匀性，在开放电路内测试的给定材料通常展示出更高的铁损，即，每单位质量或体积的瓦特值比闭合电路中所测的相应值更高。有利的是，本发明体磁元件即使在开放电路构造中也能在较宽通量密度和频率的范围内展示出低的铁损。
不受任何理论束缚，相信本发明低损耗非晶态金属体元件的总铁损由来自磁滞损耗和涡流损耗的值组成。所述两个值均为峰值磁感应Bmax及激励频率f的函数。现有技术中对非晶态金属内的铁损的分析(例如G.E.Fish，J.Appl.Phys.57，3569(1985)和G.E.Fish等人，J.Appl.Phys.64，5370(1988))通常限于从处于闭合磁路中的材料上获得的数据。
本发明体磁元件的每单位质量的总铁损L(Bmax，f)基本上可由函数L(Bmax，f)＝c1f(Bmax)n+c2fq(Bmax)m来限定，其中系数c1和c2，指数n、m和q必须都根据经验而定，而没有已知的理论来精确地确定其值。使用这种公式，就允许可在任何所需要的工作感应和激励频率下确定本发明体磁元件的总铁损。经常发现，在许多特定几何形状的磁器件内，尤其在电动机转子和定子内，磁场在空间分布上是不均匀的。例如有限元模型的建模等是本领域现有的用于评价峰值通量密度随空间和时间变化的技术，这种变化非常接近于在实际电动机或发电机内测到的通量密度分布。导入用于在空间分布均匀的通量密度下确定给定材料磁芯损耗的适当经验公式，这种技术可以通过对元件体积进行数值积分，而以适当的精确度来预测给定元件在操作构造中的相应实际铁损。
可以通过各种本领域已知的方法来测量本发明磁元件的铁损。下面将介绍尤其适用于测量本发明元件的方法。这种方法包括使用本发明的磁元件及通量封闭结构装置形成磁路。可选的是，磁路可包括多个本发明的磁元件以及一个通量封闭结构装置。通量封闭结构装置优选包括一种具有高的导磁率并且饱和通量密度至少等于测试元件时的通量密度的软磁材料。优选的是，软磁材料的饱和通量密度至少等于元件的饱和通量密度。元件测试所沿着的通量方向通常形成了元件的第一和第二相对面。磁通线一般沿着正交于第一相对面平面的方向进入元件。磁通线通常沿着非晶态金属条的平面而从第二相对面中穿出。通量封闭结构装置通常包括通量封闭磁元件，所述封闭磁元件优选根据本发明而构成，但也可以根据本领域已知的方法和材料构成。通量封闭磁元件也具有第一和第二相对面，磁通线通常以正交于其各自平面的方向而进入并穿出所述相对面。通量封闭元件的相对面的尺寸和形状基本上与磁元件的相应面相同，通量封闭元件在实际测试中与所述的相应面相配。通量封闭磁元件设置成与其第一和第二面形成相配的关系，所述第一面和第二面分别紧密地接近和相当接近本发明磁元件的第一和第二面。通过在环绕本发明磁元件或环绕通量封闭磁元件的第一绕组中通电流，来施加磁通势。所得通量密度通过法拉第定律由环绕待测试磁元件的第二绕组内所感应出的电压来确定。施加的磁场通过安培定律由磁通势确定。然后用传统的方法通过所加磁场和所得通量密度来计算铁损。
图6描述了用于实施上述不要求通量封闭结构装置的一种测试方法的组件60。组件60包括四个本发明的弧形非晶态金属体磁元件200。各个元件200是基本上相同的正圆形、环形和圆柱形的对向90°的弧形段，其带有图4B所示的弧形表面210。每一元件具有第一相对面66a和第二相对面66b。元件200设置成相配的关系，以形成通常具有正圆形的圆柱体的组件60。每一元件200的第一相对面66a都接近并且通常平行于相邻元件200的相应的第一相对面66a。四组元件200的相邻面因此而限定了四个环绕组件60等距间隔开的间隙。元件200可通过带62紧密结合。组件60形成一种具有四个可穿透段(各段包括一个元件200)和四个间隙64的磁路。两个铜线绕组(未示出)螺旋式地穿过组件60。适当强度的交流电通过第一绕组并提供磁通势，该磁通势在所需的频率和峰值通量密度下激励组件60。所得到的磁通线通常位于条20的平面内并沿着圆周方向。在每一元件200内，在第二绕组内感应出代表随时间变化的通量密度的电压。总铁损由电压和电流的测量值通过传统电子方式来确定，并等量地分配于四个元件200中。
在本发明的另一方面，在电感器件中结合有低损耗非晶态金属体磁元件是有利的。详见图7A，图7A显示了本发明的包括磁芯650的电感器件，该磁芯包括呈圆环状的带有内置气隙660的单一非晶态金属体元件。如图7B清楚显示，由非晶态金属条切出形状基本相似的多个平面层652。然后将这些层对准地层叠，并用粘合剂结合在一起。也就是说，将这些层652定位成使得它们各自的内侧和外侧边缘656，654和槽口657大致对准，以形成平滑的大致呈圆柱形的内侧和外侧表面。所述对准可以在将每一层652依次加到叠层中来完成。或者，可以在层叠完成后将层排成一组。对准的槽口一起限定了气隙660，其中间隔件(未示出)可选地插入面658和658′之间。
每一层呈大致环形的形状，并具有外侧边缘654和内侧边缘656。每一层652中都形成了从外侧边缘654延伸至内侧边缘656的槽口65。选择槽口657的宽度使得在完成的芯650内获得适当的退磁因子。层652通过粘合剂结合起来，优选使用低粘性的环氧树脂662进行浸渍。在所描述的方面中，层为圆形的环，但是其他非圆形的形状也是可以的，例如椭圆形、跑道形及任何纵横比的方形和矩形图框形状。任何实施例中的层的内侧或外侧顶部都可选地呈辐射式。所示槽口657显示为沿着径向方向，但是也可以在从内侧边缘656延伸至外侧边缘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状，或为锥形的形状，或者可以具有适当的外形以便在磁芯的B-H回路上获得理想效果。本发明的电感器件的构造还包括在芯上设置至少一个圆环绕组(未示出)。
本发明的选择性蚀刻工艺特别优选用于制造小零件，因为相对而言其自动化更容易，而且能够更紧密及可重现地控制成品层的尺寸。这种控制又能够大批量地生产包括均匀尺寸叠片的芯，这种芯因而具有极好的且均匀的磁性。本发明的制造方法与带绕组的芯结构相比还有一个优点，因为将条弯曲成螺旋结构时固有的压应力和张应力不再存在于扁形的叠片中。任何由切割、冲孔、蚀刻等导致的应力可能仅限于小面积区域或接近各叠片的周边区域。
在本发明的另一方面，使用了类似的制造工艺以形成结合在非晶态金属体磁元件中的层，所述非晶态金属体磁元件的整体形状通常类似例如“C”、“U”、“E”及“I”等印刷体字母，通过这些字母能识别所述元件。每一个元件包括非晶态金属的多个平面层。这些层按大致相同的高度和包装密度而相互对准地结合在一起，以形成用于本发明电感器件的元件。本发明装置的多个元件是通过将元件固定于与固定部件相邻的位置而装配起来的，从而形成至少一个磁路。在装配好的构造中，所有元件内的非晶态金属条层位于大致平行的平面内。每一个元件具有至少两个的彼此相邻的相配面，它们与其它元件上的互补相配面数量相同并且与之平行。一些形状，例如C、U和E形终止于一般大致共面的相配面中。I形(或矩形的棱形)在其相对端处可具有两个平行的相配面，或在其长侧具有一个或多个相配面，或者同时设置了这两种相配面。相配面优选基本上垂直于元件内组成带的平面，以便使铁损最小。本发明的一些实施例还包括这样的体磁元件，其具有相对于元件特征的细长方向而斜接的相配面。
在本发明的一些实施例中，当形成有单一磁路的电感器件时，使用具有两个相配面的两个磁元件。在其它方面，元件有多于两个的相配面，或者器件具有多于两个的元件；因此，一部分这些实施例还提供了两个以上的磁路。在本申请中，用语“磁路”指由于环绕至少一部分磁路的带电绕组所产生的外加磁通势使得连续磁通线流动所经过的路径。闭合磁路是指磁通专门地位于磁性材料芯内的磁路，而在开放电路中，部分磁通路位于材料芯的外部，例如横穿气隙或芯部分之间的非磁性间隔件。本发明器件的磁路优选相对闭合，磁通路大部分位于器件元件的磁层内，但也穿过相应元件的邻近相配面之间的至少两个气隙。电路的开放程度可通过由气隙及可穿透磁芯材料对总磁阻的贡献来规定。优选的是，在本发明器件的磁路的磁阻中，由间隙引起的电阻至多为由可穿透元件所引起的电阻的十倍。
可选地，元件的制造包括在元件上制备相配面的步骤，所述面基本上为平面并垂直于组成层。如有必要，制造面的步骤可包括精整相配面并除去任何粗糙或不平的平整操作。平整操作优选包括铣削、表面磨削、切割、抛光、化学蚀刻和电化学蚀刻等类似操作中的至少一种，以提供平面的相配面。平整步骤尤其优选用于位于元件一侧的相配面，以抵消因非晶态金属层的不完全对准而产生的任何影响。
具体见图8，图8描述了本发明的大致呈“C-I”状的电感器件30，其包括“C”状的磁元件32和呈“I”状的磁元件33。“C”元件32还包括第一边叉脚29和第二边叉脚44，它们均从背部分34的共同侧开始垂直地延伸，并终止于第一矩形的相配面43和第二矩形的相配面45的远端处。相配面一般是大致共面的。边叉脚29和44冲背部分34一侧的相对端延伸出。“I”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，这两者均位于元件33的共同侧。相配面42和46之间在尺寸和间隔方面与元件32的叉脚29和44末端处的相应相配面43和45互补。边叉脚29和44、边叉脚之间的背部分34以及I元件33均有大致矩形的几何截面，它们优选都具有基本上相同的高度、宽度和有效磁区域。有效磁区域指在几何截面内由磁性材料占据的区域，该区域等于总几何区域乘于层叠系数。本领域技术已知，可以在器件30的元件上施加一个或多个绕组，例如在C元件32的相应叉脚29及44上施加绕组47和48。或者，绕组可以施加于实施例(未示出)中的I元件33上。
图9-11描述本发明的“E-I”器件80，其包括“E”及“I”状的构成元件。E元件82包括多个由铁磁金属条制备而成的多个层。每一层呈基本相同的E-形状。这些层结合在一起以形成厚度基本均匀的E元件82，该元件具有背部分84、中心叉脚86E、第一边叉脚90和第二边叉脚94。中心叉脚86以及边叉脚90、94均从部分84的共同侧开始垂直地延伸，并各自终止于矩形面87、91及95的远端处。中心叉脚86从背部分84的中心延伸出，而边叉脚90和94各自从背部分84同一侧的相对端上延伸出。中心叉脚86和边叉脚90、94的长度通常大致相同，使得相应面87、91和95基本上共面。如图10所示，中心叉脚86和任一边叉脚90和94之间的背部分84的A-A截面基本上呈矩形，其厚度由层叠层的高度限定，其宽度由每层的宽度限定。背部分84的A-A截面优选与面87、91和95中任一个至少一样宽。
I元件81具有矩形的棱形形状，并包括采用了与E元件82内层所用铁磁金属条相同的多个层。这些层结合在一起以形成厚度基本均匀的I件81。I元件81的厚度和宽度基本上等于背部分84在剖面A-A处的厚度和宽度，其长度基本上等于E元件82在边叉脚90、94外侧表面之间所测得的长度。在I元件81一侧中心处设有相配面88，而第一端相配面92和第二端相配面96位于元件81同一侧的相对端处。每一个相配面87、91及95的尺寸分别与面88、92和96的尺寸基本上相同。
如图9和11进一步所示，器件80的装配包括(i)提供一个或多个电绕组，例如绕组77、78及79，其环绕元件82或81的一个或多个部分；(ii)将E元件82和I元件81对准成紧密排列在一起，其中所有层处于大致平行的平面内；和(iii)将元件81和82机械地固定成并列位系。对准元件82和81，使得面87与88，91与92，95与96分别相邻靠。各组面之间的间隔形成了三个厚度基本相同的气隙。间隔件89、93和97可选地置于这些间隙内，以提高器件80内每一磁路的磁阻和储能能力。或者，相应面可以紧密相配地接触，以使气隙最小并且提高初始感应系数。
“E-I”器件80可以结合到具有初级绕组和次级绕组的单相变压器中。在一个这样的实施方式中，绕组79用作初级绕组，而在串联的辅助绕组77和78用作次级绕组。在这种实施方式中，优选的是，每一个边叉脚90和94的宽度至少为中心叉脚86宽度的一半。
图9-11的实施方式提供了三条磁路，其路径如“E-I”器件80中虚线51、52和53所示。因此，器件80可以用作三相电感器，其中三个叉脚均各自带有用于三相中一相的绕组。在另一实施方式中，“E-I”器件80可以用作三相变压器，每一个叉脚均具有用于三相中一相的初级和次级绕组。在用于三相电路的E-I器件的大部份实施方式中，优选叉脚86、90和94具有相同的宽度，以便更好地平衡三相。在某些专门设计中，不同的叉脚可以具有不同的截面、不同的间隙或不同的匝数。适于各种多相应用的其它形式对于本领域技术人员而言是显而易见的。
提供了以下实例，以便更全面地理解本发明。所提供的用于阐述本发明原理和实践的特定技术、条件、材料、比例和所列数据是例举性的，并应视为限制了本发明的范围。
实例1非晶态金属定子的制备及测试用于内侧向外式主轴电驱动式电动机的非晶态金属定子的叠片是通过选择性蚀刻工艺从大约22微米厚的Fe80B11Si9非晶态金属带上切下。各叠片包括一个中心的一般呈圆环状的环形区，及多个从中心环形区径向向外地延伸的齿，大致如图5D所示。环形区的内径和外径分别大约为9毫米和11毫米。在齿周边测得的元件外径为大约25毫米。叠片在350-400℃温度下进行热处理达0.5-3个小时，以改进其软磁性。然后将大约120个叠片层叠起来，以形成大致圆柱形的高度约为4.2毫米的结构。将叠层浸泡于低粘性的热活化型环氧树脂中，树脂可以浸渍并渗入相邻叠片之间的间隔。所使用的环氧树脂为EpoxyliteTM8899，按照体积比为1∶5用丙酮进行稀释，以获得适当的粘性。将叠层在夹具中相互对准并轻轻进行施压至高度大约为4毫米，以提高叠层的压实密度。然后将浸渍后的叠层暴露于大约177℃温度下将近2.5小时，以便活化并固化环氧树脂溶液。在冷却后，将叠层从夹具中取出，通过电泳涂覆上3M的ScotchCastTM电工树脂5133，以形成适用于内侧向外式电动机的定子。
通过附上环绕中心环形区的初级和次级电绕组，来测试定子的磁性。初级绕组由所需频率和幅度的AC电流源激励；所得到的最大通量密度是由穿过次级绕组处的感应电压计算得出，假设磁通完全实施在中心环形区内，有效地忽略了齿根附近处的任何通量。调整激励以提供一系列规定频率和通量密度的测试点。用Yokogawa2532瓦特计来确定铁损。
本实施例中的定子芯在从DC直至高达至少2kHz的频率幅度内展示出有利的低铁损。值得注意的是，在50Hz(0.05kHz)及1.0T下的损耗为大约0.21W/kg；在400Hz(0.4kHz)及1.0T下的损耗为大约1.6W/kg，同一频率下以及在1.3T下为2.8W/kg；在800Hz(0.8kHz)及1.0T下的损耗为大约3.3W/kg，同一频率下以及在1.3T下为5.7W/kg；在2000Hz(2kHz)及1.0T下的损耗大约为9.5W/kg，同一频率下以及在1.3T下为14.8W/kg。
还应注意的是，定子芯的损耗表现可以通过函数L(Bmax，f)＝c1f(Bmax)n+c2fq(Bmax)m来描述。尤其是，定子的损耗小于利用函数L＝0.005(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6估计的值。
所得的低铁损值使定子芯尤其适合用于高转速的电动机中，在这种电动机中，电频率可以高达1-2kHz或更高。
实例2
纳米晶合金矩形棱柱的制备内侧向外式主轴电动机定子的叠片通过对约30毫米宽和0.018毫米厚的Fe73.5Cu1Nb3B9Si13.5非晶态金属带进行光刻来制成。各叠片包括一个通常呈圆环形状的中心环形区，该中心环形区具有多个从中心环形区径向向外延伸的齿，通常如图5D所示。环形区具有相邻的分别约为9毫米和11毫米的内径和外径。在齿周边测得的元件外径为大约25毫米。将叠片通过热处理，以便在非晶态金属内形成纳米晶微观结构。通过实施以下步骤来进行退火1)加热零件至580℃；2)在大约580℃的温度下保持约1小时；和3)使零件冷却至室温。然后将大约160个经热处理后的叠片层叠起来，以形成大致圆柱形的高约4.2毫米的结构，将其浸入低粘性的热活化型环氧树脂中，这种树脂能够浸渍并渗入相邻叠片之间的空间里。所用的环氧树脂为EpoxyliteTM8899，以体积比为1∶5用丙酮进行稀释以获得适当的粘性。将叠层在夹具中相互对准并轻轻压至大约4毫米的高度，以提高叠层的压实密度。然后将浸渍后的叠层暴露于大约177℃的温度下将近2.5小时，以便活化并固化环氧树脂溶液。在冷却后，将叠层从夹具中取出，通过电泳涂覆上3M的ScotchCastTM电树脂5133以形成适用于内侧向外式电动机的定子。
通过附上环绕中心环形区的初级和次级电绕组，来测试定子的磁性。初级绕组由所需频率和幅度的AC电流源激励；所得到的最大通量密度是由穿过次级绕组处的感应电压计算得出，假设磁通完全实施在中心环形区内，而有效地忽略了齿根附近处的任何通量。调整激励以提供一系列规定频率和通量密度的测试点。用Yokogawa2532瓦特计来确定铁损。
纳米晶合金定子显示出低的铁损。值得注意的是，在50Hz(0.05kHz)及1.0T下的损耗为大约0.21W/kg；在400Hz(0.4kHz)及1.0T下的损耗为大约1.6W/kg，在同一频率下以及在1.3T下为2.8W/kg；在800Hz(0.8kHz)及1.0T下的损耗为大约3.3W/kg，在同一频率下以及在1.3T下为5.7W/kg；在2000Hz(2kHz)及1.0T下的损耗为大约9.5W/kg，在同一频率下以及在1.3T下为14.8W/kg。因此，定子适用于高速高效率的电驱动式电动机。
在对本发明进行了相当全面的详细描述之后，可以理解，并不一定要严格遵循这些细节，而是，本领域技术人员可预见到各种变化或更改，所有这些变化或更改都属于所附权利要求所限定的本发明范围内。
权利要求
1.一种用于电驱动式电动机的低损耗的非晶态金属体磁元件，其包括多个形状基本相似的非晶态金属条的层，所述层通过粘合剂层压在一起而形成呈多面体形状的部分，当在激励频率“f”下工作至峰值感应水平Bmax时，所述低损耗的非晶态金属体磁元件有小于约“L”的铁损，其中L由公式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6给出，所述铁损、激励频率和峰值感应水平的测量单位分别为瓦特/千克、赫兹和特斯拉。
2.根据权利要求1所述的磁元件，其特征在于，各所述非晶态金属条的成分大致由公式M70-85Y5-20Z0-20来限定，下标表示原子百分率，其中“M”为Fe、Ni和Co中的至少一种，“Y”为B、C和P中的至少一种，“Z”为Si、Al和Ge中的至少一种；条件是(i)高达10原子百分率的“M”成分可由金属Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta和W中的至少一种来替代，和(ii)高达10原子百分率的成分(Y+Z)可由非金属物质In、Sn、Sb和Pb中的至少一种来替代。
3.根据权利要求2所述的磁元件，其特征在于，所述M成分基本上为Fe，所述Y成分基本上为B，所述Z成分基本上为Si。
4.根据权利要求2所述的磁元件，其特征在于，各所述铁磁非晶态金属条的成分包含至少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，条件是B和Si的总含量至少为15原子百分率。
5.根据权利要求4所述的磁元件，其特征在于，各所述条的成分大致由公式Fe80B11Si9来限定。
6.根据权利要求2所述的磁元件，其特征在于，所述非晶态金属条已经过热处理，以便在其中形成纳米晶微观结构。
7.根据权利要求6所述的磁元件，其特征在于，各所述非晶态金属条的成分大致由公式Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw来限定，其中R为Ni和Co中的至少一种，T为Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一种，Q为Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一种，u的范围为从0至大约10，x的范围为从大约3至12，y的范围为从0至大约4，z的范围为从大约5至12，w的范围为从0至大约小于8。
8.根据权利要求6所述的磁元件，其特征在于，各所述非晶态金属条的成分大致由公式Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw限定，其中R为Ni和Co中的至少一种，T为Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一种，Q为Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一种，u的范围为从0至大约10，x的范围为从大约1至5，y的范围为从0至大约3，z的范围为从大约5至12，w的范围为从大约8至18。
9.根据权利要求1所述的磁元件，其特征在于，所述磁元件包括电驱动式电动机定子的至少一部分。
10.根据权利要求1所述的磁元件，其特征在于，所述磁元件包括电驱动式电动机转子的至少一部分。
11.根据权利要求1所述的磁元件，其特征在于，当在频率为大约400Hz并且通量密度为大约1.3T下操作时，所述磁元件的铁损小于或大约等于非晶态金属材料的2.8瓦特/千克。
12.根据权利要求1所述的磁元件，当在频率为大约800Hz并且通量密度为大约1.3T下操作时，所述磁元件的铁损小于或大约等于非晶态金属材料的5.7瓦特/千克。
13.根据权利要求1所述的磁元件，当在频率为大约2000Hz并且通量密度为大约1.0T下操作时，所述磁元件的铁损小于或大约等于非晶态金属材料的9.5瓦特/千克。
14.根据权利要求1所述的磁元件，其特征在于，所述粘合剂包括选自单组分和双组分的环氧树脂类、清漆、厌氧粘合剂、氰基丙烯酸盐粘合剂及室温硫化(RTV)硅酮材料中的至少一种成分。
15.根据权利要求14所述的磁元件，其特征在于，所述元件用所述粘合剂浸渍。
16.根据权利要求15所述的磁元件，其特征在于，所述磁元件还包括用于改善所述叠片结合的浸渍剂流动增强工具。
17.根据权利要求14所述的磁元件，其特征在于，所述粘合剂为低粘性环氧树脂。
18.一种电感器件，包括a)磁芯，所述磁芯具有带至少一个气隙的磁路，并且包括至少一个低损耗铁磁非晶态金属体磁元件；b)至少一个电绕组，所述电绕组环绕所述磁芯的至少一部分；c)所述元件包括多个形状大致相似的、非晶态金属条的相互间层叠且对准的平面层，所述平面层通过粘合剂结合在一起以形成多面体形状的部分；和d)所述电感器件当在激励频率“f”为5kHz时激励至峰值感应水平“Bmax”为0.3T下操作时，其铁损小于约12W/kg。
19.根据权利要求18所述的电感器件，其特征在于，所述器件选自变压器、自动变压器、饱和电抗器和电感器。
20.根据权利要求18所述的电感器件，其特征在于，所述磁芯包括多个所述低损耗的铁磁非晶态金属体磁元件，各所述磁元件具有至少两个相配面，所述磁元件并列地装配，使得各所述相配面贴近并基本上平行于另一所述元件的相配面之一。
21.根据权利要求18所述的电感器件，其特征在于，各所述元件的形状选自C、E、I、U、梯形及弧形。
22.根据权利要求18所述的电感器件，其特征在于，各所述元件的形状选自E-I、E-E、C-I、C-C和C-I-C形。
23.一种用于构造低铁损的非晶态金属体磁元件的方法，包括下列步骤a)选择性地蚀刻非晶态金属条材料，以形成多个各自具有基本相同预定形状的叠片；b)将所述叠片互相对准地层叠，以形成叠片叠层；和c)利用粘合剂结合所述叠片叠层。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法还包括下列步骤a)精整所述元件以达到至少一个以下目的(i)从所述元件上除去多余的粘合剂；(ii)对所述元件进行适当的表面抛光；和(iii)除去材料以确定所述元件的最终元件尺寸。
25.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法还包括下列步骤a)对所述叠片进行退火，以提高所述元件的磁性。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述退火步骤在所述粘合剂结合步骤之后实施。
27.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述退火步骤在所述粘合剂结合步骤之前实施。
28.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法还包括下列步骤a)用绝缘涂层剂来涂覆所述元件表面的至少一部分。
29.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法还包括下列步骤a)在所述元件上制备至少两个相配面，所述面是基本上平面的，并且垂直于所述层。
30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述制备步骤包括平整操作，所述平整操作包括对所述相配面进行铣削、表面磨削、切割、抛光、化学蚀刻和电化学蚀刻中的至少一种。
31.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述粘合剂结合步骤包括对所述叠片叠层进行浸渍处理。
32.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述粘合剂包括选自单组分和双组分的环氧树脂类、清漆、厌氧粘合剂、氰基丙烯酸盐粘合剂及室温硫化(RTV)硅酮材料中的至少一种成分。
33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述粘合剂包括低粘性的环氧树脂。
34.根据权利要求33所述的方法，其特征在于，所述粘合剂具有小于大约1000cps的粘性。
35.根据权利要求33所述的方法，其特征在于，所述粘合剂具有小于大约10ppm的热膨胀系数。
36.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，所述粘合剂具有小于大约10ppm的热膨胀系数。
37.一种根据根据权利要求23所述的方法构成的低铁损的非晶态金属体磁元件。
38.根据权利要求37所述的低铁损的非晶态金属体磁元件，其特征在于，所述元件在激励频率“f”下激励至峰值感应水平Bmax下操作时，具有小于约“L”的铁损，其中，L由公式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6来给出，所述铁损、所述激励频率和所述峰值感应水平的测量单位分别为瓦特/千克、赫兹和特斯拉。
39.一种用于生产具有预选形状的切割型非晶态金属零件的工艺，包括下列步骤a)提供具有第一表面和第二表面的非晶态金属片材；b)将化学稳定性材料按照限定了预选形状的图案而印刷于所述第一表面上；c)用防护层覆盖所述第二表面；d)将所述非晶态金属片材暴露于腐蚀剂中，以便从所述第一表面的处于所述预选形状外侧的区域开始选择性地蚀刻非晶态金属；和e)将所述形状与所述非晶态金属片材分离。
40.根据权利要求39所述的工艺，其特征在于，所述印刷步骤包括选自平面印刷术、凸板印刷、凹板印刷、丝网印刷、静电印刷和喷墨沉积印刷方法中的至少一种印刷方法。
41.根据权利要求39所述的工艺，其特征在于，所述印刷步骤在所述非晶态金属片材的连续运动过程中沉积所述化学稳定性材料。
42.根据权利要求39所述的工艺，其特征在于，所述限定了所述预选形状的图案和所述防护层包括基本上相同的化学稳定性材料。
43.根据权利要求39所述的工艺，其特征在于，所述防护层包括载体条。
44.根据权利要求43所述的工艺，其特征在于，所述载体条包括选自不锈钢、镍基合金、钛、钽和铝中的至少一种金属。
45.根据权利要求43所述的工艺，其特征在于，所述载体条由聚合物材料构成。
46.根据权利要求39所述的工艺，其特征在于，所述暴露步骤持续一段足以显著地弱化所述形状与所述片材的连接的时间。
47.根据权利要求39所述的工艺，其特征在于，所述暴露步骤持续一段足以穿透所述片材的时间，从而将所述形状与所述片材分离。
48.根据权利要求39所述的工艺，其特征在于，所述形状包括至少一个将所述形状连接于所述片材其余部分上的接片。
49.根据权利要求39所述的工艺，其特征在于，所述分离步骤包括将所述形状从所述非晶态金属片材上切断的冲压操作。
50.根据权利要求18所述的电感器件，其特征在于，所述器件当在激励频率“f”激励至峰值感应水平Bmax下操作时，具有小于约“L”的铁损，其中，L由公式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6来给出，所述铁损、所述激励频率和所述峰值感应水平的测量单位分别为瓦特/千克、赫兹和特斯拉。
全文摘要
一种用于由非晶态金属条原料切割出一定形状的选择性蚀刻工艺。该蚀刻工艺包括，将化学稳定性材料按照限定了所需形状的图案而沉积在这种金属条的一侧上，将金属条与载体条相配起来，将金属条的至少一侧暴露于蚀刻剂中，以便选择性地蚀刻出所需的形状，并将该形状与金属条原料分开。将该形状的多个层通过粘合剂层叠而装配在一起，以形成可用于高效率电驱动式电动机和电感器件中的大致多面体形状的非晶态金属体磁元件。该非晶态金属体磁元件可包括弧形表面，并且优选包括两个设置成彼此相对的弧形表面。这种磁元件可在大约50Hz至大约20000Hz的频率下工作。当这种元件在激励频率“f”下工作至峰值感应水平B
文档编号H02K15/02GK1864312SQ200480017119
公开日2006年11月15日 申请日期2004年4月21日 优先权日2003年4月25日
发明者N·J·德克里斯托法罗, G·E·费希, S·M·林奎斯特, C·E·克罗格尔 申请人:梅特格拉斯公司