结构化的磁性材料的制作方法

结构化的磁性材料的制作方法
【专利摘要】一种形成在表面上的整体材料，所述整体材料包含：金属材料的多个粘附区域，金属材料的所述多个区域的基本上全部区域由高电阻率绝缘材料的预定层分隔。所述多个区域的第一部分形成表面。所述多个区域的第二部分包括从所述第一部分前进的金属材料的继续区域。所述继续区域中的基本上全部区域各自包括第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面相反，所述第二表面符合已前进的区域的形状，并且所述第二部分中的所述继续区域中的大部分区域具有包含基本上凸形表面的第一表面和包含一个或多个基本上凹形表面的第二表面。
【专利说明】结构化的磁性材料
[0001]政府权益
[0002]本发明部分地由来自国家自然科学基金(National Science Foundation)在SBIR第I阶段，决标号IIP-1113202的拨款资助。国家自然科学基金在本发明特定方面具有特定权益。
[0003]相关申请
[0004]本申请在此在35U.S.C.§ § 119，120，363，365，以及 37C.F.R.§1.55 和 §1.78 下要求2011年6月30日提交的美国临时申请系列号61/571，551的权益和优先权，该申请通过引用结合在此。
【技术领域】
[0005]所公开的实施方案涉及一种用于制备结构化材料并且更具体地制备具有带绝缘边界的区域的材料的系统和方法。
[0006]背景
[0007]电机如DC无刷电动机等，可以在其中高电动机输出、优良的运行效率以及低制造成本通常在产品的成功和环境影响上发挥关键作用的越来越多种工业和应用中使用，所述工业和应用例如，机器人、工业自动化、电动交通工具、HVAC系统、器械、动力工具、医疗器械以及军事和空间探测应用。这些电机典型地在它们的定子缠绕磁芯中具有相反高的铁损的情况下在数百Hz的频率操作，并且通常遭受得自层叠铁心硅钢的定子缠绕磁芯的构造带有的设计缺陷影响。
[0008]典型的无刷DC电动机包括具有一组具有交替极性的永磁体的转子，并且包括定子。定子典型地包含一组绕组和定子磁芯。定子磁芯是电动机的磁回路的关键组件，因为它提供穿过电动机定子的绕组的磁路。
[0009]为了获得高效率的运行，定子磁芯需要提供好的磁路，即，高磁导率、低矫顽性和高饱和感应，同时最小化在定子磁芯中归因于磁场随电动机旋转的迅速变化而感应的涡电流相关的损耗。这可以通过经由层叠大量单独地层叠的薄片金属元件以建造所需厚度的定子磁芯来构造定子磁芯而实现。可以将每个元件从金属片压出或切出并用防止相邻的元件之间的电传导的绝缘层涂布。元件典型地以使得磁通量沿元件通过而不跨越可以充当空气间隙并且降低电动机的效率的绝缘层的方式定向。同时，绝缘层防止垂直于磁通量的方向的电流，以有效地减少在定子磁芯中感应的润电流相关的损耗。
[0010]传统的层叠定子磁芯的制造是复杂的、不经济的并且劳动力密集的，因为需要将单独的元件切割、用绝缘层涂布并且之后组装在一起。此外，因为磁通量需要保持与铁磁芯的层叠体对齐，电动机的几何结构会相当受约束。这典型地导致具有次优定子磁芯性质、受限的磁回路构造以及对于在许多振动敏感应用，如在基板处理和医学机器人等中关键的受限的接头减少措施的电动机设计。还可能困难的是将冷却结合至层叠定子磁芯中以允许绕组中增加的电流密度并提高电动机的扭力输出。这可以导致具有次优性质的电动机设计。
[0011]软磁性复合材料(SMC)包括在表面上具有绝缘层的粉末粒子。参见，例如，Jansson, P.,基于铁粉末的软磁性复合材料中的进展(Advances in Soft MagneticComposites Based on Iron Powder),软磁性材料(Soft Magnetic Materials), ‘98,第7篇文章，巴塞罗那，西班牙，1998年四月，以及Uozumi，G.等，用于低铁损的具有蒸发MgO绝缘涂层的软磁性复合材料的性质(Properties of Soft Magnetic Composite WithEvaporated MgO Insulation Coating for Low Iron Loss)，材料科学研讨会(MaterialsScience Forum)，第534-536卷，第1361-1364页，2007，两者都通过引用结合在此。理论上，SMC材料，当与钢层叠体比较时，归因于它们的同向性性质和用于通过网形粉末冶金学制造路线的复合组件制造的适合性，可以提供用于电动机定子磁芯的制造的益处。
[0012]最近由多位作者描述了设计为充分利用SMC材料的性质的用粉末金属定子建造的电动机。参见，例如，Jack, A.G., Mecrow, B.C.Maddi son, C.P.,使用软磁性复合材料的组合径向和轴向永磁体电动机(Combined Radial and Axial Permanent MagnetMotors Using Soft Magnetic Composites),第九届电动机和驱动器国际会议(NinthInternational Conference on Electrical Machines and Drives),会议出版物号 468,1999, Jack, A.G.等，具有粉末化的铁磁芯和预压绕组的永磁体电机(Permanent-MagnetMachines with Powdered Iron Cores and Prepressed Windings), IEEE Transactionson Industry Applications,第 36 卷，第 4 期，第 1077-1084 页，2000 年七月 / 八月，Hur,J.等，用于混合电动交通工具应用的高效率42V冷却扇电动机的开发(Development ofHigh-Efficiency42V Cooling Fan Motor for Hybrid Electric Vehicle Applications),IEEE Vehicle Power an Propulsion Conference, Windsor, U.K., 2006 年九月，以及Cvetkovski, G.,以及Petkovska, L., PM同步电动机通过使用软磁性复合材料的性能提高(Performance Improvement of PM Synchronous Motor by Using Soft MagneticComposite Material), IEEE Transactions on Magnetics,第 44 卷,第 11 期，第 3812-3815页，2008年十一月，全部通过引用结合在此，报告了重要的性能优点。虽然这些电动机原型成果证明了同向性材料的潜力，但是高性能SMC材料的制造的复杂性和成本仍然是对于SMC技术更广阔的开发的主要限制因素。
[0013]例如，为了制造基于具有MgO绝缘涂层的铁粉的高密度SMC材料，可能需要以下步骤:1)制造铁粉，典型地使用水雾化法，2)在铁粒子的表面上形成氧化物层，3)加入Mg粉末，4)将混合物在真空中加热至650°C，5)将所得到的Mg蒸发粉末与硅树脂和玻璃粘合剂在600至1，200MPa压紧以形成组件；作为压紧方法的一部分可以施加振动，以及6)将该组件在600°C退火以释放应力。参见,例如,Uozumi,G.等,用于低铁损的具有蒸发MgO绝缘涂层的软磁性复合材料的性质(Properties of Soft Magnetic Composite With EvaporatedMgO Insulation Coating for Low Iron Loss),材料科学研讨会(Materials ScienceForum)，第534-536卷，第1361-1364页，2007，其通过引用结合在此。
[0014]实施方案和方法概述
[0015]提供一种用于制备具有带绝缘边界的区域的材料的系统。所述系统包括液滴喷射子系统，所述液滴喷射子系统构造为产生熔融合金液滴并且将熔融合金液滴引导至表面；以及气体子系统，所述气体子系统构造为将一种或多种反应性气体引入至最接近在飞行中的液滴的地区。一种或多种反应性气体在飞行中的液滴上产生绝缘层，以使得液滴形成具有带绝缘边界的区域的材料。[0016]液滴喷射子系统可以包括坩埚，所述坩埚构造为产生熔融金属合金，将熔融合金液滴向表面引导。液滴喷射子系统可以包括线电弧液滴沉积子系统，所述线电弧液滴沉积子系统构造为产生熔融金属合金液滴，并将所述熔融合金液滴向表面引导。液滴子系统包括以下各项中的一项或多项:等尚子体喷射液滴沉积子系统、爆炸喷射液滴沉积子系统、火焰喷射液滴沉积子系统、高速氧燃料喷射(HVOF)液滴沉积子系统、温喷射液滴沉积子系统、冷喷射液滴沉积子系统、以及线电弧液滴沉积子系统，它们各自构造为形成金属合金液滴并将合金液滴向表面引导。气体子系统可以包括喷射室，所述喷射室具有一个或多个构造为将一种或多种反应性气体引入至最接近在飞行中的液滴的孔口。气体子系统可以包括喷嘴，所述喷嘴构造为将一种或多种反应性气体引入至飞行中的液滴。表面可以是可移动的。该系统可以包括表面上的模具，所述模具构造为接收液滴并且以模具的形状形成具有带绝缘边界的区域的材料。液滴喷射子系统可以包括均匀液滴喷射子系统，所述均匀液滴喷射子系统构造为产生具有均匀直径的液滴。该系统可以包括喷射子系统，所述喷射子系统构造为将试剂基本接近飞行中的液滴引入以进一步改善材料的性质。一种或多种气体可以包括反应性气氛。该系统可以包括构造为在一个或多个预定方向上移动表面位置的平台。
[0017]根据所公开的实施方案的另一个方面，提供一种用于制备具有带绝缘边界的区域的材料的系统。该系统包括喷射室；连接至喷射室的液滴喷射子系统，所述液滴喷射子系统构造为产生熔融合金液滴并将熔融合金液滴引导至喷射室中的预定位置；以及气体子系统，所述气体子系统构造为将一种或多种反应性气体引入至喷射室中。所述一种或多种反应性气体在飞行中的液滴上产生绝缘层以使得液滴形成具有带绝缘边界的区域的材料。
[0018]根据所公开的实施方案的另一个方面，提供一种用于制备具有带绝缘边界的区域的材料的系统。该系统包括液滴喷射子系统，所述液滴喷射子系统构造为产生熔融合金液滴并将熔融合金液滴引导至表面；以及喷射子系统，所述喷射子系统构造为将试剂最接近飞行中的液滴引入。其中，该试剂在飞行中的液滴上产生绝缘层以使得所述液滴在表面上形成具有带绝缘边界的区域的材料。
[0019]根据所公开的实施方案的另一个方面，提供一种用于制备具有带绝缘边界的区域的材料的系统。该系统包括喷射室；连接至喷射室的液滴喷射子系统，所述液滴喷射子系统构造为产生熔融合金液滴并将熔融合金液滴引导至喷射室中的预定位置；以及连接至喷射室的喷射子系统，其构造为引入试剂。该试剂在所述飞行中的液滴上产生绝缘层以使得所述液滴在表面上形成具有带绝缘边界的区域的材料。
[0020]根据所公开的实施方案的另一个方面，提高一种用于制备具有带绝缘边界的区域的材料的方法。该方法包括产生熔融合金液滴，将熔融合金液滴引导至表面，以及将一种或多种反应性气体最接近飞行中的液滴引入以使得一种或多种反应性气体在飞行中的液滴上产生绝缘层，以使得液滴形成具有带绝缘边界的区域的材料。
[0021 ] 该方法可以包括将表面在一个或多个预定方向上移动的步骤。弓丨入熔融合金液滴的步骤可以包括引入具有均匀直径的熔融合金液滴。该方法可以包括将试剂最接近飞行中的液滴引入以改善材料的性质的步骤。
[0022]根据所公开的实施方案的另一个方面，提供一种用于制备具有带绝缘边界的区域的材料的方法。该方法包括产生熔融合金液滴，将熔融合金液滴引导至表面，以及将试剂最接近飞行中的液滴引入以在飞行中的液滴上产生绝缘层，以使得液滴形成具有带绝缘边界的区域的材料。
[0023]根据所公开的实施方案的另一个方面，提供一种用于制备具有带绝缘边界的区域的材料的方法。该方法包括产生熔融合金液滴，将熔融合金液滴引入至喷射室中，将熔融合金液滴引导至喷射室中的预定位置，以及将一种或多种反应性气体引入至室中以使得一种或多种反应性气体在飞行中的液滴上产生绝缘层，以使得液滴形成具有带绝缘边界的区域的材料。
[0024]根据所公开的实施方案的另一个方面，提供一种具有带绝缘边界的区域的材料。该材料包括由在其上具有绝缘层的熔融合金液滴形成的多个区域和区域之间的绝缘边界。
[0025]根据所公开的实施方案的一个方面，提供一种用于制备具有带绝缘边界的区域的材料的系统。该系统包括:液滴喷射子系统，所述液滴喷射子系统构造为产生熔融合金液滴并将熔融合金液滴引导至表面；以及喷射子系统，所述喷射子系统构造为将试剂的喷射引导对准表面上沉积的液滴。该试剂在沉积的液滴上产生绝缘层，以使得液滴在表面上形成具有带绝缘边界的区域的材料。
[0026]该试剂可以在沉积的液滴上直接地形成绝缘层以在表面上形成具有带绝缘边界的区域的材料。试剂的喷射可以促进和/或参与和/或加速在沉积的液滴上形成绝缘层的化学反应，以形成具有带绝缘边界的区域的材料。液滴喷射子系统可以包括构造为产生熔融金属合金并将所述熔融合金液滴向表面引导的坩埚。液滴喷射子系统可以包括线电弧液滴沉积子系统，所述线电弧液滴沉积子系统构造为产生熔融金属合金液滴并将所述熔融合金液滴向表面引导。液滴子系统可以包括以下各项中的一项或多项:等离子体喷射液滴沉积子系统、爆炸喷射液滴沉积子系统、火焰喷射液滴沉积子系统、高速氧燃料喷射(HVOF)液滴沉积子系统、温喷射液滴沉积子系统、冷喷射液滴沉积子系统和线电弧液滴沉积子系统，各自构造为形成金属合金液滴和将合金液滴向表面引导。喷射子系统可以包括一个或多个喷嘴，所述喷嘴构造为将试剂引导对准沉积的液滴。喷射子系统可以包括喷射室，所述喷射室具有一个或多个连接至一个或多个喷嘴的孔口。液滴喷射子系统可以包括构造为产生具有均匀直径的液滴的均匀液滴喷射子系统。表面可以是可移动的。系统可以包括在表面上的模具，以接收沉积的液滴并以模具的形状形成具有带绝缘边界的区域的材料。系统可以包括构造为在一个或多个预定方向上移动表面的平台。该系统可以包括构造为在一个或多个预定方向上移动模具的平台。
[0027]根据所公开的实施方案的另一个方面，提供一种用于制备具有带绝缘边界的区域的材料的系统。该系统包括液滴喷射子系统，所述液滴喷射子系统构造为产生并喷射熔融合金液滴至喷射室中并且将熔融合金液滴引导至喷射室中的预定位置。喷射室构造为保持预定气体混合物，所述预定气体混合物促进和/或参与和/或加速与沉积的液滴形成绝缘层的化学反应，以形成具有带绝缘边界的区域的材料。
[0028]根据所公开的实施方案的另一个方面，提供一种用于制备具有带绝缘边界的区域的材料的系统。该系统包括液滴喷射子系统，所述液滴喷射子系统包括至少一个喷嘴。液滴喷射子系统构造为产生并喷出熔融合金液滴至一个或多个喷射子室中并将熔融合金液滴引导至所述一个或多个喷射子室中的预定位置。所述一个或多个喷射子室中的一个构造为在其中保持第一预定压力和气体混合物，其防止气体混合物与熔融合金液滴和喷嘴的反应，并且所述一个或多个子室中的另一个构造为保持第二预定压力和气体混合物，其促进和/或参与和/或加速在沉积的液滴上形成绝缘层的化学反应，以形成具有带绝缘边界的区域的材料。
[0029]根据所公开的实施方案的另一个方面，提供一种用于制备具有带绝缘边界的区域的材料的方法。方法包括产生熔融合金液滴，将熔融合金液滴引导至表面和将试剂引导对准沉积的液滴以使得所述试剂产生具有带绝缘边界的区域的材料。
[0030]试剂的喷射可以在沉积的液滴上直接地产生绝缘层以形成具有带绝缘边界的区域的材料。试剂的喷射可以促进和/或参与和/或加速在沉积的液滴上形成绝缘层的化学反应，以形成具有带绝缘边界的区域的材料。
[0031]根据所公开的实施方案的另一个方面，提供一种制备具有带绝缘边界的区域的材料的方法。该方法包括产生熔融合金液滴，将熔融合金液滴引导至喷射室内的表面，并且将预定气体混合物保持在喷射室中，所述预定气体混合物促进和/或参与和/或加速在沉积的液滴上形成绝缘层的化学反应，以形成具有带绝缘边界的区域的材料。
[0032]根据所公开的实施方案的另一个方面，提供一种用于制备具有带绝缘边界的区域的材料的方法。该方法包括产生熔融合金液滴，将熔融合金液滴用喷嘴引导至一个或多个喷射子室中的表面，在喷射室的一个中保持第一预定压力和气体混合物，其防止气体混合物与熔融合金液滴和喷射喷嘴反应，并且在喷射子室的另一个中保持第二预定压力和气体混合物，其促进和/或参与和/或加速在沉积的液滴上形成绝缘层的化学反应以形成具有带绝缘边界的区域的材料。
[0033]根据所公开的实施方案的另一个方面，提供一种具有带绝缘边界的区域的材料。该材料包括由在其上具有绝缘层的熔融合金液滴形成的多个区域和所述区域之间的绝缘边界。
[0034]根据所公开的实施方案的另一个方面，提供一种用于制备具有带绝缘边界的区域的材料的系统。该系统包括燃烧室；气体入口，所述气体入口构造为将气体注入至燃烧室中；燃料入口，所述燃料入口构造为将燃料注入至燃烧室中；点火器子系统，所述点火器子系统构造为点燃气体和燃料的混合物以在燃烧室中产生预定温度和压力；金属粉末入口，所述金属粉末入口构造为将由涂布有电绝缘材料的粒子组成的金属粉末注入至燃烧中，其中预定温度在室中产生由金属粉末组成的调节后的液滴；以及出口，所述出口构造为喷出并加速来自燃烧室并且朝向平台的燃烧气体和调节后的液滴，以使得调节后的液滴粘附至平台以在其上形成具有带绝缘边界的区域的材料。
[0035]金属粉末的粒子可以包括由软磁性材料制成的内芯和由电绝缘材料制成的外层。调节后的液滴可以包括固体外芯和软化和/或部分地熔融的内芯。出口可以构造为以预定速度喷出和加速来自燃烧室的燃烧气体和调节后的液滴。粒子可以具有预定尺寸。平台可以构造为在一个或多个预定方向上移动。该系统可以包括平台上的模具以接收调节后的液滴并以模具的形状形成具有带绝缘边界的区域的材料。平台可以构造为在一个或多个预定方向上移动。
[0036]根据所公开的实施方案的另一个方面，提供一种用于制备具有带绝缘边界的区域的材料的方法。该方法包括在预定温度和压力由涂布有电绝缘材料的金属粒子制成的金属粉末产生调节后的液滴，并且将调节后的液滴引导对准平台以使得调节后的液滴产生在其上具有带绝缘边界的区域的材料。
[0037]金属粉末的粒子可以包括由软磁性材料制成的内芯和由电绝缘材料制成的外层，并且产生调节后的液滴的步骤包括软化和部分地熔融内芯同时提供固体外芯的步骤。可以将调节后的液滴以预定速度引导对准平台。该方法可以包括在一个或多个预定方向上移动平台的步骤。该方法可以包括在平台上提供模具的步骤。
[0038]根据所公开的实施方案的另一个方面，提供一种用于由金属材料和由绝缘材料的源形成具有绝缘边界的整体材料的系统。该系统包括加热装置、沉积装置、涂布装置和构造为支撑整体材料的支撑体。加热装置加热金属材料以形成具有软化或熔融状态的粒子，并且涂布装置用来自源的绝缘材料涂布金属材料，并且沉积装置将软化或熔融状态下的金属材料的粒子沉积至支撑体上以形成具有绝缘边界的整体材料。
[0039]绝缘材料的源可以包括反应性化学源，并且沉积装置可以将金属材料的粒子在软化或熔融状态下沉积在沉积路径中的支撑体上，以使得通过涂布装置由反应性化学源在沉积路径中的化学反应在金属材料上形成绝缘边界。绝缘材料的源可以包括反应性化学源，并且绝缘边界可以在沉积装置将金属材料的粒子在软化或熔融状态下沉积至支撑体上之后通过涂布装置由反应性化学源的化学反应形成在金属材料上。绝缘材料的源可以包括反应性化学源，并且涂布装置可以用绝缘材料涂布金属材料，以由反应性化学源的化学反应在粒子的表面形成绝缘边界。沉积装置可以包括均匀液滴喷射沉积装置。绝缘材料的源可以包括反应性化学源，并且涂布装置可以用绝缘材料涂布金属材料，以形成由反应性化学源在反应性气氛中的化学反应形成的绝缘边界。绝缘材料的源可以包括反应性化学源和试齐U，并且涂布装置可以用绝缘材料涂布金属材料以通过形成由反应性化学源在反应性气氛中由试剂的共喷射促进的化学反应形成的绝缘边界。涂布装置可以用绝缘材料涂布金属材料，以形成由绝缘材料的共喷射形成的绝缘边界。涂布装置可以用绝缘材料涂布金属材料，以形成由化学反应和来自绝缘材料的源的涂布形成的绝缘边界。整体材料可以包括由具有绝缘边界的金属材料形成的区域。软化或熔融状态可以在低于金属材料的熔点的温度。沉积装置可以在涂布装置从绝缘材料的源涂布金属材料的同时，同时地沉积粒子。涂布装置可以在沉积装置沉积粒子之后用绝缘材料涂布金属材料。
[0040]根据所公开的实施方案的另一个方面，提供一种用于由磁性材料和由绝缘材料的源形成软磁性整体材料的系统。该系统包括连接至支撑体的加热装置和连接至支撑体的沉积装置，支撑体构造为支撑软磁性整体材料。加热装置加热磁性材料以形成具有软化状态的粒子，并且沉积装置将磁性材料的粒子在软化状态下沉积在支撑体上以形成软磁性整体材料,并且软磁性整体材料具有由具有由绝缘材料的源形成的绝缘边界的磁性材料形成的区域。
[0041]绝缘材料的源可以包括反应性化学源，并且沉积装置将磁性材料的粒子在软化或熔融状态下沉积在沉积路径中的支撑体上，以使得绝缘边界可以通过涂布装置由沉积路径中的反应性化学源的化学反应形成在磁性材料上。绝缘材料的源可以包括反应性化学源，并且绝缘边界可以在沉积装置将磁性材料的粒子在软化或熔融状态下沉积至支撑体上之后通过涂布装置由反应性化学源的化学反应形成在磁性材料上。软化状态可以在高于磁性材料的熔点的温度。绝缘材料的源可以包括反应性化学源，并且绝缘边界可以由反应性化学源的化学反应在粒子的表面处形成。沉积装置可以包括均匀液滴喷射沉积装置。绝缘材料的源可以包括反应性化学源，并且绝缘边界可以由反应性化学源在反应性气氛中的化学反应形成。绝缘材料的源可以包括反应性化学源和试剂，并且绝缘边界可以由反应性化学源在反应性气氛中通过试剂的共喷射促进的化学反应形成。绝缘边界可以由绝缘材料的共喷射形成。绝缘边界可以由化学反应和由从绝缘材料的源的涂布形成。软化状态可以在低于磁性材料的熔点的温度。系统可以包括涂布装置，所述涂布装置用绝缘材料涂布磁性材料。粒子可以包括用绝缘材料涂布的磁性材料。粒子可以包括用绝缘材料涂布的磁性材料的涂布粒子，并且将涂布粒子通过加热装置加热。该系统可以包括用来自源的绝缘材料涂布磁性材料的涂布装置，并且在涂布装置用绝缘材料涂布磁性材料的同时，沉积装置同时地沉积粒子。该系统可以包括可以在沉积装置沉积粒子之后用绝缘材料涂布磁性材料的涂布装置。
[0042]根据所公开的实施方案的另一个方面，提供一种用于由磁性材料和由绝缘材料的源形成软磁性整体材料的系统。该系统包括加热装置、沉积装置、涂布装置和构造为支撑软磁性整体材料的支撑体。加热装置加热磁性材料以形成具有软化或熔融状态的粒子，并且涂布装置用来自源的绝缘材料的源涂布磁性材料并且沉积装置将磁性材料的粒子在软化或熔融状态下沉积至支撑体上，以形成具有绝缘边界的软磁性整体材料。
[0043]绝缘材料的源可以包括反应性化学源，并且涂布装置可以用绝缘材料涂布磁性材料以由反应性化学源的化学反应在粒子的表面处形成绝缘边界。绝缘材料的源可以包括反应性化学源，并且涂布装置可以用绝缘材料涂布磁性材料，以形成由反应性化学源在反应性气氛中的化学反应形成的绝缘边界。绝缘材料的源可以包括反应性化学源和试剂，并且涂布装置可以用来自源的绝缘材料涂布磁性材料以形成由反应性化学源在反应性气氛中由试剂的共喷射促进的化学反应形成的绝缘边界。涂布装置可以用来自源的绝缘材料涂布磁性材料以形成由绝缘材料的共喷射形成的绝缘边界。涂布装置可以用来自源的绝缘材料涂布磁性材料以形成由化学反应和从绝缘材料的源的涂布形成的绝缘边界。软磁性整体材料可以包括由具有绝缘边界的磁性材料形成的区域。软化状态可以在低于磁性材料的熔点的温度。沉积装置在涂布装置用绝缘材料涂布磁性材料的同时可以同时地沉积粒子。涂布装置可以在沉积装置沉积粒子之后用绝缘材料涂布磁性材料。
[0044]根据所公开的实施方案的一个方面，提供一种形成具有绝缘边界的整体材料的方法。该方法包括提供金属材料，提供绝缘材料的源，提供构造为支撑整体材料的支撑体，将金属材料加热至软化状态，以及将金属材料的粒子在软化或熔融状态下沉积在支撑体，上以形成具有由具有绝缘边界的金属材料形成的区域的整体材料。
[0045]提供绝缘材料的源可以包括提供反应性化学源，并且可以将金属材料的粒子在软化状态下沉积在沉积路径中的支撑体上，并且绝缘边界可以由反应性化学源在沉积路径中的化学反应形成。提供绝缘材料的源可以包括提供反应性化学源，并且绝缘边界可以在将金属材料的粒子在软化状态下沉积至支撑体上之后，由反应性化学源的化学反应形成。该方法可以包括将熔融状态设定在高于金属材料的熔点的温度。提供绝缘材料的源可以包括提供反应性化学源，并且绝缘边界可以由反应性化学源的化学反应在粒子的表面处形成。沉积粒子可以包括在支撑体上均匀地沉积粒子。提供绝缘材料的源可以包括提供反应性化学源，并且绝缘边界可以由反应性化学源在反应性气氛中的化学反应形成。提供绝缘材料的源可以包括提供反应性化学源和试剂，并且绝缘边界可以由反应性化学源在反应性气氛中由试剂的共喷射促进的化学反应形成。该方法可以包括通过共喷射绝缘材料形成绝缘边界。该方法可以包括由化学反应和由从绝缘材料的源的涂布形成绝缘边界。软化状态可以在低于金属材料的熔点的温度。该方法可以包括用绝缘材料涂布金属材料。粒子可以包括用绝缘材料涂布的金属材料。粒子可以包括用绝缘材料涂布的金属材料的涂布粒子，并且加热材料可以包括加热涂布有绝缘边界的金属材料的涂布粒子。该方法可以包括在沉积粒子时同时地用绝缘材料涂布金属材料。该方法可以包括在沉积粒子之后用绝缘材料涂布金属材料。该方法可以包括将整体金属材料退火。该方法可以包括在沉积粒子时同时地加热整体金属材料。
[0046]根据所公开的实施方案的一个方面，提供一种形成软磁性整体材料的方法。该方法包括提供磁性材料，提供绝缘材料的源，提供构造为支撑软磁性整体材料的支撑体，将磁性材料加热至软化状态，以及将磁性材料的粒子在软化状态下沉积至支撑体上，以形成具有由具有绝缘边界的磁性材料形成的区域的软磁性整体材料。
[0047]根据所公开的实施方案的一个方面，提供一种形成在表面上的整体材料。该整体材料包括金属材料的多个粘附区域，金属材料的多个区域的基本上全部区域由高电阻率绝缘材料的预定层分隔。多个区域的第一部分形成表面。多个区域的第二部分包括从第一部分前进的金属材料的继续区域(successive domains),继续区域中的基本上全部区域各自包括第一表面和第二表面，第一表面与第二表面相反，第二表面符合已前进的区域的形状，并且第二部分中的继续区域中的大部分区域具有包含基本上凸形表面的第一表面和包含一个或多个基本上凹形表面的第二表面。
[0048]高电阻率绝缘材料的层可以包括具有大于约IxlO3 Ω-m的电阻率的材料。高电阻率绝缘材料的层可以具有可选择的基本上均匀的厚度。金属材料可以包括铁磁性材料。高电阻率绝缘材料的层可以包括陶瓷。第一表面和第二表面可以形成该区域的整个表面。第一表面可以从第一部分在基本上一致的方向上前进。
[0049]根据所公开的实施方案的一个方面，提供一种形成在表面上的软磁性整体材料。软磁性整体材料包括磁性材料的多个区域,磁性材料的多个区域中的每个区域由可选择的高电阻率绝缘材料的涂层基本上分隔。多个区域的第一部分形成表面。多个区域的第二部分包括从第一部分前进的磁性材料的继续区域，第二部分中的磁性材料的继续区域中的基本上全部区域各自包括第一表面和第二表面，第一表面包含基本上凸形表面，并且第二表面包含一个或多个基本上凹形表面。
[0050]根据所公开的实施方案的另一个方面，提供一种连接至电源的电气装置。该电气装置包括软磁性磁芯和连接至软磁性磁芯和围绕软磁性磁芯的一部分的绕组，绕组连接至电源。软磁性磁芯包括磁性材料的多个区域,多个区域的每个区域由高电阻率绝缘材料的层基本上分隔。多个区域包括前进穿过软磁性磁芯的磁性材料的继续区域。第二部分中基本上全部的继续区域各自包括第一表面和第二表面，第一表面包含基本上凸形表面，并且第二表面包含一个或多个基本上凹形表面。
[0051]根据所公开的实施方案的另一个方面，提供一种连接至电源的电动机。电动机包括框架、连接至框架的转子、连接至框架的定子，转子或定子中的至少一个包括连接至电源的绕组并且包括软磁性磁芯。绕组缠绕在软磁性磁芯的一部分周围。软磁性磁芯包括磁性材料的多个区域，多个区域的每个区域由高电阻率绝缘材料的层基本上分隔。多个区域包括前进穿过软磁性磁芯的磁性材料的继续区域。第二部分中基本上全部的继续区域各自包括第一表面和第二表面，第一表面包含基本上凸形表面，并且第二表面包含一个或多个基本上凹形表面。
[0052]根据所公开的实施方案的另一个方面，提供一种形成在表面上的软磁性整体材料。软磁性整体材料包括磁性材料的多个粘附区域，磁性材料的多个区域的基本上全部区域由高电阻率绝缘材料的层分隔。多个区域的第一部分形成表面。多个区域的第二部分包括从第一部分前进的磁性材料的继续区域，继续区域中的基本上全部区域各自包括第一表面和第二表面，第一表面与第二表面相反，第二表面符合已前进的区域的形状。第二部分中的继续区域中的大部分区域具有包含基本上凸形表面的第一表面和包含一个或多个基本上凹形表面的第二表面。
[0053]根据所公开的实施方案的另一个方面，提供一种连接至电源的电气装置。该电气装置包括软磁性磁芯和连接至软磁性磁芯并围绕软磁性磁芯的一部分的绕组，绕组连接至电源。软磁性磁芯包括多个区域，多个区域的每个区域由高电阻率绝缘材料的层基本上分隔。多个区域包括前进穿过软磁性磁芯的磁性材料的继续区域。基本上全部的继续区域各自包括第一表面和第二表面，第一表面与第二表面相反，第二表面符合金属材料的已前进的区域的形状，并且第二部分中的继续区域中的大部分区域具有包含基本上凸形表面的第一表面和包含一个或多个基本上凹形表面的第二表面。
[0054]附图的多个视图的简述
[0055]其他目标、特性和益处将被本领域技术人员从实施方案的以下说明和附图想到，在附图中:
[0056]图1是显示用于制备具有带绝缘边界的区域的材料的系统和方法的一个实施方案的主要组件的示意性框图；
[0057]图2是显示控制的气氛中的液滴喷射子系统的另一个实施方案的示意性侧视图；
[0058]图3是显示用于具有带绝缘边界的区域的材料的加速制造的系统和方法的另一个实施方案的示意性侧视图；
[0059]图4是显示一种用于制备具有带绝缘边界的区域的材料的系统和方法的另一个实施方案的示意性侧视图；
[0060]图5A是使用一个或多个实施方案的系统和方法产生的具有带绝缘边界的区域的材料的一个实施方案的示意图；
[0061]图5B是使用一个或多个实施方案的系统和方法产生的具有带绝缘边界的区域的材料的另一个实施方案的示意图；
[0062]图6是显示用于制备具有带绝缘边界的区域的材料的系统和方法的另一个实施方案的主要组件的示意性框图；
[0063]图7是显示用于制备具有带绝缘边界的区域的材料的系统和方法的另一个实施方案的主要组件的示意性框图；
[0064]图8是显示用于制备具有带绝缘边界的区域的材料的系统和方法的一个实施方案的主要组件的示意性框图；
[0065]图9是显示图8中所示的系统相关的具有带绝缘边界的区域的材料的形成的一个实例的侧视图；[0066]图1OA是使用一个或多个实施方案的系统和方法产生的具有带绝缘边界的区域的材料的一个实施方案的示意图；
[0067]图1OB是使用一个或多个实施方案的系统和方法产生的具有带绝缘边界的区域的材料的另一个实施方案的示意图；
[0068]图11是显示图8中所示的系统相关的具有带绝缘边界的区域的材料的形成的一个实例的侧视图；
[0069]图12是显示图8中所示的系统相关的具有带绝缘边界的区域的材料的形成的一个实例的侧视图；
[0070]图13是显示用于制备具有带绝缘边界的区域的材料的系统和方法的另一个实施方案的主要组件的示意性框图；
[0071]图14是显示图13中所示的系统相关的具有带绝缘边界的区域的材料的形成的一个实例的侧视图；
[0072]图15是显示用于制备具有带绝缘边界的区域的材料的系统和方法的再另一个实施方案的主要组件的示意性框图；
[0073]图16是显示图8-15的一个或多个中所示的系统相关的液滴的离散沉积方法的一个实例的示意性顶视图；
[0074]图17是显示用于在图8-15的一个或多个中所示的系统的喷嘴的一个实例的示意性侧视图，所述喷嘴包括多个喷口 ；
[0075]图18是显示图8-15的一个或多个中所示的液滴喷射子系统的另一个实施方案的示意性侧视图；
[0076]图19是显示用于制备具有带绝缘边界的区域的材料的系统和方法的再另一个实施方案的主要组件的示意性框图；
[0077]图20是显示用于制备具有带绝缘边界的区域的材料的系统和方法的再另一个实施方案的主要组件的示意性框图；
[0078]图21是显示用于制备具有带绝缘边界的区域的材料的系统和方法的一个实施方案的主要组件的示意性框图；
[0079]图22k是更详细地显示图21中所示的具有带绝缘边界的区域的结构化材料的示意图；
[0080]图22B是更详细地显示图21中所示的具有带绝缘边界的区域的结构化材料的示意图；
[0081]图23A是结构化材料的一个实施方案的示意性截面图；
[0082]图23B是结构化材料的一个实施方案的示意性截面图；
[0083]图24是结合所公开的实施方案的结构化材料的无刷电动机的一个实施方案的示意性展开等闻视图；
[0084]图25是结合所公开的实施方案的结构化材料的无刷电动机的一个实施方案的不意性顶视图；
[0085]图26A是结合所公开的实施方案的结构化材料的线性电动机的示意性侧视图；
[0086]图26B是结合所公开的实施方案的结构化材料的线性电动机的示意性侧视图；
[0087]图27是结合所公开的实施方案的结构化材料的发电机的展开示意性等高视图；[0088]图28是结合所公开的实施方案的结构化材料的步进电动机的三维剖面等高视图；
[0089]图29是结合所公开的实施方案的结构化材料的AC电动机的三维展开等高视图；
[0090]图30是结合所公开的实施方案的结构化材料的扬声器的一个实施方案的三维剖面等闻视图；
[0091]图31是结合所公开的实施方案的结构化材料的变压器的三维等高视图；
[0092]图32是结合所公开的实施方案的结构化材料的电力变压器的三维剖面等高视图；
[0093]图33是结合所公开的实施方案的结构化材料的电力变压器的示意性侧视图；
[0094]图34是结合所公开的实施方案的结构化材料的螺线管的示意性侧视图；
[0095]图35是结合所公开的实施方案的结构化材料的电感器的示意性顶视图；并且
[0096]图36是结合所公开的实施方案的结构化材料的继电器的示意性侧视图。
[0097]详述
[0098]除了下面公开的实施方案之外，本发明所公开的实施方案还可以是其他实施方案并且能够以多种方式实施或进行的。因此，应当明白的是所公开的实施方案不限于其至在以下说明中给出或在附图中示例的组件的构造和排列的细节的应用。如果本文仅描述一个实施方案，由此的权利要求不限于该实施方案。此外，由此的权利要求不限制性地解读，除非存在清楚的和令人信服的证据证明某些排除、限制或放弃。
[0099]在图1中示出用于制备具有带绝缘边界的区域的材料的系统10及其方法。系统10包括液滴喷射子系统12，其构造为产生熔融合金液滴16并将熔融合金液滴16引导至表面20。在一种设计中，液滴喷射子系统12将熔融合金液滴引导至喷射室18中。在一个备选的方面，如下面将讨论的，不需要喷射室18。
[0100]在一个实施方案中，液滴喷射子系统12包括坩埚14，其产生熔融合金液滴16并将熔融合金液滴16引导至表面20。坩埚14可以包括加热器42，其在室46中形成熔融合金44。用于制备熔融合金44的材料可以具有高磁导率、低矫顽性和高饱和感应。熔融合金44可以由软磁性铁合金，如铁基合金、铁-钴合金、镍-铁合金、硅铁合金、铁-铝化物、铁素体不锈钢，或相似类型的合金制成。室46可以经由孔口 45接收惰性气体47。熔融合金44可以归因于从经由孔口 45引入的惰性气体47施加的压力通过喷口 22喷出。可以使用具有振动传送器51的传动装置50从而以给定频率振动熔融合金44的喷射以将熔融合金44打碎为通过喷口 22喷出的液滴16的流。坩埚14还可以包括温度传感器48。虽然如所示，坩埚14包括一个喷口 22，备选地，坩埚14可以按需要具有任何数目的喷口 22，以适应液滴16在表面20上更高的沉积速率，例如，高达100个喷口以上。
[0101]图2的液滴喷射子系统12 '，其中对相同的部分显示相同的数字，包括线电弧液滴沉积子系统250，其产生熔融合金液滴16并将熔融合金液滴16引导至表面20。线电弧液滴沉积子系统250包括容纳正线电弧线254和负电弧线256的室252。优选将合金258设置在线电弧线254和256的每一个中。可以使用合金258以产生要向表面20引导的液滴16，并且其可以主要由铁(例如，大于约98% )构成，所述铁具有非常低量的碳、硫和氮含量(例如，小于约0.005%),并且可以包括少量的Cr (例如，小于约I % )，其中在该实例中余量是Si或Al以获得良好的磁性质。冶金组成可以调节为提供具有带绝缘边界的区域的材料的最终性质上的改善。喷嘴260可以构造为将一种或多种气体262和264如环境空气、氩等引入，以在室252内产生气体268。压力控制阀266控制气体262、264中的一种或多种至室252中的流动。在运行中，施加至正电弧线254和负电弧线256的电压产生导致合金258形成被向表面20引导的熔融合金液滴16的电弧270。在一个实例中，可以将约18至48伏的电压和约15至400安培的电流施加至正线电弧254和负电弧线256以提供液滴16的连续线电弧喷射方法。在该实例中，系统10包括喷射室16。
[0102]图3的系统10 ’，其中对相同的部分显示相同的数字，包括具有产生熔融合金液滴16并将熔融合金液滴16引导至表面20的线电弧液滴沉积子系统250丨的液滴喷射子系统12"。这里，系统10-不包括图2的室252，以及图1和2的室18。相反，图3的喷嘴260可以构造为引入一种或多种气体262和264以在最接近正电弧线254和负电弧线256的地区中产生气体268。与上面参考图2的讨论类似，施加至正电弧线254和负电弧线256的电压产生导致合金258形成向表面20引导的熔融合金液滴16的电弧270。将反应性气体26(下面讨论)引入至最接近飞行中的熔融合金液滴16的地区，例如，使用喷嘴263引入。可以使用挡板261以在最接近表面20的地区容纳反应性气体26和液滴16。
[0103]图4的系统10"，其中对相同的部分显示相同的数字，可以包括具有线电弧液滴沉积子系统250"的液滴喷射沉积子系统12"丨，所述线电弧液滴沉积子系统250"具有多个正电弧线254、负电弧线256和喷嘴260，可以将它们同时地使用以获得熔融合金液滴16在表面20上更高的喷射沉积速率。可以将在上面讨论的线电弧254、256并且类似的沉积装置在不同的方向上设置以形成具有绝缘边界的区域的材料。线电弧液滴沉积子系统250"未封闭在室中。在一个备选的方面，可以将线电弧喷射250"封闭在室中,例如,在图2的室252中。当不使用室时，可以使用图4的挡板261以在最接近表面20的地区容纳反应性气体26和液滴16。
[0104]在备选的方面，图1-4的液滴喷射子系统12可以米用等尚子体喷射液滴沉积子系统、爆炸喷射液滴沉积子系统、火焰喷射液滴沉积子系统、高速氧-燃料喷射(HVOF)液滴沉积子系统、温喷射液滴沉积子系统、冷喷射液滴沉积子系统、或任何相似类型的喷射液滴沉积子系统。因此，可以根据上面讨论的所公开的实施方案的一个或多个使用任何合适的沉积系统。
[0105]图1-4的液滴喷射子系统12可以安装在单个或多个机器人手臂和/或机械排列上以便提高零件品质、减少喷射时间并且提高方法经济性。子系统可以在大约相同的位置同时地喷射液滴16，也可以交错以便以连续方式喷射某一位置。可以通过控制以下喷射参数的一个或多个控制和改进液滴喷射子系统12:线速度、气体压力、罩气压力、喷射距离、电压、电流、基板运动的速度和/或电弧工具移动的速度。
[0106]图1和2的系统10还可以包括连接至喷射室18构造为将气体26如反应性气氛引入至喷射室28中的孔口 24。图3和4的系统10-、10"可以在最接近飞行中的液滴16的地区中引入气体26，例如，反应性气氛。可以选择气体26以使得它在液滴16上当它们向表面20飞行中时产生绝缘层。可以将其一种或多种可以参与与液滴16的反应的气体的混合物引入至最接近飞行中的液滴16的地区。图1的图注28显示在图1-4的飞行中的熔融合金液滴16上在它们向表面20飞行的过程中形成的绝缘层30的一个实例。当具有绝缘层30的液滴16落在表面20上时，它们形成开始的具有带绝缘边界的区域的材料32。其后，随后的具有绝缘层30的液滴16落在先前形成的材料32上。在所公开的实施方案的一个方面，表面20是可移动的，例如，使用平台40，其可以是X-Y平台，转台，可以另外改变表面20的倾斜(pitch)和转动角的平台，或者可以以受控方式在形成材料时支撑材料32和/或移动材料32的任何其他合适的配置。系统10可以包括放置在表面20上的模具(未显示)，以产生具有如本领域技术人员已知的任何所需形状的材料32。
[0107]图5A显示包括在其中间具有绝缘边界36的区域34的材料32的一个实例。在液滴16上由绝缘层如图1的绝缘层30形成绝缘边界36。图5A的材料32可以包括相邻的区域34之间如所显示的近乎完美地形成的边界36。在所公开的实施方案的其他方面，图5B的材料32可以包括相邻的区域34之间的具有如所示的不连续性的边界36。图5A和5B的材料32减少涡电流损耗，并且相邻的区域34之间的边界36中的不连续性提高材料32的机械性质。结果是材料32可以保留合金的高磁导率、低矫顽性和高饱和感应。这里，边界36限制相邻的区域34之间的导电性。材料32归因于其磁导率、矫顽性和饱和特征提供出色的磁路。材料32的有限的导电性最小化磁场的快速改变相关的涡电流损耗，例如，随着电动机旋转。系统10及其方法可以是节约时间和金钱并且几乎不产生废物的单步、全自动的方法。在所公开的实施方案的备选的方面，系统10可以手动、半自动或以其他方式操作。
[0108]图6的系统10" ’，其中相同的部分包含相同的数字，还可以包括喷射子系统60，其包括至少一个孔口，例如，孔口 62和/或孔口 63，其构造为将试剂64引入至喷射室18中。喷射子系统60产生喷射试剂64的喷射66和/或喷射67，其当液滴16向表面20飞行中时用图3的试剂64涂布其上具有绝缘层如图1的绝缘层30的液滴16。试剂64优选可以促进形成绝缘层30的化学反应和/或涂布粒子以形成绝缘层30 ;或它们的组合，其可以或者同时地或者相继地发生。以类似的方式，图3的系统10 '以及图4的系统10"也可以将试剂引入在飞行中的液滴16上。图1的图注28显示试剂64(在剖视图中)涂布具有绝缘涂层30的液滴16的一个实例。试剂64提供具有另外的绝缘能力的材料32。试剂64优选可以促进形成绝缘层30的化学反应；可以涂布粒子以形成绝缘层30 ;或它们的组合，其可以或者同时地或者相继地发生。
[0109]图1、2和6的系统10可以包括连接至DC源72的图6的充电板70。充电板70在液滴16上产生电荷以控制它们朝向表面20的轨道。优选地，可以使用线圈(未显示)控制液滴16的轨道。在一些应用中可以采用充电板70以使液滴16带电以使得它们彼此排斥并且不彼此融合。
[0110]图1、2和6的系统10可以包括图6的气体排放孔口 100。可以使用排放孔口 100以排出通过孔口 24引入的过量的气体26和/或通过喷射子系统60引入的过量的试剂64。此外，由于气体26中的特定气体(例如，反应性气氛)可能被消耗，排放孔口 100允许将气体26在喷射室18中以受控的方式置换。类似地，图3的系统10 '以及图4的系统10"也可以包括气体排放孔口。
[0111]图1、2和6的系统10可以包括图1的室46内或图2的室252内的压力传感器102。图1、2和6的系统10还可以包括在喷射室18内的图2的压力传感器104和/或在坩埚14与喷射室18之间的图1、2和6的差压传感器106和/或在室252与喷射室18之间的图2的差压传感器106。可以采用由传感器102和104或106提供的关于压力差的信息以控制图1和6的惰性气体47至坩埚14的提供以及气体26至喷射室18中的提供，或图2的气体262、264至室252的提供。压力上的差别可以作为控制熔融合金44通过喷口20的喷射速率的方式。在一个设计中，可以采用连接至孔口 45的图6的可控阀108以控制惰性气体至室46中的流动。类似地，可以使用控制阀266以控制气体262、264至室252中的流动。可以采用连接至孔口 24的图1、2和6的可控阀110以控制气体26至喷射室18中的流动。也可以将流量计(未示出)连接至孔口 24以测量气体26至喷射室18中的流动速率。
[0112]图1、2和6的系统10还可以包括控制器(未示出)，所述控制器可以利用来自传感器102、104和/或106的测量和来自连接至孔口 24的流量计的信息，以调节可控阀108、110或266，从而保持室46与喷射室18之间或室252与喷射室18之间所需的压力差和气体26至喷射室18中的所需的流动。控制器可以利用来自坩埚14中的温度传感器48的测量，以调节加热器42的操作，从而获得/保持熔融合金44的所需温度。控制器还可以控制由图1的坩埚14中的振动传送器51的传动装置50产生的力的频率(以及可能地振幅)。
[0113]图1、2和6的系统10可以包括用于测量材料32上沉积的液滴16的温度的装置和用于控制材料32上沉积的液滴的温度的装置。
[0114]图7的系统10"，其中相同的部分包含相同的数字，可以包括喷射子系统60，其包括至少一个孔口，例如，孔口 62和/或孔口 63，其构造为将试剂80引入至喷射室18中。这里，可以不采用反应性气体。喷射子系统60产生喷射试剂80的喷射86和/或喷射87，其用试剂80涂布液滴16以当它们向表面20飞行中时在液滴16上形成图1的绝缘涂层30。这产生图5A-5B的具有例如如上面讨论的具有绝缘边界36的区域34的材料32。
[0115]图1-4、6和7的液滴喷射子系统12可以是构造为产生具有均匀直径的液滴16的均匀液滴喷射系统。
[0116]用于制备包括具有绝缘边界的区域的材料32的图1_4、6和7的系统10及其相应的方法可以是用于如下面将更详细地描述的可以得益于具有带绝缘边界的区域的材料的电动机磁芯或任何类似类型的器件的备选的材料和制造方法。电动机的定子缠绕磁芯可以使用本发明的一个或多个实施方案的系统和方法制造。系统10可以是单步网状制造方法，其优选使用液滴喷射沉积子系统12和通过孔口 24引入的反应性气氛，以促进绝缘层30在液滴16的表面上的受控形成，如上面参考图1-7讨论的。
[0117]选择用于形成液滴16的材料使得材料32是高磁导率的，具有低矫顽性和高饱和感应。图5A-5B的边界36可以稍微使得材料32提供好的磁路的性能劣化。然而，因为边界36可以是非常薄的，例如，约0.05 μ m至约5.0 μ m，并且因为材料32可以是非常致密的，这种劣化相对小。除了制备材料32的低成本之外，这还是超越在上面的背景部分讨论的传统的SMC的另一个益处，传统的SMC在单独的颗粒之间具有更大的空隙，因为SMC中金属粉末的相邻颗粒的匹配表面不完美地匹配。绝缘边界36限制相邻的区域34之间的导电性。材料32归因于其磁导率、矫顽性和饱和特征提供出色的磁路。材料30有限的导电性最小化磁场随电动机旋转的迅速改变相关的涡电流损耗。
[0118]使用具有带绝缘边界36的区域34的材料32可以开发电动机的混合场几何结构。材料32可以消除传统的电动机的各向异性层叠磁芯相关的设计约束。本发明的一个或多个实施方案的制备材料32的系统和方法可以允许电动机磁芯容纳内置式冷却通道和接头减少措施。高效冷却对增加绕组中用于高电动机输出的电流密度，例如，在电动交通工具中是必需的。接头减少措施对于精密机械中的低振动是关键的，所述精密机械包括基板处理和医用机器人。
[0119]本发明的一个或多个实施方案的制备材料32的系统10和方法可以采用均匀液滴喷射(UDS)沉积【技术领域】中的最新发展。UDS方法是一种采用熔融喷射为单尺寸均匀液滴的受控毛细管雾化的快速凝固处理的方式。参见，例如，Chun，J.-H.和Pass0W，C.H.，带电均勻尺寸金属液滴的产生(Production of Charged Uniformly Sized Metal Droplets),美国专利号5，266，098，1992，以及Roy，S.和Ando T.，行进中的ASTM F75液滴的成核动力学和微结构演化(Nucleation Kinetics and Microstructure Evolution of TravelingASTM F75Droplets), Advanced Engineering Materials,第 12 卷，第 9 期，第 912-919 页，2010年九月，都通过引用结合在此。UDS方法可以逐滴构建目标，因为将均匀的熔融金属液滴致密地沉积在基板上并且迅速地凝固以结合为紧密并且坚固的沉积物。
[0120]在传统的UDS方法中，将坩埚中的金属通过加热器熔融并且通过由惰性气体供应施加的压力从喷口喷出。喷出的熔融金属形成层状喷流，其由压电式变频器以给定频率振动。来自振动的干扰产生喷流至均匀液滴的流的受控破裂。在一些应用中可以采用充电板以使液滴带电，以使得它们彼此排斥，从而防止合并。
[0121]制备材料32的系统10和方法可以使用传统UDS沉积方法的基本要素以产生图1-4、6和7的液滴16，其具有均匀直径。图1的液滴喷射子系统12可以使用传统的UDS方法，其与液滴16的表面上绝缘层30在它们飞行的过程中的同时形成组合产生致密材料32，所述材料具有特征在于在相邻的区域之间具有限制的导电性的绝缘边界的基本上均匀材料的小区域的微结构。用于液滴的表面上绝缘层的同时形成的气体26如反应性气氛或相似类型的气体的弓I入增加了以下特征:同时地控制单独的区域内的基本上均匀的材料的结构、粒子的表面上的层的形成(其限制所得到的材料中的相邻的区域之间的导电性)，以及层在沉积之后的破裂，以提供足够的电绝缘，同时促进单独的区域之间的足够粘合。
[0122]至此，系统10及其方法在飞行中的液滴上形成绝缘层，以形成具有带绝缘边界的区域的材料。在另一个所公开的实施方案中，图8的系统310以及其方法在已经沉积在表面或基板上的液滴上形成绝缘层，以形成具有带绝缘边界的区域的材料。系统310包括液滴喷射子系统312，其构造为产生熔融合金液滴316并且将其从喷口 322喷射，并且将熔融合金液滴316向表面320引导。这里，液滴喷射子系统312将熔融合金液滴喷射至喷射室318中。在备选的方面，如下面进一步详细讨论的，可以不需要喷射室318。
[0123]液滴喷射子系统312可以包括坩埚314，其产生熔融合金液滴316并将熔融合金液滴316引导至喷射室318内的表面320。这里，坩埚314可以包括在室346中形成熔融合金344的加热器342。用于制备熔融合金344的材料可以具有高磁导率、低矫顽性和高饱和感应。在一个实例中，熔融合金344可以由软磁性铁合金、如铁基合金、铁-钴合金、镍-铁合金、硅铁合金、铁素体不锈钢或相似类型的合金制成。室346经由孔口 345接收惰性气体347。这里，归因于由经由孔口 345引入的惰性气体347施加的压力，将熔融合金344通过喷口 322喷出。具有振动传送器351的传动装置350以特定频率振动熔融合金344的喷流以将熔融合金344破碎为通过喷口 322喷出的液滴316的流。坩埚314还可以包括温度传感器348。虽然如所示出的，坩埚314包括一个喷口 322，但是在其他实例中，坩埚314可以按需要具有任何数目的喷口 322以适应液滴316在表面320上更高的沉积速率，例如，高达100个喷口以上。将熔融合金液滴316从喷口 322喷出并向表面320引导，以在其上形成基板512，如下面将更详细地讨论的。
[0124]表面320优选是可移动的，例如，使用平台340，其可以是X-Y平台、转台、可以另外地改变表面320的倾和转动角的平台，或可以以受控的方式在形成基板时支撑基板512和/或移动基板512的任何其他合适的布置。在一个实例中，系统310可以包括放置在表面320上的模具(未示出)，其中基板512填充模具。
[0125]系统310还可以包括一个或多个喷射喷嘴，例如，喷射喷嘴500和/或喷射喷嘴502，其构造为将试剂引导对准沉积的液滴316的基板512并产生引导至基板512的表面514上面或上方的试剂504的喷射506和/或喷射508。这里，喷射喷嘴500和/或喷射喷嘴502连接至喷射室318。喷射506和/或喷射508可以在将液滴316沉积在基板512上之前或之后通过如下在沉积的液滴316的表面上形成绝缘层:或者在液滴316上直接地形成绝缘层，或者促进、参与和/或加速在沉积在表面320上的液滴316的表面上形成绝缘层的化学反应。
[0126]例如，可以使用试剂504的喷射506、508以促进、参与和/或加速在形成基板512或随后沉积在基板512上的沉积的液滴316上形成绝缘层的化学反应。例如，可以将喷射506、508引导对准图9的基板512，如在511处指示的。在该实例中，喷射506、508促进、加速和/或参与与基板512 (以及随后在其上沉积的液滴316的层)的化学反应，以如所示在沉积的液滴316的表面上形成绝缘层530。当沉积随后的液滴316的层时，喷射506、508促进、加速和/或参与化学反应以在随后沉积的液滴的层上形成绝缘层330，例如，如在513、515处指示的。产生材料332，以具有区域334，所述区域在其之间具有绝缘边界336。
[0127]图1OA示出 包括在其间使用上面参考图8和9中的一个或多个讨论的系统310的一个实施方案产生的具有绝缘边界336的区域334的材料332的一个实例。绝缘边界336由图9的绝缘层330在液滴316上形成。在一个实例中，图1OA的材料332包括相邻的区域334之间如所示几乎完美地形成的边界336。在其他实例中，图1OB的材料332可以包括在相邻的区域334之间具有如所示的不连续性的边界336 ^。图9、IOA和IOB的材料332减少涡电流损耗，并且相邻的区域334之间的不连续边界336提高材料332的机械性质。结果是材料332可以保留合金的高磁导率、低矫顽性和高饱和感应。边界336限制相邻的区域334之间的导电性。材料332归因于其磁导率、矫顽性和饱和特征提供更出色的磁路。材料332的有限的导电性最小化磁场随电动机旋转的迅速改变相关的涡电流损耗。系统310及其方法可以是节约时间和金钱并且几乎不产生废物的单步全自动的方法。
[0128]图11示出图8的系统310的一个实施方案，其中喷射506、508，不促进、参与和/或加速化学反应以形成如图9中示出的绝缘层，而是在基板512上沉积的液滴316上直接地形成图8的绝缘层330。在该实例中，将基板512如在由箭头517指示的方向上使用图8的平台340移动。之后将图11的喷射506、508引导对准基板512上沉积的液滴316，如在519处指示的。之后绝缘层330形成在如示出的沉积的液滴316的每一个上。当沉积液滴316的随后的层时，如在521、523处指示的，将试剂504的喷射506、508喷射在其上以在每个新的层的沉积的液滴的每一个上直接地产生绝缘层330。结果是产生包括具有绝缘边界336的区域334的材料332，例如，如上面参考图9-10B讨论的。
[0129]图12示出图8的系统310的一个实例，其中将图12的喷射506、508喷射在基板512上以在沉积液滴316之前在基板上形成绝缘层，如在525处指示的。其后，可以将喷射506,508引导对准基板512上沉积的液滴316的随后的层，以形成绝缘层330，如在527、529指示的。结果是产生包括具有绝缘边界336的区域334的材料332，例如，如上面参考图1OA-1OB讨论的。
[0130]沉积的液滴16上的绝缘层330可以通过上面参考图8-12中的一个或多个讨论的任何方法的组合形成。两种方法可以相继或同时发生。
[0131]在一个实例中，产生图8-12的喷射506和/或喷射508的试剂504可以是铁氧体粉末、含有铁氧体粉末的溶液、酸、水、湿空气或在基板的表面上产生绝缘层的过程中涉及的任何其他合适的试剂。
[0132]图13的系统310-，其中相同的部分具有相同的数字，优选包括具有产生子室526和528的分离隔板524的室318。分离隔板524优选包括构造为允许液滴316如熔融合金344或相似类型材料的液滴从子室526流动至子室528的开口 529。子室526可以包括气体入口 528和气体排放口 530，其构造为保持子室226中的预定压力和气体混合物，例如，基本上中性的气体混合物。子室528可以包括气体入口 530和气体排放口 532，其构造为保持子室528中的预定压力和气体混合物，例如，作为基本上反应性气体混合物。
[0133]子室526中的预定压力可以高于子室528中的预定压力，以限制气体从子室526至子室528的流动。在一个实例中，可以利用在子室526中基本上中性的气体混合物，以防止液滴316在它们落在基板512的表面上之前与喷口 322在液滴316的表面上的反应。可以引入子室528中的基本 上反应性气体混合物以参与、促进和/或加速与基板512以及沉积的液滴316的随后的层的化学反应，以在沉积的液滴316上形成绝缘层330。例如，可以将图14的绝缘层330在液滴落在基板512上之后形成在沉积的液滴316上。沉积的液滴316与在图13的子室528中的反应性气体反应，所述的反应性气体促进、参与和/或加速化学反应以产生绝缘层330，如在531处指示的。当增加随后的液滴层时，子室528中的气体可以促进、参与和/或加速与液滴316的反应，以在基板512上产生绝缘层330，如在533和535处指示的。之后形成具有区域334的材料332，所述区域在它们之间具有绝缘边界336，例如，如上面参考图10Α-10Β讨论的。
[0134]图15的系统310"，其中相同的部分具有相同的数字，优选包括仅具有一个室528的室314。在该设计中，将液滴316直接地引导至优选设计为最小化液滴316在喷口 322与基板512的表面510之间的行进距离的室528中。这优选限制液滴316至子室528中基本上反应性气体混合物的暴露。系统310"以与图14的系统310-相似的方式产生材料332。
[0135]对于液滴316的沉积方法，图8-9和11_15的系统310提供用于将在平台340的表面320上的基板512相对于从坩埚314或相似类型的装置喷出的液滴316的流移动。系统310还可以提供用于将液滴316偏转，例如，用磁性、气体流动或其他合适的偏转系统。这种偏转可以单独使用或与平台340组合使用。在任一种情况下，将液滴316以基本上离散的方式沉积，即，两个相继的液滴316在沉积后可以展现有限的或没有重叠。作为一个实例，对于根据系统310的一个或多个实施方案的离散沉积可以满足以下关系:
I ?
[0136]VlXj- d > O⑴
[0137]其中Vi是基板的速度，f是沉积的频率，即，液滴316从坩埚314喷射的频率，并且ds是由液滴在落在基板的表面上之后形成的滴的直径。
[0138]进行液滴316的离散沉积的系统310的所公开的实施方案的一个或(of)多个方面的实例在图8-9和11-15的一个或多个中示出。在一个实施方案中，可以控制基板512相对于液滴316的流的相对运动以使得获得跨越基板的面积的离散沉积，例如，如在图16中示出的。用于液滴316的沉积方法的这个实例可以使用以下关系:.1
【权利要求】
1.一种形成在表面上的整体材料，所述整体材料包含: 金属材料的多个粘附区域，金属材料的所述多个区域的基本上全部区域由高电阻率绝缘材料的预定层分隔； 所述多个区域的第一部分形成表面； 所述多个区域的第二部分包括从所述第一部分前进的金属材料的继续区域； 所述继续区域中的基本上全部区域各自包括第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面相反，所述第二表面符合已前进的区域的形状；并且 所述第二部分中的所述继续区域中的大部分区域具有包含基本上凸形表面的所述第一表面和包含一个或多个基本上凹形表面的所述第二表面。
2.权利要求1所述的整体材料,其中所述高电阻率绝缘材料的层包含具有大于约IxlO3Ω-m的电阻率的材料。
3.权利要求1所述的整体材料，其中所述高电阻率绝缘材料的层具有可选择的基本上均匀的厚度。
4.权利要求1所述的整体材料，其中所述金属材料包含铁磁性材料。
5.权利要求1所述的整体材料,其中所述高电阻率绝缘材料的层包含陶瓷。
6.权利要求1所述的整体材料，其中所述第一表面和所述第二表面形成所述区域的整个表面。
7.权利要求1所述的整体材料，其中所述第一表面从所述第一部分在基本上一致的方向上前进。
8.一种形成在表面上的软磁性整体材料，所述软磁性整体材料包含: 磁性材料的多个区域，所述磁性材料的多个区域中的每个区域由高电阻率绝缘材料的可选择涂层基本上分隔； 所述多个区域的第一部分形成表面； 所述多个区域的第二部分包括从所述第一部分前进的磁性材料的继续区域；并且 所述第二部分中的所述磁性材料的继续区域中的基本上全部区域各自包括第一表面和第二表面，所述第一表面包含基本上凸形表面并且所述第二表面包含一个或多个基本上凹形表面。
9.权利要求8所述的软磁性整体材料，其中所述高电阻率绝缘材料的可选择涂层包含具有大于约IxlO3 Ω-m的电阻率的材料。
10.权利要求8所述的软磁性整体材料，其中所述高电阻率绝缘材料的可选择涂层具有可选择的基本上均匀的厚度。
11.权利要求8所述的软磁性整体材料，其中所述磁性材料包含铁磁性材料。
12.权利要求8所述的软磁性整体材料，其中所述高电阻率绝缘材料的可选择涂层包含陶瓷。
13.权利要求8所述的软磁性整体材料，其中所述第一表面基本上与所述第二表面相反。
14.权利要求8所述的软磁性整体材料，其中所述第一表面从所述第一部分在基本上一致的方向上前进。
15.一种连接至电源的电气装置，所述电气装置包括:软磁性磁芯； 绕组，所述绕组连接至所述软磁性磁芯并且围绕所述软磁性磁芯的一部分，所述绕组连接至所述电源； 所述软磁性磁芯包括磁性材料的多个区域，所述多个区域的每个区域由高电阻率绝缘材料的层基本上分隔； 所述多个区域包括前进穿过所述软磁性磁芯的磁性材料的继续区域；并且所述第二部分中基本上全部的所述继续区域各自包括第一表面和第二表面，所述第一表面包含基本上凸形表面并且所述第二表面包含一个或多个基本上凹形表面。
16.权利要求15所述的电气装置，其中所述高电阻率绝缘材料的层包含具有大于约IxlO3Ω-m的电阻率的材料。
17.权利要求15所述的电气装置，其中所述高电阻率绝缘材料的层具有可选择的基本上均匀的厚度。
18.权利要求15所述的电气装置，其中所述磁性材料包含铁磁性材料。
19.权利要求15所述的电气装置，其中所述高电阻率绝缘材料的层包含陶瓷。
20.权利要求15所述的电气装置，其中所述第一表面基本上与所述第二表面相反。
21.权利要求15所述的电气装置，其中所述第一表面在基本上一致的方向上前进穿过所述软磁性磁芯。
22.一种连接至电源的电动机，所述电动机包括:` 框架； 转子，所述转子连接至所述框架； 定子，所述定子连接至所述框架； 所述转子或所述定子中的至少一个具有连接至所述电源的绕组并且具有软磁性磁-1-H心; 所述绕组缠绕在所述软磁性磁芯的一部分周围； 所述软磁性磁芯包括磁性材料的多个区域，所述多个区域的每个区域由高电阻率绝缘材料的层基本上分隔； 所述多个区域包括前进穿过所述软磁性磁芯的磁性材料的继续区域；并且所述第二部分中基本上全部的所述继续区域各自包括第一表面和第二表面，所述第一表面包含基本上凸形表面并且所述第二表面包含一个或多个基本上凹形表面。
23.权利要求22所述的电动机，其中所述高电阻率绝缘材料的层包括具有大于约IxlO3Ω-m的电阻率的材料。
24.权利要求22所述的电动机，其中所述高电阻率绝缘材料的层具有可选择的基本上均匀的厚度。
25.权利要求22所述的电动机，其中所述磁性材料包含铁磁性材料。
26.权利要求22所述的电动机，其中所述高电阻率绝缘材料的层包含陶瓷。
27.权利要求22所述的电动机，其中所述第一表面基本上与所述第二表面相反，并且所述第一表面在基本上一致的方向上前进穿过所述软磁性磁芯。
28.—种在表面上形成的软磁性整体材料，所述软磁性整体材料包含: 磁性材料的多个粘附区域，所述磁性材料的多个区域的基本上全部区域由高电阻率绝缘材料的层分隔； 所述多个区域的第一部分形成表面； 所述多个区域的第二部分包括从所述第一部分前进的磁性材料的继续区域； 其中所述继续区域中的基本上全部区域各自包括第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面相反，所述第二表面符合所述已前进的区域的形状；并且 所述第二部分中的所述继续区域的大部分区域具有包含基本上凸形表面的所述第一表面和包含一个或多个基本上凹形表面的所述第二表面。
29.权利要求28所述的软磁性整体材料，其中所述高电阻率绝缘材料的层包含具有大于约1xl03 Ω-m的电阻率的材料。
30.权利要求28所述的软磁性整体材料，其中所述高电阻率绝缘材料的层具有可选择的基本上均匀的厚度。
31.权利要求28所述的软磁性整体材料，其中所述磁性材料包含铁磁性材料。
32.权利要求28所述的软磁性整体材料，其中所述高电阻率绝缘材料的层包含陶瓷。
33.权利要求28所述的软磁性整体材料，其中所述第一表面和所述第二表面形成所述区域的整个表面。
34.权利要求28所述的软磁性整体材料，其中所述第一表面从所述第一部分在基本上一致的方向上前进。
35.一种连接至电源的电气装置，所述电气装置包括: 软磁性磁芯； 绕组，所述绕组连接至所述软磁性磁芯并且围绕所述软磁性磁芯的一部分，所述绕组连接至所述电源； 所述软磁性磁芯包括多个区域，所述多个区域的每个区域由高电阻率绝缘材料的层基本上分隔； 所述多个区域包括前进穿过所述软磁性磁芯的磁性材料的继续区域； 其中基本上全部的所述继续区域各自包括第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面相反，所述第二表面符合金属材料的已前进的区域的形状；并且 所述第二部分中的所述继续区域中的大部分区域具有包含基本上凸形表面的所述第一表面和包含一个或多个基本上凹形表面的所述第二表面。
36.权利要求35所述的电气装置，其中所述高电阻率绝缘材料的层包含具有大于约1xlO3Ω-m的电阻率的材料。
37.权利要求35所述的电气装置，其中所述高电阻率绝缘材料的层具有可选择的基本上均匀的厚度。
38.权利要求35所述的电气装置，其中所述磁性材料包含铁磁性材料。
39.权利要求35所述的电气装置，其中所述高电阻率绝缘材料的层包含陶瓷。
40.权利要求35所述的电气装置，其中所述第一表面基本上与所述第二表面相反。
41.权利要求35所述的电气装置，其中所述第一表面在基本上一致的方向上前进穿过所述软磁性磁芯。
【文档编号】H02K1/02GK103636101SQ201280032670
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年6月29日 优先权日:2011年6月30日
【发明者】马丁·霍谢克, 斯里帕蒂·沙赫 申请人:佩西蒙技术公司