用於電動機的低鐵損非晶態金屬磁性部件的製作方法

2023-11-01 17:15:37 1

專利名稱：用於電動機的低鐵損非晶態金屬磁性部件的製作方法
背景技術：
1.發明領域本發明涉及非晶態金屬磁性部件，更特別地，涉及具有普通多面體形狀、低鐵損、整體非晶態金屬磁性部件的高效電動機。
2.現有技術描述電動機一般包含由大量非取向矽鋼的層疊疊片製成的磁性部件。在可變磁阻電動機和渦流電動機中，定子由層疊疊片製成。在鼠籠式電動機、磁阻同步電動機和開關磁阻電動機中，定子和轉子都由層疊疊片製成。一般通過將機械軟的、非取向矽鋼衝壓、衝孔或切割成所需的形狀來形成每個疊片。形成的疊片然後被層疊並捆綁形成具有所需幾何形狀並有足夠機械完整性以在電動機生產和運行過程中保持它們構造的轉子或定子。
機器中的定子和轉子被小的間隙隔開並隔開一定距離，其中間隙為(i)徑向的，即通常垂直於轉子旋轉的軸，或(ii)軸向的，即通常平行於旋轉軸。在電磁電機中，磁通線通過穿越間隙連接轉子和定子。電磁電機因此可被廣泛地分別分成徑向或軸向磁通設計。相應的術語徑向和軸向間隙設計也用於電動機領域。徑向磁通電機是目前最為常見的。上述衝孔和層疊方法廣泛用於構造徑向磁通電機的轉子和定子。
儘管與非取向矽鋼相比，非晶態金屬能提供優良的磁性能，但它們由於一些物理性質和隨後的製造障礙而長期被認為不適用於整體磁性部件如電動機的轉子和定子。例如，非晶態金屬比非取向鋼薄和硬，因此導致製造工具和衝模磨損更快。產生的加工和製造成本的增加使使用這種常規技術如衝孔和衝壓製造整體非晶態金屬磁性部件在商業上不切實際。非晶態金屬的薄度也轉變成組裝部件中疊片數量的增加，進一步增加了非晶態金屬轉子或定子磁組件的總成本。
非晶態金屬一般以具有均勻帶寬度的薄連續帶形式提供。但是，非晶態金屬是非常硬的材料，這使它非常難於容易地切割或成形。一旦被退火達到峰值磁性能，非晶態金屬帶就變得非常脆。這使得使用常規途徑構造整體非晶態金屬磁性部件困難和昂貴。非晶態金屬帶的脆性也導致對整體磁性部件在應用如電動機中的耐久性的關注。
磁性定子受到極其高的磁力，該磁力在高旋轉速度需要的頻率下變化迅速。這些磁力能對定子材料施加相當大的應力，並可破壞非晶態金屬磁性定子。轉子還受到由正常旋轉和在機器通電或斷電和負載變化可能急劇時旋轉加速引起的機械力。
已提出了數量有限的非常規途徑用於構造非晶態金屬部件。例如，Frischmann的美國專利4197146公開了用成型和壓實的非晶態金屬薄片製造的定子。儘管這種方法允許形成複雜的定子形狀，但結構在離散的非晶態金屬薄片顆粒之間包含大量氣隙。這種結構大大增加了磁路的磁阻和相應的運行電動機所需要的電流。
德國專利DE2805435和DE2805438教導的方法將定子分成繞線片和極靴。非磁性材料被插入到繞線片和極靴之間的連接處，增加了有效間隙，並相應提高了磁路的磁阻和運行電動機所需要的電流。包括極靴的材料層被定向使得它們的面垂直於迴繞鐵片中層的面。這種構造還增加了定子的磁阻，因為繞線片和極靴的相鄰層只在它們各自面之間的結合點處會合，而不是沿整個線段。另外，這種方法教導繞線片中的疊片通過焊接彼此連接。使用熱強化過程如焊接連接非晶態金屬疊片將使非晶態金屬在結合處和附近再結晶。甚至再結晶非晶態金屬的小段通常都增加定子中的磁損至不可接受的水平。
與使用鐵磁非晶態金屬有關的另一困難起因於磁致伸縮現象。任何磁致伸縮材料的某些磁性都響應施加的機械應力變化。例如，當包含非晶態材料的部件受到應力時，部件的磁導率一般降低，鐵損增加。非晶態金屬器件由於磁致伸縮現象引起的軟磁性下降可由以下源的任意聯合產生的應力引起，包括(i)電動機運行過程中的磁力和機械力；(ii)由機械夾緊或以其它方式固定整體非晶態金屬磁性部件在適當位置引起的機械應力；或(iii)由熱膨脹和/或非晶態金屬材料磁飽和產生的膨脹引起的內部應力。當非晶態金屬磁性定子受到應力時，其引導或集中磁通的效率就降低，產生較高的磁損，效率降低，熱產生增加和功率降低。這種降低的程度可相當大，取決於具體的非晶態金屬材料和應力的實際強度，如美國專利5731649所示。鐵損的降低經常表達為破壞因子，即所得器件實際表現的鐵損和在無應力的實驗室條件下測得的組成材料的固有鐵損的比。
此外，非晶態金屬比其它常規軟磁材料包括普通矽鋼具有低得多的各向異性能。因此，對這些常規金屬磁性沒有有害影響的應力水平對電動機部件重要的磁性有嚴重影響，例如磁導率和鐵損。例如，『649專利還公開了通過輥壓非晶態金屬成線圈形成非晶態金屬芯，疊片使用環氧樹脂，有害地限制了材料線圈的熱和磁飽和膨脹，產生高內部應力和能降低結合這種芯的電動機或發動機效率的磁致伸縮。為了避免應力引起的磁性降低，』649專利公開了包括大量非晶態金屬層疊或捲曲部分的磁性部件，這些層疊或捲曲部分安裝或包含在介電封裝中，而沒有使用粘合劑粘合。
當前技術中的大量應用，包括如此廣泛的不同領域如高速工具機、航空發動機和激勵器、和計算機和其它微電子器件中用於數據存儲的磁碟和光碟驅動器的主軸電動機，都需要能在高速下運轉的電動機，很多時候超過15000-20000rpm，有時達到100000rpm。使用現有材料製成的磁性部件的限制需要大量不合需要的設計妥協。在許多應用中，電動機部件中一般使用的矽鋼的鐵損是禁止的。在這種情況下，設計者可能被迫使用坡莫合金作為替代。但是，飽和感應的附帶降低(例如各種坡莫合金的0.6-0.9T或更小對普通矽鋼的1.8-2.0T)使由坡莫合金或其變體組成的磁性部件的尺寸增加成為必然。此外，坡莫合金的理想軟磁性受塑性變形的負面和不可逆影響，這可在較低的應力水平下發生。這種應力可出現在坡莫合金組件的製造過程中或運轉過程中。
儘管有上述公開內容代表的進展，但本領域中仍需要改進的非晶態金屬電動機部件，其能表現出高速高效電機需要的優異磁性和物理性質的聯合。還尋求有效使用非晶態金屬的構造方法，並可被實施用於大量生產各種類型的電動機和其中使用的部件。
發明概述本發明提供一種高效電動機，電動機包括一個或多個低損耗整體非晶態金屬磁性部件，該磁性部件具有多面體形狀，並包含多個非晶態金屬條的層。本發明還提供製造低鐵損、整體非晶態金屬磁性部件的方法。更具體地說，根據本發明一種實施方案構造並在激勵頻率「f」下被激勵至峰值感應水平「Bmax」的磁性部件在室溫下具有小於「L」的鐵損，其中L用式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6給出，鐵損、激勵頻率和峰值感應水平分別以瓦/千克、赫茲和特斯拉測得。優選地，磁性部件具有(i)在大約400Hz的頻率和大約1.3特斯拉(T)的磁通密度下運轉時，鐵損小於或大致等於2.8瓦/千克的非晶態金屬材料；(ii)在大約800Hz的頻率和大約1.3T的磁通密度下運轉時，鐵損小於或大致等於5.7瓦/千克的非晶態金屬材料；或(iii)在大約2000Hz的頻率和大約1.0T的磁通密度下運轉時，鐵損小於或大致等於9.5瓦/千克的非晶態金屬材料。
由於在周期磁激勵下的非常低鐵損，本發明的磁性部件可在從DC到多至20000Hz或更高的範圍內的頻率下運轉。與在相同頻率範圍內運轉的常規矽鋼磁性部件相比，它表現出改進的性能特徵。部件在高頻率下的運轉能力使它被用於製造能在比使用由常規材料製成的部件可能更高速度和更高效率下有利運轉的電動機。
本發明還提供構造整體非晶態金屬磁性部件的方法。方法的實施包括步驟由鐵磁非晶態金屬條進料形成具有預定所需形狀的多個疊片，對齊堆疊疊片形成三維結構，和施加和激活粘合手段以將疊片彼此粘結形成具有足夠結構和機械完整性的疊片堆。有利地，在使用單獨形成的疊片的製造方法中不存在由纏繞過程中條彎曲固有引起的壓應力和拉伸應力。任何由於疊片成形產生的應力都可能被只限制到在其外圍或靠近其外圍的小區域。任選地，然後精加工疊片堆除去任何多餘的粘合劑和給予它合適的表面光潔度和最終的部件尺寸。
可通過大量方法進行所需形狀的疊片的成形，包括通過機械研磨的非專門切割、金剛石線、在水平或垂直方向上進行的高速銑削、磨耗水噴射銑削、利用金屬絲或浸液的放電加工、電化學研磨、電化學加工、衝壓、雷射切割或普通技術人員已知的其它手段。優選地，利用光刻蝕刻技術形成疊片。可在退火步驟前或後進行粘結步驟。方法還可包括任選的熱處理或退火以改善部件磁性或任選的塗敷步驟，其中絕緣塗層被施加到部件的至少一部分表面上。可按各種順序和使用各種技術包括下面所述那些進行這些步驟。本方法實施中優選使用的優選非晶態金屬材料具有基本由式Fe80B11Si9限定的組成。
本發明還涉及按上述方法構造的整體非晶態金屬電動機部件。
根據本發明構造的整體非晶態金屬磁性部件尤其適合用作高效可變磁阻電動機和渦流電動機中的非晶態金屬定子或定子部件。同樣，整體非晶態金屬部件可用作鼠籠式電動機、磁阻同步電動機和開關磁阻電動機中的轉子和定子兩者。本領域那些技術人員能認識到，這種電動機可包括一個或多個轉子和一個或多個定子。因此，本文使用的與電動機有關的術語「轉子」和「定子」指範圍從1到多至3個或更多的大量轉子和定子。那些熟悉旋轉電機領域的還能認識到，可利用(i)轉子位於定子內並具有比定子通常小的直徑或(ii)在反結構或杯狀結構中轉子和定子的相對位置和大小可互換來構造徑向磁通電機。本發明的轉子或定子可被構造為單一結構或利用已知手段結合在一起的大量亞結構的組件，亞結構按本文教導製造。
本領域那些技術人員還能認識到，本文使用的術語「電動機」一般是指各種旋轉電機，其另外包括發電機以及可任選作為發電機運轉的再生式電動機。可在構造這些設備中的任一個中使用本發明的磁性部件。在使用本發明的過程中實現了顯著優點。這些優點包括製造簡單和製造時間減少、構造整體非晶態金屬部件過程中遇到的應力(即磁致伸縮)降低、最終非晶態金屬磁性部件性能的優化和包括本文公開的轉子或定子的電動機的效率提高。
附圖簡述當參考本發明優選實施方案的以下詳細描述和附圖時，將能更充分地理解本發明，更多優點也顯而易見，其中在全部幾幅圖中，相同的引用數字表示類似的元件，其中

圖1為根據本發明構造的三維矩形形狀的整體非晶態金屬磁性部件的透視圖；圖2A為根據本發明構造並具有稜形形狀的整體非晶態金屬磁性部件的透視圖；圖2B為根據本發明構造並具有相對布置的弓形表面的整體非晶態金屬磁性部件的透視圖；圖2C為用六個如圖2A所示的稜狀部件和六個如圖2B所示的弓形部件構造的電動機定子的頂視圖3A為根據本發明構造的電動機整體非晶態金屬磁性定子的透視圖；圖3B為根據本發明構造的電動機整體非晶態金屬磁性轉子的透視圖；圖3C為由圖3A的定子和圖3B的轉子構造的電動機定子和轉子的頂視圖；圖3D為根據本發明構造的反結構同步徑向間隙電動機的整體非晶態金屬磁性定子的頂視圖；圖4為用於測試整體非晶態金屬磁性部件的組件的透視圖，包括四個部件，每個都具有相對布置的弓形表面的多面體形狀，並裝配形成普通直立圓環形柱；圖5為描述本發明的非晶態金屬定子和用非取向矽鋼構造的兩個對比定子的400Hz鐵損行為的圖；圖6為描述本發明的非晶態金屬定子和用非取向矽鋼構造的對比定子的800Hz鐵損行為的圖。
發明詳述本發明涉及使用低損耗整體非晶態金屬部件如例如定子、轉子和定子與轉子所用部件零件構造的高效電動機。根據本發明構造具有各種幾何形狀的普通多面體狀整體非晶態金屬部件，其中幾何形狀包括但不限於矩形、正方形、稜形。另外，上述幾何形狀中的任一種可包括至少一個弓形表面，並優選兩個相對布置的弓形表面以形成普通彎曲或弓形的整體非晶態金屬部件。本發明還提供其中多面體形狀為普通圓柱形並還可包括從普通環形部分向內或向外徑向伸出的多個齒的部件。此外，完整的定子和轉子可被構造為根據本發明的整體非晶態金屬部件。這些定子和轉子可具有單一構造或它們可由多個片形成，這些片共同形成完整的部件。或者，定子和/或轉子可為完全包含非晶態金屬零件或非晶態金屬零件與其它磁性材料的結合的複合結構。本發明的整體磁性部件可被結合到電動機中，優選徑向磁通類型的電機中。
現在參考附圖的圖1，顯示了普通多面體形狀的整體非晶態金屬電動機部件10。本文使用的術語多面體是指多個面或側的實體。這包括但不限於三維矩形、正方形、梯形和稜形。另外，上述幾何形狀中的任一個可包括至少一個並優選兩個彼此相對布置的弓形表面或側以形成普通弓狀的部件。本發明的部件可還具有普通圓柱形狀。圖1所示的磁性部件10包含被層疊到一起並退火的大量非晶態金屬條材料20的基本類似成形層。根據本發明構造並在激勵頻率「f」下被激勵至峰值感應水平「Bmax」的三維磁性部件10在室溫下具有小於約「L」的鐵損，其中L用式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6給出，鐵損、激勵頻率和峰值感應水平分別以瓦/千克、赫茲、特斯拉測得。在某些優選的實施方案中，磁性部件具有(i)在大約400Hz的頻率和大約1.3特斯拉(T)的磁通密度下運轉時，非晶態金屬材料的鐵損小於或大致等於2.8瓦/千克；(ii)在大約800Hz的頻率和大約1.3T的磁通密度下運轉時，非晶態金屬材料的鐵損小於或大致等於5.7瓦/千克；或(iii)在大約2000Hz的頻率和大約1.0T的磁通密度下運轉時，非晶態金屬材料的鐵損小於或大致等於9.5瓦/千克。
當部件或其任何部分沿基本在其中包括的非晶態金屬片的面內的任何方向被勵磁時，本發明的部件有利地表現出低鐵損。本發明部件的鐵損降低又提高了包括它的電動機的效率。低的鐵損值使本發明的整體磁性部件尤其適用於其中高極數或高旋轉速度需要高頻磁激勵例如100Hz以上的激勵的電動機。常規鋼在高頻時的固有高鐵損通常使它們不適用於需要高頻激勵的電動機。這些鐵損性能值適用於本發明的各種實施方案，不管整體非晶態金屬部件的具體幾何形狀如何。
圖2A所示的磁性部件100為普通稜形形狀，並優選包括五(5)個側面110或表面。五邊形形狀的多面體部件100包含各自基本上具有相同大小和形狀的非晶態金屬條材料20的多個層。條材料20被堆疊、層壓到一起，然後退火。
圖2B所示的磁性部件200包括至少一個並優選兩個相對布置的弓形表面210。弓形形狀的部件200包含各自基本上具有相同大小和形狀並被堆疊層壓到一起和退火的非晶態金屬條材料20的多個層。
圖2C所示的整體非晶態金屬磁性部件300可用作徑向間隙電動機的定子，並包含六片磁性部件100和六片磁性部件200。
圖3A所示的整體非晶態金屬磁性部件400為普通圓形，並包括多個向著圓形部件400的中心向內徑向延伸的普通矩形齒410。部件400包含各自基本上具有相同大小和形狀並被堆疊層壓到一起然後退火的非晶態金屬條材料20的多個層。根據圖3A的實施方案構造的整體非晶態金屬部件可用作徑向氣隙電動機中的定子。
圖3B所示的整體非晶態金屬部件500為普通圓盤狀，並包括多個向外徑向延伸的普通矩形齒510。部件500包含各自基本上具有相同大小和形狀並被堆疊層壓到一起和退火的非晶態金屬條材料20的多個層。可在層壓前或後進行退火。根據圖3B的實施方案構造的整體非晶態金屬部件可用作徑向氣隙電動機中的轉子。
下面參考圖3C，定子400和轉子500被構造為根據本發明的整體非晶態金屬部件，並用作高效徑向氣隙電動機600的零件。電動機還包括繞組和能旋轉支撐轉子500與定子400對準的軸承，電動機領域的技術人員能認識到這一點。
圖3D所示的整體非晶態部件800可用作高效反結構同步徑向氣隙電動機中的定子。部件800包括多個形狀基本相同的疊片20。每個疊片20包括具有普通環形尺寸和形狀的中心部分810，和多個從中心部分810向外徑向延伸的齒部分820。齒部分820經常簡單地被稱為齒。利用任何合適的方法將疊片20切割成所需形狀，光刻蝕刻方法是優選的。然後對齊堆疊切割的疊片並通過粘合劑浸漬結合到一起形成部件800。浸漬用於在疊片之間分散和滲透粘合劑，從而每個疊片的至少一部分表面被粘合劑覆蓋。在部件800作為電動機中的定子運轉時，對於通過齒820進入和離開定子的磁通線，中心部分810用作護鐵即磁通返回途徑。每個齒820可在外部即部件800的外圍圓周處具有向著其末端加寬的部分830。每個齒820靠近中心部分810的部分840經常被稱為齒根。繞組槽850由每對相鄰齒820之間的間隙形成。當設計用於結合到電動機中時，電繞組(未示出)環繞每個齒820，通過那個齒旁邊的繞組槽850。在電動機運轉過程中，繞組通過電流流動被勵磁以提供磁通勢。可按照電動機領域中已知的各種方法互連和電勵磁單獨齒的繞組。
還提供構造本發明的低損耗部件的方法。在一個方面，由非晶態金屬條製備具有所需形狀的單獨疊片，隨後堆疊形成三維疊片堆並粘合。在另一個方面，通過將包括非晶態金屬條粘合堆的工件切割成所需形狀來製備部件。這種工件可具有矩形磚、纏繞結構或任何其它合適形狀的形式。粘合優選包括施加和激活粘合劑手段以使疊片彼此粘著，並從而給予疊片堆足夠的機械和結構完整性，這是最終設備中操作和運轉部件所需的。任選地，精加工部件，以實現下面中的至少一種(i)除去多餘的粘合劑；(ii)給予部件合適的表面光潔度；和(iii)除去材料從而給予堆最終的部件尺寸。方法還包括任選的退火步驟以改善部件的磁性。可按各種順序和使用各種技術執行方法的步驟，包括本文提出的那些和對本領域那些技術人員顯而易見的那些。
大量切割技術可用於形成本發明的部件。在本方法的一些實施中，切割單獨的疊片至一定形狀。為切割小的複雜形狀的疊片而尤其優選的方法是光刻蝕刻，其經常簡單地稱為光刻。一般而言，光刻蝕刻是一種形成以相對薄的片、條或帶形式提供的材料片的技術。光刻方法可包括步驟(i)向片的每個表面上施加一層對光在其上的入射響應的光阻物質；(ii)在每個片表面上放置具有相對透明區域和不透明區域的光掩模從而限定預選形狀；(iii)來自光源的光通過每個掩膜入射到表面上以選擇性地曝光位於掩膜透明區域後面的那些區域的光阻物質；(iv)通過用能使光阻層的曝光區域與未曝光區域區分開的熱或化學試劑處理來顯影光阻物質；(v)選擇性除去顯影的光阻層的曝光部分；和(vi)將片放在腐蝕劑浴中，其中腐蝕劑能選擇性地從片上那些顯影光致抗蝕劑已被除去的部分上蝕刻或腐蝕材料，但不會腐蝕上面保留有光致抗蝕劑的部分，從而形成具有預選形狀的疊片。必需對齊片材料相對表面上的掩膜以確保得到具有所需形狀和邊界限分明的疊片。在一些實施方案中，掩膜任選地包括這樣的特徵，即限定出使每個疊片弱連接到片上的小固定區域，以便於在最後裝配前處理。這些固定區域能容易地用於使單獨疊片從主片上卸下。另一個化學步驟還經常用於從腐蝕蝕刻步驟後的疊片中除去殘餘的光致抗蝕劑。本領域那些技術人員還能認識到使用互補光致抗蝕劑材料的光刻蝕刻方法，其中光致抗蝕劑的未曝光部分在上述步驟(v)中被選擇性除去，而不是曝光部分。當然，這種變化也需要光掩膜中不透明和透明區域的轉換以形成相同的最終疊片結構。
不會產生毛刺或其它邊缺陷的形成疊層的方法是尤其優選的。更具體地說，從疊片平面突出的這些和其它缺陷在有些方法中和在一定條件下形成。缺陷經常產生層間電短路，這又有害地增加了部件鐵損。
有利地，零件的光蝕刻通常被發現顯著最小化或消除了這種邊缺陷的發生。典型地，光蝕刻的零件表現出圓邊和在緊靠邊附近的零件厚度的變薄，從而降低了這類零件疊片堆中上述層間短路的可能性。另外，通過增強變薄的邊附近中的毛細作用，有利於用粘合劑漫漬這種堆。提供通過每個疊片的一個或多個小孔可進一步提高浸漬的效率。當對齊堆疊單獨的疊片時，孔可被對準以形成浸漬劑可容易流過的通道，從而確保浸漬劑在每個疊片與相鄰疊片配合的表面的至少大部分區域上更好地分布。也可用作浸漬劑流動增強手段的其它結構如表面溝道和槽也可被結合到每個疊片內。上述孔和流動增強手段可容易和有效地在光蝕刻疊片中產生。另外，各種墊片可被插入到疊片堆中以促進流動增強。
合適的高應變率衝壓方法也可用於形成實施本發明的單獨疊片。在歷史上，結合兩個因素排除了使用衝壓作為形成非晶態金屬零件的可行途徑。首先，非晶態金屬往往比典型的金屬衝頭和衝模材料硬得多。鐵基非晶態金屬一般表現出超過1100kg/mm2的硬度。相比而言，空氣冷卻的、油猝冷的和水猝冷的工具鋼限制到800-900kg/mm2範圍內的硬度。因此，非晶態金屬比常規金屬衝頭和衝模材料硬，其硬度來源於它們獨特的原子結構和化學組成。
其次，當在衝壓過程中被約束在衝頭和衝模之間時非晶態金屬在失效前就經歷了顯著變形。非晶態金屬因高局部剪切流而變形。當受拉變形時，如當牽引非晶態金屬條時，單個剪切帶的變形可導致在小的總變形處失效。受拉時，失效可發生在伸長率為1％或更小時。但是，當以機械約束排除塑性失穩的方式變形時，如衝壓過程中在工具和衝模之間的彎曲中，形成多個剪切帶，並可出現顯著的局部變形。在這種變形模式中，失效處的伸長率可局部超過100％。
這兩個因素即異常的硬度加顯著的變形組合在常規衝壓設備的衝頭和衝模部件上產生了特別磨損。衝頭和衝模上的磨損被認為是由於在失效前的變形過程中硬非晶態金屬摩擦較軟衝頭和衝模材料的直接磨耗引起。
為了最小化衝壓過程中對衝頭和衝模的磨損，可用高級材料製造衝頭和衝模，工具使得衝頭和衝模之間的間隙小且均勻。衝壓過程也在高應變率下進行。用於衝頭和衝模工具的高級材料應具有至少1100kg/cm2並優選大於1300kg/mm2的硬度。合適的高級材料可包括碳化物、碳化物金屬複合材料、陶瓷、陶瓷金屬複合材料和非晶態金屬。硬度等於或大於非晶態金屬的工具能在衝壓過程中抵抗來自非晶態金屬的直接磨損，從而使衝頭和衝模的磨損最小化。衝頭和衝模之間的間隙應小於0.125mm(0.005英寸)，並優選小於0.0125mm(0.0005英寸)。衝壓過程中使用的應變率應為至少1衝頭行程/秒，並優選至少5衝頭衝程/秒。衝頭和衝模之間小的間隙和衝壓過程中使用的高應變率組合限制了非晶態金屬在衝壓過程中在斷裂前的機械變形量。限制模腔中非晶態金屬的機械變形限制了非晶態金屬和衝頭和衝模處理之間的直接磨損，從而減少了對衝頭和衝模的磨損。可使用高應變率衝壓過程通過提供單一帶進料衝壓單個疊片或具有多重進料時衝壓多個疊片(例如達到約5)。
條材料在衝壓前任選的輕度熱處理有利於改變非晶態金屬的機械性能。具體地說，熱處理在一定程度上降低了非晶態金屬的延展性，從而限制了在衝壓過程中斷裂前非晶態金屬的機械變形量。非晶態金屬降低的延展性還降低了變形非晶態金屬對衝頭和衝模材料的直接摩耗和磨損。
或者，從包括相當大量的非晶態金屬帶條如具有100或更多層的堆來製備本發明的部件。完成所需切割的合適方法包括但不限於使用耐磨切削片或切割輪、機械研磨、金剛石線切割、在水平或垂直方向上進行的高速銑削、磨耗水噴射銑削、利用金屬絲或浸液的放電加工、電化學研磨、電化學加工和雷射切割。在一些情況下，可在一次操作中切割整個堆高度。這些技術的一部分也可用於切割上述單獨疊片或少量粘合或未粘合層。優選切割方法不會在切割表面處或附近產生任何可覺察到的損傷如汙點。例如，這類損傷可為由於非晶態金屬變形引起的簡單機械損傷或由於切割過程中產生的熱引起的熱損傷。熱損傷可包括加熱非晶態金屬材料超過它的結晶溫度或在邊緣處或附近熔化材料。不利結果可包括邊緣附近的應力和鐵損增加、層間短路或機械性能的降低。
在實施本發明中使用粘合手段將多個適當對齊的非晶態金屬條材料的片或疊片彼此粘合，從而提供整體三維物體。這種粘合提供了能使本發明部件被處理和使用或結合到較大結構內的足夠結構完整性。各種粘合劑都是合適的，包括包含環氧樹脂、清漆、厭氧膠粘劑、氰基丙烯酸酯和室溫硫化(RTV)矽酮材料的那些。粘合劑理想地具有低粘度、低收縮率、低彈性模量、高剝離強度、高操作溫度能力和高介電強度。粘合劑可覆蓋每個疊片表面區域的任何部分以足以實現相鄰疊片彼此間的適當粘合，並因此提供足夠的強度以得到成品部件的機械完整性。粘合劑可覆蓋達到基本全部表面區域。環氧樹脂可為化學激活固化的多成份環氧樹脂或固化為熱激活或通過暴露於紫外輻射激活的單組分環氧樹脂。優選地，粘合劑具有小於1000cps的粘度和大致等於金屬的熱膨脹係數，或約10ppm。一種優選的粘合劑為P.D.George Co.以商標Epoxylite 8899出售的熱激活環氧樹脂。本發明的器件優選通過用這種環氧樹脂浸漬來粘合，這種環氧樹脂按體積用丙酮稀釋至1∶5，以降低它的粘度和增強它在帶的層之間的滲透。發現可優選的另一粘合劑為National Starch and Chemical Company以商標名Permabond 910FS出售的氰基丙烯酸甲酯。本發明的器件優選通過施加這種粘合劑以至於它能通過毛細作用在帶的層之間滲透來粘合。Permabond 910FS為在室溫和水分存在下能在5秒內固化的單組分低粘度液體。
施加粘合劑的合適方法包括浸塗、噴塗、刷塗和靜電沉積。在條或帶形式中，非晶態金屬還可通過將其經過能轉移粘合劑到非晶態金屬的棒或輥來塗敷。具有織構表面的輥或棒如凹板輥或繞接輥在轉移粘合劑均勻塗層到非晶態金屬上面尤其有效。粘合劑可一次施加到非晶態金屬的單獨層上，或施加到切割前的條材料上或切割後的疊片上。或者，可在疊片被堆疊後對它們共同應用粘合手段。優選地，通過疊片之間粘合劑的毛細流浸漬堆。浸漬步驟可在環境溫度和壓力下進行。或者但不是優選地，可將堆放在真空中或在靜水壓力下實現更完全的填充，但減少了加入粘合劑的總體積，因此確保了高疊層係數。優選使用低粘度粘合劑，如環氧樹脂或氰基丙烯酸酯。還可利用輕微加熱降低粘合劑的粘度，從而增強其在疊片層之間的滲透。根據需要激活粘合劑以促進它的粘合。在粘合劑接受任何需要的激活和固化後，可精加工部件以除去任何多餘的粘合劑和給予它合適的表面光潔度和最終需要的部件尺寸。如果在至少約175℃的溫度下進行，則粘合劑的激活或固化還可用於影響磁性，這在下文中更詳細地討論。
本發明部件的精加工可還包括施加外部塗層到至少一部分它的外表面上。合適的塗料包括漆、真漆、清漆或樹脂。可通過各種方法施加塗層，包括噴塗和在浴或流化床中浸漬。可使用有或沒有溶劑載體的簡單噴塗技術。或者，靜電或電泳沉積技術是合適的。如果需要，精加工操作還可包括除去任何多餘的塗層，尤其是在電動機互相旋轉部分之間狹窄間隙的區域內存在的多餘塗層。外部塗層可有利於保護轉子或定子上的電繞組的絕緣不受尖金屬邊處磨耗的影響，並用於捕集可能往往脫離部件並被吸引到永久磁鐵上或另外不適當地卡在電動機或其它鄰近結構中的任何薄片或其它材料。
本文公開的現行構造尤其適用於磁性部件如電動機的非晶態金屬定子和轉子。磁性部件製造被簡化，製造時間被減少。在構造整體非晶態金屬部件的過程中另外遇到的應力被最小化。成品部件的磁性能得到優化。本文描述的各種方法步驟可按列出的順序進行，或以相關領域技術人員顯而易見的其它順序進行。
可使用眾多非晶態金屬合金製造本發明的整體非晶態金屬磁性部件。一般而言，適用於構造本發明部件的合金用式M70-85Y5-20Z0-20限定，下標為原子百分數，其中「M」為Fe、Ni和Co中的至少一種，「Y」為B、C和P中的至少一種，「Z」為Si、Al和Ge中的至少一種；條件是(i)最高到十(10)原子％的組分「M」可被金屬物種Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta和W中的至少一種取代，和(ii)最高到十(10)原子％的組分(Y+Z)可被非金屬物種In、Sn、Sb和Pb中的至少一種取代。本文使用的術語「非晶態金屬合金」是指基本缺乏任何長程有序並且特徵在於X-射線衍射強度最大值在性質上類似於觀察到的液體或無機氧化物玻璃的最大值的金屬合金。
適合作為本發明實施中進料的非晶態金屬合金在商業上可得到，通常為寬度最高到20cm或更高和厚度大致為20-25μm的連續薄條或帶形式。這些合金形成有基本完全的玻璃態微結構(例如至少約80體積％的材料具有非結晶結構)。優選合金用基本100％的具有非結晶結構的材料形成。非結晶結構的體積分數可通過本領域中已知的方法測定，如X-射線衍射、中子衍射或電子衍射、透射電子顯微鏡或差示掃描量熱法。對於其中「M」、「Y」和「Z」分別至少主要為鐵、硼和矽的合金，以低成本獲得了最高的感應值。因此，優選合金包含至少70原子％的Fe、至少5原子％的B和至少5原子％的Si，條件是B和Si的總含量應為至少15原子％。包含鐵-硼-矽合金的非晶態金屬條也是優選的。最優選的是組成基本包含約11原子％的硼和約9原子％的矽、餘量為鐵和伴隨雜質的非晶態金屬條。飽和感應為約1.56T和電阻率為約137μΩ-cm的這種條由Honeywell International Inc.以商標名METGLAS合金2605SA-1出售。另一合適的非晶態金屬條具有基本包含約13.5原子％的硼、約4.5原子％的矽、和約2原子％的碳、餘量為鐵和伴隨雜質的組成。飽和感應為約1.59T和電阻率為約137μΩ-cm的這種條由Honeywell International Inc.以商標名METGLAS合金2605SC出售。對於需要甚至更高飽和感應的應用，組成基本包含鐵、與約18原子％的Co、約16原子％的硼和約1原子％的矽、餘量為鐵和伴隨雜質的條是合適的。這種條由Honeywell International Inc.以商標名METGLAS合金2605C0出售。但是，這種材料構造的部件的損耗往往稍微高於使用METGLAS 2605SA-1的那些。
本領域中已知，鐵磁材料可用它的飽和感應或等價地用它的飽和磁通密度或磁化強度來表徵。適用於本發明的合金優選具有至少約1.2特斯拉(T)的飽和感應，更優選飽和感應為至少約1.5T。合金還具有高的電阻率，優選至少約100μΩ-cm，更優選至少約130μΩ-cm。
部件中指定使用的非晶態金屬條的機械性能和磁性可通過在一定溫度下熱處理足夠時間來增強，以提供所需的增強而不會改變條的基本完全玻璃態結構。熱處理包括加熱部分、任選的保溫部分和冷卻部分。在熱處理的至少一個部分中可任選地施加磁場到條上，如在至少冷卻部分中。磁場的施加，優選基本沿定子運轉時磁通存在的方向，在一些情況下可進一步改善部件的磁性和降低它的鐵損。任選地，熱處理包括1個以上的這種熱循環。此外，可在部件製造的不同階段進行1個或多個熱處理循環。例如，可處理離散疊片或可在粘結前或後熱處理疊片堆。優選地，在粘結前進行熱處理，因為許多另外有吸引力的粘合劑不能承受所需的熱處理溫度。
非晶態金屬的熱處理可利用任何能導致金屬經歷所需熱分布的加熱手段。合適的加熱手段包括紅外熱源、烘箱、流化床、與保持在高溫的散熱器的熱接觸、通過使電流通過條實現的電阻加熱、和感應(RF)加熱。加熱手段的選擇可取決於上面列出的所需處理步驟的順序。
適用於部件的某些非晶態合金的磁性可通過熱處理合金形成納米晶微結構得到顯著提高。這種微結構特徵在於存在高密度的平均粒度小於約100nm的晶粒，優選小於50nm，更優選約10-20nm。晶粒優選佔據鐵基合金的至少50％的體積。這些優選的材料具有低鐵損和低磁致伸縮。後一性能還使材料不易因為電動機製造和/或運轉過程中產生的應力而磁性降低。在給定合金中產生納米晶結構需要的熱處理必須在較高的溫度下進行或進行比設計在其中保存基本完全玻璃態微結構的熱處理需要的時間更長的時間。本文使用的術語非晶態金屬和非晶態合金還包括初始形成有基本完全玻璃態微結構且隨後通過熱處理或其它處理轉變成具有納米晶微結構的材料的材料。可被熱處理形成納米晶微結構的非晶態合金還經常簡單地稱為納米晶合金。本發明方法使納米晶合金能被成形為最終整體磁性部件的所需幾何形狀。可在合金仍處於鑄態、可延展、基本非結晶形式的同時和它被熱處理形成納米晶結構前有利地實現這種成形，納米晶結構通常使它更脆和更難以處理。
磁性通過在其中形成納米晶微結構得到顯著增強的兩類優選合金用下面的式給出，其中下標為原子百分比。
第一類優選的納米晶合金是Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw，其中R為Ni和Co中的至少一種，T為Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一種，Q為Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一種，u從0到約10，x從約3到12，y從0到約4，z從約5到12，w從0到小於約8。在這種合金被熱處理在其中形成納米晶微結構後，它具有高飽和感應(例如至少約1.5T)、低鐵損和低飽和磁致伸縮(例如磁致伸縮絕對值小於4×10-6)。這種合金尤其優選用於所需功率和扭矩要求電動機尺寸最小的應用。
第二類優選納米晶合金是Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw，其中R為Ni和Co中的至少一種，T為Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一種，Q為Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一種，u從0到約10，x從約1到5，y從0到約3，z從約5到12，w從約8到18。在這種合金被熱處理在其中形成納米晶微結構後，它具有至少約1.0T的飽和感應、特別低的鐵損和低飽和磁致伸縮(例如磁致伸縮絕對值小於4×10-6)。這種合金尤其優選用於需要在非常高的速度下運轉的電動機(例如需要激勵頻率為1000Hz或更高)。
整體非晶態磁性部件將比用其它鐵基磁性金屬製成的部件更有效地磁化和消磁。當用作電動機中的轉子或定子時，整體非晶態金屬部件將比由另一種鐵基磁性金屬製成的可比部件在以相同的感應和頻率磁化兩種部件時產生較少的熱。當與使用其它鐵基磁性金屬製成的部件的電動機相比時，使用整體非晶態金屬部件的電動機因此可被設計這樣運轉(i)在較低的運轉溫度下；(ii)在較高的感應下以獲得減小的尺寸和重量；或(iii)在較高的頻率下以獲得減小的尺寸和重量或獲得優良的運動控制。
本發明電動機的還一個優點是可設計有高極數。電動機的旋轉速度與電激勵頻率和極數的比成比例。使用本文公開的低鐵損部件允許在比使用其它已知較高鐵損的已知軟磁材料的常規電動機中可能的頻率高得多的頻率下電激勵。因此，對於給定速度，設計者在選擇極數和激勵頻率時被賦予更多的自由。可選擇高極數電動機，其能在最大速度下以可接受的鐵損運轉，但在激勵頻率(和相應的旋轉速度)的寬範圍內其還能保持可接受的功率和扭矩性能。在一些應用中，這種靈活性意味著可直接驅動負載，不需要伴隨複雜性的、需要維護和效率降低的變速箱。
本領域中已知，鐵損就是當鐵磁材料的磁化隨時間變化時在其內部發生的能量損耗。給定磁性部件的鐵損通常通過循環激勵部件來測定。將隨時間變化的磁場施加到部件上以在其中產生相應的隨時間變化的磁感應或磁通密度。為了測量標準化，通常選擇激勵使得磁感應在樣品中是均勻的，並在頻率「f」下隨時間正弦變化，並具有峰值振幅Bmax。然後利用已知的電測量儀器和技術測定鐵損。損耗按常規記錄為被激勵磁性材料的單位質量或體積的瓦數。損耗隨f和Bmax單調增加在本領域中是已知的。用於測試電動機部件中使用的軟磁材料鐵損的大多數標準規程{例如ASTM Standards A912-93和A927(A927M-94)}要求這類材料的樣品位於基本閉合的磁路內，即閉合磁通線完全包含在樣品體積內的構造。另一方面，電動機部件如轉子或定子中使用的磁性材料位於磁開路內，即磁通量必須橫過氣隙的構造。由於場的彌散場效應和非均勻性，因此開路中測試的給定材料通常比它在閉路測量中表現出較高的鐵損，即較高的瓦值/單位質量或體積。本發明的整體磁性部件有利地在磁通密度和頻率的寬範圍內表現出低鐵損，即使在開路構造中。
不受任何理論束縛，認為本發明的低損耗整體非晶態金屬部件的總鐵損由磁滯損耗和渦流損耗的貢獻組成。這兩種貢獻的每一個都為峰值磁感應Bmax和激勵頻率f的函數。現有技術的非晶態金屬鐵損分析(參見例如G.E.Fish，J.Appl.Phys.57，3569(1985)和G.E.Fish等人J.Appl.Phys.64，5370(1988))通常局限於在閉合磁路中得到的材料數據。
本發明的整體磁性部件的單位質量總磁損L(Bmax，f)可基本上用具有以下形式的函數限定L(Bmax，f)＝c1f(Bmax)n+c2fq(Bmax)m其中係數c1和c2和指數n、m和q必須全部根據經驗確定，沒有能精確確定它們值的已知理論。使用這個式允許在任何需要的操作感應和激勵頻率下確定本發明整體磁性部件的總鐵損。通常發現，在電動機轉子或定子的特殊幾何形狀中，其中的磁場在空間上不是均勻的。本領域中已知用技術如有限元模型來提供極其近似實際電動機或發電機中測量的磁通密度分布的峰值磁通密度的空間和時間變化估計。使用能在空間均勻磁通密度下給出給定材料磁鐵損的合適經驗公式作為輸入，這些技術使得能通過在部件體積上的數值積分以合理的精度預測給定部件在其操作結構中相應的實際鐵損。
可使用本領域中已知的各種方法進行本發明磁性部件鐵損的測量。尤其適合於測量本發明部件的方法如下所述。方法包括形成具有本發明磁性部件和磁通閉合結構裝置的磁路。任選地，磁路可包括本發明的多個磁性部件和磁通閉合結構裝置。磁通閉合結構裝置優選包括具有高磁導率和飽和磁通密度的軟磁材料，其中飽和磁通密度至少等於測試部件時的磁通密度。優選地，軟磁材料具有至少等於部件飽和磁通密度的飽和磁通密度。測試部件所沿的磁通方向通常限定了部件的第一和第二相對表面。磁通線沿著通常垂直於第一相對表面的平面的方向進入部件。磁通線通常沿著非晶態金屬條的平面，並從第二個相對面出來。磁通閉合結構裝置通常包括磁通閉合磁性部件，其優選根據本發明構造，但也可用本領域中已知的其它方法和材料製成。磁通閉合磁性部件還具有第一和第二相對表面，磁通線通過它們並通常垂直於它們各自的平面進入和出去。磁通閉合部件相對面具有與磁性部件各自面基本相同的大小和形狀，在實際測試過程中磁通閉合部件與磁性部件配合。磁通閉合磁性部件以配合關係放置，它的第一和第二面分別緊密靠近或基本靠近本發明磁性部件的第一和第二面。通過使電流通過環繞本發明磁性部件或磁通閉合磁性部件的第一繞組施加磁通勢。由環繞被測試磁性部件的第二繞組中感應的電壓通過Faraday法則確定得到的磁通密度。由磁通勢通過Ampère法則確定施加的磁場。然後由施加的磁場和得到的磁通密度通過常規方法計算鐵損。
參考圖4，圖示了進行上述測試方法中一種形式且不需要磁通閉合結構裝置的組件60。組件60包括四個本發明的弓形整體非晶態金屬磁性部件200。每個部件200都是圓弧角為90°的基本相同的垂直圓環形柱段，是有圖2B所示形式的弓形表面210。每個部件具有第一相對表面66a和第二相對表面66b。部件200處於配合關係以形成通常具有直圓柱體形狀的組件60。每個部件200的第一相對面66a位置靠近鄰近它的部件200的相應第一相對面66a並通常與它平行排列。部件200的四組靠近面因此限定出在組件60周圍等間距的四個間隙64。部件200的配合關係可通過帶62固定。組件60構成具有四個可導磁段(每個包括一個部件200)和四個間隙64的磁路。兩個銅線繞組(未示出)環繞穿過組件60。使合適大小的交流電通過第一繞組，以提供在所需頻率和峰值磁通密度下激勵組件60的磁通勢。得到的磁通線通常在條20的面內，指向切向。在第二繞組中感應出表示每個部件200內隨時間變化的磁通密度的電壓。由測得的電壓和電流值通過常規電子方法確定總鐵損，並相等地分配在四個部件200中。
提供下面的實施例以提供對本發明的更完整理解。為說明本發明的原理和實施而陳述的具體技術、條件、材料、比例和記錄數據是示例性的，不應認為限制本發明的範圍。
實施例1
非晶態金屬定子的製備和測試由約22μm厚的Fe80B11Si9非晶態金屬條通過光刻蝕刻方法切割反結構同步主軸電動機非晶態金屬定子用的疊片。每個疊片包括具有普通環形形狀的中心環形區域和多個從中心環形區域向外徑向延伸的齒，通常如圖3D所示。環形區域大約具有分別約9和11mm的內徑和外徑。在齒的外圍處測得的部件外徑為約25mm。在350-400℃的溫度下熱處理疊片0.5-3小時以增強它的軟磁性。然後堆疊約120個疊片形成高度為約4.2mm的普通圓柱結構。將堆浸漬在低粘度熱激活的環氧樹脂中，使其浸漬和滲透鄰近疊片之間的空間。使用的環氧樹脂為EpoxyliteTM8899，用丙酮按體積稀釋1∶5以獲得合適的粘度。將堆對齊固定在固定裝置中，並輕微壓縮至約4mm的高度以提高堆的堆積密度。然後將浸漬的堆暴露於約177℃的溫度大約2.5小時以激活和固化環氧樹脂溶液。冷卻後，從固定裝置中移去堆，並用3M ScotchCastTMElectrical Resin 5133電泳塗敷，形成適用於反結構同步電動機的定子。
通過附加上環繞中心環形區域的初級和次級電繞組測試定子的磁性。初級繞組用具有所需頻率和振幅的AC電流源激勵；由次級繞組上出現的感應電壓計算獲得的最大磁通密度，假定磁通完全在中心環形區域中被傳送，有效忽略齒在靠近它們的根中傳送的任何磁通。調整激勵以獲得規定頻率和磁通密度的一系列測試點。用Yokogawa 2532瓦特計測定鐵損。
表1描述了具有列出的頻率「f」和峰值感應水平「Bmax」值的一系列測試點的定子芯鐵損。使用上述近似法確定Bmax的值。這個實施方案中的定子芯在從DC直到2kHz的頻率範圍內有利地表現出低鐵損。特別地，在50Hz(0.05kHz)時的損耗在1.0T時為約0.21W/kg；400Hz(0.4kHz)時損耗在1.0T時為約1.6W/kg，在1.3T時為2.8W/kg；800Hz(0.8kHz)時損耗在1.0T時為約3.3W/kg，在1.3T時為5.7W/kg；和2000Hz(2kHz)時損耗在1.0T時為約9.5W/kg，在1.3T時為14.8W/kg。
使用形式L(Bmax，f)＝c1f(Bmax)n+c2fq(Bmax)m的函數利用非線性回歸方法表徵定子芯的損耗行為。係數c1和c2和指數n、m和q的合適值根據經驗確定。發現L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6函數描述了鐵損行為。也就是說，表1中列出的每個測試點(f，Bmax)處的鐵損測量值小於使用函數L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6計算的相應預測值，預測值列在表1的最後欄中。
獲得的低鐵損值使定子芯尤其適用於電子頻率可高至1-2kHz或更高的高旋轉速度電動機。
表1
實施例2用非晶態金屬和用常規非取向矽鋼構造的定子比較由公稱組成為Fe80B11Si9的公稱22μm厚的METGLAS SA-1非晶態金屬條構造非晶態金屬定子，並使用上面實施例1中所述的光刻、層壓和浸漬技術。使用由公稱350μm厚的常規非取向矽鋼衝壓的疊片構造具有相同整體尺寸和形狀的比較定子C350。這種鋼經常用於製造常規主軸電動機。使用公稱200μm厚的高等級常規非取向鋼構造具有相同幾何形狀的第二個對比定子C200。使用環繞各個定子中心環形部分的初級和次級繞組測試每個定子。在400和800Hz的激勵頻率和在一系列峰值感應Bmax的激勵水平下進行測試。用Yokogawa 2532瓦特計得到測量的鐵損數據。結果用圖5和6描繪，分別代表400和800Hz測試點。在圖5中，曲線600給出了作為峰值感應Bmax函數的本發明非晶態金屬定子的損耗行為，而曲線601和602代表C200和C350定子的損耗行為。在Bmax水平的寬範圍內，非晶態金屬定子的損耗低於定子350損耗的至少6倍。儘管比較定子C200的400Hz損耗為定子C350損耗的約60％，但它們仍大於本發明非晶態金屬定子損耗的約4倍以上。在800Hz時表現出類似有利的鐵損行為，如圖6所示，其中曲線650描述本發明非晶態金屬定子的性能，曲線651代表對比定子C200的行為。本發明定子對比較定子C200的相對鐵損優勢在800Hz時比在400Hz甚至更大，非晶態金屬定子的損耗為C200損耗的大約六分之一。
非晶態金屬定子低很多的鐵損有利於提高結合了根據本發明的定子的高速主軸電動機的電效率。
實施例3
納米晶合金矩形稜柱的製備通過光刻大約25mm寬和0.018mm厚的Fe73.5Cu1Nb3B9Si13.5非晶態金屬條製備反結構同步主軸電動機定子用的疊片。每個疊片包括具有普通環形形狀的中心環形區域和多個從中心環形區域向外徑向延伸的齒，通常如圖3D所示。環形區域大約具有分別約9和11mm的內徑和外徑。在齒的外圍處測得的部件外徑為約25mm。熱處理疊片以在非晶態金屬中形成納米晶微結構。通過進行以下步驟實現退火1)加熱零件直到580℃；2)在大約580℃的溫度下保持大約1小時；和3)冷卻零件到環境溫度。然後堆疊約160個熱處理的疊片形成高度為約4.2mm的普通圓柱結構，並浸漬在低粘度熱激活的環氧樹脂中，使其浸漬和滲透鄰近疊片之間的空間。使用的環氧樹脂為EpoxyliteTM8899，用丙酮按體積稀釋1∶5以獲得合適的粘度。將堆對齊固定在固定裝置中，並輕微壓縮至約4mm的高度以提高堆的堆積密度。然後將浸漬的堆暴露於約177℃的溫度大約2.5小時以激活和固化環氧樹脂溶液。冷卻後，從固定裝置中移去堆，並用3M ScotchCastTMElectrical Resin5133電泳塗敷，形成適用於反結構同步電動機的定子。
通過附加上環繞中心環形區域的初級和次級電繞組測試定子的磁性。初級繞組用具有所需頻率和振幅的AC電流源激勵；由次級繞組上出現的感應電壓計算獲得的最大磁通密度，假定磁通完全在中心環形區域中被傳送，有效忽略齒在靠近它們的根中傳送的任何磁通。調整激勵以獲得根據上述近似確定的規定頻率和磁通密度的所需測試點。用Yokogawa 2532瓦特計測定鐵損。
納米晶合金定子表現出低鐵損。特別地，在50Hz(0.05kHz)時的損耗在1.0T時為約0.21W/kg；400Hz(0.4kHz)時損耗在1.0T時為約1.6W/kg，在1.3T時為2.8W/kg；800Hz(0.8kHz)時損耗在1.0T時為約3.3W/kg，在1.3T時為5.7W/kg；和2000Hz(2kHz)時損耗在1.0T時為約9.5W/kg，在1.3T時為14.8W/kg。因此，定子能使它適用於高速高效電動機。
這樣就相當充分詳細地描述了本發明，應認識到，不需要嚴格遵守這種細節，而是本領域中技術人員可想起的各種變化和變更都落在附加權利要求限定的本發明範圍內。
權利要求
1.一種電動機，具有至少一個低損耗整體非晶態金屬磁性部件，該磁性部件包含用粘合劑層疊到一起形成多面體形狀零件的多個基本相似形狀的非晶態金屬條的層，所述低損耗整體非晶態金屬磁性部件在激勵頻率「f」下運轉至峰值感應水平Bmax時，具有小於約「L」的鐵損，其中L用式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6給出，鐵損、激勵頻率和峰值感應水平分別以瓦/千克、赫茲和特斯拉測得。
2.如權利要求1所述的電動機，所述非晶態金屬條的每一個都具有基本由式M70-85Y5-20Z0-20限定的組成，下標為原子百分數，其中「M」為Fe、Ni和Co中的至少一種，「Y」為B、C和P中的至少一種，「Z」為Si、Al和Ge中的至少一種；條件是(i)最高到10原子％的組分「M」可被金屬物種Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta和W中的至少一種取代，和(ii)最高到10原子％的組分(Y+Z)可被非金屬物種In、Sn、Sb和Pb中的至少一種取代。
3.如權利要求2所述的電動機，其中所述M組分基本為Fe，所述Y組分基本為B，所述Z組分基本為Si。
4.如權利要求2所述的電動機，其中所述鐵磁非晶態金屬條的每一個具有包含至少70原子％的Fe、至少5原子％的B和至少5原子％的Si的組成，條件是B和Si的總含量為至少15原子％。
5.如權利要求4所述的電動機，其中所述條中的每一個都具有基本由式Fe80B11Si9限定的組成。
6.如權利要求2所述的電動機，所述非晶態金屬條被熱處理以在其中形成納米晶微結構。
7.如權利要求6所述的電動機，其中所述非晶態金屬條中的每一個都具有基本由式Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw限定的組成，其中R為Ni和Co中的至少一種，T為Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一種，Q為Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一種，u從0到約10，x從約3到12，y從0到約4，z從約5到12，w從0到小於約8。
8.如權利要求6所述的電動機，其中所述非晶態金屬條中的每一個都具有基本由式Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw限定的組成，其中R為Ni和Co中的至少一種，T為Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一種，Q為Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一種，u從0到約10，x從約1到5，y從0到約3，z從約5到12，w從約8到18。
9.如權利要求1所述的電動機，其中所述整體非晶態金屬磁性部件構成所述電動機定子的至少一部分。
10.如權利要求1所述的電動機，其中所述整體非晶態金屬磁性部件構成所述電動機轉子的至少一部分。
11.如權利要求1所述的電動機，其中所述非晶態金屬磁性部件構成所述電動機的轉子和定子。
12.如權利要求1所述的電動機，其中所述整體非晶態金屬磁性部件在大約400Hz的頻率和大約1.3T的磁通密度下運轉時，具有小於或大致等於2.8瓦/千克非晶態金屬材料的鐵損。
13.如權利要求1所述的電動機，其中所述整體非晶態金屬磁性部件在大約800Hz的頻率和大約1.3T的磁通密度下運轉時，具有小於或大致等於2.8瓦/千克非晶態金屬材料的鐵損。
14.如權利要求1所述的電動機，其中所述整體非晶態金屬磁性部件在大約2000Hz的頻率和大約1.0T的磁通密度下運轉時，具有小於或大致等於9.5瓦/千克非晶態金屬材料的鐵損。
15.如權利要求9所述的電動機，所述電動機選自鼠籠式電動機、磁阻同步電動機和開關磁阻電動機。
16.如權利要求10所述的電動機，所述電動機選自可變磁阻電動機、渦流電動機、鼠籠式電動機、磁阻同步電動機和開關磁阻電動機。
17.如權利要求1所述的電動機，其中所述粘合劑包含選自單組分和雙組份環氧樹脂、清漆、厭氧粘合劑、氰基丙烯酸酯和室溫硫化(RTV)矽酮材料中的至少一種。
18.如權利要求17所述的電動機，所述部件用所述粘合劑浸漬。
19.如權利要求18所述的電動機，所述部件包括用於增強疊片粘合的浸漬劑流動增強裝置。
20.如權利要求17所述的電動機，所述粘合劑為低粘度環氧樹脂。
21.用於具有轉子和定子的電動機的至少一個低損耗整體非晶態金屬磁性部件包括用粘合劑層疊到一起形成多面體形狀零件的多個基本相似形狀的非晶態金屬條的層，所述低損耗整體非晶態金屬磁性部件在激勵頻率f下被激勵至峰值感應水平Bmax時，具有小於約「L」的鐵損，其中L用式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6給出，所述鐵損、所述激勵頻率和所述峰值感應水平分別以瓦/千克、赫茲和特斯拉測得。
22.如權利要求21所述的磁性部件，其中所述磁性部件構成所述定子的至少一部分。
23.如權利要求21所述的磁性部件，其中所述磁性部件構成所述轉子的至少一部分。
24.如權利要求21所述的磁性部件，其中所述鐵磁非晶態金屬條的每一個具有包含至少70原子％的Fe、至少5原子％的B和至少5原子％的Si的組成，條件是B和Si的總含量為至少15原子％。
25.如權利要求21所述的磁性部件，所述部件用所述粘合劑浸漬。
26.如權利要求25所述的磁性部件，所述粘合劑為低粘度環氧樹脂。
27.一種構造低鐵損整體非晶態金屬磁性部件的方法，包括步驟a)切割非晶態金屬條材料形成各自具有基本相同預定形狀的多個疊片；b)對齊堆疊所述疊片形成疊片堆；和c)用粘合劑粘結所述疊片堆；
28.如權利要求27所述的方法，還包括步驟a)精加工所述部件，以實現下面中的至少一種(i)從所述部件除去多餘的粘合劑；(ii)給予所述部件合適的表面光潔度；和(iii)除去材料以給予所述部件最終的部件尺寸。
29.如權利要求27所述的方法，還包括步驟a)對所述疊片退火以提高所述部件的磁性。
30.如權利要求29所述的方法，所述退火步驟在所述粘結步驟後進行。
31.如權利要求29所述的方法，所述退火步驟在所述粘結步驟前進行。
32.如權利要求27所述的方法，還包括步驟a)用絕緣塗層劑塗敷所述部件的至少一部分表面。
33.如權利要求27所述的方法，其中所述切割步驟包括光刻所述非晶態金屬條材料形成所述疊片。
34.如權利要求27所述的方法，其中所述切割步驟包括衝壓所述非晶態金屬條材料形成所述疊片。
35.如權利要求27所述的方法，其中所述粘結步驟包括浸漬所述疊片堆。
36.如權利要求27所述的方法，其中所述粘合劑包含選自單組分和雙組份環氧樹脂、清漆、厭氧膠粘劑、氰基丙烯酸酯和室溫硫化(RTV)矽酮材料中的至少一種。
37.如權利要求36所述的方法，其中所述粘合劑包括低粘度環氧樹脂。
38.如權利要求36所述的方法，其中所述粘合劑具有小於約1000cps的粘度。
39.如權利要求36所述的方法，其中所述粘合劑具有小於約10ppm的熱膨脹係數。
40.如權利要求38所述的方法，其中所述粘合劑具有小於約10ppm的熱膨脹係數。
41.根據權利要求27的方法構造的低鐵損整體非晶態金屬磁性部件。
42.如權利要求41所述的低鐵損整體非晶態金屬磁性部件，包括通過光刻切割的疊片。
43.如權利要求41所述的低鐵損整體非晶態金屬磁性部件，其中所述部件在激勵頻率「f」下運轉至峰值感應水平Bmax時，具有小於約「L」的鐵損，其中L用式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6給出，所述鐵損、所述激勵頻率和所述峰值感應水平分別以瓦/千克、赫茲和特斯拉測得。
44.權利要求20的方法，其中所述切割步驟包括利用砂輪、鋼絲鋸、放電加工工具機、噴水器、雷射器或光刻設備中至少一種。
全文摘要
高效電動機具有普通多面體形狀整體非晶態金屬磁性部件(10)，其中非晶態金屬條的多個層(20)被粘合地層疊到一起形成具有多面體形狀的普通三維零件。整體非晶態金屬磁性部件可包括弓形表面，並優選包括兩個彼此相對布置的弓形表面。磁性部件可在從約50Hz到約20000Hz的頻率下運轉。當電動機在激勵頻率「f」下運轉至峰值感應水平B
文檔編號H02K15/00GK1771643SQ200480009398
公開日2006年5月10日 申請日期2004年1月16日 優先權日2003年2月3日
發明者N·J·德克裡斯託法羅, G·E·費希, S·M·林德奎斯特, C·E·克羅格 申請人:梅特格拉斯公司