軟磁非晶電磁元件及其製作方法

2023-05-19 13:53:36 1

專利名稱：軟磁非晶電磁元件及其製作方法
技術領域：
本發明涉及電磁元件；更具體而言涉及指定用於電動機器或電感 裝置的電磁元件，以及該電磁元件的製造方法。
背景技術：
多極旋轉的電動機械或電動機器，例如發動機、發電機、再生發 動機、交流發電機、制動器和磁性軸承通常採用一個或多個電磁元件， 該電磁元件可包括稱為定子的靜止元件和稱為轉子的旋轉元件。通過 在電磁元件內產生旋轉的磁場圖案，該旋轉的磁場圖案致使轉子跟隨 該磁場圖案的旋轉，發動機由此旋轉。當頻率變化時，轉子的速度變 化。為了增大發動機的軸速度，輸入源的頻率必須增大。對於特定應 用，例如電力或混合動力的汽車，特別期望可高速工作且還具有高效 率的電力發動機。
旋轉電機內的轉子和定子的鄰近面被小的空氣隙分隔，連接轉子 和定子的磁通量通過該空氣隙。本領域技術人員將理解，旋轉電機可 包括多個機械連接的轉子和多個定子。實際上所有旋轉電機傳統上可 以分類為徑向或軸向空氣隙類型。在徑向空氣隙類型中，轉子和定子 徑向分隔且通過的磁通量被引導為主要垂至於轉子的旋轉軸。在軸向 空氣隙裝置中，轉子和定子軸向分隔且磁通量穿程主要平行於旋轉軸。
除了特定的專用類型之外，發動機和發電機通常採用一種或多種 類型的軟磁材料。"軟磁材料，，是指容易且高效地磁化和退磁的材料。在磁性材料每個磁化周期中不可避免地耗散的能量稱為磁滯損耗或鐵
損(core loss)。磁滯損耗的幅值為激勵幅值和頻率二者的函數。軟磁 材料還呈現高的磁導率和低的磁矯頑性。發動機和發電機還包括磁通 勢源，該磁通勢源可以由一個或多個永磁體來提供或者可以由被承載 電流的繞線包圍的附加軟磁材料來提供。"永磁體材料"也稱為"硬磁 材料"，是指具有高的磁矯頑性、強烈保持其磁化且抵抗被退磁的材料。 視電機類型而定，永磁材料和軟磁材料可以布置於轉子上或者定子上。 目前為止，目前生產的電動電機使用各種級別的鐵心矽鋼或發動 機鋼作為軟磁材料，這些鋼為Fe與一種或多種特別是包括Si、 P、 C 和A1的合金元素的合金。最通常的情況是，Si是主要的合金元素。盡 管 一般認為，具有由高級永磁體材料構成的轉子和芯由例如非晶金屬 的高級低損耗的軟材料製成的定子的發動機和發電機，與傳統徑向空 氣隙發動機和發電機相比具有能夠提供顯著更高的效率和功率密度的 潛能，但是在構建軸向或徑向空氣隙類型的這種電機方面，成功甚少。 將非晶材料結合到傳統徑向或軸向空氣隙電機的先前努力大部分未在 商業上成功。
電磁元件還廣泛用於例如變壓器和電感器的靜電感應裝置，這些 靜電感應裝置是許多現代電學和電子設備的基本元件。大多數這些裝 置採用包括軟鐵磁材料的芯和包圍該芯的一條或多條電學繞線。電感 器通常採用具有兩個端子的單一繞線，並用作濾波器和能量存儲裝置。 變壓器通常具有兩條以上繞線。變壓器將電壓從一個水平轉變到至少 一個其他期望水平，並電隔離整體電路的不同部分。可以獲得尺寸變
化大且功率容量相應變化的電感裝置。不同類型的電感裝置被優化， 用於工作於從DC到GHz的非常寬的頻率。實際上每種已知類型的軟 磁材料均被應用於電感裝置的構造。特定軟磁材料的選擇依賴於所需 的性能、材料以能夠有效地製造的形式的可獲得性、以及供應特定市 場所需的體積及成本的組合。 一般而言，期望的軟磁鐵磁芯材料具有 高的飽和感應Bsat以使芯尺寸最小化，並具有低的矯頑性Hc、高的磁 導率H和低的鐵損，以使效率最大化。
用於高頻電子裝置(包括靜止裝置和旋轉裝置)的電磁元件的構 造存在問題。採用鐵或鋼作為軟磁材料來集中和定形磁通量的元件被 非常普遍地使用。然而，在高頻，傳統的鐵或鋼元件不再適用。鐵或鋼元件的鐵損隨激勵頻率的增大而增大，降低了整體裝置效率。此外， 在非常高的激勵頻率，元件會變得極熱，無法通過任何合理可接受的 手段來冷卻，並會導致裝置故障。許多目前的電動電機必須工作於高 的旋轉速度並因此將受益於使用高的同步激勵頻率，其中高的同步激
勵頻率是指400Hz以上的頻率。
靜止裝置的要求經常更高，因為功率調節電子系統現在普遍採用 開關模式電路布局，其中可工作於1至200kHz頻率的變壓器和電感器 是基本的。在一些電路中，期望工作於高達lMHz以上。因此，渴求 令人滿意的元件及其製作方法。
例如電動機以及小尺寸到中等尺寸的電感器和變壓器的用於電學 和電子裝置的元件經常使用各種級別的磁性鋼的印模或衝孔的分層來 構造，這些磁性鋼是按照厚度小至100nm的片材來供應的。這些分層 通常被層疊和緊固，且隨後使用通常包括高導電率的銅或鋁引線的必 需的一條或多條電學繞線來纏繞。這些分層通常被應用於具有各種已 知形狀的芯。電動裝置元件通常形成有多個徑向取向的齒和鄰近的槽 以容納包圍該齒的相位繞線。
許多用於電感器和變壓器的形狀是由具有特定印刷體字母例如 "C"、 "U"、 "E，，和"T"的一般形式的組成元件裝配而成，經常由此 特定印刷體字母來標識該元件。裝配的形狀還可以用反映組成元件的 字母來表示，例如，"E-I"形狀是通過裝配"E"元件與"I"元件而 形成。其他廣泛使用的裝配形狀包括"E-E"、 "C-I"和"C-C"。這些 形狀的現有技術芯的組成元件已經由印模的傳統結晶鐵磁金屬的分層 片材以及加工的體軟鐵氧體塊構成。
高級磁性材料包括已知的非晶和納米晶體金屬合金以及優化的Fe 基結晶材料。具體而言，這些材料容易磁化和退磁，這意味著用這些 材料製成的電磁元件具有低的功率損耗、高頻下低的溫升、極快的磁 化以及容易將電能轉換為機械能。由這種金屬製成的電磁元件將產生 更小的鐵損，且能夠工作於高得多的頻率，使得裝置具有出色的效率 和功率密度。
然而，這些高級材料的特定物理性能使得傳統的製作技術變得困 難或不可能。非晶和納米晶體金屬合金通常被供應成具有均勻帶寬度 的薄的連續帶。然而，這些金屬實際上比所有傳統的金屬性的軟磁性合金更薄和更硬，使得傳統的對分層的印模或衝孔導致製作工具和模 具的過量磨損，引起迅速失效。所導致的加工和製造成本的增加使得 使用傳統技術來製作體磁性元件在商業上不實用。各種製造技術已經 被業界所嘗試，包括引線電學放電加工、電化學蠕變研磨、傳統電學 放電加工、切削、印模、酸蝕刻以及精密衝裁。由於包括成本有效、 製造可重複性、或者工藝周期時間的原因，沒有一種製造技術證明是 令人滿意的。非晶金屬的薄也轉變為形成給定截面和厚度的元件所需 的分層數目增加，進一步增加了非晶金屬磁性元件的總成本。用於成 型鐵氧體塊的加工技術也一般不適用於處理非晶金屬。
非晶和納米晶體金屬合金的性能經常通過退火處理來優化。然而， 退火通常使金屬變得非常脆，進一步使傳統製造工藝複雜。由於前述 困難，還未發現廣泛且容易用於形成包括矽鋼和其它類似金屬性片材
形式的FeNi-和FeCo-基晶體合金的傳統材料的成型分層的技術，適合 用於製造非晶和納米晶體金屬裝置和元件。
無法由軟的磁性帶製作複雜的三維形狀同時維持令人滿意的磁性 性能，這已經成為需要高效率和低損耗元件的電動和靜電應用的重要 阻礙。成本有效、最終用途功能以及高容量能力的、同時為最終用途 需要提供顯著的設計靈活性的生產方法是極為期望的。非晶金屬因此 還未在市場中被接受用於許多裝置；因此，通過實用高感應、低損耗 的材料，在原則上可以實現尺寸、重量和能量效率改進的巨大潛能。
對於例如飽和電抗器和某些扼流器的電子應用，非晶和納米晶體 金屬合金已經以螺旋纏繞的圓的環形芯的形式被採用。這種形式的裝 置可以購得，直徑通常在幾毫米至幾釐米的範圍內，且通常用於提供 高達幾百伏特-安培(VA)的開關模式電源。這種芯配置提供了完全 閉合的磁路，具有可忽略的退磁因子。然而，為了獲得期望的能量存 儲能力，許多電感器包括具有離散空氣隙的磁路。空氣隙的存在導致 不可忽略的退磁因子和關聯的形狀各向異性，這些在剪切的磁化(B-H) 迴路中體現。形狀各向異性會比可能的感應磁性各向異性高得多，成 比例地增加了能量存儲能力。具有離散空氣隙和傳統材料的環形芯已 被提出用於這種能量存儲應用。然而，有隙的環形幾何僅只能提供最 低的設計靈活性。通常裝置用戶難以或無法調整該隙以選擇剪切和能 量存儲的期望程度。此外，與用於分層芯的可比較的纏繞設備相比，將繞線應用到環形芯所需的設備更加複雜、昂貴、且難以操作。環形 幾何的芯經常無法用於高電流應用，這是因為額定電流指定的重的規 範引線無法彎折到纏繞環形所需的程度。此外，環形設計僅具有單一 磁路。結果，這種環形設計不是很適於且難以用於多相變壓器和電感 器，特別是包括常見的三相裝置。其它配置更易於製造且因此得到應 用。
此外，條纏繞的環形芯中固有的應力引起特定問題。纏繞必然將 條的外表面置於張力狀態且將條的內表面置於壓力狀態。為了保證平 滑纏繞所需的線性張力導致額外的應力。由於磁致伸縮，纏繞環形通 常呈現比在平坦條配置下測量的相同條的磁性能差的磁性能。退火一 般能夠釋放部分應力，因此僅消除一部分劣化。此外，在纏繞環形中 形成隙經常導致額外的問題。纏繞結構內任何殘餘的迴路應力至少部 分在形成隙時被除去。實踐中，淨迴路應力是無法預計的，可以是壓 應力或張應力。因此，實際隙趨於在相應情形下閉合或斷開無法預計 的量，以建立新的應力平衡。因此，最後的隙通常不同於所預定的隙， 缺乏矯正措施。由於芯的磁阻主要由隙決定，成品芯的磁性能在大量 生產過程中經常難以在一致的基礎上再現。
非晶金屬也已經用於更高功率裝置的變壓器，例如用於銘牌額定
值為10kVA至lMVA以上的電力電網的配電變壓器。這些變壓器的芯 經常形成為階梯接縫(step-lap)纏繞的通常矩形的配置。在一個常見 構造方法中，首先形成矩形的芯並退火。該芯隨後被解開帶子以允許 預成型件的繞線在芯的長腿上滑動。在結合預成型件的繞線之後，各 層被再次系上帶子並緊固。按照這種方式構造配電變壓器的典型工藝 描述於Ballard等的美國專利4,734,975。這種工藝可以理解地需要大量 勞力以及涉及脆退火的非晶金屬帶的操作步驟。對於小於10kVA的芯， 這些步驟尤其緩慢且難以實施。此外，在這種配置中，芯不容易可控 地引入空氣隙，而在許多電感器應用中需要該空氣隙。階梯接縫芯配 置也難以提供完全平衡的多相裝置，即，在每個相的端子獲得的電學 特性基本上相同的裝置。
因此，本領域仍需要允許製造高度緊湊、有效和可靠的電動機器 的元件製作方法。尤其期望充分利用了與低損耗材料相關聯的具體特 性，並因此消除了與傳統元件相關的許多缺點的方法。理想地，優點包括下述之一或多種軟磁材料的有效使用；改善的電學效率；以及 可靠、經濟和快速的大規模生產。

發明內容
本發明提供了一種電磁元件及其製造方法。 一般而言，該方法包 括步驟(i)形成軟磁性金屬帶，該軟軟磁性金屬帶基本上是由選自由 非晶和納米晶體金屬與優化的Fe基合金組成的組的材料組成；(ii)將 該預成型件容納在諸如銑削組件的容納裝置內，該容納裝置從所有側 面支撐該預成型件；以及(iii)將該預成型件銑削成電磁元件形狀。可 選地，粘合劑應用到該預成型件並固化。該粘合劑(如果存在)與該 容納裝置提供了機械支撐和完整性，使得該預成型件可耐受例如通過 使用水平銑床、垂直銑床、計算機數值控制(CNC)工具機或者任何其 它常用銑削設備進行銑削加工的機械應力。因此，可以形成複雜的三 維軟磁金屬形狀。
形成三維軟磁金屬形狀的能力使得軟磁金屬可以用於迄今為止軟 磁金屬帶的機械特性所被排除的各種應用。
元件優選地由低損耗的高頻材料製成。更優選地，元件是由非晶 金屬、納米晶體金屬、以及優化的晶粒定向或無晶粒定向的Fe基材料 製成。這些材料引入電學裝置可以使裝置的頻率增加高於400Hz，而 與傳統電機中呈現的大的增加相比，鐵損只有較小的增加，由此形成 一種能夠提供增加的功率的高效電子裝置。
電磁元件有益地應用於包括靜態和動態裝置的各種應用，例如電 感元件(電感器、變壓器等)以及用於線性和旋轉電動機械的轉子和 定子。


參考對本發明的優選實施例以及附圖的下述詳細說明，可以更全 面地理解本發明，且另外的優點將變得顯而易見，附圖中相同的參考
數字在多個試圖中總是表示相同的元件，附圖中
圖1為描述將軟磁金屬帶纏繞在內環上的透視圖； 圖2為描述用於本發明的實踐的內繞線的透視圖； 圖3為描述用於本發明的實踐的外繞線的透視圖；圖4為描述本發明的銑削組件的透視圖； 圖5為描述依據本發明的銑削組件的銑削的透視圖； 圖6A和6B分別為本發明的電磁元件的俯視圖和側視圖； 圖7為用於製備具有兩個共纏繞(co-wound)層的本發明的環形 預成型件的纏繞系統的示意圖8A為本發明的矩形稜柱預成型件的透視圖8B為由圖8A的預成型件製成的本發明的E形電磁元件的透視
圖9為本發明的電感裝置的透視圖IOA為依據本發明製造的圖IOA的軸向空氣隙定子的不完全透
視圖10B為依據本發明製造的軸向空氣隙定子的齒的不完全透視
圖IIA依據本發明製造的徑向空氣隙定子的平面圖；以及 圖IIB為描述依據本發明圖IIA的一部分徑向空氣隙定子的製造 的平面圖。
具體實施例方式
參考圖l,描述了本發明實施例，其中軟磁金屬帶IO被纏繞圍繞 內環14上的纏繞軸11。繞線機(winding machine )13包括進給輥(supply roll) 12，該進給輥12包括不確定長度的軟磁金屬帶10。內環14置於 線圈支撐板(winding plate) 16上。軟磁金屬帶10螺旋地纏繞在內環 14上，形成具有環形軸的軟磁金屬環形18。軟磁金屬環形18具有通 常由最內和最外帶層的表面形成的內側表面15和外側表面17。環形 18還具有通常由帶層的露出和對齊的邊緣形成的頂部19和底部21。
軟磁金屬帶IO可以使用各種水平和垂直軸機器及方法來纏繞。優 選地，與固有帶密度相比，將用作預成型件的一致的結實的環形將具 有至少85%的纏繞密度。雖然圖1示出了形成具有直圓柱體外殼的形 狀的軟磁金屬環形18，不過可以理解，可以形成具有與圓柱體形狀環 形18有顯著差別的其它期望的三維形狀。通過圍繞合適配置的心軸等 纏繞形式進行纏繞，可以形成各種期望的形狀。例如，帶可以纏繞圍 繞通常矩形的心軸，優選地具有四個圓角的心軸，以形成細長的類似跑道的環形配置。任一這些或其它類似形式可以提供用於後續工藝的 預成型件。
如此處所使用，術語"環形，，理解為具有多層的薄帶、螺旋纏繞 的、層迭層的任意結構，其中鄰近層的橫向邊緣基本上對齊。可以通
過纏繞單一延伸長度的帶來形成這種結構；也可以順序纏繞多個延伸 的長度。備選地，可以共纏繞多層的帶。例如，圖7通常在13，描述了 一種繞線機實施例，其中兩層10，、 IO"取自獨立的供片盤(su卯ly spool) 12，、 12"並共纏繞成環形18,但是可以理解，可以共纏繞其它數目的 層，例如，5層以上。供片盤12，、 12"和環形18的旋轉以及饋送方向 在圖7中用相應箭頭表示。用於製備用於實踐本方法的預成型件的該 纏繞系統可包括滾輪8，以及薄膜處理(web handling)工藝中公知的 其它驅動裝置，諸如導向器、張力控制器等。
在纏繞之後，軟磁金屬環形18可選地從線圈支撐板16移除。在 一種實施方式中，內環14附著到內容納帽20成為單一單元，而帶IO 被纏繞圍繞內環14。
粘合劑隨後以滲透軟磁金屬環形18的方式應用到軟磁帶環形18 或其它合適的預成型件。優選地，環形18內每層的至少約一半的表面 積被覆蓋以為結合的預成型件提供充分的完整性。內環14仍容納在軟 磁帶環形18內。合適的粘合劑為3M生產的Scotch Cast粘合劑，該粘 合劑為通常與溶劑混合的環氧樹脂粉末。按體積20%與丙酮混合被發 現是合適的。粘合劑通過環境氣氛浸泡(soak)工藝被應用到軟磁帶環 形18。軟磁帶環形18浸在粘合劑內直到粘合劑浸透各層。選擇粘合劑 的粘度和稀度以獲得足夠的結合。太高的粘度阻礙了充分的覆蓋和滲 透，而過量的稀度成本昂貴且在固化工藝時需要除去更多的溶劑，潛 在地增加成本，且必需採取環境可接受的回收措施。
備選地，粘合劑可以通過真空浸漬工藝被應用，其中軟磁帶環形 18浸在容納粘合劑的容器內。隨後抽空容器內的空氣，這增強了粘合 劑浸透軟磁帶環形18各層之間。還可以使用其它合適的應用工藝，例 如在纏繞工藝時，利用溼法噴補或幹法電解沉積工藝將粘合劑應用到 軟磁帶。可以使用備選的樹脂、環氧樹脂或粘合劑。可以使用不同商 標以及不同類型的樹脂、環氧樹脂或粘合劑。例如，合適的粘合劑制 劑可包括由環氧樹脂、清漆、厭氧粘合劑、氰丙烯酸酯以及室溫疏化(RTV)矽酮材料組成的粘合劑製劑。需要各種升高加熱固化溫度的 加熱固化環氧樹脂以及在室溫下固化的兩級環氧樹脂也是合適的。粘 合劑期望具有低粘度、低收縮、低彈性模量、高剝離強度、高工作溫 度能力、以及高介電強度。
在軟磁帶環形18充分被粘合劑浸透之後，軟磁帶環形18被排水。 一旦乾燥，軟磁帶環形18置於爐內進行固化。重要地，用於加熱固化 該粘合劑的溫度(如果需要)為用於熱處理軟磁金屬帶IO的溫度的分 數。優選分數為1/2，不過約1/4至3/4範圍內的分數也是令人滿意的。
在本工藝的另一方面，例如通過對浸透的環形或其它形式的前述 固化而形成的結合的預成型件被銑削，同時支撐在容納裝置內，該容 納裝置在加工過程中提供機械支撐和容納。
不受任何理論約束，認為在後續銑削或類似切削步驟中，通過在 帶表面和帶橫向邊緣上將帶支撐在該結合的預成型件內，破裂和表面 損傷的數量以及其它有害效應被最小化。與無外部支撐或者使用搖動
件相比，結果是成品元件的外觀和機械及磁性能有驚奇和出色的改進,
複雜形狀的元件，現有技術方法將導致帶層的無法接受水平的破裂、 切削或其它機械退化。在所有側面上的支撐尤其有益於處理非晶和納 米晶體金屬合金，這些非晶和納米晶體金屬合金經常脆性大於包括也 可用於實踐本發明的優化的Fe基合金的其它晶體合金。
如此處所使用，術語"在所有側面上的支撐"是指至少基本上覆 蓋靠近在銑削操作過程中材料被除去的一個或多個位置區域內的結合 的預成型件所有外表面的支撐。例如，在形成圖6所描述的環形定子 60時，重要的是，環形結合的預成型件的頂部、內表面及外表面應被 諸如圖4描述的銑削組件的容納裝置支撐。具體而言，這種配置下的 支撐從頂表面向下延伸到至少約最終槽深度的水平，且優選地基本上 在槽深度之下。更優選地，基本上所有頂表面、內表面及外表面被支 撐。更優選地，基本上所有頂表面、底表面、內表面和外表面被支撐， 如圖4所示的銑削組件結構40所提供的。
在其它實施方式中，本方法採用具有其它形狀的預成型件，該預 成型件在銑削過程中也必需被恰當地支撐。例如，圖8A描述矩形稜柱預成型件卯，其包括配準堆疊的金屬條的平坦層92。預成型件卯有 益地用於製備各種形狀，包括如圖8B所示的E形元件120。將理解， 為了從頂部94銑削堆疊的矩形稜柱預成型件90，支撐和約束必需至少 設於頂部94以及前表面和後表面96、 97，其中頂部94是由組成的堆 疊帶92的一個側面的整體邊緣界定，且前表面和後表面96、 97是由 最外帶層92的大的平坦表面定義。由帶片的配準端部定義的稜柱端部 98、 99上的支撐和約束是可選但優選的，特別是如果預成型件的端部 分將被使用而不是作為廢料拋棄。可選地，由帶表面定義的矩形稜柱 卯的側面96、 97上的支撐無需延伸過整個帶寬度向下到底部95，如 果指定的銑削操作提供從頂部94僅延伸到中途的槽，例如圖8B中E 形元件120的槽124。然而，在其它實施例中，銑削操作包括完全延伸 穿過預成型件的一個或多個切削。例如， 一個切削可以用於形成可用 作電感器芯的形成隙的環形。備選地， 一個或多個貫穿切削可用於從 預成型件分離一個或多個電磁元件。在任一情形下，需要支撐延伸過 基本上該預成型件的所有頂部、底部、內表面和外表面。覆蓋基本上 所有所需的表面，這防止了未被除去且標稱地保留作為部分最終電磁 元件的帶的過度脫層及其它劣化。
適用於銑削環形結合的預成型件的容納裝置的一種形式描述於圖 2至4，且包括內容納帽20和外容納帽30。圖2示出內容納帽20，其 為由從內容納帽底座24向上延伸的多個柱22組成的圓柱體。指 (finger ) 26以近似直角從柱22沿徑向向外延伸。指26在延伸遠離柱 22時寬度增大。指26布置成圓，形成環面28。柱22和指26形成多個 內容納帽溝槽29。內容納帽20的柱22置於內環14內部。柱22的高 度約等於軟磁金屬環形18的高度。軟磁金屬環形18的直徑約等於環 面28的直徑。
在將內容納帽置於軟磁金屬環形18內之後，圖3所示的外容納帽 30置為圍繞軟磁金屬環形18。外容納帽30通常是圓柱形的，具有底 座32。杆34從底座32向上延伸。在每條杆34的頂部上，凸片36向 內延伸。每條杆34的凸片36形成凸緣，用於將非晶金屬環形18緊固 在外容納帽30內。杆34和凸片36形成多個外容納帽溝槽38。
圖4所示的銑削組件40隨後被組裝。內容納帽20連同仍容納在 內環14內的軟磁金屬環形18被置於外容納帽30內。凸片36和指26對齊。銑削組件40將軟磁金屬環形18容納在環形幾何內。備選地， 軟磁金屬環形18可以在使用粘合劑處理之前置於外容納帽30和內容 納帽20內。可選地，銑削組件40的元件使用保持器(未示出)與容 納於其中的預成型件一起被緊固，該保持器可包括諸如一種或多種圍 繞環、螺栓、鉚釘、夾具、箍帶等的元件的任意組合。
在應用粘合劑並置於內環14、內容納帽20和外容納帽30的機械 約束內之後，軟磁金屬環形18具有足夠的結構完整性以承受銑削的應 力。在一些實施方式中，內環和外環之一或二者與容納帽一體形成。 如此處所使用，術語"帽，，是指至少具有通常平面的端面以及垂直於 該端面的彎曲圓周面的結構，帽的表面通常配置成與期望的預成型件 相匹配並提供對預成型件的支撐和容納。
銑削板44置於軟磁金屬環形18的底部上。銑削板44可以與線圈 支撐板16相同。
已用粘合劑處理的軟磁金屬環形18因此牢固地容納在一結構內， 允許軟磁金屬環形18被三維地銑削和形成。因此可以由軟磁帶環形18 構造複雜的形狀，允許由軟磁金屬環形18製作諸如電磁元件的結構。
儘管帽20和30示為單件，但可以理解，帽或在容納裝置中採用 的任何其它卡具可以設於通過合適保持器而一起被緊固的部位，以形 成合適的容納。例如，用於形成通常圓柱形電磁元件的容納裝置可包 括多個最初分離的部件，這些部件被恰當地連接以對著完整的圓柱形 圓周。也可以使用其它形式的容納裝置和技術來緊固容納裝置。帽或 其它卡具在其最初用於銑削之前也可以設為基本上實心結構，且可以 犧牲地用於單一形成操作。優選地，出於成本原因而重複使用帽或類 似卡具。帽或其它卡具可以由與磁性帶兼容且在所需使用溫度下提供 足夠機械強度的任何材料組成。此外，優選地，在加熱工藝中使用的 卡具具有與磁性材料的熱膨脹係數匹配足夠好的熱膨脹係數，以排除
產生有害的應力。優選的材料級別為300系列非磁性不鏽鋼。
在本方法的另一方面，在熱處理周期的至少一部分，磁場施加在
元件上。該磁場或者通過諸如衫-鈷或鋁鎳鈷永磁合金磁體的高溫永磁
體提供，或者由電磁體結構提供。這種磁場可選地通過使用容納裝置
中諸如軟鋼的磁性材料被導向。
如圖5所示，銑削組件40置於銑床50內。銑床50可以是水平銑床、垂直銑床、CNC工具機或者任意其它類型的銑床。然而，從圖5看 出，為了銑削環形預成型件，銑床50內的銑削機具52的旋轉軸優選 地基本上垂直於軟磁金屬環形18的環形軸。通過使銑削機具52的旋 轉軸垂直軟磁金屬環形18的纏繞軸，機具垂直於帶表面地衝擊帶，且 在軟磁金屬環形18內銑削的槽的深度和寬度可以被精細地控制。
銑床50在軟磁金屬環形18內切削槽或其它幾何結構。仍容納在 軟磁金屬環形18內的內環14作為軟磁金屬環形18內部邊緣的正機械 停止器。內環14與環氧樹脂粘合劑結合使得軟磁金屬帶10的條在加 工過程不會分離，由此產生清潔和精確的切削。在環形18或其它元件 結構內切削的槽通常被用於容納線圏繞線，或者使用螺杆、螺栓、鉚 釘、圓周箍帶等將該元件機械緊固在例如電動電機殼體或靜態電感裝 置內。
通過將旋轉軸布置為排外地垂直於纏繞軸，如圖5所示，在直圓 環形預成型件內形成的槽被徑向地導向，如圖6所描述。在一些實施 例中，旋轉軸可以備選地在水平或垂直平面內傾斜，以形成或者偏離 確切徑向取向或者具有偏離垂直性的側壁的槽，這對於某些應用是期 望的。
在軟磁金屬環形18銑削成電磁元件形狀之後，銑削組件40從銑 床50移除。銑削組件40隨後依據軟磁金屬帶IO製造商的建議按需要 被熱處理。某些軟磁帶材料需要熱處理以獲得期望的磁性能，而其它
工藝而形成的應力。例如，如果非晶金屬帶IO為Metglas⑧非晶合金， 則熱處理工藝可包括將銑床組件50置於真空爐內在695。F(370。C )約 60分鐘。熱處理可選地在施加磁場的情況下執行，以產生有益的感應 各向異性軸和最小化的損耗。通常還需要熱處理以在納米晶體材料內 引起重結晶，如下文所詳述。可以想到，在銑削過程中給定的合適的 機械容納，某些材料不需要進一步熱處理以獲得可接受的磁性能。
在任何熱處理之後，通過除去外容納帽30、內容納帽20及內環 14，以及所使用的任何保持器，由此分解銑削組件40。軟磁金屬環形 18因此製成為軟磁金屬電磁元件60，如圖6所示。
元件60特別可用作電動電機的定子芯，共同被轉讓的美國臨時申 請No.60/444，271( "，271申請")和美國專利申請No.10/769，094( "，094申請")提供了一種使用該定子的軸向空氣隙電動電機。每個前述申請 引用結合於此。
更具體而言，圖6以俯視圖(圖6A)和側視圖(圖6B)示出提 供整體結構的定子組件60的一部分，該整體結構包括從一般環形護鐵 (backiron)部63軸向懸垂的整體定子齒部65。鄰近齒部之間的槽空 間64被指定接收纏繞圍繞齒部65的定子線圏(未示出)。優選地，一 個或多個定子是由例如非晶金屬、納米晶體金屬或優化的Fe基合金的 低損耗材料形成。
本發明還提供一種結合一個或多個該電磁元件的電感裝置。該電 感裝置可具有至少一個空氣隙，但也可涉及具有多個空氣隙和多個磁 路的更複雜形狀，其中通過改變所選擇的芯配置內的空氣隙，該磁路 的磁阻是可調整的。
例如，可以使用圖9所描述的芯130形成多相電感器或變壓器。 芯130包括整體結構132，該整體結構132包括護鐵(backiron)部134 和多條腿136以及由帶纏繞環形138提供的磁通閉合磁軛。所描述的 實施例包括三條腿，且適用於三相裝置.可以使用與用於製作圖6所 示定子60相同的方法來製備該整體結構132。 一個相位繞線(未示出) 置為包圍每條腿136以形成多相電感器。變壓器當然將在每條腿上採 用繞線對。也可以通過將圖9所示類型的兩個通常相同的元件132對 齊，將其相應腿的遠端面按鄰接面對的關係布置，由此也可以形成電 感器或變壓器。在任一情形中，通過改變面對的腿之間的空氣隙或者 腿端部與磁扼138的平面側之間的空氣隙140，芯磁導率和電感是可以 調整的。任一電感裝置配置內的整體結構132的三條腿的對稱性期望 地導致基本上平衡的電學阻抗特性。當然，腿的數目為相位的期望數 目的任意整數倍的其它配置也是合適的。
在另外其它實施方式中，本方法用於構造通常多面體形狀的電磁 元件，該電磁元件可具有各種其它幾何形狀，包括但不限於矩形和方 形稜柱以及具有平面多邊形面的其它多面體。此外，任一前述幾何形 狀可包括至少一個弓形表面，且優選地兩個相對布置的弓形表面形成 通常弧形或弓形的電磁元件。在一些方面，本方法的銑削步驟包括至 少一次切入結合的預成型件，由此從該結合的預成型件形成並分離至 少一個電磁元件。本發明還提供這樣的元件，其中多面體形狀通常為圓柱形且可進 一步包括從通常圓形部沿徑向向內或向外延伸的多個齒。用於特定類 型電動機的完成的定子和轉子採用依據本發明的這種有齒的電磁元 件。這些定子和轉子可具有整體構造或者可以由多個部件形成，該多 個部件共同形成成品元件。備選地，定子與/或轉子可以是完全由本發
明電磁元件非晶金屬部件或者由一個或多個本發明電磁元件與其它磁 性材料的組合組成的複合結構。
例如，使用三個通常弓形元件以僅僅形成腿136，也可以提供具 有與圖9所描述相似配置的電感元件，由頂部和底部環形纏繞的類似 護鐵段的磁軛138提供磁通閉合。與纏繞環形護鐵部分配對的分別形 成的弓形齒部也可以用於製造與圖6所示類似的軸向空氣隙定子。該 布置更為有效地利用材料，因為被除去以形成圖6或9配置內的槽的 材料在銑削過程中通常作為廢料遺棄。另一方面，可以形成各個弓形 元件，而僅在窄的機具切口內損失少量的材料。結果，每個圓柱形預 成型件通常將提供額外的弧形齒。可以使用具有期望的內徑和外徑的 圓柱形環形預成型件來製成用於這些實施方式的齒。優選地，由內徑 和外徑基本上與護鐵部分相同的環形預成型件來製造這些齒，不過也
:這些齒。:具有:量^，5每個齒僅對著小圓;角的二些配置中，多 面體楔可以替換成弓形齒。可以由例如圖8A所示的開始的矩形稜柱預 成型件來製備該多面體楔形齒。
使用分別形成的齒也實現了附加的形狀靈活性。例如，如圖10A 所描述，使用離散的齒使得可以製造軸向空氣隙定子160，其中槽164 在與護鐵163的結附近的齒根部被加寬。楔形齒為繞線提供額外的空 間，將繞線移離工作空氣隙以減小導體渦流損耗，並減小齒尖內的磁 通水平。在圖IOB示出的實施方式中，可以交替地傾斜銑削機具用於 切削每個齒，由此可以從環形預成型件切削楔形齒161。也可以從矩形 預成型件切削這種齒。
前述配置中分離的齒和護鐵部分通過任意恰當的裝置緊固在一 起。例如，可以使用粘合劑、夾具、焊接或者本領域公知的其它方法 結合這些組成部件。包括由環氧樹脂、清漆、厭氧粘合劑、氰丙烯酸 酯以及室溫硫化(RTV)矽酮材料組成的粘合劑製劑，各種粘合劑製劑是合適的。粘合劑期望具有低粘度、低收縮、低彈性模量、高剝離 強度、高工作溫度能力、以及高介電強度。
圖11描述另一實施例，該實施例提供具有沿徑向向內突出的齒
104的徑向空氣隙定子100。所描述的實施方式提供互補的半圓形定子 部分102，這些半圓形定子部分102被組裝形成完整的定子100。通常 矩形預成型件110被提供，並通過一系列切削被銑削，該系列切削移 除材料以形成齒以及鄰近的齒與外部圓周之間的槽。移除區域112內 的材料形成齒104。區域114被銑削以形成槽106。在所描述的實施例 中， 一半的槽是通過移除區域116內的材料來形成。仔細加工可以最 小化由於部分102結合處的寄生空氣隙108所導致的退磁。在圖11A 所描述的實施例中，區域117內的材料被完全除去以為每個定子半部 102提供半圓形外圓周119。可選地，區域117內部分或所有的材料不 被移除。在這種實施方式中，在護鐵區域118內獲得低的磁通密度。 在其它實施方式中，按類似的方式製備兩個以上的定子部分，每個定 子部分提供完整圓周所必需的部件。
圖1的環形預成型件容易且方便被纏繞，且有效利用材料。因此， 優選用於製造某些類型的電磁元件，例如前述的定子和電感器。然而， 其它預成型件形狀也是可用的，包括圖8A的矩形預成型件。另外其它 預成型件幾何形狀可包括彎折形成弧形形狀、"C"形狀等的多條帶。
依據本發明構造的通常多面體形狀電磁元件可具有各種幾何形 狀，包括矩形、方形、梯形稜柱等。此外，任意前述幾何形狀可包括 至少一個弓形表面，且優選地兩個相對布置的弓形表面，以形成通常 弧形或弓形的電磁元件。
本發明的電感裝置優選地由組成的多面體形狀的元件組裝而成， 該多面體形狀的元件的整體形狀優選地通常類似於，被標識的諸如 "C"、 "U"、 "E"和"I"的特定印刷體字母的形狀。使用前述方法通 過加工矩形稜柱預成型件可方便地製備這些形狀。圖8B描述由矩形稜 柱預成型件生產的"E"元件。
通過使用緊固裝置按鄰近關係緊固這些元件，由此形成至少一個 磁路，如此組裝該電感裝置。該緊固裝置可包括粘合劑附著、加緊、 箍緊、焊接或其它方法。在前述配置中，每個元件內的磁性金屬條的 層基本上位於平行的平面內。每個元件具有至少兩個配對面，該至少兩個配對面設為接近並平行其它元件上的相同數目的互補配對面。例
如C、 U和E形狀的某些形狀終止於通常基本上共平面的配對面。I(或 矩形稜柱)形狀在其對立端部具有兩個平行的配對面或者在其長的側 面上具有一個或多個配對面。優選地，配對面垂直於元件內組成的帶 的平面以最小化鐵損。本發明的某些實施例進一步包括體磁性元件， 其具有相對於元件特徵的細長方向斜接的配對面。
本方法還可用於生產用於線性發動機或致動器的元件。優選的配 置包括從延伸的護鐵部分通常垂直地懸垂的一系列齒。這種形式類似 於圖8B的E元件120，且具有附加的齒122和槽124並可用類似技術 來製備。
低損耗磁性材料
該元件優選地包括選自由非晶和納米晶體金屬及優選的Fe基合 金組成的組的至少一種材料的帶的層壓層，該元件使得可以構造可工 作於比典型線頻率高得多的頻率的裝置。例如，與傳統電機中看到的 鐵損的無法接受的大的增加相比，電動電機可工作於高達400Hz以上 的同步激勵頻率，鐵損僅有較小的增加。在這些元件中(尤其是在定 子芯中)使用低損耗材料因此可以開發出高頻、高極計數的電子裝置， 其能夠提供增加的功率密度和改善的效率而無過量的熱學退化。優選 地，定子組件包括由選自非晶、納米晶體或優化的Fe基合金組成的組 的至少一種材料組成的層壓層。
非晶金屬
非晶金屬存在可適用於本元件的許多不同組分。金屬性玻璃通常 由必需組分的合金熔體形成，其例如通過以至少106°C/s的速率冷卻從 該熔體快速淬火。金屬性玻璃不再呈現原子長程有序且具有僅顯示漫 射暈的X射線衍射圖案，類似於無機氧化物玻璃觀察到的X射線衍射 圖案。具有合適磁性能的許多組分描述於Chen等的美國專利No. RE32，925。非晶金屬通常以寬度為20cm以上的拉伸長度薄帶(例如， 厚度至多約50ym)的形式被供應。可用於形成不確定長度的金屬性 玻璃條的工藝披露於Narasimhan的美國專利No.4，142，571。適用於本 發明的示例性非晶金屬材料為由Metglas，Inc.，Conway，SC所售的 METGLAS 2605 SA1，其形式為長度不確定、寬最多約20cm且厚 20-25 p m 的 帶 ( 見http:〃www.metglas.com/products/page5_l_2_4.htm )。 也可以使用具有
所需性能的其它非晶材料。
非晶材料的許多特性在製造和使用磁性元件時必需考慮。不像大 多數軟磁材料，非晶金屬(也稱為金屬性玻璃)硬且脆，特別是在通 常用於優化其軟磁性能的熱處理之後。結果，通常用於處理傳統軟磁 材料的許多機械操作在非晶金屬上難以或無法實施。印模、衝孔、或 者切削原制(as-produced)材料通常導致無法接受的機具磨損且對於 脆的熱處理過的材料實際上是不可能的。經常在傳統的鋼上進行的傳 統鑽孔和焊接也通常被排除。
非晶金屬還呈現比特定傳統材料高的磁致伸縮係數。具有較低磁 致伸縮係數的材料在磁場影響下經歷更小的尺度變化，這反過來可能 減小來自電機的聽覺噪聲，並使該材料在加工製作或操作過程中更易 出現由於應力引起的其磁性能的退化。
儘管存在這些挑戰，本發明的一方面提供了成功結合了高級軟磁 材料並實現高頻激勵的裝置工作的元件，該高頻激勵例如指高於約 400Hz的激勵頻率。還提供了用於製作該裝置的構造技術。
非晶金屬在高頻呈現低得多的磁滯損耗，這導致低得多的鐵損。 與Si-Fe合金相比，非晶金屬具有低得多的電導率，且通常比經常厚 200Mm以上的常用Si-Fe合金薄很多。這兩種特性都促進更低的渦流 鐵損。本製作技術成功地提供了受益於一個或多個這些有益屬性且由 此高效地工作於高頻的元件，其使用了可以開發非晶金屬的有利性質 例如更低鐵損的配置，同時避免了使用高級材料的先前嘗試中所面對 的挑戰。
納米晶體金屬
納米晶體材料為平均晶粒尺寸約100納米以下的多晶材料。與傳 統粗晶粒金屬相比，納米晶體金屬的屬性一般包括增加的強度和硬度、 增強的擴散性、改進的延展性和韌性、減小的密度、減小的模量、更 高的電學阻抗、增大的比熱、更高的熱膨脹係數、更低的熱導率、以 及優異的軟磁性能。納米晶體金屬還具有一般略高於大多數Fe基非晶 金屬的飽和感應。
納米晶體金屬可以通過多種技術形成。 一種優選方法包括，最初璃帶，以及將該帶形成為例如纏繞形狀的期望配置。隨後，初始非晶 材料被熱處理以在其中形成納米晶體微結構。該微結構特徵在於，存
在高密度的平均尺寸小於約100nm，優選小於約50nm，且更優選約 10-20nm的晶粒。這些晶粒優選地佔據該鐵基合金至少50%的體積。 這些優選材料具有低的鐵損和低的磁致伸縮。後一種性能還使該材料 較不易由於包括該元件的裝置的製作與/或操作所致應力引起的磁性能 退化。與設計成在其中保持基本上完全玻璃狀微結構的熱處理相比， 在給定合金內製作該納米晶結構所需的熱處理必需在更高溫度執行或 者執行更長時間。優選地，該納米晶體金屬為鐵基材料。然而，該納 米晶體金屬也可以是基於或者包括其它鐵磁材料，例如鈷或鎳。此外， 納米晶體材料通常甚至比退火的非晶金屬更脆，使其更難以印模。
適用於構造用於本裝置的磁性元件的代表性納米晶體合金是已知 的，例如Yoshizawa的美國專利No.4，881，989和Suzuki等的美國專利 No.5，935，347中列出的合金。這些材料可以從Hitachi Metals, Vacuumschmelze GmbH和Alps Electric購得。具有低損耗性能的示例 性納米晶體金屬為Hitachi Finemet FT-3M。具有低損耗性能的另一示 例性納米晶體金屬為Vacuumschmelze Vitroperm 500 Z。
優化的Fe基合金
本元件還可以用優化的低損耗的Fe基晶體合金材料來構造。如此 處使用，術語"優化的Fe基合金"泛指晶粒定向和無晶粒定向的Fe 基材料，其鐵損低於傳統上用於電動電機的晶體Fe基發動機和電學鋼 材料，且其經常具有比非晶或納米晶體材料高的飽和感應。優選地， 這種材料呈厚度小於約125nm的條的形式，遠薄於傳統上用於電動電 機和其它電感裝置的鋼，這種鋼厚度為200ym以上且有時高達400p m以上。如此處所使用，定向的材料是指組成的晶體晶粒的主要晶軸 不是隨機取向的，而是主要與一個或多個優選方向相關聯。前述微結 構的結果為，定向的條材料對沿不同方向的磁激勵作出不同響應，而 無定向材料各向同性地響應，即，對於在條的平面內沿任意方向的激 勵基本上作出相同的響應。晶粒定向材料優選地按照其易磁化方向基 本上與磁通量的主要方向一致的方式布置於本電機中。
如此處所使用，傳統的Si-Fe是指矽重量含量約3.5%以下的矽-鐵合金。矽的3.5重量％限制是由業界強加的，這是因為矽含量更高的Si-Fe合金的不良金屬加工材料性能。由於工作於頻率大於約400Hz的 磁場而得到的傳統Si-Fe合金級別的鐵損顯著高於低損耗材料的鐵損。 例如，在工作於此處所教導的頻率和通量水平的電機中遇到的頻率和 通量水平下，傳統Si-Fe的損耗在某些情形下可高達IO倍於合適的非 晶金屬的損耗。結果，在許多實施例中，在高頻工作下的傳統材料將 加熱到傳統裝置無法通過任何可接受手段來冷卻的溫度。然而，某些 級別的矽-鐵合金，這裡稱為優化的Si-Fe,可直接應用於生產高頻裝置。
可用於實踐本發明的優化的Fe基合金包括包含按重量大於3.5% 的矽，且優選地大於4%的矽-鐵合金級別。用於構造依據本發明裝置 的無晶粒定向的Fe基材料優選地基本上由Fe與數量範圍在約4至7.5 重量％ Si組成，這些優選的合金包含的Si多於傳統Si-Fe合金。也可 以使用諸如Sendust的Fe-Si-Al合金。
更優選的無定向的優化合金具有基本上由Fe與約6.5±1重量。/。 Si 組成的組分。最優選地，具有約6.5% Si的合金呈現接近零的飽和磁 致伸縮，使其不易遭受由於在包含該材料的裝置的構造或操作過程中 遇到的應力所致的有害磁性能退化。
優化的目的是獲得具有改善的磁性能，包括減小的磁致伸縮且特 別是低鐵損的合金。這些有益的性質可以在由合適製作方法製成的具 有增加矽含量的特定合金中獲得。在某些情況下，這些優化的Si-Fe合 金級別特徵在於與非晶金屬相似的鐵損和磁飽和。然而，包含多於約4 原子％ Si的合金由於其短程有序所致的脆性而難以通過傳統手段來 生產。具體而言，用於製作傳統Si-Fe的傳統滾軋技術通常無法製作優 化的Si-Fe。然而，其它已知技術可用於製作優化的Si-Fe。
例如， 一種合適形式的Fe-6.5Si合金是由日本東京的JFE Steel Corporation, ( 另 見
http:〃www.jfe-steel.co.jp/en/products/electrical/supercore/iiidex.html ) 以50和100nm厚的磁條被供應。也可以使用通過如Das等的美國專利 No.4，865，657和Tsuya等的美國專利No.4，265，682所披露的快速固化加 工生產的Fe-6.5%Si。快速固化加工也已知被用於製備Sendust和相關 的Fe-Si-Al合金。
優選的軟磁材料的損耗性能
對優選用於本元件材料內的改進損耗的主要貢獻因素是源於顯著減小的磁滯損耗。如本領域已知，磁滯損耗源於在所有軟磁材料的磁 化過程中受阻礙的疇壁運動。傳統使用的磁性材料，例如傳統的晶粒
定向的Si-Fe合金和無定向的發電機和電學鋼中的這些損耗通常高於 優選用於本元件的改進材料的損耗。高損耗反過來會導致芯的過熱。 更具體而言，發現軟磁材料的鐵損一般可以使用下述修正的
Steinmetz方程來表達
丄="./.萬6+0/「萬6 (1)
其中-.
L為損耗，單位為W/kg， f為頻率，單位為kHz,
B為峰值磁通量密度，單位為特斯拉(Tesla),以及 a、 b、 c、 d和e均為任一具體軟磁材料所特有的經驗損耗係數。 每個上述損耗係數a、 b、 c、 d和e—般可以從給定軟磁材料的制 造商獲得。特徵為鐵損小於"L"的低鐵損磁性材料特別優選用於本發 明定子結構，L由方程(1)的形式給出，其中乙=12/.萬15 +30./23.萬23。 使用高得多的激勵頻率的能力使得由本發明元件構造的電動電機 可以設計成具有更寬範圍的可能極計數。本發明裝置內的極數目是基 於可允許的電機尺寸(物理約束)以及預期的性能範圍的變量。受到 可允許的激勵頻率限制，極數目可被增加直至磁通洩漏增加到不期望 的值或者性能開始下降。
已經相當全面地描述了本發明，應當理解的是，這些細節無需嚴 格限制於此，各種變化和改進對於本領域技術人員是不言自明的。例 如，使用冠詞"一"、"一個"、"該"或"所述，，的單數形式來引用元 件不應理解為將該元件限制於單數形式。因此，這些改進旨在被權利 要求所定義的本發明範圍所涵蓋。
權利要求
1.一種製造軟磁金屬電磁元件的方法，包括步驟將具有邊緣的軟磁金屬帶形成為包括該軟磁金屬帶的多個堆疊或纏繞層的預成型件，該邊緣配準且該軟磁金屬帶基本上由選自由非晶和納米晶體金屬以及優化的Fe基合金組成的組的材料組成；將該預成型件容納在容納裝置內，該容納裝置在所有側面上支撐該預成型件；以及將容納在該容納裝置內的該預成型件銑削成電磁元件形狀。
2. 如權利要求l所述的方法，還包括熱處理該預成型件的步驟。
3. 如權利要求2所述的方法，其中該熱處理步驟在該銑削步驟後執行。
4. 如權利要求2所述的方法，其中該熱處理步驟在施加磁場的情況 下執行。
5. 如權利要求l所述的方法，其中該軟磁金屬帶基本上由選自由非 晶和納米晶體金屬組成的組的材料組成。
6. 如權利要求l所述的方法，其中該預成型件包括纏繞成環形的該 軟磁帶的層，該環形具有環形軸以及內側面、外側面、頂部和底部。
7. 如權利要求l所述的方法，其中該預成型件包括堆疊形成矩形稜 柱的該軟磁帶的層。
8. 如權利要求l所述的方法，其中該銑削步驟包括至少一次切入該 預成型件。
9. 如權利要求l所述的方法，其中將該預成型件容納在容納裝置內 的步驟還包括步驟將粘合劑應用於該預成型件；以及 固化該粘合劑以形成結合的預成型件。
10. 如權利要求9所述的方法，其中固化該粘合劑的步驟是在熱固 化溫度下執行，且該方法還包括在熱處理溫度下將該電磁元件形狀熱處 理成電磁元件的步驟，該熱固化溫度低於該熱處理溫度。
11. 如權利要求10所述的方法，其中該熱固化溫度為該熱處理溫度 的約1/4至3/4的分數。
12. 如權利要求6所述的方法，其中該環形為具有圓柱形環形軸的 直圓柱體，且將該預成型件銑削成電磁元件形狀的步驟包括使用繞基本上垂至於該圃柱形環形軸的軸旋轉的切削工具來銑削該環形。
13. 如權利要求l所述的方法，其中該容納裝置包括銑削組件。
14. 一種依據權利要求1的方法製作的電磁元件，該電磁元件工作 於激勵頻率"f'到峰值電感水平"Bmax"時具有小於"L"的鐵損，其中 L由式丄=12./』1 5 +30./23 ￡23給出，該鐵損、激勵頻率和峰值電感水平分 別按瓦特每千克、千赫茲和特斯拉被測量。
15. —種製造軟磁金屬電磁元件的方法，包括步驟 將具有邊緣的軟磁金屬帶形成為包括該軟磁金屬帶的多個堆疊或纏繞層的預成型件，該邊緣配準；將該預成型件容納在銑削組件內； 將粘合劑應用於該預成型件； 固化該粘合劑以形成結合的預成型件；以及熱處理該結合的預成型件。
16. 如權利要求15所述的方法，其中該軟磁帶基本上由選自由非晶 和納米晶體金屬以及優化的Fe基合金組成的組的材料組成。
17. 如權利要求16所述的方法，其中該軟磁帶基本上由選自由非晶 和納米晶體金屬組成的組的材料組成。
18. 如權利要求15所述的方法，其中該熱處理步驟在該銑削步驟後 執行。
19. 如權利要求15所述的方法，其中該熱處理步驟在施加磁場的情 況下執行。
20. 如權利要求15所述的方法，其中該預成型件包括纏繞成具有環 形軸的環形形狀的該軟磁帶的層。
21. 如權利要求20所述的方法，其中該環形具有直圓柱體的形狀， 該直圓柱體具有內側面、外側面、頂部和底部。
22. 如權利要求21所述的方法，其中將該預成型件容納在銑削組件 內的步驟包括放置內環，圓周圍繞該內側面的至少一部分。
23. 如權利要求21所述的方法，其中將該預成型件容納在銑削組件 內的步驟包4舌放置外環，圓周圍繞該外側面的至少一部分。
24. 如權利要求21所述的方法，其中將該預成型件容納在銑削組件內的步驟包括放置帽於該頂部的至少一部分上。
25. 如權利要求21所述的方法，其中將該預成型件容納在銑削組件 內的步驟包括步驟放置內環，圓周圍繞該內側面的至少一部分； 放置外環，圓周圍繞該外側面的至少一部分；以及 放置至少一個帽於該頂部的至少一部分上。
26. 如權利要求22所述的方法，其中該內環置為基本上圍繞所有該 內側面。
27. 如權利要求23所述的方法，其中該外環置為基本上圍繞所有該 夕卜側面。
28. 如權利要求24所述的方法，其中該帽置為基本上位於所有該頂 部上。
29. 如權利要求25所述的方法，包括放置保持器以將該結合的預成 型件緊固在該銑削組件內的步驟。
30. 如權利要求15所述的方法，包括在該銑削組件內提供銑削凹槽 的步驟，且將該預成型件銑削成電磁元件形狀的步驟包括銑削貫穿該銑 削凹槽。
31. 如權利要求20所述的方法，其中將該結合的預成型件銑削成電 磁元件形狀的步驟包括，使用繞基本上垂至於該環形軸的軸旋轉的切削 工具來銑削該結合的預成型件。
32. 如權利要求20所述的方法，其中將該預成型件銑削成電磁元件 形狀的步驟包括，使用繞垂至於該環形軸的軸旋轉的切削工具來銑削該 環形。
33. 如權利要求15所述的方法，其中該銑削組件由非磁性不鏽鋼組成。
34. 如權利要求15所述的方法，其中該銑削組件被犧牲。
35. 如權利要求15所述的方法，其中該銑削步驟包括在該電磁元件 中形成至少一個槽。
36. 如權利要求15所述的方法，其中該銑削步驟包括至少一次切入 該結合的預成型件。
37. 如權利要求36所述的方法，其中通過至少一次切入來從該結合 的預成型件分離該電磁元件。
38. —種依據權利要求15的方法製作的電磁元件，其中該電磁元件 工作於激勵頻率"f，到峰值電感水平"Bmax"時具有小於"L"的鐵損， 其中L由式￡ = 12./^15 +30./23 ^23給出，該鐵損、激勵頻率和峰值電感水 平分別按瓦特每千克、千赫茲和特斯拉被測量。
39. —種包括如權利要求38所述的電磁元件的電動電機。
40. —種包括如權利要求38所述的電磁元件的電感裝置。
41. 一種製造軟磁金屬電磁元件的方法，包括步驟 將軟磁金屬帶圍繞纏繞軸纏繞成環形，該環形具有內側面、外側面、頂部和底部；放置內環於該內側面上；放置內容納帽於該頂部和內側面上；放置外容納帽於該頂部和外側面上；圍繞該外容納帽放置保持器；將粘合劑應用於該環形；固化該粘合劑；在該環形置於該內容納帽和外容納帽內時，將該環形銑削成電磁元 件形狀；將磁場應用於該環形；以及 將該電磁元件形狀熱處理成電磁元件。
42. 如權利要求41所述的方法，其中該內容納帽具有多個內容納帽 槽且該外容納帽具有多個外容納帽槽，且將該環形銑削成電磁元件形狀 的步驟包括銑削穿過該內容納帽槽和該外容納帽槽。
43. 如權利要求41所述的方法，其中使用繞基本上垂至於該纏繞軸 的軸旋轉的切削工具來進行將該環形銑削成電磁元件形狀的步驟。
44. 如權利要求41所述的方法，其中使用繞相對於該纏繞軸傾斜的 軸旋轉的切削工具來進行將該環形銑削成電磁元件形狀的步驟。
45. 如權利要求41所述的方法，其中該熱處理步驟在該銑削步驟之 後執行。
46. —種依據權利要求41的方法製作的電磁元件，其中該電磁元件 工作於激勵頻率"r到峰值電感水平"Bmax"時具有小於"L"的鐵損，其中L由式￡ = 12./萬15 +30./23.523給出，該鐵損、激勵頻率和峰值電感水 平分別按瓦特每千克、千赫茲和特斯拉被測量。
全文摘要
一種電磁元件由包括軟磁金屬帶的層的預成型件形成。應用粘合劑以滲透該預成型件並隨後被固化。該結合的預成型件置於銑削組件內，該銑削組件在用於將該預成型件加工成電磁元件形狀的銑削操作中支撐和約束該軟磁金屬帶層。可選地，該形狀被熱處理。得到的電磁元件具有包括低鐵損的吸引人的軟磁性能，這些軟磁性能使得該電磁元件可用作能夠工作於高的激勵頻率的電動機和發電機以及靜電電感裝置內的元件。
文檔編號H01F41/02GK101288135SQ200680032103
公開日2008年10月15日 申請日期2006年6月30日 優先權日2005年6月30日
發明者A·D·希爾策爾, K·S·佩奇, T·J·伯沃爾德 申請人:萊特工程公司