專利名稱：塊狀沖壓的非晶體金屬磁元件的制作方法
背景技術(shù)：
1.本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種非晶體金屬磁元件；更具體地說，涉及一種基本上是三維的塊狀沖壓的非晶體金屬磁元件，其用于大的電子裝置，例如磁諧振成像系統(tǒng)，電視和視頻系統(tǒng)，以及電子和離子束系統(tǒng)。
2.現(xiàn)有技術(shù)的說明磁諧振成像(MRI)已經(jīng)成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的一種重要的、非侵入的診斷工具。MRI系統(tǒng)一般包括磁場產(chǎn)生裝置。許多這種磁場產(chǎn)生裝置使用永磁體或者電磁體作為磁動(dòng)勢源。通常磁場產(chǎn)生裝置還包括一對(duì)磁極面，所述磁極面限定一個(gè)間隙，在所述間隙內(nèi)具有要被成像的體積。
美國專利4672346披露了一種極面，其具有實(shí)心結(jié)構(gòu)，并且包括由磁材料例如碳鋼制成的板狀塊。美國專利4818966教導(dǎo)，由磁場產(chǎn)生裝置的極片產(chǎn)生的磁通可以通過利用層疊的磁板制成極片的周邊部分來集中在所述間隙中。美國專利4827235披露了一種極片，其具有大的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、軟的磁性和20μΩ-cm或更高的電阻率。該專利教導(dǎo)使用的軟磁材料包括坡莫合金、硅鋼、非晶體磁合金、鐵氧體以及磁合成材料。
美國專利5124651披露了一種具有一次磁場磁體裝置的核磁諧振掃描儀。所述磁體裝置包括上下鐵磁極片。每個(gè)極片包括多個(gè)窄的、細(xì)長的鐵磁棒，它們和平行于各個(gè)極片的磁極方向的它們的長軸對(duì)齊。所述磁棒由導(dǎo)磁合金例如1008鋼、軟鐵或其類似物制成。利用不導(dǎo)電的介質(zhì)對(duì)所述磁棒沿橫向進(jìn)行電氣隔離，從而限制在所述磁場裝置的磁極的極面的平面中產(chǎn)生渦流。Sakurai等人的1994，2，1公告的美國專利5283544披露了一種用于MRI的磁場產(chǎn)生裝置。該裝置包括一對(duì)磁極片，其可以由多個(gè)通過層疊許多無定向硅鋼板構(gòu)成的塊狀的磁極片元件構(gòu)成。
盡管上述的專利具有許多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)有技術(shù)中仍然需要改進(jìn)的磁極片。這是因?yàn)檫@些磁極片對(duì)于改進(jìn)MRI系統(tǒng)的成像能力和成像質(zhì)量是重要的。
雖然和非定向電工鋼相比非晶體金屬提供了優(yōu)異的磁性能，但是長期來一直認(rèn)為它們不適用于塊狀磁元件，例如用于MRI系統(tǒng)的極面磁體的瓦片，這是由于非晶體金屬的某些物理性能和相應(yīng)的制造限制所致。例如，非晶體金屬比非定向硅鋼薄而硬，因而常規(guī)的切割和沖壓處理導(dǎo)致制造工具和模具的較快的磨損。導(dǎo)致的工具成本和制造成本增加使得利用這種技術(shù)制造塊狀非晶體金屬磁元件在商業(yè)上是不實(shí)際的。非晶體金屬的薄的厚度也使得在裝配的元件中的疊層的數(shù)量增加，這進(jìn)一步增加了非晶體金屬磁元件的成本。
非晶體金屬一般以具有均勻?qū)挾鹊谋〉倪B續(xù)帶提供。不過，非晶體金屬是非常硬的材料，這使得其非常難于切割和成形，并且一旦退火而達(dá)到峰值磁性能之后，便變得非常脆。這使得利用常規(guī)的方法構(gòu)成塊狀非晶體金屬磁元件困難而昂貴。非晶體金屬的脆性還引起例如在MRI系統(tǒng)的應(yīng)用中的塊狀非晶體金屬磁元件的耐用性的擔(dān)心。
塊狀非晶體金屬磁元件的另一個(gè)問題是，當(dāng)非晶體金屬材料受到物理應(yīng)力時(shí)，其導(dǎo)磁率被減小。這個(gè)減小的導(dǎo)磁率可以和加于非晶體金屬材料上的應(yīng)力的強(qiáng)度非常相關(guān)。當(dāng)塊狀非晶體金屬磁元件受到應(yīng)力時(shí)，鐵心的引導(dǎo)或者會(huì)聚磁通的效率被減少，因而產(chǎn)生較高的磁損耗，增加發(fā)熱，因而減少功率。由于非晶體金屬的磁致伸縮性質(zhì)，這種對(duì)于應(yīng)力的敏感性可以由在裝置的操作期間的磁勢產(chǎn)生的應(yīng)力、由于機(jī)械夾持或者其它方式固定塊狀非晶體金屬磁元件而產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力或者由于熱脹與/或由于非晶體金屬材料的磁飽和而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力引起。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種低損耗的塊狀非晶體金屬磁元件，其具有多面體或者其它三維(3D)的形狀，并且由多個(gè)鐵磁的非晶體金屬材料帶層構(gòu)成。本發(fā)明還提供一種用于制造塊狀非晶體金屬磁元件的方法。所述磁元件可以在50Hz-20000Hz的頻率范圍內(nèi)操作，并且在和在相同頻率范圍內(nèi)操作的硅鋼磁元件相比時(shí)，具有改進(jìn)的性能特性。按照本發(fā)明構(gòu)成的磁元件，在一個(gè)激磁頻率“f”下被激勵(lì)到一個(gè)峰值磁感應(yīng)值“Bmax”時(shí)，在室溫下具有小于“L”的鐵心損失，其中L由公式L＝0.0074 f(Bmax)1.3+0.000282 f1.5(Bmax)2.4給出，所述鐵心損失、激磁頻率和峰值磁感應(yīng)值分別用瓦/千克，赫茲和特斯拉測量。磁元件將具有(i)在頻率大約為60Hz，磁密大約為1.4T時(shí)操作時(shí)，小于或大約等于每千克非晶體金屬材料1瓦的鐵心損失；(ii)在頻率大約為1000Hz，磁密大約為1.0T下操作時(shí)，小于或大約等于每千克非晶體金屬材料12瓦的鐵心損失，或者(iii)在頻率大約為20000Hz，磁密大約為0.30T下操作時(shí)，小于或大約等于每千克非晶體金屬材料70瓦的鐵心損失。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，塊狀非晶體金屬磁元件包括被層疊在一起而形成多面體形狀的部件的多個(gè)形狀基本上相同的非晶體金屬材料帶層。
本發(fā)明還提供一種用于構(gòu)成塊狀非晶體金屬磁元件的方法。所述方法的一個(gè)實(shí)施例包括以下步驟由鐵磁非晶體金屬帶原料沖壓成所需形狀的疊層，疊置所述疊層而形成三維形狀，應(yīng)用并啟動(dòng)粘合裝置，使疊層相互粘合而形成具有足夠的機(jī)械整體性的元件，以及修整所述元件，從而除去任何多于的黏合劑，使其具有合適的表面光潔度和最終的元件尺寸。所述方法還可以包括一個(gè)選擇的退火步驟，以便改善元件的磁性能。這些步驟可以按照多種不同的順序進(jìn)行，并使用包括下面提出的多種不同的技術(shù)。
本發(fā)明還涉及一種利用上述方法制成的塊狀非晶體金屬磁元件。具體地說，按照本發(fā)明構(gòu)成的塊狀非晶體金屬磁元件尤其適合用作非晶體金屬元件，例如用作高性能的MRI系統(tǒng)、電視和視頻系統(tǒng)以及電子和離子束系統(tǒng)的極面磁體的瓦片(tile)。按照本發(fā)明構(gòu)成的塊狀非晶體金屬磁元件對(duì)于非環(huán)形的電感器例如C形鐵心、E形鐵心和E/I形鐵心也是有用的，其中的表述C、E和E/I用于說明元件的截面形狀。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括簡化制造過程，減少制造時(shí)間，減少在塊狀非晶體金屬磁元件的制造期間遭受的應(yīng)力(例如磁致伸縮引起的應(yīng)力)并優(yōu)化最終的塊狀非晶體金屬磁元件的性能。
附圖簡要說明通過參看下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行的詳細(xì)說明，可以更充分地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，在所有附圖中，相同的標(biāo)號(hào)代表類似的元件；其中

圖1A是按照本發(fā)明構(gòu)成的基本上呈矩形多面體形狀的塊狀沖壓的非晶體金屬磁元件的透視圖；圖1B是按照本發(fā)明構(gòu)成的基本上呈梯形多面體形狀的塊狀沖壓的非晶體金屬磁元件的透視圖；圖1C是按照本發(fā)明構(gòu)成的具有相對(duì)設(shè)置的弓形表面的多面體形的塊狀沖壓的非晶體金屬磁元件的透視圖；圖2A是按照本發(fā)明設(shè)置的要被退火和要被沖壓的鐵磁非晶體金屬帶的帶卷和被設(shè)置要被疊置的鐵磁非晶體金屬疊層的側(cè)視圖；圖2B是按照本發(fā)明設(shè)置的要被退火、被涂覆環(huán)氧樹脂和要被沖壓的鐵磁非晶體金屬帶的帶卷和被設(shè)置要被疊置的鐵磁非晶體金屬疊層的側(cè)視圖；圖2C是按照本發(fā)明的被設(shè)置要被沖壓的鐵磁非晶體金屬帶的帶卷和被設(shè)置要被收集的鐵磁非晶體金屬疊層的側(cè)視圖；圖2D是按照本發(fā)明的被設(shè)置要被沖壓的鐵磁非晶體金屬帶的帶卷和被設(shè)置要被疊置的鐵磁非晶體金屬疊層的側(cè)視圖；以及圖3是塊狀沖壓的非晶體金屬磁元件的測試裝置的透視圖，包括4個(gè)元件，每個(gè)呈具有相對(duì)設(shè)置的弓形表面的多面體形狀，并被裝配而成為基本上正圓形的環(huán)狀圓柱。
詳細(xì)說明本發(fā)明提供一種基本上呈多面體形的低損耗的塊狀非晶體金屬磁元件。按照本發(fā)明構(gòu)成的塊狀非晶體金屬磁元件具有多種三維(3D)的幾何形狀，其中包括但不限于，矩形的，方形的和梯形棱柱形的。此外，上述的任何幾何形狀都可以包括至少一個(gè)弓形表面，一些實(shí)施例包括兩個(gè)相對(duì)設(shè)置的弓形表面，從而形成總體上彎曲的或弓形的塊狀非晶體金屬磁元件。此外，按照本發(fā)明，可以把整個(gè)磁裝置例如極面磁體制成一個(gè)塊狀非晶體金屬磁元件。這些裝置可以具有一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)，或者可以由能夠集中而形成一個(gè)完整部件的幾個(gè)零件構(gòu)成。另外，一個(gè)裝置可以是一個(gè)全部由非晶體金屬部件或者由非晶體金屬部件和其它的磁材料組合而成的合成的結(jié)構(gòu)。
磁諧振(MRI)成像裝置通常使用磁極片(也稱為極面)作為磁場產(chǎn)生裝置的一部分。正如本領(lǐng)域內(nèi)所知，這種磁場產(chǎn)生裝置用于提供穩(wěn)定的磁場和被疊加到所述穩(wěn)定的磁場上的時(shí)變的磁場梯度。為了產(chǎn)生高質(zhì)量的高清晰度的MRI圖像，重要的是所述穩(wěn)定的磁場在要研究的整個(gè)試樣體積內(nèi)是均勻的，并且所示磁場梯度被很好地限定。所述均勻性可以通過使用合適的極片來提高。本發(fā)明的塊狀非晶體金屬磁元件適用于構(gòu)成這種極面。
用于MRI或其它磁體系統(tǒng)的極片適用于以預(yù)定的方式成形并引導(dǎo)由至少一個(gè)磁動(dòng)勢(mmf)源產(chǎn)生的磁通。磁動(dòng)勢源可以包括已知的磁動(dòng)勢產(chǎn)生裝置，其中包括永磁體和電磁體，所述電磁體或者是正常導(dǎo)電的繞組，或者是超導(dǎo)的繞組。每個(gè)極片可以包括一個(gè)或幾個(gè)本發(fā)明所述的塊狀非晶體金屬磁元件。
需要極片具有好的直流磁性能，包括高的導(dǎo)磁率和高的飽和磁通密度。為了提高清晰度和具有較高的操作磁通密度，還要求極片也具有好的交流磁性能。更具體地說，需要使由時(shí)變梯度的磁場在極片中產(chǎn)生的鐵心損失最小。減少鐵心損失有利的改善磁場梯度的清晰度(definition)，并且使得磁場梯度能夠更快地改變，因而使得能夠減少成像時(shí)間而不降低圖像質(zhì)量。
最早的磁極片由實(shí)心的磁材料構(gòu)成，例如碳鋼或高純鐵，在本領(lǐng)域中通常稱為阿姆科鐵。它們具有好的直流磁性能，但是由于存在宏觀的渦流，在具有交流磁場時(shí)其鐵心損失非常高。通過利用層疊的常規(guī)鋼片構(gòu)成極片獲得了某種程度的改善。
然而仍然需要進(jìn)一步改善磁極片，使其不僅具有所需的直流磁性能，而且具有大大改進(jìn)的交流磁性能，最重要的性能是具有較低的鐵心損失。如下所述，高的磁通密度、高的導(dǎo)磁率和低的鐵心損失這些要求的組合通過使用本發(fā)明的磁元件構(gòu)成極片被實(shí)現(xiàn)了。
現(xiàn)在詳細(xì)參看圖1A-1C，圖1A表示具有三維的基本上呈多面體形狀的塊狀非晶體金屬磁元件10。磁元件10由被層疊在一起并被退火的多個(gè)形狀基本上相同的非晶體金屬帶材料的疊層20構(gòu)成。圖1B所示的磁元件具有三維的大體上是梯形的形狀，并由被層疊在一起并被退火的多個(gè)尺寸和形狀基本上相同的非晶體金屬帶材料的疊層20構(gòu)成。圖1C所示的磁元件包括兩個(gè)相對(duì)設(shè)置的弓形表面12。元件10由被層疊在一起并被退火的多個(gè)形狀基本上相同的非晶體金屬帶材料的疊層20構(gòu)成。
本發(fā)明的塊狀非晶體金屬磁元件10是一個(gè)總體上三維的多面體，并且可以是矩形的，方形的，或梯形的棱柱。此外，如圖1C所示，元件10可以具有至少一個(gè)弓形表面12。并且如圖所示可以包括兩個(gè)彼此相對(duì)設(shè)置的弓形表面12。
按照本發(fā)明構(gòu)成的三維磁元件10具有低的鐵心損失。當(dāng)在激磁頻率“f”下被激勵(lì)到峰值感應(yīng)值“Bmax”時(shí)，所述磁元件在室溫下具有小于“L”的鐵心損失，其中L由下式給出L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282 f1.5(Bmax)2.4，所述鐵心損失，激磁頻率和峰值磁感應(yīng)值分別以瓦/千克，赫茲和特斯拉測量。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述磁元件(i)當(dāng)在大約60赫茲的頻率和大約1.4T的磁通密度下操作時(shí)，具有每千克非晶體金屬材料小于或等于大約1瓦的鐵心損失；(ii)當(dāng)在大約1000赫茲的頻率和大約1.0T的磁通密度下操作時(shí)，具有每千克非晶體金屬材料小于或等于大約12瓦的鐵心損失；或者(iii)當(dāng)在大約20000赫茲的頻率和大約0.30T的磁通密度下操作時(shí)，具有每千克非晶體金屬材料小于或等于大約70瓦的鐵心損失。本發(fā)明的元件的減少的鐵心損失有利地改善了包括所述元件的電氣裝置的效率。
低的鐵心損失使得本發(fā)明的塊狀沖壓的非晶體金屬磁元件尤其適用于高頻激磁的情況下，例如在至少大約100Hz的頻率下進(jìn)行的激磁。常規(guī)鋼在高頻下固有的高的鐵心損失使得它們不適用于要求高頻激磁的裝置中。這些鐵心損失性能值適用于本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例，而和塊狀非晶體金屬磁元件的特定的幾何結(jié)構(gòu)無關(guān)。
本發(fā)明還提供一種用于制造塊狀沖壓的非晶體金屬磁元件的方法。在一個(gè)實(shí)施例中，所述方法包括以下步驟由鐵磁非晶體金屬帶原料沖壓成所需形狀的疊層，疊置所述疊層而形成三維形狀的物體，應(yīng)用并啟動(dòng)粘合裝置，使疊層相互粘合而形成具有足夠的機(jī)械整體性的元件，以及修整所述元件，從而除去任何多于的黏合劑，使其具有合適的表面光潔度和最終的元件尺寸。所述方法還可以包括一個(gè)選擇的退火步驟，以便改善元件的磁性能。這些步驟可以按照多種不同的順序進(jìn)行，并使用包括下面提出的以及對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的多種不同的技術(shù)來實(shí)施。
在歷史上，有3個(gè)因素組合在一起妨礙利用沖壓作為制造非晶體金屬元件的方法。第一個(gè)也是最早的一個(gè)因素是，非晶體金屬帶和常規(guī)的磁材料帶例如無定向電工鋼相比較薄。使用薄的材料意味著需要更多的疊層才能構(gòu)成給定形狀的元件。使用較薄的材料還需要在沖壓處理中利用較小的工具和沖模間隙。
第二，非晶體金屬比一般的金屬?zèng)_頭和沖模材料硬得多。基于鐵的非晶體金屬的硬度一般超過1100kg/mm2。與此相比，空氣冷卻的、油淬火的和水淬火的工具鋼的硬度范圍為800-900kg/mm2。因而，非晶體金屬，由于其獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，使得其硬度大于常規(guī)的金屬?zèng)_頭和沖模材料的硬度。
第三，非晶體金屬在沖壓期間被強(qiáng)制在沖頭和沖模之間時(shí)在被沖下之前可以遭受嚴(yán)重變形而不破裂。由大的局部剪切流引起非晶體金屬的變形。當(dāng)在張力下變形時(shí)，例如當(dāng)非晶體金屬帶被拉拔時(shí)，一個(gè)剪切帶的形成便可以在小的總的變形下導(dǎo)致破壞。在張力下，可以在1％或者更小的拉長下發(fā)生破壞。不過，當(dāng)以這樣的方式變形，使得機(jī)械約束阻止塑性不穩(wěn)定性時(shí)，例如在沖壓期間在工具和沖模之間的彎曲，可以形成多個(gè)剪切帶，并發(fā)生嚴(yán)重的局部變形。在這種變形方式下，在破壞時(shí)的延長可以局部超過100％。
當(dāng)使用常規(guī)的沖壓設(shè)備、常規(guī)的工具和工藝時(shí)，這后兩個(gè)因素，異常大的硬度加上嚴(yán)重的變形，組合在一起而產(chǎn)生對(duì)沖床的沖頭和沖模元件的巨大的磨損。在被沖下之前的變形期間，通過對(duì)著較軟的沖頭和沖模材料摩擦的硬的非晶體金屬的直接磨蝕而發(fā)生對(duì)沖頭和沖模的磨損。
本發(fā)明提供一種用于使在沖壓處理期間對(duì)沖頭和沖模的磨損減到最小的方法。所述方法包括以下步驟用碳化物材料制造沖頭和沖模工具，用這種方式制造所述工具，使得沖頭和沖模之間分間隙小而均勻，并且以高的應(yīng)變率操作所述沖壓處理。用于沖頭和沖模工具的碳化物材料應(yīng)當(dāng)具有至少為1100kg/mm2的硬度，最好具有大于1300kg/mm2的硬度。具有等于或大于非晶體金屬的硬度的碳化物工具將阻止在沖壓處理期間由非晶體金屬引起的直接磨損，因而使得對(duì)沖頭和沖模的磨損最小。沖頭和沖模之間的間隙應(yīng)當(dāng)小于0.050mm(0.002英寸)，最好小于0.025mm(0.001英寸)。在沖壓處理期間使用的應(yīng)變率應(yīng)當(dāng)是由至少每秒一個(gè)沖程產(chǎn)生的應(yīng)變率，并且最好是每秒5個(gè)沖程產(chǎn)生的應(yīng)變率。對(duì)于0.025mm(0.001英寸)厚的非晶體金屬帶，沖程速度的這個(gè)范圍大約相當(dāng)于至少105/秒的變形率，最好等于5×105/秒的變形率。在沖壓處理期間使用的沖頭和沖模之間的小的間隙和高的應(yīng)變率相組合，從而限制在沖壓處理期間在沖下之前非晶體金屬的機(jī)械變形的數(shù)量。限制在模具腔體內(nèi)發(fā)生的非晶體金屬的機(jī)械變形將限制在非晶體金屬和沖頭、沖模之間的之間磨損，因而使得沖頭和沖模的磨損減到最小。
指定的用于本發(fā)明的元件10的非晶體金屬帶的磁性能可以通過在一定溫度和時(shí)間內(nèi)進(jìn)行熱處理來增強(qiáng)，所述溫度和時(shí)間應(yīng)當(dāng)足以提供所需的增強(qiáng)，而不用改變帶的基本上全部的玻璃狀的微觀結(jié)構(gòu)。在熱處理的至少一部分期間，例如至少在熱處理的冷卻部分期間，可以選擇地對(duì)帶施加磁場。
在本發(fā)明中使用的非晶體金屬的熱處理可以使用任何加熱裝置，這些裝置使金屬經(jīng)歷所需的熱變化過程。合適的加熱裝置包括紅外熱源，烤箱，流化床，和保持在高溫下的散熱器熱接觸，利用電流通過所述的金屬帶而實(shí)現(xiàn)的電阻加熱，以及感應(yīng)(RF)加熱。加熱裝置的選擇可以根據(jù)上述的所需處理步驟的順序進(jìn)行。
此外，熱處理可以在沖壓步驟之前對(duì)金屬帶材料進(jìn)行，在沖壓步驟之后但在疊置步驟之前對(duì)離散的疊層進(jìn)行，或者在疊置步驟之后對(duì)層疊體進(jìn)行。熱處理可以在沖壓步驟之前進(jìn)行，此時(shí)對(duì)整卷的原料進(jìn)行單獨(dú)的脫機(jī)批處理，最好在烤箱或流化床內(nèi)進(jìn)行，或者以連續(xù)的卷對(duì)卷的方式進(jìn)行處理，此時(shí)使來自送料卷的金屬帶通過一個(gè)加熱區(qū)，并被在收料卷上接收。此外，熱處理也可以在線進(jìn)行，此時(shí)使來自送料卷的金屬帶連續(xù)地通過加熱區(qū)，此后進(jìn)入沖床進(jìn)行隨后的沖壓和疊置處理。
熱處理還可以在沖壓步驟之后而疊置步驟之前對(duì)離散的疊層進(jìn)行。在這個(gè)實(shí)施例中，優(yōu)選的是，疊層從沖床輸出并被直接地設(shè)置在一個(gè)運(yùn)送帶上，運(yùn)送帶使疊層通過加熱區(qū)，借以使疊層經(jīng)歷合適的時(shí)間-溫度過程。
在另一個(gè)實(shí)施例中，在離散的疊層被疊置配準(zhǔn)之后進(jìn)行熱處理。對(duì)這種堆疊體進(jìn)行退火的合適的加熱裝置包括烤箱，流化床和感應(yīng)加熱裝置。
使用粘合裝置使多個(gè)對(duì)齊的非晶體金屬材料的疊層相互粘合，借以使得具有足夠的結(jié)構(gòu)整體性的三維物體能夠被處理、使用或被包括在更大的結(jié)構(gòu)中。具有多種合適的黏合劑，包括環(huán)氧樹脂，清漆，厭氧性的黏合劑，和室溫硬化(RTV)的硅樹脂材料。黏合劑最好具有低的粘滯度、低的收縮量、低的彈性模量，高的剝離強(qiáng)度和高的介電強(qiáng)度。環(huán)氧樹脂可以是由多部分構(gòu)成的，其固化用化學(xué)方式啟動(dòng)，或者是單部分的，其固化由加熱或?qū)ψ贤饩€輻射曝光啟動(dòng)。用于涂覆黏合劑的合適的方法包括浸漬、噴灑、刷抹和靜電淀積。也可以使呈條或帶形狀的非晶體金屬通過一個(gè)桿或滾子的上方來涂上黏合劑，所述桿或滾子把黏合劑傳遞到非晶體金屬上。具有有紋理的表面的所述滾子或桿，例如照相凹版或線繞滾子，用于把黏合劑的均勻涂層傳遞到非晶體金屬上是特別有效的。黏合劑可以每次被涂覆在非晶體金屬的單獨(dú)的層上，或者在沖壓之前涂覆在帶材料上，或者在沖壓之后涂覆在疊層上。此外，可以把黏合劑涂覆裝置應(yīng)用于被堆疊之后的層疊體。在這種情況下，層疊體的各層之間充滿黏合劑的毛細(xì)流。層疊體可被置于真空中，或處在流體靜壓力下，以便更有效地被完全充滿，并仍然使添加的黏合劑的總體積最小，因而確保高的疊置因數(shù)。
本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例如圖2A所示。鐵磁非晶體金屬帶材料32的卷30被連續(xù)地通過退火爐36，在退火爐內(nèi)把帶的溫度升高到一定數(shù)值并保持一定時(shí)間，使得足以改進(jìn)帶的磁性能。然后使帶材料在沖頭40和底部開口的沖模41之間通過自動(dòng)高速?zèng)_床38。把沖頭驅(qū)動(dòng)進(jìn)入沖模，因而形成所需形狀的疊層20。此時(shí)所述疊層落下，或者被輸送到一個(gè)箱盒48，并且沖頭40縮回。留下帶材料32的骨架33，其含有除去疊層20之后形成的孔34。骨架33被收集在收帶盤31上。在完成每次沖壓之后，帶32被加以標(biāo)記，以便準(zhǔn)備用于下一個(gè)沖壓周期的帶。帶材料32可以或者以單層或者以多層(未示出)送入沖床38，或者通過多次送料或者通過被預(yù)先卷成多層來以多層送入沖床。使用多層的帶材料32可以有利地減少用于生產(chǎn)給定數(shù)量的疊層所需的沖程的數(shù)量。隨著沖壓處理的繼續(xù)，許多疊層20被以足夠?qū)?zhǔn)的方式收集在箱盒48中。在沖制所需數(shù)量的疊層20并堆積在箱盒48中之后，則中斷沖床38的操作。所需的數(shù)量或者被預(yù)先選擇，或者由堆積在箱盒48內(nèi)的疊層20的高度確定。然后把箱盒48從沖床38上除去，以便進(jìn)行進(jìn)一步處理?？梢允沟偷恼硿鹊臒峒せ畹沫h(huán)氧樹脂(未示出)在疊層20之間的空間內(nèi)滲透，所述疊層20被箱盒48的壁保持對(duì)齊。然后把通過整個(gè)的箱盒48和其中包含的疊層20在熱源下暴露一定時(shí)間，使得環(huán)氧樹脂被激活，從而使環(huán)氧樹脂固化。現(xiàn)在疊層20的堆疊體10(見圖1A-1C)被除去，并借助于除去任何過量的環(huán)氧樹脂修整堆疊體10的表面。
第二實(shí)施例如圖2B所示。鐵磁非晶體金屬帶材料32的卷30被連續(xù)地通過退火爐36，在退火爐內(nèi)把帶的溫度升高到一定數(shù)值并保持一定時(shí)間，使得足以改進(jìn)帶32的磁性能。然后使帶32通過黏合劑涂覆裝置50，黏合劑涂覆裝置包括照相凹版的滾子52，其上涂覆有來自黏合劑容器54內(nèi)的低粘滯度的熱激活的環(huán)氧樹脂。因而，環(huán)氧樹脂被從滾子52傳遞到帶32的下表面上。在退火爐36和黏合劑涂覆裝置50之間的距離足以使帶32在通過期間冷卻到至少低于環(huán)氧樹脂的熱激活溫度。此外，可以使用冷卻裝置(未示出)來實(shí)現(xiàn)帶32在退火爐36和涂覆裝置50之間的更快的冷卻。然后使帶材料32在沖頭40和底部開口的沖模41之間通過自動(dòng)高速?zèng)_床38。把沖頭驅(qū)動(dòng)進(jìn)入沖模，因而形成所需形狀的疊層20。此時(shí)所述疊層落下，或者被輸送到一個(gè)箱盒48，并且沖頭40縮回。留下帶材料32的骨架33，其含有除去疊層20之后形成的孔34。骨架33被收集在收帶盤31上。在完成每次沖壓之后，帶32被加以標(biāo)記，以便準(zhǔn)備用于下一個(gè)沖壓周期的帶。隨著沖壓處理的繼續(xù)，許多疊層20被以足夠?qū)?zhǔn)的方式收集在箱盒48中。在沖制所需數(shù)量的疊層20并堆積在箱盒48中之后，則中斷沖床38的操作。所需的數(shù)量或者被預(yù)先選擇，或者由堆積在箱盒48內(nèi)的疊層20的高度確定。然后把箱盒48從沖床38上除去，以便進(jìn)行進(jìn)一步處理。可以使附加的低的粘滯度的熱激活的環(huán)氧樹脂(未示出)在疊層20之間的空間內(nèi)滲透，所述疊層20被箱盒48的壁保持對(duì)齊。然后把通過整個(gè)的箱盒48和其中包含的疊層20在熱源下暴露一定時(shí)間，使得環(huán)氧樹脂被激活，從而使環(huán)氧樹脂固化?，F(xiàn)在疊層20的堆疊體10(見圖1A-1C)被除去，并借助于除去任何過量的環(huán)氧樹脂修整堆疊體10的表面。
第三實(shí)施例如圖2C所示。鐵磁非晶體金屬帶首先在惰性氣體烤箱(未示出)內(nèi)在預(yù)定的溫度和預(yù)定的時(shí)間內(nèi)被退火，使得足以改善其磁性能，而不改變基本上全部的玻璃狀的微觀結(jié)構(gòu)。經(jīng)過熱處理的金屬帶32被從帶卷30被送入自動(dòng)高速?zèng)_床38的沖頭40和底部開口的沖模41之間。把沖頭驅(qū)動(dòng)進(jìn)入沖模，因而形成所需形狀的疊層20。此時(shí)所述疊層20落下，或者在沖模41的外部被輸送到一個(gè)收集裝置49，并且使沖頭40縮回。收集裝置49可以是一個(gè)輸送帶，如圖2C所示，或者可以是一個(gè)用于收集疊層20的容器。留下帶材料32的骨架33，其含有除去疊層20之后形成的孔34。骨架33被收集在收帶盤31上。在完成每次沖壓之后，帶32被加以標(biāo)記，以便準(zhǔn)備用于下一個(gè)沖壓周期的帶。沖壓處理被繼續(xù)，直到預(yù)定數(shù)量的疊層20被收集的容器中，然后停止沖壓周期。然后每個(gè)疊層20的一側(cè)可以手動(dòng)地涂覆厭氧性的黏合劑，并使所述疊層在一個(gè)對(duì)齊的固定裝置(未示出)中在對(duì)準(zhǔn)的狀態(tài)下疊置。使所述黏合劑固化，現(xiàn)在疊層20的堆疊體10被從對(duì)齊固定裝置中除去，并借助于除去任何過量的環(huán)氧樹脂修整堆疊體10的表面。
另一個(gè)實(shí)施例如圖2D所示。鐵磁非晶體金屬帶材料32的卷30被連續(xù)地在沖頭40和底部開口的沖模41之間送入自動(dòng)高速?zèng)_床38。把沖頭驅(qū)動(dòng)進(jìn)入沖模，因而形成所需形狀的疊層20。此時(shí)所述疊層20落下，或者被輸送到一個(gè)箱盒48，并且沖頭40縮回。留下帶材料32的骨架33，其含有除去疊層20之后形成的孔34。骨架33被收集在收帶盤31上。在完成每次沖壓之后，帶32被加以標(biāo)記，以便準(zhǔn)備用于下一個(gè)沖壓周期的帶。帶材料32可以或者以單層或者以多層(未示出)送入沖床38，或者通過多次送料或者通過被預(yù)先卷成多層來以多層送入沖床。使用多層的帶材料32可以有利地減少用于生產(chǎn)給定數(shù)量的疊層所需的沖程的數(shù)量。沖壓處理被繼續(xù)，許多疊層20被以足夠?qū)?zhǔn)的方式收集在箱盒48中。在沖制所需數(shù)量的疊層20并堆積在箱盒48中之后，則中斷沖床38的操作。所需的數(shù)量或者被預(yù)先選擇，或者由堆積在箱盒48內(nèi)的疊層20的高度確定。然后把箱盒48從沖床38上除去，以便進(jìn)行進(jìn)一步處理。在一種實(shí)施方法中，箱盒48和其中的疊層20被置于惰性氣體烤箱(未示出)內(nèi)，在預(yù)定的溫度和預(yù)定的時(shí)間內(nèi)被退火，使得足以改善其磁性能，而不改變基本上全部的玻璃狀的微觀結(jié)構(gòu)。箱盒和疊層然后被冷卻到環(huán)境溫度?？梢允沟偷恼硿鹊臒峒せ畹沫h(huán)氧樹脂(未示出)在疊層20之間的空間內(nèi)滲透，所述疊層20被箱盒48的壁保持對(duì)齊。然后通過把整個(gè)的箱盒48和其中的疊層20置于固化爐中一個(gè)足夠的時(shí)間，使環(huán)氧樹脂被激活，以便實(shí)現(xiàn)環(huán)氧樹脂的固化?，F(xiàn)在疊層20的堆疊體10(見圖1A-1C)被除去，并借助于除去任何過量的環(huán)氧樹脂修整堆疊體10的表面。
按照本發(fā)明構(gòu)成的塊狀非晶體金屬磁元件尤其適用于高性能的MRI系統(tǒng)、電視和視頻系統(tǒng)、以及電子束和離子束系統(tǒng)中的極面磁體的瓦片。簡化了磁元件的制造，縮短了制造時(shí)間。減少在所述塊狀非晶體金屬磁元件制造期間遭受的應(yīng)力，并優(yōu)化最終的塊狀非晶體金屬磁元件的性能。
本發(fā)明的塊狀沖壓的非晶體金屬磁元件10可以使用許多非晶體金屬合金制造。一般地說，適用于按照本發(fā)明構(gòu)成的磁元件10的合金由通式M70-85Y5-20Z0-20限定，下標(biāo)是原子百分?jǐn)?shù)，其中M至少是Fe，Ni和Co中的一種，Y至少是B，C和P中的一種，Z至少是Si，Al和Ge中的一種；附帶條件是(i)多達(dá)10個(gè)原子百分?jǐn)?shù)的成分M可以由金屬物質(zhì)Ti，V，Cr，Mn，Cu，Zr，Nb，Mo，Ta，Hf，Ag，Au，Pd，Pt和W中的至少一種代替，(ii)多達(dá)10個(gè)原子百分?jǐn)?shù)的成分(Y+Z)的可由非金屬物質(zhì)In，Sn，Sb和Pb中的至少一種代替，以及(iii)大約1個(gè)原子百分?jǐn)?shù)的成份(M+Y+Z)可以是附帶的雜質(zhì)。這里使用的術(shù)語“非晶體金屬合金”指的是這樣一種金屬合金，其基本上沒有任何長范圍的順序(order)，其特征在于，它們的X射線衍射強(qiáng)度最大值定性地類似于對(duì)于液體或無機(jī)氧化物玻璃觀察到的最大值。
適用于實(shí)施本發(fā)明的合金在所述元件要被使用的溫度下是鐵磁的。鐵磁材料是一種這樣的材料，在該材料的特征溫度(一般稱為居里溫度)以下的溫度下，其具有其構(gòu)成原子的磁矩的強(qiáng)的長范圍的耦聯(lián)(long-range coupling)和空間排列。最好是，要在室溫下操作的裝置中使用的材料的居里溫度至少大約為200℃，至少大約為375℃更好。如果這里包括的材料具有合適的居里溫度，這些裝置可以在其它的溫度下操作，包括低到冷凍溫度或者高溫溫度。
如同本領(lǐng)域所知，鐵磁材料的特征還在于其飽和磁感應(yīng)，或者等效地，在于其飽和磁通密度或磁化強(qiáng)度。適用于本發(fā)明的合金優(yōu)選地具有至少大約1.2T的飽和磁感應(yīng)，更優(yōu)選地具有至少大約1.5T的飽和磁感應(yīng)。所述合金還具有高的電阻率，優(yōu)選地具有至少大約100μΩ-cm，更優(yōu)選地具有至少大約130μΩ-cm的電阻率。
非晶體金屬合金在市場上是可以得到的，其一般呈連續(xù)的薄帶的形式，寬度可達(dá)20厘米或更寬，厚度大約為20-25微米。這些合金基本上全部具有玻璃狀的微觀結(jié)構(gòu)(例如大約至少80％的體積的材料具有非晶體結(jié)構(gòu))。最好是，所述合金基本上100％的材料具有非晶體結(jié)構(gòu)。非晶體結(jié)構(gòu)的體積百分?jǐn)?shù)可以由本領(lǐng)域中已知的方法確定，例如X射線，中子或電子衍射，透射電子顯微鏡，或者差動(dòng)掃描測熱技術(shù)。其中M是鐵，Y是硼，Z是硅的合金能夠以低的成本實(shí)現(xiàn)最高的感應(yīng)值。為此，由鐵硼硅合金構(gòu)成的非晶體金屬帶是優(yōu)選的。更具體地說，這樣的合金是優(yōu)選的其含有至少70個(gè)原子百分?jǐn)?shù)的Fe，至少5個(gè)原子百分?jǐn)?shù)的B，和至少5個(gè)原子百分?jǐn)?shù)的Si，附帶條件是B和Si的總量至少為15個(gè)原子百分?jǐn)?shù)。最優(yōu)選的是這樣的非晶體金屬帶，其成分主要由大約11個(gè)原子百分?jǐn)?shù)的硼和大約9個(gè)原子百分?jǐn)?shù)的硅，其余部分是鐵和附帶的雜質(zhì)構(gòu)成。這種具有大約1.56T的飽和磁感應(yīng)和大約137μΩ-cm的電阻率的帶由HoneywellInternational Inc.出售，商標(biāo)為METLAS合金2605SA-1。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的實(shí)施例，其需要連續(xù)的、自動(dòng)地通過沖床送入帶原料，可以方便地使用例如作為薄的帶卷供給的非晶體金屬。此外，本發(fā)明可以利用其它形式的原料和其它的饋給方法來實(shí)施，包括手動(dòng)地送入長度較短的帶或者具有不均勻的寬度的其它形狀的帶。
包括具有一個(gè)或幾個(gè)極面磁體的電磁體系統(tǒng)通常用于在電磁體的間隙中產(chǎn)生時(shí)變磁場。所述時(shí)變磁場可以完全是交流磁場，即其時(shí)間平均值是0的磁場。選擇地，時(shí)變磁場可以具有非零的時(shí)間平均值，一般被稱為磁場的直流分量。在所述電磁體系統(tǒng)中，至少一個(gè)極面磁體處于時(shí)變磁場下。結(jié)果，在每個(gè)激磁周期，極面磁體被磁化和去磁。在極面磁體內(nèi)的時(shí)變磁通密度或磁感應(yīng)由其中的鐵心損失而產(chǎn)生熱量。在由多個(gè)塊狀磁元件構(gòu)成的極面的情況下，總的損失由兩部分構(gòu)成，一部分是如果在孤立狀態(tài)下處于交流磁通波形下時(shí)在每個(gè)元件內(nèi)產(chǎn)生的鐵心損失，另一部分是在元件之間提供電的連續(xù)性的路徑中循環(huán)的渦流引起的損失。
塊狀非晶體磁元件比由其它鐵基磁材料制成的元件能夠更有效地磁化和去磁。當(dāng)用作磁極磁體時(shí)，塊狀非晶體金屬元件和由其它的鐵基磁金屬制造的可比的元件相比，當(dāng)二者在相同的磁感應(yīng)和激磁頻率下被磁化時(shí)，塊狀非晶體金屬元件將產(chǎn)生較小的熱量。此外，在本發(fā)明中優(yōu)先使用的鐵基非晶體金屬和其它低損耗的軟磁材料相比，例如坡莫合金，其飽和磁感應(yīng)一般是0.6-0.9T，具有大得多的飽和磁感應(yīng)。因此，和由其它的鐵基磁金屬制成的磁元件相比，塊狀非晶體金屬元件可被設(shè)計(jì)用于在下述條件下操作1)較低的操作溫度；2)較高的磁感應(yīng)，以便減小體積和重量；或者3)較高的激磁頻率，以便減小體積和重量，或者實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的信號(hào)分辨率。
現(xiàn)有技術(shù)認(rèn)為，在由細(xì)長的鐵磁棒構(gòu)成的磁極件中的渦流可以通過插入不導(dǎo)電的材料使這些鐵磁棒相互絕緣來減小。本發(fā)明提供了總損耗的進(jìn)一步的實(shí)質(zhì)性減小，這是因?yàn)椋褂帽景l(fā)明教導(dǎo)的材料和構(gòu)造方法在由其它材料和構(gòu)造方法制成的現(xiàn)有技術(shù)中的元件具有的損耗的基礎(chǔ)上又減小了在每個(gè)元件內(nèi)產(chǎn)生的損耗。
如本領(lǐng)域中熟知的那樣，鐵心損失是當(dāng)鐵磁材料的磁化強(qiáng)度隨時(shí)間改變時(shí)發(fā)生在鐵磁材料內(nèi)的能量消耗。給定的磁元件的鐵心損失一般通過對(duì)所述元件進(jìn)行循環(huán)激磁來確定。對(duì)元件施加時(shí)變磁場，從而在其中產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)變磁感應(yīng)或磁通密度。為了使測量標(biāo)準(zhǔn)化，所述激磁一般這樣選擇，使得磁感應(yīng)在頻率“f”和峰值“Bmax”下隨時(shí)間按正弦變化。然后使用已知的電氣測量儀器和技術(shù)確定鐵心損失。鐵心損失一般用被激磁的每單位質(zhì)量或者每單位體積的磁材料的瓦數(shù)表示。在本領(lǐng)域中熟知，鐵心損失隨f和Bmax單調(diào)增加。用于測試在極面磁體的元件中使用的軟磁材料的鐵心損失的最標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)程(例如ASTM標(biāo)準(zhǔn)A912-93和A927(A927M-94))要求所述材料的試樣位于基本上閉合的磁路中，即要求一種這樣的配置，其中閉合的磁力線完全包含在試樣的體積內(nèi)。在另一方面，使在元件例如極面磁體中使用的磁材料位于一個(gè)開路的磁路中，即其中磁力線必須穿過空氣隙的一種配置。因?yàn)榇艌龅倪吘壭?yīng)和非均勻性，和在閉路中的測量相比，在開路中測試的給定材料一般具有較高的鐵心損失，即每單位質(zhì)量或體積較高的瓦數(shù)值。本發(fā)明的塊狀磁元件甚至在開路的配置中也在寬的磁通密度和頻率范圍內(nèi)具有低的鐵心損失。
沒有任何理論的約束，據(jù)信本發(fā)明的低損耗的塊狀非晶體金屬元件的總的鐵心損失由磁滯損失和渦流損失構(gòu)成。這兩種貢獻(xiàn)都是峰值磁感應(yīng)Bmax和激磁頻率f的函數(shù)。每個(gè)貢獻(xiàn)的數(shù)量又取決于外界因素，其中包括元件的制造方法和在元件中使用的材料的熱過程?，F(xiàn)有技術(shù)中對(duì)于非晶體金屬的鐵心損失的分析(見G.E.Fish，.J.Appl.Phys.57，3569(1985)和G.E.Fish et al.，J.，Appl.Phys.64，5370(1998))一般局限于磁材料在閉合磁路中獲得的數(shù)據(jù)。在這些分析中看到的低的磁滯和渦流損失部分是由于非晶體金屬的高的電阻率帶來的。
本發(fā)明的塊狀非晶體金屬元件的每單位質(zhì)量的總的鐵心損失L(Bmax，f)基本上可以由以下形式的函數(shù)確定L(Bmax，f)＝c1f(Bmax)n+c2fq(Bmax)m其中系數(shù)c1和c2，以及指數(shù)n，m和q必須由實(shí)驗(yàn)確定，因?yàn)闆]有已知的理論能夠精確地確定它們的值。使用這個(gè)公式使得能夠確定在任何所需的操作磁感應(yīng)和激磁頻率下的本發(fā)明的塊狀非晶體金屬元件的總的鐵心損失?；旧习l(fā)現(xiàn)，在特定的幾何結(jié)構(gòu)的塊狀非晶體金屬元件中的磁場在空間是不均勻的。例如本領(lǐng)域中已知的有限元模擬技術(shù)能夠提供接近在實(shí)際的塊狀非晶體金屬元件中測量的磁通密度分布的峰值磁通密度的在空間和時(shí)間上的改變的估算。通過使用合適的在空間均勻的磁通密度下給出材料的鐵心損失的實(shí)驗(yàn)公式作為輸入，這些技術(shù)能夠以合適的精度預(yù)測給定元件在其操作配置下的相應(yīng)的鐵心損失。
本發(fā)明的磁元件的鐵心損失的測量可以使用本領(lǐng)域中已知的許多方法進(jìn)行測量。一種適用于測量本發(fā)明的磁元件的方法包括形成具有本發(fā)明的磁元件和磁通閉合結(jié)構(gòu)裝置的磁路。在另一種方法中，所述磁路可以包括多個(gè)本發(fā)明的磁元件和在操作上的磁通閉合結(jié)構(gòu)裝置。一般地說，所述磁通閉合結(jié)構(gòu)裝置包括具有高的導(dǎo)磁率和至少等于要被檢測的磁元件的磁密的飽和磁密的軟磁材料。最好是所述軟磁材料具有至少等于元件的飽和磁密。這樣的磁通的方向一般確定了元件的第一和第二相對(duì)表面，所述元件沿著所述方向被檢測。磁力線沿著基本上垂直于第一相對(duì)表面的平面的方向進(jìn)入元件。磁力線一般跟隨元件的非晶體金屬帶的平面，并從第二個(gè)相對(duì)表面穿出。磁通閉合結(jié)構(gòu)裝置一般包括磁通閉合磁元件，其最好按照本發(fā)明構(gòu)成，但是也可以按照其它的方法使用本領(lǐng)域已知的材料構(gòu)成。磁通閉合磁元件也具有第一和第二相對(duì)的表面，通過這些表面磁力線沿基本上垂直于所述表面的方向進(jìn)入和穿出。磁通閉合磁元件的相對(duì)表面的尺寸和形狀和在實(shí)際測試期間和磁通閉合元件匹配的磁元件的各個(gè)表面的尺寸和形狀基本相同。磁通閉合磁元件和本發(fā)明的磁元件呈匹配關(guān)系，其第一和第二表面分別緊靠并基本上鄰接本發(fā)明的磁元件的第一和第二表面。通過在環(huán)繞本發(fā)明的磁元件或磁通閉合元件的第一繞組輸入電流來提供磁勢。由在環(huán)繞被測試的磁元件的第二繞組感應(yīng)的電壓按照法拉第定律確定最終的磁通密度。由所述磁勢和安培定律確定施加的磁場。然后由施加的磁場和所得的磁通密度利用常規(guī)的方法計(jì)算鐵心損失。
參見圖3，其中示出了用于實(shí)現(xiàn)上述測試方法的一種形式的裝置60，其不需要磁通閉合結(jié)構(gòu)裝置。裝置60包括4個(gè)本發(fā)明的塊狀沖壓的非晶體金屬磁元件10。每個(gè)元件10是正圓環(huán)圓柱的一部分，具有圖1C所示形狀的弓形表面12。每個(gè)元件具有第一相對(duì)表面66a和第二相對(duì)表面66b。所述元件10按照匹配的關(guān)系被設(shè)置，從而形成裝置60，其基本上呈正圓環(huán)圓柱的形狀。每個(gè)元件10的第一相對(duì)表面66a緊接和其相鄰的元件10的相應(yīng)的第一相對(duì)表面66a，并基本上和其平行地對(duì)齊。因而元件10的4組相鄰的表面限定了4個(gè)沿裝置60的圓周等間距分布的間隙64。元件10的匹配關(guān)系可以借助于帶62固定。裝置60形成具有4個(gè)導(dǎo)磁部分(每個(gè)包括一個(gè)元件10)和4個(gè)間隙64的磁路。兩個(gè)銅線繞組(未示出)通過裝置60環(huán)形地纏繞。在第一個(gè)繞組內(nèi)通以合適大小的交流電流，從而提供在所需頻率和峰值磁密下激勵(lì)所述裝置的磁動(dòng)勢。磁力線基本上在帶20的平面內(nèi)，并沿著圓周的方向。在第二個(gè)繞組內(nèi)感應(yīng)出表示在每個(gè)元件10內(nèi)的時(shí)變磁通密度的電壓。由測量的電壓和電流值利用常規(guī)的電子裝置確定總的鐵心損失，并將鐵心損失平均分配到4個(gè)元件10中。
為了更完整地理解本發(fā)明，下面給出一些例子。其中特定的技術(shù)、條件、材料、比例和報(bào)告數(shù)據(jù)用于說明本發(fā)明的原理和實(shí)施，它們只是一些例子，不應(yīng)當(dāng)構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的范圍的限制。
例1沖壓的非晶體金屬弓形元件的制備和電磁測試Fe80B11Si9鐵磁非晶體金屬帶，大約60毫米寬，0.022毫米厚，被沖壓而形成各個(gè)疊層，每個(gè)疊層具有90度的環(huán)面部分的形狀，具有100mm的外徑和75mm的內(nèi)徑。大約500個(gè)疊層被堆疊并被對(duì)齊而形成90度的正圓環(huán)圓柱的弓形部分，其高度為12.5mm，外徑為100mm，內(nèi)徑為75mm，如圖1C所示。所述圓柱部分的裝置被置于一個(gè)固定裝置中，并在氮?dú)庵斜煌嘶稹Ｋ鐾嘶鸢?)把裝置加熱到365℃；2)在大約365℃的溫度下保持大約2小時(shí)；以及3)使所述裝置冷卻到環(huán)境溫度。所述圓柱部分裝置從所述固定裝置中被除去。把所述圓柱部分裝置置于第二個(gè)固定裝置中，利用環(huán)氧樹脂溶液進(jìn)行真空浸漬，并在120℃下固化大約4.5小時(shí)。當(dāng)完全固化后，把圓柱部分裝置從第二固定裝置中除去。所得的環(huán)氧樹脂粘結(jié)的非晶體金屬圓柱部分裝置的重量大約為70g。重復(fù)上述的處理，使得共形成4個(gè)這種裝置。所述4個(gè)裝置被呈匹配關(guān)系設(shè)置和捆綁，從而形成基本上為圓柱形的具有4個(gè)等間距的間隙的測試裝置，如圖3所示。把一次和二次電繞組固定到所述圓柱測試裝置上，進(jìn)行電測試。
所述測試裝置當(dāng)在大約60赫茲的頻率，大約1.4T的磁密下操作時(shí)，具有小于每千克非晶體金屬材料1瓦的鐵心損失，在大約1000赫茲的頻率，大約1.0T的磁密下操作時(shí)，具有小于每千克非晶體金屬材料12瓦的鐵心損失，在大約20000赫茲的頻率，大約0.30T的磁密下操作時(shí)，具有小于每千克非晶體金屬材料70瓦的鐵心損失。本發(fā)明的元件的低的鐵心損失使得其適用于構(gòu)成磁極面。
例2沖壓的非晶體金屬弓形元件的高頻電磁測試制備如例1所述的具有4個(gè)沖壓的非晶體金屬弓形元件的圓柱測試裝置。在所述測試裝置上設(shè)置一次和二次電繞組。在60，1000，5000，和20000赫茲和不同的磁密下進(jìn)行電測試。鐵心損失值被編輯在下面的表1，2，3和4中。如表3和表4所示，在5000赫茲或更高的激勵(lì)頻率下，鐵心損失格外低。因而，本發(fā)明的磁元件尤其適用于MRI系統(tǒng)的極面磁體。
表1在60Hz時(shí)的鐵心損失(W/kg)
表2在1000Hz時(shí)的鐵心損失(W/kg)
表3在5000Hz時(shí)的鐵心損失(W/kg)
表4在20000Hz時(shí)的鐵心損失(W/kg)
例3低損耗的塊狀非晶體金屬磁元件的高頻性能利用常規(guī)的非線性回歸方法對(duì)上述的例2中取得的鐵心損失數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。確定由Fe80B11Si9非晶體金屬帶構(gòu)成的低損耗的塊狀非晶體金屬磁元件的鐵心損失基本上由以下的函數(shù)限定L(Bmax，f)＝c1f(Bmax)n+c2fq(Bmax)m.
選擇系數(shù)c1，c2和指數(shù)n，m和q的合適的值，從而確定塊狀非晶體金屬磁元件的磁損失的上限。表5引用了例2的元件測量的損失和由上式預(yù)測的損失，其單位是瓦/千克。作為f(Hz)和Bmax(T)的函數(shù)的預(yù)測的損失利用系數(shù)c1＝0.0074，c2＝0.000282，指數(shù)n＝1.3，m＝2.4，q＝1.5。例2的塊狀非晶體金屬磁元件的測量的損失小于由公式預(yù)測的相應(yīng)的損失。
表5
上面對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，應(yīng)當(dāng)理解，不必嚴(yán)格地限制于這些細(xì)節(jié)，不脫離權(quán)利要求書限定的構(gòu)思，可以作出各種改變和改型。
權(quán)利要求
1.一種低損耗的塊狀非晶體金屬磁元件，包括多個(gè)基本相同的由鐵磁非晶體金屬帶沖壓成的疊層，所述疊層被疊置并用黏合劑粘合在一起從而形成多面體形狀的部件。
2.如權(quán)利要求1所述的低損耗的塊狀非晶體金屬磁元件，其中所述元件當(dāng)在激磁頻率“f”下被激勵(lì)到峰值磁感應(yīng)值Bmax時(shí)，具有小于L的鐵心損失，其中L由公式L＝0.0074 f(Bmax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4給出，所述鐵心損失、激磁頻率和峰值磁感應(yīng)值的單位分別是瓦/千克、赫茲和特斯拉。
3.如權(quán)利要求1所述的塊狀非晶體金屬磁元件，其中所述鐵磁非晶體金屬帶具有由通式M70-85Y5-20Z0-20限定的成分，下標(biāo)是原子百分?jǐn)?shù)，其中M是Fe，Ni和Co中的至少一種，Y是B，C和P中的至少一種，Z是Si，Al和Ge中的至少一種；附帶條件是(i)多達(dá)10個(gè)原子百分?jǐn)?shù)的成分M可以由金屬物質(zhì)Ti，V，Cr，Mn，Cu，Zr，Nb，Mo，Ta，Hf，Ag，Au，Pd，Pt和W中的至少一種代替，以及(ii)多達(dá)10個(gè)原子百分?jǐn)?shù)的成分(Y+Z)可由非金屬物質(zhì)In，Sn，Sb和Pb中的至少一種代替，以及(iii)多達(dá)約1個(gè)原子百分?jǐn)?shù)的成分(M+Y+Z)可以是伴隨的雜質(zhì)。
4.如權(quán)利要求3所述的塊狀非晶體金屬磁元件，其中每個(gè)所述鐵磁非晶體金屬帶具有這樣的成分，其中含有至少70個(gè)原子百分?jǐn)?shù)的Fe，至少5個(gè)原子百分?jǐn)?shù)的B，和至少5個(gè)原子百分?jǐn)?shù)的Si，附帶條件是，B和Si的總含量最少為15個(gè)原子百分?jǐn)?shù)。
5.如權(quán)利要求4所述的塊狀非晶體金屬磁元件，其中每個(gè)所述鐵磁非晶體金屬帶具有基本上由通式Fe80B11Si9限定的成分。
6.如權(quán)利要求1所述的塊狀非晶體金屬磁元件，其中所述塊狀非晶體金屬磁元件具有三維多面體的形狀，其具有至少一個(gè)矩形的截面。
7.如權(quán)利要求1所述的塊狀非晶體金屬磁元件，其中所述塊狀非晶體金屬磁元件具有三維多面體的形狀，其具有至少一個(gè)梯形的截面。
8.如權(quán)利要求1所述的塊狀非晶體金屬磁元件，其中所述塊狀非晶體金屬磁元件具有三維多面體的形狀，其具有至少一個(gè)方形的截面。
9.如權(quán)利要求1所述的塊狀非晶體金屬磁元件，其中所述塊狀非晶體金屬磁元件包括至少一個(gè)弓形表面。
10.一種用于構(gòu)成塊狀非晶體金屬磁元件的方法，包括以下步驟(a)沖壓鐵磁非晶體金屬帶材料以形成具有預(yù)定形狀的多個(gè)疊層；(b)疊置并對(duì)準(zhǔn)所述疊層，從而形成具有三維形狀的堆疊體；(c)將所述堆疊體退火；以及(d)用環(huán)氧樹脂浸漬所述堆疊體并固化所述樹脂浸漬的堆疊體，從而形成所述元件。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括修整所述元件，使得完成下述至少之一除去過量的黏合劑，使所述元件具有一個(gè)合適的表面光潔度以及使所述元件具有其最終的元件尺寸。
12.一種提供用于沖壓塊狀非晶體金屬帶的沖頭和沖模工具的方法，包括用碳化物材料制造所述的沖頭和沖模工具；將所述沖頭和沖模工具調(diào)節(jié)成使得沖頭和沖模之間的間隙小而均勻；以及在高的應(yīng)變率下操作所述沖壓工藝。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述碳化物材料具有至少為1100kg/mm2的硬度。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述間隙小于0.050mm(0.002英寸)。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述應(yīng)變率至少為105/秒。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述應(yīng)變率至少為5×105/秒。
17.一種低損耗的塊狀非晶體金屬磁元件，包括多個(gè)基本相同的由鐵磁非晶體金屬帶沖壓成的疊層，所述疊層被疊置并用黏合劑粘合在一起從而形成多面體形狀的部件，所述非晶體金屬帶具有至少約1.2T的飽和磁感應(yīng)，并且所述元件當(dāng)在激磁頻率f下被激勵(lì)到峰值磁感應(yīng)值Bmax時(shí)，具有小于L的鐵心損失，其中L由公式L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282 f1.5(Bmax)2.4給出，所述鐵心損失、激磁頻率和峰值磁感應(yīng)值的單位分別是瓦/千克、赫茲和特斯拉。
18.一種低損耗的塊狀非晶體金屬磁元件，包括多個(gè)基本相同的由鐵磁非晶體金屬帶沖壓成的疊層，所述疊層被疊置并用黏合劑粘合在一起從而形成多面體形狀的部件，其中每個(gè)所述非晶體金屬帶具有由通式M70-85Y5-20Z0-20限定的成分，下標(biāo)是原子百分?jǐn)?shù)，其中M是Fe，Ni和Co中的至少一種，Y是B，C和P中的至少一種，Z是Si，Al和Ge中的至少一種；附帶條件是(i)多達(dá)10個(gè)原子百分?jǐn)?shù)的成分M可以由金屬物質(zhì)Ti，V，Cr，Mn，Cu，Zr，Nb，Mo，Ta，Hf，Ag，Au，Pd，Pt和W中的至少一種代替，以及(ii)多達(dá)10個(gè)原子百分?jǐn)?shù)的成分(Y+Z)可由非金屬物質(zhì)In，Sn，Sb和Pb中的至少一種代替，以及(iii)多達(dá)約1個(gè)原子百分?jǐn)?shù)的成分(M+Y+Z)可以是伴隨的雜質(zhì)，其中所述元件當(dāng)在激磁頻率f下被激勵(lì)到峰值磁感應(yīng)值Bmax時(shí)，具有小于L的鐵心損失，其中L由公式L＝0.0074 f(Bmax)1.3+0.000282 f1.5(Bmax)2.4給出，所述鐵心損失、激磁頻率和峰值磁感應(yīng)值的單位分別是瓦/千克，赫茲和特斯拉。
19.一種低損耗的塊狀非晶體金屬磁元件，包括多個(gè)基本相同的由鐵磁非晶體金屬帶沖壓成的疊層，所述疊層被疊置并用黏合劑粘合在一起從而形成多面體形狀的部件，其中每個(gè)所述鐵磁非晶體金屬帶具有這樣的成分，其中含有至少70個(gè)原子百分?jǐn)?shù)的Fe，至少5個(gè)原子百分?jǐn)?shù)的B，和至少5個(gè)原子百分?jǐn)?shù)的Si，附帶條件是，B和Si的總含量最少為15個(gè)原子百分?jǐn)?shù)，并且其中所述元件當(dāng)在激磁頻率f下被激勵(lì)到峰值磁感應(yīng)值Bmax時(shí)，具有小于L的鐵心損失，其中L由公式L＝0.0074 f(Bmax)1.3+0.000282 f1.5(Bmax)2.4給出，所述鐵心損失、激磁頻率和峰值磁感應(yīng)值的單位分別是瓦/千克，赫茲和特斯拉。
全文摘要
一種塊狀非晶體金屬磁元件，具有多個(gè)被粘合在一起從而形成多面體形狀的三維部件的疊層，所述元件由沖壓、疊置和粘合步驟制成。所述塊狀非晶體金屬磁元件可以包括弓形表面，并且一個(gè)實(shí)施例可以包括兩個(gè)相對(duì)設(shè)置的弓形表面。所述磁元件可以在50赫茲－20000赫茲的頻率范圍內(nèi)操作，當(dāng)所述磁元件在激磁頻率“f”下被激勵(lì)到峰值磁感應(yīng)“B
文檔編號(hào)H01F41/02GK1439163SQ01811986
公開日2003年8月27日 申請(qǐng)日期2001年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月28日
發(fā)明者N·J·德克里斯托法羅, P·J·斯塔馬蒂斯, S·M·林德奎斯特, G·E·費(fèi)斯 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國際公司