專利名稱：大塊非晶體金屬感應裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及感應裝置，且更具體而言，涉及具有由多個大塊非晶體金屬磁性部件組裝成的鐵芯的高效、低鐵芯損耗的感應裝置。
背景技術：
感應裝置是多種現(xiàn)代電氣設備和電子設備的主要部件，其在最通常情況下包括變壓器和感應器。大部分這些裝置采用包括軟鐵磁性材料的鐵芯和一個或多個圍繞所述鐵芯的電繞組。感應器通常采用具有兩個端子的單個繞組，且用作過濾器和能量儲存裝置。變壓器通常具有兩個或多個繞組。它們將電壓從一個級別變換到至少一個另外的所需級別，并使整體電路的不同部分電絕緣。感應裝置可具有廣泛變化的尺寸，所述廣泛變化的尺寸具有相應變化的功率容量。不同類型的感應裝置被最優(yōu)化用于在從直流(DC)到千兆赫茲(GHz)的遍及非常寬的范圍內(nèi)的頻率下的操作。實際上，每個已公知類型的軟磁性材料都在感應裝置的構(gòu)造中得到了應用。具體軟磁性材料的選擇取決于需要的性質(zhì)、以使材料本身被有效的制造的形式存在的材料的可獲得性和服務于給定市場所需要的體積和成本的組合。通常情況下，所希望的軟鐵磁芯材料具有用以使鐵芯尺寸最小化的高飽和磁感應強度Bsat、和低矯頑力He、高磁導率μ、和低鐵芯損耗以使效率最大化。
用于電氣和電子裝置的例如馬達和從小尺寸到中等尺寸的感應器和變壓器的部件通常利用由各種級別的磁性鋼沖壓而成的層壓結(jié)構(gòu)被構(gòu)造，所述磁性鋼以具有低到100μm厚度的板材被供應。所述層壓結(jié)構(gòu)通常被層疊和緊固并隨后被所需要的一個或多個通常包括高傳導率的銅或鋁線的電繞組卷繞。這些層壓結(jié)構(gòu)通常以各種已公知的形狀被用于鐵芯中。
用于感應器和變壓器的許多形狀由大體上具有某些印刷體字母，例如“C”“U”“E”和“I”，所述部件通過所述字母被識別，的形式的構(gòu)成部件組裝而成。所述組裝形狀可進一步由反映所述構(gòu)成部件的字母表示，例如，“E-I”形狀通過將“E”部件與“I”部件組裝在一起被制成。其它廣泛使用的組裝形狀包括“E-E”“C-I”和“C-C”。用于具有這些形狀的現(xiàn)有技術鐵芯的構(gòu)成部件已經(jīng)既由常規(guī)晶體鐵磁金屬的層壓板又由已加工的大塊軟鐵氧體塊構(gòu)造而成。
盡管與其它普通軟鐵磁性材料相比，許多非晶體金屬提供了優(yōu)良的磁性能，但某些它們的物理性質(zhì)使常規(guī)的制造技術是困難的或不可能的。非晶體金屬通常被供應作為具有均勻條帶寬的薄的、連續(xù)的條帶材。然而，非晶體金屬實際上比所有常規(guī)金屬軟磁性合金更薄和更硬，因此常規(guī)的層壓結(jié)構(gòu)的沖軋或沖壓導致了制造工具和沖模的過度磨損，所述過度磨損導致快速損壞。由此引起的加工和制造成本的增加使得利用這種常規(guī)技術制造大塊非晶體金屬磁性部件在商業(yè)上不實用。非晶體金屬較薄的性質(zhì)也轉(zhuǎn)化為形成具有給定橫截面和厚度的部件所需要的層壓結(jié)構(gòu)數(shù)量的增加，這進一步增加了非晶體金屬磁性部件的總成本。被用以使鐵氧體塊成形的加工技術通常也不適于加工非晶體金屬。
非晶體金屬的性質(zhì)通常通過退火處理被最優(yōu)化。然而，所述退火通常使非晶體金屬變得非常脆，還使常規(guī)制造工藝復雜化。作為前面提到的困難的結(jié)果，被廣泛和容易地用以形成硅鋼和其它相似的金屬板材形式的FeNi和FeCo基的晶體材料的成形層壓結(jié)構(gòu)的技術還未發(fā)現(xiàn)適于制造非晶體金屬裝置和部件。非晶體金屬因此還未被市場接受用于許多裝置；盡管存在應從高磁感應強度、低損耗材料的使用中原則上意識到的尺寸、重量和能量效率的改進的巨大潛力，但是情況就是如此。
對于電子應用，例如飽和電抗器和一些扼流器而言，非晶體金屬已經(jīng)以螺旋形卷繞的圓環(huán)形鐵芯的形式被采用。以這種形式存在的裝置可在商業(yè)上得到，其直徑通常在幾個毫米到幾個厘米的范圍內(nèi)并通常被用在供應達幾百伏安(VA)的開關模式的功率源中。這種鐵芯構(gòu)型提供了完全閉合的磁路，且具有可忽略的退磁系數(shù)。然而，為了達到所需能量儲存能力，許多感應器包括具有不連續(xù)的空氣間隙的磁路。間隙的存在導致了不可忽略的退磁系數(shù)和相關的形狀各向異性，所述退磁系數(shù)和形狀各向異性在剪切的磁化回線中是顯然的。所述形狀各向異性可比可能的感應磁各向異性高得多，這成比例地增加了能量儲存容量。具有不連續(xù)空氣間隙的環(huán)形鐵芯和常規(guī)材料已經(jīng)被建議用于這種能量儲存應用。然而，所述具有間隙的環(huán)形幾何形狀僅提供了最小的設計靈活性。對于裝置使用者調(diào)節(jié)所述間隙以便選擇所需的剪切程度和能量儲存通常是困難的或不可能的。此外，將繞組施加到環(huán)形鐵芯上所需的設備比可比較的用于層壓鐵芯的繞組設備操作起來更復雜、昂貴和困難。具有環(huán)形幾何形狀的鐵芯通常不能用于高電流應用中，這是因為規(guī)定了額定電流的粗徑金屬絲不能彎曲到環(huán)形繞組所需的程度。此外，環(huán)形設計僅具有單條磁路。結(jié)果是，它們不能很好地適應和很難適于多相變壓器和感應器，包括尤其普通的三相裝置。因此要尋求更順應容易的制造和應用的其它構(gòu)型。
此外，帶繞環(huán)形鐵芯中的內(nèi)在應力引起了某些問題。繞組固有地使帶材的外表面處于拉伸狀態(tài)和內(nèi)表面處于壓縮狀態(tài)。為確保平滑的繞組所需要的線性張力促使產(chǎn)生了附加應力。作為磁致伸縮的結(jié)果，卷繞的環(huán)形鐵芯通常呈現(xiàn)比相同的帶材在扁平帶材構(gòu)型情況下測量的磁性更差的磁性。退火處理通常僅能夠釋放一部分應力，因此僅消除了一部分劣化。此外，使卷繞的環(huán)形鐵芯頻繁地造成間隙導致了附加的問題。卷繞結(jié)構(gòu)中的任何殘余的圓周應力由于間隙的形成而至少部分地被除去。實際上，凈圓周應力是不可預計的而且是或壓縮性或拉伸性的。因此實際間隙根據(jù)需要在分別的情況下傾向于閉合或打開不可預計的量以建立新的應力平衡。因此，最終間隙通常與預期的間隙不同，缺乏矯正措施。由于鐵芯的磁阻很大程度上由間隙確定，完成的鐵芯的磁性通常很難在大量生產(chǎn)過程中在一致的基底上再現(xiàn)。
非晶體金屬還已經(jīng)被用于功率高得多的裝置的變壓器中，例如用于電力網(wǎng)絡的具有10kVA至1MVA或更多的銘牌額定值的分布式變壓器。用于這些變壓器的鐵芯通常被形成階梯接縫工藝卷繞的、大體上矩形的構(gòu)型。在一種通常的構(gòu)造方法中，矩形鐵芯被首先形成并進行退火處理。所述鐵芯隨后被解開束縛以允許預形成的繞組在鐵芯的長腿部上滑動。在引入預形成的繞組后，所述層被再次束緊和緊固。在被授權(quán)給Ballard的美國專利4,734,975中闡述了用于以這種方式構(gòu)造分布式變壓器的典型工藝。這種工藝可理解地需要相當大量的體力勞動和處理步驟，所述處理步驟包括脆性退火的非晶體金屬條帶。對于小于10kVA的鐵芯，完成這些步驟是尤其冗長和困難的。此外，在這種構(gòu)型中，鐵芯不易受許多感應器應用所需要的可控制的空氣間隙引入的影響。
與鐵磁非晶體金屬的使用相關的另一個困難起因于磁致伸縮現(xiàn)象。任何磁致伸縮材料的某些磁性響應于施加的機械應力而發(fā)生變化。例如，當包括非晶體材料的部件受到應力作用時，其磁導率通常降低，且其鐵芯損耗增加。由于磁致伸縮現(xiàn)象的非晶體金屬裝置的軟磁性的劣化可歸因于應力導致的磁致伸縮現(xiàn)象，所述應力由包括在鐵芯制造過程中的變形、由于將非晶體金屬機械地夾緊或以另外的方式將其固定在適當位置而產(chǎn)生的機械應力和熱膨脹和/或由于非晶體金屬材料的磁飽和所致的膨脹導致的內(nèi)應力的起源的任何組合導致產(chǎn)生。由于非晶體金屬磁性裝置受到應力作用，其引導或聚集磁通量的地方的效率被降低，這導致了更高的磁損耗、降低的效率、增加的熱產(chǎn)生和降低的功率。這種劣化的程度通常是相當大的。其取決于具體的非晶體材料和應力的實際強度，如美國專利5,731,649所述。
非晶體金屬具有比許多其它常規(guī)軟磁性材料，包括普通電工鋼，低得多的各向異性能。對這些常規(guī)金屬的磁性具有有害效應的應力級別對例如導率和鐵芯損耗的磁性，所述性質(zhì)對于感應部件是重要的，具有嚴重的影響。例如，‘649專利教導了通過將非晶體金屬繞成線圈而形成非晶體金屬鐵芯，其具有利用環(huán)氧的層壓結(jié)構(gòu)，有害地限制了材料的線圈的熱和磁飽和膨脹。因此產(chǎn)生了高的內(nèi)應力和磁致伸縮，其降低了包括這種鐵芯的馬達和發(fā)電機的效率。為了避免應力引起的磁性劣化，‘649專利披露了一種包括多個非晶體金屬的層疊或盤繞部分的磁性部件，所述部分在不使用粘結(jié)劑連結(jié)的情況下被仔細謹慎地安裝或包括在電介質(zhì)套中。
近來技術中的重要趨勢已經(jīng)是利用開關模式的電路拓撲的功率源、轉(zhuǎn)換器和相關電路的設計?？傻玫降墓β拾雽w開關裝置的增加的能力已經(jīng)允許開關模式的裝置可在漸增的高頻率下操作。許多以前被設計具有線性調(diào)節(jié)和在行頻(通常在電網(wǎng)中為50-60Hz或在軍事應用中為400Hz)下操作的裝置現(xiàn)在基于在通常為5-200kHz和有時多達1MHz的頻率下的開關模式調(diào)節(jié)。用于使頻率增加的主要驅(qū)功率是所需磁性部件的尺寸的伴隨降低.然而，頻率的增加也顯著地增加了這些部件的磁損耗。因此存在降低這些損耗的重要的需要。
磁性部件的限制使得利用現(xiàn)有材料承擔了相當大和不希望的設計妥協(xié)。在許多應用中，普通電工鋼的鐵芯損耗是禁止的。在這種情況下，設計者必須被迫使用坡莫合金或鐵氧體作為選擇。然而，伴隨的飽和磁感應強度的降低(例如，對于各種坡莫合金為0.6-0.9T或更低和對于鐵氧體為0.3-0.4T，與對于普通電工鋼的1.8-2.0T相對)使得需要增加所得到的磁性部件的尺寸。此外，坡莫合金所希望的軟磁性受到可發(fā)生在相對較低的應力級別下的塑性變形的不利和不可逆轉(zhuǎn)的影響。這種應力可發(fā)生在坡莫合金部件的制造或操作過程中。盡管軟鐵氧體通常具有有吸引力的低損耗，但是它們的低磁感應強度值導致用于許多將空間作為重要的考慮的應用的不實用的大型裝置。此外，鐵芯的增加的尺寸不希望地使得需要較長的電繞組，所以歐姆損耗增加。
盡管上述披露示出了進展，但本領域中仍存在改進感應裝置的需要，所述改進的感應裝置呈現(xiàn)出目前要求所需的優(yōu)良的磁和物理性質(zhì)的組合。有效的利用非晶體金屬且可被實施用于各種類型的裝置的大量生產(chǎn)的構(gòu)造方法也被尋求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種包括多個低損耗的大塊非晶體金屬磁性部件的高效率的感應裝置。這種部件被組裝成并置關系以形成具有至少一條磁路的磁芯。它們通過緊固裝置被緊固在適當位置。至少一個電繞組圍繞磁芯的至少一部分。每個部件包括多個大體上形狀相似的、平面的非晶體金屬帶的層，所述層通過粘結(jié)劑被連結(jié)在一起以形成具有多個配合面的大體上多面形狀的部分。每個部件的厚度大體上相等。所述部件通過被布置在大體上平行的平面中的每個部件中的非晶體金屬的層被組裝。每個配合面接近裝置的另一個部件的配合面。
本發(fā)明的裝置有利地具有低鐵芯損耗。更具體而言，當所述感應裝置在5kHz的勵磁頻率“f”和0.3T的峰值磁感應強度大小“Bmax”下運行時，其具有小于12W/kg的鐵芯損耗。另一方面，所述裝置具有小于“L”的鐵芯損耗，其中L由公式L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4給出，所述鐵芯損耗、勵磁頻率和峰值磁感應強度大小的測量單位分別為瓦特/千克、赫茲和特斯拉。
本發(fā)明的感應裝置被用于多種電路應用中。其可用作變壓器、自耦變壓器、飽和電抗器或感應器。所述部件在使用各種開關模式電路拓撲的功率調(diào)節(jié)裝置的構(gòu)造中尤其有用。本裝置在單相和多相應用，尤其在三相應用中是有用的。
大塊非晶體金屬磁性部件有利地易于進行組裝以形成完成的感應裝置的一個或多條磁路。在一些方面中，使所述部件的配合面實現(xiàn)緊密接觸以產(chǎn)生具有低磁阻和相對正方形的B-H回線的裝置。然而，通過使用被置于配合面之間的空氣間隙組裝所述裝置，增加了磁阻，這提供了具有增強的能量儲存容量的裝置，所述增強的能量儲存容量在許多感應器的應用中是有用的。所述空氣間隙選擇地被非磁性間隔件填充。還有一個優(yōu)點是，有限數(shù)量的部件的標準尺寸和形狀可以以許多不同方式進行組裝以為裝置提供廣泛范圍的電特征。
用于構(gòu)造本裝置的部件優(yōu)選具有大體上與某些印刷體字母例如“C”“U”“E”和“I”的形狀相似的形狀，所述部件通過所述字母形狀被識別。每個部件具有至少兩個配合面，所述配合面被使得與其它部件上的相似數(shù)量的互補配合面接近且平行。在本發(fā)明的一些方面中，具有斜接的配合面的部件被有利地采用。所述部件的尺寸和形狀的柔性允許設計者具有廣泛的自由以適當?shù)厥拐麄€鐵芯和其中的一個或多個繞組窗口最優(yōu)化。結(jié)果是，裝置的整個尺寸被最小化，連同鐵芯和所需的繞組材料的體積一起被最小化。柔性裝置設計和鐵芯材料的高飽和磁感應強度的組合在設計具有緊湊尺寸和高效率的電子電路裝置中是有益的。與使用較低的飽和磁感應強度的鐵芯材料的常規(guī)感應裝置相比，具有給定功率和能量儲存額定值的變壓器和感應器通常更小和更有效。作為其在周期性的勵磁情況下的非常低的鐵芯損耗的結(jié)果，本發(fā)明的磁性裝置可在DC到200kHz或更高的范圍內(nèi)的頻率下進行操作。與在相同的頻率范圍內(nèi)操作的常規(guī)硅鋼磁性裝置相比，其呈現(xiàn)了改進的性能特征。這些和其它所希望的屬性使本裝置易于進行定制以用于專門的磁性應用，例如用作采用開關模式的電路拓撲和在lkHz到200kHz或更高的范圍內(nèi)的開關頻率的功率調(diào)節(jié)電子電路中的變壓器或感應器。
本裝置易于設有一個或更多電繞組。有利地，所述繞組可在獨立的操作中，在自支承組裝過程中或以線圈形式卷繞到繞線筒上，被形成，并在部件中的一個或多個上滑動。所述繞組還可被直接卷繞到部件中的一個或多個上。在現(xiàn)有技術的環(huán)形磁芯上設置繞組的困難和復雜性因此被消除了。
本發(fā)明還提供了一種用于構(gòu)造包括多個大塊非晶體金屬磁性部件的高效感應裝置的方法。所述方法的一個實施例包括步驟(i)通過電繞組圍繞至少一個磁性部件；(ii)將所述部件放置成并置關系以形成具有至少一條磁路的所述鐵芯，每個部件的層處于大體上平行的平面中；和(iii)將所述部件緊固成并置關系。裝置的組裝有利地未施加過度的應力，所述過度應力將不可接受地使部件和在其中包括所述部件的裝置的軟磁性劣化。


參考下列對本發(fā)明的優(yōu)選實施例的詳細描述和附圖，將更充分地理解本發(fā)明和易于理解進一步的優(yōu)點，在所述附圖中相似的附圖標記表示遍及幾個視圖中的相似元件，其中圖1是示出了利用具有“C”和“I”形狀的大塊非晶體金屬磁性部件進行組裝的本發(fā)明的具有“C-I”形狀的感應裝置的透視圖；圖2A是示出了具有“C-I”形狀的本發(fā)明的感應裝置的平面圖，其中“C”和“I”形狀的大塊非晶體金屬磁性部件處于配合接觸狀態(tài)且所述“C”形狀的部件在其每個腿部上承載電繞組；圖2B是示出了具有“C-I”形狀的本發(fā)明的感應裝置的平面圖，其中“C”和“I”形狀的大塊非晶體金屬磁性部件被間隔件隔開且“I”形狀部件承載電繞組；圖2C是示出了具有“C-I”形狀且包括具有斜接配合面的大塊非晶體金屬磁性部件的本發(fā)明的感應裝置的平面圖；圖3是示出了承載電繞組和適于被安放在本發(fā)明的感應裝置中包括的大塊非晶體金屬磁性部件上的繞線筒的透視圖；圖4是示出了具有“E-I”形狀的本發(fā)明的感應裝置的透視圖，所述裝置利用具有“E”和“I”形狀的大塊非晶體金屬磁性部件和設置在“E”形狀部件的每個腿部上的繞組組裝而成；圖5是示出了圖4所示裝置的一部分的剖面圖；圖6是示出了包括“E”和“I”形狀的大塊非晶體金屬磁性部件的“E-I”形狀的本發(fā)明的感應裝置的平面圖，所述部件組裝帶有相應部件的配合面之間的空氣間隙和間隔件；圖7是示出了“E-I”形狀的本發(fā)明的感應裝置的平面圖，其中大塊非晶體金屬磁性部件的每個配合面被斜接；圖8是示出了具有大體上“E-I”形狀的本發(fā)明的裝置的平面圖，所述裝置由五個“I”形狀的大塊非晶體金屬磁性部件組裝而成，三個腿部件具有一個尺寸和兩個背部件具有另一個尺寸；圖9是示出了正方形的本發(fā)明的感應裝置的平面圖，所述裝置由四個大體上相同的“I”形狀的大塊非晶體金屬磁性部件組裝而成；圖10是示出了用于構(gòu)造本發(fā)明的感應裝置的具有大體上矩形棱柱體形狀的大塊非晶體金屬磁性部件的透視圖；圖11是示出了用于構(gòu)造本發(fā)明的感應裝置的弧形大塊非晶體金屬磁性部件的透視圖；圖12是用于形成非晶體金屬條帶的層壓帶的矩形棒的設備和工藝的示意圖，一個或多個本發(fā)明的大塊非晶體金屬磁性部件從所述矩形棒上切割下來；圖13是示出了非晶體金屬條帶的層壓帶的棒的透視圖，所述棒被指定進行切割以形成用于構(gòu)造本發(fā)明的感應裝置的梯形大塊非晶體金屬磁性部件；圖14是具有四邊形形狀的本發(fā)明的感應裝置的平面圖，所述裝置由四個梯形大塊非晶體金屬磁性部件組裝而成；圖15是用于形成非晶體金屬條帶的層壓帶的矩形環(huán)形鐵芯的設備和工藝的示意圖，一個或多個本發(fā)明的大塊非晶體金屬磁性部件從所述矩形塊上切割下來；和圖16是層壓的非晶體金屬條帶的大體上矩形的鐵芯的透視圖，所述矩形鐵芯被指定進行切割以形成用于構(gòu)造本發(fā)明的感應裝置的大塊非晶體金屬磁性部件。
具體實施例方式
本發(fā)明針對高效率感應裝置，例如感應器和變壓器。所述裝置采用包括多個低損耗大塊鐵磁非晶體金屬部件的磁芯，所述部件被組裝以形成至少一條磁路。通常情況下，根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的多面體形狀的大塊非晶體金屬部件可具有多種幾何形狀，包括矩形、正方形和梯形棱柱體以及類似形狀。此外，任何前面提到的幾何形狀可包括至少一個弧形表面，和優(yōu)選兩個相對設置的弧形表面，以形成大體上成曲形的或弧形的大塊非晶體金屬部件。所述感應裝置還包括至少一個導電繞組。
本發(fā)明的裝置優(yōu)選由構(gòu)成部件組裝而成，所述構(gòu)成部件具有與某些印刷體字母例如“C”、“U”、“E”和“I”的形狀大體上相似的整體形狀，所述部件通過所述字母形狀被識別。成品裝置常常由表示兩個或多個構(gòu)成部件的形狀的字母表示。例如“C-I”、“E-I”、“E-E”、“C-C”和“C-I-C”裝置可通過本發(fā)明的部件被方便地成形。每個部件進一步包括多個具有大體上相似的形狀的非晶體金屬的平面層。所述層被疊置成大體上相同的高度和填充密度并被連結(jié)在一起以形成所述部件。所述裝置通過利用緊固裝置將部件緊固成相鄰關系被組裝，從而形成至少一條磁路。在組裝構(gòu)型中，每個部件中的非晶體金屬帶的層位于大體上平行的平面中。每個部件具有至少兩個配合面，所述配合面與其它部件上的相似數(shù)量的互補配合面接近且平行。一些形狀，例如C、U、和E形狀，終止于通常大體上共面的配合面上?！癐”(或矩形棱柱體)可在其相對的端部處具有兩個平行的配合面或在其長側(cè)上具有一個或多個配合面。所述配合面優(yōu)選與部件中的構(gòu)成條帶的平面垂直以最小化鐵芯損耗。本發(fā)明的一些實施例還包括具有配合面的大塊磁性部件，所述配合面相對于部件的特征的細長方向是斜接的。
在本發(fā)明的一些方面中，當形成具有單條磁路的感應裝置時，使用分別具有兩個配合面的兩個磁性部件。在其它方面中，部件具有兩個以上的配合面或所述裝置具有兩個以上的部件；因此，這些實施例中的一些還提供了一條以上的磁路。正如此處使用的，術語磁路表示通路，通過強加由圍繞至少一部分磁路的載流繞組產(chǎn)生的磁動勢導致連續(xù)的磁通線沿所述通路流動。閉合磁路是一個通路，在所述通路中磁通量排他地位于磁性材料的鐵芯內(nèi)，而磁通量通路的開路部分位于鐵芯材料外，例如橫穿鐵芯的部分之間的空氣間隙或非磁性的間隔件。本發(fā)明的裝置的磁路優(yōu)選是相對閉合的，磁通量通路主要位于所述裝置的部件的磁性層內(nèi)，但也橫穿相應部件的鄰近配合面之間的至少兩個空氣間隙?？赏ㄟ^由空氣間隙和可導磁的鐵芯材料所貢獻的總磁阻的分數(shù)確定所述磁路的敞開量。本裝置的磁路優(yōu)選具有磁阻，間隙對所述磁阻的貢獻最多是可導磁的部件對磁阻的貢獻的十倍。
詳細地參見圖1，圖中主要示出了包括“C”形狀的磁性部件2和“I”形狀的磁性部件3的具有“C-I”形狀的本發(fā)明的感應裝置1的一種形式。所述“C”形狀部件2還包括第一側(cè)腿部10和第二側(cè)腿部14，每個所述腿部從背部4的共同側(cè)中垂直地延伸出來并分別遠端終止于第一矩形配合面11和第二矩形配合面15處。所述配合面通常是大體上共面的。側(cè)腿部10、14從背部4一側(cè)的相對端部懸出?！癐”部件3是具有第一矩形配合面12和第二矩形配合面16的矩形棱柱體，所述兩個配合面都位于部件3的共同側(cè)上。所述配合面12和16具有一定尺寸和其間的間隔，所述間隔與在部件2的腿部10、14的端部處的相應配合面11、15之間的間隔互補。每個側(cè)腿部10、14、所述側(cè)腿部之間的背部4和I部件3均具有大體上矩形幾何形狀的橫截面，所有所述部分和部件優(yōu)選具有大體上相同的高度、寬度和有效磁面積。就有效磁面積而言，其意味著被磁性材料占據(jù)的幾何形狀橫截面內(nèi)的面積，所述面積等于總幾何形狀面積與疊片因數(shù)之積。
在圖2A中最佳示出的本發(fā)明的一個方面，在C-I裝置1的組裝過程中使分別互補的配合面11、12和15、16實現(xiàn)緊密接觸。這種布置為裝置1提供了低磁阻和伴隨的相對正方形的B-H磁化回線。在另一個方面中，參見圖2B，選擇性間隔件13、17被插入部件2、3的相應配合面之間以在磁路中的部件之間設置間隙，所述間隙已公知是空氣間隙。間隔件13、17優(yōu)選由不傳導的、非磁性材料構(gòu)成，所述材料具有足夠的熱阻以阻止由于暴露于裝置1的組裝和操作中遭遇的溫度所致的劣化或變形。適當?shù)拈g隔件材料包括陶瓷和聚合材料和塑料材料例如聚酰亞胺膜和牛皮紙。間隙的寬度優(yōu)選由間隔件13、17的厚度設定且被選擇以達到所需磁阻和退磁系數(shù)和給定電路應用中所需要的裝置1的B-H回線的相關剪切程度。
“C-I”裝置1還包括至少一個電繞組。在圖1和圖2A所示的方面中，設置了圍繞相應腿部10、14的第一電繞組25和第二電繞組27。沿正指向流過、在端子25a處進入且在端子25b處流出的電流促使磁通量大體上沿通路22且具有根據(jù)右手法則的所示的指向23。所述“C-I”裝置1可被操作作為感應器，所述感應器使用繞組25、27中的一個繞組或使用有助于增加電感的串聯(lián)連接的兩個繞組。另一種可選實施方式是，C-I裝置1可例如通過被連接作為初級繞組的繞組25和被連接作為次級繞組的繞組27，以電變壓器領域中已公知的方式被操作作為變壓器。每個繞組中的匝數(shù)根據(jù)變壓器或感應器設計中已公知的原則進行選擇。圖2B還示出了具有設置在I部件3上的單個繞組28的另一種可選實施的感應器構(gòu)型。
裝置1的至少一個電繞組可位于部件2、3中的任一個部件上的任何位置處，盡管所述繞組優(yōu)選不影響任何的空氣間隙。設置所述繞組的一種便利的方式是將可傳導的金屬絲，通常是銅或鋁，的線匝卷繞在具有中空的內(nèi)部空間的繞線筒上，所述空間具有一定尺寸以允許其在腿部10、14的一個腿部上滑動，或滑動到I部件3上。圖3示出了繞線筒150的一種形式，所述繞線筒具有本體部分152、端部凸緣154和內(nèi)孔156，所述內(nèi)孔被形成一定尺寸以允許繞線筒150在需要的磁性部件上滑動。一個或多個繞組158圍繞本體部分152。在組裝感應裝置之前，可在獨立的操作中利用簡單的繞線設備將金屬絲有利地卷繞在繞線筒150上。優(yōu)選由不傳導塑料例如聚對苯二甲酸乙二醇酯樹脂組成的繞線筒150提供了繞組和鐵芯之間的附加電絕緣。此外，所述繞線筒在裝置的制造和使用過程中為鐵芯和繞組提供了機械保護。另一種可選實施方式是，金屬絲的線匝可被直接卷繞在部件2、3的一個部件的一部分上?？墒褂萌魏我压螤畹慕饘俳z，包括圓形、矩形和窄帶形狀。
C-I裝置1的組件被緊固以為成品裝置提供機械完整性和保持構(gòu)成部件2、3、電繞組25、27、間隙間隔件13、17，如果其存在的話、和輔助硬件的相對定位。所述緊固可包括機械結(jié)合、夾固、粘結(jié)、罐封或類似方式的任何組合。裝置1還可包括在部件2、3的外表面的至少一部分上的絕緣涂層。這種涂層優(yōu)選在多個方面中不存在于任何配合表面11、12、15、16上，其中部件的盡可能低的磁阻和緊密接觸是所需的。如果繞組被直接施加到部件2、3上，那么所述涂層是特別有幫助的，這是由于磨損、變短或?qū)饘俳z繞組的絕緣的其它損害要不然可發(fā)生。所述涂層可包括環(huán)氧樹脂或紙或聚合物背襯的窄帶或在任一部件周圍卷繞的其它已公知的絕緣材料。
圖2C示出了本發(fā)明的C-I鐵芯的另一個實施例。在這個方面中，鐵芯51包括C形狀部件52和梯形部件53。C部件52的腿部10、14的遠端呈向內(nèi)傾斜的角度，優(yōu)選45°斜接，并終止于斜接配合面33、36。C部件52在其每個角處還具有呈圓角的外頂點42和內(nèi)頂點43。這種呈圓角的頂點可存在于用于本發(fā)明的所述實施例中的許多部件中。梯形部件53終止于斜接配合面34、37。所述梯形部件53的斜接部呈與C部件52的斜接部互補的角度，優(yōu)選也是45°。通過這種斜接角度的布置，部件52、53可被并置以使得其相應的配合面或者實現(xiàn)緊密接觸或如圖2C所示，被略微分開以形成空氣間隙，間隔件33、38可選擇性地插入所述空氣間隙中。
圖4-圖6示出了提供了包括具有“E”和“I”形狀的構(gòu)成部件的“E-I”裝置100的本發(fā)明的方面。E部件102包括多個由鐵磁金屬帶制備的層。每個層具有大體上相同的E形狀。所述層被連結(jié)在一起以形成E部件102，所述E部件102具有大體上均勻的厚度且具有背部104和中間腿部106、第一側(cè)腿部110和第二側(cè)腿部114。中間腿部106和側(cè)腿部110、114中的每個腿部從背部104的共同側(cè)垂直延伸出來并分別遠端地終止于矩形面107、111、115。所述中間腿部106從背部104的中間懸出，而側(cè)腿部110、114分別從背部104的相同側(cè)的相對端部懸出。中間腿部106和側(cè)腿部110、114的長度通常大體上相同以使得相應面107、111、115大體上共面。如圖5所示，中間腿部104和側(cè)腿部110、114中的任一個側(cè)腿部之間的背部104的剖面A-A大體上是矩形的，具有由疊置的層的高度所限定出的厚度和由每個所述層的寬度限定出的寬度。背部104的剖面A-A的寬度優(yōu)選被選擇以至少和面107、111、115中的任一個面一樣寬。
I部件101具有矩形棱柱體形狀且包括多個利用與E部件102中的層相同的由鐵磁金屬帶制備的層。所述層被連結(jié)在一起以形成具有大體上均勻厚度的I部件101。I部件101具有與背部104的剖面A-A的厚度和寬度大體上相等的厚度和寬度，并具有與在側(cè)腿部110、114的外表面之間測量的E部件102的長度大體上相同的長度。在I部件101的一側(cè)的中間設置了中間配合面108，而第一端配合面112和第二端配合面116位于部件101的相同側(cè)的相對端部處。每個配合107、111、115在尺寸上分別與互補面108、112、116大體上相同。
如圖4和圖6還示出的，裝置100的組裝包括(i)設置一個或多個電繞組，例如繞組120、121、122，所述繞組圍繞部件102或101的一個或多個部分；(ii)使E部件102和I部件101對準并使其接近且其中的所有層在大體上平行的平面中；和(iii)將部件101和102呈并置關系機械緊固。對準部件102和101以使得面107和108、111和112，以及115和116分別接近。所述相對應的面之間的空間限定出三個具有大體上相同厚度的空氣間隙。間隔件109、113和117被選擇性的安放在這些間隙中以增加裝置100中的每條磁路的磁阻和能量儲存容量。另一種可選實施方式是，所述相對應的面可實現(xiàn)緊密接觸以最小化空氣間隙和增加初始磁阻。
“E-I”裝置100可被包括在具有初級繞組和次級繞組的單相變壓器中。在一個這種實施例中，繞組122用作初級繞組且被串連連接的繞組120和121用作次級繞組。在這個實施例中，每個側(cè)腿部110和114的寬度優(yōu)選至少是中間腿部106的寬度的一半。
圖4-圖6中的實施例示意性地提供了三條磁路，所述磁路具有“E-I”裝置100中的通路130、131和132。結(jié)果是，裝置100可被用作三相感應器，三個腿部分別承載繞組用于三相中的一相。在另一個實施例中，“E-I”裝置100可被用作三相變壓器，每個腿部既承載初級又承載次級繞組用于多相中的一相。在旨在用于三相電路的E-I裝置的大多數(shù)實施例中，腿部106、110、114優(yōu)選具有相等的寬度以更好地使所述三相平衡。在某些特定的設計中，不同的腿部可具有不同的橫截面、不同的間隙或不同的匝數(shù)。本領域中的普通技術人員將易于理解其它適于各種多相應用的形式。
圖7示出了另一個E-I實施例，其中E-I裝置180包括斜接的E部件182和斜接的I部件181。部件182的中間腿部106的遠端以在部件的每個側(cè)面上的對稱斜度斜接以形成配合面140a和140b，且在外腿部110、114的遠端處具有向內(nèi)傾斜的斜接面以形成斜接配合面144、147。I部件181在其端部呈與腿部110、114的斜接面互補的角度斜接以形成斜接端部配合面145、148，且在其中間斜接具有大體上V形狀的切口以形成與腿部106的斜接部互補的配合面141a和141b。每個所述面優(yōu)選相對于部件，所述面位于所述部件上，的相應部分的縱向呈45°角度斜接。腿部106、110、114的長度被選擇以允許部件181、182或通過緊密接觸或通過間隙間隔的相應的配合面形成并置關系，選擇性間隔件142、146和149被安放在所述間隙中。如圖2C和圖7所示的配合面的斜接有利地增加了配合面的面積并減少了漏磁通和局部的過度渦電流損耗。
在具有多種構(gòu)型的磁性裝置可由幾個標準I部件組裝而成的情況下，具有I形狀的部件對于本發(fā)明的實踐是尤其便利的。利用這種部件，設計者可易于選擇構(gòu)型以產(chǎn)生具有給定的電路應用所需要的電特征的裝置。例如，通常還可利用如圖8所示的具有五個矩形棱柱體磁性部件的布置的裝置200實現(xiàn)如圖4所示的E-I裝置100所適合的許多應用。所述部件包括具有大體上相同的尺寸的第一背部件210和第二背部件211；和具有大體上相同的尺寸的中間腿部件240、第一端腿部件250和第二端腿部件251。所述五個部件210、211、240、250和251中的每個部件包括鐵磁帶的層，所述層被層壓以產(chǎn)生具有大體上相同的疊層高度的部件，但是所述背部件和腿部件通常具有不同的相應長度和寬度。所述部件通過其中的所有非晶體金屬的層位于平行的平面上被設置。部件的尺寸的適當選擇提供了窗口以容納利用本領域公認的原則被最優(yōu)化的電繞組。所述繞組優(yōu)選以與裝置100中的構(gòu)型相似的方式被設置在腿部240、250和251上。另一種可選實施方式是或此外，所述繞組可被安放在腿部之間的背部件210、211中的任一個或二者上。間隔件被選擇性地安放在裝置200的部件之間的間隙中以通過與裝置100相關的在上文討論的方式調(diào)節(jié)裝置200的磁路的磁阻。與圖2C和圖7所示的斜面接合相似的斜面接合在一些實例中是有利的。
在圖9中示出了本發(fā)明的一個實施例，其中四個大體上相同的矩形棱柱體部件301被組裝成大體上正方形的構(gòu)造。因此形成的裝置300可被用于一些應用中作為圖1所示的“C-I”裝置的可選實施方式。當構(gòu)造本發(fā)明的感應裝置時，其它采用具有一個或多個尺寸的矩形形狀部件的構(gòu)型是有用的。本領域的技術人員將易于理解這些用于構(gòu)造感應裝置的構(gòu)型和方式，且所述構(gòu)造和方式在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
正如前面提到的，本發(fā)明的裝置使用了多個多面體形狀的部件。正如此處使用的，術語多面體意味著具有多面的或多側(cè)面的固體。其包括，但不限于，具有相互正交的側(cè)面的三維矩形和正方形棱柱體，和具有一些非正交側(cè)面的其它形狀，例如梯形棱柱體。此外，任何前面提到的幾何形狀可包括至少一個和優(yōu)選兩個弧形表面或側(cè)面，所述弧形表面或側(cè)面被彼此相對設置以形成大體上弧形形狀的部件?，F(xiàn)在參見圖10，示出了磁性部件56的一種形式，所述磁性部件被用于構(gòu)造本發(fā)明的裝置且具有矩形棱柱體的形狀。所述部件56包括多個具有大體上相似的形狀、通常為平面的非晶體金屬帶材的層57，所述層被連結(jié)在一起。在本發(fā)明的一個方面中，對所述層進行退火并隨后通過浸漬粘結(jié)劑58，優(yōu)選低粘度的環(huán)氧，對其進行層壓。
圖11示出了有助于構(gòu)造本發(fā)明的感應裝置的部件80的另一種形式。弧形部件80包括多個弧形形狀的層壓結(jié)構(gòu)層81，每個所述層優(yōu)選是所述環(huán)形物的一部分。層81被連結(jié)在一起，因此形成了具有外弧形表面83、內(nèi)弧形表面84和端部配合表面85和86的多面體形狀部件。部件80優(yōu)選浸漬粘結(jié)劑82，所述粘結(jié)劑被使得滲入相鄰層之間的間隔中。配合表面85和86優(yōu)選具有大體上相等的尺寸且與帶層81的平面垂直。
“U”形狀的弧形部件80，其中表面85和86是共面的，是特別優(yōu)選的?；⌒尾考渲斜砻?5、86相對于彼此呈120°或90°的角度，也是優(yōu)選的。兩個、三個或四個這種部件易于分別進行組裝以形成環(huán)形鐵芯，所述環(huán)形鐵芯具有大體上閉合的磁路。
由根據(jù)本發(fā)明的大塊非晶體金屬磁性部件構(gòu)造而成的感應裝置有利地呈現(xiàn)了低鐵芯損耗。正如磁性材料領域中已公知的，裝置的鐵芯損耗是勵磁頻率“f”和使所述裝置勵磁到的峰值磁感應強度大小“Bmax”的函數(shù)。在一個方面中，磁性裝置具有(i)當其在近似60Hz的頻率和近似1.4特斯拉(T)的磁通密度下操作時，低于或近似等于1瓦特/千克非晶體金屬材料的鐵芯損耗；(ii)當其在近似1000Hz的頻率和近似1.4特斯拉(T)的磁通密度下操作時，低于或近似等于20瓦特/千克非晶體金屬材料的鐵芯損耗；或(iii)當其在近似20,000Hz的頻率和近似0.30特斯拉(T)的磁通密度下操作時，低于或近似等于70瓦特每千克非晶體金屬材料的鐵芯損耗。根據(jù)另一個方面，在勵磁頻率“f”和峰值磁感應強度大小“Bmax”下勵磁的裝置可具有在室溫下低于“L”的鐵芯損耗，其中L由公式L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4給出，所述鐵芯損耗、勵磁頻率和峰值磁感應強度大小的測量單位分別為瓦特/千克、赫茲和特斯拉。
當所述部件或其任何部分大體上沿在所述部件中包括的非晶體金屬片的平面內(nèi)的任何方向被勵磁時，本發(fā)明的部件有利地呈現(xiàn)了低鐵芯損耗。本發(fā)明的感應裝置的構(gòu)成磁性部件的低鐵芯損耗進一步為本發(fā)明的感應裝置提供了高效率。所得的裝置的低鐵芯損耗值使所述裝置尤其適于用作旨在用于高頻率操作，例如用于在至少約1kHz的頻率下勵磁的感應器或變壓器。常規(guī)鋼在高頻率下的鐵芯損耗通常使它們不適于用于這種感應裝置中。這些鐵芯損耗性能值適用于本發(fā)明的各個實施例中，而不考慮用于構(gòu)造感應裝置的大塊非晶體金屬部件的具體尺寸。
還提供了一種構(gòu)造在本發(fā)明的裝置中使用的大塊非晶體金屬部件的方法。在圖12中所示的一個實施例中，鐵磁非晶體金屬帶材的連續(xù)帶22從軋輥30被送料通過切割刀片32，所述切割刀片切割出多個具有相同形狀和尺寸的帶92。所述帶92被層疊以形成層疊的非晶體金屬帶材的棒90。對棒90進行退火且通過活化和固化的粘結(jié)劑使層92彼此粘結(jié)。棒90優(yōu)選被粘結(jié)劑，例如低粘度、熱活性的環(huán)氧樹脂，浸漬。所述棒被切割以產(chǎn)生一個或多個具有所需形狀，例如大體上的矩形、正方形或梯形棱柱體形狀的通常三維的部件。在本發(fā)明的一個方面中，沿切割線98對棒90進行切割，如圖13所示，以產(chǎn)生多個通過浸漬環(huán)氧樹脂94被連結(jié)的梯形形狀的部件96。切割線98優(yōu)選相對于棒90的平行長側(cè)呈交互45°角度取向。在一個方面中，這種切割工藝被用以形成兩對部件，每對所述部件的構(gòu)件具有大體上相同的尺寸。所述兩對部件可如圖14所示通過使45°面配合以形成四邊矩形構(gòu)型99而進行組裝，所述構(gòu)型具有斜角接合且在四邊形的相對側(cè)上具有成對部件。所述斜面接合擴大了相應接合處的接觸面積并減少了漏磁通和鐵芯損耗增加的有害效應。
在本發(fā)明的方法的另一個方面中，如圖15和16所示，通過將單個鐵磁非晶體金屬帶22或一組鐵磁非晶體金屬帶22卷繞在大體上矩形的心軸60周圍以形成大體上矩形的卷繞鐵芯70，形成矩形棱柱體大塊非晶體金屬磁性部件。對所述鐵芯70進行退火且優(yōu)選通過浸漬活化和固化的粘結(jié)劑使層彼此粘結(jié)。低粘度、熱活性的環(huán)氧樹脂是優(yōu)選的。通過切割短側(cè)74，留下連接到長側(cè)78a和78b上的圓角76，可形成兩個矩形部件。通過從長側(cè)78a和78b中去除圓角76，和在一個或多個位置，例如虛線72所示的那些位置處，切割長側(cè)78a和78b，可形成附加的磁性部件。在圖16所示的實例中，所述切割形成了具有大體上三維矩形形狀的大塊非晶體金屬部件，盡管其它三維形狀如，例如具有至少一個梯形或正方形面的形狀，為本發(fā)明所預期。
在本發(fā)明的實踐中，使用粘結(jié)手段以使多個非晶體金屬帶材的片或?qū)訅航Y(jié)構(gòu)彼此適當對齊地進行粘結(jié)，從而提供大塊的三維物體。所述連結(jié)提供了充分的結(jié)構(gòu)整體性，所述結(jié)構(gòu)整體性允許本部件被處理和并入更大的結(jié)構(gòu)中，而沒有伴隨產(chǎn)生的可導致高鐵芯損耗或其它不可接受的磁性劣化的過大應力。多種粘結(jié)劑可以是適當?shù)?，包括那些包含環(huán)氧、清漆、厭氧粘結(jié)劑、氰基丙烯酸酯、和室溫硫化(RTV)硅酮材料的粘結(jié)劑。所希望的是粘結(jié)劑具有低粘度、低收縮率、低彈性模量、高撕裂強度和高介電強度。所述粘結(jié)劑可充分覆蓋每個層壓結(jié)構(gòu)的表面區(qū)域的任何部分以實現(xiàn)相鄰層壓結(jié)構(gòu)彼此之間的足夠連結(jié)并從而提供充分的強度以為成品部件提供機械完整性。所述粘結(jié)劑可大體上覆蓋所有表面區(qū)域。環(huán)氧可或者是多組分的，所述多組分環(huán)氧的固化是化學活性的，或單組分的，所述單組分環(huán)氧的固化是熱活性的或通過暴露于紫外線輻射而固化。粘結(jié)劑優(yōu)選具有低于1000cps的粘度和近似等于金屬或約10ppm的熱膨脹系數(shù)。
用于施加粘結(jié)劑的適當方法包括浸漬、噴涂、刷涂和靜電沉積。以帶或條帶的形式存在的非晶體金屬還可通過使其在將粘結(jié)劑傳送到非晶體金屬上的桿或輥上通過被涂覆。具有織紋表面的輥或桿，例如凹版或金屬絲纏繞的輥，對將均勻的粘結(jié)劑涂層傳送到非晶體金屬上尤其有效。粘結(jié)劑可每次被施加到單獨的非晶體金屬層上，或在切割前施加到帶材上或在切割后施加到層壓結(jié)構(gòu)上。另一種可選實施方式是，粘結(jié)劑裝置可在層壓結(jié)構(gòu)被層疊后被集體施加到層壓結(jié)構(gòu)上。疊層優(yōu)選被層壓結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)劑的毛細管流被浸漬。可在周圍溫度和壓力下實施所述浸漬步驟。另一種可選實施方式是，疊層被安放在或真空中或凈水壓力下以實現(xiàn)更完全的填充，而最小化添加的粘結(jié)劑的總量。這個過程確保了高的疊層因數(shù)且因此是優(yōu)選的。優(yōu)選使用低粘度的粘結(jié)劑，例如環(huán)氧或氰基丙烯酸酯。適度加熱也可被用以降低粘結(jié)劑的粘度，從而增強其在層壓結(jié)構(gòu)層之間的滲透性能。粘結(jié)劑根據(jù)需要被活化以促進其連結(jié)性能。在粘結(jié)劑已經(jīng)受到任何所需的活化和固化后，部件可進行最終加工以實現(xiàn)除去任何過量的粘結(jié)劑、為部件提供適當?shù)谋砻婢蜑椴考峁┳罱K部件尺寸中的至少一個。如果在至少約175°C的溫度下實施粘結(jié)劑的活化或固化，其還可用來影響磁性能，正如下文更詳細地討論的。
一種優(yōu)選的粘結(jié)劑是由P.D.George公司出售的商品名稱為Epoxylite 8899的熱活性環(huán)氧。本發(fā)明的裝置優(yōu)選通過浸漬這種環(huán)氧被連結(jié)，用丙酮將所述環(huán)氧稀釋至1∶5的體積比以降低其粘度和增強其在條帶的層之間的滲透性能。所述環(huán)氧可通過被暴露在高溫，例如在約170至180°的范圍內(nèi)約2至3小時的范圍內(nèi)的時間而進行活化和固化。另一種被發(fā)現(xiàn)是優(yōu)選的粘結(jié)劑是由National Starch andChemistry公司出售的商品名稱為Permabond 910FS的氰基丙烯酸甲酯。本發(fā)明的裝置優(yōu)選通過施加這種粘結(jié)劑以使得其將通過毛細作用滲透在條帶的層之間而進行連結(jié)。Permabond 910FS是單組分、低粘度液體，所述液體將在存在濕氣的情況下在室溫下在5秒鐘內(nèi)固化。
本發(fā)明還提供了一種組裝多個大塊非晶體金屬磁性部件以形成具有磁芯的感應裝置的方法。所述方法包括以下步驟(i)用電繞組圍繞至少一個部件；(ii)將所述部件放置成并置關系以形成鐵芯，所述鐵芯具有至少一條磁路，且其中每個部件的層位于大體上平行的平面中；和(iii)將所述部件緊固成并置關系。
在本發(fā)明的裝置中組裝的部件的布置通過任何適當?shù)木o固裝置被緊固。所述緊固裝置優(yōu)選不給構(gòu)成部件提供可導致磁性例如磁導率和鐵芯損耗的劣化的高應力。所述部件優(yōu)選通過由金屬、聚合物或織物制成的環(huán)繞的帶條、帶、窄帶、或板被結(jié)合。在本發(fā)明的另一個實施例中，緊固裝置包括相對剛性的殼體或框，所述殼體或框優(yōu)選由塑性材料或聚合物材料制成，具有一個或多個空腔，所述構(gòu)成部件被裝配到所述空腔內(nèi)。用于殼體的適當材料包括尼龍和玻璃填充的尼龍。更優(yōu)選的材料包括聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚對苯二甲酸丁二酯，所述材料在商業(yè)上可從杜邦公司得到，商品名稱為Rynite PET熱塑性聚酯。空腔的形狀和安放確保了部件處于所需的對準狀態(tài)。在另一個實施例中，緊固裝置包括剛性或半剛性的外部電介質(zhì)涂層或罐封。構(gòu)成部件被設置成所需的對準狀態(tài)。涂層或罐封隨后被施加到裝置的外表面的至少一個部分上且被適當?shù)鼗罨凸袒跃o固部件。在一些實施方式中，在應用涂層或罐封之前施加一個或多個繞組。各種涂層和方法是適當?shù)?，包括環(huán)氧樹脂在內(nèi)。如果需要，最終加工操作可包括除去任何多余的涂層。外部涂層有利地保護了部件上的電繞組的絕緣使其避免在尖銳的金屬邊緣處磨損且用以捕獲可傾向于從部件上脫落或要不然被不適當?shù)厝菁{在裝置或其它附近的結(jié)構(gòu)中的碎片或其它材料。
部件的制造選擇地還包括制備部件上的配合面的步驟，所述配合面大體上是平面的且垂直于構(gòu)成層。如果需要，制備所述面可包括整平操作以精整所述配合面和除去任何粗糙度或非平面。所述整平優(yōu)選包括銑削、表面研磨、切削、拋光、化學浸蝕和電化學浸蝕中的至少一種或相似的操作以提供平面的配合表面。所述整平步驟對于位于部件側(cè)面的配合面是尤其優(yōu)選的以矯正任何非晶體金屬層的不理想對齊的效應。
各種緊固技術可被組合實施以提供抵抗在操作中伴隨部件的勵磁的外部強加機械力和磁力的附加強度。
通過使用許多切割技術可實現(xiàn)從層疊的非晶體金屬帶的棒50或卷繞的非晶體金屬帶的鐵芯70上切割出本發(fā)明的大塊非晶體金屬磁性部件。適當?shù)姆椒òǎ幌抻?，使用磨料切割刀片或輪、機械研磨、金剛線切割、沿水平或垂直方向進行的高速銑削、磨料噴水銑削、通過金屬絲或浸入的放電加工、電化學研磨、電化學加工和激光切割。切割方法優(yōu)選不在或接近切割表面處產(chǎn)生任何可明顯的損害。這種損害可起因于，例如，過大的切割速度，所述過大的切割速度使非晶體金屬局部加熱超過其結(jié)晶溫度或甚至使材料在或接近邊緣處熔化。不利的結(jié)果可包括在邊緣附近的增加的應力和鐵芯損耗、層間縮短、或機械性質(zhì)的劣化。具有相對簡單的形狀而沒有內(nèi)部頂點的部件，例如矩形棱柱體形狀或梯形部件，優(yōu)選通過使用切割刀片或輪從棒50或鐵芯70上切割下來。具有內(nèi)部頂點的其它形狀，例如C部件和E部件，更易于通過例如機械研磨、金剛線切割、沿水平或垂直方向進行的高速銑削、磨料噴水銑削、通過金屬絲或浸入的放電加工、電化學研磨、電化學加工和激光切割的技術從棒50或鐵芯70上切割下來。
包括根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的大塊非晶體金屬磁性部件的感應裝置尤其適于作為用于多種電子電路裝置的感應器和變壓器，所述電子電路裝置值得注意地包括功率調(diào)節(jié)電路裝置例如功率源、電壓轉(zhuǎn)換器、和相似的利用開關模式技術在1kHz或更高的頻率下操作的功率調(diào)節(jié)裝置。本感應裝置的低損耗有利地提高了這種電子電路裝置的效率。簡化了磁性部件的制造且減少了制造時間。使大塊非晶體金屬部件的構(gòu)造過程中遇到的其它應力最小化。使成品裝置的磁性能最優(yōu)化。
可利用許多非晶金屬合金制造在本發(fā)明的實踐中使用的大塊非晶體金屬磁性部件。通常情況下，適于用于構(gòu)造本發(fā)明的部件的合金由式M70-85Y5-20Z0-20限定出，下標為原子百分比，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，和“Z”是Si、Al和Ge中的至少一種；其附帶條件包括(i)高達十(10)個原子百分比的部件“M”可由金屬物質(zhì)Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta和W的至少一種替換，和(ii)高達十(10)個原子百分比的部件(Y+Z)可由非金屬物質(zhì)In、Sn、Sb和Pb中的至少一種替換。正如此處使用的，術語“非晶體金屬合金”意味著大體上缺乏任何長程有序且具有與從液體或無機氧化物玻璃中觀測到的那些X射線衍射強度最大值相似的X射線衍射強度最大值的特征的金屬合金。
適于作為本發(fā)明的實踐中的原料的非晶體金屬合金通常以寬度達20cm或更大且厚度約為20-25μm的連續(xù)薄帶或條帶的形式在商業(yè)上是可得到的。這些合金被形成具有大體上完全玻璃態(tài)的微結(jié)構(gòu)(例如，至少80％體積百分比的材料具有非晶體結(jié)構(gòu))。合金優(yōu)選被形成為大體上100％的具有非晶體結(jié)構(gòu)的材料。非晶體結(jié)構(gòu)的體積分數(shù)可通過本領域中已公知的方法，例如X射線、中子或電子衍射、透射電子顯微術或差示掃描量熱法，進行確定。以低成本使合金實現(xiàn)了最高感應值，其中“M”、“Y”和“Z”分別至少主要是鐵、硼和硅。因此，包含至少70個原子百分比的Fe、至少5個原子百分比的B和至少5個原子百分比的Si，其附帶條件為B和Si的總含量為至少15個原子百分比，的合金是優(yōu)選的。包含鐵-硼-硅的非晶體金屬帶也是優(yōu)選的。最優(yōu)選的是具有主要包括約11個原子百分比的硼和約9個原子百分比的硅的，余量為鐵和附帶雜質(zhì)的成分的非晶體金屬帶。這種具有約1.56T的飽和磁感應強度和約137μΩ-cm的電阻率的帶由HoneywellInternational Inc.公司出售，其商品名稱為METGLAS合金2605SA-1。另一種適當?shù)姆蔷w金屬帶具有主要包括約13.5個原子百分比的硼、約4.5個原子百分比的硅和約2個原子百分比的碳，余量為鐵和附帶雜質(zhì)的成分。這種具有約1.59T的飽和磁感應強度和約137μΩ-cm的電阻率的帶由Honeywell International Inc.公司出售，其商品名稱為METGLAS合金26058C。對于需要甚至更高的飽和磁感應強度的應用而言，具有主要包括鐵、連同約18個原子百分比的Co、約16個原子百分比的硼和約1個原子百分比的硅一起的，余量為鐵和附帶雜質(zhì)的成分的帶是適當?shù)?。這種帶由Honeywell International Inc.公司出售，其商品名稱為METGLAS合金2605C0。然而，利用這種材料構(gòu)造的部件的損耗傾向于略高于那些利用METGLAS 2605SA-1構(gòu)造的部件的損耗。
正如本領域中已公知的，鐵磁性材料可具有其飽和磁感應強度的特征或等效地，具有其飽和磁通密度或磁化強度的特征。適用于本發(fā)明中的合金優(yōu)選具有至少約1.2特斯拉(T)的飽和磁感應強度和更優(yōu)選地具有至少約1.5T的飽和磁感應強度。所述合金還具有高電阻率，優(yōu)選至少為約100μΩ-cm和最優(yōu)選至少為約130μΩ-cm。
被指定用于部件中的非晶體金屬帶的機械和磁性質(zhì)可通過在足以提供需要的增強而不改變所述帶的大體上完全的玻璃態(tài)微結(jié)構(gòu)的溫度和時間下的熱處理得以增強。通常情況下，所述溫度被選擇約低于合金結(jié)晶溫度100-175℃且所述時間在約0.25-8小時范圍內(nèi)。所述熱處理包括加熱部分、選擇性浸泡部分和冷卻部分。磁場可在熱處理的至少一個部分，例如至少在冷卻部分中被選擇性地施加到帶上。優(yōu)選大體上沿在部件的操作過程中磁通量所處的方向指向的所述場的施加在一些情況下可進一步提高磁性能和降低部件的鐵芯損耗。熱處理選擇性地包括超過一個這種熱循環(huán)。此外，所述一個或多個熱處理循環(huán)可在部件制造的不同階段被實施。例如，可在粘結(jié)劑連結(jié)之前或之后對不連續(xù)的層壓結(jié)構(gòu)進行處理或?qū)訅航Y(jié)構(gòu)的疊層進行熱處理。由于許多其它有吸引力的粘結(jié)劑經(jīng)受不住需要的熱處理溫度，因此優(yōu)選在連結(jié)前實施所述熱處理。
非晶體金屬的熱處理可采用任何加熱手段，所述加熱手段致使金屬經(jīng)歷了所需的熱曲線。適當?shù)募訜崾侄伟t外熱源、烘箱、流化床、與保持在高溫下的散熱器的熱接觸、通過使電流通過帶實現(xiàn)的電阻加熱和感應(射頻(RF))加熱。加熱手段的選擇可取決于上面列舉的所需工藝步驟的順序。
某些適于在本部件中使用的非晶體合金的磁性能可通過對合金進行熱處理以形成納米晶微結(jié)構(gòu)得到顯著的改進。所述微結(jié)構(gòu)具有出現(xiàn)了高密度晶粒的特征，所述晶粒具有小于約100nm、優(yōu)選小于50nm和更優(yōu)選約10-20nm的平均尺寸。所述晶粒優(yōu)選占鐵基合金體積的至少50％。這些優(yōu)選的材料具有低鐵芯損耗和低磁致伸縮。后一種性質(zhì)還使材料不易受到由包括部件的裝置的制造和/或操作引起的應力所致的磁性的劣化。在給定合金中產(chǎn)生納米晶結(jié)構(gòu)所需的熱處理必須在比被設計以在其中保持大體上完全的玻璃態(tài)微結(jié)構(gòu)的熱處理所需的溫度和時間更高的溫度或更長的時間條件下被實施。正如此處使用的，術語非晶體金屬和非晶體合金還包括初始被形成具有大體上完全的玻璃體微結(jié)構(gòu)并隨后通過熱處理或其它工藝被轉(zhuǎn)變成具有納米晶微結(jié)構(gòu)的材料的材料?？蛇M行熱處理以形成納米晶微結(jié)構(gòu)的非晶體合金通常還可被簡單地稱為納米晶合金。本方法允許納米晶合金被形成成品大塊磁性部件需要的幾何形狀。在對合金進行熱處理以形成納米晶結(jié)構(gòu)之前，所述納米晶結(jié)構(gòu)通常使其更脆且更難進行處理，當合金仍處于鑄態(tài)、可延展的、大體上非晶體的形式時，這種形成被有利地實現(xiàn)。通常情況下，納米結(jié)晶熱處理在從低于合金的結(jié)晶溫度約50℃到高于其約50℃的范圍內(nèi)的溫度下進行實施。
具有通過在合金中形成納米晶微結(jié)構(gòu)而得到顯著增強的磁性能的兩個優(yōu)選級別的合金由下式給出，在所述式中下標為原子百分比。
第一優(yōu)選級別的納米晶合金是Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw，其中R是Ni和Co中的至少一種，T是Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一種，Q是Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一種，u在從0至約10的范圍內(nèi)、x在從約3至12的范圍內(nèi)、y在從0至約4的范圍內(nèi)、z在從約5至12的范圍內(nèi)和w在從0至小于約8的范圍內(nèi)。在對這種合金進行熱處理以在其中形成納米晶微結(jié)構(gòu)之后，其具有高飽和磁感應強度(例如，至少約1.5T)、低鐵芯損耗和低飽和磁致伸縮(例如具有絕對值小于4×10-6的磁致伸縮)。這種合金尤其優(yōu)選用于其中需要具有最小尺寸的裝置的應用。
第二優(yōu)選級別的納米晶合金是Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw，其中R是Ni和Co中的至少一種，T是Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一種，Q是Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一種，u在從0至約10的范圍內(nèi)、x在從約1至5的范圍內(nèi)、y在從0至約3的范圍內(nèi)、z在從約5至12的范圍內(nèi)和w在從約8至18的范圍內(nèi)。在對這種合金進行熱處理以在其中形成納米晶微結(jié)構(gòu)之后，其具有至少約1.0T的飽和磁感應強度、特別低的鐵芯損耗和低飽和磁致伸縮(例如具有絕對值小于4×10-6的磁致伸縮)。這種合金尤其優(yōu)選用于需要在特別的勵磁頻率例如1000Hz或更高的頻率下操作的裝置中。
大塊非晶體磁性部件將比由其它鐵基磁性金屬制成的部件更有效地進行磁化和退磁。當大塊非晶體金屬部件被并入感應裝置中時，與由另一種鐵基磁性金屬制成的可比較的部件相比，當兩個部件在相同的磁感應強度和頻率下進行磁化時，所述大塊非晶體金屬部件將產(chǎn)生更少的熱。使用大塊非晶體金屬部件的感應裝置可因此被設計以(i)在更低的操作溫度下操作；(ii)在更高的磁感應強度下操作以實現(xiàn)減少的尺寸和重量和增加的能量儲存或傳遞；或(iii)當與包括由其它鐵基磁性金屬制成的部件的感應裝置相比時，在更高的頻率下操作以實現(xiàn)減少的尺寸和重量。
正如本領域中已公知的，鐵芯損耗是當鐵磁性材料的磁化強度隨時間變化時發(fā)生在鐵磁性材料內(nèi)的能量耗散。通常通過對所述部件進行循環(huán)勵磁確定給定的磁性部件的鐵芯損耗。隨時間變化的磁場被施加到部件上以在其中產(chǎn)生相應的磁感應強度或磁通密度隨時間的變化。為了測量的標準化起見，勵磁通常被選擇以使得磁感應強度在樣品中是均勻的且在頻率“f”下隨時間發(fā)生正弦變化并具有峰值振幅Bmax。鐵芯損耗隨后通過已公知的電測量儀表和技術被確定。損耗常規(guī)地被報告作為每單位質(zhì)量或體積的被勵磁的磁性材料的瓦特數(shù)。在本領域中已公知，損耗隨f和Bmax單調(diào)增加。用于檢測在感應裝置中使用的軟磁材料的鐵芯損耗的最標準的規(guī)程{例如，ASTM標準A912-93和A927(A927M-94)}需要位于大體上閉合的磁路內(nèi)的這種材料的樣品，即，一種構(gòu)型，在所述構(gòu)型中閉合磁通線大體上被包含在樣品體積內(nèi)且磁性材料的剖面在遍及磁路的范圍內(nèi)大體上是相同的。另一方面，通過磁通線必須橫穿的高磁阻間隙的存在可使得實際感應裝置，尤其是回掃變壓器或能量儲存感應器，中的磁路相對敞開。由于邊緣場效應和場的不均勻性，在開路中測試的給定材料通常呈現(xiàn)比其在閉路測量中具有的鐵芯損耗更高的鐵芯損耗，即更高的每單位質(zhì)量或體積的瓦特值。本發(fā)明的大塊磁性部件即使在相對開路的構(gòu)型中仍有利地呈現(xiàn)遍及廣泛范圍的磁通密度和頻率內(nèi)的低鐵芯損耗。
本發(fā)明的低損耗大塊非晶體金屬裝置的總鐵芯損耗被認為包括來自磁滯損耗和渦電流損耗的貢獻，而未被任何理論所約束。這兩個貢獻中的每個都是峰值磁感應強度Bmax和勵磁頻率f的函數(shù)。對非晶體金屬中的鐵芯損耗的現(xiàn)有技術分析(參見，例如，G.E.Fish，J.Appl.Phys.57，3569(1985)和G.E.Fish等，J.Appl.Phys.64，5370(1988))一般已經(jīng)被限制于從閉合磁路中的材料中獲得的數(shù)據(jù)。
對本發(fā)明的裝置的每單位質(zhì)量的總鐵芯損耗L(Bmax，f)的分析在具有單條磁路和大體上相同的有效磁性材料橫截面面積的構(gòu)型中是最簡單的。在那種情況中，所述損耗通?？捎删哂幸韵滦问降暮瘮?shù)所限定L(Bmax，f)＝c1f(Bmax)n+c2fq(Bmax)m其中，系數(shù)c1和c2和指數(shù)n、m和q都必須經(jīng)驗性地進行確定，而沒有精確地確定它們的值的已公知的理論。使用這個公式允許在任何需要的操作磁感應強度和勵磁頻率下確定本發(fā)明的裝置的總鐵芯損耗。有時發(fā)現(xiàn)在感應裝置的具體幾何形狀中，其中的磁場在空間上是不均勻的，尤其在具有多條磁路和材料橫截面的實施例，例如通常被用于三相裝置的實施例中。例如有限元模型的技術在本領域中是已公知的以提供對峰值磁通密度的空間和時間變化的估算，所述估算接近近似于實際裝置中測量的磁通密度分布。使用給出了給定材料在空間上均勻的磁通密度下的磁芯損耗的適當?shù)慕?jīng)驗性公式作為輸入，這些技術通過遍及裝置體積的數(shù)值積分使得給定部件在其操作構(gòu)型中相應的實際鐵芯損耗在具有合理準確度的情況下被預測。
可利用各種本領域中已公知的各種方法實現(xiàn)對本發(fā)明的磁性裝置的鐵芯損耗的測量。在裝置具有單條磁路和大體上恒定的橫截面的情況中，損耗的確定尤其簡單。適當?shù)姆椒òㄌ峁┚哂谐跫壓痛渭夒娎@組的裝置，每個電繞組圍繞一個或多個裝置的部件。通過使電流通過初級繞組施加磁動勢。通過法拉第定律從次級繞組中感應的電壓中確定出所得的磁通密度。通過安培定律從磁動勢中確定出被施加的磁場。隨后采用常規(guī)方法從被施加的磁場和所得的磁通密度中計算出鐵芯損耗。
下列實例被呈現(xiàn)以提供對本發(fā)明更完全的理解。被列出以示例說明本發(fā)明的原理和實踐的具體技術、條件、材料、比例和報告數(shù)據(jù)是示例性的且不應被解釋為對本發(fā)明范圍的限制。
實例1非晶體金屬矩形棱柱體的制備和電磁試驗約25mm寬和0.022mm厚的Fe80B11Si9鐵磁非晶體金屬條帶被纏繞在具有約25mm寬和60mm長的尺寸的矩形心軸或繞線筒周圍。約1300繞的鐵磁非晶體金屬條帶被卷繞在心軸或繞線筒周圍，產(chǎn)生了具有約25mm寬和60mm長和約30mm的構(gòu)造厚度的內(nèi)部尺寸的矩形鐵芯形式。對鐵芯/繞線筒組件在氮氣氛中進行退火。所述退火包括1)將所述組件加熱至365℃；2)將溫度保持在約365℃約2小時；和3)將所述組件冷卻至周圍溫度。矩形、卷繞的、非晶體金屬鐵芯被從鐵芯/繞線筒組件中除去并隨后被浸入低粘度的熱活性環(huán)氧中，使所述環(huán)氧浸漬和滲入相鄰的層壓結(jié)構(gòu)之間的空間。所使用的環(huán)氧為EpoxyliteTM8899，通過丙酮將所述環(huán)氧稀釋至1∶5的體積比以達到適當?shù)恼扯?。繞線筒被替換，且重新構(gòu)建的浸漬的鐵芯/繞線筒組件隨后被暴露于約177℃的溫度約2.5小時以使環(huán)氧樹脂溶液活化和固化。當完全固化時，鐵芯被再次從鐵芯/繞線筒組件中除去。所得的矩形、卷繞的、環(huán)氧連結(jié)的、非晶體金屬鐵芯的重量約為1500g。
利用1.5mm厚的切割刀片從環(huán)氧連結(jié)的非晶體金屬鐵芯的每個長側(cè)的近似中心處切割下來30mm長、25mm寬和30mm厚(約1300層)的一個矩形棱柱體30。對所述矩形棱柱體的切割表面和鐵芯的剩余部分在硝酸/水溶液中進行浸蝕并在氫氧化銨/水溶液中進行清洗。所述矩形棱柱體和鐵芯的剩余部分隨后被重新組裝成完整的切割鐵芯形式，棱柱體中的條帶層處于其初始取向。初級和次級電繞組被固定到鐵芯的剩余部分上。切割鐵芯結(jié)構(gòu)在60Hz、1,000Hz、5,000Hz和2,0000Hz下進行電測試并與其它鐵磁性材料在相似的試驗配置(National-Arnold Magnetics，17030 Muskrat Avenue，Adelanto，CA92301(1995))中的目錄值進行比較。結(jié)果匯集在下面的表1、2、3和4中。
表1在60Hz下的鐵芯損耗(W/kg)

表2在1,000Hz下的鐵芯損耗(W/kg)


表3在5,000Hz下的鐵芯損耗(W/kg)

表4在20,000Hz下的鐵芯損耗(W/kg)


如表3和表4中的數(shù)據(jù)所示，在5000Hz或更高的勵磁頻率下的鐵芯損耗特別低。因此，本發(fā)明的磁性部件尤其適用于構(gòu)造本發(fā)明的感應裝置。
實例2低損耗大塊非晶體金屬部件的高頻率行為利用常規(guī)的非線性回歸法對上面的實例1中包括的鐵芯損失數(shù)據(jù)進行分析。確定的是，由Fe80B11Si9非晶體金屬條帶組成的大塊非晶體部件的鐵芯損耗可主要由具有以下形式的函數(shù)限定L(Bmax，f)＝c1f(Bmax)n+c2fq(Bmax)m系數(shù)c1和c2和指數(shù)n、m和q的適當值被選擇以限定出大塊非晶體金屬部件的磁損耗的上限。表5列舉了實例1中的部件的測量損耗和由上面的公式預測的損耗，每個損耗的測量單位均為瓦特/千克。利用系數(shù)c1＝0.0074和c2＝0.000282和指數(shù)n＝1.3、m＝2.4和q＝1.5計算出作為f(Hz)和Bmax(Tesla)的函數(shù)的預測損耗。實例1中的大塊非晶體金屬部件的測量損耗小于相應的由公式預測的損耗。
表5


實例3非晶體金屬梯形棱柱體和感應器的制備約25mm寬和0.022mm厚的Fe80B11Si9鐵磁非晶體金屬條帶被切割成約300mm的長度。約1300層的切割鐵磁非晶體金屬條帶被層疊以形成約25mm寬和300mm長，具有約30mm的構(gòu)造厚度的棒。對所述棒在氮氣氛中進行退火。所述退火包括1)將所述棒加熱至365℃；2)將溫度保持在約365℃約2小時；和3)將所述棒冷卻至周圍溫度。所述棒利用環(huán)氧樹脂溶液進行真空浸漬并在120℃固化約4.5小時。所得的層疊的、環(huán)氧連結(jié)的、非晶體金屬棒的重量約為1300g。
利用1.5mm厚的切割刀片對所述棒進行切割以形成四個大體上相同的梯形棱柱體部件。利用1.5mm厚的切割刀片以相對于包括開始層壓的非晶體金屬棒的帶的長軸線呈±45°的交互斜接的角度進行切割，從而在每個棱柱體的每個端部處形成配合面。所述配合面與每個棱柱體中的條帶層的平面垂直且約35mm寬和30mm厚，相當于1300層的條帶。每個棱柱體的不相等的側(cè)面是平行的且分別約為100mm和150mm長。對每個梯形棱柱體的切割表面在硝酸/水溶液中進行浸蝕并在氫氧化銨/水溶液中進行清洗。
電繞組被纏繞在四個棱柱體中的每個上，所述四個棱柱體隨后被組裝以形成具有具有正方形窗的正方形畫框構(gòu)型的變壓器。在相對的部件上的分別的繞組被串聯(lián)相加連接形成初級和次級繞組。
通過利用交流電流源驅(qū)動初級繞組并檢測次級繞組中感應的電壓測試了變壓器的鐵芯損耗。利用被連接到第一和次級繞組上的YokogawaM0del 2532常規(guī)電子伏特計確定出變壓器的鐵芯損耗。對于在5000Hz頻率到0.3T的峰值磁通量大小下勵磁的鐵芯，觀測到了小于約12W/kg的鐵芯損耗。
實例4納米晶合金矩形棱柱體的制備利用約25mm寬和0.018mm厚且具有Fe73.5Cu1Nb3B9Si13.5的名義成分的非晶體金屬條帶制備矩形棱柱體。約1600片300mm長的帶被切割并在裝置器中在對準狀態(tài)下層疊。對所述疊層進行熱處理以在非晶體金屬中形成納米晶微結(jié)構(gòu)。通過進行下列步驟實施退火1)將所述部分加熱至580℃；2)將溫度保持在約580℃約1小時；和3)將所述部分冷卻至周圍溫度。在熱處理之后，所述疊層通過浸入低粘度的環(huán)氧樹脂中被浸漬。使所述樹脂在約177℃的溫度下活化和固化約2.5小時以形成環(huán)氧浸漬的矩形棒。
通過利用磨料鋸切割矩形棒而形成四個100mm長且具有25mm寬和30mm高的端面的相同的矩形棱柱體。對其中兩個棱柱體的切割端在硝酸/水溶液中進行浸蝕并在氫氧化銨/水溶液中進行清洗以形成配合面。在剩余的兩個棒的每個棒的側(cè)面上也制備出配合面。每個面區(qū)域被輕微研磨以形成具有所需尺寸的平坦表面。隨后對所述面區(qū)域在硝酸/水溶液中進行浸蝕并在氫氧化銨/水溶液中進行清洗。
四個棱柱體隨后被組裝和緊固以形成具有矩形畫框構(gòu)型的感應裝置。初級電繞組被施加圍繞其中一個棱柱體且次級繞組被施加到相對的棱柱體上。所述繞組被連接到標準電子瓦特計上。隨后通過使電流通過初級繞組并檢測次級繞組中的感應電壓，測試出裝置的鐵芯損耗。利用Yokogawa 2532瓦特計確定鐵芯損耗。
納米晶合金感應裝置在5000Hz和0.3T下具有小于約12W/Kg的鐵芯損耗，這使其適用于高效率感應器或變壓器中。
因此已經(jīng)對本發(fā)明進行了非常詳盡的描述，應該理解，所述細節(jié)不必被嚴格遵循，而是可為本領域的技術人員提出各種變化和變型的建議，所有所述變化和變型均落入由所附權(quán)利要求限定出的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種感應裝置，包括a.包括多個低損耗大塊鐵磁非晶體金屬磁性部件的磁芯，所述部件被組裝成并置關系并形成至少一條磁路；b.用于將所述部件緊固成所述關系的緊固裝置；c.圍繞所述磁芯的至少一部分的至少一個電繞組；d.每個所述部件包括多個具有大體上相似形狀的非晶體金屬帶的平面層，所述層通過粘結(jié)劑被連結(jié)在一起以形成具有一定厚度和多個配合面的多面體形狀的部分，每個所述部件的厚度大體上相等；e.所述部件被設置在所述組件中，每個所述部件的所述帶的所述層在大體上平行的平面中且每個所述配合面接近另一個所述部件的配合面；和f.當所述感應裝置在5000Hz的勵磁頻率“f”下達到0.3T的峰值磁感應強度大小“Bmax”時，其具有小于約12W/Kg的鐵芯損耗。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應裝置，所述裝置是從包括變壓器、自耦變壓器、飽和電抗器和感應器的組中選擇出來的構(gòu)件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應裝置，包括多個電繞組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應裝置，其中每個所述部件具有從包括C、E、I、U、梯形和弧形形狀的組中選擇出來的形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應裝置，其中至少一個所述部件具有矩形棱柱體形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的感應裝置，其中每個所述部件具有矩形棱柱體形狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應裝置，其中至少一些所述接近的配合面被斜接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應裝置，具有從包括E-I、E-E、C-I、C-C和C-I-C形狀的組中選擇出來的形狀。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應裝置，其中所述緊固裝置包括包含金屬、聚合物、織物和壓敏窄帶中的至少一種的帶條。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應裝置，其中所述緊固裝置包括殼體。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應裝置，其中所述緊固裝置包括罐封所述鐵芯。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應裝置，其中所述電繞組被設置在被安放在至少一個所述部件的一部分上的繞線筒上。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應裝置，其中每個所述配合面具有平面配合表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應裝置，其中所述多個大塊非晶體金屬磁性部件被組裝以形成大體上閉合的磁路。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應裝置，其中所述大塊非晶體金屬磁性部件通過在所述配合面之間插入空氣間隙進行組裝。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的感應裝置，還包括在所述空氣間隙中的間隔件。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應裝置，包括多條磁路。
18.根據(jù)權(quán)利要求2所述的感應裝置，所述裝置為單相裝置。
19.根據(jù)權(quán)利要求2所述的感應裝置，所述裝置為多相裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應裝置，其中對所述非晶體金屬進行退火。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應裝置，所述裝置具有小于“L”的鐵芯損耗，其中L由公式L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4給出，所述鐵芯損耗、所述勵磁頻率和所述峰值磁感應強度大小的測量單位分別為瓦特/千克、赫茲和特斯拉。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應裝置，其中每個所述鐵磁非晶體金屬帶具有主要由式M70-85Y5-20Z0-20限定出的成分，下標為原子百分比，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，和“Z”是Si、Al和Ge中的至少一種；其附帶條件包括(i)達10個原子百分比的組分“M”選擇性地由金屬物質(zhì)Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta、Hf、Ag、Au、Pd、Pt和W中的至少一種替換，(ii)達10個原子百分比的組分(Y+Z)選擇性地由非金屬物質(zhì)In、Sn、Sb和Pb中的至少一種替換，和(iii)達約一(1)個原子百分比的組分(M+Y+Z)為附帶雜質(zhì)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的感應裝置，其中每條所述鐵磁非晶體金屬帶具有包括至少70個原子百分比的Fe、至少5個原子百分比的B和至少5個原子百分比的Si的成分，其附帶條件為B和Si的總含量為至少15個原子百分比。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的磁感應裝置，其中每個所述鐵磁非晶體金屬帶具有主要由式Fe80B11Si9限定出的組成。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應裝置，其中所述磁芯的至少一部分表面涂覆了絕緣涂層。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的感應裝置，其中所述涂層大體上覆蓋了所述磁芯的整個表面。
27.一種構(gòu)造具有包括多個鐵磁大塊非晶體金屬磁性部件的鐵芯的感應裝置的方法，每個所述部件具有多個非晶體金屬帶的層，所述層通過粘結(jié)劑被連結(jié)在一起，以形成具有一定厚度和多個配合面的大體上為多面體的部分，所述方法包括以下步驟a.用電繞組圍繞至少一個所述磁性部件；b.將所述部件放置成并置關系以形成具有至少一條磁路的所述鐵芯，每個部件的層位于大體上平行的平面中；和c.將所述部件緊固成所述并置關系。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，還包括將間隔件插入至少一個使所述鐵磁部件隔開的空氣間隙中的步驟。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中所述緊固步驟包括使用粘結(jié)劑粘結(jié)所述部件。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中所述緊固步驟包括利用帶條使所述部件結(jié)合。
31.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中所述緊固步驟包括將所述部件安放在殼體內(nèi)。
32.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，還包括在所述部件上制備配合面的步驟。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述制備步驟包括整平操作，所述整平操作包括銑削、表面研磨、切削、拋光、化學浸蝕和電化學浸蝕中的至少一種。
34.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中所述電繞組被卷繞在具有中空的內(nèi)部空間的繞線筒上且所述繞線筒被安放在所述鐵芯的一部分上。
35.一種具有至少一個從包括變壓器、自耦變壓器、飽和電抗器和感應器的組中選擇出來的低損耗感應裝置的電子電路裝置，所述裝置包括a.包括多個低損耗大塊鐵磁非晶體金屬磁性部件的磁芯，所述部件被組裝成并置關系并形成至少一條磁路，每個所述部件包括多個具有大體上相似形狀的非晶體金屬帶的平面層，所述層通過粘結(jié)劑被連結(jié)在一起以形成具有一定厚度和多個配合面的多面體形狀的部分，每個所述部件的厚度大體上相等；b.用于將所述部件緊固成所述關系的緊固裝置，其中所述部件被設置，每個所述部件的所述帶的所述層在大體上平行的平面中且每個所述配合面接近另一個所述部件的配合面；和c.圍繞所述磁芯的至少一部分的至少一個電繞組。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的電子電路裝置，其中當所述感應裝置在5000Hz的勵磁頻率“f”下達到0.3T的峰值磁感應強度大小“Bmax”時，其具有小于約12W/Kg的鐵芯損耗。
37.一種從包括開關模式功率源和開關模式電壓變換器的組中選擇的功率調(diào)節(jié)電路裝置，所述裝置包括a.包括多個低損耗大塊鐵磁非晶體金屬磁性部件的磁芯，所述部件被組裝成并置關系并形成至少一條磁路，每個所述部件包括多個具有大體上相似形狀的非晶體金屬帶的平面層，所述層通過粘結(jié)劑被連結(jié)在一起以形成具有一定厚度和多個配合面的多面體形狀的部分，每個所述部件的厚度大體上相等；b.用于將所述部件緊固成所述關系的緊固裝置，其中所述部件被設置，每個所述部件的所述帶的所述層在大體上平行的平面中且每個所述配合面接近另一個所述部件的配合面；和c.圍繞所述磁芯的至少一部分的至少一個電繞組。
全文摘要
一種大塊非晶體金屬感應裝置包括具有多個低損耗大塊鐵磁非晶體金屬磁性部件的磁芯，所述部件被組裝成并置關系以形成至少一條磁路并例如通過結(jié)合或罐封被緊固在適當位置。所述裝置具有一個或多個電繞組且可被用作電子電路中的變壓器或感應器。每個所述部件包括多個具有相似形狀的非晶體金屬帶的層，所述層被連結(jié)在一起以形成多面體形狀的部分。所述裝置的低鐵芯損耗，例如當其在5kHz的勵磁頻率“f”下勵磁達到0.3T的峰值磁感應強度大小“B
文檔編號H01F41/02GK1735948SQ200380108178
公開日2006年2月15日 申請日期2003年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月1日
發(fā)明者N·J·德克里斯托法羅, G·E·菲什, R·哈斯伽瓦, S·V·塔提科拉 申請人:梅特格拉斯公司