專利名稱：構(gòu)造用于電機(jī)的整體式非晶體金屬部件的方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種用于電機(jī)如電動(dòng)機(jī)的磁性部件；更具體地涉及一種構(gòu)造低鐵損的整體式非晶體金屬部件、例如用于高效率的軸向磁通電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子或定子的方法。
2.相關(guān)技術(shù)的介紹旋轉(zhuǎn)電機(jī)幾乎總是包括至少兩個(gè)磁性部件，靜止部件即定子，以及設(shè)成可圍繞確定的旋轉(zhuǎn)軸線相對(duì)于定子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。這種旋轉(zhuǎn)電機(jī)允許在電形式與機(jī)械形式之間交換能量。更普遍地說，電動(dòng)機(jī)設(shè)有來自電池或電網(wǎng)的電能源，其可被轉(zhuǎn)化成有用的機(jī)械功。另一方面，發(fā)電機(jī)吸收外加的機(jī)械功并將其轉(zhuǎn)化成可用于操作其它設(shè)備的電能。在許多情況下，可采用同一結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這兩種功能，這取決于電機(jī)是如何電連接和機(jī)械連接的。
絕大多數(shù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)電磁式地工作。在這種電機(jī)中，轉(zhuǎn)子和定子通常包括有鐵磁材料。這些部件用來產(chǎn)生或引導(dǎo)隨時(shí)間或隨空間變化、或同時(shí)隨時(shí)間和空間變化的磁通分布模式。根據(jù)眾所周知的電磁原理尤其是法拉第定律和安培定律來進(jìn)行電形式與機(jī)械形式之間的能量轉(zhuǎn)換。在電磁型電機(jī)中，轉(zhuǎn)子和定子中的至少一個(gè)采用軟鐵磁材料來構(gòu)造并設(shè)有繞組，繞組設(shè)置成可傳導(dǎo)電流和產(chǎn)生磁場(chǎng)。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的類型，另一部件包括可被通電繞組激勵(lì)或通過感應(yīng)來激勵(lì)的永(硬)磁材料或軟磁材料。最常用的軟磁材料是低碳鋼和含硅電工鋼，這兩種鋼都是晶體金屬材料。
電機(jī)中的轉(zhuǎn)子和定子分隔開一個(gè)小的間隔，其為(i)徑向的，即大致垂直于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線，或者為(ii)軸向的，即大致平行于旋轉(zhuǎn)軸線并間隔開一定距離。在一種電磁型電機(jī)中，磁通線通過橫穿該間隔而將轉(zhuǎn)子和定子相連。電磁型電機(jī)因此可被廣義地分成徑向的或軸向的磁通設(shè)計(jì)。相應(yīng)的用語“徑向間隔”和“軸向間隔”也用在電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域中。
徑向磁通電機(jī)目前是最常見的。用于這種電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)子和定子通常由電工鋼的多層疊片構(gòu)造而成，這些疊片被沖壓或切割成相同的形狀，對(duì)齊式地堆疊并進(jìn)行層壓，從而提供具有所需形狀和尺寸以及足夠的機(jī)械完整性以在電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)和操作期間保持該構(gòu)造的部件。
定子的一種通用設(shè)計(jì)是大致圓柱形的，并包括無定向電工鋼的多個(gè)層疊疊片。各疊片具有帶多個(gè)“齒”的圓形墊圈的環(huán)形形狀，其中齒形成了定子的磁極。齒從層疊疊片的內(nèi)徑中突出來，并指向圓柱形定子的開口中心。各疊片通常通過將機(jī)械上較軟的無定向電工鋼沖壓至所需的形狀來形成。然后將所形成的疊片對(duì)齊式地堆疊并粘合起來以形成定子。在操作期間，定子通過圍繞著定子的齒的繞組中的電流流動(dòng)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)來被周期性地磁化。需要用這種磁化來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；然而會(huì)因磁滯而造成不可避免的損耗。這些損耗導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)效率的總體上降低。
軸向磁通設(shè)計(jì)被使用的頻率就少得多了，這部分地歸因于缺乏用于構(gòu)造具有必需的電磁性能和充分的機(jī)械完整性的部件的適當(dāng)手段。某些公開文獻(xiàn)已經(jīng)提出了軸向磁通電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，包括在Mas的美國專利4394597和Caamano的美國專利5731649中所公開的。這些內(nèi)容還提出了采用非晶體金屬的磁性部件。
盡管非晶體金屬可提供優(yōu)越的磁性能，包括比無定向電工鋼更低的磁滯損失，然而由于某些物理特性以及所導(dǎo)致的對(duì)傳統(tǒng)加工技術(shù)的阻礙，它們被普遍認(rèn)為不適合用于電動(dòng)機(jī)。例如，非晶體金屬比無定向鋼更薄和更硬。因此，傳統(tǒng)的切割和沖壓工藝導(dǎo)致制造工具和模具更快地磨損。所導(dǎo)致的模具和制造成本的增加使得利用傳統(tǒng)技術(shù)來制造非晶體金屬部件如轉(zhuǎn)子和定子在商業(yè)上是不實(shí)際的。非晶體金屬較薄的特征還導(dǎo)致了對(duì)于給定層疊高度的部件而言，疊片的數(shù)量會(huì)增加，這進(jìn)一步增加了其總制造成本。
非晶體金屬一般以具有均勻帶寬的薄連續(xù)條帶的形式來提供。然而，非晶體金屬是非常硬的材料，使得它很難容易地切割和成形。一旦進(jìn)行退火處理以實(shí)現(xiàn)最佳磁性能，它就變得非常脆，使得利用傳統(tǒng)方式來構(gòu)造非晶體金屬磁性部件變得困難和昂貴。非晶體金屬的脆性還導(dǎo)致了對(duì)采用非晶體金屬磁性部件的電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)的耐久性的擔(dān)心。磁性定子受到極高的磁力，其在非常高的頻率下變化。這些磁力能夠在定子材料上產(chǎn)生非常大的應(yīng)力，并且可能損壞非晶體金屬的磁性定子。在電機(jī)通電或斷電時(shí)以及在負(fù)載可能產(chǎn)生突變時(shí)，轉(zhuǎn)子還受到因正常旋轉(zhuǎn)和因旋轉(zhuǎn)加速度而導(dǎo)致的機(jī)械力的作用。
非晶體金屬磁性部件的另一問題在于，非晶體金屬材料的磁導(dǎo)率還會(huì)在其受到物理應(yīng)力時(shí)降低。這種磁導(dǎo)率的降低是很大的，這取決于非晶體金屬材料上的應(yīng)力強(qiáng)度，如美國專利5731649所述。當(dāng)非晶體金屬磁性定子受到應(yīng)力時(shí)，其引導(dǎo)或聚焦磁通的效率降低，導(dǎo)致較高的磁損，效率下降，放熱增加以及功率降低。這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮，其可因電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)工作期間的磁力所產(chǎn)生的應(yīng)力、將磁性定子機(jī)械式夾緊或粘合或固定就位所帶來的機(jī)械應(yīng)力、或者非晶體金屬材料的熱膨脹和/或因磁飽和產(chǎn)生的膨脹所致的內(nèi)應(yīng)力而引起。
已經(jīng)提出了數(shù)量有限的非傳統(tǒng)途徑來構(gòu)造非晶體金屬部件。例如，F(xiàn)rischmann的美國專利4197146公開了一種由模制的致密非晶體金屬片來制造定子。盡管該方法允許形成復(fù)雜的定子形狀，然而該結(jié)構(gòu)在非晶體金屬的離散片狀顆粒之間含有大量的氣隙。這種結(jié)構(gòu)大大提高了磁路的磁阻，并由此而增大了操作電動(dòng)機(jī)所需的電流。
為了避免因應(yīng)力誘發(fā)的磁性能下降，美國專利5731649公開了利用多個(gè)層疊或卷繞的非晶體金屬部分來構(gòu)造非晶體金屬電動(dòng)機(jī)部件，以及將這些部分安裝在介電外罩中。該專利5731649還公開了通過將非晶體金屬軋制成帶有疊片的繞組來形成非晶體金屬鐵心，其采用了環(huán)氧樹脂，這不利地限制了材料繞組的熱膨脹和磁飽和膨脹，導(dǎo)致較高的內(nèi)應(yīng)力和磁致伸縮，從而降低了結(jié)合有這種鐵心的電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)的效率。
德國專利DE 2805435和DE 2805438所公開的方法將定子分成卷繞件和磁極片。非磁性材料被插入卷繞件和磁極片之間的接縫中，這增大了有效間隙，并因此而增大了磁路的磁阻和操作電動(dòng)機(jī)所需的電流。構(gòu)成磁極片的材料的層定向成使其平面垂直于回繞鐵件中的層的平面。該構(gòu)造進(jìn)一步增大了定子的磁阻，這是因?yàn)榫砝@件和磁極片的鄰接層僅僅在其相應(yīng)表面之間的接縫處形成了點(diǎn)接觸，而非沿著整個(gè)線段的接觸。另外，該方法提出可通過焊接將卷繞件中的疊片相連。使用熱量密集型工藝如焊接來連接非晶體金屬疊片將使非晶體金屬在接縫處及其周圍重新結(jié)晶化。即使少量的重新結(jié)晶的非晶體金屬通常也會(huì)使定子內(nèi)的磁損增大至無法接受的水平。
另外，非晶體金屬具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于包括常見的電工鋼在內(nèi)的其它傳統(tǒng)軟磁材料的各向異性能。結(jié)果，不會(huì)對(duì)這些傳統(tǒng)金屬的磁性能產(chǎn)生有害影響的應(yīng)力水平將對(duì)電動(dòng)機(jī)部件的重要磁性能如磁導(dǎo)率和鐵損具有嚴(yán)重的影響。為此，美國專利5731649公開了一種磁性部件，其包括小心地安裝或包含在介電外罩中而未使用粘合劑粘合的多個(gè)非晶體金屬的段。
盡管已有了上述公開所代表的進(jìn)展，然而在本領(lǐng)域中仍然需要構(gòu)造改進(jìn)的非晶體金屬電動(dòng)機(jī)部件的方法，該部件具備高速、高效率的尤其是軸向磁通設(shè)計(jì)的電機(jī)所需的優(yōu)越磁性能和物理性能的組合。還需要有這樣的構(gòu)造方法，其能夠有效地利用非晶體金屬并可實(shí)現(xiàn)軸向磁通電動(dòng)機(jī)及其所用部件的大批量生產(chǎn)。
發(fā)明概要本發(fā)明提供了一種構(gòu)造用于高效率的軸向磁通電動(dòng)機(jī)的單件式的或整體式的非晶體金屬磁性部件的方法。該部件可以是轉(zhuǎn)子或定子。在一個(gè)實(shí)施例中，該部件包括環(huán)形橫截面的圓柱體，其具有圓柱形的內(nèi)表面和外表面，兩個(gè)相反的環(huán)面，將環(huán)面分開的軸向厚度，以及處于至少一個(gè)環(huán)面中的用于接受電繞組的多個(gè)徑向槽。圓柱體由螺旋式卷繞的非晶體金屬帶形成。層優(yōu)選相互之間電絕緣以減少渦流損耗。該整體式構(gòu)造消除了部件內(nèi)的所有磁隙，從而提供了磁通可從中流過的閉合回路。本文所用的用語“電動(dòng)機(jī)”一般指的是各種類型的旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)，除了普通的電動(dòng)機(jī)之外，還包括發(fā)電機(jī)以及可選擇性地作為發(fā)電機(jī)來操作的再生式電動(dòng)機(jī)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面構(gòu)造而成的整體式非晶體金屬磁性電動(dòng)機(jī)部件在周期性的激勵(lì)下表現(xiàn)出非常低的鐵損。結(jié)果，磁性部件可在從直流至高達(dá)20000赫茲的頻率下工作。在相同的頻率范圍內(nèi)，與傳統(tǒng)硅鋼制成的磁性部件相比，它展示出了提高的工作特性。部件在高頻率下的可操作性允許可用它來制造在比利用傳統(tǒng)部件的情況在更高的速度下和更高的效率下工作的電動(dòng)機(jī)。根據(jù)本發(fā)明來構(gòu)造并在激勵(lì)頻率“f”下被激勵(lì)至峰值感應(yīng)水平“Bmax”的磁性部件在室溫下可具有小于“L”的鐵損，其中L由公式L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4給出，鐵損、激勵(lì)頻率和峰值感應(yīng)水平分別以瓦/千克、赫茲和特斯拉為單位測(cè)得。磁性部件可具有(i)當(dāng)在約60赫茲的頻率和約1.4特斯拉(T)的磁通密度下工作時(shí)，非晶體金屬材料的鐵損等于或小于約1瓦/千克；(ii)當(dāng)在約1000赫茲的頻率和約1.0T的磁通密度下工作時(shí)，非晶體金屬材料的鐵損等于或小于約12瓦/千克；或者(iii)當(dāng)在約20000赫茲的頻率和約0.30T的磁通密度下工作時(shí)，非晶體金屬材料的鐵損等于或小于約70瓦/千克。
本發(fā)明的整體式非晶體金屬磁性部件可采用多種鐵磁非晶體金屬合金來制造。一般來說，非晶體金屬基本上由具有分子式M70-85Y5-20Z0-20的合金組成，下標(biāo)為原子百分比，其中“M”是鐵、鎳和鈷中的至少一種，“Y”是硼、碳和磷中的至少一種，“Z”是硅、鋁和鍺中的至少一種；附帶條件是(i)組分“M”中的高達(dá)百分之十(10％)原子百分比可由金屬物質(zhì)鈦、釩、鉻、錳、銅、鋯、鈮、鉬、鉭、鉿、銀、金、鈀、鉑和鎢中的至少一種來取代，(ii)組分(Y+Z)中的高達(dá)百分之十(10％)原子百分比可由非金屬物質(zhì)銦、錫、銻和鉛中的至少一種來取代；(iii)組分(M+Y+Z)中的高達(dá)約百分之一(1％)原子百分比可以是附帶的雜質(zhì)。
本發(fā)明還提供了一種用于構(gòu)造低鐵損的整體式非晶體金屬電動(dòng)機(jī)部件的方法。一般而言，該方法包括步驟(i)螺旋式地卷繞鐵磁非晶體金屬帶或條帶材料，以形成環(huán)形橫截面的卷繞圓柱體，其具有圓柱形的內(nèi)表面和外表面以及兩個(gè)相反的環(huán)面，環(huán)面分隔開一定的軸向厚度；(ii)對(duì)圓柱體進(jìn)行熱處理；(iii)用粘合劑將卷繞圓柱體的各層粘合到與之相鄰的層上；以及(iv)通過在其中至少一個(gè)環(huán)面上切出多個(gè)槽來使部件成形，這些槽大致徑向地在內(nèi)表面與外表面之間延伸，并具有小于軸向厚度的深度。粘合劑粘合優(yōu)選通過浸漬來進(jìn)行。作為選擇，可執(zhí)行精整步驟(v)，包括對(duì)部件進(jìn)行涂覆以得到適當(dāng)?shù)谋砻婀鉂嵍?。熱處理步驟包括一次或多次熱處理，以便改變非晶體金屬原料的機(jī)械性能或磁性能。這種可選擇的熱處理有助于機(jī)加工操作并提高部件的磁性能。可以多種順序和采用包括如下文所述在內(nèi)的多種技術(shù)來執(zhí)行步驟(i)至(v)。
本發(fā)明還涉及根據(jù)上述方法來構(gòu)造的整體式非晶體金屬部件。特別是，根據(jù)本發(fā)明來構(gòu)造的整體式非晶體金屬磁性電動(dòng)機(jī)部件表現(xiàn)出較低的鐵損，并適于用作高效率的軸向磁通電機(jī)中的定子。
本發(fā)明還提供了一種軸向磁通電動(dòng)機(jī)，其包括結(jié)合有上述整體式非晶體金屬磁性部件的電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)或再生式電動(dòng)機(jī)。在本發(fā)明的一個(gè)方面中，電動(dòng)機(jī)是感應(yīng)型的，并結(jié)合有至少一個(gè)整體式非晶體金屬定子部件。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)還可選擇性地包含整體式非晶體金屬轉(zhuǎn)子。在另一方面中，電動(dòng)機(jī)是無刷的、軸向磁通的永磁直流電動(dòng)機(jī)，其具有大致圓柱形的整體式非晶體金屬定子，該定子包括多個(gè)齒形的磁極部分，它們從大致環(huán)形的背鐵區(qū)域中軸向地突出來并與之形成一個(gè)整體。電動(dòng)機(jī)還包括具有至少一個(gè)帶有至少一對(duì)反向磁極的永磁部分的盤狀轉(zhuǎn)子，以及用于將轉(zhuǎn)子和定子相互間旋轉(zhuǎn)式地支撐在預(yù)定位置中的軸承件。轉(zhuǎn)子的磁極位于圓盤表面上，并產(chǎn)生方向與之大致垂直的磁通。
本發(fā)明所提供的優(yōu)點(diǎn)包括在整體式非晶體金屬部件的構(gòu)造期間的簡(jiǎn)化的制造、縮短的制造時(shí)間，降低的應(yīng)力(例如磁致伸縮)，以及已制成的非晶體金屬磁性部件的優(yōu)化性能。尤其有利的是，取消了原先所需的用來形成和堆疊大量的單個(gè)沖壓疊片的工藝步驟。傳統(tǒng)的沖模制造起來比較昂貴，并且在沖壓非晶體金屬時(shí)具有有限的使用壽命。另外，本發(fā)明的工藝在適應(yīng)設(shè)計(jì)變更方面更具靈活性，不存在必須在大批量生產(chǎn)中分?jǐn)偰＞咧圃斐杀镜牟焕?。可高效率地利用磁性材料來容易地制造具有較大直徑的電動(dòng)機(jī)，這不會(huì)造成過度地產(chǎn)生出來無用的廢料。這些優(yōu)點(diǎn)是很難或不可能利用傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)以及與之相關(guān)的傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的電機(jī)在要求高效率、高轉(zhuǎn)速和高功率密度的應(yīng)用中特別有利。本發(fā)明的磁性部件所提供的減小的鐵損提高了電機(jī)的效率，并實(shí)現(xiàn)了在增大轉(zhuǎn)速方面的改進(jìn)。另外，與利用電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域中所慣用的鋼來構(gòu)造的部件相比具有更小的鐵損，這允許本發(fā)明的部件和電機(jī)在較高的頻率下受激勵(lì)，而不會(huì)因鐵損而導(dǎo)致無法接受的發(fā)熱。電動(dòng)機(jī)因此可在較高的轉(zhuǎn)速下工作。對(duì)于相當(dāng)?shù)呐ぞ厮蕉裕俣鹊脑黾映杀壤卦龃罅斯β瘦敵?，從而還導(dǎo)致了更高的功率密度，即更高的功率輸出與電動(dòng)機(jī)重量之比。
附圖簡(jiǎn)介通過參考對(duì)本發(fā)明的以下詳細(xì)介紹和附圖，可以更全面地理解本發(fā)明并且清楚其它的優(yōu)點(diǎn)，在所有的視圖中采用相似的標(biāo)號(hào)來表示相似的部件，其中

圖1是用于軸向磁通電動(dòng)機(jī)中的整體式非晶體金屬磁性部件的透視圖；圖2是分解視圖，描述了用于結(jié)合在根據(jù)本發(fā)明的感應(yīng)電機(jī)中的整體式非晶體金屬定子和整體式非晶體金屬轉(zhuǎn)子；圖3是結(jié)合有根據(jù)本發(fā)明來構(gòu)造的整體式非晶體金屬定子的軸向磁通感應(yīng)電機(jī)的示意性透視圖；和圖4是用于本發(fā)明的軸向磁通式永磁直流電動(dòng)機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子的平面視圖。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)介紹本發(fā)明提供了構(gòu)造用于高效率的軸向磁通電機(jī)中的整體式非晶體金屬磁性部件的方法。該部件可以是轉(zhuǎn)子或定子，其具有大致圓柱的形狀，并包括鐵磁非晶體金屬的螺旋式卷繞帶。多個(gè)齒從環(huán)形的背鐵部分中軸向地突出來。層優(yōu)選相互間電絕緣以減少渦流損耗。本發(fā)明的非晶體金屬部件與現(xiàn)有技術(shù)的類似部件相比具有明顯更低的鐵損，從而提高了采用這種新部件的電機(jī)的效率。
采用非晶體金屬來構(gòu)造帶軸向間隔的電機(jī)的先前嘗試并未導(dǎo)致大范圍的商業(yè)應(yīng)用，這是因?yàn)閹缀涡螤畹南拗埔约叭狈νㄟ^傳統(tǒng)的沖壓、機(jī)加工和其它切削手段來形成所需部件的適當(dāng)裝置。
然而，仍然需要對(duì)具有顯著提高的交流磁性能的電動(dòng)機(jī)部件進(jìn)一步的改進(jìn)；最重要的性能是較低的鐵損?？赏ㄟ^在電機(jī)的構(gòu)造中使用本發(fā)明的磁性部件來提供高磁通密度、高磁導(dǎo)率和低鐵損的所需組合。
下面將詳細(xì)地參見附圖，在圖1中顯示了用于軸向磁通電動(dòng)機(jī)中的本發(fā)明的整體式非晶體金屬磁性部件21。部件21包括螺旋式卷繞的非晶體金屬條或帶34，其形成了具有相反的環(huán)面22和24以及圓柱形的內(nèi)表面33和外表面27的圓柱形狀。圓柱形狀具有內(nèi)徑d和外徑D。環(huán)面22，24分隔開一定的厚度L。用于容納傳導(dǎo)件(未示出)的多個(gè)槽26從內(nèi)表面33延伸至外表面27。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到，傳導(dǎo)件可根據(jù)其中使用了定子的電機(jī)的類型而采取不同的形式。該傳導(dǎo)件可以是用作可縮短的次級(jí)線圈的支架或類似元件。作為備選，該傳導(dǎo)件可包括電繞組，其設(shè)置成可通過供應(yīng)到其中的電流流過而受到激勵(lì)。各槽26具有于外表面27處測(cè)得的寬度W，以及從環(huán)面22處測(cè)得的深度T。槽26通過切削非晶體金屬的卷繞圓柱體來形成，從而形成了從大致環(huán)形的背鐵部分35中軸向地延伸出來的多個(gè)齒34。該部件可采用滿足電動(dòng)機(jī)的機(jī)械和工作要求的任何數(shù)量的槽。整體式部件21浸漬有環(huán)氧樹脂，以便使其對(duì)結(jié)合有該部件的電動(dòng)機(jī)的裝配和工作而言是足夠的結(jié)構(gòu)上和機(jī)械上的完整性。
圖2顯示了定子組件20，其包括與圖1所示相似的第一心件21，以及以電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域中的技術(shù)人員已知的設(shè)置而環(huán)繞著齒34的導(dǎo)電繞組28。圖2還顯示了轉(zhuǎn)子40，其包括具有兩個(gè)相反環(huán)面42和44的類似的第二心件41。環(huán)面42具有多個(gè)徑向槽46，用于在其中容納傳導(dǎo)件。從圖2中可以看到，所示實(shí)施例中的用于轉(zhuǎn)子40的傳導(dǎo)件采取支架48的形式。支架用作可縮短的次級(jí)線圈，其可產(chǎn)生由繞組28中的磁場(chǎng)所感生的磁場(chǎng)。這兩個(gè)磁場(chǎng)相反地作用，產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子40轉(zhuǎn)動(dòng)的力。盡管支架48顯示為單件式鑄件的形式，然而支架也可由多個(gè)層疊的沖壓件形成。另外，盡管未示出，然而可利用采用了繞組的繞線轉(zhuǎn)子、滑環(huán)和可縮短繞組的電阻器來代替支架48。用于定子20和轉(zhuǎn)子40的心件可由結(jié)合圖1所述的非晶體金屬材料的螺旋式環(huán)繞帶以類似的方式來形成。繞組28被可由傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(未示出)來激勵(lì)，以便提供電流源，其可產(chǎn)生磁通以使根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)子和定子來構(gòu)造的電動(dòng)機(jī)工作。
圖3顯示了本發(fā)明的一個(gè)示例性的軸向磁通感應(yīng)電機(jī)10，其利用固定連接在機(jī)架30上的整體式非晶體金屬定子組件20和安裝在軸29上的圓盤形永磁轉(zhuǎn)子40構(gòu)造而成，其中軸29可旋轉(zhuǎn)地安裝在軸頸式連接于機(jī)架30內(nèi)的軸承32中。轉(zhuǎn)子40和定子20安裝在機(jī)架30上，使得在這兩者之間形成了氣隙31。轉(zhuǎn)子和定子優(yōu)選在尺寸上相同，具有大致相等的內(nèi)徑和外徑。
圖4顯示了圓盤狀的環(huán)形永磁轉(zhuǎn)子組件60，其連同圖1所示的整體式定子鐵心21一起用于本發(fā)明的無刷式軸向磁通直流電動(dòng)機(jī)中。轉(zhuǎn)子60包括六個(gè)周向設(shè)置的磁性段62。這些段沿交錯(cuò)的方向被永磁化，從而提供了相反極性的磁極。這些段被標(biāo)有N和S，以便指示出存在于各段62表面上的相應(yīng)的磁北極和磁南極。各磁性段62可包括粘結(jié)式固定在環(huán)形支承板64上的永磁體(例如鐵氧體或稀土磁體)。在所示實(shí)施例中，支承板64的表面設(shè)有由壁68所限定的凹口66，其用于容納段62。段62可在轉(zhuǎn)子60的裝配之前被預(yù)先磁化，但優(yōu)選在裝配后利用磁領(lǐng)域中已知的技術(shù)來磁化。磁化圖形提供了方向大致垂直于轉(zhuǎn)子組件表面的磁通，其中磁通被交替地引入和引出于交替段的表面平面中。轉(zhuǎn)子組件60的環(huán)形內(nèi)表面72在其中限定了中心孔70。軸29穿過孔70，并利用已知的手段連接在轉(zhuǎn)子組件40上，這些手段包括但不限于干涉配合、焊接、銅焊、釬焊、粘合、螺紋接合、鉚接、銷接等。作為另選，支承板64可以是不帶中心孔的實(shí)心結(jié)構(gòu)，在這種情況下，軸29的一端可通過已知的手段直接地連接在板64上，或連接在與板相關(guān)聯(lián)的法蘭結(jié)構(gòu)(未示出)上。
作為結(jié)合有一個(gè)或多個(gè)整體式非晶體金屬部件的結(jié)果，在構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明的軸向磁通電動(dòng)機(jī)中所實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)包括在構(gòu)造非晶體金屬部件期間的簡(jiǎn)化的制造、縮短的制造時(shí)間、減小的應(yīng)力(即磁致伸縮)，降低的鐵損，以及成品電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化性能。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到，這里所用的用語“電動(dòng)機(jī)”一般指的是各種旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其還包括發(fā)電機(jī)以及可選擇性地作為發(fā)電機(jī)來操作的再生式電動(dòng)機(jī)。上述非晶體金屬部件可用于構(gòu)造這些裝置中的任何一種。這里所用的部件適用于構(gòu)造較寬范圍內(nèi)的各種類型、尺寸和額定功率的電動(dòng)機(jī)，包括用于微電子器件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的微型電動(dòng)機(jī)，直至用于牽引和大型工業(yè)應(yīng)用的整數(shù)馬力電動(dòng)機(jī)。該部件適用于不同類型的軸向磁通電動(dòng)機(jī)，尤其包括無刷和有刷類型的直流電動(dòng)機(jī)、開關(guān)式磁阻電動(dòng)機(jī)，其它同步電動(dòng)機(jī)，以及感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以理解，軸向磁通電動(dòng)機(jī)可包括一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子以及一個(gè)或多個(gè)定子。因此，本文所用的與電機(jī)有關(guān)的用語“轉(zhuǎn)子”和“定子”包括多個(gè)轉(zhuǎn)子和定子，其數(shù)量從一個(gè)至三個(gè)或更多個(gè)。例如，本發(fā)明的一種形式的無刷式永磁直流電動(dòng)機(jī)包括圓盤形的轉(zhuǎn)子和兩個(gè)大致鏡像的定子，在轉(zhuǎn)子的相對(duì)平側(cè)面中的每一側(cè)面上同軸地設(shè)置了一個(gè)定子。無刷式永磁直流電動(dòng)機(jī)還可設(shè)置成具有兩個(gè)轉(zhuǎn)子，每個(gè)轉(zhuǎn)子具有兩個(gè)大致鏡像的定子，在各轉(zhuǎn)子的各側(cè)面上設(shè)置了一個(gè)定子，并且轉(zhuǎn)子和定子相互間同軸。
傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮通常認(rèn)為徑向磁通電機(jī)必須制作成相當(dāng)長，以便提供高軸扭矩和高輸出功率。通常較寬范圍額定功率的電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)基于從少量的標(biāo)準(zhǔn)疊片結(jié)構(gòu)中來選擇，可通過改變整個(gè)層疊長度來調(diào)整銘牌額定值。通過限制這種結(jié)構(gòu)的數(shù)量，就可降低制造不同模具組的成本，并且可將標(biāo)準(zhǔn)直徑選擇成可降低不可避免的廢料的量。相比之下，本發(fā)明的軸向磁通電機(jī)能夠通過較短的軸長和較大的直徑來實(shí)現(xiàn)高扭矩和高功率?？赏ㄟ^改變電動(dòng)機(jī)的直徑來容易地調(diào)整額定功率。此外，軸向間隔的結(jié)構(gòu)對(duì)于許多其中盡管橫向間隔更大一些但無法得到用于安裝電機(jī)的較長軸向長度的應(yīng)用而言是非常有利的。這種要求通常出現(xiàn)在汽車應(yīng)用中，包括用于電動(dòng)型或混合動(dòng)力型車輛的牽引電機(jī)，以及安裝在車輛內(nèi)燃機(jī)的飛輪附近的直接驅(qū)動(dòng)式起動(dòng)器-交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)還利用了高磁極數(shù)量的設(shè)計(jì)，這可由本文所提出的低損耗的非晶體金屬部件和電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到其中本發(fā)明電動(dòng)機(jī)的平坦緊湊的幾何形狀是有利的其它應(yīng)用。
如上所述地構(gòu)造的三維磁性部件21或41具有較低的鐵損。當(dāng)在激勵(lì)頻率“f”下被激勵(lì)至峰值感應(yīng)水平“Bmax”時(shí)，磁性部件在室溫下可具有小于“L”的鐵損，其中L由公式L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4給出，鐵損、激勵(lì)頻率和峰值感應(yīng)水平分別以瓦/千克、赫茲和特斯拉為單位測(cè)得。在另一實(shí)施例中，磁性部件可具有(i)當(dāng)在約60赫茲的頻率和約1.4特斯拉(T)的磁通密度下工作時(shí)，非晶體金屬材料的鐵損等于或小于約1瓦/千克；(ii)當(dāng)在約1000赫茲的頻率和約1.0T的磁通密度下工作時(shí)，非晶體金屬材料的鐵損等于或小于約12瓦/千克；或者(iii)當(dāng)在約20000赫茲的頻率和約0.30T的磁通密度下工作時(shí)，非晶體金屬材料的鐵損等于或小于約70瓦/千克。部件的降低的鐵損有利地提高了結(jié)合有該部件的電裝置的效率。
較低的鐵損值使得整體式磁性部件尤其適用于其中部件受到高頻磁激勵(lì)、例如在至少約100赫茲的頻率下產(chǎn)生激勵(lì)的應(yīng)用場(chǎng)合。傳統(tǒng)鋼在高頻率下固有的高鐵損使得它們不適用于要求高頻激勵(lì)的裝置中。這些鐵損性能值適用于部件的各種實(shí)施例，而與整體式非晶體金屬部件的特定幾何形狀無關(guān)。
例如，任何同步電動(dòng)機(jī)在與激勵(lì)頻率與電動(dòng)機(jī)中的磁極數(shù)量之比成比例的轉(zhuǎn)速下工作。通過采用上述非晶體金屬部件而非傳統(tǒng)的鋼制部件，這種電動(dòng)機(jī)便可設(shè)計(jì)成具有高得多的磁極數(shù)目。然而，電動(dòng)機(jī)仍可在相同的速度下工作，這是因?yàn)榧?lì)頻率的所需增加不會(huì)導(dǎo)致過多的鐵損。這種靈活性在變速場(chǎng)合中尤其需要。在許多情況下，在較寬速度范圍內(nèi)工作的能力將允許設(shè)計(jì)者省掉傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)所需的齒輪組或傳動(dòng)系統(tǒng)。從機(jī)械系統(tǒng)中省掉這些部分提高了效率和可靠性。這些特性在本發(fā)明的電動(dòng)機(jī)例如用于車輛牽引場(chǎng)合時(shí)尤其有用。
另外，所公開部件的低鐵損允許它在與現(xiàn)有技術(shù)中的由電工鋼和電動(dòng)機(jī)用鋼所構(gòu)成的電動(dòng)機(jī)部件相比更高的頻率下受激勵(lì)?，F(xiàn)有技術(shù)部件的這種激勵(lì)將很可能產(chǎn)生足以使電動(dòng)機(jī)的溫度升高至?xí)p害導(dǎo)線絕緣以及電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中其它常用材料的熱量。因此，采用本發(fā)明的部件來構(gòu)造的電動(dòng)機(jī)可在較高的轉(zhuǎn)速下工作，因此對(duì)于給定水平的扭矩而言可以傳遞更高的機(jī)械功率并提供更高的功率密度。
本發(fā)明的整體式非晶體金屬磁性部件可采用通常已知為帶、條或條帶形狀的多種鐵磁非晶體金屬合金來制造。一般來說，適用于該部件的非晶體金屬基本上由具有分子式M70-85Y5-20Z0-20的合金來構(gòu)成，下標(biāo)為原子百分比，其中“M”是鐵、鎳和鈷中的至少一種，“Y”是硼、碳和磷中的至少一種，“Z”是硅、鋁和鍺中的至少一種；附帶條件是(i)組分“M”中的高達(dá)百分之十(10％)原子百分比可由金屬物質(zhì)鈦、釩、鉻、錳、銅、鋯、鈮、鉬、鉭、鉿、銀、金、鈀、鉑和鎢中的至少一種來取代，(ii)組分(Y+Z)中的高達(dá)百分之十(10％)原子百分比可由非金屬物質(zhì)銦、錫、銻和鉛中的至少一種來取代；(iii)組分(M+Y+Z)中的高達(dá)約百分之一(1％)原子百分比可以是附帶的雜質(zhì)。這里所用的用語“非晶體金屬合金”指的是基本上缺乏任何長程有序的金屬合金，并且可通過X-射線的最大衍射強(qiáng)度來表征，該最大衍射強(qiáng)度在性質(zhì)上類似于在液體或無機(jī)氧化物玻璃中所觀察到的最大衍射強(qiáng)度。
適用于制造該部件的合金在該部件的使用溫度下是鐵磁的。鐵磁材料可在處于低于材料的特性溫度(通常稱為居里溫度)的溫度下時(shí)顯示出其組成原子的磁矩的空間對(duì)齊以及很強(qiáng)的長程耦合。在室溫下工作的裝置中所用材料的居里溫度優(yōu)選為至少約200℃，最好為至少約375℃。如果所要包含的材料具有適當(dāng)?shù)木永餃囟龋瑒t裝置可在其它溫度下工作，包括在低至低溫溫度或高溫下工作。
如所知道的那樣，鐵磁材料還可通過其飽和感應(yīng)或等效地通過其飽和磁通密度或磁化強(qiáng)度來表征。一種合適的合金具有至少約1.2特斯拉(T)的飽和感應(yīng)，更優(yōu)選為至少約1.5T的飽和感應(yīng)。該合金還具有至少約100μΩ-cm、優(yōu)選為至少約130μΩ-cm的高電阻率。
適用于作為原料的非晶體金屬合金是可買到的，其通常采取寬度為20厘米以上以及厚度為約20-25微米的連續(xù)薄帶或條帶的形式。這些合金形成了基本上完全為玻璃狀的微結(jié)構(gòu)(例如至少約80％體積的具有非晶體結(jié)構(gòu)的材料)。合金可適當(dāng)?shù)赜蓭缀?00％地具有非晶體結(jié)構(gòu)的材料來形成。非晶體結(jié)構(gòu)的體積分?jǐn)?shù)可通過本領(lǐng)域中已知的方法來測(cè)定，例如X射線、中子或電子的衍射、透射電子顯微鏡，或者差示掃描量熱法。對(duì)于“M”、“Y”和“Z”分別主要是鐵、硼和硅的合金來說，可以低成本來實(shí)現(xiàn)最高的感應(yīng)值。更具體而言，一種合適的合金包含至少70％原子百分比的鐵、至少5％原子百分比的硼，以及至少5％原子百分比的硅，附加條件是，硼和硅的總含量為至少15％原子百分比。同樣出于這一原因，由鐵-硼-硅合金構(gòu)成的非晶體金屬帶是優(yōu)選的。一種合適的非晶體金屬帶的組分包括約11％原子百分比的硼和約9％原子百分比的硅，其余為鐵和附帶的雜質(zhì)。這種帶材具有約1.56T的飽和感應(yīng)和約137μΩ-cm的電阻率，并由Honeywell International Inc.公司以METGLASalloy 2605SA-1的商品名稱出售。另一合適的非晶體金屬帶的組分基本上包括約13.5％原子百分比的硼、約4.5％原子百分比的硅、約2％原子百分比的碳，其余為鐵和附帶的雜質(zhì)。這種帶材具有約1.59T的飽和感應(yīng)和約137μΩ-cm的電阻率，并由Honeywell International Inc.公司以METGLASalloy 2605SC的商品名稱出售。對(duì)于需要更高飽和感應(yīng)的應(yīng)用而言，合適帶材的組分基本上包括鐵，以及約18％原子百分比的鈷、約16％原子百分比的硼、約1％原子百分比的硅，其余為鐵和附帶的雜質(zhì)。這種帶材由Honeywell International Inc.公司以METGLASalloy 2605CO的商品名稱出售。然而，由這種材料構(gòu)造的部件的損耗略高于采用METGLAS 2605SA-1構(gòu)造的部件的損耗。
用于該部件中的非晶體金屬帶的機(jī)械性能和磁性能通常可通過在一定的溫度和時(shí)間下進(jìn)行熱處理來增強(qiáng)，這種處理足以提供所需的增強(qiáng)，同時(shí)不會(huì)改變?cè)搸Р牡幕旧贤耆珵椴Ａ畹奈⒔Y(jié)構(gòu)。熱處理包括加熱部分、可選擇的保溫部分以及冷卻部分。作為選擇，可在熱處理的至少一部分期間、例如至少在冷卻部分期間對(duì)帶材施加磁場(chǎng)。優(yōu)選大致沿著在定子工作期間磁通所處的方向來施加磁場(chǎng)，在某些情況下磁場(chǎng)的施加還可提高部件的磁性能并降低其鐵損。作為選擇，熱處理可包括一次以上的這種熱循環(huán)。
適用于整體式非晶體金屬部件的某些非晶體合金的磁性能可通過對(duì)合金進(jìn)行熱處理以便在其中形成納米晶體微結(jié)構(gòu)來顯著地增強(qiáng)。該微結(jié)構(gòu)可被表征為存在高密度的晶粒，其平均粒度為約100納米以下，優(yōu)選為50納米以下，更優(yōu)選為10-20納米。晶粒優(yōu)選占鐵基合金體積的至少50％。這些材料具有低鐵損和低磁致伸縮。低磁致伸縮的性能還使材料不易于因部件的制造和/或工作期間形成的應(yīng)力所導(dǎo)致的磁性能降低。在給定合金中形成納米晶體結(jié)構(gòu)所需的熱處理必須在比設(shè)計(jì)用于在其中保持基本上完全為玻璃狀的微結(jié)構(gòu)的熱處理所需的更高的溫度或更長的時(shí)間下進(jìn)行。這里所用的用語“非晶體金屬”和“非晶體合金”還包括這樣的材料，其最初形成了基本上完全為玻璃狀的微結(jié)構(gòu)，隨后通過熱處理或其它處理而轉(zhuǎn)變成具有納米晶體微結(jié)構(gòu)的材料。可被熱處理以形成納米晶體微結(jié)構(gòu)的非晶體合金也被簡(jiǎn)稱為納米晶體合金。本發(fā)明的方法允許納米晶體合金成形為所需幾何形狀的成品定子?？稍诤辖鹑蕴幱谄滂T態(tài)的、可延展的基本上非晶體形式的時(shí)候，并且在它被熱處理以形成會(huì)使其更脆和更難于處理的納米晶體結(jié)構(gòu)之前來有利地實(shí)現(xiàn)這種成形。
通過其中下標(biāo)為原子百分比的以下分子式，來給出通過在其中形成納米晶體微結(jié)構(gòu)而具有顯著提高的磁性能的兩類合金。
第一類納米晶體材料基本上由具有分子式Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw的合金組成，其中R是鎳和鈷中的至少一種，T是鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉬和鎢中的至少一種，Q是銅、銀、金、鈀和鉑中的至少一種，u的范圍是從0至約10，x的范圍是從約3至12，y的范圍是從0至約4，z的范圍是從約5至12，w的范圍是從0至小于約8。之后對(duì)該合金進(jìn)行熱處理以在其中形成納米晶體微結(jié)構(gòu)，它具有較高的飽和感應(yīng)(例如至少約1.5T)，較低的鐵損，以及較低的飽和磁致伸縮(例如絕對(duì)值小于4×10-6的磁致伸縮)。這種合金可用于其中對(duì)于所需的功率和扭矩而言需要最小尺寸的電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用中。
第二類納米晶體材料基本上由具有分子式Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw的合金組成，其中R是鎳和鈷中的至少一種，T是鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉬和鎢中的至少一種，Q是銅、銀、金、鈀和鉑中的至少一種，u的范圍是從0至約10，x的范圍是從約1至5，y的范圍是從0至約3，z的范圍是從約5至12，w的范圍是從約8至18。之后對(duì)該合金進(jìn)行熱處理以在其中形成納米晶體微結(jié)構(gòu)，它具有至少約1.0T的飽和感應(yīng)，特別低的鐵損，以及較低的飽和磁致伸縮(例如絕對(duì)值小于4×10-6的磁致伸縮)。這種合金可用于要求在非常高的速度(例如要求激勵(lì)頻率為1000赫茲或更高)下工作的電動(dòng)機(jī)中。
還提供了一種用于構(gòu)造整體式非晶體金屬部件的方法。一般而言，該方法包括步驟(i)螺旋式地卷繞鐵磁非晶體金屬帶材，以形成環(huán)形橫截面的卷繞圓柱體，其具有圓柱形的內(nèi)表面、圓柱形的外表面以及兩個(gè)相反的環(huán)面，環(huán)面分隔開一定的軸向厚度；(ii)對(duì)圓柱體進(jìn)行熱處理；(iii)用粘合劑將卷繞圓柱體的各層粘合到與之相鄰的層上；以及(iv)通過在其中至少一個(gè)環(huán)面上切出多個(gè)槽來成形部件，這些槽大致徑向地在內(nèi)表面與外表面之間延伸，并具有小于軸向厚度的深度。粘合劑粘合優(yōu)選通過浸漬來進(jìn)行。作為選擇，可執(zhí)行精整步驟(v)，包括對(duì)部件進(jìn)行涂覆以得到適當(dāng)?shù)谋砻婀鉂嵍?。熱處理步驟包括一次或多次熱處理，以便改變非晶體金屬原料的機(jī)械性能或磁性能。這種可選擇的熱處理有助于機(jī)加工操作并提高部件的磁性能?？梢远喾N順序和采用包括如下文所述在內(nèi)的多種技術(shù)來執(zhí)行步驟(i)至(v)。例如，熱處理步驟(ii)可選擇性地在粘合步驟(iii)之后或在成形步驟(iv)之后進(jìn)行。
非晶體金屬的熱處理可采用可使金屬經(jīng)受所需熱剖面的任何加熱手段來進(jìn)行。合適的加熱手段包括紅外加熱源、爐子、流化床、與保持在高溫下的散熱器形成熱接觸、使電流通過帶材而產(chǎn)生的電阻生熱，以及感應(yīng)(射頻)加熱?？筛鶕?jù)以上所列舉的所需加工步驟的順序來選擇加熱手段?？稍跓崽幚淼闹辽僖徊糠帧⒗缋鋮s部分期間在非晶體金屬上選擇性地施加磁場(chǎng)。
非晶體金屬材料的熱處理可改變其機(jī)械性能。具體而言，熱處理通常會(huì)降低非晶體金屬的延展性，從而限制非晶體金屬在發(fā)生斷裂之前產(chǎn)生的機(jī)械變形的量，這在某些情況下有助于硬質(zhì)非晶體金屬的切削以形成本發(fā)明部件的齒。
粘合手段用于將非晶體金屬材料層相互粘合在一起，從而提供具有足夠結(jié)構(gòu)完整性的整體式三維物體，以允許切削或機(jī)加工出本發(fā)明部件所需的槽。完整性還有助于處理和使用部件以及將其結(jié)合到較大的結(jié)構(gòu)中去。多種粘合劑是合適的。粘合劑優(yōu)選具有低粘度、低收縮率、低彈性模量、高剝離強(qiáng)度以及高介質(zhì)強(qiáng)度。粘合劑優(yōu)選具有小于1000cps的粘度，以及與金屬大致相等的熱膨脹系數(shù)，即約百萬分之十。優(yōu)選的粘合劑包括從清漆、厭氧膠以及室溫硫化(RTV)的硅酮材料中選出的至少一種。更優(yōu)選的粘合劑是氰基丙烯酸酯，例如由National Starch and Chemical Company出售的商品名為Permabond 910FS的氰基丙烯酸甲酯。本發(fā)明的器件優(yōu)選通過施加這種粘合劑以使其通過毛細(xì)作用而滲透到帶材的層之間來進(jìn)行粘合。Permabond 910FS是單組分低粘性的液體，其在室溫下在約5秒內(nèi)固化。另一更優(yōu)選的粘合劑是環(huán)氧樹脂，它可以是其固化通過化學(xué)活化來進(jìn)行的多組分形式，或者是其固化通過熱活化或通過暴露于紫外線照射中來活化的單組分形式。最優(yōu)選的粘合劑是低粘性熱活化的環(huán)氧樹脂，例如P.D.George Co.公司出售的商品名為Epoxylite 8899的環(huán)氧樹脂。本發(fā)明的器件優(yōu)選通過利用這種環(huán)氧樹脂的浸漬來進(jìn)行粘合，這種環(huán)氧樹脂用丙酮以1∶5的體積比來稀釋，以便降低其粘性并提高其在帶材的層之間的滲透。
可在帶材被卷繞以形成用于制備本發(fā)明部件的圓柱體之前，將粘合劑涂覆在帶材上。涂覆粘合劑的適當(dāng)方法包括浸漬、噴涂、刷涂以及靜電積附。非晶體金屬帶還可通過使其在可將粘合劑轉(zhuǎn)移到非晶體金屬上的桿或輥上通過來進(jìn)行涂覆。具有紋飾面的桿或輥、例如凹板印刷輥或繞線輥尤其可有效地用于將粘合劑的均勻涂層轉(zhuǎn)移到非晶體金屬上。作為另選和更優(yōu)選的是，可在金屬的所有層被層疊之后集中地將粘合劑涂覆到其上。最好，卷繞的圓柱體通過使粘合劑在這些層之間毛細(xì)流動(dòng)來浸漬。圓柱體可被置于真空或流體靜壓下，以便進(jìn)行更完全的填充。這種過程導(dǎo)致使所添加粘合劑的總體積減少，從而保證了較高的疊層系數(shù)。如果在至少175℃的溫度下進(jìn)行，則粘合劑的活化或固化還可用于如上所述地影響磁性能。
可利用任何已知的技術(shù)來在本發(fā)明的磁性部件中形成槽，這些技術(shù)包括但不限于機(jī)械磨削、金剛石線切割、在水平或垂直方位中進(jìn)行的高速銑削、磨蝕性噴水研磨、通過走絲或沖入來進(jìn)行的放電加工、電化學(xué)磨削、電化學(xué)加工以及激光切削。優(yōu)選的是，切削方法在切削面處或其附近不會(huì)產(chǎn)生任何明顯的損傷。這種損傷例如來自過高的切削速度，其將非晶體金屬局部地加熱至其結(jié)晶化溫度以上，或甚至熔化邊緣處或其附近的材料。不利后果可包括邊緣附近的提高的應(yīng)力和鐵損，層與層之間的短路，或者機(jī)械性能的下降。
用于對(duì)本發(fā)明的部件切出槽的優(yōu)選方法包括電化學(xué)磨削。該技術(shù)通過電化學(xué)和機(jī)械作用的組合來從部件中去除材料。電流從導(dǎo)電的旋轉(zhuǎn)切割輪經(jīng)過電解液而進(jìn)入到同樣可導(dǎo)電的部件中。當(dāng)電流在切割輪與部件之間流動(dòng)時(shí)，電解液溶解部件，并形成松軟的金屬氧化物。切割輪通過對(duì)部件進(jìn)行的少量加熱和變形而去除氧化物，從而提供了對(duì)本發(fā)明部件的高效、快速和精確的制造。
如上所述，本發(fā)明的磁性部件具有比傳統(tǒng)鋼制成的尺寸相似的部件更低的鐵損。如本領(lǐng)域中所知的那樣，鐵損指的是當(dāng)鐵磁材料的磁化隨著時(shí)間而變化時(shí)，鐵磁材料內(nèi)所產(chǎn)生的能量耗散。給定磁性部件的鐵損一般通過周期性地激勵(lì)該部件來確定。在部件上施加隨時(shí)間而變化的磁場(chǎng)，以便在其中產(chǎn)生相應(yīng)的隨時(shí)間變化的磁感應(yīng)或磁通密度。為了測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)化，激勵(lì)通常選擇成使得磁感應(yīng)在頻率“f”下隨時(shí)間呈正弦曲線地變化，并具有峰值幅度“Bmax”。然后通過已知的電測(cè)量設(shè)備和技術(shù)來確定鐵損。鐵損通常以被激勵(lì)磁性材料的每單位質(zhì)量或體積的瓦特?cái)?shù)來表示。在本領(lǐng)域中已經(jīng)知道，鐵損隨f和Bmax單調(diào)地增加。
用于測(cè)量軟磁材料的鐵損的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定是已知的(例如ASTM標(biāo)準(zhǔn)A912-93和A927(A927M-94))。通常它們需要這樣一種材料的樣品，其設(shè)置在相當(dāng)封閉的磁路中，即其中封閉磁通線完全包含在樣品體積中的這樣一種構(gòu)造中。這種樣品形式包括帶纏繞的或沖孔的螺旋管、穿過磁軛的單個(gè)條帶，或者層疊形式如愛潑斯坦框架。這些形式還從頭到尾具有相當(dāng)均勻的橫截面，從而允許測(cè)試在明確的磁通密度下進(jìn)行。另一方面，電動(dòng)機(jī)部件中所采用的磁性材料設(shè)置在開環(huán)磁路中，即其中磁通線必須穿過氣隙的構(gòu)造中。由于邊緣場(chǎng)效應(yīng)和磁場(chǎng)的不均勻性，因此與閉路測(cè)量相比，在開路中測(cè)試的給定材料通常具有更高的鐵損，即更高的瓦特每單位質(zhì)量或體積的值。上述整體式磁性部件即使在開路構(gòu)造中也可在較寬范圍的磁通密度和頻率下有利地展示出較低的鐵損。
在不受任何原理的限制下，可以認(rèn)為低損耗的整體式非晶體金屬部件的總鐵損包括來自磁滯損耗和渦流損耗的影響。這兩種影響的每一種都是峰值磁感應(yīng)Bmax和激勵(lì)頻率f的函數(shù)。各種影響的幅度還取決于外在因素，包括部件的構(gòu)造方法以及部件所用材料的熱機(jī)經(jīng)歷?，F(xiàn)有技術(shù)中的對(duì)非晶體金屬中的鐵損的分析(例如見G.E.Fish，J.Appl.Phys.57，3569(1985)以及G.E.Fish等，J.Appl.Phys.64，5370(1988))一般限于從閉合磁路內(nèi)的材料中獲得的數(shù)據(jù)。這些分析中的低的磁滯損耗和渦流損耗部分地是由非晶體金屬的高電阻率造成的。
本發(fā)明的整體式磁性部件的每單位質(zhì)量的總鐵損L(Bmax，f)可通過以下方程來大致確定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必須都根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來確定，沒有已知的理論可精確地確定它們的值。利用該公式可允許在任何所需的工作感應(yīng)和激勵(lì)頻率下確定整體式磁性部件的總鐵損。通?？砂l(fā)現(xiàn)，在電動(dòng)機(jī)部件如轉(zhuǎn)子或定子的特定幾何形狀下，其中的磁場(chǎng)在空間上是不均勻的。在本領(lǐng)域中已知了例如有限元建模的技術(shù)，其可提供對(duì)峰值磁通密度的空間和時(shí)間變化的估計(jì)，這非常接近于實(shí)際的整體式磁性部件中所測(cè)得的磁通密度分布。通過利用給出了在空間上均勻的磁通密度下的給定材料的磁心損耗的合適經(jīng)驗(yàn)公式作為輸入，就允許這些技術(shù)以合理的精度來預(yù)測(cè)給定部件在其工作構(gòu)造中的相應(yīng)的實(shí)際鐵損。
鐵損的實(shí)際測(cè)量可利用傳統(tǒng)的方法來進(jìn)行。通過使電流通過包圍了磁性部件的第一繞組來施加磁動(dòng)勢(shì)。所得的磁通密度通過法拉第定律從在包圍了待測(cè)試磁性部件的第二繞組中所感生的電壓中測(cè)得。所施加的磁場(chǎng)通過安培定律從磁動(dòng)勢(shì)中測(cè)得。然后通過傳統(tǒng)方法如電子式瓦特計(jì)從所施加的磁場(chǎng)和所引起的磁通密度中計(jì)算出鐵損。
提供了以下示例來更全面地介紹本文所述部件的性能。用來顯示本發(fā)明的原理和應(yīng)用的特定技術(shù)、條件、材料、比例和所報(bào)告的數(shù)據(jù)僅僅是示例性的，不應(yīng)被解釋成限制了本發(fā)明的范圍。
示例1整體式非晶體金屬電動(dòng)機(jī)定子的制備和電磁測(cè)試螺旋式地卷繞約26.7毫米寬和0.022毫米厚的Fe80B11Si9鐵磁非晶體金屬的條帶，以形成兩個(gè)基本上相同的正圓柱體組件，各組件具有約3300層，422毫米的外徑，272毫米的內(nèi)徑，如圖1所示。圓柱體組件在氮?dú)夥障峦嘶?。退火包?)加熱各組件至360℃；2)在約360℃的溫度下保溫約2小時(shí)；以及3)將各組件冷卻至環(huán)境溫度。將各圓柱體組件放入到夾具中，并用環(huán)氧樹脂溶液進(jìn)行浸漬，在177℃下固化約2.5小時(shí)。所使用的環(huán)氧樹脂是EpoxyliteTM8899，其用丙酮以1∶5的體積比來稀釋以便得到合適的粘性。當(dāng)完全固化時(shí)，將各圓柱體組件從夾具上取下來。各個(gè)所形成的環(huán)氧樹脂粘合的非晶體金屬圓柱段的組件重量為約14公斤。然后在各圓柱體組件的其中一個(gè)環(huán)形端面中切出72條等距地間隔開的槽。各槽為19毫米深和5.8毫米寬，并從圓柱體的內(nèi)表面徑向地延伸到外表面上。通過電化學(xué)磨削工藝來進(jìn)行切削。在切削后對(duì)各組件的表面進(jìn)行精整加工，以去除表面上的多余環(huán)氧樹脂，從而形成了用于軸向間隔電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)基本上相同的定子。樣品設(shè)置成同軸的設(shè)置，其中其相應(yīng)的齒形成配對(duì)鄰接。將適當(dāng)?shù)某跫?jí)和次級(jí)電繞組固定在圓柱體測(cè)試樣品組件上，以便進(jìn)行電測(cè)試。
當(dāng)在約60赫茲的頻率和約1.4特斯拉(T)的磁通密度下工作時(shí)，測(cè)試組件顯示出非晶體金屬材料的鐵損值小于1瓦/千克，當(dāng)在約1000赫茲的頻率和約1.0特斯拉的磁通密度下工作時(shí)，非晶體金屬材料的鐵損小于12瓦/千克，當(dāng)在約20000赫茲的頻率和約0.30特斯拉的磁通密度下工作時(shí)，非晶體金屬材料的鐵損小于70瓦/千克。本發(fā)明部件的低鐵損使得它們適用于構(gòu)造電動(dòng)機(jī)定子。
示例2非晶體金屬電動(dòng)機(jī)定子的高頻電磁測(cè)試如同示例1一樣地來制備包括有卷繞式非晶體金屬層的兩個(gè)圓柱體定子。將初級(jí)和次級(jí)電繞組固定在定子上。在60、1000、5000和20000赫茲下以及在不同的磁通密度下進(jìn)行電測(cè)試。鐵損值編制在以下的表1、2、3和4中。如表3和4所示，在激勵(lì)頻率為5000赫茲或更高時(shí)，鐵損特別低。因此，本發(fā)明的定子尤其適用于在高激勵(lì)頻率下工作的電動(dòng)機(jī)。
表1鐵損@60赫茲(瓦/千克)

表2鐵損@1000赫茲(瓦/千克)

表3鐵損@5000赫茲(瓦/千克)

表4鐵損@20000赫茲(瓦/千克)

示例3低損耗的整體式非晶體金屬部件的高頻特性采用傳統(tǒng)的非線性回歸方法來分析以上示例2的鐵損數(shù)據(jù)。可以確定，由Fe80B11Si9非晶體金屬條帶構(gòu)成的低損耗的整體式非晶體金屬部件的鐵損可通過以下方程來大致確定L(Bmax，f)＝c1f(Bmax)n+c2fq(Bmax)m選擇系數(shù)c1和c2以及指數(shù)n，m和q的適當(dāng)值，以便確定整體式非晶體金屬部件的磁損的上限。表5列舉了示例2中部件的損耗以及通過以上公式所預(yù)測(cè)的損耗，它們均以瓦/千克來測(cè)量。所預(yù)測(cè)的作為f(赫茲)和Bmax(特斯拉)的函數(shù)的損耗采用c1＝0.0074和c2＝0.000282以及n＝1.3，m＝2.4和q＝1.5來計(jì)算。示例2的整體式非晶體金屬部件的損耗低于由公式預(yù)測(cè)的相應(yīng)損耗。
表5


已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了相當(dāng)全面詳細(xì)的介紹，可以理解，不必嚴(yán)格地符合這種詳細(xì)程度，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以設(shè)想各種變化和修改，它們都屬于由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種構(gòu)造用于電機(jī)的低鐵損的整體式非晶體金屬磁性部件的方法，包括步驟a.螺旋式地卷繞鐵磁非晶體金屬帶材，以形成環(huán)形橫截面的卷繞圓柱體，其具有圓柱形的內(nèi)表面和外表面以及兩個(gè)環(huán)面，所述環(huán)面由一定的軸向厚度分隔開；b.對(duì)所述圓柱體進(jìn)行熱處理；c.用粘合劑將所述卷繞圓柱體的各層粘合到與之相鄰的層上；和d.通過在其中至少一個(gè)所述環(huán)面中切出多個(gè)槽來使所述部件成形，所述槽在所述內(nèi)表面與所述外表面之間延伸，并具有小于所述軸向厚度的深度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述粘合劑包括從清漆、厭氧膠以及室溫硫化(RTV)的硅酮材料中選出的至少一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述粘合通過用所述粘合劑來浸漬所述圓柱體以及活化所述粘合劑來實(shí)現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述粘合劑包括氰基丙烯酸酯。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述粘合劑包括環(huán)氧樹脂。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述環(huán)氧樹脂是低粘度的熱活化環(huán)氧樹脂。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括步驟e.通過涂覆來對(duì)所述部件進(jìn)行精整加工，使之具有適當(dāng)?shù)谋砻婀鉂嵍取?br> 8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(b)在步驟(c)之后進(jìn)行。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(b)在步驟(d)之后進(jìn)行。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述熱處理包括加熱、保溫和冷卻，在至少所述冷卻期間在所述部件上施加磁場(chǎng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述切削通過包括電化學(xué)磨削在內(nèi)的工藝來進(jìn)行。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述鐵磁非晶體金屬條帶具有基本上由分子式M70-85Y5-20Z0-20限定的組分，下標(biāo)為原子百分比，其中“M”是鐵、鎳和鈷中的至少一種，“Y”是硼、碳和磷中的至少一種，“Z”是硅、鋁和鍺中的至少一種；附帶條件是(i)組分“M”中的高達(dá)百分之十(10％)原子百分比可由金屬物質(zhì)鈦、釩、鉻、錳、銅、鋯、鈮、鉬、鉭、鉿、銀、金、鈀、鉑和鎢中的至少一種來取代，(ii)組分(Y+Z)中的高達(dá)百分之十(10％)原子百分比可由非金屬物質(zhì)銦、錫、銻和鉛中的至少一種來取代；(iii)組分(M+Y+Z)中的高達(dá)約百分之一(1％)原子百分比可以是附帶的雜質(zhì)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述鐵磁非晶體金屬帶具有這樣的組分，其包含至少70％原子百分比的鐵、至少5％原子百分比的硼，以及至少5％原子百分比的硅，附加條件是，硼和硅的總含量為至少15％原子百分比。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述M組分基本上是鐵，所述Y組分基本上是硼，所述Z組分基本上是硅。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述鐵磁非晶體金屬帶具有基本上由分子式Fe80B11Si9來確定的組分。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述熱處理步驟在所述非晶體金屬帶中形成納米晶體微結(jié)構(gòu)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述鐵磁非晶體金屬帶具有大致由分子式Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw限定的組分，其中R是鎳和鈷中的至少一種，T是鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉬和鎢中的至少一種，Q是銅、銀、金、鈀和鉑中的至少一種，u的范圍是從0至約10，x的范圍是從約3至12，y的范圍是從0至約4，z的范圍是從約5至12，w的范圍是從0至小于約8。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述鐵磁非晶體金屬帶具有大致由分子式Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw限定的組分，其中R是鎳和鈷中的至少一種，T是鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鉬和鎢中的至少一種，Q是銅、銀、金、鈀和鉑中的至少一種，u的范圍是從0至約10，x的范圍是從約1至5，y的范圍是從0至約3，z的范圍是從約5至12，w的范圍是從約8至18。
19.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述方法來構(gòu)造的低鐵損的整體式非晶體金屬部件。
20.一種根據(jù)權(quán)利要求19所述的低鐵損的整體式非晶體金屬部件，當(dāng)在激勵(lì)頻率“f”下被操作至峰值感應(yīng)水平“Bmax”時(shí)，所述部件具有小于“L”的鐵損，其中L由公式L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4給出，所述鐵損、所述激勵(lì)頻率和所述峰值感應(yīng)水平分別以瓦/千克、赫茲和特斯拉為單位來測(cè)量。
21.一種軸向磁通電動(dòng)機(jī)，包括至少一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1所述方法來構(gòu)造的低鐵損的整體式非晶體金屬部件。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的軸向磁通電動(dòng)機(jī)，其特征在于，當(dāng)在激勵(lì)頻率“f”下被操作至峰值感應(yīng)水平“Bmax”時(shí)，所述部件具有小于“L”的鐵損，其中L由公式L＝0.0074f(Bmnax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4給出，所述鐵損、所述激勵(lì)頻率和所述峰值感應(yīng)水平分別以瓦/千克、赫茲和特斯拉為單位來測(cè)量。
全文摘要
一種用于軸向磁通電機(jī)如電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)的整體式非晶體金屬磁性部件，通過鐵磁非晶體金屬帶的螺旋式卷繞的環(huán)形圓柱體來形成。圓柱體被粘合起來并設(shè)有多個(gè)槽，這些槽形成于圓柱體的其中一個(gè)環(huán)面中，并從圓柱體的內(nèi)表面延伸至外表面。該部件優(yōu)選用于構(gòu)造高效率的軸向磁通電動(dòng)機(jī)。當(dāng)在激勵(lì)頻率“f”下被操作至峰值感應(yīng)水平“B
文檔編號(hào)H02K15/02GK1788400SQ03824974
公開日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2003年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月5日
發(fā)明者N·J·德克里斯托法羅, C·E·克羅格爾, S·S·倫杜欽塔拉, S·M·林德奎斯特 申請(qǐng)人:梅特格拉斯公司