專利名稱：用于電動機(jī)的低鐵損非晶態(tài)金屬磁性部件的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及非晶態(tài)金屬磁性部件，更特別地，涉及具有普通多面體形狀、低鐵損、整體非晶態(tài)金屬磁性部件的高效電動機(jī)。
2.現(xiàn)有技術(shù)描述電動機(jī)一般包含由大量非取向硅鋼的層疊疊片制成的磁性部件。在可變磁阻電動機(jī)和渦流電動機(jī)中，定子由層疊疊片制成。在鼠籠式電動機(jī)、磁阻同步電動機(jī)和開關(guān)磁阻電動機(jī)中，定子和轉(zhuǎn)子都由層疊疊片制成。一般通過將機(jī)械軟的、非取向硅鋼沖壓、沖孔或切割成所需的形狀來形成每個(gè)疊片。形成的疊片然后被層疊并捆綁形成具有所需幾何形狀并有足夠機(jī)械完整性以在電動機(jī)生產(chǎn)和運(yùn)行過程中保持它們構(gòu)造的轉(zhuǎn)子或定子。
機(jī)器中的定子和轉(zhuǎn)子被小的間隙隔開并隔開一定距離，其中間隙為(i)徑向的，即通常垂直于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的軸，或(ii)軸向的，即通常平行于旋轉(zhuǎn)軸。在電磁電機(jī)中，磁通線通過穿越間隙連接轉(zhuǎn)子和定子。電磁電機(jī)因此可被廣泛地分別分成徑向或軸向磁通設(shè)計(jì)。相應(yīng)的術(shù)語徑向和軸向間隙設(shè)計(jì)也用于電動機(jī)領(lǐng)域。徑向磁通電機(jī)是目前最為常見的。上述沖孔和層疊方法廣泛用于構(gòu)造徑向磁通電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子。
盡管與非取向硅鋼相比，非晶態(tài)金屬能提供優(yōu)良的磁性能，但它們由于一些物理性質(zhì)和隨后的制造障礙而長期被認(rèn)為不適用于整體磁性部件如電動機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子。例如，非晶態(tài)金屬比非取向鋼薄和硬，因此導(dǎo)致制造工具和沖模磨損更快。產(chǎn)生的加工和制造成本的增加使使用這種常規(guī)技術(shù)如沖孔和沖壓制造整體非晶態(tài)金屬磁性部件在商業(yè)上不切實(shí)際。非晶態(tài)金屬的薄度也轉(zhuǎn)變成組裝部件中疊片數(shù)量的增加，進(jìn)一步增加了非晶態(tài)金屬轉(zhuǎn)子或定子磁組件的總成本。
非晶態(tài)金屬一般以具有均勻帶寬度的薄連續(xù)帶形式提供。但是，非晶態(tài)金屬是非常硬的材料，這使它非常難于容易地切割或成形。一旦被退火達(dá)到峰值磁性能，非晶態(tài)金屬帶就變得非常脆。這使得使用常規(guī)途徑構(gòu)造整體非晶態(tài)金屬磁性部件困難和昂貴。非晶態(tài)金屬帶的脆性也導(dǎo)致對整體磁性部件在應(yīng)用如電動機(jī)中的耐久性的關(guān)注。
磁性定子受到極其高的磁力，該磁力在高旋轉(zhuǎn)速度需要的頻率下變化迅速。這些磁力能對定子材料施加相當(dāng)大的應(yīng)力，并可破壞非晶態(tài)金屬磁性定子。轉(zhuǎn)子還受到由正常旋轉(zhuǎn)和在機(jī)器通電或斷電和負(fù)載變化可能急劇時(shí)旋轉(zhuǎn)加速引起的機(jī)械力。
已提出了數(shù)量有限的非常規(guī)途徑用于構(gòu)造非晶態(tài)金屬部件。例如，F(xiàn)rischmann的美國專利4197146公開了用成型和壓實(shí)的非晶態(tài)金屬薄片制造的定子。盡管這種方法允許形成復(fù)雜的定子形狀，但結(jié)構(gòu)在離散的非晶態(tài)金屬薄片顆粒之間包含大量氣隙。這種結(jié)構(gòu)大大增加了磁路的磁阻和相應(yīng)的運(yùn)行電動機(jī)所需要的電流。
德國專利DE2805435和DE2805438教導(dǎo)的方法將定子分成繞線片和極靴。非磁性材料被插入到繞線片和極靴之間的連接處，增加了有效間隙，并相應(yīng)提高了磁路的磁阻和運(yùn)行電動機(jī)所需要的電流。包括極靴的材料層被定向使得它們的面垂直于回繞鐵片中層的面。這種構(gòu)造還增加了定子的磁阻，因?yàn)槔@線片和極靴的相鄰層只在它們各自面之間的結(jié)合點(diǎn)處會合，而不是沿整個(gè)線段。另外，這種方法教導(dǎo)繞線片中的疊片通過焊接彼此連接。使用熱強(qiáng)化過程如焊接連接非晶態(tài)金屬疊片將使非晶態(tài)金屬在結(jié)合處和附近再結(jié)晶。甚至再結(jié)晶非晶態(tài)金屬的小段通常都增加定子中的磁損至不可接受的水平。
與使用鐵磁非晶態(tài)金屬有關(guān)的另一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都響應(yīng)施加的機(jī)械應(yīng)力變化。例如，當(dāng)包含非晶態(tài)材料的部件受到應(yīng)力時(shí)，部件的磁導(dǎo)率一般降低，鐵損增加。非晶態(tài)金屬器件由于磁致伸縮現(xiàn)象引起的軟磁性下降可由以下源的任意聯(lián)合產(chǎn)生的應(yīng)力引起，包括(i)電動機(jī)運(yùn)行過程中的磁力和機(jī)械力；(ii)由機(jī)械夾緊或以其它方式固定整體非晶態(tài)金屬磁性部件在適當(dāng)位置引起的機(jī)械應(yīng)力；或(iii)由熱膨脹和/或非晶態(tài)金屬材料磁飽和產(chǎn)生的膨脹引起的內(nèi)部應(yīng)力。當(dāng)非晶態(tài)金屬磁性定子受到應(yīng)力時(shí)，其引導(dǎo)或集中磁通的效率就降低，產(chǎn)生較高的磁損，效率降低，熱產(chǎn)生增加和功率降低。這種降低的程度可相當(dāng)大，取決于具體的非晶態(tài)金屬材料和應(yīng)力的實(shí)際強(qiáng)度，如美國專利5731649所示。鐵損的降低經(jīng)常表達(dá)為破壞因子，即所得器件實(shí)際表現(xiàn)的鐵損和在無應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)室條件下測得的組成材料的固有鐵損的比。
此外，非晶態(tài)金屬比其它常規(guī)軟磁材料包括普通硅鋼具有低得多的各向異性能。因此，對這些常規(guī)金屬磁性沒有有害影響的應(yīng)力水平對電動機(jī)部件重要的磁性有嚴(yán)重影響，例如磁導(dǎo)率和鐵損。例如，‘649專利還公開了通過輥壓非晶態(tài)金屬成線圈形成非晶態(tài)金屬芯，疊片使用環(huán)氧樹脂，有害地限制了材料線圈的熱和磁飽和膨脹，產(chǎn)生高內(nèi)部應(yīng)力和能降低結(jié)合這種芯的電動機(jī)或發(fā)動機(jī)效率的磁致伸縮。為了避免應(yīng)力引起的磁性降低，’649專利公開了包括大量非晶態(tài)金屬層疊或卷曲部分的磁性部件，這些層疊或卷曲部分安裝或包含在介電封裝中，而沒有使用粘合劑粘合。
當(dāng)前技術(shù)中的大量應(yīng)用，包括如此廣泛的不同領(lǐng)域如高速機(jī)床、航空發(fā)動機(jī)和激勵(lì)器、和計(jì)算機(jī)和其它微電子器件中用于數(shù)據(jù)存儲的磁盤和光盤驅(qū)動器的主軸電動機(jī)，都需要能在高速下運(yùn)轉(zhuǎn)的電動機(jī)，很多時(shí)候超過15000-20000rpm，有時(shí)達(dá)到100000rpm。使用現(xiàn)有材料制成的磁性部件的限制需要大量不合需要的設(shè)計(jì)妥協(xié)。在許多應(yīng)用中，電動機(jī)部件中一般使用的硅鋼的鐵損是禁止的。在這種情況下，設(shè)計(jì)者可能被迫使用坡莫合金作為替代。但是，飽和感應(yīng)的附帶降低(例如各種坡莫合金的0.6-0.9T或更小對普通硅鋼的1.8-2.0T)使由坡莫合金或其變體組成的磁性部件的尺寸增加成為必然。此外，坡莫合金的理想軟磁性受塑性變形的負(fù)面和不可逆影響，這可在較低的應(yīng)力水平下發(fā)生。這種應(yīng)力可出現(xiàn)在坡莫合金組件的制造過程中或運(yùn)轉(zhuǎn)過程中。
盡管有上述公開內(nèi)容代表的進(jìn)展，但本領(lǐng)域中仍需要改進(jìn)的非晶態(tài)金屬電動機(jī)部件，其能表現(xiàn)出高速高效電機(jī)需要的優(yōu)異磁性和物理性質(zhì)的聯(lián)合。還尋求有效使用非晶態(tài)金屬的構(gòu)造方法，并可被實(shí)施用于大量生產(chǎn)各種類型的電動機(jī)和其中使用的部件。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種高效電動機(jī)，電動機(jī)包括一個(gè)或多個(gè)低損耗整體非晶態(tài)金屬磁性部件，該磁性部件具有多面體形狀，并包含多個(gè)非晶態(tài)金屬條的層。本發(fā)明還提供制造低鐵損、整體非晶態(tài)金屬磁性部件的方法。更具體地說，根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案構(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具有小于“L”的鐵損，其中L用式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6給出，鐵損、激勵(lì)頻率和峰值感應(yīng)水平分別以瓦/千克、赫茲和特斯拉測得。優(yōu)選地，磁性部件具有(i)在大約400Hz的頻率和大約1.3特斯拉(T)的磁通密度下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，鐵損小于或大致等于2.8瓦/千克的非晶態(tài)金屬材料；(ii)在大約800Hz的頻率和大約1.3T的磁通密度下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，鐵損小于或大致等于5.7瓦/千克的非晶態(tài)金屬材料；或(iii)在大約2000Hz的頻率和大約1.0T的磁通密度下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，鐵損小于或大致等于9.5瓦/千克的非晶態(tài)金屬材料。
由于在周期磁激勵(lì)下的非常低鐵損，本發(fā)明的磁性部件可在從DC到多至20000Hz或更高的范圍內(nèi)的頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)。與在相同頻率范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)的常規(guī)硅鋼磁性部件相比，它表現(xiàn)出改進(jìn)的性能特征。部件在高頻率下的運(yùn)轉(zhuǎn)能力使它被用于制造能在比使用由常規(guī)材料制成的部件可能更高速度和更高效率下有利運(yùn)轉(zhuǎn)的電動機(jī)。
本發(fā)明還提供構(gòu)造整體非晶態(tài)金屬磁性部件的方法。方法的實(shí)施包括步驟由鐵磁非晶態(tài)金屬條進(jìn)料形成具有預(yù)定所需形狀的多個(gè)疊片，對齊堆疊疊片形成三維結(jié)構(gòu)，和施加和激活粘合手段以將疊片彼此粘結(jié)形成具有足夠結(jié)構(gòu)和機(jī)械完整性的疊片堆。有利地，在使用單獨(dú)形成的疊片的制造方法中不存在由纏繞過程中條彎曲固有引起的壓應(yīng)力和拉伸應(yīng)力。任何由于疊片成形產(chǎn)生的應(yīng)力都可能被只限制到在其外圍或靠近其外圍的小區(qū)域。任選地，然后精加工疊片堆除去任何多余的粘合劑和給予它合適的表面光潔度和最終的部件尺寸。
可通過大量方法進(jìn)行所需形狀的疊片的成形，包括通過機(jī)械研磨的非專門切割、金剛石線、在水平或垂直方向上進(jìn)行的高速銑削、磨耗水噴射銑削、利用金屬絲或浸液的放電加工、電化學(xué)研磨、電化學(xué)加工、沖壓、激光切割或普通技術(shù)人員已知的其它手段。優(yōu)選地，利用光刻蝕刻技術(shù)形成疊片?？稍谕嘶鸩襟E前或后進(jìn)行粘結(jié)步驟。方法還可包括任選的熱處理或退火以改善部件磁性或任選的涂敷步驟，其中絕緣涂層被施加到部件的至少一部分表面上。可按各種順序和使用各種技術(shù)包括下面所述那些進(jìn)行這些步驟。本方法實(shí)施中優(yōu)選使用的優(yōu)選非晶態(tài)金屬材料具有基本由式Fe80B11Si9限定的組成。
本發(fā)明還涉及按上述方法構(gòu)造的整體非晶態(tài)金屬電動機(jī)部件。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的整體非晶態(tài)金屬磁性部件尤其適合用作高效可變磁阻電動機(jī)和渦流電動機(jī)中的非晶態(tài)金屬定子或定子部件。同樣，整體非晶態(tài)金屬部件可用作鼠籠式電動機(jī)、磁阻同步電動機(jī)和開關(guān)磁阻電動機(jī)中的轉(zhuǎn)子和定子兩者。本領(lǐng)域那些技術(shù)人員能認(rèn)識到，這種電動機(jī)可包括一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子和一個(gè)或多個(gè)定子。因此，本文使用的與電動機(jī)有關(guān)的術(shù)語“轉(zhuǎn)子”和“定子”指范圍從1到多至3個(gè)或更多的大量轉(zhuǎn)子和定子。那些熟悉旋轉(zhuǎn)電機(jī)領(lǐng)域的還能認(rèn)識到，可利用(i)轉(zhuǎn)子位于定子內(nèi)并具有比定子通常小的直徑或(ii)在反結(jié)構(gòu)或杯狀結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)子和定子的相對位置和大小可互換來構(gòu)造徑向磁通電機(jī)。本發(fā)明的轉(zhuǎn)子或定子可被構(gòu)造為單一結(jié)構(gòu)或利用已知手段結(jié)合在一起的大量亞結(jié)構(gòu)的組件，亞結(jié)構(gòu)按本文教導(dǎo)制造。
本領(lǐng)域那些技術(shù)人員還能認(rèn)識到，本文使用的術(shù)語“電動機(jī)”一般是指各種旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其另外包括發(fā)電機(jī)以及可任選作為發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的再生式電動機(jī)?？稍跇?gòu)造這些設(shè)備中的任一個(gè)中使用本發(fā)明的磁性部件。在使用本發(fā)明的過程中實(shí)現(xiàn)了顯著優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)包括制造簡單和制造時(shí)間減少、構(gòu)造整體非晶態(tài)金屬部件過程中遇到的應(yīng)力(即磁致伸縮)降低、最終非晶態(tài)金屬磁性部件性能的優(yōu)化和包括本文公開的轉(zhuǎn)子或定子的電動機(jī)的效率提高。
附圖簡述當(dāng)參考本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的以下詳細(xì)描述和附圖時(shí)，將能更充分地理解本發(fā)明，更多優(yōu)點(diǎn)也顯而易見，其中在全部幾幅圖中，相同的引用數(shù)字表示類似的元件，其中

圖1為根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的三維矩形形狀的整體非晶態(tài)金屬磁性部件的透視圖；圖2A為根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造并具有棱形形狀的整體非晶態(tài)金屬磁性部件的透視圖；圖2B為根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造并具有相對布置的弓形表面的整體非晶態(tài)金屬磁性部件的透視圖；圖2C為用六個(gè)如圖2A所示的棱狀部件和六個(gè)如圖2B所示的弓形部件構(gòu)造的電動機(jī)定子的頂視圖3A為根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的電動機(jī)整體非晶態(tài)金屬磁性定子的透視圖；圖3B為根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的電動機(jī)整體非晶態(tài)金屬磁性轉(zhuǎn)子的透視圖；圖3C為由圖3A的定子和圖3B的轉(zhuǎn)子構(gòu)造的電動機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的頂視圖；圖3D為根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的反結(jié)構(gòu)同步徑向間隙電動機(jī)的整體非晶態(tài)金屬磁性定子的頂視圖；圖4為用于測試整體非晶態(tài)金屬磁性部件的組件的透視圖，包括四個(gè)部件，每個(gè)都具有相對布置的弓形表面的多面體形狀，并裝配形成普通直立圓環(huán)形柱；圖5為描述本發(fā)明的非晶態(tài)金屬定子和用非取向硅鋼構(gòu)造的兩個(gè)對比定子的400Hz鐵損行為的圖；圖6為描述本發(fā)明的非晶態(tài)金屬定子和用非取向硅鋼構(gòu)造的對比定子的800Hz鐵損行為的圖。
發(fā)明詳述本發(fā)明涉及使用低損耗整體非晶態(tài)金屬部件如例如定子、轉(zhuǎn)子和定子與轉(zhuǎn)子所用部件零件構(gòu)造的高效電動機(jī)。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造具有各種幾何形狀的普通多面體狀整體非晶態(tài)金屬部件，其中幾何形狀包括但不限于矩形、正方形、棱形。另外，上述幾何形狀中的任一種可包括至少一個(gè)弓形表面，并優(yōu)選兩個(gè)相對布置的弓形表面以形成普通彎曲或弓形的整體非晶態(tài)金屬部件。本發(fā)明還提供其中多面體形狀為普通圓柱形并還可包括從普通環(huán)形部分向內(nèi)或向外徑向伸出的多個(gè)齒的部件。此外，完整的定子和轉(zhuǎn)子可被構(gòu)造為根據(jù)本發(fā)明的整體非晶態(tài)金屬部件。這些定子和轉(zhuǎn)子可具有單一構(gòu)造或它們可由多個(gè)片形成，這些片共同形成完整的部件?；蛘?，定子和/或轉(zhuǎn)子可為完全包含非晶態(tài)金屬零件或非晶態(tài)金屬零件與其它磁性材料的結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的整體磁性部件可被結(jié)合到電動機(jī)中，優(yōu)選徑向磁通類型的電機(jī)中。
現(xiàn)在參考附圖的圖1，顯示了普通多面體形狀的整體非晶態(tài)金屬電動機(jī)部件10。本文使用的術(shù)語多面體是指多個(gè)面或側(cè)的實(shí)體。這包括但不限于三維矩形、正方形、梯形和棱形。另外，上述幾何形狀中的任一個(gè)可包括至少一個(gè)并優(yōu)選兩個(gè)彼此相對布置的弓形表面或側(cè)以形成普通弓狀的部件。本發(fā)明的部件可還具有普通圓柱形狀。圖1所示的磁性部件10包含被層疊到一起并退火的大量非晶態(tài)金屬條材料20的基本類似成形層。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造并在激勵(lì)頻率“f”下被激勵(lì)至峰值感應(yīng)水平“Bmax”的三維磁性部件10在室溫下具有小于約“L”的鐵損，其中L用式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6給出，鐵損、激勵(lì)頻率和峰值感應(yīng)水平分別以瓦/千克、赫茲、特斯拉測得。在某些優(yōu)選的實(shí)施方案中，磁性部件具有(i)在大約400Hz的頻率和大約1.3特斯拉(T)的磁通密度下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，非晶態(tài)金屬材料的鐵損小于或大致等于2.8瓦/千克；(ii)在大約800Hz的頻率和大約1.3T的磁通密度下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，非晶態(tài)金屬材料的鐵損小于或大致等于5.7瓦/千克；或(iii)在大約2000Hz的頻率和大約1.0T的磁通密度下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，非晶態(tài)金屬材料的鐵損小于或大致等于9.5瓦/千克。
當(dāng)部件或其任何部分沿基本在其中包括的非晶態(tài)金屬片的面內(nèi)的任何方向被勵(lì)磁時(shí)，本發(fā)明的部件有利地表現(xiàn)出低鐵損。本發(fā)明部件的鐵損降低又提高了包括它的電動機(jī)的效率。低的鐵損值使本發(fā)明的整體磁性部件尤其適用于其中高極數(shù)或高旋轉(zhuǎn)速度需要高頻磁激勵(lì)例如100Hz以上的激勵(lì)的電動機(jī)。常規(guī)鋼在高頻時(shí)的固有高鐵損通常使它們不適用于需要高頻激勵(lì)的電動機(jī)。這些鐵損性能值適用于本發(fā)明的各種實(shí)施方案，不管整體非晶態(tài)金屬部件的具體幾何形狀如何。
圖2A所示的磁性部件100為普通棱形形狀，并優(yōu)選包括五(5)個(gè)側(cè)面110或表面。五邊形形狀的多面體部件100包含各自基本上具有相同大小和形狀的非晶態(tài)金屬條材料20的多個(gè)層。條材料20被堆疊、層壓到一起，然后退火。
圖2B所示的磁性部件200包括至少一個(gè)并優(yōu)選兩個(gè)相對布置的弓形表面210。弓形形狀的部件200包含各自基本上具有相同大小和形狀并被堆疊層壓到一起和退火的非晶態(tài)金屬條材料20的多個(gè)層。
圖2C所示的整體非晶態(tài)金屬磁性部件300可用作徑向間隙電動機(jī)的定子，并包含六片磁性部件100和六片磁性部件200。
圖3A所示的整體非晶態(tài)金屬磁性部件400為普通圓形，并包括多個(gè)向著圓形部件400的中心向內(nèi)徑向延伸的普通矩形齒410。部件400包含各自基本上具有相同大小和形狀并被堆疊層壓到一起然后退火的非晶態(tài)金屬條材料20的多個(gè)層。根據(jù)圖3A的實(shí)施方案構(gòu)造的整體非晶態(tài)金屬部件可用作徑向氣隙電動機(jī)中的定子。
圖3B所示的整體非晶態(tài)金屬部件500為普通圓盤狀，并包括多個(gè)向外徑向延伸的普通矩形齒510。部件500包含各自基本上具有相同大小和形狀并被堆疊層壓到一起和退火的非晶態(tài)金屬條材料20的多個(gè)層?？稍趯訅呵盎蚝筮M(jìn)行退火。根據(jù)圖3B的實(shí)施方案構(gòu)造的整體非晶態(tài)金屬部件可用作徑向氣隙電動機(jī)中的轉(zhuǎn)子。
下面參考圖3C，定子400和轉(zhuǎn)子500被構(gòu)造為根據(jù)本發(fā)明的整體非晶態(tài)金屬部件，并用作高效徑向氣隙電動機(jī)600的零件。電動機(jī)還包括繞組和能旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)子500與定子400對準(zhǔn)的軸承，電動機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)人員能認(rèn)識到這一點(diǎn)。
圖3D所示的整體非晶態(tài)部件800可用作高效反結(jié)構(gòu)同步徑向氣隙電動機(jī)中的定子。部件800包括多個(gè)形狀基本相同的疊片20。每個(gè)疊片20包括具有普通環(huán)形尺寸和形狀的中心部分810，和多個(gè)從中心部分810向外徑向延伸的齒部分820。齒部分820經(jīng)常簡單地被稱為齒。利用任何合適的方法將疊片20切割成所需形狀，光刻蝕刻方法是優(yōu)選的。然后對齊堆疊切割的疊片并通過粘合劑浸漬結(jié)合到一起形成部件800。浸漬用于在疊片之間分散和滲透粘合劑，從而每個(gè)疊片的至少一部分表面被粘合劑覆蓋。在部件800作為電動機(jī)中的定子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，對于通過齒820進(jìn)入和離開定子的磁通線，中心部分810用作護(hù)鐵即磁通返回途徑。每個(gè)齒820可在外部即部件800的外圍圓周處具有向著其末端加寬的部分830。每個(gè)齒820靠近中心部分810的部分840經(jīng)常被稱為齒根。繞組槽850由每對相鄰齒820之間的間隙形成。當(dāng)設(shè)計(jì)用于結(jié)合到電動機(jī)中時(shí)，電繞組(未示出)環(huán)繞每個(gè)齒820，通過那個(gè)齒旁邊的繞組槽850。在電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，繞組通過電流流動被勵(lì)磁以提供磁通勢?？砂凑针妱訖C(jī)領(lǐng)域中已知的各種方法互連和電勵(lì)磁單獨(dú)齒的繞組。
還提供構(gòu)造本發(fā)明的低損耗部件的方法。在一個(gè)方面，由非晶態(tài)金屬條制備具有所需形狀的單獨(dú)疊片，隨后堆疊形成三維疊片堆并粘合。在另一個(gè)方面，通過將包括非晶態(tài)金屬條粘合堆的工件切割成所需形狀來制備部件。這種工件可具有矩形磚、纏繞結(jié)構(gòu)或任何其它合適形狀的形式。粘合優(yōu)選包括施加和激活粘合劑手段以使疊片彼此粘著，并從而給予疊片堆足夠的機(jī)械和結(jié)構(gòu)完整性，這是最終設(shè)備中操作和運(yùn)轉(zhuǎn)部件所需的。任選地，精加工部件，以實(shí)現(xiàn)下面中的至少一種(i)除去多余的粘合劑；(ii)給予部件合適的表面光潔度；和(iii)除去材料從而給予堆最終的部件尺寸。方法還包括任選的退火步驟以改善部件的磁性?？砂锤鞣N順序和使用各種技術(shù)執(zhí)行方法的步驟，包括本文提出的那些和對本領(lǐng)域那些技術(shù)人員顯而易見的那些。
大量切割技術(shù)可用于形成本發(fā)明的部件。在本方法的一些實(shí)施中，切割單獨(dú)的疊片至一定形狀。為切割小的復(fù)雜形狀的疊片而尤其優(yōu)選的方法是光刻蝕刻，其經(jīng)常簡單地稱為光刻。一般而言，光刻蝕刻是一種形成以相對薄的片、條或帶形式提供的材料片的技術(shù)。光刻方法可包括步驟(i)向片的每個(gè)表面上施加一層對光在其上的入射響應(yīng)的光阻物質(zhì)；(ii)在每個(gè)片表面上放置具有相對透明區(qū)域和不透明區(qū)域的光掩模從而限定預(yù)選形狀；(iii)來自光源的光通過每個(gè)掩膜入射到表面上以選擇性地曝光位于掩膜透明區(qū)域后面的那些區(qū)域的光阻物質(zhì)；(iv)通過用能使光阻層的曝光區(qū)域與未曝光區(qū)域區(qū)分開的熱或化學(xué)試劑處理來顯影光阻物質(zhì)；(v)選擇性除去顯影的光阻層的曝光部分；和(vi)將片放在腐蝕劑浴中，其中腐蝕劑能選擇性地從片上那些顯影光致抗蝕劑已被除去的部分上蝕刻或腐蝕材料，但不會腐蝕上面保留有光致抗蝕劑的部分，從而形成具有預(yù)選形狀的疊片。必需對齊片材料相對表面上的掩膜以確保得到具有所需形狀和邊界限分明的疊片。在一些實(shí)施方案中，掩膜任選地包括這樣的特征，即限定出使每個(gè)疊片弱連接到片上的小固定區(qū)域，以便于在最后裝配前處理。這些固定區(qū)域能容易地用于使單獨(dú)疊片從主片上卸下。另一個(gè)化學(xué)步驟還經(jīng)常用于從腐蝕蝕刻步驟后的疊片中除去殘余的光致抗蝕劑。本領(lǐng)域那些技術(shù)人員還能認(rèn)識到使用互補(bǔ)光致抗蝕劑材料的光刻蝕刻方法，其中光致抗蝕劑的未曝光部分在上述步驟(v)中被選擇性除去，而不是曝光部分。當(dāng)然，這種變化也需要光掩膜中不透明和透明區(qū)域的轉(zhuǎn)換以形成相同的最終疊片結(jié)構(gòu)。
不會產(chǎn)生毛刺或其它邊缺陷的形成疊層的方法是尤其優(yōu)選的。更具體地說，從疊片平面突出的這些和其它缺陷在有些方法中和在一定條件下形成。缺陷經(jīng)常產(chǎn)生層間電短路，這又有害地增加了部件鐵損。
有利地，零件的光蝕刻通常被發(fā)現(xiàn)顯著最小化或消除了這種邊缺陷的發(fā)生。典型地，光蝕刻的零件表現(xiàn)出圓邊和在緊靠邊附近的零件厚度的變薄，從而降低了這類零件疊片堆中上述層間短路的可能性。另外，通過增強(qiáng)變薄的邊附近中的毛細(xì)作用，有利于用粘合劑漫漬這種堆。提供通過每個(gè)疊片的一個(gè)或多個(gè)小孔可進(jìn)一步提高浸漬的效率。當(dāng)對齊堆疊單獨(dú)的疊片時(shí)，孔可被對準(zhǔn)以形成浸漬劑可容易流過的通道，從而確保浸漬劑在每個(gè)疊片與相鄰疊片配合的表面的至少大部分區(qū)域上更好地分布。也可用作浸漬劑流動增強(qiáng)手段的其它結(jié)構(gòu)如表面溝道和槽也可被結(jié)合到每個(gè)疊片內(nèi)。上述孔和流動增強(qiáng)手段可容易和有效地在光蝕刻疊片中產(chǎn)生。另外，各種墊片可被插入到疊片堆中以促進(jìn)流動增強(qiáng)。
合適的高應(yīng)變率沖壓方法也可用于形成實(shí)施本發(fā)明的單獨(dú)疊片。在歷史上，結(jié)合兩個(gè)因素排除了使用沖壓作為形成非晶態(tài)金屬零件的可行途徑。首先，非晶態(tài)金屬往往比典型的金屬沖頭和沖模材料硬得多。鐵基非晶態(tài)金屬一般表現(xiàn)出超過1100kg/mm2的硬度。相比而言，空氣冷卻的、油猝冷的和水猝冷的工具鋼限制到800-900kg/mm2范圍內(nèi)的硬度。因此，非晶態(tài)金屬比常規(guī)金屬沖頭和沖模材料硬，其硬度來源于它們獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。
其次，當(dāng)在沖壓過程中被約束在沖頭和沖模之間時(shí)非晶態(tài)金屬在失效前就經(jīng)歷了顯著變形。非晶態(tài)金屬因高局部剪切流而變形。當(dāng)受拉變形時(shí)，如當(dāng)牽引非晶態(tài)金屬條時(shí)，單個(gè)剪切帶的變形可導(dǎo)致在小的總變形處失效。受拉時(shí)，失效可發(fā)生在伸長率為1％或更小時(shí)。但是，當(dāng)以機(jī)械約束排除塑性失穩(wěn)的方式變形時(shí)，如沖壓過程中在工具和沖模之間的彎曲中，形成多個(gè)剪切帶，并可出現(xiàn)顯著的局部變形。在這種變形模式中，失效處的伸長率可局部超過100％。
這兩個(gè)因素即異常的硬度加顯著的變形組合在常規(guī)沖壓設(shè)備的沖頭和沖模部件上產(chǎn)生了特別磨損。沖頭和沖模上的磨損被認(rèn)為是由于在失效前的變形過程中硬非晶態(tài)金屬摩擦較軟沖頭和沖模材料的直接磨耗引起。
為了最小化沖壓過程中對沖頭和沖模的磨損，可用高級材料制造沖頭和沖模，工具使得沖頭和沖模之間的間隙小且均勻。沖壓過程也在高應(yīng)變率下進(jìn)行。用于沖頭和沖模工具的高級材料應(yīng)具有至少1100kg/cm2并優(yōu)選大于1300kg/mm2的硬度。合適的高級材料可包括碳化物、碳化物金屬復(fù)合材料、陶瓷、陶瓷金屬復(fù)合材料和非晶態(tài)金屬。硬度等于或大于非晶態(tài)金屬的工具能在沖壓過程中抵抗來自非晶態(tài)金屬的直接磨損，從而使沖頭和沖模的磨損最小化。沖頭和沖模之間的間隙應(yīng)小于0.125mm(0.005英寸)，并優(yōu)選小于0.0125mm(0.0005英寸)。沖壓過程中使用的應(yīng)變率應(yīng)為至少1沖頭行程/秒，并優(yōu)選至少5沖頭沖程/秒。沖頭和沖模之間小的間隙和沖壓過程中使用的高應(yīng)變率組合限制了非晶態(tài)金屬在沖壓過程中在斷裂前的機(jī)械變形量。限制模腔中非晶態(tài)金屬的機(jī)械變形限制了非晶態(tài)金屬和沖頭和沖模處理之間的直接磨損，從而減少了對沖頭和沖模的磨損?？墒褂酶邞?yīng)變率沖壓過程通過提供單一帶進(jìn)料沖壓單個(gè)疊片或具有多重進(jìn)料時(shí)沖壓多個(gè)疊片(例如達(dá)到約5)。
條材料在沖壓前任選的輕度熱處理有利于改變非晶態(tài)金屬的機(jī)械性能。具體地說，熱處理在一定程度上降低了非晶態(tài)金屬的延展性，從而限制了在沖壓過程中斷裂前非晶態(tài)金屬的機(jī)械變形量。非晶態(tài)金屬降低的延展性還降低了變形非晶態(tài)金屬對沖頭和沖模材料的直接摩耗和磨損。
或者，從包括相當(dāng)大量的非晶態(tài)金屬帶條如具有100或更多層的堆來制備本發(fā)明的部件。完成所需切割的合適方法包括但不限于使用耐磨切削片或切割輪、機(jī)械研磨、金剛石線切割、在水平或垂直方向上進(jìn)行的高速銑削、磨耗水噴射銑削、利用金屬絲或浸液的放電加工、電化學(xué)研磨、電化學(xué)加工和激光切割。在一些情況下，可在一次操作中切割整個(gè)堆高度。這些技術(shù)的一部分也可用于切割上述單獨(dú)疊片或少量粘合或未粘合層。優(yōu)選切割方法不會在切割表面處或附近產(chǎn)生任何可覺察到的損傷如污點(diǎn)。例如，這類損傷可為由于非晶態(tài)金屬變形引起的簡單機(jī)械損傷或由于切割過程中產(chǎn)生的熱引起的熱損傷。熱損傷可包括加熱非晶態(tài)金屬材料超過它的結(jié)晶溫度或在邊緣處或附近熔化材料。不利結(jié)果可包括邊緣附近的應(yīng)力和鐵損增加、層間短路或機(jī)械性能的降低。
在實(shí)施本發(fā)明中使用粘合手段將多個(gè)適當(dāng)對齊的非晶態(tài)金屬條材料的片或疊片彼此粘合，從而提供整體三維物體。這種粘合提供了能使本發(fā)明部件被處理和使用或結(jié)合到較大結(jié)構(gòu)內(nèi)的足夠結(jié)構(gòu)完整性。各種粘合劑都是合適的，包括包含環(huán)氧樹脂、清漆、厭氧膠粘劑、氰基丙烯酸酯和室溫硫化(RTV)硅酮材料的那些。粘合劑理想地具有低粘度、低收縮率、低彈性模量、高剝離強(qiáng)度、高操作溫度能力和高介電強(qiáng)度。粘合劑可覆蓋每個(gè)疊片表面區(qū)域的任何部分以足以實(shí)現(xiàn)相鄰疊片彼此間的適當(dāng)粘合，并因此提供足夠的強(qiáng)度以得到成品部件的機(jī)械完整性。粘合劑可覆蓋達(dá)到基本全部表面區(qū)域。環(huán)氧樹脂可為化學(xué)激活固化的多成份環(huán)氧樹脂或固化為熱激活或通過暴露于紫外輻射激活的單組分環(huán)氧樹脂。優(yōu)選地，粘合劑具有小于1000cps的粘度和大致等于金屬的熱膨脹系數(shù)，或約10ppm。一種優(yōu)選的粘合劑為P.D.George Co.以商標(biāo)Epoxylite 8899出售的熱激活環(huán)氧樹脂。本發(fā)明的器件優(yōu)選通過用這種環(huán)氧樹脂浸漬來粘合，這種環(huán)氧樹脂按體積用丙酮稀釋至1∶5，以降低它的粘度和增強(qiáng)它在帶的層之間的滲透。發(fā)現(xiàn)可優(yōu)選的另一粘合劑為National Starch and Chemical Company以商標(biāo)名Permabond 910FS出售的氰基丙烯酸甲酯。本發(fā)明的器件優(yōu)選通過施加這種粘合劑以至于它能通過毛細(xì)作用在帶的層之間滲透來粘合。Permabond 910FS為在室溫和水分存在下能在5秒內(nèi)固化的單組分低粘度液體。
施加粘合劑的合適方法包括浸涂、噴涂、刷涂和靜電沉積。在條或帶形式中，非晶態(tài)金屬還可通過將其經(jīng)過能轉(zhuǎn)移粘合劑到非晶態(tài)金屬的棒或輥來涂敷。具有織構(gòu)表面的輥或棒如凹板輥或繞接輥在轉(zhuǎn)移粘合劑均勻涂層到非晶態(tài)金屬上面尤其有效。粘合劑可一次施加到非晶態(tài)金屬的單獨(dú)層上，或施加到切割前的條材料上或切割后的疊片上。或者，可在疊片被堆疊后對它們共同應(yīng)用粘合手段。優(yōu)選地，通過疊片之間粘合劑的毛細(xì)流浸漬堆。浸漬步驟可在環(huán)境溫度和壓力下進(jìn)行。或者但不是優(yōu)選地，可將堆放在真空中或在靜水壓力下實(shí)現(xiàn)更完全的填充，但減少了加入粘合劑的總體積，因此確保了高疊層系數(shù)。優(yōu)選使用低粘度粘合劑，如環(huán)氧樹脂或氰基丙烯酸酯。還可利用輕微加熱降低粘合劑的粘度，從而增強(qiáng)其在疊片層之間的滲透。根據(jù)需要激活粘合劑以促進(jìn)它的粘合。在粘合劑接受任何需要的激活和固化后，可精加工部件以除去任何多余的粘合劑和給予它合適的表面光潔度和最終需要的部件尺寸。如果在至少約175℃的溫度下進(jìn)行，則粘合劑的激活或固化還可用于影響磁性，這在下文中更詳細(xì)地討論。
本發(fā)明部件的精加工可還包括施加外部涂層到至少一部分它的外表面上。合適的涂料包括漆、真漆、清漆或樹脂。可通過各種方法施加涂層，包括噴涂和在浴或流化床中浸漬。可使用有或沒有溶劑載體的簡單噴涂技術(shù)?；蛘?，靜電或電泳沉積技術(shù)是合適的。如果需要，精加工操作還可包括除去任何多余的涂層，尤其是在電動機(jī)互相旋轉(zhuǎn)部分之間狹窄間隙的區(qū)域內(nèi)存在的多余涂層。外部涂層可有利于保護(hù)轉(zhuǎn)子或定子上的電繞組的絕緣不受尖金屬邊處磨耗的影響，并用于捕集可能往往脫離部件并被吸引到永久磁鐵上或另外不適當(dāng)?shù)乜ㄔ陔妱訖C(jī)或其它鄰近結(jié)構(gòu)中的任何薄片或其它材料。
本文公開的現(xiàn)行構(gòu)造尤其適用于磁性部件如電動機(jī)的非晶態(tài)金屬定子和轉(zhuǎn)子。磁性部件制造被簡化，制造時(shí)間被減少。在構(gòu)造整體非晶態(tài)金屬部件的過程中另外遇到的應(yīng)力被最小化。成品部件的磁性能得到優(yōu)化。本文描述的各種方法步驟可按列出的順序進(jìn)行，或以相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的其它順序進(jìn)行。
可使用眾多非晶態(tài)金屬合金制造本發(fā)明的整體非晶態(tài)金屬磁性部件。一般而言，適用于構(gòu)造本發(fā)明部件的合金用式M70-85Y5-20Z0-20限定，下標(biāo)為原子百分?jǐn)?shù)，其中“M”為Fe、Ni和Co中的至少一種，“Y”為B、C和P中的至少一種，“Z”為Si、Al和Ge中的至少一種；條件是(i)最高到十(10)原子％的組分“M”可被金屬物種Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta和W中的至少一種取代，和(ii)最高到十(10)原子％的組分(Y+Z)可被非金屬物種In、Sn、Sb和Pb中的至少一種取代。本文使用的術(shù)語“非晶態(tài)金屬合金”是指基本缺乏任何長程有序并且特征在于X-射線衍射強(qiáng)度最大值在性質(zhì)上類似于觀察到的液體或無機(jī)氧化物玻璃的最大值的金屬合金。
適合作為本發(fā)明實(shí)施中進(jìn)料的非晶態(tài)金屬合金在商業(yè)上可得到，通常為寬度最高到20cm或更高和厚度大致為20-25μm的連續(xù)薄條或帶形式。這些合金形成有基本完全的玻璃態(tài)微結(jié)構(gòu)(例如至少約80體積％的材料具有非結(jié)晶結(jié)構(gòu))。優(yōu)選合金用基本100％的具有非結(jié)晶結(jié)構(gòu)的材料形成。非結(jié)晶結(jié)構(gòu)的體積分?jǐn)?shù)可通過本領(lǐng)域中已知的方法測定，如X-射線衍射、中子衍射或電子衍射、透射電子顯微鏡或差示掃描量熱法。對于其中“M”、“Y”和“Z”分別至少主要為鐵、硼和硅的合金，以低成本獲得了最高的感應(yīng)值。因此，優(yōu)選合金包含至少70原子％的Fe、至少5原子％的B和至少5原子％的Si，條件是B和Si的總含量應(yīng)為至少15原子％。包含鐵-硼-硅合金的非晶態(tài)金屬條也是優(yōu)選的。最優(yōu)選的是組成基本包含約11原子％的硼和約9原子％的硅、余量為鐵和伴隨雜質(zhì)的非晶態(tài)金屬條。飽和感應(yīng)為約1.56T和電阻率為約137μΩ-cm的這種條由Honeywell International Inc.以商標(biāo)名METGLAS合金2605SA-1出售。另一合適的非晶態(tài)金屬條具有基本包含約13.5原子％的硼、約4.5原子％的硅、和約2原子％的碳、余量為鐵和伴隨雜質(zhì)的組成。飽和感應(yīng)為約1.59T和電阻率為約137μΩ-cm的這種條由Honeywell International Inc.以商標(biāo)名METGLAS合金2605SC出售。對于需要甚至更高飽和感應(yīng)的應(yīng)用，組成基本包含鐵、與約18原子％的Co、約16原子％的硼和約1原子％的硅、余量為鐵和伴隨雜質(zhì)的條是合適的。這種條由Honeywell International Inc.以商標(biāo)名METGLAS合金2605C0出售。但是，這種材料構(gòu)造的部件的損耗往往稍微高于使用METGLAS 2605SA-1的那些。
本領(lǐng)域中已知，鐵磁材料可用它的飽和感應(yīng)或等價(jià)地用它的飽和磁通密度或磁化強(qiáng)度來表征。適用于本發(fā)明的合金優(yōu)選具有至少約1.2特斯拉(T)的飽和感應(yīng)，更優(yōu)選飽和感應(yīng)為至少約1.5T。合金還具有高的電阻率，優(yōu)選至少約100μΩ-cm，更優(yōu)選至少約130μΩ-cm。
部件中指定使用的非晶態(tài)金屬條的機(jī)械性能和磁性可通過在一定溫度下熱處理足夠時(shí)間來增強(qiáng)，以提供所需的增強(qiáng)而不會改變條的基本完全玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)。熱處理包括加熱部分、任選的保溫部分和冷卻部分。在熱處理的至少一個(gè)部分中可任選地施加磁場到條上，如在至少冷卻部分中。磁場的施加，優(yōu)選基本沿定子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)磁通存在的方向，在一些情況下可進(jìn)一步改善部件的磁性和降低它的鐵損。任選地，熱處理包括1個(gè)以上的這種熱循環(huán)。此外，可在部件制造的不同階段進(jìn)行1個(gè)或多個(gè)熱處理循環(huán)。例如，可處理離散疊片或可在粘結(jié)前或后熱處理疊片堆。優(yōu)選地，在粘結(jié)前進(jìn)行熱處理，因?yàn)樵S多另外有吸引力的粘合劑不能承受所需的熱處理溫度。
非晶態(tài)金屬的熱處理可利用任何能導(dǎo)致金屬經(jīng)歷所需熱分布的加熱手段。合適的加熱手段包括紅外熱源、烘箱、流化床、與保持在高溫的散熱器的熱接觸、通過使電流通過條實(shí)現(xiàn)的電阻加熱、和感應(yīng)(RF)加熱。加熱手段的選擇可取決于上面列出的所需處理步驟的順序。
適用于部件的某些非晶態(tài)合金的磁性可通過熱處理合金形成納米晶微結(jié)構(gòu)得到顯著提高。這種微結(jié)構(gòu)特征在于存在高密度的平均粒度小于約100nm的晶粒，優(yōu)選小于50nm，更優(yōu)選約10-20nm。晶粒優(yōu)選占據(jù)鐵基合金的至少50％的體積。這些優(yōu)選的材料具有低鐵損和低磁致伸縮。后一性能還使材料不易因?yàn)殡妱訖C(jī)制造和/或運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的應(yīng)力而磁性降低。在給定合金中產(chǎn)生納米晶結(jié)構(gòu)需要的熱處理必須在較高的溫度下進(jìn)行或進(jìn)行比設(shè)計(jì)在其中保存基本完全玻璃態(tài)微結(jié)構(gòu)的熱處理需要的時(shí)間更長的時(shí)間。本文使用的術(shù)語非晶態(tài)金屬和非晶態(tài)合金還包括初始形成有基本完全玻璃態(tài)微結(jié)構(gòu)且隨后通過熱處理或其它處理轉(zhuǎn)變成具有納米晶微結(jié)構(gòu)的材料的材料。可被熱處理形成納米晶微結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)合金還經(jīng)常簡單地稱為納米晶合金。本發(fā)明方法使納米晶合金能被成形為最終整體磁性部件的所需幾何形狀?？稍诤辖鹑蕴幱阼T態(tài)、可延展、基本非結(jié)晶形式的同時(shí)和它被熱處理形成納米晶結(jié)構(gòu)前有利地實(shí)現(xiàn)這種成形，納米晶結(jié)構(gòu)通常使它更脆和更難以處理。
磁性通過在其中形成納米晶微結(jié)構(gòu)得到顯著增強(qiáng)的兩類優(yōu)選合金用下面的式給出，其中下標(biāo)為原子百分比。
第一類優(yōu)選的納米晶合金是Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw，其中R為Ni和Co中的至少一種，T為Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一種，Q為Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一種，u從0到約10，x從約3到12，y從0到約4，z從約5到12，w從0到小于約8。在這種合金被熱處理在其中形成納米晶微結(jié)構(gòu)后，它具有高飽和感應(yīng)(例如至少約1.5T)、低鐵損和低飽和磁致伸縮(例如磁致伸縮絕對值小于4×10-6)。這種合金尤其優(yōu)選用于所需功率和扭矩要求電動機(jī)尺寸最小的應(yīng)用。
第二類優(yōu)選納米晶合金是Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw，其中R為Ni和Co中的至少一種，T為Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一種，Q為Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一種，u從0到約10，x從約1到5，y從0到約3，z從約5到12，w從約8到18。在這種合金被熱處理在其中形成納米晶微結(jié)構(gòu)后，它具有至少約1.0T的飽和感應(yīng)、特別低的鐵損和低飽和磁致伸縮(例如磁致伸縮絕對值小于4×10-6)。這種合金尤其優(yōu)選用于需要在非常高的速度下運(yùn)轉(zhuǎn)的電動機(jī)(例如需要激勵(lì)頻率為1000Hz或更高)。
整體非晶態(tài)磁性部件將比用其它鐵基磁性金屬制成的部件更有效地磁化和消磁。當(dāng)用作電動機(jī)中的轉(zhuǎn)子或定子時(shí)，整體非晶態(tài)金屬部件將比由另一種鐵基磁性金屬制成的可比部件在以相同的感應(yīng)和頻率磁化兩種部件時(shí)產(chǎn)生較少的熱。當(dāng)與使用其它鐵基磁性金屬制成的部件的電動機(jī)相比時(shí)，使用整體非晶態(tài)金屬部件的電動機(jī)因此可被設(shè)計(jì)這樣運(yùn)轉(zhuǎn)(i)在較低的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度下；(ii)在較高的感應(yīng)下以獲得減小的尺寸和重量；或(iii)在較高的頻率下以獲得減小的尺寸和重量或獲得優(yōu)良的運(yùn)動控制。
本發(fā)明電動機(jī)的還一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可設(shè)計(jì)有高極數(shù)。電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度與電激勵(lì)頻率和極數(shù)的比成比例。使用本文公開的低鐵損部件允許在比使用其它已知較高鐵損的已知軟磁材料的常規(guī)電動機(jī)中可能的頻率高得多的頻率下電激勵(lì)。因此，對于給定速度，設(shè)計(jì)者在選擇極數(shù)和激勵(lì)頻率時(shí)被賦予更多的自由?？蛇x擇高極數(shù)電動機(jī)，其能在最大速度下以可接受的鐵損運(yùn)轉(zhuǎn)，但在激勵(lì)頻率(和相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)速度)的寬范圍內(nèi)其還能保持可接受的功率和扭矩性能。在一些應(yīng)用中，這種靈活性意味著可直接驅(qū)動負(fù)載，不需要伴隨復(fù)雜性的、需要維護(hù)和效率降低的變速箱。
本領(lǐng)域中已知，鐵損就是當(dāng)鐵磁材料的磁化隨時(shí)間變化時(shí)在其內(nèi)部發(fā)生的能量損耗。給定磁性部件的鐵損通常通過循環(huán)激勵(lì)部件來測定。將隨時(shí)間變化的磁場施加到部件上以在其中產(chǎn)生相應(yīng)的隨時(shí)間變化的磁感應(yīng)或磁通密度。為了測量標(biāo)準(zhǔn)化，通常選擇激勵(lì)使得磁感應(yīng)在樣品中是均勻的，并在頻率“f”下隨時(shí)間正弦變化，并具有峰值振幅Bmax。然后利用已知的電測量儀器和技術(shù)測定鐵損。損耗按常規(guī)記錄為被激勵(lì)磁性材料的單位質(zhì)量或體積的瓦數(shù)。損耗隨f和Bmax單調(diào)增加在本領(lǐng)域中是已知的。用于測試電動機(jī)部件中使用的軟磁材料鐵損的大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程{例如ASTM Standards A912-93和A927(A927M-94)}要求這類材料的樣品位于基本閉合的磁路內(nèi)，即閉合磁通線完全包含在樣品體積內(nèi)的構(gòu)造。另一方面，電動機(jī)部件如轉(zhuǎn)子或定子中使用的磁性材料位于磁開路內(nèi)，即磁通量必須橫過氣隙的構(gòu)造。由于場的彌散場效應(yīng)和非均勻性，因此開路中測試的給定材料通常比它在閉路測量中表現(xiàn)出較高的鐵損，即較高的瓦值/單位質(zhì)量或體積。本發(fā)明的整體磁性部件有利地在磁通密度和頻率的寬范圍內(nèi)表現(xiàn)出低鐵損，即使在開路構(gòu)造中。
不受任何理論束縛，認(rèn)為本發(fā)明的低損耗整體非晶態(tài)金屬部件的總鐵損由磁滯損耗和渦流損耗的貢獻(xiàn)組成。這兩種貢獻(xiàn)的每一個(gè)都為峰值磁感應(yīng)Bmax和激勵(lì)頻率f的函數(shù)。現(xiàn)有技術(shù)的非晶態(tài)金屬鐵損分析(參見例如G.E.Fish，J.Appl.Phys.57，3569(1985)和G.E.Fish等人J.Appl.Phys.64，5370(1988))通常局限于在閉合磁路中得到的材料數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的整體磁性部件的單位質(zhì)量總磁損L(Bmax，f)可基本上用具有以下形式的函數(shù)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必須全部根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，沒有能精確確定它們值的已知理論。使用這個(gè)式允許在任何需要的操作感應(yīng)和激勵(lì)頻率下確定本發(fā)明整體磁性部件的總鐵損。通常發(fā)現(xiàn)，在電動機(jī)轉(zhuǎn)子或定子的特殊幾何形狀中，其中的磁場在空間上不是均勻的。本領(lǐng)域中已知用技術(shù)如有限元模型來提供極其近似實(shí)際電動機(jī)或發(fā)電機(jī)中測量的磁通密度分布的峰值磁通密度的空間和時(shí)間變化估計(jì)。使用能在空間均勻磁通密度下給出給定材料磁鐵損的合適經(jīng)驗(yàn)公式作為輸入，這些技術(shù)使得能通過在部件體積上的數(shù)值積分以合理的精度預(yù)測給定部件在其操作結(jié)構(gòu)中相應(yīng)的實(shí)際鐵損。
可使用本領(lǐng)域中已知的各種方法進(jìn)行本發(fā)明磁性部件鐵損的測量。尤其適合于測量本發(fā)明部件的方法如下所述。方法包括形成具有本發(fā)明磁性部件和磁通閉合結(jié)構(gòu)裝置的磁路。任選地，磁路可包括本發(fā)明的多個(gè)磁性部件和磁通閉合結(jié)構(gòu)裝置。磁通閉合結(jié)構(gòu)裝置優(yōu)選包括具有高磁導(dǎo)率和飽和磁通密度的軟磁材料，其中飽和磁通密度至少等于測試部件時(shí)的磁通密度。優(yōu)選地，軟磁材料具有至少等于部件飽和磁通密度的飽和磁通密度。測試部件所沿的磁通方向通常限定了部件的第一和第二相對表面。磁通線沿著通常垂直于第一相對表面的平面的方向進(jìn)入部件。磁通線通常沿著非晶態(tài)金屬條的平面，并從第二個(gè)相對面出來。磁通閉合結(jié)構(gòu)裝置通常包括磁通閉合磁性部件，其優(yōu)選根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造，但也可用本領(lǐng)域中已知的其它方法和材料制成。磁通閉合磁性部件還具有第一和第二相對表面，磁通線通過它們并通常垂直于它們各自的平面進(jìn)入和出去。磁通閉合部件相對面具有與磁性部件各自面基本相同的大小和形狀，在實(shí)際測試過程中磁通閉合部件與磁性部件配合。磁通閉合磁性部件以配合關(guān)系放置，它的第一和第二面分別緊密靠近或基本靠近本發(fā)明磁性部件的第一和第二面。通過使電流通過環(huán)繞本發(fā)明磁性部件或磁通閉合磁性部件的第一繞組施加磁通勢。由環(huán)繞被測試磁性部件的第二繞組中感應(yīng)的電壓通過Faraday法則確定得到的磁通密度。由磁通勢通過Ampère法則確定施加的磁場。然后由施加的磁場和得到的磁通密度通過常規(guī)方法計(jì)算鐵損。
參考圖4，圖示了進(jìn)行上述測試方法中一種形式且不需要磁通閉合結(jié)構(gòu)裝置的組件60。組件60包括四個(gè)本發(fā)明的弓形整體非晶態(tài)金屬磁性部件200。每個(gè)部件200都是圓弧角為90°的基本相同的垂直圓環(huán)形柱段，是有圖2B所示形式的弓形表面210。每個(gè)部件具有第一相對表面66a和第二相對表面66b。部件200處于配合關(guān)系以形成通常具有直圓柱體形狀的組件60。每個(gè)部件200的第一相對面66a位置靠近鄰近它的部件200的相應(yīng)第一相對面66a并通常與它平行排列。部件200的四組靠近面因此限定出在組件60周圍等間距的四個(gè)間隙64。部件200的配合關(guān)系可通過帶62固定。組件60構(gòu)成具有四個(gè)可導(dǎo)磁段(每個(gè)包括一個(gè)部件200)和四個(gè)間隙64的磁路。兩個(gè)銅線繞組(未示出)環(huán)繞穿過組件60。使合適大小的交流電通過第一繞組，以提供在所需頻率和峰值磁通密度下激勵(lì)組件60的磁通勢。得到的磁通線通常在條20的面內(nèi)，指向切向。在第二繞組中感應(yīng)出表示每個(gè)部件200內(nèi)隨時(shí)間變化的磁通密度的電壓。由測得的電壓和電流值通過常規(guī)電子方法確定總鐵損，并相等地分配在四個(gè)部件200中。
提供下面的實(shí)施例以提供對本發(fā)明的更完整理解。為說明本發(fā)明的原理和實(shí)施而陳述的具體技術(shù)、條件、材料、比例和記錄數(shù)據(jù)是示例性的，不應(yīng)認(rèn)為限制本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例1
非晶態(tài)金屬定子的制備和測試由約22μm厚的Fe80B11Si9非晶態(tài)金屬條通過光刻蝕刻方法切割反結(jié)構(gòu)同步主軸電動機(jī)非晶態(tài)金屬定子用的疊片。每個(gè)疊片包括具有普通環(huán)形形狀的中心環(huán)形區(qū)域和多個(gè)從中心環(huán)形區(qū)域向外徑向延伸的齒，通常如圖3D所示。環(huán)形區(qū)域大約具有分別約9和11mm的內(nèi)徑和外徑。在齒的外圍處測得的部件外徑為約25mm。在350-400℃的溫度下熱處理疊片0.5-3小時(shí)以增強(qiáng)它的軟磁性。然后堆疊約120個(gè)疊片形成高度為約4.2mm的普通圓柱結(jié)構(gòu)。將堆浸漬在低粘度熱激活的環(huán)氧樹脂中，使其浸漬和滲透鄰近疊片之間的空間。使用的環(huán)氧樹脂為EpoxyliteTM8899，用丙酮按體積稀釋1∶5以獲得合適的粘度。將堆對齊固定在固定裝置中，并輕微壓縮至約4mm的高度以提高堆的堆積密度。然后將浸漬的堆暴露于約177℃的溫度大約2.5小時(shí)以激活和固化環(huán)氧樹脂溶液。冷卻后，從固定裝置中移去堆，并用3M ScotchCastTMElectrical Resin 5133電泳涂敷，形成適用于反結(jié)構(gòu)同步電動機(jī)的定子。
通過附加上環(huán)繞中心環(huán)形區(qū)域的初級和次級電繞組測試定子的磁性。初級繞組用具有所需頻率和振幅的AC電流源激勵(lì)；由次級繞組上出現(xiàn)的感應(yīng)電壓計(jì)算獲得的最大磁通密度，假定磁通完全在中心環(huán)形區(qū)域中被傳送，有效忽略齒在靠近它們的根中傳送的任何磁通。調(diào)整激勵(lì)以獲得規(guī)定頻率和磁通密度的一系列測試點(diǎn)。用Yokogawa 2532瓦特計(jì)測定鐵損。
表1描述了具有列出的頻率“f”和峰值感應(yīng)水平“Bmax”值的一系列測試點(diǎn)的定子芯鐵損。使用上述近似法確定Bmax的值。這個(gè)實(shí)施方案中的定子芯在從DC直到2kHz的頻率范圍內(nèi)有利地表現(xiàn)出低鐵損。特別地，在50Hz(0.05kHz)時(shí)的損耗在1.0T時(shí)為約0.21W/kg；400Hz(0.4kHz)時(shí)損耗在1.0T時(shí)為約1.6W/kg，在1.3T時(shí)為2.8W/kg；800Hz(0.8kHz)時(shí)損耗在1.0T時(shí)為約3.3W/kg，在1.3T時(shí)為5.7W/kg；和2000Hz(2kHz)時(shí)損耗在1.0T時(shí)為約9.5W/kg，在1.3T時(shí)為14.8W/kg。
使用形式L(Bmax，f)＝c1f(Bmax)n+c2fq(Bmax)m的函數(shù)利用非線性回歸方法表征定子芯的損耗行為。系數(shù)c1和c2和指數(shù)n、m和q的合適值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。發(fā)現(xiàn)L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6函數(shù)描述了鐵損行為。也就是說，表1中列出的每個(gè)測試點(diǎn)(f，Bmax)處的鐵損測量值小于使用函數(shù)L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6計(jì)算的相應(yīng)預(yù)測值，預(yù)測值列在表1的最后欄中。
獲得的低鐵損值使定子芯尤其適用于電子頻率可高至1-2kHz或更高的高旋轉(zhuǎn)速度電動機(jī)。
表1
實(shí)施例2用非晶態(tài)金屬和用常規(guī)非取向硅鋼構(gòu)造的定子比較由公稱組成為Fe80B11Si9的公稱22μm厚的METGLAS SA-1非晶態(tài)金屬條構(gòu)造非晶態(tài)金屬定子，并使用上面實(shí)施例1中所述的光刻、層壓和浸漬技術(shù)。使用由公稱350μm厚的常規(guī)非取向硅鋼沖壓的疊片構(gòu)造具有相同整體尺寸和形狀的比較定子C350。這種鋼經(jīng)常用于制造常規(guī)主軸電動機(jī)。使用公稱200μm厚的高等級常規(guī)非取向鋼構(gòu)造具有相同幾何形狀的第二個(gè)對比定子C200。使用環(huán)繞各個(gè)定子中心環(huán)形部分的初級和次級繞組測試每個(gè)定子。在400和800Hz的激勵(lì)頻率和在一系列峰值感應(yīng)Bmax的激勵(lì)水平下進(jìn)行測試。用Yokogawa 2532瓦特計(jì)得到測量的鐵損數(shù)據(jù)。結(jié)果用圖5和6描繪，分別代表400和800Hz測試點(diǎn)。在圖5中，曲線600給出了作為峰值感應(yīng)Bmax函數(shù)的本發(fā)明非晶態(tài)金屬定子的損耗行為，而曲線601和602代表C200和C350定子的損耗行為。在Bmax水平的寬范圍內(nèi)，非晶態(tài)金屬定子的損耗低于定子350損耗的至少6倍。盡管比較定子C200的400Hz損耗為定子C350損耗的約60％，但它們?nèi)源笥诒景l(fā)明非晶態(tài)金屬定子損耗的約4倍以上。在800Hz時(shí)表現(xiàn)出類似有利的鐵損行為，如圖6所示，其中曲線650描述本發(fā)明非晶態(tài)金屬定子的性能，曲線651代表對比定子C200的行為。本發(fā)明定子對比較定子C200的相對鐵損優(yōu)勢在800Hz時(shí)比在400Hz甚至更大，非晶態(tài)金屬定子的損耗為C200損耗的大約六分之一。
非晶態(tài)金屬定子低很多的鐵損有利于提高結(jié)合了根據(jù)本發(fā)明的定子的高速主軸電動機(jī)的電效率。
實(shí)施例3
納米晶合金矩形棱柱的制備通過光刻大約25mm寬和0.018mm厚的Fe73.5Cu1Nb3B9Si13.5非晶態(tài)金屬條制備反結(jié)構(gòu)同步主軸電動機(jī)定子用的疊片。每個(gè)疊片包括具有普通環(huán)形形狀的中心環(huán)形區(qū)域和多個(gè)從中心環(huán)形區(qū)域向外徑向延伸的齒，通常如圖3D所示。環(huán)形區(qū)域大約具有分別約9和11mm的內(nèi)徑和外徑。在齒的外圍處測得的部件外徑為約25mm。熱處理疊片以在非晶態(tài)金屬中形成納米晶微結(jié)構(gòu)。通過進(jìn)行以下步驟實(shí)現(xiàn)退火1)加熱零件直到580℃；2)在大約580℃的溫度下保持大約1小時(shí)；和3)冷卻零件到環(huán)境溫度。然后堆疊約160個(gè)熱處理的疊片形成高度為約4.2mm的普通圓柱結(jié)構(gòu)，并浸漬在低粘度熱激活的環(huán)氧樹脂中，使其浸漬和滲透鄰近疊片之間的空間。使用的環(huán)氧樹脂為EpoxyliteTM8899，用丙酮按體積稀釋1∶5以獲得合適的粘度。將堆對齊固定在固定裝置中，并輕微壓縮至約4mm的高度以提高堆的堆積密度。然后將浸漬的堆暴露于約177℃的溫度大約2.5小時(shí)以激活和固化環(huán)氧樹脂溶液。冷卻后，從固定裝置中移去堆，并用3M ScotchCastTMElectrical Resin5133電泳涂敷，形成適用于反結(jié)構(gòu)同步電動機(jī)的定子。
通過附加上環(huán)繞中心環(huán)形區(qū)域的初級和次級電繞組測試定子的磁性。初級繞組用具有所需頻率和振幅的AC電流源激勵(lì)；由次級繞組上出現(xiàn)的感應(yīng)電壓計(jì)算獲得的最大磁通密度，假定磁通完全在中心環(huán)形區(qū)域中被傳送，有效忽略齒在靠近它們的根中傳送的任何磁通。調(diào)整激勵(lì)以獲得根據(jù)上述近似確定的規(guī)定頻率和磁通密度的所需測試點(diǎn)。用Yokogawa 2532瓦特計(jì)測定鐵損。
納米晶合金定子表現(xiàn)出低鐵損。特別地，在50Hz(0.05kHz)時(shí)的損耗在1.0T時(shí)為約0.21W/kg；400Hz(0.4kHz)時(shí)損耗在1.0T時(shí)為約1.6W/kg，在1.3T時(shí)為2.8W/kg；800Hz(0.8kHz)時(shí)損耗在1.0T時(shí)為約3.3W/kg，在1.3T時(shí)為5.7W/kg；和2000Hz(2kHz)時(shí)損耗在1.0T時(shí)為約9.5W/kg，在1.3T時(shí)為14.8W/kg。因此，定子能使它適用于高速高效電動機(jī)。
這樣就相當(dāng)充分詳細(xì)地描述了本發(fā)明，應(yīng)認(rèn)識到，不需要嚴(yán)格遵守這種細(xì)節(jié)，而是本領(lǐng)域中技術(shù)人員可想起的各種變化和變更都落在附加權(quán)利要求限定的本發(fā)明范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電動機(jī)，具有至少一個(gè)低損耗整體非晶態(tài)金屬磁性部件，該磁性部件包含用粘合劑層疊到一起形成多面體形狀零件的多個(gè)基本相似形狀的非晶態(tài)金屬條的層，所述低損耗整體非晶態(tài)金屬磁性部件在激勵(lì)頻率“f”下運(yùn)轉(zhuǎn)至峰值感應(yīng)水平Bmax時(shí)，具有小于約“L”的鐵損，其中L用式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6給出，鐵損、激勵(lì)頻率和峰值感應(yīng)水平分別以瓦/千克、赫茲和特斯拉測得。
2.如權(quán)利要求1所述的電動機(jī)，所述非晶態(tài)金屬條的每一個(gè)都具有基本由式M70-85Y5-20Z0-20限定的組成，下標(biāo)為原子百分?jǐn)?shù)，其中“M”為Fe、Ni和Co中的至少一種，“Y”為B、C和P中的至少一種，“Z”為Si、Al和Ge中的至少一種；條件是(i)最高到10原子％的組分“M”可被金屬物種Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta和W中的至少一種取代，和(ii)最高到10原子％的組分(Y+Z)可被非金屬物種In、Sn、Sb和Pb中的至少一種取代。
3.如權(quán)利要求2所述的電動機(jī)，其中所述M組分基本為Fe，所述Y組分基本為B，所述Z組分基本為Si。
4.如權(quán)利要求2所述的電動機(jī)，其中所述鐵磁非晶態(tài)金屬條的每一個(gè)具有包含至少70原子％的Fe、至少5原子％的B和至少5原子％的Si的組成，條件是B和Si的總含量為至少15原子％。
5.如權(quán)利要求4所述的電動機(jī)，其中所述條中的每一個(gè)都具有基本由式Fe80B11Si9限定的組成。
6.如權(quán)利要求2所述的電動機(jī)，所述非晶態(tài)金屬條被熱處理以在其中形成納米晶微結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求6所述的電動機(jī)，其中所述非晶態(tài)金屬條中的每一個(gè)都具有基本由式Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw限定的組成，其中R為Ni和Co中的至少一種，T為Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一種，Q為Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一種，u從0到約10，x從約3到12，y從0到約4，z從約5到12，w從0到小于約8。
8.如權(quán)利要求6所述的電動機(jī)，其中所述非晶態(tài)金屬條中的每一個(gè)都具有基本由式Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw限定的組成，其中R為Ni和Co中的至少一種，T為Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一種，Q為Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一種，u從0到約10，x從約1到5，y從0到約3，z從約5到12，w從約8到18。
9.如權(quán)利要求1所述的電動機(jī)，其中所述整體非晶態(tài)金屬磁性部件構(gòu)成所述電動機(jī)定子的至少一部分。
10.如權(quán)利要求1所述的電動機(jī)，其中所述整體非晶態(tài)金屬磁性部件構(gòu)成所述電動機(jī)轉(zhuǎn)子的至少一部分。
11.如權(quán)利要求1所述的電動機(jī)，其中所述非晶態(tài)金屬磁性部件構(gòu)成所述電動機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子。
12.如權(quán)利要求1所述的電動機(jī)，其中所述整體非晶態(tài)金屬磁性部件在大約400Hz的頻率和大約1.3T的磁通密度下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，具有小于或大致等于2.8瓦/千克非晶態(tài)金屬材料的鐵損。
13.如權(quán)利要求1所述的電動機(jī)，其中所述整體非晶態(tài)金屬磁性部件在大約800Hz的頻率和大約1.3T的磁通密度下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，具有小于或大致等于2.8瓦/千克非晶態(tài)金屬材料的鐵損。
14.如權(quán)利要求1所述的電動機(jī)，其中所述整體非晶態(tài)金屬磁性部件在大約2000Hz的頻率和大約1.0T的磁通密度下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，具有小于或大致等于9.5瓦/千克非晶態(tài)金屬材料的鐵損。
15.如權(quán)利要求9所述的電動機(jī)，所述電動機(jī)選自鼠籠式電動機(jī)、磁阻同步電動機(jī)和開關(guān)磁阻電動機(jī)。
16.如權(quán)利要求10所述的電動機(jī)，所述電動機(jī)選自可變磁阻電動機(jī)、渦流電動機(jī)、鼠籠式電動機(jī)、磁阻同步電動機(jī)和開關(guān)磁阻電動機(jī)。
17.如權(quán)利要求1所述的電動機(jī)，其中所述粘合劑包含選自單組分和雙組份環(huán)氧樹脂、清漆、厭氧粘合劑、氰基丙烯酸酯和室溫硫化(RTV)硅酮材料中的至少一種。
18.如權(quán)利要求17所述的電動機(jī)，所述部件用所述粘合劑浸漬。
19.如權(quán)利要求18所述的電動機(jī)，所述部件包括用于增強(qiáng)疊片粘合的浸漬劑流動增強(qiáng)裝置。
20.如權(quán)利要求17所述的電動機(jī)，所述粘合劑為低粘度環(huán)氧樹脂。
21.用于具有轉(zhuǎn)子和定子的電動機(jī)的至少一個(gè)低損耗整體非晶態(tài)金屬磁性部件包括用粘合劑層疊到一起形成多面體形狀零件的多個(gè)基本相似形狀的非晶態(tài)金屬條的層，所述低損耗整體非晶態(tài)金屬磁性部件在激勵(lì)頻率f下被激勵(lì)至峰值感應(yīng)水平Bmax時(shí)，具有小于約“L”的鐵損，其中L用式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6給出，所述鐵損、所述激勵(lì)頻率和所述峰值感應(yīng)水平分別以瓦/千克、赫茲和特斯拉測得。
22.如權(quán)利要求21所述的磁性部件，其中所述磁性部件構(gòu)成所述定子的至少一部分。
23.如權(quán)利要求21所述的磁性部件，其中所述磁性部件構(gòu)成所述轉(zhuǎn)子的至少一部分。
24.如權(quán)利要求21所述的磁性部件，其中所述鐵磁非晶態(tài)金屬條的每一個(gè)具有包含至少70原子％的Fe、至少5原子％的B和至少5原子％的Si的組成，條件是B和Si的總含量為至少15原子％。
25.如權(quán)利要求21所述的磁性部件，所述部件用所述粘合劑浸漬。
26.如權(quán)利要求25所述的磁性部件，所述粘合劑為低粘度環(huán)氧樹脂。
27.一種構(gòu)造低鐵損整體非晶態(tài)金屬磁性部件的方法，包括步驟a)切割非晶態(tài)金屬條材料形成各自具有基本相同預(yù)定形狀的多個(gè)疊片；b)對齊堆疊所述疊片形成疊片堆；和c)用粘合劑粘結(jié)所述疊片堆；
28.如權(quán)利要求27所述的方法，還包括步驟a)精加工所述部件，以實(shí)現(xiàn)下面中的至少一種(i)從所述部件除去多余的粘合劑；(ii)給予所述部件合適的表面光潔度；和(iii)除去材料以給予所述部件最終的部件尺寸。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，還包括步驟a)對所述疊片退火以提高所述部件的磁性。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，所述退火步驟在所述粘結(jié)步驟后進(jìn)行。
31.如權(quán)利要求29所述的方法，所述退火步驟在所述粘結(jié)步驟前進(jìn)行。
32.如權(quán)利要求27所述的方法，還包括步驟a)用絕緣涂層劑涂敷所述部件的至少一部分表面。
33.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述切割步驟包括光刻所述非晶態(tài)金屬條材料形成所述疊片。
34.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述切割步驟包括沖壓所述非晶態(tài)金屬條材料形成所述疊片。
35.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述粘結(jié)步驟包括浸漬所述疊片堆。
36.如權(quán)利要求27所述的方法，其中所述粘合劑包含選自單組分和雙組份環(huán)氧樹脂、清漆、厭氧膠粘劑、氰基丙烯酸酯和室溫硫化(RTV)硅酮材料中的至少一種。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其中所述粘合劑包括低粘度環(huán)氧樹脂。
38.如權(quán)利要求36所述的方法，其中所述粘合劑具有小于約1000cps的粘度。
39.如權(quán)利要求36所述的方法，其中所述粘合劑具有小于約10ppm的熱膨脹系數(shù)。
40.如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述粘合劑具有小于約10ppm的熱膨脹系數(shù)。
41.根據(jù)權(quán)利要求27的方法構(gòu)造的低鐵損整體非晶態(tài)金屬磁性部件。
42.如權(quán)利要求41所述的低鐵損整體非晶態(tài)金屬磁性部件，包括通過光刻切割的疊片。
43.如權(quán)利要求41所述的低鐵損整體非晶態(tài)金屬磁性部件，其中所述部件在激勵(lì)頻率“f”下運(yùn)轉(zhuǎn)至峰值感應(yīng)水平Bmax時(shí)，具有小于約“L”的鐵損，其中L用式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6給出，所述鐵損、所述激勵(lì)頻率和所述峰值感應(yīng)水平分別以瓦/千克、赫茲和特斯拉測得。
44.權(quán)利要求20的方法，其中所述切割步驟包括利用砂輪、鋼絲鋸、放電加工機(jī)床、噴水器、激光器或光刻設(shè)備中至少一種。
全文摘要
高效電動機(jī)具有普通多面體形狀整體非晶態(tài)金屬磁性部件(10)，其中非晶態(tài)金屬條的多個(gè)層(20)被粘合地層疊到一起形成具有多面體形狀的普通三維零件。整體非晶態(tài)金屬磁性部件可包括弓形表面，并優(yōu)選包括兩個(gè)彼此相對布置的弓形表面。磁性部件可在從約50Hz到約20000Hz的頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)電動機(jī)在激勵(lì)頻率“f”下運(yùn)轉(zhuǎn)至峰值感應(yīng)水平B
文檔編號H02K15/00GK1771643SQ200480009398
公開日2006年5月10日 申請日期2004年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月3日
發(fā)明者N·J·德克里斯托法羅, G·E·費(fèi)希, S·M·林德奎斯特, C·E·克羅格 申請人:梅特格拉斯公司