專利名稱：大塊層壓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，涉及具有包括一個或多個大塊非晶體金屬磁性部件的鐵芯的高效、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、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構被構造，所述磁性鋼以具有低到100μm厚度的板材被供應。所述層壓結構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。這些層壓結構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，的形式的構成部件組裝而成。所述組裝形狀可進一步由反映所述構成部件的字母表示，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有技術鐵芯的構成部件已經既由常規(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)的層壓結構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也轉化為形成具有給定橫截面和厚度的部件所需要的層壓結構數量的增加，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構的技術還未發(fā)現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。這種鐵芯構型提供了完全閉合的磁路，且具有可忽略的退磁系數。然而，為了達到所需能量儲存能力，許多感應器需要包括不連續(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和相關的形狀各向異性，所述退磁系數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)材料已經被建議用于這種能量儲存應用。
然而，帶繞環(huán)形鐵芯中的內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生了附加應力。作為磁致伸縮的結果，卷繞的環(huán)形鐵芯通常呈現比相同的帶材在扁平帶材構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。卷繞結構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過程中在一致的基底上再現。
此外，設計人員尋求靈活性，所述設計靈活性不能由有限選擇的標準的具有間隙的環(huán)形鐵芯結構所提供。對于這些應用來說，使用者所希望的是能夠調節(jié)所述間隙以便選擇所需的剪切程度和能量儲存。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。結果是，它們不能很好地適用于單向應用。因此特別是要尋求用于多相(包括三相)應用的更順應容易的制造和應用，同時仍提供有吸引力的磁性能和效率的其它構型。
非晶體金屬還已經被用于功率高得多的裝置的變壓器中，例如用于電力網絡的具有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、大體上矩形的構型。在一種通常的構造方法中，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。在被授權給Ballard的美國專利4,734,975中闡述了用于以這種方式構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應力的起源的任何組合導致產生。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)氧的層壓結構，有害地限制了材料的線圈的熱和磁飽和膨脹。因此產生了高的內應力和磁致伸縮，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劑連結的情況下被仔細謹慎地安裝或包括在電介質套中。
近來技術中的重要趨勢已經是利用開關模式的電路拓撲的功率源、轉換器和相關電路的設計。可得到的功率半導體開關裝置的增加的能力已經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節(jié)和在行頻(通常在電網中為50-60Hz或在軍事應用中為400Hz)下操作的裝置現在基于在通常為5-200kHz和有時多達1MHz的頻率下的開關模式調節(jié)。用于使頻率增加的主要驅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有材料承擔了相當大和不希望的設計妥協。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出目前要求所需的優(yōu)良的磁和物理性質的組合。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的構造方法也被尋求。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種包括磁芯的高效率感應裝置，所述磁芯具有包括至少一個空氣間隙的磁路。所述鐵芯包括至少一個低損耗大塊非晶體金屬磁性部件和一個或多個電繞組。部件具有多面體形狀且包括多個大體上形狀相似的非晶體金屬帶的平面層，所述層被層疊、對齊和通過粘結劑連結在一起。裝置有利地具有低鐵芯損耗，例如當其在5kHz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10W/kg的鐵芯損耗。另一方面，裝置具有小于“L”的鐵芯損耗，其中L由公式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6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)明進一步提供了一種用于構造低鐵芯損耗的大塊非晶體金屬磁性部件的方法，包括步驟(i)切割非晶體金屬帶材以形成多個平面的層壓結構，每個所述層壓結構具有大體上相同的預定形狀；(ii)層疊和對齊所述層壓結構以形成具有三維形狀的層壓結構疊片；(iii)對層壓結構進行退火以改進部件的磁性能；和(iv)通過粘結劑粘結連結所述層壓結構疊片。正如下文更詳細地討論地，可以以多種順序實施用于構造部件的步驟。利用多種技術實施層壓結構的切割。優(yōu)選使用包括使用高硬度成套模具和高應變速率沖頭的沖軋操作。對于采用相對較小的層壓結構尺寸的實施例，光刻浸蝕(photolithographicetching)優(yōu)選用于切割。優(yōu)選通過浸漬工藝實現部件的連結，在所述浸漬工藝中允許低粘度、熱活性的環(huán)氧滲透層壓結構疊片的層之間的空間。
本發(fā)明的感應裝置的使用見于多種電子電路裝置應用中。其可用作變壓器、自耦變壓器、飽和電抗器或感應器。所述部件在采用各種開關模式電路拓撲的功率調節(jié)電子電路裝置的構造中尤其有用。本裝置在單相和多相應用都是有用的，且尤其在三相應用中是有用的。
在一些實施例中，磁芯具有單個大塊磁性部件，而在其它實施例中，多個部件被組裝成并置關系以形成磁芯。多個部件通過緊固裝置被緊固在適當位置。感應裝置進一步包括圍繞磁芯的至少一部分的至少一個電繞組。每個部件包括多個大體上形狀相似的非晶體金屬帶的平面層，所述層通過粘結劑被連結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。通過使每個部件中的非晶體金屬的層在大體上平行的平面中，且通過使每個配合面接近裝置的另一個部件的配合面，從而組裝部件。有利地實現了形成大塊非晶體金屬磁性部件和組裝磁芯的工藝，而未引入達到使軟磁性能例如磁導率和鐵芯損耗不可接受地劣化的應力級別。
本發(fā)明的感應裝置被用于多種電路應用中，并且可用作變壓器、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節(jié)裝置的構造中尤其有用。所述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緊密接觸以產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地使整個鐵芯和其中的一個或多個繞組窗口最優(yōu)化。結果是，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現有技術感應裝置相比，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。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1kHz到200kHz或更高的范圍內的開關頻率的功率調節(jié)電子電路中的變壓器或感應器。
作為其在周期性的勵磁情況下的非常低的鐵芯損耗的結果，本發(fā)明的磁性裝置可在DC到20,000Hz或更高的范圍內的頻率下進行操作。與在相同的頻率范圍內操作的常規(guī)硅鋼磁性部件相比，其呈現了改進的性能特征。
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。


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1A是示出了在構造本發(fā)明的感應裝置中所使用的帶有間隙的環(huán)形鐵芯的透視圖；圖1B是示出了用于加入到包含在本發(fā)明的感應裝置中的帶有間隙的環(huán)形鐵芯內的從非晶體金屬帶上切出的層壓結構的平面圖；圖2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3A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3B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3C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4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5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6是示出了圖5所示裝置的一部分的剖面圖；圖7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8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9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10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11是示出了用于構造本發(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12是示出了用于構造本發(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13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；和圖14是用于從非晶體金屬條帶中沖壓出層壓結構、疊置、對準、和連結所述層壓結構以形成本發(fā)明的大塊非晶體金屬磁性部件的設備和工藝的示意圖。
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。所述裝置采用包括一個或多個低損耗大塊鐵磁非晶體金屬部件的磁芯，所述部件形成至少一條磁路。通常情況下，根據本發(fā)明構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。
在本發(fā)明的一個方面中，裝置包括具有單個大塊非晶體金屬部件的磁芯，所述部件由多個平面的層組成，所述層從大塊金屬帶上切割下來且具有大體上相似的形狀。所述層被層疊、對齊且通過粘結劑連結。每個層具有空氣間隙，所述間隙在層壓部件中被置齊以形成整體空氣間隙?，F在參見圖1A和圖1B，主要示出了用于構造本發(fā)明的感應裝置的一種形式的鐵芯500。鐵芯500包括具有環(huán)形形狀的單個大塊非晶體金屬磁性部件，所述環(huán)形形狀具有被包括的空氣間隙510。如圖1B最佳顯現的多個層502被切割成大體上環(huán)形的形狀，所述環(huán)形形狀具有外邊緣504和內邊緣506。在每個層502中形成從外邊緣504延伸至內邊緣506的狹槽507。狹槽507的寬度被選擇以便在完成的鐵芯500中獲得適當的退磁系數。鐵芯500由多個層502形成，所述層被層疊和對齊以使得它們分別的內邊緣506、外邊緣504以及狹槽507大體上置齊。置齊的狹槽集合形成了空氣間隙510，間隔件(未示出)選擇性地插入所述空氣間隙中。通過粘結劑，優(yōu)選通過浸漬低粘度環(huán)氧512連結所述層502。在所述的方面中，層是圓形環(huán)狀體，但其它非圓形形狀也是可能的，例如橢圓形、跑道形以及正方形畫框狀形狀和具有任意長寬比的矩形畫框狀形狀。任一個實施例中的層的內棱或外棱選擇性地形成圓角。盡管狹槽507示出作為徑向方向，但其還可形成從內邊緣延伸至外邊緣的任何取向。此外，狹槽507可如所述形成大體上矩形的形狀，或者其可漸細或與輪廓相合以實現鐵芯的B-H回線上的其它所需效應。本發(fā)明的感應裝置的構造進一步包括在鐵芯上設置至少一個環(huán)形繞組(未示出)。
可通過各種方法，所述方法包括，不排它地，非晶體金屬條帶或帶的光刻浸蝕或沖壓制造所需形狀的層502。光刻浸蝕工藝尤其優(yōu)選用于制造小的部分，這是因為其相對易于實現自動化且提供了對完成的層的嚴格的、可再生產的尺寸控制。這種控制進一步允許大規(guī)模生產包括同一尺寸層壓結構且由此具有充分限定且均勻的磁性能的鐵芯。本制造方法提供了超越帶繞鐵芯結構的進一步的優(yōu)點，所述優(yōu)點在于在平的層壓結構中不存在由于使帶彎曲成螺旋結構而產生的內在壓縮和拉伸應力。任何由于切割、沖壓、蝕刻或相似工藝產生的應力將可能僅被限于單獨的層壓結構的周邊處或其附近的小區(qū)域。
在本發(fā)明的另一方面中，使用相類似的制造工藝以形成包含在大塊非晶體金屬磁性部件中的層，所述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。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對齊、連結在一起以形成用于本發(fā)明的感應裝置的所述部件。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。在組裝構型中，所有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)形狀可在其相對的端部處具有兩個平行的配合面或在其長側，或兩側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)明的一些實施例中，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，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，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2，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還包括第一側腿部10和第二側腿部14，每個所述腿部從背部4的共同側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。側腿部10、14從背部4一側的相對端部懸出?！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。每個側腿部10、14、所述側腿部之間的背部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的幾何形狀橫截面內的面積，所述面積等于總幾何形狀面積與疊片因數之積。
在圖3A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3B，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。適當的間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，進而確定了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2和圖3A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。每個繞組中的匝數根據變壓器或感應器設計中已公知的原則進行選擇。圖3B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4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和內孔156，所述內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合、夾固、粘結、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、變短或對金屬絲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3C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5-圖7示出了提供了包括具有“E”和“I”形狀的構成部件的“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、第一側腿部110和第二側腿部114。中間腿部106和側腿部110、114中的每個腿部從背部104的共同側垂直延伸出來并分別遠端地終止于矩形面107、111、114。所述中間腿部106從背部104的中間懸出，而側腿部110、114分別從背部104的相同側的相對端部懸出。中間腿部106和側腿部110、114的長度通常大體上相同以使得相應面107、111、114大體上共面。如圖6所示，中間腿部104和側腿部110、114中的任一個側腿部之間的背部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、114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的相對端部處。每個配合面107、111、115在尺寸上分別與互補面108、112、116大體上相同。
如圖5和圖7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114和115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，每個側腿部151和152的寬度優(yōu)選至少是中間腿部140的寬度的一半。
圖5-圖7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。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8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3C和圖8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，設計者可易于定制構型以產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9所示的具有五個矩形棱柱體磁性部件的布置的裝置200實現如圖5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節(jié)裝置200的磁路的磁阻。與圖3C和圖8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10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造。因此形成的裝置300可被用于一些應用中作為圖2所示的“C-I”裝置的可選實施方式。當構造本發(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型是有用的。本領域的技術人員將易于理解這些用于構造感應裝置的構型和方式，且所述構造和方式在本發(fā)明的范圍內。
正如前面提到的，本發(fā)明的裝置使用了至少一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面的固體。其包括，但不限于，具有相互正交的側面的三維矩形、正方形和棱柱體形，和具有一些非正交側面的其它形狀，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面，所述弧形表面或側面被彼此相對設置以形成大體上弧形形狀的部件?，F在參見圖11，示出了磁性部件56的一種形式，所述磁性部件被用于構造本發(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劑58，優(yōu)選低粘度的環(huán)氧，對其進行層壓。圖12示出了有助于構造本發(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構層81，每個所述層優(yōu)選是所述環(huán)形物的一部分。層81被連結在一起，因此形成了具有外弧形表面83、內弧形表面84和端部配合表面85和86的多面體形狀部件。部件80優(yōu)選浸漬粘結劑82，所述粘結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，是特別有用的?；⌒尾考?，其中表面85、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。
另一種有用的部件形狀是梯形棱柱體。所述裝置的一個實施例包括兩對梯形部件，每對梯形部件中的構件具有大體上相同的尺寸。每個部件具有相對于其細長軸線呈45°斜接以形成配合面的端部。所述兩對部件可如圖13所示通過使45°面配合以形成四邊矩形構型99而進行組裝，所述構型具有斜角接合且設置在四邊形的相對側上每對部件的構件。有利的是，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。
由根據本發(fā)明的大塊非晶體金屬磁性部件構造而成的感應裝置有利地呈現了低鐵芯損耗。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。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＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6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的任何方向被勵磁時，本發(fā)明的部件有利地呈現了低鐵芯損耗。本發(fā)明的感應裝置的構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。
本發(fā)明還提供了一種構造大塊非晶體金屬部件的方法。在一個實施例中，本方法包括以下步驟由鐵磁非晶體金屬帶原料沖軋出所需形狀的層壓結構、層疊層壓結構以形成三維物體、施加粘結裝置并使其活化以使層壓結構彼此粘結且為部件提供充分的機械整體性以及對部件進行最終加工以除去任何多余的粘結劑并為其提供適當的表面光潔度和最終的部件尺寸。方法可進一步包括選擇性退火步驟以改進部件的磁性能?？梢砸远喾N順序且利用多種技術，包括下文闡述的技術和本領域的技術人員易于理解的其它技術實施這些步驟。
歷史上，三個因素已結合起來排除了使用沖軋作為形成非晶體金屬部分的可行方法。首先，非晶體金屬帶通常比常規(guī)磁性材料帶例如無取向電工鋼板更薄。更薄材料的使用要求構建給定形狀的部分需要更多的層壓結構。更薄材料的使用還需要沖軋工藝中更小的工具和模具間隙。
第二，非晶體金屬傾向于大大硬于常規(guī)金屬沖頭和模具材料。鐵基非晶體金屬通常呈現超過1100kg/mm2的硬度。比較而言，空冷、油淬和水淬的工具鋼的硬度則限于800-900kg/mm2范圍內。因此，非晶體金屬，所述金屬的硬度得自其獨特的原子結構和化學性質，比常規(guī)金屬沖頭和模具材料更硬。
第三，當非晶體金屬在沖軋過程中被限制在沖頭和模具之間時，其可在斷裂前經受相當大的變形，而不是破裂。非晶體金屬由于高局部剪切流動而變形。當在拉伸情況下變形時，例如當非晶體金屬帶被拉動時，單個剪切帶的形成可導致在小的整體變形下發(fā)生斷裂。在拉伸情況下，斷裂可在1％或更小的伸長率下發(fā)生。然而，當以使得機械約束排除了塑性不穩(wěn)定性的方式，例如在沖軋過程中在工具和模具之間的彎曲情況下變形時，形成了多個剪切帶且可發(fā)生相當大的局部變形。在這種變形模式中，斷裂伸長率局部可超過100％。
這些后兩種因素，特殊的硬度加上相當大的變形結合起來使得在使用常規(guī)沖軋設備、工具和工藝的沖軋機的沖頭和模具部件上產生了非常大的磨損。由于在斷裂前的變形過程中，硬的非晶體金屬摩擦靠在較軟的沖頭和模具材料上，使得在沖頭和模具上發(fā)生了磨損。
本發(fā)明提供了一種用于使沖軋工藝中沖頭和模具上的磨損最小化的方法。方法包括步驟由碳化物材料制造沖頭和模具、制造工具以使得沖頭和模具之間的間隙小且均勻、以及在高應變速率下操作沖軋工藝。用于沖頭和模具工具的碳化物材料應具有至少1100kg/mm2和優(yōu)選大于1300kg/mm2的硬度。具有等于或大于非晶體金屬硬度的硬度的碳化物工具將抵抗沖軋工藝中來自非晶體金屬的直接磨損，由此使沖頭和模具上的磨損最小化。沖頭和模具之間的間隙應小于0.050mm(0.002英寸)且優(yōu)選小于0.025mm(0.001英寸)。沖軋工藝中使用的應變速率應為由至少一個沖頭沖程/秒且優(yōu)選五個沖頭沖程/秒形成的應變速率。對于0.025mm(0.001英寸)厚的非晶體金屬帶，這個沖程速度范圍近似等效于至少105/秒且優(yōu)選至少5×105/秒的形變速率。沖頭和模具之間較小的間隙以及沖軋工藝中使用的高應變速率結合起來限制了沖軋工藝中非晶體金屬在斷裂前的機械變形量。限制模腔中的非晶體金屬的機械變形限制了工藝中非晶體金屬和沖頭及模具之間的直接磨損，由此使沖頭和模具上的磨損最小化。
沖壓用于本發(fā)明的部件的層壓結構的方法的一種形式如圖14所示。鐵磁非晶體金屬帶材272的輥270使所述帶材連續(xù)進料通過退火爐276，所述退火爐使所述帶材的溫度提高至一定級別達充分的時間以實現帶272的磁性能的改進。帶272隨后通過包括照相凹版輥292的粘結劑施加裝置290，低粘度熱活性的環(huán)氧從粘結劑貯存器294被施加到所述照相凹版輥上。環(huán)氧由此從輥29 2被傳送到帶272的下表面上。退火爐276和粘結劑施加裝置290之間的距離是充分的以允許帶272在帶272的通過時間中冷卻至至少低于環(huán)氧的熱活化溫度的溫度。另一種可選實施方式是，冷卻裝置(未示出)可被用以實現帶272在爐276和施加裝置280之間更快的冷卻。帶材272隨后進入自動高速沖壓機278內以及沖頭280和底開式模具281之間。沖頭受驅動進入模具內，導致形成了具有所需形狀的層壓結構57。層壓結構57隨后落入或被輸送入收集箱288內且沖頭280被縮回。帶材272的骨架273保持且包含孔274，層壓結構57已經從所述孔中除去。骨架273被收集在卷取軸271上。當每次沖壓作用完成后，指示所述帶272使其為另一個沖壓循環(huán)做準備。沖壓工藝繼續(xù)且使多個層壓結構57收集在箱288中處于充分置齊的對齊狀態(tài)。在所需數量的層壓結構57被沖壓并沉積在箱288內后，沖壓機278的操作被中斷。所述所需數量可以是預選擇的或可由箱288中接收的層壓結構57的高度或重量確定。隨后從沖壓機278中除去箱288用以進行進一步的加工?？稍试S附加的低粘度熱活性環(huán)氧(未示出)滲透層壓結構57之間的空間，通過箱288的壁部保持所述層壓結構處于對齊狀態(tài)。隨后通過使整個箱288和其中包含的層壓結構57暴露于熱源達充分的時間以實現環(huán)氧的固化，而使環(huán)氧活化。層壓結構57的現在的層壓疊層從箱中被除去且通過除去任何多余的環(huán)氧而選擇性地對疊層的表面進行最終加工。
尤其優(yōu)選用于切割小的、形狀復雜的層壓結構的一種方法是通常被簡稱為光刻的光刻浸蝕。一般說來，光刻浸蝕是用于形成被提供有相對較薄的板、帶或條帶的形式的材料的片的金屬加工工藝中的已公知的技術。光刻工藝可包括步驟(i)在板上施加光阻物質的層，所述光阻物質對其上的光沖擊有響應；(ii)將包括限定出預選擇形狀的具有相對的透明性和不透明性的區(qū)域的照相掩模插入光阻物質和光源之間，光阻物質對所述光源有響應；(iii)使光沖擊到掩模上以選擇性地使那些位于掩模的透明區(qū)域下面的光阻物質的區(qū)域曝光；(iv)通過利用熱或化學試劑進行的處理使光阻物質顯影，導致光阻物質層的曝光區(qū)域與未曝光區(qū)域區(qū)別開來；(v)選擇性地除去顯影光阻物質層的曝光部分；和(vi)將板安放在腐蝕劑浴中，所述腐蝕劑浴選擇性地從板的那些已經從中除去了顯影光阻物質的部分中蝕刻或侵蝕掉材料，而未蝕刻上面保持了光阻物質的部分，由此形成了具有預選擇形狀的層壓結構。最通常情況下，掩模將包括限定出小的保持區(qū)域的特征，所述保持區(qū)域保持每個層壓結構弱連接到板上，以便在最終組裝前易于進行處理。這些保持區(qū)域易于用以允許從主要的板上除去單獨的層壓結構。通常還使用進一步的化學步驟以在腐蝕蝕刻步驟之后從層壓結構中除去剩余光阻材料。本領域的技術人員還將認識到使用互補光阻材料的光刻浸蝕工藝，在所述工藝中，在上面的步驟(V)中選擇性地除去光阻材料的未曝光部分而不是曝光部分。這種變化還使得照相掩模中的不透明和透明區(qū)域的變換成為必要，從而形成相同的最終層壓結構。
不產生毛口或其它邊緣缺陷的方法是尤其優(yōu)選的。更具體而言，從層壓結構的平面中突出出來的這些和其它缺陷在一些下面的工藝中且在某些條件下形成。層間電短路通常致使產生包括這種缺陷層壓結構的磁性部件，這有害地增加了部件的鐵損。
有利地，部分的光刻已普遍被發(fā)現促進了這個目的。通常情況下，光刻的部分呈現圓形邊緣和部分在緊鄰邊緣處厚度漸薄的性質，由此使上面提到的這種部分的層壓結構疊片中的層間斷路的可能性最小化。此外，通過增強漸薄邊緣附近的芯吸和毛細作用使得有利于這種疊層浸漬粘結劑。通過設置一個或多個貫通每個層壓結構的小孔，可進一步增強浸漬的功效。當單獨的層壓結構被層疊處于對齊狀態(tài)時，這種孔可被置齊以形成通道，浸漬劑可易于流動通過所述通道，由此確保了浸漬劑在至少相當大的表面區(qū)域上存在，每個層壓結構在所述區(qū)域處與相鄰的層壓結構配合。其它結構，例如表面通道和狹槽也可被并入每個層壓結構內，所述表面通道和狹槽也可用作浸漬劑流動增強裝置。上面提到的孔和流動增強裝置易于且有效地在光刻層壓結構中產生。此外，各種間隔件可被插入層壓結構疊片中以促進流動增強。
形成本發(fā)明的大塊非晶體金屬磁性部件所需的層壓結構也可通過沖軋工藝而形成。
粘結劑裝置被在本發(fā)明的實踐中以使多個大塊金屬帶材的片或層壓結構彼此粘結處于適當對齊的狀態(tài)，由此提供大塊的三維物體。這種連結提供了充分的結構整體性，所述結構整體性允許對本部件進行處理且使其并入更大的結構內，而沒有伴隨產生的將致使產生高鐵芯損耗或其它不可接受的磁性能的劣化的過度應力。多種粘結劑可以是適當的，包括那些由環(huán)氧、清漆、厭氧粘結劑、氰基丙烯酸酯和室溫硫化(RTV)硅酮材料組成的粘結劑。粘結劑所希望地具有低粘度、低收縮率、低彈性模量、高剝離強度和高介電強度。粘結劑可充分覆蓋每個層壓結構的表面區(qū)域的任何部份以實現相鄰的層壓結構彼此之間的足夠連結，且由此提供充分的強度以為完成的部件提供機械整體性。粘結劑可覆蓋大體上達到所有的表面區(qū)域。環(huán)氧可以或者是多組分的，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。粘結劑優(yōu)選具有低于1000cps的粘度和近似等于金屬的熱膨脹系數的或約10ppm的熱膨脹系數。
用于施加粘結劑的適當方法包括浸泡、噴射、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劑傳送到其上的桿或輥上面通過而進行涂覆。具有織紋表面的輥或桿，例如照相凹版或金屬線卷繞的輥，對將均勻的粘結劑涂層傳遞到非晶體金屬上尤其有效。粘結劑可在某時被施加到單獨的非晶體金屬的層上，或在切割前施加到帶材上或在切割后施加到層壓結構上。另一種可選實施方式是，粘結劑裝置可在層壓結構進行層疊后被集合施加到其上。優(yōu)選通過粘結劑在層壓結構之間的毛細管流動浸漬疊層?？稍谥車h(huán)境溫度和壓力下實現浸漬步驟。另一種可選實施方式是但優(yōu)選地，疊層可被安放在真空中或靜水壓力下以實現更完全的填充，而最小化了添加的粘結劑的總量。這個過程確保了高的疊層因數且因此是優(yōu)選的。優(yōu)選使用低粘度的粘結劑，例如環(huán)氧或氰基丙烯酸酯。還可使用適度加熱以降低粘結劑的粘度，由此增強其在層壓結構層之間的滲透性能。粘結劑根據需要進行活化以促進其連結性能。在粘結劑已經受到任何所需的活化和固化后，部件可進行最終加工以除去任何過量的粘結劑和為部件提供適當的表面光潔度和最終所需的部件尺寸。如果在至少約175℃的溫度下實現粘結劑的活化或固化，其還可用來影響磁性能，正如下文更詳細地討論地。
一種優(yōu)選的粘結劑是由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)氧進行連結，以丙酮將所述環(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?？赏ㄟ^使環(huán)氧暴露在提高的溫度，例如在約170℃至180℃的范圍內的溫度下，約2至3小時的范圍內的時間而進行活化和固化。另一種被發(fā)現是優(yōu)選的粘結劑是由NationalStarch and Chemistry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。Permabond 910FS是單組分低粘度液體，所述液體將在濕氣存在的情況下，在室溫下5秒鐘內固化。
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。所述方法包括步驟(i)利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的緊固裝置被緊固。所述緊固裝置優(yōu)選不給構成部件提供可導致磁性能例如磁導率和鐵芯損耗劣化的高應力。所述部件優(yōu)選通過由金屬、聚合物或纖維制成的環(huán)繞的帶條、帶、窄帶、或板被綁扎結合。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)選由塑性或聚合物材料制成，且具有一個或多個空腔，所述構成部件被裝配到所述空腔內。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(Dupont)公司得到，商品名稱為Rynite PET熱塑性聚酯?？涨坏男螤詈桶卜艑⒉考o固處于所需的置齊狀態(tài)。在又一個實施例中，緊固裝置包括剛性或半剛性的外部介電涂層或罐封。構成部件被設置處于所需的對齊狀態(tài)。涂層或罐封隨后被施加到裝置的外表面的至少一部分上且進行適當的活化和固化以緊固部件。在一些實施方式中，在施加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的，包括環(huán)氧樹脂在內。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俘獲任何可傾向于從部件上脫落或要不然被不適當地容納在裝置或其它附近的結構中的碎片或其它材料。
最終加工選擇性地進一步包括表面研磨、切割、拋光、化學蝕刻和電化學蝕刻中的至少一種或相似的操作以提供平面的配合表面。通常情況下，這種工藝用以精整每個組件的配合面并除去任何粗糙或非平面。
各種緊固技術可組合實施以提供抵抗在操作中伴隨部件的勵磁產生的外部強加機械力和磁力的附加強度。
包括根據本發(fā)明構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節(jié)電路裝置例如功率源、電壓轉換器、和相似的利用開關模式技術在1kHz或更高的開關頻率下操作的功率調節(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)的微結構(例如，至少80％體積百分比的材料具有非晶體結構)。合金優(yōu)選被形成為大體上100％的具有非晶體結構的材料。非晶體結構的體積分數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。另一種適當的非晶體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2605SC。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的成分的帶是適當的。這種帶由Honeywell International Inc.公司出售，其商品名稱為METGLAS合金2605CO。然而，利用這種材料構造的部件的損耗傾向于略高于那些利用METGLAS 2605SA-1構造的部件的損耗。
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能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)微結構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晶溫度100-175℃且所述時間在約0.25-8小時范圍內。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，可在粘結劑連結之前或之后對不連續(xù)的層壓結構進行處理或對層壓結構的疊層進行熱處理。由于許多其它有吸引力的粘結劑經受不住需要的熱處理溫度，因此優(yōu)選在連結前實施所述熱處理。
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歷了所需的熱曲線。適當的加熱手段包括紅外熱源、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。
此外，可在加工本發(fā)明的部件和裝置的過程中的不同階段實施熱處理。在一些情況下，在形成不連續(xù)的層壓結構之前優(yōu)選對原料帶材進行熱處理。大塊的繞在卷軸上的材料可優(yōu)選在烘箱或流化床中進行離線處理，或者進行在線連續(xù)的卷軸到卷軸的處理，其中帶材從松卷卷軸通過加熱區(qū)傳送到卷取卷軸上。卷軸到卷軸的處理還可以與連續(xù)沖軋或光刻浸蝕工藝結合成一體。
還可以在光刻浸蝕或沖軋步驟之后，但是在層疊之前在不連續(xù)的層壓結構上實施熱處理。在該實施例中，優(yōu)選層壓結構離開切割工藝并且直接放置在將其傳輸通過加熱區(qū)的移動帶上，由此使層壓結構經受適當的時間-溫度曲線。
在其它實施方式中，可在不連續(xù)的層壓結構對齊疊置后實施熱處理。用于對這種疊片進行退火的適當的加熱手段包括烘箱、流化床和感應加熱。
在進行沖軋前對帶材進行熱處理可改變非晶體金屬的機械性能。具體而言，熱處理會降低非晶體金屬的延性，由此限制在沖軋工藝中發(fā)生斷裂前非晶體金屬的機械性變量。非晶體金屬的延性的降低還減少了通過使非晶體金屬產生形變而造成的沖頭和模具材料的直接磨耗和磨損。
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構得到顯著的改進。所述微結構具有出現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。在給定合金中產生納米晶結構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)微結構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構并隨后通過熱處理或其它工藝被轉變成具有納米晶微結構的材料的材料。可進行熱處理以形成納米晶微結構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構之前，所述納米晶結構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。通常情況下，納米結晶熱處理在從低于合金的結晶溫度約50℃到高于其約50℃的范圍內的溫度下進行實施。
具有通過在合金中形成納米晶微結構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、x在從約3至12的范圍內、y在從0至約4的范圍內、z在從約5至12的范圍內和w在從0至小于約8的范圍內。在對這種合金進行熱處理以在其中形成納米晶微結構之后，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、x在從約1至5的范圍內、y在從0至約3的范圍內、z在從約5至12的范圍內和w在從約8至18的范圍內。在對這種合金進行熱處理以在其中形成納米晶微結構之后，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量或體積的被勵磁的磁性材料的瓦特數。在本領域中已公知，損耗隨f和Bmax單調增加。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的這種材料的樣品，即，一種構型，在所述構型中閉合磁通線大體上被包含在樣品體積內且磁性材料的剖面在遍及磁路的范圍內大體上是相同的。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型中仍有利地呈現遍及廣泛范圍的磁通密度和頻率內的低鐵芯損耗。
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。對非晶體金屬中的鐵芯損耗的現有技術分析(參見，例如，G.E.Fish，J.Appl.Phys.57，3569(1985)和G.E.Fish等，J.Appl.Phys.64，5370(1988))一般已經被限制于從閉合磁路中的材料中獲得的數據。
對本發(fā)明的裝置的每單位質量的總鐵芯損耗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型中是最簡單的。在那種情況中，所述損耗通常可由具有以下形式的函數所限定L(Bmax，f)＝c1f(Bmax)n+c2fq(Bmax)m其中，系數c1和c2和指數n、m和q都必須經驗性地進行確定，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的經驗性公式作為輸入，這些技術通過遍及裝置體積的數值積分使得給定部件在其操作構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。適當的方法包括提供具有初級和次級電繞組的裝置，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、比例和報告數據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包括沖軋的非晶體金屬弧形部件的感應裝置的制備和電磁試驗約60mm寬和0.022mm厚的Fe80B11Si9鐵磁非晶體金屬條帶進行沖軋以形成單獨的層壓結構，每個所述層壓結構具有90°圓環(huán)扇形形狀，所述圓環(huán)扇形形狀具有100mm的外徑和75mm的內徑。約500個單獨的層壓結構被層疊和對齊以形成直圓柱體的90°弧形扇形，所述弧形扇形具有12.5mm的高度、100mm的外徑和75mm的內徑，大體上如圖12所示。圓柱形扇形組件被安放在固定裝置中并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環(huán)境溫度。圓柱形扇形組件被安放在第二固定裝置中、真空浸漬環(huán)氧樹脂溶液并在120℃下固化約4.5小時。當完全固化時，將圓柱形扇形組件從第二固定裝置中除去。所得的環(huán)氧連結的非晶體金屬圓柱形扇形組件的重量約為70g。重復所述工藝以形成總計四個這種組件。四個組件被安放成配合關系且進行綁扎結合以形成大體上圓柱形的試驗鐵芯，所述試驗鐵芯具有四個相等的間隔一定距離的間隙。初級和次級電繞組被固定到圓柱形試驗鐵芯上用以進行電試驗。
當試驗組件在約60Hz的頻率和約1.4特斯拉(T)的磁通密度下操作時，其呈現小于1瓦特/千克非晶體金屬材料的鐵芯損耗值；當在約1000Hz的頻率和約1.0T的磁通密度下操作時，小于12瓦特/千克非晶體金屬材料的鐵芯損耗；以及當在約20,000Hz的頻率和約0.30T的磁通密度下操作時，小于70瓦特/千克非晶體金屬材料的鐵芯損耗。試驗鐵芯的低鐵芯損耗使其適于用于本發(fā)明的感應裝置。
實例2包括沖軋的非晶體金屬弧形部件的感應裝置的高頻電磁試驗如實例1所述制備包括四個沖軋的非晶體金屬弧形部件的圓柱形試驗鐵芯。初級和次級電繞組被固定到試驗組件上。在60、1000、5000和20,000Hz和各種磁通密度下進行電試驗。測量鐵芯損耗值并與其它鐵磁材料在相似的試驗配置中(National-Arnold Magnetics，17030Muskrat Avenue，Adelanto，CA 92301(1995))的目錄值進行比較。試驗數據匯集在下面的表1、2、3和4中。如表3和表4中的數據最佳所示，鐵芯損耗在5000Hz或更高的勵磁頻率下特別低。這種低鐵芯損耗使得本發(fā)明的磁性部件尤其充分適于用于構造本發(fā)明的感應裝置。根據本實例構造的圓柱形試驗鐵芯適于用于感應裝置中，例如用于在開關模式功率源中使用的感應器中。
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)

實例3包括沖軋的非晶體金屬弧形部件的感應裝置的高頻行為利用常規(guī)的非線性回歸方法對上面的實例2的鐵芯損失數據進行分析。確定的是，由利用Fe80B11Si9非晶體金屬條帶制造的部件組成的低損耗大塊非晶體金屬裝置的鐵芯損耗基本上可由具有以下形式的函數限定L(Bmax，f)＝c1f(Bmax)n+c2fq(Bmax)m。
系數c1和c2和指數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2中的部件的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c1＝0.0074和c2＝0.000282以及指數n＝1.3、m＝2.4和q＝1.5計算出作為f(Hz)和Bmax(Tesla)的函數的預測損耗。實例2的大塊非晶體金屬裝置的損耗小于由公式預測的相應損耗。
表5


實例4非晶體金屬梯形棱柱體和感應器的制備通過光刻浸蝕技術將約25mm寬和0.022mm厚的Fe80B11Si9鐵磁非晶體金屬條帶切割成梯形層壓結構。每個梯形結構的平行邊由條帶邊緣形成，且剩余的邊形成具有方向相反的45°角。約1300層的切割鐵磁非晶體金屬條帶被層疊和對齊以形成每個約30mm厚的梯形棱柱體形狀。每個形狀在保持在約365℃的溫度下進行約兩小時的退火，且隨后通過浸沒在低粘度環(huán)氧樹脂中進行浸漬并隨后進行固化。四個這種部分被形成具有約150mm長的長邊和約100mm長的短邊。由每個層壓結構的角度切割端部形成的斜接配合面垂直于每個棱柱體中的條帶層的平面，且約35mm寬和30mm厚，相當于1300層的條帶。通過輕微研磨對配合面進行精整以除去多余的環(huán)氧并形成平面表面。配合面隨后在硝酸/水溶液中進行蝕刻并在氫氧化銨/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進行組裝以形成具有包括正方形窗的正方形畫框構型的變壓器。在相對的部件上的分別的繞組被串聯連接，幫助形成初級和次級繞組。
通過利用交流(AC)電流源驅動初級繞組并檢測次級繞組中的感應電壓測試變壓器的鐵芯損耗。利用被連接到初級和次級繞組上的Yokogawa Model 2532常規(guī)電子伏特計確定出變壓器的鐵芯損耗。隨著鐵芯在5kHz頻率下被勵磁到0.3T的峰值磁通量大小，觀測到鐵芯損耗小于約10W/kg。
實例5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個約100mm長的帶的矩形形狀片通過光刻工藝被切割并在固定裝置中層疊處于對齊狀態(tài)。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構。通過執(zhí)行下列步驟實施退火1)將部分加熱至580℃；2)將溫度保持在約580℃達約1小時；和3)將部分冷卻至周圍環(huán)境溫度。在熱處理之后，所述疊層通過浸沒在低粘度的環(huán)氧樹脂中進行浸漬。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)氧浸漬的矩形棱柱體大塊磁性部件。通過輕微研磨技術在每個棱柱體上制備兩個配合面以形成平的表面。一個面位于每個棱柱體的端部上，而另一個具有大體上相同尺寸的表面則在棱柱體遠端處的側面上形成。兩個配合面都大體上垂直于部件的每個層的平面。
四個棱柱體隨后進行組裝和通過綁扎結合而被緊固以形成具有如圖10所示的形式的正方形畫框構型的感應裝置。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5kHz和0.3T下具有小于約10W/Kg的鐵芯損耗，這使其適于用于高效率感應器或變壓器中。
由此已對本發(fā)明進行了非常充分詳盡的描述，應該理解，所述細節(jié)不必被嚴格遵循，而是可建議本領域的技術人員做出各種變化和變型，所有所述變化和變型均落入由所附權利要求限定出的本發(fā)明的范圍內。
權利要求
1.一種感應裝置，包括a.具有包括至少一個空氣間隙的磁路且包括至少一個低損耗大塊鐵磁非晶體金屬磁性部件的磁芯；b.圍繞所述磁芯的至少一部分的至少一個電繞組；c.所述部件，包括多個大體上形狀相似的非晶體金屬帶的平面層，所述層被層疊、對齊且通過粘結劑被連結在一起以形成多面體形狀的部分；和d.所述感應裝置，當其在5kHz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10W/Kg的鐵芯損耗。
2.根據權利要求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件。
3.根據權利要求1所述的感應裝置，其中所述磁芯包括多個分別具有至少兩個配合面的所述低損耗大塊鐵磁非晶體金屬磁性部件，且所述部件被組裝成并置關系以使得每個所述配合面與另一個所述部件的配合面中的一個接近且大體上平行。
4.根據權利要求1所述的感應裝置，其中所述磁芯具有一個低損耗大塊鐵磁非晶體金屬磁性部件。
5.根據權利要求1所述的感應裝置，包括多個電繞組。
6.根據權利要求1所述的感應裝置，進一步包括在所述空氣間隙中的間隔件。
7.根據權利要求1所述的感應裝置，其中非晶體金屬的所述層進行退火。
8.根據權利要求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＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6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。
9.根據權利要求1所述的感應裝置，其中所述磁芯的表面的至少一部分涂有絕緣涂層。
10.根據權利要求9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。
11.一種用于構造低鐵芯損耗大塊非晶體金屬磁性部件的方法，包括以下步驟a.切割非晶體金屬帶材以形成多個平面層壓結構，每個所述平面層壓結構具有大體上相同的預定形狀；b.層疊和對齊所述層壓結構以形成具有三維形狀的層壓結構疊片；c.對所述層壓結構進行退火以改進所述部件的磁性能；和d.利用粘結劑粘結連結所述層壓結構疊片。
12.根據權利要求12所述的方法，其中所述粘結連結步驟包括所述層壓結構疊片的浸漬。
13.根據權利要求12所述的方法，其中所述粘結劑包括從包含單組分和雙組分環(huán)氧、清漆、厭氧粘結劑、氰基丙烯酸酯和室溫硫化(RTV)硅酮材料的組中選擇出來的至少一個成分。
14.根據權利要求12所述的方法，其中所述粘結劑包括低粘度環(huán)氧。
15.根據權利要求12所述的方法，在所述粘結連結步驟之后實施所述退火步驟。
16.根據權利要求12所述的方法，在所述粘結連結步驟之前實施所述退火步驟。
17.根據權利要求12所述的方法，進一步包括步驟a.利用絕緣涂層劑涂覆所述部件的表面的至少一部分。
18.根據權利要求12所述的方法，進一步包括步驟a.對所述層壓結構疊片進行最終加工以實現除去多余的粘結劑、為所述部件提供適當表面光潔度和為所述部件提供其最終部件尺寸中的至少一個。
19.根據權利要求12所述的方法，其中所述切割步驟包括沖軋和光刻浸蝕中的至少一種。
20.根據權利要求12所述的方法，其中所述切割步驟包括對所述非晶體金屬帶材進行光刻浸蝕以形成所述層壓結構。
21.根據權利要求12所述的方法，其中所述切割步驟包括對所述非晶體金屬帶材進行沖軋以形成所述層壓結構。
22.根據權利要求12所述的方法，進一步包括步驟a.在所述部件上制備至少兩個配合面，所述面大體上是平面的且垂直于所述層。
23.根據權利要求22所述的方法，其中所述制備步驟包括所述配合面的表面研磨、切割、拋光、化學蝕刻和電化學蝕刻中的至少一種。
24.根據權利要求12所述的方法，其中所述部件具有小于“L”的鐵芯損耗，其中L由公式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6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。
25.一種使用一種工藝構造的低鐵芯損耗大塊非晶體金屬磁性部件，所述工藝包括以下步驟a.切割非晶體金屬帶材以形成多個平面層壓結構，每個所述平面層壓結構具有大體上相同的預定形狀；b.層疊和對齊所述層壓結構以形成具有三維形狀的層壓結構疊片；c.對所述層壓結構進行退火以改進所述部件的磁性能；和d.利用粘結劑粘結連結所述層壓結構疊片。
26.根據權利要求24所述的低鐵芯損耗大塊非晶體金屬磁性部件，其中所述切割步驟包括光刻浸蝕。
27.根據權利要求24所述的低鐵芯損耗大塊非晶體金屬磁性部件，其中所述切割步驟包括由非晶體金屬帶沖軋出所述層壓結構。
28.根據權利要求24所述的低鐵芯損耗大塊非晶體金屬磁性部件，其中當所述部件在勵磁頻率“f”下運行至峰值磁感應強度大小Bmax時，其具有小于“L”的鐵芯損耗，其中L由公式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6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。
29.根據權利要求24所述的低鐵芯損耗大塊非晶體金屬磁性部件，其中每條所述鐵磁非晶體金屬帶具有基本上由式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，以及“Z”是Si、Al和Ge中的至少一種；附帶條件包括(i)達10個原子百分比的組分“M”由金屬物質Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta、Hf、Ag、Au、Pd、Pt和W中的至少一種選擇性地替換；(ii)達10個原子百分比的組分(Y+Z)由非金屬物質In、Sn、Sb和Pb中的至少一種選擇性地替換；和(iii)達約一(1)個原子百分比的組分(M+Y+Z)為附帶雜質。
30.根據權利要求28所述的低鐵芯損耗大塊非晶體金屬磁性部件，其中每條所述鐵磁非晶體金屬帶具有包含至少70個原子百分比的Fe、至少5個原子百分比的B以及至少5個原子百分比的Si的成分，附帶條件為B和Si的總含量為至少15個原子百分比。
31.根據權利要求29所述的低鐵芯損耗大塊非晶體金屬磁性部件，其中每個所述鐵磁非晶體金屬帶具有基本上由式Fe80B11Si9限定出的成分。
32.一種感應裝置，包括至少一個根據權利要求12所述的方法構造的大塊非晶體金屬磁性部件。
33.一種用于構造感應裝置的方法，包括以下步驟a.設置具有至少一個鐵磁大塊非晶體金屬磁性部件的鐵芯，所述磁性部件具有多個非晶體金屬帶的平面層，所述層通過粘結劑被連結在一起以形成具有包括空氣間隙的磁路的大體上多面體的部分；和b.利用至少一個電繞組圍繞所述磁性部件的至少一部分。
34.一種用于構造感應裝置的方法，包括以下步驟a.設置具有多個鐵磁大塊非晶體金屬磁性部件的鐵芯，每個部件具有多個非晶體金屬的層，所述層被切割、層疊處于對齊狀態(tài)并利用粘結劑連結在一起以形成具有一定厚度和多個配合面的大體上多面體的部分；b.利用電繞組圍繞至少一個所述磁性部件；c.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d.將所述部件緊固成所述并置關系。
35.根據權利要求32所述的方法，進一步包括將間隔件插入所述空氣間隙中的步驟。
36.根據權利要求32所述的方法，其中所述緊固步驟包括使用粘結劑以粘結所述部件。
37.根據權利要求32所述的方法，其中所述緊固步驟包括利用帶條綁扎結合所述部件。
38.根據權利要求32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。
39.根據權利要求32所述的方法，進一步包括最終加工步驟，其中所述配合面進行最終加工以在其上設置平面配合表面。
40.根據權利要求37所述的方法，其中所述最終加工步驟包括表面研磨、切割、拋光、電蝕刻和化學蝕刻中的至少一種。
41.根據權利要求32所述的方法，其中所述電繞組被卷繞在具有中空內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。
42.一種包括至少一個從包含變壓器、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大體上形狀相似的非晶體金屬帶的平面層，所述層通過粘結劑被連結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，其中通過使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使每個所述配合面接近另一個所述部件的配合面，設置所述部件；和c.圍繞所述磁芯的至少一部分的至少一個電繞組；且其中當所述感應裝置在5kHz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10W/Kg的鐵芯損耗。
43.一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出來的功率調節(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大體上形狀相似的非晶體金屬帶的平面層，所述層通過粘結劑被連結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，其中通過使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使每個所述配合面接近另一個所述部件的配合面，設置所述部件；和c.圍繞所述磁芯的至少一部分的至少一個電繞組；且其中當所述感應裝置在5kHz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10W/Kg的鐵芯損耗。
全文摘要
一種大塊非晶體金屬感應裝置包括具有至少一個低損耗大塊鐵磁非晶體金屬磁性部件的磁芯，所述部件形成在其中具有空氣間隙的磁路。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。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的勵磁頻率到0.3T的峰值磁感應強度大小“B
文檔編號H05B41/16GK101027733SQ200380108179
公開日2007年8月29日 申請日期2003年10月22日 優(yōu)先權日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, C·E·克羅格, S·M·林奎斯特, S·V·塔提科拉 申請人:梅特格拉斯公司