專利名稱：：用于電動機的塊狀的無定形金屬磁元件的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種無定形金屬磁元件，更具體地說，本發明涉及一種具有基本上呈多面體形的塊狀的無定形金屬磁元件的高效的電動機》
背景技術：
：電動4幾一般含有由多個無定向的電工鋼疊層制成的磁元件。在可調速的磁阻電動才幾和渦流電動才幾中，定子由疊層構成。在鼠籠電動機、磁阻同步電動機和開關磁阻電動機中，定子和轉子都由疊層制成。每層一般借助于把在機械性能上軟的、無定向的電工鋼壓制、沖壓或切削成所需的形狀而成。然后，把形成的層層疊并粘結而成為轉子或定子。雖然和無定向電工鋼相比，無定形金屬具有優異的磁性能，但是，長期以來，由于某種物理性能和相應的加工限制，認為無定形金屬不適用于塊狀的磁元件，例如電動機的轉子和定子。例如，無定形金屬比無定向電工鋼薄而硬，這使得制造工具和模具北約較快地磨損。引起的工具和制造成本的增加使得利用這種技術制造塊狀無定形金屬磁元件在工業上是不實際達到。無定形金屬的太薄也導致在組裝的元件中層疊數量的增加，這又引起無定形金屬轉子或定子磁部件總體成本的增加。無定形金屬一般以具有均勻寬度的薄的連續帶被提供。然而，無定形金屬是非常硬的材料，使得難于切削和成形，并且一旦退火達到峰值磁性能，便成為非常脆的材料。這使得利用常規的方法制造塊狀無定形金屬磁元件是極其困難和昂貴的。無定形金屬的脆性還帶來關于對應用于電動才凡的塊狀磁元件的耐用性的擔心。塊狀無定形金屬磁元件的另一個問題是，當其遭受物理應力時無定形金屬材料的導磁率減小。這種導磁率的減小在很大程度上和無定形金屬的應力大小有關。當塊狀無定形金屬磁元件遭受應力時，磁心引導或集中磁通的效率被減小，因而引起較高的磁損耗，導致發熱增加，因而降低功率.由于無定形金屬的磁致伸縮的性質，這種應力敏感性可以由在電動機的操作期間的磁力和機械力產生的應力、在安裝時由機械固定或其它的固定產生的機械應力、或者由由于熱脹與/或由于無定形金屬的磁飽和引起的膨脹引起。
發明內容本發明提供了一種用于高效率的電動機的具有多面體形狀的并由多層無定形金屬帶構成的塊狀無定形金屬磁元件。本發明還提供了一種用于制造塊狀無定形金屬磁元件的方法。所述磁元件能夠在大約60Hz-20000Hz的頻率范圍內操作，并比在相同頻率下操作的硅鋼磁元件具有改善的性能特性。更具體地說，按照本發明構成的磁元件(i)當在大約60Hz的頻率大約1.4T磁通密度下操作時，具有小于或近似等于1W/kg無定形金屬材料的磁心損耗；(ii)當在大約1000Hz的頻率大約1.4T磁通密度下操作時，具有小于或近似等于20W/kg無定形金屬材料的磁心損耗；以及(Hi)當在大約20000Hz的頻率大約0.30T磁通密度下操作時，具有小于或近似等于70W/kg無定形金屬材料的磁心損耗。在本發明的第一實施例中，塊狀無定形金屬磁元件包括多個形狀基本上類似的被層疊在一起而形成多面體形狀的部件的無定形金屬帶層。本發明還提供了一種用于制造塊狀無定形金屬磁元件的方法。按照本發明的方法的第一實施例，無定形金屬帶材料被切割形成具有預定長度的多個切割帶。所述切割帶被疊在一起而形成層疊的無定形金屬帶材料的棒并被退火。所述被退火的層疊的棒利用環氧樹脂浸漬并被固化。然后把層疊的棒切割成為預定的長度而得到具有預定的三維幾何形狀的多個多面體形狀的磁元件。優選的無定形金屬材料具有由化學式Fe8。BuS"確定的成分。在按照本發明的第二實施例的方法中，無定形金屬帶圍繞一個心軸被繞制，從而形成具有基本上倒圓的拐角的基本上為矩形的磁心。然后，所述基本上為矩形的磁心被退火，并利用環氧樹脂浸漬并被固化.然后切開矩形磁心的短邊而形成兩個具有預定的三維幾何形狀的磁元件，其具有基本上和所述基本上為矩形的磁心的所述短邊相同的尺寸和形狀。從所述基本上為矩形的磁心的長邊除去有倒圓的拐角，并切割所述基本上為矩形的磁心的長邊而成為多個具有預定的三維幾何形狀的多面體形的磁元件。優選的無定形金屬材料具有由化學式Fe8。BnS"確定的成分。本發明還涉及一種按照上述方法構成的塊狀無定形金屬元件。按照本發明構成的塊狀無定形金屬磁元件尤其適用于作為高效的可調速的磁阻電動機和渦流電動機中的無定形金屬定子或轉子。同樣，所述塊狀無定形金屬元件可以用作鼠籠電動機、磁阻同步電動機和開關磁阻電動機中的轉子和定子。由本發明帶來的優點包括簡化制造過程，減少制造時間，減少在塊狀無定形金屬元件的制造期間遇到的應力(即磁致伸縮)，以及優化最終的無定形金屬磁元件的性能。通過參看下面參照附圖對本發明的優選實施例的詳細說明，可以更充分地理解本發明，并更清楚地看出本發明的優點，在所有附圖中，相同的標號表示相同的元件，其中圖1是按照本發明構成的呈三維矩形形狀的塊狀無定形金屬磁元件的透視圖2A是按照本發明構成的呈棱柱形狀的塊狀無定形金屬磁元件的透視圖2B是按照本發明構成的具有相對設置的弓形表面的塊狀無定形金屬磁元件的透視圖2C是由6個圖2A所示的棱柱元件和6個圖2B所示的弓形元件構成的電動機分定子的頂視圖3A是按照本發明構成的電動機的塊狀無定形金屬磁定子的透視圖3B是按照本發明構成的電動機的塊狀無定形金屬磁轉子的透視圖3C是由圖3A構成的定子和由圖3B構成的轉子構成的電動機的定子和轉子的頂視圖4是按照本發明無定形金屬帶的線圈被固定以便被切割和層疊的側視圖5是無定形金屬帶的棒的透視圖，表示用于形成多個按照本發明的基本上呈棱柱形的磁元件的切割線；圖6是無定形金屬帶的線圈的側視圖，其被圍繞一個心軸纏繞，從而形成按照本發明的基本上為矩形的磁心；以及圖7是基本上為矩形的磁心的透視圖，表示用于形成按照本發明的基本上呈棱柱形的磁元件的切割線。具體實施例方式本發明涉及一種高效的電動機，其由塊狀無定形金屬元件例如定子、轉子和用于定子和轉子的零部件構成。按照本發明構成的基本上是多面體形狀的塊狀無定形金屬元件具有各種幾何形狀，其中包括但不限于矩形，方形，和棱柱形。此外，上述的任何一種幾何形狀可以包括至少一個弓形表面，并且最好具有兩個相對設置的弓形表面，從而形成基本上是彎曲的或呈弓形的塊狀無定形金屬元件。此外，完整的定子和轉子可以作為按照本發明的塊狀無定形金屬元件被構成。這些定子和轉子可以具有整體的結構，或者由多塊構成，它們被集中地裝配在一起而形成一個整個的元件。此外，所述定子與/或轉子可以是一種合成結構，其在整體上由無定形金屬部件或者由無定形金屬部件和其它磁材料的組合構成。現在參看圖1,圖l表示基本上是多面體形狀的塊狀無定形金屬元件10。此處使用的術語"多面體"指的是具有多個表面或側面的實體。其中包括但不限于，三維的矩形，方形，梯形和棱柱形。此外，上述的任何一種幾何形狀可以包括至少一個最好兩個弓形的表面或側面，它們被彼此相對地設置，從而形成基本上是弓形的元件。圖1所示的磁元件10由多個形狀基本相同的被層疊在一起并被退火的無定形金屬帶材料20的層構成。在優選實施例中，按照本發明構成的并具有大約為1.4T的磁通密度的三維磁元件10(i)當在大約60Hz的頻率大約1.4T磁通密度下操作時，具有小于或近似等于1W/kg無定形金屬材料的磁心損耗；(ii)當在大約1000Hz的頻率大約1.4T磁通密度下操作時，具有小于或近似等于20W/kg無定形金屬材料的磁心損耗；以及(iii)當在大約20000Hz的頻率大約0.30T磁通密度下操作時，具有小于或近似等于70W/kg無定形金屬材料的磁心損耗。這些性能指標適用于本發明的各個實施例，而和塊狀無定形金屬元件的幾何形狀無關。圖2A所示的磁元件100基本上是棱柱形的，并具有5個側面或表面110。五邊形的多面體元件100由基本上具有相同的形狀和尺寸的許多層無定形金屬帶材料20構成。所述帶材料被層疊在一起，然后被退火。圖2B所示的磁元件200包括至少一個，最好兩個相對i殳置的弓形表面210。弓形元件200由許多層無定形金屬帶材料20構成，其中每層具有基本上相同的形狀和尺寸，它們被層疊在一起，然后被退火。圖2C所示的塊狀無定形金屬磁元件300可被用作具有徑向氣隙的電動才幾的轉子，其由6個磁元件IOO和6個磁元件200構成。圖3A所示的塊狀無定形金屬磁元件400基本上呈圓環形，并且具有多個基本上呈矩形的齒410,它們沿徑向向內朝向圓環形元件400的中心延伸。元件400由許多層無定形金屬帶材料20構成，其中每層具有基本上相同的形狀和尺寸，它們被層疊在一起，然后被退火。按照圖3A所示的實施例構成的塊狀無定形金屬元件可被用作徑向氣隙電動機的定子。圖3B所示的塊狀無定形金屬元件500基本上呈盤形，并且包括多個基本上是矩形的徑向延伸的齒510。元件500由許多層無定形金屬帶材料20構成，其中每層具有基本上相同的形狀和尺寸，它們被層疊在一起，然后被退火。按照圖3A所示的實施例構成的塊狀無定形金屬元件可被用作徑向氣隙電動機的轉子。接著參看圖3C，定子400和轉子500被構成作為按照本發明的塊狀無定形金屬元件，并被用作高效徑向氣隙電動機600的部件。本發明還提供一種用于制造塊狀無定形金屬元件的方法。如圖4所示，一巻無定形金屬帶材料30通過切削刀片40被切割成具有相同形狀和尺寸的多個帶20。帶20被疊置而形成疊置的無定形金屬帶材料的棒50。所述棒50被退火，并利用環氧樹脂浸漬并固化。棒50可以沿著圖5所示的線52被切割，從而產生多個基本上呈梯形的磁元件10。最終的磁元件IO可以基本上是矩形的、梯形的、方形的或其它多面體形狀的。棒50也可以蜂皮切割而形成五邊棱柱11、弓形塊12、環形塊13或盤形塊14的形式的三維的形狀，分別如圖2A，2B，3A,和3B所示，在本發明的方法的第二實施例中，如圖6和7所示，塊狀的無定形金屬磁元件10通過圍繞基本上呈矩形的心軸60纏繞一個或一組無定形金屬帶22，從而形成基本上呈矩形的繞制的磁心70。磁心70的短邊74的高度最好大約等于最終塊狀無定形金屬磁元件10所需的長度。磁心70被退火，利用環氧樹脂被浸漬并被固化。借助于切割短邊74可以形成兩個元件10，從而在長邊78上剩下有倒圓的拐角76。通過從長邊78除去有倒圓的拐角76,并在由虛線72所示的多個位置切割長邊78,可以形成其它的磁元件10。在圖7所示的例子中，塊狀無定形金屬元件IO基本上呈矩形，但是，利用本發明，也可以得到其它的形狀。繞制的磁心70也可以,皮切割而形成五邊棱柱11、弓形塊12、環形塊13或盤形塊14的形式的三維的形狀，分別如圖2A，2B，3A,和3B所示。用這種方式得到的結構特別適用于作為電動機中的磁元件，例如無定形金屬定子和轉子部件。磁元件的制造被簡化了，并且減少了制造時間。并且使得在制造塊狀無定形金屬元件期間遭受的應力最小。優化了最終元件的磁性能。本發明的塊狀無定形金屬磁元件10可以使用許多無定形金屬的合金制造。一般地說，適用于制造本發明的元件10的合金由化學式M7H5Yw。Z。-2。確定，其中下標是原子百分數，"M"是Fe，Ne，和Co中的至少一種元素，"Y"是B，C和P中的至少一種元素，"Z"是Si，Al，和Ge中的至少一種元素；附帶的限制性條件是(i)多達10原子％的M可用金屬Ti，V，Cr，Mn，Cu，Zr，Nb，Mo，Ta，和W中的至少一種代替，以及(ii)多達10原子％的元素(Y+Z)可用非金屬In，Sn，Sb，和Pb中的至少一種代替。對于其中"M，，是鐵，"Y，，是硼，"Z"是硅的合金，可用在低成本下獲得最高的感應值。因此，無定形金屬帶最好由鐵硼硅制成。最好無定形金屬帶的成分是大約11原子％硼，大約9原子％硅，其余為鐵和附帶的雜質。這種金屬帶由AlliedSignalInc.銷售，注冊商標是METLAS⑧alloy2605SA-1。本發明的塊狀無定形金屬磁元件10可以由層疊無定形金屬帶而成的棒50或者由纏繞無定形金屬帶而成的磁心70利用許多切割技術切割而成。元件l(H吏用切割刀片或飛輪由棒50或磁心70切割而成。此外，元件IO可以利用電子放電加工方法或者利用射流方法切割而成。和由其它的鐵基的磁性金屬制成的元件相比，塊狀無定形磁元件可以在更高的效率下被磁化和去磁。當用作電動機的定子和轉子時，在相同的感應和頻率下，由其它的鐵基的磁性金屬制成的元件相比，塊狀無定形磁元件的發熱較少。因此，和由其它的鐵基的磁性金屬制成的元件相比，使用塊狀無定形磁元件的電動機可以被設計以便實現在以下條件下的操作l)較低的操作溫度；2)較高的磁感應，從而實現減小體積和重量；3)較高的頻率，以便減小體積和重量，或者實現優異的運動控制。下面提供一些例子，以便更完整地理解本發明。其中提出的特定的技術、條件、材料、比例和報告的數據只用于說明本發明的原理和實施方式，并不構成對本發明的范圍的限制。例1無定形金屬矩形棱柱的制備和電磁性能測試大約60mm寬，0.022mm厚的Fe8。BSi9無定形金屬帶圍繞尺寸大約為25mmx90mm的矩形心軸或線軸繞制。大約纏繞800圈，形成矩形磁心的形狀，內部尺寸大約為25x90mm，厚度大約為20mm,所述磁心/線軸組件被在氮氣中退火。所述退火包括l)將磁心加熱到365"C;2)保持所述365TC的溫度大約2小時；3)將所述組件冷卻到環境溫度。從磁心/線軸組件中拆下繞制的矩形的無定形金屬磁心。在真空中用環氧樹脂溶液浸漬所述磁心。重新裝上所述線軸，,皮浸漬的磁心/線軸組件在120"C下被固化大約4.5小時。當完全固化時，再次從磁心/線軸組件上拆下磁心。得到繞制的、環氧樹脂浸漬的、矩形的無定形金屬磁心的重量大約為2100g。利用1.5mm厚的切割刀片切割環氧樹脂浸漬過的無定形金屬磁心，形成60mm長，40mm寬，20mm厚的矩形棱柱體。矩形棱柱體的切割表面和磁心的剩余部分在硝酸水溶液中被浸蝕，并在氫氧化銨水溶液中清洗。磁心的剩余部分在硝酸水溶液中^皮浸蝕，并在氫氧化銨水溶液中清洗。矩形棱柱體和磁心的剩余部分被重新裝配成完整的切開的磁心形式。把一次繞組和二次繞組固定到磁心的剩余部分上。切開的磁心形式在60、1000、5000和20000Hz下進4亍電性能測試，并和相同試驗9結構的用其它鐵磁材料制成的鐵心(NationalArnoldMagnetics,17030MuskratAvenue,Adelanto，CA92301(1955))的測試結果比較，其結果如表l，2，3和4所示。表l<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>例2無定形金屬梯形棱柱的制備大約48mm寬，0.022mm厚的Fe8。BnS"無定形金屬帶被切割成為大約300mm的長度的帶。大約3800層切割的無定形金屬帶被疊置成為大約48mm寬，300mm長和96mm的厚度的棒。所述棒在氮氣中退火。所述退火包括l)將所述棒加熱到3651C;2)保持所述3651C的溫度大約2小時；3)將所述棒冷卻到環境溫度。在真空中用環氧樹脂溶液浸漬所述棒，并在120TC下被固化大約4.5小時。得到層疊的、環氧樹脂粘結的無定形金屬棒的重量大約為9000g。利用1.5mm厚的切割刀片切割環氧樹脂浸漬過的無定形金屬棒而成為梯形棱柱，所述梯形棱柱的梯形表面的底為52mm和62mm，高是48mm。梯形棱柱的厚度為96mm(3800層)。梯形棱柱的切割表面和磁心的剩余部分在硝酸水溶液中^皮浸蝕，并在氫氧化銨水溶液中清洗。例3具有弓形截面的多面體塊狀無定形金屬元件的制備大約50mm寬，0.022mm厚的Fe^uS"無定形金屬帶被切割成為大約300mm的長度的帶。大約3800層切割的無定形金屬帶被疊置成為大約50mm寬，300mm長和96mm的厚度的棒。所述棒在氮氣中退火。所述退火包括l)將棒加熱到365n;2)保持所述365"C的溫度大約2小時；3)將所述棒冷卻到環境溫度。在真空中用環氧樹脂溶液浸漬所述棒，并在120"C下被固化大約4.5小時。得到層疊的、環氧樹脂粘結的無定形金屬棒的重量大約為9200g。使用放電加工方法切割層疊的環氧樹脂浸漬過的無定形金屬棒，使得形成三維的弓形塊，所述塊的外徑大約為96mm。所述塊的內徑大約為13mm。弧長大約為90度。塊厚大約為96mm。大約20mm寬，0.022mm厚的FeuBuS"無定形金屬帶圍繞外徑大約為19mm的圓形心軸或線軸繞制。大約纏繞1200圈，形成圓形磁心的形狀，其內徑大約為19mm，外徑大約為48mm。所述磁心的厚度大約為29mm。所述磁心被在氮氣中退火。所述退火包括l)將棒加熱到365匸；2)保持所述3651C的溫度大約2小時；3)將所述棒冷卻到環境溫度。在真空中用環氧樹脂溶液浸漬所述磁心，并在120"C下被固化大約4.5小時。得到繞制的、環氧樹脂浸漬的無定形金屬磁心的重量大約為71g。使用射流方法把繞制的、環氧樹脂浸漬的無定形金屬磁心切割形成半圓形的三維形狀的實體。所述半圓形的實體的內徑大約為19mm,外徑大約為48mm,厚度大約為20mm,多面體塊狀無定形金屬元件的切割表面和磁心的剩余部分在硝酸水溶液中被浸蝕，并在氫氧化銨水溶液中清洗。至此對本發明進行了詳細地說明，應當理解，本發明并不嚴格地限制于這些細節，對于本領域的技術人員，在所附權利要求限定的范圍內，可以作出各種改變和改型。權利要求1.一種具有至少一個塊狀無定形金屬磁元件的電動機，所述塊狀無定形金屬磁元件包括許多層形狀基本相同的無定形金屬帶，通過用環氧樹脂浸漬所述元件并進行固化，使所述無定形金屬帶層疊在一起而形成多面體形狀的部件，其中所述塊狀無定形金屬磁元件當在60Hz的頻率和1.4T磁通密度下操作時，具有小于或等于0.5和1W/kg之間的無定形金屬材料的磁心損耗。2.—種具有至少一個塊狀無定形金屬磁元件的電動機，所述塊狀無定形金屬磁元件包括許多層形狀基本相同的無定形金屬帶，通過用環氧樹脂浸漬所述元件并進行固化，使所述無定形金屬帶層疊在一起而形成多面體形狀的部件，其中所述塊狀無定形金屬磁元件當在1000Hz的頻率和1.4T磁通密度下操作時，具有小于或等于20W/kg無定形金屬材料的磁心損耗。3.—種具有至少一個塊狀無定形金屬磁元件的電動機，所述塊狀無定形金屬磁元件包括許多層形狀基本相同的無定形金屬帶，通過用環氧樹脂浸漬所迷元件并進行固化，使所述無定形金屬帶層疊在一起而形成多面體形狀的部件，其中所述塊狀無定形金屬磁元件當在20000Hz的頻率和0,30T磁通密度下操作時，具有小于或等于70W/kg無定形金屬材料的磁心損耗。4.如權利要求1、2和3中的任一權利要求所述的電動機，其中每個所述的無定形金屬帶具有由化學式FeJnSiJ艮定的成分。5.如權利要求1、2和3中的任一權利要求所述的電動機，其中所述塊狀無定形金屬磁元件構成所述電動機的定子的一部分。6.如權利要求1、2和3中的任一權利要求所迷的電動機，其中所述塊狀無定形金屬磁元件構成所述電動機的定子。7.如權利要求1、2和3中的任一權利要求所述的電動機，其中所述塊狀無定形金屬磁元件構成所述電動機的轉子的一部分。8.如權利要求1、2和3中的任一權利要求所述的電動機，其中所述塊狀無定形金屬磁元件構成所述電動機的轉子。9.如權利要求1、2和3中的任一權利要求所述的電動機，其中所述塊狀無定形金屬磁元件構成所述電動機的轉子和定子。全文摘要一種具有至少一個塊狀無定形金屬磁元件的電動機，所述塊狀無定形金屬磁元件包括許多層形狀基本相同的無定形金屬帶，通過用環氧樹脂浸漬所述元件并進行固化，使所述無定形金屬帶層疊在一起而形成多面體形狀的部件，其中所述塊狀無定形金屬磁元件當在60Hz的頻率和1.4T磁通密度下操作時，具有0.5和1W/kg之間的無定形金屬材料的磁心損耗。在相同的頻率范圍內，本發明的塊狀無定形金屬磁元件和硅鋼片元件相比，具有大大改善的操作特性。文檔編號C22C45/00GK101425706SQ20081016807公開日2009年5月6日申請日期1999年11月4日優先權日1998年11月6日發明者N·J·德克里斯托法羅,P·J·斯塔馬蒂斯申請人:梅特格拉斯公司