CN1771643A - 用于电动机的低铁损非晶态金属磁性部件 - Google Patents

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Abstract

高效电动机具有普通多面体形状整体非晶态金属磁性部件(10)，其中非晶态金属条的多个层(20)被粘合地层叠到一起形成具有多面体形状的普通三维零件。整体非晶态金属磁性部件可包括弓形表面，并优选包括两个彼此相对布置的弓形表面。磁性部件可在从约50Hz到约20000Hz的频率下运转。当电动机在激励频率“f”下运转至峰值感应水平Bmax时，部件表现出小于约“L”的铁损，其中L用式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6给出，所述铁损、所述激励频率和所述峰值感应水平分别以瓦/千克、赫兹和特斯拉测得。本发明的整体非晶态金属磁性部件的性能特征在相同的频率范围内明显好于硅钢部件的性能特征。

Description

用于电动机的低铁损非晶态金属磁性部件
                         发明背景
1. 发明领域
本发明涉及非晶态金属磁性部件，更特别地，涉及具有普通多面体形状、低铁损、整体非晶态金属磁性部件的高效电动机。
2. 现有技术描述
电动机一般包含由大量非取向硅钢的层叠叠片制成的磁性部件。在可变磁阻电动机和涡流电动机中，定子由层叠叠片制成。在鼠笼式电动机、磁阻同步电动机和开关磁阻电动机中，定子和转子都由层叠叠片制成。一般通过将机械软的、非取向硅钢冲压、冲孔或切割成所需的形状来形成每个叠片。形成的叠片然后被层叠并捆绑形成具有所需几何形状并有足够机械完整性以在电动机生产和运行过程中保持它们构造的转子或定子。
机器中的定子和转子被小的间隙隔开并隔开一定距离，其中间隙为：(i)径向的，即通常垂直于转子旋转的轴，或(ii)轴向的，即通常平行于旋转轴。在电磁电机中，磁通线通过穿越间隙连接转子和定子。电磁电机因此可被广泛地分别分成径向或轴向磁通设计。相应的术语径向和轴向间隙设计也用于电动机领域。径向磁通电机是目前最为常见的。上述冲孔和层叠方法广泛用于构造径向磁通电机的转子和定子。
尽管与非取向硅钢相比，非晶态金属能提供优良的磁性能，但它们由于一些物理性质和随后的制造障碍而长期被认为不适用于整体磁性部件如电动机的转子和定子。例如，非晶态金属比非取向钢薄和硬，因此导致制造工具和冲模磨损更快。产生的加工和制造成本的增加使使用这种常规技术如冲孔和冲压制造整体非晶态金属磁性部件在商业上不切实际。非晶态金属的薄度也转变成组装部件中叠片数量的增加，进一步增加了非晶态金属转子或定子磁组件的总成本。
非晶态金属一般以具有均匀带宽度的薄连续带形式提供。但是，非晶态金属是非常硬的材料，这使它非常难于容易地切割或成形。一旦被退火达到峰值磁性能，非晶态金属带就变得非常脆。这使得使用常规途径构造整体非晶态金属磁性部件困难和昂贵。非晶态金属带的脆性也导致对整体磁性部件在应用如电动机中的耐久性的关注。
磁性定子受到极其高的磁力，该磁力在高旋转速度需要的频率下变化迅速。这些磁力能对定子材料施加相当大的应力，并可破坏非晶态金属磁性定子。转子还受到由正常旋转和在机器通电或断电和负载变化可能急剧时旋转加速引起的机械力。
已提出了数量有限的非常规途径用于构造非晶态金属部件。例如，Frischmann的美国专利4197146公开了用成型和压实的非晶态金属薄片制造的定子。尽管这种方法允许形成复杂的定子形状，但结构在离散的非晶态金属薄片颗粒之间包含大量气隙。这种结构大大增加了磁路的磁阻和相应的运行电动机所需要的电流。
德国专利DE2805435和DE2805438教导的方法将定子分成绕线片和极靴。非磁性材料被插入到绕线片和极靴之间的连接处，增加了有效间隙，并相应提高了磁路的磁阻和运行电动机所需要的电流。包括极靴的材料层被定向使得它们的面垂直于回绕铁片中层的面。这种构造还增加了定子的磁阻，因为绕线片和极靴的相邻层只在它们各自面之间的结合点处会合，而不是沿整个线段。另外，这种方法教导绕线片中的叠片通过焊接彼此连接。使用热强化过程如焊接连接非晶态金属叠片将使非晶态金属在结合处和附近再结晶。甚至再结晶非晶态金属的小段通常都增加定子中的磁损至不可接受的水平。
与使用铁磁非晶态金属有关的另一困难起因于磁致伸缩现象。任何磁致伸缩材料的某些磁性都响应施加的机械应力变化。例如，当包含非晶态材料的部件受到应力时，部件的磁导率一般降低，铁损增加。非晶态金属器件由于磁致伸缩现象引起的软磁性下降可由以下源的任意联合产生的应力引起，包括：(i)电动机运行过程中的磁力和机械力；(ii)由机械夹紧或以其它方式固定整体非晶态金属磁性部件在适当位置引起的机械应力；或(iii)由热膨胀和/或非晶态金属材料磁饱和产生的膨胀引起的内部应力。当非晶态金属磁性定子受到应力时，其引导或集中磁通的效率就降低，产生较高的磁损，效率降低，热产生增加和功率降低。这种降低的程度可相当大，取决于具体的非晶态金属材料和应力的实际强度，如美国专利5731649所示。铁损的降低经常表达为破坏因子，即所得器件实际表现的铁损和在无应力的实验室条件下测得的组成材料的固有铁损的比。
此外，非晶态金属比其它常规软磁材料包括普通硅钢具有低得多的各向异性能。因此，对这些常规金属磁性没有有害影响的应力水平对电动机部件重要的磁性有严重影响，例如磁导率和铁损。例如，‘649专利还公开了通过辊压非晶态金属成线圈形成非晶态金属芯，叠片使用环氧树脂，有害地限制了材料线圈的热和磁饱和膨胀，产生高内部应力和能降低结合这种芯的电动机或发动机效率的磁致伸缩。为了避免应力引起的磁性降低，’649专利公开了包括大量非晶态金属层叠或卷曲部分的磁性部件，这些层叠或卷曲部分安装或包含在介电封装中，而没有使用粘合剂粘合。
当前技术中的大量应用，包括如此广泛的不同领域如高速机床、航空发动机和激励器、和计算机和其它微电子器件中用于数据存储的磁盘和光盘驱动器的主轴电动机，都需要能在高速下运转的电动机，很多时候超过15000-20000rpm，有时达到100000rpm。使用现有材料制成的磁性部件的限制需要大量不合需要的设计妥协。在许多应用中，电动机部件中一般使用的硅钢的铁损是禁止的。在这种情况下，设计者可能被迫使用坡莫合金作为替代。但是，饱和感应的附带降低(例如各种坡莫合金的0.6-0.9T或更小对普通硅钢的1.8-2.0T)使由坡莫合金或其变体组成的磁性部件的尺寸增加成为必然。此外，坡莫合金的理想软磁性受塑性变形的负面和不可逆影响，这可在较低的应力水平下发生。这种应力可出现在坡莫合金组件的制造过程中或运转过程中。
尽管有上述公开内容代表的进展，但本领域中仍需要改进的非晶态金属电动机部件，其能表现出高速高效电机需要的优异磁性和物理性质的联合。还寻求有效使用非晶态金属的构造方法，并可被实施用于大量生产各种类型的电动机和其中使用的部件。
发明概述
本发明提供一种高效电动机，电动机包括一个或多个低损耗整体非晶态金属磁性部件，该磁性部件具有多面体形状，并包含多个非晶态金属条的层。本发明还提供制造低铁损、整体非晶态金属磁性部件的方法。更具体地说，根据本发明一种实施方案构造并在激励频率“f”下被激励至峰值感应水平“Bmax”的磁性部件在室温下具有小于“L”的铁损，其中L用式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6给出，铁损、激励频率和峰值感应水平分别以瓦/千克、赫兹和特斯拉测得。优选地，磁性部件具有(i)在大约400Hz的频率和大约1.3特斯拉(T)的磁通密度下运转时，铁损小于或大致等于2.8瓦/千克的非晶态金属材料；(ii)在大约800Hz的频率和大约1.3T的磁通密度下运转时，铁损小于或大致等于5.7瓦/千克的非晶态金属材料；或(iii)在大约2000Hz的频率和大约1.0T的磁通密度下运转时，铁损小于或大致等于9.5瓦/千克的非晶态金属材料。
由于在周期磁激励下的非常低铁损，本发明的磁性部件可在从DC到多至20000Hz或更高的范围内的频率下运转。与在相同频率范围内运转的常规硅钢磁性部件相比，它表现出改进的性能特征。部件在高频率下的运转能力使它被用于制造能在比使用由常规材料制成的部件可能更高速度和更高效率下有利运转的电动机。
本发明还提供构造整体非晶态金属磁性部件的方法。方法的实施包括步骤：由铁磁非晶态金属条进料形成具有预定所需形状的多个叠片，对齐堆叠叠片形成三维结构，和施加和激活粘合手段以将叠片彼此粘结形成具有足够结构和机械完整性的叠片堆。有利地，在使用单独形成的叠片的制造方法中不存在由缠绕过程中条弯曲固有引起的压应力和拉伸应力。任何由于叠片成形产生的应力都可能被只限制到在其外围或靠近其外围的小区域。任选地，然后精加工叠片堆除去任何多余的粘合剂和给予它合适的表面光洁度和最终的部件尺寸。
可通过大量方法进行所需形状的叠片的成形，包括通过机械研磨的非专门切割、金刚石线、在水平或垂直方向上进行的高速铣削、磨耗水喷射铣削、利用金属丝或浸液的放电加工、电化学研磨、电化学加工、冲压、激光切割或普通技术人员已知的其它手段。优选地，利用光刻蚀刻技术形成叠片。可在退火步骤前或后进行粘结步骤。方法还可包括任选的热处理或退火以改善部件磁性或任选的涂敷步骤，其中绝缘涂层被施加到部件的至少一部分表面上。可按各种顺序和使用各种技术包括下面所述那些进行这些步骤。本方法实施中优选使用的优选非晶态金属材料具有基本由式Fe80B11Si9限定的组成。
本发明还涉及按上述方法构造的整体非晶态金属电动机部件。
根据本发明构造的整体非晶态金属磁性部件尤其适合用作高效可变磁阻电动机和涡流电动机中的非晶态金属定子或定子部件。同样，整体非晶态金属部件可用作鼠笼式电动机、磁阻同步电动机和开关磁阻电动机中的转子和定子两者。本领域那些技术人员能认识到，这种电动机可包括一个或多个转子和一个或多个定子。因此，本文使用的与电动机有关的术语“转子”和“定子”指范围从1到多至3个或更多的大量转子和定子。那些熟悉旋转电机领域的还能认识到，可利用(i)转子位于定子内并具有比定子通常小的直径或(ii)在反结构或杯状结构中转子和定子的相对位置和大小可互换来构造径向磁通电机。本发明的转子或定子可被构造为单一结构或利用已知手段结合在一起的大量亚结构的组件，亚结构按本文教导制造。
本领域那些技术人员还能认识到，本文使用的术语“电动机”一般是指各种旋转电机，其另外包括发电机以及可任选作为发电机运转的再生式电动机。可在构造这些设备中的任一个中使用本发明的磁性部件。在使用本发明的过程中实现了显著优点。这些优点包括制造简单和制造时间减少、构造整体非晶态金属部件过程中遇到的应力(即磁致伸缩)降低、最终非晶态金属磁性部件性能的优化和包括本文公开的转子或定子的电动机的效率提高。
附图简述
当参考本发明优选实施方案的以下详细描述和附图时，将能更充分地理解本发明，更多优点也显而易见，其中在全部几幅图中，相同的引用数字表示类似的元件，其中：
图1为根据本发明构造的三维矩形形状的整体非晶态金属磁性部件的透视图；
图2A为根据本发明构造并具有棱形形状的整体非晶态金属磁性部件的透视图；
图2B为根据本发明构造并具有相对布置的弓形表面的整体非晶态金属磁性部件的透视图；
图2C为用六个如图2A所示的棱状部件和六个如图2B所示的弓形部件构造的电动机定子的顶视图；
图3A为根据本发明构造的电动机整体非晶态金属磁性定子的透视图；
图3B为根据本发明构造的电动机整体非晶态金属磁性转子的透视图；
图3C为由图3A的定子和图3B的转子构造的电动机定子和转子的顶视图；
图3D为根据本发明构造的反结构同步径向间隙电动机的整体非晶态金属磁性定子的顶视图；
图4为用于测试整体非晶态金属磁性部件的组件的透视图，包括四个部件，每个都具有相对布置的弓形表面的多面体形状，并装配形成普通直立圆环形柱；
图5为描述本发明的非晶态金属定子和用非取向硅钢构造的两个对比定子的400Hz铁损行为的图；
图6为描述本发明的非晶态金属定子和用非取向硅钢构造的对比定子的800Hz铁损行为的图。
发明详述
本发明涉及使用低损耗整体非晶态金属部件如例如定子、转子和定子与转子所用部件零件构造的高效电动机。根据本发明构造具有各种几何形状的普通多面体状整体非晶态金属部件，其中几何形状包括但不限于矩形、正方形、棱形。另外，上述几何形状中的任一种可包括至少一个弓形表面，并优选两个相对布置的弓形表面以形成普通弯曲或弓形的整体非晶态金属部件。本发明还提供其中多面体形状为普通圆柱形并还可包括从普通环形部分向内或向外径向伸出的多个齿的部件。此外，完整的定子和转子可被构造为根据本发明的整体非晶态金属部件。这些定子和转子可具有单一构造或它们可由多个片形成，这些片共同形成完整的部件。或者，定子和/或转子可为完全包含非晶态金属零件或非晶态金属零件与其它磁性材料的结合的复合结构。本发明的整体磁性部件可被结合到电动机中，优选径向磁通类型的电机中。
现在参考附图的图1，显示了普通多面体形状的整体非晶态金属电动机部件10。本文使用的术语多面体是指多个面或侧的实体。这包括但不限于三维矩形、正方形、梯形和棱形。另外，上述几何形状中的任一个可包括至少一个并优选两个彼此相对布置的弓形表面或侧以形成普通弓状的部件。本发明的部件可还具有普通圆柱形状。图1所示的磁性部件10包含被层叠到一起并退火的大量非晶态金属条材料20的基本类似成形层。根据本发明构造并在激励频率“f”下被激励至峰值感应水平“Bmax”的三维磁性部件10在室温下具有小于约“L”的铁损，其中L用式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6给出，铁损、激励频率和峰值感应水平分别以瓦/千克、赫兹、特斯拉测得。在某些优选的实施方案中，磁性部件具有(i)在大约400Hz的频率和大约1.3特斯拉(T)的磁通密度下运转时，非晶态金属材料的铁损小于或大致等于2.8瓦/千克；(ii)在大约800Hz的频率和大约1.3T的磁通密度下运转时，非晶态金属材料的铁损小于或大致等于5.7瓦/千克；或(iii)在大约2000Hz的频率和大约1.0T的磁通密度下运转时，非晶态金属材料的铁损小于或大致等于9.5瓦/千克。
当部件或其任何部分沿基本在其中包括的非晶态金属片的面内的任何方向被励磁时，本发明的部件有利地表现出低铁损。本发明部件的铁损降低又提高了包括它的电动机的效率。低的铁损值使本发明的整体磁性部件尤其适用于其中高极数或高旋转速度需要高频磁激励例如100Hz以上的激励的电动机。常规钢在高频时的固有高铁损通常使它们不适用于需要高频激励的电动机。这些铁损性能值适用于本发明的各种实施方案，不管整体非晶态金属部件的具体几何形状如何。
图2A所示的磁性部件100为普通棱形形状，并优选包括五(5)个侧面110或表面。五边形形状的多面体部件100包含各自基本上具有相同大小和形状的非晶态金属条材料20的多个层。条材料20被堆叠、层压到一起，然后退火。
图2B所示的磁性部件200包括至少一个并优选两个相对布置的弓形表面210。弓形形状的部件200包含各自基本上具有相同大小和形状并被堆叠层压到一起和退火的非晶态金属条材料20的多个层。
图2C所示的整体非晶态金属磁性部件300可用作径向间隙电动机的定子，并包含六片磁性部件100和六片磁性部件200。
图3A所示的整体非晶态金属磁性部件400为普通圆形，并包括多个向着圆形部件400的中心向内径向延伸的普通矩形齿410。部件400包含各自基本上具有相同大小和形状并被堆叠层压到一起然后退火的非晶态金属条材料20的多个层。根据图3A的实施方案构造的整体非晶态金属部件可用作径向气隙电动机中的定子。
图3B所示的整体非晶态金属部件500为普通圆盘状，并包括多个向外径向延伸的普通矩形齿510。部件500包含各自基本上具有相同大小和形状并被堆叠层压到一起和退火的非晶态金属条材料20的多个层。可在层压前或后进行退火。根据图3B的实施方案构造的整体非晶态金属部件可用作径向气隙电动机中的转子。
下面参考图3C，定子400和转子500被构造为根据本发明的整体非晶态金属部件，并用作高效径向气隙电动机600的零件。电动机还包括绕组和能旋转支撑转子500与定子400对准的轴承，电动机领域的技术人员能认识到这一点。
图3D所示的整体非晶态部件800可用作高效反结构同步径向气隙电动机中的定子。部件800包括多个形状基本相同的叠片20。每个叠片20包括具有普通环形尺寸和形状的中心部分810，和多个从中心部分810向外径向延伸的齿部分820。齿部分820经常简单地被称为齿。利用任何合适的方法将叠片20切割成所需形状，光刻蚀刻方法是优选的。然后对齐堆叠切割的叠片并通过粘合剂浸渍结合到一起形成部件800。浸渍用于在叠片之间分散和渗透粘合剂，从而每个叠片的至少一部分表面被粘合剂覆盖。在部件800作为电动机中的定子运转时，对于通过齿820进入和离开定子的磁通线，中心部分810用作护铁即磁通返回途径。每个齿820可在外部即部件800的外围圆周处具有向着其末端加宽的部分830。每个齿820靠近中心部分810的部分840经常被称为齿根。绕组槽850由每对相邻齿820之间的间隙形成。当设计用于结合到电动机中时，电绕组(未示出)环绕每个齿820，通过那个齿旁边的绕组槽850。在电动机运转过程中，绕组通过电流流动被励磁以提供磁通势。可按照电动机领域中已知的各种方法互连和电励磁单独齿的绕组。
还提供构造本发明的低损耗部件的方法。在一个方面，由非晶态金属条制备具有所需形状的单独叠片，随后堆叠形成三维叠片堆并粘合。在另一个方面，通过将包括非晶态金属条粘合堆的工件切割成所需形状来制备部件。这种工件可具有矩形砖、缠绕结构或任何其它合适形状的形式。粘合优选包括施加和激活粘合剂手段以使叠片彼此粘着，并从而给予叠片堆足够的机械和结构完整性，这是最终设备中操作和运转部件所需的。任选地，精加工部件，以实现下面中的至少一种：(i)除去多余的粘合剂；(ii)给予部件合适的表面光洁度；和(iii)除去材料从而给予堆最终的部件尺寸。方法还包括任选的退火步骤以改善部件的磁性。可按各种顺序和使用各种技术执行方法的步骤，包括本文提出的那些和对本领域那些技术人员显而易见的那些。
大量切割技术可用于形成本发明的部件。在本方法的一些实施中，切割单独的叠片至一定形状。为切割小的复杂形状的叠片而尤其优选的方法是光刻蚀刻，其经常简单地称为光刻。一般而言，光刻蚀刻是一种形成以相对薄的片、条或带形式提供的材料片的技术。光刻方法可包括步骤：(i)向片的每个表面上施加一层对光在其上的入射响应的光阻物质；(ii)在每个片表面上放置具有相对透明区域和不透明区域的光掩模从而限定预选形状；(iii)来自光源的光通过每个掩膜入射到表面上以选择性地曝光位于掩膜透明区域后面的那些区域的光阻物质；(iv)通过用能使光阻层的曝光区域与未曝光区域区分开的热或化学试剂处理来显影光阻物质；(v)选择性除去显影的光阻层的曝光部分；和(vi)将片放在腐蚀剂浴中，其中腐蚀剂能选择性地从片上那些显影光致抗蚀剂已被除去的部分上蚀刻或腐蚀材料，但不会腐蚀上面保留有光致抗蚀剂的部分，从而形成具有预选形状的叠片。必需对齐片材料相对表面上的掩膜以确保得到具有所需形状和边界限分明的叠片。在一些实施方案中，掩膜任选地包括这样的特征，即限定出使每个叠片弱连接到片上的小固定区域，以便于在最后装配前处理。这些固定区域能容易地用于使单独叠片从主片上卸下。另一个化学步骤还经常用于从腐蚀蚀刻步骤后的叠片中除去残余的光致抗蚀剂。本领域那些技术人员还能认识到使用互补光致抗蚀剂材料的光刻蚀刻方法，其中光致抗蚀剂的未曝光部分在上述步骤(v)中被选择性除去，而不是曝光部分。当然，这种变化也需要光掩膜中不透明和透明区域的转换以形成相同的最终叠片结构。
不会产生毛刺或其它边缺陷的形成叠层的方法是尤其优选的。更具体地说，从叠片平面突出的这些和其它缺陷在有些方法中和在一定条件下形成。缺陷经常产生层间电短路，这又有害地增加了部件铁损。
有利地，零件的光蚀刻通常被发现显著最小化或消除了这种边缺陷的发生。典型地，光蚀刻的零件表现出圆边和在紧靠边附近的零件厚度的变薄，从而降低了这类零件叠片堆中上述层间短路的可能性。另外，通过增强变薄的边附近中的毛细作用，有利于用粘合剂漫渍这种堆。提供通过每个叠片的一个或多个小孔可进一步提高浸渍的效率。当对齐堆叠单独的叠片时，孔可被对准以形成浸渍剂可容易流过的通道，从而确保浸渍剂在每个叠片与相邻叠片配合的表面的至少大部分区域上更好地分布。也可用作浸渍剂流动增强手段的其它结构如表面沟道和槽也可被结合到每个叠片内。上述孔和流动增强手段可容易和有效地在光蚀刻叠片中产生。另外，各种垫片可被插入到叠片堆中以促进流动增强。
合适的高应变率冲压方法也可用于形成实施本发明的单独叠片。在历史上，结合两个因素排除了使用冲压作为形成非晶态金属零件的可行途径。首先，非晶态金属往往比典型的金属冲头和冲模材料硬得多。铁基非晶态金属一般表现出超过1100kg/mm2的硬度。相比而言，空气冷却的、油猝冷的和水猝冷的工具钢限制到800-900kg/mm2范围内的硬度。因此，非晶态金属比常规金属冲头和冲模材料硬，其硬度来源于它们独特的原子结构和化学组成。
其次，当在冲压过程中被约束在冲头和冲模之间时非晶态金属在失效前就经历了显著变形。非晶态金属因高局部剪切流而变形。当受拉变形时，如当牵引非晶态金属条时，单个剪切带的变形可导致在小的总变形处失效。受拉时，失效可发生在伸长率为1％或更小时。但是，当以机械约束排除塑性失稳的方式变形时，如冲压过程中在工具和冲模之间的弯曲中，形成多个剪切带，并可出现显著的局部变形。在这种变形模式中，失效处的伸长率可局部超过100％。
这两个因素即异常的硬度加显著的变形组合在常规冲压设备的冲头和冲模部件上产生了特别磨损。冲头和冲模上的磨损被认为是由于在失效前的变形过程中硬非晶态金属摩擦较软冲头和冲模材料的直接磨耗引起。
为了最小化冲压过程中对冲头和冲模的磨损，可用高级材料制造冲头和冲模，工具使得冲头和冲模之间的间隙小且均匀。冲压过程也在高应变率下进行。用于冲头和冲模工具的高级材料应具有至少1100kg/cm2并优选大于1300kg/mm2的硬度。合适的高级材料可包括碳化物、碳化物金属复合材料、陶瓷、陶瓷金属复合材料和非晶态金属。硬度等于或大于非晶态金属的工具能在冲压过程中抵抗来自非晶态金属的直接磨损，从而使冲头和冲模的磨损最小化。冲头和冲模之间的间隙应小于0.125mm(0.005英寸)，并优选小于0.0125mm(0.0005英寸)。冲压过程中使用的应变率应为至少1冲头行程/秒，并优选至少5冲头冲程/秒。冲头和冲模之间小的间隙和冲压过程中使用的高应变率组合限制了非晶态金属在冲压过程中在断裂前的机械变形量。限制模腔中非晶态金属的机械变形限制了非晶态金属和冲头和冲模处理之间的直接磨损，从而减少了对冲头和冲模的磨损。可使用高应变率冲压过程通过提供单一带进料冲压单个叠片或具有多重进料时冲压多个叠片(例如达到约5)。
条材料在冲压前任选的轻度热处理有利于改变非晶态金属的机械性能。具体地说，热处理在一定程度上降低了非晶态金属的延展性，从而限制了在冲压过程中断裂前非晶态金属的机械变形量。非晶态金属降低的延展性还降低了变形非晶态金属对冲头和冲模材料的直接摩耗和磨损。
或者，从包括相当大量的非晶态金属带条如具有100或更多层的堆来制备本发明的部件。完成所需切割的合适方法包括但不限于使用耐磨切削片或切割轮、机械研磨、金刚石线切割、在水平或垂直方向上进行的高速铣削、磨耗水喷射铣削、利用金属丝或浸液的放电加工、电化学研磨、电化学加工和激光切割。在一些情况下，可在一次操作中切割整个堆高度。这些技术的一部分也可用于切割上述单独叠片或少量粘合或未粘合层。优选切割方法不会在切割表面处或附近产生任何可觉察到的损伤如污点。例如，这类损伤可为由于非晶态金属变形引起的简单机械损伤或由于切割过程中产生的热引起的热损伤。热损伤可包括加热非晶态金属材料超过它的结晶温度或在边缘处或附近熔化材料。不利结果可包括边缘附近的应力和铁损增加、层间短路或机械性能的降低。
在实施本发明中使用粘合手段将多个适当对齐的非晶态金属条材料的片或叠片彼此粘合，从而提供整体三维物体。这种粘合提供了能使本发明部件被处理和使用或结合到较大结构内的足够结构完整性。各种粘合剂都是合适的，包括包含环氧树脂、清漆、厌氧胶粘剂、氰基丙烯酸酯和室温硫化(RTV)硅酮材料的那些。粘合剂理想地具有低粘度、低收缩率、低弹性模量、高剥离强度、高操作温度能力和高介电强度。粘合剂可覆盖每个叠片表面区域的任何部分以足以实现相邻叠片彼此间的适当粘合，并因此提供足够的强度以得到成品部件的机械完整性。粘合剂可覆盖达到基本全部表面区域。环氧树脂可为化学激活固化的多成份环氧树脂或固化为热激活或通过暴露于紫外辐射激活的单组分环氧树脂。优选地，粘合剂具有小于1000cps的粘度和大致等于金属的热膨胀系数，或约10ppm。一种优选的粘合剂为P.D.George Co.以商标Epoxylite 8899出售的热激活环氧树脂。本发明的器件优选通过用这种环氧树脂浸渍来粘合，这种环氧树脂按体积用丙酮稀释至1∶5，以降低它的粘度和增强它在带的层之间的渗透。发现可优选的另一粘合剂为National Starch and Chemical Company以商标名Permabond 910FS出售的氰基丙烯酸甲酯。本发明的器件优选通过施加这种粘合剂以至于它能通过毛细作用在带的层之间渗透来粘合。Permabond 910FS为在室温和水分存在下能在5秒内固化的单组分低粘度液体。
施加粘合剂的合适方法包括浸涂、喷涂、刷涂和静电沉积。在条或带形式中，非晶态金属还可通过将其经过能转移粘合剂到非晶态金属的棒或辊来涂敷。具有织构表面的辊或棒如凹板辊或绕接辊在转移粘合剂均匀涂层到非晶态金属上面尤其有效。粘合剂可一次施加到非晶态金属的单独层上，或施加到切割前的条材料上或切割后的叠片上。或者，可在叠片被堆叠后对它们共同应用粘合手段。优选地，通过叠片之间粘合剂的毛细流浸渍堆。浸渍步骤可在环境温度和压力下进行。或者但不是优选地，可将堆放在真空中或在静水压力下实现更完全的填充，但减少了加入粘合剂的总体积，因此确保了高叠层系数。优选使用低粘度粘合剂，如环氧树脂或氰基丙烯酸酯。还可利用轻微加热降低粘合剂的粘度，从而增强其在叠片层之间的渗透。根据需要激活粘合剂以促进它的粘合。在粘合剂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剂和给予它合适的表面光洁度和最终需要的部件尺寸。如果在至少约175℃的温度下进行，则粘合剂的激活或固化还可用于影响磁性，这在下文中更详细地讨论。
本发明部件的精加工可还包括施加外部涂层到至少一部分它的外表面上。合适的涂料包括漆、真漆、清漆或树脂。可通过各种方法施加涂层，包括喷涂和在浴或流化床中浸渍。可使用有或没有溶剂载体的简单喷涂技术。或者，静电或电泳沉积技术是合适的。如果需要，精加工操作还可包括除去任何多余的涂层，尤其是在电动机互相旋转部分之间狭窄间隙的区域内存在的多余涂层。外部涂层可有利于保护转子或定子上的电绕组的绝缘不受尖金属边处磨耗的影响，并用于捕集可能往往脱离部件并被吸引到永久磁铁上或另外不适当地卡在电动机或其它邻近结构中的任何薄片或其它材料。
本文公开的现行构造尤其适用于磁性部件如电动机的非晶态金属定子和转子。磁性部件制造被简化，制造时间被减少。在构造整体非晶态金属部件的过程中另外遇到的应力被最小化。成品部件的磁性能得到优化。本文描述的各种方法步骤可按列出的顺序进行，或以相关领域技术人员显而易见的其它顺序进行。
可使用众多非晶态金属合金制造本发明的整体非晶态金属磁性部件。一般而言，适用于构造本发明部件的合金用式M70-85Y5-20Z0-20限定，下标为原子百分数，其中“M”为Fe、Ni和Co中的至少一种，“Y”为B、C和P中的至少一种，“Z”为Si、Al和Ge中的至少一种；条件是(i)最高到十(10)原子％的组分“M”可被金属物种Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta和W中的至少一种取代，和(ii)最高到十(10)原子％的组分(Y+Z)可被非金属物种In、Sn、Sb和Pb中的至少一种取代。本文使用的术语“非晶态金属合金”是指基本缺乏任何长程有序并且特征在于X-射线衍射强度最大值在性质上类似于观察到的液体或无机氧化物玻璃的最大值的金属合金。
适合作为本发明实施中进料的非晶态金属合金在商业上可得到，通常为宽度最高到20cm或更高和厚度大致为20-25μm的连续薄条或带形式。这些合金形成有基本完全的玻璃态微结构(例如至少约80体积％的材料具有非结晶结构)。优选合金用基本100％的具有非结晶结构的材料形成。非结晶结构的体积分数可通过本领域中已知的方法测定，如X-射线衍射、中子衍射或电子衍射、透射电子显微镜或差示扫描量热法。对于其中“M”、“Y”和“Z”分别至少主要为铁、硼和硅的合金，以低成本获得了最高的感应值。因此，优选合金包含至少70原子％的Fe、至少5原子％的B和至少5原子％的Si，条件是B和Si的总含量应为至少15原子％。包含铁-硼-硅合金的非晶态金属条也是优选的。最优选的是组成基本包含约11原子％的硼和约9原子％的硅、余量为铁和伴随杂质的非晶态金属条。饱和感应为约1.56T和电阻率为约137μΩ-cm的这种条由Honeywell International Inc.以商标名METGLAS合金2605SA-1出售。另一合适的非晶态金属条具有基本包含约13.5原子％的硼、约4.5原子％的硅、和约2原子％的碳、余量为铁和伴随杂质的组成。饱和感应为约1.59T和电阻率为约137μΩ-cm的这种条由Honeywell International Inc.以商标名METGLAS合金2605SC出售。对于需要甚至更高饱和感应的应用，组成基本包含铁、与约18原子％的Co、约16原子％的硼和约1原子％的硅、余量为铁和伴随杂质的条是合适的。这种条由Honeywell International Inc.以商标名METGLAS合金2605C0出售。但是，这种材料构造的部件的损耗往往稍微高于使用METGLAS 2605SA-1的那些。
本领域中已知，铁磁材料可用它的饱和感应或等价地用它的饱和磁通密度或磁化强度来表征。适用于本发明的合金优选具有至少约1.2特斯拉(T)的饱和感应，更优选饱和感应为至少约1.5T。合金还具有高的电阻率，优选至少约100μΩ-cm，更优选至少约130μΩ-cm。
部件中指定使用的非晶态金属条的机械性能和磁性可通过在一定温度下热处理足够时间来增强，以提供所需的增强而不会改变条的基本完全玻璃态结构。热处理包括加热部分、任选的保温部分和冷却部分。在热处理的至少一个部分中可任选地施加磁场到条上，如在至少冷却部分中。磁场的施加，优选基本沿定子运转时磁通存在的方向，在一些情况下可进一步改善部件的磁性和降低它的铁损。任选地，热处理包括1个以上的这种热循环。此外，可在部件制造的不同阶段进行1个或多个热处理循环。例如，可处理离散叠片或可在粘结前或后热处理叠片堆。优选地，在粘结前进行热处理，因为许多另外有吸引力的粘合剂不能承受所需的热处理温度。
非晶态金属的热处理可利用任何能导致金属经历所需热分布的加热手段。合适的加热手段包括红外热源、烘箱、流化床、与保持在高温的散热器的热接触、通过使电流通过条实现的电阻加热、和感应(RF)加热。加热手段的选择可取决于上面列出的所需处理步骤的顺序。
适用于部件的某些非晶态合金的磁性可通过热处理合金形成纳米晶微结构得到显著提高。这种微结构特征在于存在高密度的平均粒度小于约100nm的晶粒，优选小于50nm，更优选约10-20nm。晶粒优选占据铁基合金的至少50％的体积。这些优选的材料具有低铁损和低磁致伸缩。后一性能还使材料不易因为电动机制造和/或运转过程中产生的应力而磁性降低。在给定合金中产生纳米晶结构需要的热处理必须在较高的温度下进行或进行比设计在其中保存基本完全玻璃态微结构的热处理需要的时间更长的时间。本文使用的术语非晶态金属和非晶态合金还包括初始形成有基本完全玻璃态微结构且随后通过热处理或其它处理转变成具有纳米晶微结构的材料的材料。可被热处理形成纳米晶微结构的非晶态合金还经常简单地称为纳米晶合金。本发明方法使纳米晶合金能被成形为最终整体磁性部件的所需几何形状。可在合金仍处于铸态、可延展、基本非结晶形式的同时和它被热处理形成纳米晶结构前有利地实现这种成形，纳米晶结构通常使它更脆和更难以处理。
磁性通过在其中形成纳米晶微结构得到显著增强的两类优选合金用下面的式给出，其中下标为原子百分比。
第一类优选的纳米晶合金是Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw，其中R为Ni和Co中的至少一种，T为Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一种，Q为Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一种，u从0到约10，x从约3到12，y从0到约4，z从约5到12，w从0到小于约8。在这种合金被热处理在其中形成纳米晶微结构后，它具有高饱和感应(例如至少约1.5T)、低铁损和低饱和磁致伸缩(例如磁致伸缩绝对值小于4×10-6)。这种合金尤其优选用于所需功率和扭矩要求电动机尺寸最小的应用。
第二类优选纳米晶合金是Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw，其中R为Ni和Co中的至少一种，T为Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一种，Q为Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一种，u从0到约10，x从约1到5，y从0到约3，z从约5到12，w从约8到18。在这种合金被热处理在其中形成纳米晶微结构后，它具有至少约1.0T的饱和感应、特别低的铁损和低饱和磁致伸缩(例如磁致伸缩绝对值小于4×10-6)。这种合金尤其优选用于需要在非常高的速度下运转的电动机(例如需要激励频率为1000Hz或更高)。
整体非晶态磁性部件将比用其它铁基磁性金属制成的部件更有效地磁化和消磁。当用作电动机中的转子或定子时，整体非晶态金属部件将比由另一种铁基磁性金属制成的可比部件在以相同的感应和频率磁化两种部件时产生较少的热。当与使用其它铁基磁性金属制成的部件的电动机相比时，使用整体非晶态金属部件的电动机因此可被设计这样运转：(i)在较低的运转温度下；(ii)在较高的感应下以获得减小的尺寸和重量；或(iii)在较高的频率下以获得减小的尺寸和重量或获得优良的运动控制。
本发明电动机的还一个优点是可设计有高极数。电动机的旋转速度与电激励频率和极数的比成比例。使用本文公开的低铁损部件允许在比使用其它已知较高铁损的已知软磁材料的常规电动机中可能的频率高得多的频率下电激励。因此，对于给定速度，设计者在选择极数和激励频率时被赋予更多的自由。可选择高极数电动机，其能在最大速度下以可接受的铁损运转，但在激励频率(和相应的旋转速度)的宽范围内其还能保持可接受的功率和扭矩性能。在一些应用中，这种灵活性意味着可直接驱动负载，不需要伴随复杂性的、需要维护和效率降低的变速箱。
本领域中已知，铁损就是当铁磁材料的磁化随时间变化时在其内部发生的能量损耗。给定磁性部件的铁损通常通过循环激励部件来测定。将随时间变化的磁场施加到部件上以在其中产生相应的随时间变化的磁感应或磁通密度。为了测量标准化，通常选择激励使得磁感应在样品中是均匀的，并在频率“f”下随时间正弦变化，并具有峰值振幅Bmax。然后利用已知的电测量仪器和技术测定铁损。损耗按常规记录为被激励磁性材料的单位质量或体积的瓦数。损耗随f和Bmax单调增加在本领域中是已知的。用于测试电动机部件中使用的软磁材料铁损的大多数标准规程{例如ASTM Standards A912-93和A927(A927M-94)}要求这类材料的样品位于基本闭合的磁路内，即闭合磁通线完全包含在样品体积内的构造。另一方面，电动机部件如转子或定子中使用的磁性材料位于磁开路内，即磁通量必须横过气隙的构造。由于场的弥散场效应和非均匀性，因此开路中测试的给定材料通常比它在闭路测量中表现出较高的铁损，即较高的瓦值/单位质量或体积。本发明的整体磁性部件有利地在磁通密度和频率的宽范围内表现出低铁损，即使在开路构造中。
不受任何理论束缚，认为本发明的低损耗整体非晶态金属部件的总铁损由磁滞损耗和涡流损耗的贡献组成。这两种贡献的每一个都为峰值磁感应Bmax和激励频率f的函数。现有技术的非晶态金属铁损分析(参见例如G.E.Fish，J.Appl.Phys. 57，3569(1985)和G.E.Fish等人J.Appl.Phys. 64，5370(1988))通常局限于在闭合磁路中得到的材料数据。
本发明的整体磁性部件的单位质量总磁损L(Bmax，f)可基本上用具有以下形式的函数限定：
L(Bmax，f)＝c1f(Bmax)n+c2fq(Bmax)m
其中系数c1和c2和指数n、m和q必须全部根据经验确定，没有能精确确定它们值的已知理论。使用这个式允许在任何需要的操作感应和激励频率下确定本发明整体磁性部件的总铁损。通常发现，在电动机转子或定子的特殊几何形状中，其中的磁场在空间上不是均匀的。本领域中已知用技术如有限元模型来提供极其近似实际电动机或发电机中测量的磁通密度分布的峰值磁通密度的空间和时间变化估计。使用能在空间均匀磁通密度下给出给定材料磁铁损的合适经验公式作为输入，这些技术使得能通过在部件体积上的数值积分以合理的精度预测给定部件在其操作结构中相应的实际铁损。
可使用本领域中已知的各种方法进行本发明磁性部件铁损的测量。尤其适合于测量本发明部件的方法如下所述。方法包括形成具有本发明磁性部件和磁通闭合结构装置的磁路。任选地，磁路可包括本发明的多个磁性部件和磁通闭合结构装置。磁通闭合结构装置优选包括具有高磁导率和饱和磁通密度的软磁材料，其中饱和磁通密度至少等于测试部件时的磁通密度。优选地，软磁材料具有至少等于部件饱和磁通密度的饱和磁通密度。测试部件所沿的磁通方向通常限定了部件的第一和第二相对表面。磁通线沿着通常垂直于第一相对表面的平面的方向进入部件。磁通线通常沿着非晶态金属条的平面，并从第二个相对面出来。磁通闭合结构装置通常包括磁通闭合磁性部件，其优选根据本发明构造，但也可用本领域中已知的其它方法和材料制成。磁通闭合磁性部件还具有第一和第二相对表面，磁通线通过它们并通常垂直于它们各自的平面进入和出去。磁通闭合部件相对面具有与磁性部件各自面基本相同的大小和形状，在实际测试过程中磁通闭合部件与磁性部件配合。磁通闭合磁性部件以配合关系放置，它的第一和第二面分别紧密靠近或基本靠近本发明磁性部件的第一和第二面。通过使电流通过环绕本发明磁性部件或磁通闭合磁性部件的第一绕组施加磁通势。由环绕被测试磁性部件的第二绕组中感应的电压通过Faraday法则确定得到的磁通密度。由磁通势通过Ampère法则确定施加的磁场。然后由施加的磁场和得到的磁通密度通过常规方法计算铁损。
参考图4，图示了进行上述测试方法中一种形式且不需要磁通闭合结构装置的组件60。组件60包括四个本发明的弓形整体非晶态金属磁性部件200。每个部件200都是圆弧角为90°的基本相同的垂直圆环形柱段，是有图2B所示形式的弓形表面210。每个部件具有第一相对表面66a和第二相对表面66b。部件200处于配合关系以形成通常具有直圆柱体形状的组件60。每个部件200的第一相对面66a位置靠近邻近它的部件200的相应第一相对面66a并通常与它平行排列。部件200的四组靠近面因此限定出在组件60周围等间距的四个间隙64。部件200的配合关系可通过带62固定。组件60构成具有四个可导磁段(每个包括一个部件200)和四个间隙64的磁路。两个铜线绕组(未示出)环绕穿过组件60。使合适大小的交流电通过第一绕组，以提供在所需频率和峰值磁通密度下激励组件60的磁通势。得到的磁通线通常在条20的面内，指向切向。在第二绕组中感应出表示每个部件200内随时间变化的磁通密度的电压。由测得的电压和电流值通过常规电子方法确定总铁损，并相等地分配在四个部件200中。
提供下面的实施例以提供对本发明的更完整理解。为说明本发明的原理和实施而陈述的具体技术、条件、材料、比例和记录数据是示例性的，不应认为限制本发明的范围。
实施例1
非晶态金属定子的制备和测试
由约22μm厚的Fe80B11Si9非晶态金属条通过光刻蚀刻方法切割反结构同步主轴电动机非晶态金属定子用的叠片。每个叠片包括具有普通环形形状的中心环形区域和多个从中心环形区域向外径向延伸的齿，通常如图3D所示。环形区域大约具有分别约9和11mm的内径和外径。在齿的外围处测得的部件外径为约25mm。在350-400℃的温度下热处理叠片0.5-3小时以增强它的软磁性。然后堆叠约120个叠片形成高度为约4.2mm的普通圆柱结构。将堆浸渍在低粘度热激活的环氧树脂中，使其浸渍和渗透邻近叠片之间的空间。使用的环氧树脂为EpoxyliteTM8899，用丙酮按体积稀释1∶5以获得合适的粘度。将堆对齐固定在固定装置中，并轻微压缩至约4mm的高度以提高堆的堆积密度。然后将浸渍的堆暴露于约177℃的温度大约2.5小时以激活和固化环氧树脂溶液。冷却后，从固定装置中移去堆，并用3M ScotchCastTMElectrical Resin 5133电泳涂敷，形成适用于反结构同步电动机的定子。
通过附加上环绕中心环形区域的初级和次级电绕组测试定子的磁性。初级绕组用具有所需频率和振幅的AC电流源激励；由次级绕组上出现的感应电压计算获得的最大磁通密度，假定磁通完全在中心环形区域中被传送，有效忽略齿在靠近它们的根中传送的任何磁通。调整激励以获得规定频率和磁通密度的一系列测试点。用Yokogawa 2532瓦特计测定铁损。
表1描述了具有列出的频率“f”和峰值感应水平“Bmax”值的一系列测试点的定子芯铁损。使用上述近似法确定Bmax的值。这个实施方案中的定子芯在从DC直到2kHz的频率范围内有利地表现出低铁损。特别地，在50Hz(0.05kHz)时的损耗在1.0T时为约0.21W/kg；400Hz(0.4kHz)时损耗在1.0T时为约1.6W/kg，在1.3T时为2.8W/kg；800Hz(0.8kHz)时损耗在1.0T时为约3.3W/kg，在1.3T时为5.7W/kg；和2000Hz(2kHz)时损耗在1.0T时为约9.5W/kg，在1.3T时为14.8W/kg。
使用形式L(Bmax，f)＝c1f(Bmax)n+c2fq(Bmax)m的函数利用非线性回归方法表征定子芯的损耗行为。系数c1和c2和指数n、m和q的合适值根据经验确定。发现L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6函数描述了铁损行为。也就是说，表1中列出的每个测试点(f，Bmax)处的铁损测量值小于使用函数L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6计算的相应预测值，预测值列在表1的最后栏中。
获得的低铁损值使定子芯尤其适用于电子频率可高至1-2kHz或更高的高旋转速度电动机。
                      表1
  频率(kHz)   Bmax(特斯拉)   测量铁损(W/kg)   预测铁损(W/kg)
  0.2   0.2   0.071   0.092
  0.4   0.2   0.141   0.186
  0.8   0.2   0.283   0.378
  1.0   0.2   0.354   0.476
  1.5   0.2   0.495   0.724
  2.0   0.2   0.778   0.976
  频率(kHz)   Bmax(特斯拉)   测量铁损(W/kg)   预测铁损(W/kg)
  0.05   0.4   0.071   0.064
  0.1   0.4   0.141   0.129
  0.2   0.4   0.212   0.261
  0.4   0.4   0.424   0.528
  0.8   0.4   0.920   1.075
  1.0   0.4   1.202   1.353
  1.5   0.4   1.839   2.058
  2.0   0.4   2.617   2.778
  0.05   0.6   0.071   0.118
  0.1   0.6   0.212   0.238
  0.2   0.6   0.424   0.480
  0.4   0.6   0.849   0.972
  0.8   0.6   1.698   1.979
  1.0   0.6   2.193   2.491
  1.5   0.6   3.395   3.794
  2.0   0.6   4.810   5.122
  0.05   0.8   0.141   0.182
  0.1   0.8   0.283   0.366
  0.2   0.8   0.566   0.739
  0.4   0.8   1.202   1.498
  0.8   0.8   2.476   3.052
  1.0   0.8   3.183   3.843
  1.5   0.8   5.022   5.854
  2.0   0.8   7.073   7.906
  0.05   1.0   0.212   0.254
  0.1   1.0   0.354   0.512
  0.2   1.0   0.778   1.034
  0.4   1.0   1.627   2.096
  0.8   1.0   3.325   4.272
  1.0   1.0   4.315   5.379
  1.5   1.0   6.791   8.197
  2.0   1.0   9.478   11.073
  0.05   1.2   0.283   0.334
  0.1   1.2   0.495   0.673
  0.2   1.2   1.061   1.360
  0.4   1.2   2.122   2.758
  0.8   1.2   4.386   5.622
  1.0   1.2   5388   7.081
  1.5   1.2   8.771   10.792
  2.0   1.2   12.237   14.582
  0.1   1.3   0.707   0.759
  0.2   1.3   1.415   1.534
  0.4   1.3   2.829   3.111
  0.8   1.3   5.659   6.342
  频率(kHz)   Bmax(特斯拉)   测量铁损(W/kg)   预测铁损(W/kg)
  1.0   1.3   7.073   7.989
  1.5   1.3   10.610   12.177
  2.0   1.3   14.854   16.455
实施例2
用非晶态金属和用常规非取向硅钢构造的定子比较
由公称组成为Fe80B11Si9的公称22μm厚的METGLAS SA-1非晶态金属条构造非晶态金属定子，并使用上面实施例1中所述的光刻、层压和浸渍技术。使用由公称350μm厚的常规非取向硅钢冲压的叠片构造具有相同整体尺寸和形状的比较定子C350。这种钢经常用于制造常规主轴电动机。使用公称200μm厚的高等级常规非取向钢构造具有相同几何形状的第二个对比定子C200。使用环绕各个定子中心环形部分的初级和次级绕组测试每个定子。在400和800Hz的激励频率和在一系列峰值感应Bmax的激励水平下进行测试。用Yokogawa 2532瓦特计得到测量的铁损数据。结果用图5和6描绘，分别代表400和800Hz测试点。在图5中，曲线600给出了作为峰值感应Bmax函数的本发明非晶态金属定子的损耗行为，而曲线601和602代表C200和C350定子的损耗行为。在Bmax水平的宽范围内，非晶态金属定子的损耗低于定子350损耗的至少6倍。尽管比较定子C200的400Hz损耗为定子C350损耗的约60％，但它们仍大于本发明非晶态金属定子损耗的约4倍以上。在800Hz时表现出类似有利的铁损行为，如图6所示，其中曲线650描述本发明非晶态金属定子的性能，曲线651代表对比定子C200的行为。本发明定子对比较定子C200的相对铁损优势在800Hz时比在400Hz甚至更大，非晶态金属定子的损耗为C200损耗的大约六分之一。
非晶态金属定子低很多的铁损有利于提高结合了根据本发明的定子的高速主轴电动机的电效率。
实施例3
纳米晶合金矩形棱柱的制备
通过光刻大约25mm宽和0.018mm厚的Fe73.5Cu1Nb3B9Si13.5非晶态金属条制备反结构同步主轴电动机定子用的叠片。每个叠片包括具有普通环形形状的中心环形区域和多个从中心环形区域向外径向延伸的齿，通常如图3D所示。环形区域大约具有分别约9和11mm的内径和外径。在齿的外围处测得的部件外径为约25mm。热处理叠片以在非晶态金属中形成纳米晶微结构。通过进行以下步骤实现退火：1)加热零件直到580℃；2)在大约580℃的温度下保持大约1小时；和3)冷却零件到环境温度。然后堆叠约160个热处理的叠片形成高度为约4.2mm的普通圆柱结构，并浸渍在低粘度热激活的环氧树脂中，使其浸渍和渗透邻近叠片之间的空间。使用的环氧树脂为EpoxyliteTM8899，用丙酮按体积稀释1∶5以获得合适的粘度。将堆对齐固定在固定装置中，并轻微压缩至约4mm的高度以提高堆的堆积密度。然后将浸渍的堆暴露于约177℃的温度大约2.5小时以激活和固化环氧树脂溶液。冷却后，从固定装置中移去堆，并用3M ScotchCastTM Electrical Resin5133电泳涂敷，形成适用于反结构同步电动机的定子。
通过附加上环绕中心环形区域的初级和次级电绕组测试定子的磁性。初级绕组用具有所需频率和振幅的AC电流源激励；由次级绕组上出现的感应电压计算获得的最大磁通密度，假定磁通完全在中心环形区域中被传送，有效忽略齿在靠近它们的根中传送的任何磁通。调整激励以获得根据上述近似确定的规定频率和磁通密度的所需测试点。用Yokogawa 2532瓦特计测定铁损。
纳米晶合金定子表现出低铁损。特别地，在50Hz(0.05kHz)时的损耗在1.0T时为约0.21W/kg；400Hz(0.4kHz)时损耗在1.0T时为约1.6W/kg，在1.3T时为2.8W/kg；800Hz(0.8kHz)时损耗在1.0T时为约3.3W/kg，在1.3T时为5.7W/kg；和2000Hz(2kHz)时损耗在1.0T时为约9.5W/kg，在1.3T时为14.8W/kg。因此，定子能使它适用于高速高效电动机。
这样就相当充分详细地描述了本发明，应认识到，不需要严格遵守这种细节，而是本领域中技术人员可想起的各种变化和变更都落在附加权利要求限定的本发明范围内。

Claims (44)

1.一种电动机，具有至少一个低损耗整体非晶态金属磁性部件，该磁性部件包含用粘合剂层叠到一起形成多面体形状零件的多个基本相似形状的非晶态金属条的层，所述低损耗整体非晶态金属磁性部件在激励频率“f”下运转至峰值感应水平Bmax时，具有小于约“L”的铁损，其中L用式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6给出，铁损、激励频率和峰值感应水平分别以瓦/千克、赫兹和特斯拉测得。
2.如权利要求1所述的电动机，所述非晶态金属条的每一个都具有基本由式M70-85 Y5-20 Z0-20限定的组成，下标为原子百分数，其中“M”为Fe、Ni和Co中的至少一种，“Y”为B、C和P中的至少一种，“Z”为Si、Al和Ge中的至少一种；条件是(i)最高到10原子％的组分“M”可被金属物种Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta和W中的至少一种取代，和(ii)最高到10原子％的组分(Y+Z)可被非金属物种In、Sn、Sb和Pb中的至少一种取代。
3.如权利要求2所述的电动机，其中所述M组分基本为Fe，所述Y组分基本为B，所述Z组分基本为Si。
4.如权利要求2所述的电动机，其中所述铁磁非晶态金属条的每一个具有包含至少70原子％的Fe、至少5原子％的B和至少5原子％的Si的组成，条件是B和Si的总含量为至少15原子％。
5.如权利要求4所述的电动机，其中所述条中的每一个都具有基本由式Fe80B11Si9限定的组成。
6.如权利要求2所述的电动机，所述非晶态金属条被热处理以在其中形成纳米晶微结构。
7.如权利要求6所述的电动机，其中所述非晶态金属条中的每一个都具有基本由式Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw限定的组成，其中R为Ni和Co中的至少一种，T为Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一种，Q为Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一种，u从0到约10，x从约3到12，y从0到约4，z从约5到12，w从0到小于约8。
8.如权利要求6所述的电动机，其中所述非晶态金属条中的每一个都具有基本由式Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw限定的组成，其中R为Ni和Co中的至少一种，T为Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一种，Q为Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一种，u从0到约10，x从约1到5，y从0到约3，z从约5到12，w从约8到18。
9.如权利要求1所述的电动机，其中所述整体非晶态金属磁性部件构成所述电动机定子的至少一部分。
10.如权利要求1所述的电动机，其中所述整体非晶态金属磁性部件构成所述电动机转子的至少一部分。
11.如权利要求1所述的电动机，其中所述非晶态金属磁性部件构成所述电动机的转子和定子。
12.如权利要求1所述的电动机，其中所述整体非晶态金属磁性部件在大约400Hz的频率和大约1.3T的磁通密度下运转时，具有小于或大致等于2.8瓦/千克非晶态金属材料的铁损。
13.如权利要求1所述的电动机，其中所述整体非晶态金属磁性部件在大约800Hz的频率和大约1.3T的磁通密度下运转时，具有小于或大致等于2.8瓦/千克非晶态金属材料的铁损。
14.如权利要求1所述的电动机，其中所述整体非晶态金属磁性部件在大约2000Hz的频率和大约1.0T的磁通密度下运转时，具有小于或大致等于9.5瓦/千克非晶态金属材料的铁损。
15.如权利要求9所述的电动机，所述电动机选自鼠笼式电动机、磁阻同步电动机和开关磁阻电动机。
16.如权利要求10所述的电动机，所述电动机选自可变磁阻电动机、涡流电动机、鼠笼式电动机、磁阻同步电动机和开关磁阻电动机。
17.如权利要求1所述的电动机，其中所述粘合剂包含选自单组分和双组份环氧树脂、清漆、厌氧粘合剂、氰基丙烯酸酯和室温硫化(RTV)硅酮材料中的至少一种。
18.如权利要求17所述的电动机，所述部件用所述粘合剂浸渍。
19.如权利要求18所述的电动机，所述部件包括用于增强叠片粘合的浸渍剂流动增强装置。
20.如权利要求17所述的电动机，所述粘合剂为低粘度环氧树脂。
21.用于具有转子和定子的电动机的至少一个低损耗整体非晶态金属磁性部件包括用粘合剂层叠到一起形成多面体形状零件的多个基本相似形状的非晶态金属条的层，所述低损耗整体非晶态金属磁性部件在激励频率f下被激励至峰值感应水平Bmax时，具有小于约“L”的铁损，其中L用式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6给出，所述铁损、所述激励频率和所述峰值感应水平分别以瓦/千克、赫兹和特斯拉测得。
22.如权利要求21所述的磁性部件，其中所述磁性部件构成所述定子的至少一部分。
23.如权利要求21所述的磁性部件，其中所述磁性部件构成所述转子的至少一部分。
24.如权利要求21所述的磁性部件，其中所述铁磁非晶态金属条的每一个具有包含至少70原子％的Fe、至少5原子％的B和至少5原子％的Si的组成，条件是B和Si的总含量为至少15原子％。
25.如权利要求21所述的磁性部件，所述部件用所述粘合剂浸渍。
26.如权利要求25所述的磁性部件，所述粘合剂为低粘度环氧树脂。
27.一种构造低铁损整体非晶态金属磁性部件的方法，包括步骤：
a)切割非晶态金属条材料形成各自具有基本相同预定形状的多个叠片；
b)对齐堆叠所述叠片形成叠片堆；和
c)用粘合剂粘结所述叠片堆；
28.如权利要求27所述的方法，还包括步骤：
a)精加工所述部件，以实现下面中的至少一种：(i)从所述部件除去多余的粘合剂；(ii)给予所述部件合适的表面光洁度；和(iii)除去材料以给予所述部件最终的部件尺寸。
29.如权利要求27所述的方法，还包括步骤：
a)对所述叠片退火以提高所述部件的磁性。
30.如权利要求29所述的方法，所述退火步骤在所述粘结步骤后进行。
31.如权利要求29所述的方法，所述退火步骤在所述粘结步骤前进行。
32.如权利要求27所述的方法，还包括步骤：
a)用绝缘涂层剂涂敷所述部件的至少一部分表面。
33.如权利要求27所述的方法，其中所述切割步骤包括光刻所述非晶态金属条材料形成所述叠片。
34.如权利要求27所述的方法，其中所述切割步骤包括冲压所述非晶态金属条材料形成所述叠片。
35.如权利要求27所述的方法，其中所述粘结步骤包括浸渍所述叠片堆。
36.如权利要求27所述的方法，其中所述粘合剂包含选自单组分和双组份环氧树脂、清漆、厌氧胶粘剂、氰基丙烯酸酯和室温硫化(RTV)硅酮材料中的至少一种。
37.如权利要求36所述的方法，其中所述粘合剂包括低粘度环氧树脂。
38.如权利要求36所述的方法，其中所述粘合剂具有小于约1000cps的粘度。
39.如权利要求36所述的方法，其中所述粘合剂具有小于约10ppm的热膨胀系数。
40.如权利要求38所述的方法，其中所述粘合剂具有小于约10ppm的热膨胀系数。
41.根据权利要求27的方法构造的低铁损整体非晶态金属磁性部件。
42.如权利要求41所述的低铁损整体非晶态金属磁性部件，包括通过光刻切割的叠片。
43.如权利要求41所述的低铁损整体非晶态金属磁性部件，其中所述部件在激励频率“f”下运转至峰值感应水平Bmax时，具有小于约“L”的铁损，其中L用式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6给出，所述铁损、所述激励频率和所述峰值感应水平分别以瓦/千克、赫兹和特斯拉测得。
44.权利要求20的方法，其中所述切割步骤包括利用砂轮、钢丝锯、放电加工机床、喷水器、激光器或光刻设备中至少一种。
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