CN100483573C - 块状非晶体金属磁元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低损耗的块状非晶体金属磁元件，包括多个被叠置在一起以形成多面体形部件的、形状相同的非晶体金属条并且由叠置的块条或绕制铁心切割而成，该磁元件当在励磁频率f下工作达到峰值磁感应Bmax时具有小于L的铁心损失，L由公式L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4给出，铁心损失、励磁频率和峰值磁感应值的单位分别是每千克瓦、赫兹和特斯拉。这种磁元件的性能特性优于在相同频率范围内工作的硅钢元件的性能特性。本发明的方法包括：提供多个呈层叠体的非晶体金属条材料条；将层叠体退火；用环氧树脂浸渍层叠体并固化；以预定长度切割层叠体，从而提供多个有预定三维几何形状的多面体形磁元件。

Description

块状非晶体金属磁元件
相关申请的交叉引用
本申请是1998年11月6日申请的序列号为09/186914、名称为“Bulk Amorphous Metal Magnetic Components”专利申请的部分继续申请。
技术领域
本发明涉及一种非晶体金属磁元件；更具体地说，涉及一种基本上是三维的块状的非晶体金属磁元件，其用于大的电子装置，例如磁谐振成像系统、电视和视频系统以及电子和离子束系统。
背景技术
虽然和无定向电工钢相比非晶体金属提供了优异的磁性能，但是长期来一直认为它们不适用于块状磁元件，例如用于磁谐振成像系统(MRI)的极面磁体的片，这是由于非晶体金属的某些物理性能和相应的制造限制所致。例如，非晶体金属比无定向硅钢薄而硬，因而导致制造工具和模具的较快的磨损。导致的工具成本和制造成本的增加使得利用这种技术制造块状非晶体金属磁元件在商业上是不实际的。非晶体金属的薄的厚度也使得在装配的元件中的叠层的数量增加，这进一步增加了非晶体金属磁元件的成本。
非晶体金属一般以具有均匀宽度的薄的连续带提供。不过，非晶体金属是非常硬的材料，这使得其非常难于切割和成形，并且一旦退火而达到峰值磁性能之后，便成为非常脆的。这使得利用常规的方法构成块状非晶体金属磁元件困难而昂贵。非晶体金属的脆性还引起例如在MRI系统的应用中的块状非晶体金属磁元件的耐用性的关心。
块状非晶体金属磁元件的另一个问题是，当非晶体金属材料受到物理应力时，其导磁率被减小。这个减小的导磁率可以和加于非晶体金属材料上的应力的强度非常相关。当块状非晶体金属磁元件受到应力时，铁心引导或者会聚磁通的效率被减少，因而产生较高的磁损耗，增加发热，因而减少功率。由于非晶体金属的磁致伸缩性质，这种对于应力的敏感性可以由在装置的操作期间的磁力产生的应力、由于机械夹持或者其它方式固定块状非晶体金属磁元件而产生的机械应力、或者由于热胀与/或由非晶体金属材料的磁饱和产生的膨胀引起。
发明内容
本发明提供一种低损耗的块状非晶体金属磁元件，其具有多面体的形状，并且由多个非晶体金属材料条层构成。本发明还提供一种用于制造块状非晶体金属磁元件的方法。所述磁元件可以在50Hz-20000Hz的频率范围内操作，并且在和在相同频率范围内操作的硅钢磁元件相比时，具有改进的性能特性。
更具体地说，按照本发明，块状非晶体金属磁元件包括多个被叠置在一起并且借助真空浸渍的环氧树脂固化以形成多面体形部件的、形状相同的非晶体金属条，所述多面体形部件由叠置的块条或绕制铁心切割而成，所述块状非晶体金属磁元件当在励磁频率f下工作达到峰值磁感应Bmax时具有小于L的铁心损失，其中L由公式L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4给出，所述铁心损失、励磁频率和峰值磁感应值的单位分别是每千克瓦、赫兹和特斯拉。
最好是，磁元件将具有(i)在频率为60Hz，磁密为1.4T的条件下工作时，小于或等于每千克非晶体金属材料1瓦的铁心损耗；(ii)在频率为1000Hz，磁密为1.0T下工作时，小于或等于每千克非晶体金属材料12瓦的铁心损耗，或者(iii)在频率为20000Hz，磁密为0.30T下工作时，小于或等于每千克非晶体金属材料70瓦的铁心损耗。
在本发明的第一实施例中，块状非晶体金属磁元件包括被层叠在一起而形成多面体形状的部件的多个形状基本上相同的非晶体金属材料条。
本发明还提供一种用于构造块状非晶体金属磁元件的方法，包括以下步骤：
(a)提供多个呈层叠体的非晶体金属条材料条；
(b)将所述层叠体退火；
(c)用环氧树脂真空浸渍所述层叠体并固化所述树脂浸渍的层叠体；
(d)以预定长度切割所述层叠体，从而提供多个具有预定的三维几何形状的多面体形的磁元件，
所述块状非晶体金属磁元件当在励磁频率f下被激励到峰值磁感应值Bmax时，具有小于L的铁心损失，其中L由公式L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4给出，所述铁心损失、励磁频率和峰值磁感应值的单位分别是每千克瓦、赫兹和特斯拉。
非晶体金属条材料可以被切割成具有预定长度的多个切割成的条。所述切割成的条被叠置而成为层叠的非晶体金属带材料棒，并被退火从而增强材料的磁性能，并且可选择地把初始的玻璃状结构转换成纳米级晶体结构。所述退火的层叠的棒在环氧树脂中被浸渍和固化。优选的非晶体金属材料具有由通式Fe80B11Si9限定的成分。
在所述方法的第二实施例中，非晶体金属条材料围绕一个心轴缠绕，从而形成具有大致圆拐角的大致是矩形的铁心。然后，所述基本上是矩形的芯子被退火，从而增强材料的磁性能，并且选择地，把初始的玻璃状结构转换成纳米级晶体结构，然后所述铁心利用环氧树脂浸渍并固化。然后切割矩形铁心的短边，从而形成两个磁元件，它们具有和所述基本上呈矩形的铁心的所述短边的尺寸和形状近似的预定的三维几何形状。从所述基本上呈矩形的铁心的长边除去有圆的拐角，并且所述基本上呈矩形的铁心的长边被切割而形成多个具有预定的三维几何形状的多面体形的磁元件。优选的非晶体金属材料具有由通式Fe80B11Si9限定的成分。
本发明还涉及一种按照上述方法构成的块状非晶体金属磁元件。
按照本发明构成的块状非晶体金属磁元件尤其适用于高性能的MRI系统中的极面磁体的片；电视和视频系统；以及电子束和离子束系统。本发明的优点包括简化制造过程和缩短制造时间，减少在所述块状非晶体金属磁元件制造期间遇到的应力(例如，磁致伸缩)，并优化最终的块状非晶体金属磁元件的性能。
附图说明
通过参看下面结合附图对本发明的优选实施例进行的详细说明，可以更充分地理解本发明及其优点，在所有附图中，相同的标号代表类似的元件；其中：
图1A是按照本发明构成的基本上呈矩形多面体形状的块状非晶体金属磁元件的透视图；
图1B是按照本发明构成的基本上呈梯形多面体形状的块状非晶体金属磁元件的透视图；
图1C是按照本发明构成的具有相对设置的弓形表面的多面体形的块状非晶体金属磁元件的透视图；
图2是按照本发明的被固定进行切割和叠置的非晶体金属条卷的侧视图；
图3是非晶体金属条棒的透视图，表示用于生产多个按照本发明的基本上呈梯形的磁元件的切线；
图4是非晶体金属条卷的侧视图，其被绕在一个心轴上，从而形成按照本发明的基本上呈矩形的铁心；以及
图5是按照本发明制成的基本上呈矩形的非晶体金属铁心的透视图。
具体实施方式
本发明提供一种基本上呈多面体形的低损耗的块状非晶体金属磁元件，按照本发明构成的块状非晶体金属磁元件具有多种几何形状，其中包括但不限于矩形的、方形的和梯形棱柱形的。此外，上述的任何几何形状都可以包括至少一个弓形表面，最好包括两个相对设置的弓形表面，从而形成弯曲的或弓形的块状非晶体金属磁元件。此外，按照本发明，可以把整个磁装置例如极面磁体制成一个块状非晶体金属磁元件。这些装置可以具有一个整体的结构，或者可以由能够集中而形成一个完整部件的几个部分构成。另外，一个装置可以是一个全部由非晶体金属部件或者由非晶体金属部件和其它的磁材料组合而成的合成的结构。
现在详细参看附图，图1A表示具有三维的基本上呈多面体形状的块状非晶体金属磁元件10。磁元件10包括被层叠在一起并被退火的多个形状基本上相同的非晶体金属条材料层20。图1B所示的磁元件具有三维的大体上是梯形的形状，并包括被层叠在一起并被退火的多个尺寸和形状基本上相同的非晶体金属带材料层20。图1C所示的磁元件包括两个相对设置的弓形表面12。元件10由被层叠在一起并被退火的多个形状基本上相同的非晶体金属带材料层20。
本发明的块状非晶体金属磁元件10是一个总体上三维的多面体，并且可以是矩形的、方形的、或梯形的棱柱。此外，如图1C所示，元件10可以具有至少一个弓形表面12。在优选实施例中，提供两个弓形表面12，并且彼此相对地设置。
按照本发明构成的并在励磁频率f下被激励到峰值感应值Bmax的磁元件在室温下具有小于L的铁心损失，其中L由下式给出：L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4，所述铁心损失，励磁频率和峰值磁感应值分别以每千克瓦，赫兹和特斯拉计量。在一个优选实施例中，所述磁元件(i)当在大约60赫兹的频率和大约1.4 T的磁通密度下操作时，具有每千克非晶体金属材料小于或等于大约1瓦的铁心损失；(ii)当在大约1000赫兹的频率和大约1.0 T的磁通密度下操作时，具有每千克非晶体金属材料小于或等于大约12瓦的铁心损失；或者(iii)当在大约20000赫兹的频率和大约0.30 T的磁通密度下操作时，具有每千克非晶体金属材料小于或等于大约70瓦的铁心损失。本发明的元件的减少的铁心损失有利地改善了包括所述元件的电气装置的效率。
低的铁心损失使得本发明的块状非晶体金属磁元件尤其适用于高频激磁的情况下，例如在至少大约100Hz的频率下进行的激磁。常规钢在高频下固有的高的铁心损失使得它们不适用于要求高频激磁的装置中。这些铁心损失性能值适用于本发明的各个实施例，而和块状非晶体金属磁元件的特定的几何结构无关。
本发明还提供一种用于制造块状非晶体金属磁元件的方法。如图2所示，非晶体金属条材料卷30由切割刀具40切割成多个具有相同形状和尺寸的条20。条20被层叠而形成叠置的非晶体金属条材料棒50。棒50被退火，利用环氧树脂浸渍并固化。棒50可以沿着图3所示的线52切割而成为大致是矩形，方形，或梯形棱柱形的部件。此外元件10可以包括至少一个弓形表面12，如图1C所示。
在本发明的第二实施例中，如图4和5所示，通过围绕基本上呈矩形的心轴60缠绕一个非晶体金属条22或一组非晶体金属条22，从而形成基本上呈矩形绕制的铁心70。所述铁心70的短边74的高度最好大约等于最终的块状非晶体金属磁元件10的所需的长度。铁心70被退火，利用环氧树脂浸渍并固化。通过切割短边74可以形成两个元件10，剩下和长边78a，78b相连的有圆角的的拐角76。通过从长边78a，78b上除去有圆的拐角76，并在由虚线72所示的多个位置切割长边78a，78b，可以形成另外的磁元件10。在图5所示的例子中，块状非晶体金属磁元件10具有基本上呈矩形的形状，虽然通过本发明也可以形成其它形状，例如具有至少一个梯形或方形表面的形状。
本发明的块状非晶体金属磁元件10也可以利用多种切割技术从叠置的非晶体金属条棒50切割而成，或者由被绕制的非晶体金属条的铁心切割而成。元件10可以利用切割刀片或切割轮从棒50或铁心70切割而成。此外，元件10可以利用放电机或喷射水流切割而成。
按照本发明构成的块状非晶体金属磁元件尤其适用于高性能的MRI系统，电视和视频系统，以及电子束和离子束系统中的极面磁体的片。磁元件的制造被简化，并缩短制造时间，减少否则在所述块状非晶体金属磁元件制造期间遇到的应力，并优化最终的块状非晶体金属磁元件的性能。
本发明的块状非晶体金属磁元件10可以使用许多非晶体金属合金制造。一般地说，适用于按照本发明构成的磁元件10的合金由通式M70-85Y5-20Z0-20限定，下标是原子百分数，其中M至少是Fe，Ni和Co中的一种，Y至少是B，C和P中的一种，Z至少是Si，Al和Ge中的一种，其中(i)最多10个原子百分数的成分M可以由金属物质Ti，V，Cr，Mn，Cu，Zr，Nb，Mo，Ta，Hf，Ag，Au，Pd，Pt和W中的至少一种代替，(ii)成分(Y+Z)的最多10个原子百分数可由非金属物质In，Sn，Sb和Pb中的至少一种代替。这里使用的术语“非晶体金属合金”指的是这样一种金属合金，其基本上没有任何长范围的顺序(order)，其特征在于，它们的X射线衍射强度最大值定性地类似于对于液体或无机氧化物玻璃观察到的最大值。
适用于本发明应用的非晶体金属合金在市场上是可以得到的，其一般呈连续的薄条或带的形式，宽度可达20厘米或更宽，厚度大约为20-25微米。这些合金基本上全部具有玻璃状的微观结构(例如大约至少80％的体积的材料具有非晶体结构)。最好是，所述合金基本上100％的材料具有非晶体结构。非晶体结构的体积百分数可以由本领域中已知的方法确定，例如X射线，中子或电子衍射，透射电子显微镜，或者差动扫描测热技术。其中M是铁，Y是硼，Z是硅的合金能够以低的成本实现最高的感应值。为此，由铁硼硅合金构成的非晶体金属条是优选的。更具体地说，这样的合金是优选的：其含有至少70个原子百分数的Fe，至少5个原子百分数的B，和至少5个原子百分数的Si，附带条件是：B和Si的总量至少为15个原子百分数。最优选的是这样的非晶体金属条，其组成主要包括大约11个原子百分数的硼和大约9个原子百分数的硅，其余部分是铁和附带的杂质。这种条由Honeywell International Inc.出售，商标为METLAS合金2605SA-1。
指定的用于本发明的元件10的非晶体金属条的磁性能可以通过在一定温度和时间内进行热处理来增强，所述温度和时间应当足以提供所需的增强，而不用改变条的基本上全部的玻璃状的微观结构。在热处理的至少一部分期间，至少最好在冷却部分期间，可以选择对带施加磁场。
适用于元件10的特定非晶体合金的磁性能可以通过对所述合金进行热处理，使得形成纳米级晶体(nanocrystalline)微观结构来大大改善。这些微观结构的特征在于，其中存在高密度的颗粒，所述颗粒具有小于大约100纳米的尺寸，小于大约50纳米较好，小于大约10-20纳米最好。所述颗粒最好占据铁基合金的至少50％的体积。这些优选的材料具有低的铁心损失和低的磁致伸缩。后一种性质使得材料不易因元件10在制造与/或操作期间产生的应力而导致磁性能的劣化。在给定的合金中用于生产纳米级晶体结构所需的热处理必须在比为了保持其中具有基本上全部的玻璃状微观结构而进行的热处理较高的温度或较长的时间内进行。此处使用的术语非晶体金属和非晶体合金还包括这样的材料，其最初具有基本上全部的玻璃状微观结构，随后通过热处理或其它处理转换成具有纳米级晶体微观结构的材料。可以通过热处理而形成纳米级晶体微观结构的非晶体合金还通常被简称为纳米级晶体合金。本发明的方法使得纳米级晶体合金能够形成最终的块状磁元件所需的几何形状。这种形成方法被方便地进行，同时在进行所述材料的热处理以便形成更脆和更难于处理的纳米级晶体结构之前仍然保持其铸造的、可延展的、基本上非晶体的形式。
两种优选的能够通过形成纳米级晶体微观结构来大大增强其磁性能的合金由以下的通式给出，其中的下标是原子百分数。
第一种优选的纳米级晶体合金是Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw，其中R是Ni和Co至少之一，T是Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Mo，和W中的至少一种，Q是Cu，Ag，Au，Pd，和Pt中的至少一种，u的范围从0大约到10，x的范围大约为3-12，y的范围大约为0-4，z的范围大约为5-12，w的范围大约为0-8。此后，这种合金被热处理，从而在其中形成纳米级晶体微观结构，其具有高的饱和磁感应(例如至少1.5T)，低的铁心损失，和低的饱和磁致伸缩(例如具有绝对值小于4×10-6的磁致伸缩)。这种合金尤其适用于其中元件尺寸必须小型化或者用于要求高的气隙磁通的极面磁体的情况。
第二种优选的纳米级晶体合金是Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw，其中R是Ni和Co至少之一，T是Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Mo，和W中的至少一种，Q是Cu，Ag，Au，Pd，和Pt中的至少一种，u的范围从0大约到10，x的范围大约为1-5，y的范围大约为0-3，z的范围大约为5-12，w的范围大约为8-18。此后，这种合金被热处理，从而在其中形成纳米级晶体微观结构，其具有至少大约1.0T的饱和磁感应，特别低的铁心损失，和低的饱和磁致伸缩(例如具有绝对值小于4×10-6的磁致伸缩)。这种合金尤其适用于以非常高的频率激磁的元件(例如要求励磁频率在1000赫兹更高)。
包括具有一个或几个极面磁体的电磁系统通常是用于在电磁体的气隙中产生时变磁场的系统。时变磁场可以是完全的交流磁场，即其时间平均值是0的磁场。选择地，时变磁场也可以具有非零的时间平均值，一般被称为磁场的直流分量。在这种电磁系统中，至少一个极面磁体处于时变磁场之下，结果，极面磁体伴随着每个激磁周期被磁化和去磁。在极面磁体内的时变磁通密度或磁感应由于铁心中的铁心损失而引起发热。
块状非晶体金属磁元件比由其它的铁基磁金属制造的元件能够更有效地磁化和去磁。当被用作极磁体时，所述块状非晶体金属磁元件和由其它的铁基磁金属制造的元件相比，当二者在相同的磁感应和频率下被磁化时，所述块状非晶体金属磁元件发热较少。此外，在本发明中优先使用的铁基非晶体金属比其它低损耗的软磁材料例如坡莫合金具有大得多的饱和磁感应，坡莫合金的饱和磁感应一般是0.6-0.9T。因此，和由其它的铁基磁金属制造的元件相比时，所述块状非晶体金属磁元件可以被设计成在以下条件下工作：1)低的工作温度；2)较高的磁感应，从而可以减少体积和重量；或者3)较高的频率，以便减少体积和重量，或者能够实现优异的信号分辨率。
如本领域中所熟知的那样，铁心损失是一种当铁磁材料的磁化随时间而改变时发生在所述铁磁材料中的能量的耗散。给定的磁元件的铁心损失一般通过周期地对所述元件进行激磁来确定。对所述元件提供时变的磁场，从而在其中产生相应的时变的磁感应或磁通密度。为了使测量标准化，激磁一般这样选择，使得磁感应随时间按频率为f的正弦变化，并具有峰值Bmax。然后利用公知的电子测量仪器和技术确定铁心损失。铁心损失一般以每单位质量或体积的被激磁的磁材料的瓦数被报告。在本领域中已知铁心损失随着f和Bmax单调增加。用于检测在极面磁体的元件中使用的软磁材料的铁心损失的大多数标准的规约(例如ASTM标准A912-93和A927(A927M-94))需要位于基本上闭合的磁路中的一个所述材料的试样，所述闭合磁路是这样一种结构，即其中闭合的磁力线被完全包括在所述试样的体积内。在另一方面，在例如极面磁体中使用的磁材料位于磁开路中，即这样一种结构，即其中磁力线必须穿过气隙。由于磁场的边缘效应和磁场的非均匀性，和在闭路测量时相比，在开路中受试的给定的材料一般具有较高的铁心损失，即较高的每单位质量或体积的瓦数。本发明的块状非晶体金属磁元件即使在开路结构中，在宽的磁通密度和频率范围内，仍然呈现低的铁心损失。
不受任何理论的约束，可以相信本发明的低损耗的块状非晶体金属磁元件的总的铁心损失由磁滞损失和涡流损失构成。它们都是峰值磁感应Bmax和励磁频率f的函数。现有技术中对于非晶体金属的铁心损失的分析(见G.E.Fish.J.Appl.Phys.57，3569(1985)和G.E.Fish etal.，Appl.Phys.64，5370(1998))一般局限于磁材料在闭合磁路中获得的数据。
本发明的块状非晶体金属磁元件的每单位质量的总的铁心损失L(Bmax。f)基本上可以由以下形式的函数确定：
L(Bmax，f)＝c1f(Bmax)n+C2fq(Bmax)m
其中系数c1和c2，以及指数n，m和q必须由实验确定，没有已知的理论能够精确地确定它们的值。使用这个公式能够确定在任何所需的操作磁感应和励磁频率下的本发明的块状非晶体金属磁元件的总的铁心损失。一般地说，基本上发现，在特定的几何结构的块状非晶体金属磁元件中的磁场在空间是不均匀的。例如本领域中已知的有限元模拟技术能够提供接近在实际的块状非晶体金属磁元件中测量的磁通密度分布的峰值磁通密度的在空间和时间上的改变的估算。这些技术可以用作在空间均匀的磁通密度下给出材料的铁心损失的合适的实验公式，它们够以合适的精度预测给定元件在其操作配置下的相应的铁心损失。
本发明的磁元件的铁心损失的测量可以使用本领域中已知的许多方法进行。下面说明尤其适用于测量本发明的磁元件的一种方法。所述方法包括形成具有本发明的磁元件和磁通闭合结构装置的磁路。可选择地，所述磁路可以包括多个本发明的磁元件和磁通闭合结构装置。所述磁通闭合结构装置最好包括具有高的导磁率和至少等于要被检测的磁元件的磁通密度的饱和磁通密度的软磁材料。最好所述软磁材料具有至少等于元件的饱和磁通密度的饱和磁通密度。磁通的方向基本上确定了元件的第一和第二相对表面，沿着所述方向元件被检测。磁力线基本上垂直于第一相对表面的平面的方向进入元件。磁力线一般沿着非晶体金属条的平面进入，并从第二个相对表面穿出。磁通闭合结构装置一般包括磁通闭合磁元件，其最好按照本发明构成，但是也可以按照其它的方法使用本领域已知的材料构成。磁通闭合磁元件也具有第一和第二相对的表面，通过这些表面磁力线沿基本上垂直于所述表面的方向进入和穿出。磁通闭合磁元件的相对表面的尺寸和形状和在实际测试期间和磁通闭合元件匹配的磁元件的各个表面的尺寸和形状基本相同。磁通闭合磁元件和本发明的磁元件呈匹配关系，其第一和第二表面分别紧靠并基本上邻接本发明的磁元件的第一和第二表面。通过在环绕本发明的磁元件或磁通闭合元件的第一绕组输入电流来提供磁势。由在环绕被测试的磁元件的第二绕组感应的电压按照法拉第定律确定最终的磁通密度。由所述磁势和安培定律确定施加的磁场。然后由施加的磁场和所得的磁通密度利用常规的方法计算铁心损失。
参见图5，其中示出了元件10，其铁心损失可以由下面要说明的测试方法容易地确定。铁心70的长边78b被用作进行铁心损失测试的磁元件10。铁心70的其余部分用作磁通闭合结构装置，它们基本上是C形的，并包括4个有圆的拐角76，短边74和长边78a。分开有圆的拐角76、短边74和长边78a的每个切缝72是可以选择的。最好是，只形成使长边78b和铁心70的其余部分分开的切缝。通过切割铁心70除去长边78b而形成的切割表面限定了磁元件的相对表面和磁通闭合磁元件的相对表面。在进行测试时，使长边78b和被切缝限定的相应的表面平行且紧密接触。长边78b的表面在尺寸和形状基本上和磁通闭合磁元件的表面的尺寸和形状相同。两个铜线绕组(未示出)环绕长边78b。使一个合适幅值的交流电流通过第一绕组，从而提供在所需的频率和峰值磁密下激励长边78b的磁势。在长边78b和在磁通闭合磁元件中的磁力线基本上在条22的平面内，并沿周向行进。在第二绕组中感应出代表随时间改变的磁密的电压。由测量的电压和电流值利用常规的电子装置确定铁心损失。
为了更完整地理解本发明，下面给出一些例子。其中的特定的技术、条件、材料、比例和报告数据用于说明本发明的原理和实施，它们只是示例性的，不应当被解释为对本发明的范围的限制。
例1
非晶体金属矩形棱柱的制备和电磁测试
大约60毫米宽，0.022毫米厚的Fe80B11Si9非晶体金属材料带层，围绕尺寸大约为25毫米×90毫米的矩形心轴或者卷轴绕制。围绕心轴或卷轴大约缠绕800圈的非晶体金属材料，从而形成一个矩形的铁心形式，其内部尺寸大约为25毫米×90毫米，积累厚度大约为20毫米。所述的铁心/卷轴装置被在氮气中退火。所述退火包括：1)把装置加热到365℃；2)在大约365℃的温度下保持大约2小时；以及3)使所述装置冷却到环境温度。将所述矩形的、绕制的、非晶体金属铁心从所述铁心/卷轴装置上除去。所述铁心利用环氧树脂溶液进行真空浸渍。所述卷轴被复位，并且重新组装的、浸渍过的铁心/卷轴装置在120℃下固化大约4.5小时。当全部固化时，从铁心/卷轴装置中再次除去铁心。所得的矩形的、绕制的、环氧树脂连结的非晶体金属铁心大约重2100克。
利用1.5毫米厚的切割刀片从环氧树脂连结的非晶体金属铁心切割60毫米长、40毫米宽、20毫米厚的矩形棱柱(大约800层)。矩形棱柱和铁心的剩余部分的切割表面在硝酸水溶液中被浸蚀，并用氢氧化铵水溶液清洗。铁心的剩余部分被在硝酸水溶液中浸蚀，并利用氢氧化铵水溶液清洗。然后把矩形棱柱和铁心的剩余部分重新装配成完整的切割铁心的形状。把一次和二次电线圈固定到铁心的剩余部分。在室温以及60赫兹，1000赫兹，5000赫兹和20000赫兹下对切割出的铁心进行电测试，并和类似的测试结构[National ArnoldMagnetics，17030 Muskrat Avenue，Adelanto，CA 92301(1995)]的其它磁材料的类别值进行比较。所得结果编成下面的表1，2，3和4。
表1
在60Hz时的铁心损失(W/kg)
Figure C01806129D00171
表2
在1000Hz时的铁心损失(W/kg)
Figure C01806129D00172
Figure C01806129D00181
表3
在5000Hz时的铁心损失(W/kg)
Figure C01806129D00182
表4
在20000Hz时的铁心损失(W/kg)
Figure C01806129D00183
如表3和表4的数据所示，在5000赫兹或更高的励磁频率下铁心损失特别低。因而，本发明的磁元件尤其适用于极面磁体。
例2
非晶体金属梯形棱柱的制备
大约48毫米宽，0.022毫米厚的Fe80B11Si9非晶体金属条被切割成大约300毫米的长度。大约3800层的切割的非晶体金属材料条层被叠置，从而形成大约48毫米宽和300毫米长，积累厚度大约为96毫米的棒。所述棒在氮气中退火。所述退火包括：1)把所述棒加热到365℃；2)在大约365℃的温度下保持大约2小时；以及3)使所述装置冷却到环境温度。所述棒利用环氧树脂溶液进行真空浸渍，并在120℃下固化大约4.5小时。所得的叠置的，环氧树脂连结的非晶体金属棒大约重9000克。
利用1.5毫米厚的切割刀片从叠置的、环氧树脂连结的非晶体金属棒切割形成梯形棱柱。所述棱柱的梯形表面具有52和62毫米的底和48毫米的高度。所述梯形棱柱的厚度为96毫米(3800层)。梯形棱柱和铁心的剩余部分的的切割表面在硝酸水溶液中被浸蚀，并用氢氧化铵水溶液清洗。
当在1000赫兹下激励到1.0T的峰值磁感应时，所述梯形棱柱具有小于11.5W/kg的铁心损失。
例3
具有弧形截面的多面体块状非晶体金属磁元件的制备
大约50毫米宽，0.022毫米厚的Fe80B11Si9非晶体金属带被切割成大约300毫米长。大约3800层的切割的非晶体金属材料带层被叠置，从而形成大约50毫米宽和300毫米长，积累厚度大约为96毫米的棒。所述棒在氮气中退火。所述退火包括：1)把所述棒加热到365℃；2)在大约365的温度下保持大约2小时；以及3)使所述棒冷却到环境温度。所述棒利用环氧树脂溶液进行真空浸渍，并在120℃下固化大约4.5小时。所得的叠置的，环氧树脂连结的非晶体金属棒大约重9200克。
使用放电切割把叠置的、环氧树脂连结的非晶体金属棒切割成三维的弧形的块。所述块的外径大约为96毫米。内径大约为13毫米。弧长大约为90度。块的厚度大约为96毫米。
大约20毫米宽，0.022毫米厚的Fe80B11Si9非晶体金属围绕外径大约为19毫米的心轴或卷轴缠绕。围绕所述心轴或卷轴缠绕所述非晶体金属材料带大约1200圈，从而形成内径大约为19毫米，外径大约为48毫米的环形铁心。所述铁心的积累厚度大约为29毫米。所述铁心在氮气中退火。所述退火包括：1)把所述棒加热到365℃；2)在大约365℃的温度下保持大约2小时；以及3)使所述铁心冷却到环境温度。所述铁心利用环氧树脂溶液进行真空浸渍，并在120℃下固化大约4.5小时。所得的叠置的、环氧树脂连结的非晶体金属铁心大约重71克。
绕制的，环氧树脂连接的非晶体金属铁心利用喷射水流切割而形成半环形的三维形状的物体。所述半环形的物体具有大约19毫米的内径、大约48毫米的外经和大约20毫米的厚度。
多面体的块状非晶体金属元件的切割表面在硝酸水溶液中被浸蚀，并用氢氧化铵水溶液清洗。
当在1000赫兹下激励到1.0T的峰值磁感应时，所述每个多面体的块状非晶体金属磁元件具有小于11.5W/kg的铁心损失。
例4
低损耗的块状非晶体金属磁元件的高频性能
利用常规的非线性回归方法对上述的例1中取得的铁心损耗数据进行了分析。确定由Fe80B11Si9非晶体金属带构成的低损耗的块状非晶体金属磁元件的铁心损失基本上由以下的函数限定：
L(Bmax，f)＝c1f(Bmax)n+C2fq(Bmax)m
选择系数c1，c2和指数n，m和q的合适的值，从而确定块状非晶体金属磁元件的磁损失的上限。表5引用了测量的例1元件的损失和由上式预测的损失，其单位是每千克瓦。作为f(Hz)和Bmax(T)的函数的预测的损失利用系数c1＝0.0074，c2＝0.000282，指数n＝1.3，m＝2.4，q＝1.5。例1的块状非晶体金属磁元件的测量的损失小于由公式预测的相应的损失。
表5
 
点 B<sub>max</sub>(特斯拉) 频率(Hz) 测得的铁心损失(W/kg)         预测的铁心损失(W/kg)        
1 0.3 60 0.1 0.10
2 0.7 60 0.33 0.33
3 1.1 60 0.59 0.67
4 1.3 60 0.75 0.87
5 1.4 60 0.85 0.98
6 0.3 1000 1.92 2.04
7 0.5 1000 4.27 4.69
8 0.7 1000 6.94 8.44
9 0.9 1000 9.92 13.38
10 1 1000 11.51 16.32
11 1.1 1000 13.46 19.59
12 1.2 1000 15.77 23.19
13 1.3 1000 17.53 27.15
14 1.4 1000 19.67 31.46
15 0.04 5000 0.25 0.61
16 0.06 5000 0.52 1.07
17 0.08 5000 0.88 1.62
18 0.1 5000 1.35 2.25
19 0.2 5000 5 6.66
20 0.3 5000 10 13.28
21 0.04 20000 1.8 2.61
22 0.06 20000 3.7 4.75
23 0.08 20000 6.1 7.41
24 0.1 20000 9.2 10.59
25 0.2 20000 35 35.02
26 0.3 20000 70 75.29
例5
纳米级晶体合金矩形棱柱的制备
大约25毫米的宽度和0.018毫米厚的Fe73.5Cu1Nb3B9Si13.5非晶体金属带被切割成大约300毫米长。大约1200层的切割的非晶体金属带被叠置，从而形成大约25毫米宽和300毫米长，积累厚度大约为25毫米的棒。所述棒在氮气中退火。所述退火按照以下步骤进行：1)把所述棒加热到580℃；2)在大约580℃的温度下保持大约1小时；以及3)使所述棒冷却到环境温度。所述棒利用环氧树脂溶液进行真空浸渍，并在120℃下固化大约4.5小时。所得的叠置的，环氧树脂连结的非晶体金属棒大约重1200克。
使用1.5毫米厚的切割刀片将叠置的环氧树脂浸渍的非晶体金属棒切割成矩形的棱柱。所述棱柱的表面大约25毫米宽、50毫米长。矩形棱柱的厚度为25毫米(1200层)。所述矩形棱柱的切割表面在硝酸水溶液中被浸蚀，并用氢氧化铵水溶液清洗。
当在1000赫兹下激励到1.0T的峰值磁感应时，所述矩形棱柱具有小于11.5W/kg的铁心损失。
上面对本发明进行了详细说明，应当理解，不必严格地限制于这些细节，本领域技术人员不脱离权利要求书限定的本发明范围可以作出各种改变和改进。

Claims (26)

1、块状非晶体金属磁元件，包括多个被叠置在一起并且借助真空浸渍的环氧树脂固化以形成多面体形部件的、形状相同的非晶体金属条，所述多面体形部件由叠置的块条或绕制铁心切割而成，所述块状非晶体金属磁元件当在励磁频率f下工作达到峰值磁感应Bmax时具有小于L的铁心损失，其中L由公式L＝0.0074f(Bmax)1.0+0.000282f1.5(Bmax)2.4给出，所述铁心损失、励磁频率和峰值磁感应值的单位分别是每千克瓦、赫兹和特斯拉。
2、如权利要求1所述的块状非晶体金属磁元件，所述非晶体金属条具有由通式M70～85Y5～20Z0～20限定的组成，下标是原子百分数，其中，M至少是Fe、Ni和Co中的一种，Y至少是B、C和P中的一种并且C和P的含量最多为5个原子百分数，Z至少是Si、Al和Ge中的一种并且Al和Ge的含量最多为5个原子百分数，其中，(i)最多10个原子百分数的成分M由金属物质Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta、Hf、Ag、Au、Pd、Pt和W中的至少一种代替，(ii)最多10个原子百分数的成分(Y+Z)的由非金属物质In、Sn、Sb和Pb中的至少一种代替，(iii)最多1个原子百分数的成分(M+Y+Z)是伴随的杂质。
3、如权利要求2所述的块状非晶体金属磁元件，其特征在于，每个所述非晶体金属条具有这样的组成，其中含有至少70个原子百分数的Fe，至少5个原子百分数的B，和至少5个原子百分数的Si，其中，B和Si的总含量最少为15个原子百分数。
4、如权利要求3所述的块状非晶体金属磁元件，其特征在于，所述每个非晶体金属条具有由通式Fe80B11Si9限定的组成。
5、如权利要求2所述的块状非晶体金属磁元件，其特征在于，所述非晶体金属条具有经热处理而形成的纳米级晶体微观结构。
6、如权利要求5所述的块状非晶体金属磁元件，其特征在于，所述每个非晶体金属条具有由通式Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw，其中R至少是Ni和Co中之一，T是Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一种，Q是Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一种，u的范围从0到10，x的范围为3到12，y的范围为0到4，z的范围为5到12，w的范围为0到小于8。
7、如权利要求5所述的块状非晶体金属磁元件，其特征在于，每个所述非晶体金属条具有由通式Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw确定的组成，其中R至少是Ni和Co中之一，T是Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo和W中的至少一种，Q是Cu、Ag、Au、Pd和Pt中的至少一种，u的范围从0到10，x的范围为1到5，y的范围为0到3，z的范围为5到12，w的范围为8到18。
8、如权利要求1所述的块状非晶体金属磁元件，其特征在于，所述元件具有三维多面体形状，其具有至少一个矩形的截面。
9、如权利要求1所述的块状非晶体金属磁元件，其特征在于，所述元件具有三维多面体形状，其具有至少一个梯形的截面。
10、如权利要求1所述的块状非晶体金属磁元件，其特征在于，所述块状非晶体金属磁元件具有三维多面体形状，其具有至少一个正方形截面。
11、如权利要求1所述的块状非晶体金属磁元件，其特征在于，所述元件包括至少一个弓形表面。
12、如权利要求1所述的块状非晶体金属磁元件，其特征在于，所述块状非晶体金属磁元件当在60赫兹的频率和1.4T的磁通密度下工作时，具有每千克小于或等于1瓦的非晶体金属材料铁心损失。
13、如权利要求1所述的块状非晶体金属磁元件，其特征在于，所述元件当在1000赫兹的频率和1.0T的磁通密度下工作时，具有每千克小于或等于12瓦的非晶体金属材料铁心损失。
14、如权利要求1所述的块状非晶体金属磁元件，其特征在于，所述块状非晶体金属磁元件当在20000赫兹的频率和0.30T的磁通密度下工作时，具有每千克小于或等于70瓦的非晶体金属材料铁心损失。
15、用于构造块状非晶体金属磁元件的方法，包括以下步骤：
(a)提供多个呈层叠体的非晶体金属条材料条；
(b)将所述层叠体退火；
(c)用环氧树脂真空浸渍所述层叠体并固化所述树脂浸渍的层叠体；
(d)以预定长度切割所述层叠体，从而提供多个具有预定的三维几何形状的多面体形的磁元件，
所述块状非晶体金属磁元件当在励磁频率f下被激励到峰值磁感应值Bmax时，具有小于L的铁心损失，其中L由公式L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282 f1.5(Bmax)2.4给出，所述铁心损失、励磁频率和峰值磁感应值的单位分别是每千克瓦、赫兹和特斯拉。
16、如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述层叠体呈叠置的棒的形式，其中包括多个被切割成预定长度的条。
17、如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述层叠体呈卷绕的矩形铁心的形式，其具有圆的拐角。
18、如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)包括使用切割刀片、切割轮、喷射水流或放电机切割所述非晶体金属条材料。
19、如权利要求15所述的方法，其特征在于，每个所述切割成的条具有由通式M70～85Y5～20Z0～20限定的组成，下标是原子百分数，其中M至少是Fe、Ni和Co中的一种，Y至少是B、C和P中的一种并且C和P的含量最多为5个原子百分数，Z至少是Si、Al和Ge中的一种并且Al和Ge的含量最多为5个原子百分数，其中，(i)最多10个原子百分数的成分M的由金属物质Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta、Hf、Ag、Au、Pd、Pt和W中的至少一种代替，(ii)最多10个原子百分数的成分(Y+Z)由非金属物质In、Sn、Sb和Pb中的至少一种代替，(iii)最多1个原子百分数的成分(M+Y+Z)是伴随的杂质。
20、如权利要求19所述的方法，其特征在于，每个所述非晶体金属条具有由通式Fe80B11Si9限定的组成。
21、如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述元件具有三维多面体形状，其具有至少一个矩形的截面。
22、如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述块状非晶体金属磁元件具有三维多面体形状，其具有至少一个梯形截面。
23、如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述元件具有三维多面体形状，其具有至少一个方形的截面。
24、如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述元件具有三维多面体形状，其具有至少一个弓形的截面。
25、如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述块状非晶体金属磁元件具有由通式M70～85Y5～20Z0～20限定的组成，下标是原子百分数，其中M至少是Fe、Ni和Co中的一种，Y至少是B、C和P中的一种并且C和P的含量最多为5个原子百分数，Z至少是Si、Al和Ge中的一种并且Al和Ge的含量最多为5个原子百分数，其中，(i)最多10个原子百分数的成分M的由金属物质Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta、Hf、Ag、Au、Pd、Pt和W中的至少一种代替，(ii)最多10个原子百分数的成分(Y+Z)由非金属物质In、Sn、Sb和Pb中的至少一种代替，(iii)最多1个原子百分数的成分(M+Y+Z)是伴随的杂质。
26、如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述环氧树脂是一种真空浸渍到所述铁心的环氧树脂溶液。
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