CN101027733A - 大块层压非晶体金属感应装置 - Google Patents

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Abstract

一种大块非晶体金属感应装置包括具有至少一个低损耗大块铁磁非晶体金属磁性部件的磁芯，所述部件形成在其中具有空气间隙的磁路。所述装置具有一个或多个电绕组且可被用作电子电路中的变压器或感应器。所述部件包括多个具有相似形状的非晶体金属带的层，所述层被连结在一起以形成多面体形状的部分。所述装置的低铁芯损耗，例如当其在5kHz的励磁频率到0.3T的峰值磁感应强度大小“Bmax”下被励磁时，其具有至多约10W/Kg的损耗，使其尤其有益于用于在5kHz或更高的频率下的以开关模式操作的功率调节电路中的应用。所述部件采用包括切割所需形状的层压结构的工艺进行制造。切割出的层压结构被叠置和对齐，并且使用粘结剂进行连结。有利地采用冲压或光刻浸蚀技术进行层压结构的切割。发明的装置易于进行定制用于专门的磁性应用，例如用作采用开关模式的电路拓扑和在1kHz到200kHz或更高的范围内的开关频率的功率调节电子电路中的变压器或感应器。

Description

大块层压非晶体金属感应装置
技术领域
本发明涉及感应装置，且更具体而言，涉及具有包括一个或多个大块非晶体金属磁性部件的铁芯的高效、低铁芯损耗的感应装置。
背景技术
感应装置是多种现代电气设备和电子设备的主要部件，其在最通常情况下包括变压器和感应器。大部分这些装置采用包括软铁磁性材料的铁芯和一个或多个围绕所述铁芯的电绕组。感应器通常采用具有两个端子的单个绕组，且用作过滤器和能量储存装置。变压器通常具有两个或多个绕组。它们将电压从一个级别变换到至少一个另外的所需级别，并使整体电路的不同部分电绝缘。感应装置可具有广泛变化的尺寸，所述广泛变化的尺寸具有相应变化的功率容量。不同类型的感应装置被最优化用于在从直流(DC)到千兆赫兹(GHz)的遍及非常宽的范围内的频率下的操作。实际上，每个已公知类型的软磁性材料都在感应装置的构造中得到了应用。具体软磁性材料的选择取决于需要的性质、以使材料本身被有效的制造的形式存在的材料的可获得性和服务于给定市场所需要的体积和成本的组合。通常情况下，所希望的软铁磁芯材料具有用以使铁芯尺寸最小化的高饱和磁感应强度Bsat、和低矫顽力He、高磁导率μ、和低铁芯损耗以使效率最大化。
用于电气和电子装置的例如马达和从小尺寸到中等尺寸的感应器和变压器的部件通常利用由各种级别的磁性钢冲压而成的层压结构被构造，所述磁性钢以具有低到100μm厚度的板材被供应。所述层压结构通常被层叠和紧固并随后被所需要的一个或多个通常包括高传导率的铜或铝线的电绕组卷绕。这些层压结构通常以各种已公知的形状被用于铁芯中。
用于感应器和变压器的许多形状由大体上具有某些印刷体字母，例如“C”“U”“E”和“I”，所述部件通过所述字母被识别，的形式的构成部件组装而成。所述组装形状可进一步由反映所述构成部件的字母表示，例如，“E-I”形状通过将“E”部件与“I”部件组装在一起被制成。其它广泛使用的组装形状包括“E-E”“C-I”和“C-C”。用于具有这些形状的现有技术铁芯的构成部件已经既由常规晶体铁磁金属的层压板又由已加工的大块软铁氧体块构造而成。
尽管与其它普通软铁磁性材料相比，许多非晶体金属提供了优良的磁性能，但某些它们的物理性质使常规的制造技术是困难的或不可能的。非晶体金属通常被供应作为具有均匀条带宽的薄的、连续的条带材。然而，非晶体金属实际上比所有常规金属软磁性合金更薄和更硬，因此常规的层压结构的冲轧或冲压导致了制造工具和冲模的过度磨损，所述过度磨损导致快速损坏。由此引起的加工和制造成本的增加使得利用这种常规技术制造大块非晶体金属磁性部件在商业上不实用。非晶体金属较薄的性质也转化为形成具有给定横截面和厚度的部件所需要的层压结构数量的增加，这进一步增加了非晶体金属磁性部件的总成本。被用以使铁氧体块成形的加工技术通常也不适于加工非晶体金属。
非晶体金属的性质通常通过退火处理被最优化。然而，所述退火通常使非晶体金属变得非常脆，还使常规制造工艺复杂化。作为前面提到的困难的结果，被广泛和容易地用以形成硅钢和其它相似的金属板材形式的FeNi和FeCo基的晶体材料的成形层压结构的技术还未发现适于制造非晶体金属装置和部件。非晶体金属因此还未被市场接受用于许多装置；尽管存在应从高磁感应强度、低损耗材料的使用中原则上意识到的尺寸、重量和能量效率的改进的巨大潜力，但是情况就是如此。
对于电子应用，例如饱和电抗器和一些扼流器而言，非晶体金属已经以螺旋形卷绕的圆环形铁芯的形式被采用。以这种形式存在的装置可在商业上得到，其直径通常在几个毫米到几个厘米的范围内并通常被用在供应达几百伏安(VA)的开关模式的功率源中。这种铁芯构型提供了完全闭合的磁路，且具有可忽略的退磁系数。然而，为了达到所需能量储存能力，许多感应器需要包括不连续的空气间隙的磁路。间隙的存在导致了不可忽略的退磁系数和相关的形状各向异性，所述退磁系数和形状各向异性在剪切的磁化回线中是显然的。所述形状各向异性可比可能的感应磁各向异性高得多，这成比例地增加了能量储存容量。具有不连续空气间隙的环形铁芯和常规材料已经被建议用于这种能量储存应用。
然而，带绕环形铁芯中的内在应力引起了某些问题。绕组固有地使带材的外表面处于拉伸状态和内表面处于压缩状态。为确保平滑的绕组所需要的线性张力促使产生了附加应力。作为磁致伸缩的结果，卷绕的环形铁芯通常呈现比相同的带材在扁平带材构型情况下测量的磁性更差的磁性。退火处理通常仅能够释放一部分应力，因此仅消除了一部分劣化。此外，使卷绕的环形铁芯频繁地造成间隙导致了附加的问题。卷绕结构中的任何残余的圆周应力由于间隙的形成而至少部分地被除去。实际上，净圆周应力是不可预计的而且是或压缩性或拉伸性的。因此实际间隙根据需要在分别的情况下倾向于闭合或打开不可预计的量以建立新的应力平衡。因此，最终间隙通常与预期的间隙不同，缺乏矫正措施。由于铁芯的磁阻很大程度上由间隙确定，完成的铁芯的磁性通常很难在大量生产过程中在一致的基底上再现。
此外，设计人员寻求灵活性，所述设计灵活性不能由有限选择的标准的具有间隙的环形铁芯结构所提供。对于这些应用来说，使用者所希望的是能够调节所述间隙以便选择所需的剪切程度和能量储存。此外，将绕组施加到环形铁芯上所需的设备比可比较的用于层压铁芯的绕组设备操作起来更复杂、昂贵和困难。具有环形几何形状的铁芯通常不能用于高电流应用中，这是因为规定了额定电流的粗径金属丝不能弯曲到环形绕组所需的程度。此外，环形设计仅具有单条磁路。结果是，它们不能很好地适用于单向应用。因此特别是要寻求用于多相(包括三相)应用的更顺应容易的制造和应用，同时仍提供有吸引力的磁性能和效率的其它构型。
非晶体金属还已经被用于功率高得多的装置的变压器中，例如用于电力网络的具有10kVA至1MVA或更多的铭牌额定值的分布式变压器。用于这些变压器的铁芯通常被形成阶梯接缝工艺卷绕的、大体上矩形的构型。在一种通常的构造方法中，矩形铁芯被首先形成并进行退火处理。所述铁芯随后被解开束缚以允许预形成的绕组在铁芯的长腿部上滑动。在引入预形成的绕组后，所述层被再次束紧和紧固。在被授权给Ballard的美国专利4,734,975中阐述了用于以这种方式构造分布式变压器的典型工艺。这种工艺可理解地需要相当大量的体力劳动和处理步骤，所述处理步骤包括脆性退火的非晶体金属条带。对于小于10kVA的铁芯，完成这些步骤是尤其冗长和困难的。此外，在这种构型中，铁芯不易受许多感应器应用所需要的可控制的空气间隙引入的影响。
与铁磁非晶体金属的使用相关的另一个困难起因于磁致伸缩现象。任何磁致伸缩材料的某些磁性响应于施加的机械应力而发生变化。例如，当包括非晶体材料的部件受到应力作用时，其磁导率通常降低，且其铁芯损耗增加。由于磁致伸缩现象的非晶体金属装置的软磁性的劣化可归因于应力导致的磁致伸缩现象，所述应力由包括在铁芯制造过程中的变形、由于将非晶体金属机械地夹紧或以另外的方式将其固定在适当位置而产生的机械应力和热膨胀和/或由于非晶体金属材料的磁饱和所致的膨胀导致的内应力的起源的任何组合导致产生。由于非晶体金属磁性装置受到应力作用，其引导或聚集磁通量的地方的效率被降低，这导致了更高的磁损耗、降低的效率、增加的热产生和降低的功率。这种劣化的程度通常是相当大的。其取决于具体的非晶体材料和应力的实际强度，如美国专利5,731,649所述。
非晶体金属具有比许多其它常规软磁性材料，包括普通电工钢，低得多的各向异性能。对这些常规金属的磁性具有有害效应的应力级别对例如导率和铁芯损耗的磁性，所述性质对于感应部件是重要的，具有严重的影响。例如，‘649专利教导了通过将非晶体金属绕成线圈而形成非晶体金属铁芯，其具有利用环氧的层压结构，有害地限制了材料的线圈的热和磁饱和膨胀。因此产生了高的内应力和磁致伸缩，其降低了包括这种铁芯的马达和发电机的效率。为了避免应力引起的磁性劣化，‘649专利披露了一种包括多个非晶体金属的层叠或盘绕部分的磁性部件，所述部分在不使用粘结剂连结的情况下被仔细谨慎地安装或包括在电介质套中。
近来技术中的重要趋势已经是利用开关模式的电路拓扑的功率源、转换器和相关电路的设计。可得到的功率半导体开关装置的增加的能力已经允许开关模式的装置可在渐增的高频率下操作。许多以前被设计具有线性调节和在行频(通常在电网中为50-60Hz或在军事应用中为400Hz)下操作的装置现在基于在通常为5-200kHz和有时多达1MHz的频率下的开关模式调节。用于使频率增加的主要驱功率是所需磁性部件的尺寸的伴随降低。然而，频率的增加也显著地增加了这些部件的磁损耗。因此存在降低这些损耗的重要的需要。
磁性部件的限制使得利用现有材料承担了相当大和不希望的设计妥协。在许多应用中，普通电工钢的铁芯损耗是禁止的。在这种情况下，设计者必须被迫使用坡莫合金或铁氧体作为选择。然而，伴随的饱和磁感应强度的降低(例如，对于各种坡莫合金为0.6-0.9T或更低和对于铁氧体为0.3-0.4T，与对于普通电工钢的1.8-2.0T相对)使得需要增加所得到的磁性部件的尺寸。此外，坡莫合金所希望的软磁性受到可发生在相对较低的应力级别下的塑性变形的不利和不可逆转的影响。这种应力可发生在坡莫合金部件的制造或操作过程中。尽管软铁氧体通常具有有吸引力的低损耗，但是它们的低磁感应强度值导致用于许多将空间作为重要的考虑的应用的不实用的大型装置。此外，铁芯的增加的尺寸不希望地使得需要较长的电绕组，所以欧姆损耗增加。
尽管上述披露示出了进展，但本领域中仍存在改进感应装置的需要，所述改进的感应装置呈现出目前要求所需的优良的磁和物理性质的组合。有效的利用非晶体金属且可被实施用于各种类型的装置的大量生产的构造方法也被寻求。
发明内容
本发明提供了一种包括磁芯的高效率感应装置，所述磁芯具有包括至少一个空气间隙的磁路。所述铁芯包括至少一个低损耗大块非晶体金属磁性部件和一个或多个电绕组。部件具有多面体形状且包括多个大体上形状相似的非晶体金属带的平面层，所述层被层叠、对齐和通过粘结剂连结在一起。装置有利地具有低铁芯损耗，例如当其在5kHz的励磁频率“f”下达到0.3T的峰值磁感应强度大小“Bmax”时，其具有小于约10W/kg的铁芯损耗。另一方面，装置具有小于“L”的铁芯损耗，其中L由公式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6给出，所述铁芯损耗、励磁频率和峰值磁感应强度大小的测量单位分别为瓦特/千克、赫兹和特斯拉。
本发明进一步提供了一种用于构造低铁芯损耗的大块非晶体金属磁性部件的方法，包括步骤：(i)切割非晶体金属带材以形成多个平面的层压结构，每个所述层压结构具有大体上相同的预定形状；(ii)层叠和对齐所述层压结构以形成具有三维形状的层压结构叠片；(iii)对层压结构进行退火以改进部件的磁性能；和(iv)通过粘结剂粘结连结所述层压结构叠片。正如下文更详细地讨论地，可以以多种顺序实施用于构造部件的步骤。利用多种技术实施层压结构的切割。优选使用包括使用高硬度成套模具和高应变速率冲头的冲轧操作。对于采用相对较小的层压结构尺寸的实施例，光刻浸蚀(photolithographicetching)优选用于切割。优选通过浸渍工艺实现部件的连结，在所述浸渍工艺中允许低粘度、热活性的环氧渗透层压结构叠片的层之间的空间。
本发明的感应装置的使用见于多种电子电路装置应用中。其可用作变压器、自耦变压器、饱和电抗器或感应器。所述部件在采用各种开关模式电路拓扑的功率调节电子电路装置的构造中尤其有用。本装置在单相和多相应用都是有用的，且尤其在三相应用中是有用的。
在一些实施例中，磁芯具有单个大块磁性部件，而在其它实施例中，多个部件被组装成并置关系以形成磁芯。多个部件通过紧固装置被紧固在适当位置。感应装置进一步包括围绕磁芯的至少一部分的至少一个电绕组。每个部件包括多个大体上形状相似的非晶体金属带的平面层，所述层通过粘结剂被连结在一起以形成具有多个配合面的大体上多面形状的部分。每个部件的厚度大体上相等。通过使每个部件中的非晶体金属的层在大体上平行的平面中，且通过使每个配合面接近装置的另一个部件的配合面，从而组装部件。有利地实现了形成大块非晶体金属磁性部件和组装磁芯的工艺，而未引入达到使软磁性能例如磁导率和铁芯损耗不可接受地劣化的应力级别。
本发明的感应装置被用于多种电路应用中，并且可用作变压器、自耦变压器、饱和电抗器或感应器。所述部件在使用各种开关模式电路拓扑的功率调节装置的构造中尤其有用。所述装置在单相和多相应用，尤其在三相应用中是有用的。
大块非晶体金属磁性部件有利地易于进行组装以形成完成的感应装置的一个或多条磁路。在一些方面中，使所述部件的配合面实现紧密接触以产生具有低磁阻和相对正方形的B-H回线的装置。然而，通过使用被置于配合面之间的空气间隙组装所述装置，增加了磁阻，这提供了具有增强的能量储存容量的装置，所述增强的能量储存容量在许多感应器的应用中是有用的。所述空气间隙选择地被非磁性间隔件填充。还有一个优点是，有限数量的部件的标准尺寸和形状可以以许多不同方式进行组装以为装置提供广泛范围的电特征。
用于构造本装置的部件优选具有大体上与某些印刷体字母例如“C”“U”“E”和“I”的形状相似的形状，所述部件通过所述字母形状被识别。每个部件具有至少两个配合面，所述配合面被使得与其它部件上的相似数量的互补配合面接近且平行。在本发明的一些方面中，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状的柔性允许设计者具有广泛的自由以适当地使整个铁芯和其中的一个或多个绕组窗口最优化。结果是，装置的整个尺寸被最小化，连同铁芯和所需的绕组材料的体积一起被最小化。柔性装置设计和铁芯材料的高饱和磁感应强度的组合在设计具有紧凑尺寸和高效率的电子电路装置中是有益的。与使用较低的饱和磁感应强度的铁芯材料的现有技术感应装置相比，具有给定功率和能量储存额定值的变压器和感应器通常更小和更有效。这些和其它所希望的属性使本装置易于进行定制以用于专门的磁性应用，例如用作采用开关模式的电路拓扑和在1kHz到200kHz或更高的范围内的开关频率的功率调节电子电路中的变压器或感应器。
作为其在周期性的励磁情况下的非常低的铁芯损耗的结果，本发明的磁性装置可在DC到20,000Hz或更高的范围内的频率下进行操作。与在相同的频率范围内操作的常规硅钢磁性部件相比，其呈现了改进的性能特征。
本装置易于设有一个或更多电绕组。有利地，所述绕组可在独立的操作中，在自支承组装过程中或以线圈形式卷绕到绕线筒上，被形成，并在部件中的一个或多个上滑动。所述绕组还可被直接卷绕到部件中的一个或多个上。在现有技术的环形磁芯上设置绕组的困难和复杂性因此被消除了。
附图说明
参考下列对本发明的优选实施例的详细描述和附图，将更充分地理解本发明和易于理解进一步的优点，在所述附图中相似的附图标记表示遍及几个视图中的相似元件，其中：
图1A是示出了在构造本发明的感应装置中所使用的带有间隙的环形铁芯的透视图；
图1B是示出了用于加入到包含在本发明的感应装置中的带有间隙的环形铁芯内的从非晶体金属带上切出的层压结构的平面图；
图2是示出了利用具有“C”和“I”形状的大块非晶体金属磁性部件进行组装的本发明的具有“C-I”形状的感应装置的透视图；
图3A是示出了具有“C-I”形状的本发明的感应装置的平面图，其中“C”和“I”形状的大块非晶体金属磁性部件处于配合接触状态且所述“C”形状的部件在其每个腿部上承载电绕组；
图3B是示出了具有“C-I”形状的本发明的感应装置的平面图，其中“C”和“I”形状的大块非晶体金属磁性部件被间隔件隔开且“I”形状部件承载电绕组；
图3C是示出了具有“C-I”形状且包括具有斜接配合面的大块非晶体金属磁性部件的本发明的感应装置的平面图；
图4是示出了承载电绕组和适于被安放在本发明的感应装置中包括的大块非晶体金属磁性部件上的绕线筒的透视图；
图5是示出了具有“E-I”形状的本发明的感应装置的透视图，所述装置利用具有“E”和“I”形状的大块非晶体金属磁性部件和设置在“E”形状部件的每个腿部上的绕组组装而成；
图6是示出了图5所示装置的一部分的剖面图；
图7是示出了包括“E”和“I”形状的大块非晶体金属磁性部件的“E-I”形状的本发明的感应装置的平面图，所述部件组装带有相应部件的配合面之间的空气间隙和间隔件；
图8是示出了“E-I”形状的本发明的感应装置的平面图，其中大块非晶体金属磁性部件的每个配合面被斜接；
图9是示出了具有大体上“E-I”形状的本发明的装置的平面图，所述装置由五个“I”形状的大块非晶体金属磁性部件组装而成，三个腿部件具有一个尺寸和两个背部件具有另一个尺寸；
图10是示出了正方形的本发明的感应装置的平面图，所述装置由四个大体上相同的“I”形状的大块非晶体金属磁性部件组装而成；
图11是示出了用于构造本发明的感应装置的具有大体上矩形棱柱体形状的大块非晶体金属磁性部件的透视图；
图12是示出了用于构造本发明的感应装置的弧形大块非晶体金属磁性部件的透视图；
图13是具有四边形形状的本发明的感应装置的平面图，所述装置由四个梯形大块非晶体金属磁性部件组装而成；和
图14是用于从非晶体金属条带中冲压出层压结构、叠置、对准、和连结所述层压结构以形成本发明的大块非晶体金属磁性部件的设备和工艺的示意图。
具体实施方式
本发明针对高效率感应装置，例如感应器和变压器。所述装置采用包括一个或多个低损耗大块铁磁非晶体金属部件的磁芯，所述部件形成至少一条磁路。通常情况下，根据本发明构造的多面体形状的大块非晶体金属部件可具有多种几何形状，包括矩形、正方形和梯形棱柱体以及类似形状。此外，任何前面提到的几何形状可包括至少一个弧形表面，和优选两个相对设置的弧形表面，以形成大体上成曲形的或弧形的大块非晶体金属部件。所述感应装置还包括至少一个导电绕组。
在本发明的一个方面中，装置包括具有单个大块非晶体金属部件的磁芯，所述部件由多个平面的层组成，所述层从大块金属带上切割下来且具有大体上相似的形状。所述层被层叠、对齐且通过粘结剂连结。每个层具有空气间隙，所述间隙在层压部件中被置齐以形成整体空气间隙。现在参见图1A和图1B，主要示出了用于构造本发明的感应装置的一种形式的铁芯500。铁芯500包括具有环形形状的单个大块非晶体金属磁性部件，所述环形形状具有被包括的空气间隙510。如图1B最佳显现的多个层502被切割成大体上环形的形状，所述环形形状具有外边缘504和内边缘506。在每个层502中形成从外边缘504延伸至内边缘506的狭槽507。狭槽507的宽度被选择以便在完成的铁芯500中获得适当的退磁系数。铁芯500由多个层502形成，所述层被层叠和对齐以使得它们分别的内边缘506、外边缘504以及狭槽507大体上置齐。置齐的狭槽集合形成了空气间隙510，间隔件(未示出)选择性地插入所述空气间隙中。通过粘结剂，优选通过浸渍低粘度环氧512连结所述层502。在所述的方面中，层是圆形环状体，但其它非圆形形状也是可能的，例如椭圆形、跑道形以及正方形画框状形状和具有任意长宽比的矩形画框状形状。任一个实施例中的层的内棱或外棱选择性地形成圆角。尽管狭槽507示出作为径向方向，但其还可形成从内边缘延伸至外边缘的任何取向。此外，狭槽507可如所述形成大体上矩形的形状，或者其可渐细或与轮廓相合以实现铁芯的B-H回线上的其它所需效应。本发明的感应装置的构造进一步包括在铁芯上设置至少一个环形绕组(未示出)。
可通过各种方法，所述方法包括，不排它地，非晶体金属条带或带的光刻浸蚀或冲压制造所需形状的层502。光刻浸蚀工艺尤其优选用于制造小的部分，这是因为其相对易于实现自动化且提供了对完成的层的严格的、可再生产的尺寸控制。这种控制进一步允许大规模生产包括同一尺寸层压结构且由此具有充分限定且均匀的磁性能的铁芯。本制造方法提供了超越带绕铁芯结构的进一步的优点，所述优点在于在平的层压结构中不存在由于使带弯曲成螺旋结构而产生的内在压缩和拉伸应力。任何由于切割、冲压、蚀刻或相似工艺产生的应力将可能仅被限于单独的层压结构的周边处或其附近的小区域。
在本发明的另一方面中，使用相类似的制造工艺以形成包含在大块非晶体金属磁性部件中的层，所述部件具有与某些印刷体字母例如“C”、“U”、“E”和“I”的形状大体上相似的整体形状，所述部件通过所述字母形状被识别。每个部件进一步包括多个具有大体上相似的形状的非晶体金属的平面层。所述层被叠置成大体上相同的高度和填充密度并被对齐、连结在一起以形成用于本发明的感应装置的所述部件。所述装置通过利用紧固装置将部件紧固成相邻关系被组装，从而形成至少一条磁路。在组装构型中，所有部件中的非晶体金属带的层位于大体上平行的平面中。每个部件具有至少两个配合面，所述配合面与其它部件上的相似数量的互补配合面接近且平行。一些形状，例如C、U、和E形状，终止于通常大体上共面的配合面上。“I”(或矩形棱柱体)形状可在其相对的端部处具有两个平行的配合面或在其长侧，或两侧上具有一个或多个配合面。所述配合面优选与部件中的构成条带的平面垂直以最小化铁芯损耗。本发明的一些实施例还包括具有配合面的大块磁性部件，所述配合面相对于部件的特征的细长方向是斜接的。
在本发明的一些实施例中，当形成具有单条磁路的感应装置时，使用分别具有两个配合面的两个磁性部件。在其它方面中，部件具有两个以上的配合面或所述装置具有两个以上的部件；因此，这些实施例中的一些还提供了一条以上的磁路。正如此处使用的，术语磁路表示通路，通过强加由围绕至少一部分磁路的载流绕组产生的磁动势导致连续的磁通线沿所述通路流动。闭合磁路是一个通路，在所述通路中磁通量排他地位于磁性材料的铁芯内，而磁通量通路的开路部分位于铁芯材料外，例如横穿铁芯的部分之间的空气间隙或非磁性的间隔件。本发明的装置的磁路优选是相对闭合的，磁通量通路主要位于所述装置的部件的磁性层内，但也横穿相应部件的邻近配合面之间的至少两个空气间隙。可通过由空气间隙和可导磁的铁芯材料所贡献的总磁阻的分数确定所述磁路的敞开量。本装置的磁路优选具有磁阻，间隙对所述磁阻的贡献最多是可导磁的部件对磁阻的贡献的十倍。
详细地参见图2，图中主要示出了包括“C”形状的磁性部件2和“I”形状的磁性部件3的具有“C-I”形状的本发明的感应装置1的一种形式。所述“C”形状部件2还包括第一侧腿部10和第二侧腿部14，每个所述腿部从背部4的共同侧中垂直地延伸出来并分别远端终止于第一矩形配合面11和第二矩形配合面15处。所述配合面通常是大体上共面的。侧腿部10、14从背部4一侧的相对端部悬出。“I”部件3是具有第一矩形配合面12和第二矩形配合面16的矩形棱柱体，所述两个配合面都位于部件3的共同侧上。所述配合面12和16具有一定尺寸和其间的间隔，所述间隔与在部件2的腿部10、14的端部处的相应配合面11、15之间的间隔互补。每个侧腿部10、14、所述侧腿部之间的背部4和I部件3均具有大体上矩形几何形状的横截面，所有所述部分和部件优选具有大体上相同的高度、宽度和有效磁面积。就有效磁面积而言，其意味着被磁性材料占据的几何形状横截面内的面积，所述面积等于总几何形状面积与叠片因数之积。
在图3A中最佳示出的本发明的一个方面，在C-I装置1的组装过程中使分别互补的配合面11、12和15、16实现紧密接触。这种布置为装置1提供了低磁阻和伴随的相对正方形的B-H磁化回线。在另一个方面中，参见图3B，选择性间隔件13、17被插入部件2、3的相应配合面之间以在磁路中的部件之间设置间隙，所述间隙已公知是空气间隙。间隔件13、17优选由不传导的、非磁性材料构成，所述材料具有足够的热阻以阻止由于暴露于装置1的组装和操作中遭遇的温度所致的劣化或变形。适当的间隔件材料包括陶瓷和聚合材料和塑料材料例如聚酰亚胺膜和牛皮纸。间隙的宽度优选由间隔件13、17的厚度设定且被选择以达到所需磁阻和退磁系数，进而确定了给定电路应用中所需要的装置1的B-H回线的相关剪切程度。
“C-I”装置1还包括至少一个电绕组。在图2和图3A所示的方面中，设置了围绕相应腿部10、14的第一电绕组25和第二电绕组27。沿正指向流过、在端子25a处进入且在端子25b处流出的电流促使磁通量大体上沿通路22且具有根据右手法则的所示的指向23。所述“C-I”装置1可被操作作为感应器，所述感应器使用绕组25、27中的一个绕组或使用有助于增加电感的串联连接的两个绕组。另一种可选实施方式是，C-I装置1可例如通过被连接作为初级绕组的绕组25和被连接作为次级绕组的绕组27，以电变压器领域中已公知的方式被操作作为变压器。每个绕组中的匝数根据变压器或感应器设计中已公知的原则进行选择。图3B还示出了具有设置在I部件3上的单个绕组28的另一种可选实施的感应器构型。
装置1的至少一个电绕组可位于部件2、3中的任一个部件上的任何位置处，尽管所述绕组优选不影响任何的空气间隙。设置所述绕组的一种便利的方式是将可传导的金属丝，通常是铜或铝，的线匝卷绕在具有中空的内部空间的绕线筒上，所述空间具有一定尺寸以允许其在腿部10、14的一个腿部上滑动，或滑动到I部件3上。图4示出了绕线筒150的一种形式，所述绕线筒具有本体部分152、端部凸缘154和内孔156，所述内孔被形成一定尺寸以允许绕线筒150在需要的磁性部件上滑动。一个或多个绕组158围绕本体部分152。在组装感应装置之前，可在独立的操作中利用简单的绕线设备将金属丝有利地卷绕在绕线筒150上。优选由不传导塑料例如聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂组成的绕线筒150提供了绕组和铁芯之间的附加电绝缘。此外，所述绕线筒在装置的制造和使用过程中为铁芯和绕组提供了机械保护。另一种可选实施方式是，金属丝的线匝可被直接卷绕在部件2、3的一个部件的一部分上。可使用任何已公知形状的金属丝，包括圆形、矩形和窄带形状。
C-I装置1的组件被紧固以为成品装置提供机械完整性和保持构成部件2、3、电绕组25、27、间隙间隔件13、17，如果其存在的话、和辅助硬件的相对定位。所述紧固可包括机械结合、夹固、粘结、罐封或类似方式的任何组合。装置1还可包括在部件2、3的外表面的至少一部分上的绝缘涂层。这种涂层优选在多个方面中不存在于任何配合表面11、12、15、16上，其中部件的尽可能低的磁阻和紧密接触是所需的。如果绕组被直接施加到部件2、3上，那么所述涂层是特别有帮助的，这是由于磨损、变短或对金属丝绕组的绝缘的其它损害要不然可发生。所述涂层可包括环氧树脂或纸或聚合物背衬的窄带或在任一部件周围卷绕的其它已公知的绝缘材料。
图3C示出了本发明的C-I铁芯的另一个实施例。在这个方面中，铁芯51包括C形状部件52和梯形部件53。C部件52的腿部10、14的远端呈向内倾斜的角度，优选45°斜接，并终止于斜接配合面33、36。C部件52在其每个角处还具有呈圆角的外顶点42和内顶点43。这种呈圆角的顶点可存在于用于本发明的所述实施例中的许多部件中。梯形部件53终止于斜接配合面34、37。所述梯形部件53的斜接部呈与C部件52的斜接部互补的角度，优选也是45°。通过这种斜接角度的布置，部件52、53可被并置以使得其相应的配合面或者实现紧密接触或如图2C所示，被略微分开以形成空气间隙，间隔件33、38可选择性地插入所述空气间隙中。
图5-图7示出了提供了包括具有“E”和“I”形状的构成部件的“E-I”装置100的本发明的方面。E部件102包括多个由铁磁金属带制备的层。每个层具有大体上相同的E形状。所述层被连结在一起以形成E部件102，所述E部件102具有大体上均匀的厚度且具有背部104和中间腿部106、第一侧腿部110和第二侧腿部114。中间腿部106和侧腿部110、114中的每个腿部从背部104的共同侧垂直延伸出来并分别远端地终止于矩形面107、111、114。所述中间腿部106从背部104的中间悬出，而侧腿部110、114分别从背部104的相同侧的相对端部悬出。中间腿部106和侧腿部110、114的长度通常大体上相同以使得相应面107、111、114大体上共面。如图6所示，中间腿部104和侧腿部110、114中的任一个侧腿部之间的背部104的剖面A-A大体上是矩形的，具有由叠置的层的高度所限定出的厚度和由每个所述层的宽度限定出的宽度。背部104的剖面A-A的宽度优选被选择以至少和面107、111、114中的任一个面一样宽。
I部件101具有矩形棱柱体形状且包括多个利用与E部件102中的层相同的由铁磁金属带制备的层。所述层被连结在一起以形成具有大体上均匀厚度的I部件101。I部件101具有与背部104的剖面A-A的厚度和宽度大体上相等的厚度和宽度，并具有与在侧腿部110、114的外表面之间测量的E部件102的长度大体上相同的长度。在I部件101的一侧的中间设置了中间配合面108，而第一端配合面112和第二端配合面116位于部件101的相对端部处。每个配合面107、111、115在尺寸上分别与互补面108、112、116大体上相同。
如图5和图7还示出的，装置100的组装包括(i)设置一个或多个电绕组，例如绕组120、121、122，所述绕组围绕部件102或101的一个或多个部分；(ii)使E部件102和I部件101对准并使其接近且其中的所有层在大体上平行的平面中；和(iii)将部件101和102呈并置关系机械紧固。对准部件102和101以使得面107和108、111和112，以及114和115分别接近。所述相对应的面之间的空间限定出三个具有大体上相同厚度的空气间隙。间隔件109、113和117被选择性的安放在这些间隙中以增加装置100中的每条磁路的磁阻和能量储存容量。另一种可选实施方式是，所述相对应的面可实现紧密接触以最小化空气间隙和增加初始磁阻。
“E-I”装置100可被包括在具有初级绕组和次级绕组的单相变压器中。在一个这种实施例中，绕组122用作初级绕组且被串连连接的绕组120和121用作次级绕组。在这个实施例中，每个侧腿部151和152的宽度优选至少是中间腿部140的宽度的一半。
图5-图7中的实施例示意性地提供了三条磁路，所述磁路具有“E-I”装置100中的通路130、131和132。结果是，装置100可被用作三相感应器，三个腿部分别承载绕组用于三相中的一相。在另一个实施例中，“E-I”装置100可被用作三相变压器，每个腿部既承载初级又承载次级绕组用于多相中的一相。在旨在用于三相电路的E-I装置的大多数实施例中，腿部106、110、114优选具有相等的宽度以更好地使所述三相平衡。在某些特定的设计中，不同的腿部可具有不同的横截面、不同的间隙或不同的匝数。本领域中的普通技术人员将易于理解其它适于各种多相应用的形式。
图8示出了另一个E-I实施例，其中E-I装置180包括斜接的E部件182和斜接的I部件181。部件182的中间腿部106的远端以在部件的每个侧面上的对称斜度斜接以形成配合面140a和140b，且在外腿部110、114的远端处具有向内倾斜的斜接面以形成斜接配合面144、147。I部件181在其端部呈与腿部110、114的斜接面互补的角度斜接以形成斜接端部配合面145、148，且在其中间斜接具有大体上V形状的切口以形成与腿部106的斜接部互补的配合面141a和141b。每个所述面优选相对于部件，所述面位于所述部件上，的相应部分的纵向呈45 °角度斜接。腿部106、110、114的长度被选择以允许部件181、182或通过紧密接触或通过间隙间隔的相应的配合面形成并置关系，选择性间隔件142、146和149被安放在所述间隙中。如图3C和图8所示的配合面的斜接有利地增加了配合面的面积并减少了漏磁通和局部的过度涡电流损耗。
在具有多种构型的磁性装置可由几个标准I部件组装而成的情况下，具有I形状的部件对于本发明的实践是尤其便利的。利用这种部件，设计者可易于定制构型以产生具有给定的电路应用所需要的电特征的装置。例如，通常还可利用如图9所示的具有五个矩形棱柱体磁性部件的布置的装置200实现如图5所示的E-I装置100所适合的许多应用。所述部件包括具有大体上相同的尺寸的第一背部件210和第二背部件211；和具有大体上相同的尺寸的中间腿部件240、第一端腿部件250和第二端腿部件251。所述五个部件210、211、240、250和251中的每个部件包括铁磁带的层，所述层被层压以产生具有大体上相同的叠层高度的部件，但是所述背部件和腿部件通常具有不同的相应长度和宽度。所述部件通过其中的所有非晶体金属的层位于平行的平面上被设置。部件的尺寸的适当选择提供了窗口以容纳利用本领域公认的原则被最优化的电绕组。所述绕组优选以与装置100中的构型相似的方式被设置在腿部240、250和251上。另一种可选实施方式是或此外，所述绕组可被安放在腿部之间的背部件210、211中的任一个或二者上。间隔件被选择性地安放在装置200的部件之间的间隙中以通过与装置100相关的在上文讨论的方式调节装置200的磁路的磁阻。与图3C和图8所示的斜面接合相似的斜面接合在一些实例中是有利的。
在图10中示出了本发明的一个实施例，其中四个大体上相同的矩形棱柱体部件301被组装成大体上正方形的构造。因此形成的装置300可被用于一些应用中作为图2所示的“C-I”装置的可选实施方式。当构造本发明的感应装置时，其它采用具有一个或多个尺寸的矩形形状部件的构型是有用的。本领域的技术人员将易于理解这些用于构造感应装置的构型和方式，且所述构造和方式在本发明的范围内。
正如前面提到的，本发明的装置使用了至少一个多面体形状的部件。正如此处使用的，术语多面体意味着具有多面的或多侧面的固体。其包括，但不限于，具有相互正交的侧面的三维矩形、正方形和棱柱体形，和具有一些非正交侧面的其它形状，例如梯形棱柱体。此外，任何前面提到的几何形状可包括至少一个和优选两个弧形表面或侧面，所述弧形表面或侧面被彼此相对设置以形成大体上弧形形状的部件。现在参见图11，示出了磁性部件56的一种形式，所述磁性部件被用于构造本发明的装置且具有矩形棱柱体的形状。所述部件56包括多个具有大体上相似的形状、通常为平面的非晶体金属带材的层57，所述层被连结在一起。在本发明的一个方面中，对所述层进行退火并随后通过浸渍粘结剂58，优选低粘度的环氧，对其进行层压。图12示出了有助于构造本发明的感应装置的部件80的另一种形式。弧形部件80包括多个弧形形状的层压结构层81，每个所述层优选是所述环形物的一部分。层81被连结在一起，因此形成了具有外弧形表面83、内弧形表面84和端部配合表面85和86的多面体形状部件。部件80优选浸渍粘结剂82，所述粘结剂被使得渗入相邻层之间的间隔中。配合表面85和86优选具有大体上相等的尺寸且与带层81的平面垂直。
“U”形状的弧形部件80，其中表面85和86是共面的，是特别有用的。弧形部件，其中表面85、86相对于彼此呈120°或90°的角度，也是优选的。两个、三个或四个这种部件易于分别进行组装以形成环形铁芯，所述环形铁芯具有大体上闭合的磁路。
另一种有用的部件形状是梯形棱柱体。所述装置的一个实施例包括两对梯形部件，每对梯形部件中的构件具有大体上相同的尺寸。每个部件具有相对于其细长轴线呈45°斜接以形成配合面的端部。所述两对部件可如图13所示通过使45°面配合以形成四边矩形构型99而进行组装，所述构型具有斜角接合且设置在四边形的相对侧上每对部件的构件。有利的是，所述斜面接合扩大了相应接合处的接触面积并减少了漏磁通和铁芯损耗增加的有害效应。
由根据本发明的大块非晶体金属磁性部件构造而成的感应装置有利地呈现了低铁芯损耗。正如磁性材料领域中已公知的，装置的铁芯损耗是励磁频率“f”和使所述装置励磁到的峰值磁感应强度大小“Bmax”的函数。在一个方面中，磁性装置具有(i)当其在近似60Hz的频率和近似1.4特斯拉(T)的磁通密度下操作时，低于或近似等于1瓦特/千克非晶体金属材料的铁芯损耗；(ii)当其在近似1000Hz的频率和近似1.4特斯拉(T)的磁通密度下操作时，低于或近似等于20瓦特/千克非晶体金属材料的铁芯损耗；或(iii)当其在近似20,000Hz的频率和近似0.30特斯拉(T)的磁通密度下操作时，低于或近似等于70瓦特每千克非晶体金属材料的铁芯损耗。根据另一个方面，在励磁频率“f”和峰值磁感应强度大小“Bmax”下励磁的装置可具有在室温下低于“L”的铁芯损耗，其中L由公式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6给出，所述铁芯损耗、励磁频率和峰值磁感应强度大小的测量单位分别为瓦特/千克、赫兹和特斯拉。
当所述部件或其任何部分大体上沿在所述部件中包括的非晶体金属片的平面内的任何方向被励磁时，本发明的部件有利地呈现了低铁芯损耗。本发明的感应装置的构成磁性部件的低铁芯损耗进一步为本发明的感应装置提供了高效率。所得的装置的低铁芯损耗值使所述装置尤其适于用作旨在用于高频率操作，例如用于在至少约1kHz的频率下励磁的感应器或变压器。常规钢在高频率下的铁芯损耗通常使它们不适于用于这种感应装置中。这些铁芯损耗性能值适用于本发明的各个实施例中，而不考虑用于构造感应装置的大块非晶体金属部件的具体尺寸。
还提供了一种构造在本发明的装置中使用的大块非晶体金属部件的方法。
本发明还提供了一种构造大块非晶体金属部件的方法。在一个实施例中，本方法包括以下步骤：由铁磁非晶体金属带原料冲轧出所需形状的层压结构、层叠层压结构以形成三维物体、施加粘结装置并使其活化以使层压结构彼此粘结且为部件提供充分的机械整体性以及对部件进行最终加工以除去任何多余的粘结剂并为其提供适当的表面光洁度和最终的部件尺寸。方法可进一步包括选择性退火步骤以改进部件的磁性能。可以以多种顺序且利用多种技术，包括下文阐述的技术和本领域的技术人员易于理解的其它技术实施这些步骤。
历史上，三个因素已结合起来排除了使用冲轧作为形成非晶体金属部分的可行方法。首先，非晶体金属带通常比常规磁性材料带例如无取向电工钢板更薄。更薄材料的使用要求构建给定形状的部分需要更多的层压结构。更薄材料的使用还需要冲轧工艺中更小的工具和模具间隙。
第二，非晶体金属倾向于大大硬于常规金属冲头和模具材料。铁基非晶体金属通常呈现超过1100kg/mm2的硬度。比较而言，空冷、油淬和水淬的工具钢的硬度则限于800-900kg/mm2范围内。因此，非晶体金属，所述金属的硬度得自其独特的原子结构和化学性质，比常规金属冲头和模具材料更硬。
第三，当非晶体金属在冲轧过程中被限制在冲头和模具之间时，其可在断裂前经受相当大的变形，而不是破裂。非晶体金属由于高局部剪切流动而变形。当在拉伸情况下变形时，例如当非晶体金属带被拉动时，单个剪切带的形成可导致在小的整体变形下发生断裂。在拉伸情况下，断裂可在1％或更小的伸长率下发生。然而，当以使得机械约束排除了塑性不稳定性的方式，例如在冲轧过程中在工具和模具之间的弯曲情况下变形时，形成了多个剪切带且可发生相当大的局部变形。在这种变形模式中，断裂伸长率局部可超过100％。
这些后两种因素，特殊的硬度加上相当大的变形结合起来使得在使用常规冲轧设备、工具和工艺的冲轧机的冲头和模具部件上产生了非常大的磨损。由于在断裂前的变形过程中，硬的非晶体金属摩擦靠在较软的冲头和模具材料上，使得在冲头和模具上发生了磨损。
本发明提供了一种用于使冲轧工艺中冲头和模具上的磨损最小化的方法。方法包括步骤：由碳化物材料制造冲头和模具、制造工具以使得冲头和模具之间的间隙小且均匀、以及在高应变速率下操作冲轧工艺。用于冲头和模具工具的碳化物材料应具有至少1100kg/mm2和优选大于1300kg/mm2的硬度。具有等于或大于非晶体金属硬度的硬度的碳化物工具将抵抗冲轧工艺中来自非晶体金属的直接磨损，由此使冲头和模具上的磨损最小化。冲头和模具之间的间隙应小于0.050mm(0.002英寸)且优选小于0.025mm(0.001英寸)。冲轧工艺中使用的应变速率应为由至少一个冲头冲程/秒且优选五个冲头冲程/秒形成的应变速率。对于0.025mm(0.001英寸)厚的非晶体金属带，这个冲程速度范围近似等效于至少105/秒且优选至少5×105/秒的形变速率。冲头和模具之间较小的间隙以及冲轧工艺中使用的高应变速率结合起来限制了冲轧工艺中非晶体金属在断裂前的机械变形量。限制模腔中的非晶体金属的机械变形限制了工艺中非晶体金属和冲头及模具之间的直接磨损，由此使冲头和模具上的磨损最小化。
冲压用于本发明的部件的层压结构的方法的一种形式如图14所示。铁磁非晶体金属带材272的辊270使所述带材连续进料通过退火炉276，所述退火炉使所述带材的温度提高至一定级别达充分的时间以实现带272的磁性能的改进。带272随后通过包括照相凹版辊292的粘结剂施加装置290，低粘度热活性的环氧从粘结剂贮存器294被施加到所述照相凹版辊上。环氧由此从辊29 2被传送到带272的下表面上。退火炉276和粘结剂施加装置290之间的距离是充分的以允许带272在带272的通过时间中冷却至至少低于环氧的热活化温度的温度。另一种可选实施方式是，冷却装置(未示出)可被用以实现带272在炉276和施加装置280之间更快的冷却。带材272随后进入自动高速冲压机278内以及冲头280和底开式模具281之间。冲头受驱动进入模具内，导致形成了具有所需形状的层压结构57。层压结构57随后落入或被输送入收集箱288内且冲头280被缩回。带材272的骨架273保持且包含孔274，层压结构57已经从所述孔中除去。骨架273被收集在卷取轴271上。当每次冲压作用完成后，指示所述带272使其为另一个冲压循环做准备。冲压工艺继续且使多个层压结构57收集在箱288中处于充分置齐的对齐状态。在所需数量的层压结构57被冲压并沉积在箱288内后，冲压机278的操作被中断。所述所需数量可以是预选择的或可由箱288中接收的层压结构57的高度或重量确定。随后从冲压机278中除去箱288用以进行进一步的加工。可允许附加的低粘度热活性环氧(未示出)渗透层压结构57之间的空间，通过箱288的壁部保持所述层压结构处于对齐状态。随后通过使整个箱288和其中包含的层压结构57暴露于热源达充分的时间以实现环氧的固化，而使环氧活化。层压结构57的现在的层压叠层从箱中被除去且通过除去任何多余的环氧而选择性地对叠层的表面进行最终加工。
尤其优选用于切割小的、形状复杂的层压结构的一种方法是通常被简称为光刻的光刻浸蚀。一般说来，光刻浸蚀是用于形成被提供有相对较薄的板、带或条带的形式的材料的片的金属加工工艺中的已公知的技术。光刻工艺可包括步骤：(i)在板上施加光阻物质的层，所述光阻物质对其上的光冲击有响应；(ii)将包括限定出预选择形状的具有相对的透明性和不透明性的区域的照相掩模插入光阻物质和光源之间，光阻物质对所述光源有响应；(iii)使光冲击到掩模上以选择性地使那些位于掩模的透明区域下面的光阻物质的区域曝光；(iv)通过利用热或化学试剂进行的处理使光阻物质显影，导致光阻物质层的曝光区域与未曝光区域区别开来；(v)选择性地除去显影光阻物质层的曝光部分；和(vi)将板安放在腐蚀剂浴中，所述腐蚀剂浴选择性地从板的那些已经从中除去了显影光阻物质的部分中蚀刻或侵蚀掉材料，而未蚀刻上面保持了光阻物质的部分，由此形成了具有预选择形状的层压结构。最通常情况下，掩模将包括限定出小的保持区域的特征，所述保持区域保持每个层压结构弱连接到板上，以便在最终组装前易于进行处理。这些保持区域易于用以允许从主要的板上除去单独的层压结构。通常还使用进一步的化学步骤以在腐蚀蚀刻步骤之后从层压结构中除去剩余光阻材料。本领域的技术人员还将认识到使用互补光阻材料的光刻浸蚀工艺，在所述工艺中，在上面的步骤(V)中选择性地除去光阻材料的未曝光部分而不是曝光部分。这种变化还使得照相掩模中的不透明和透明区域的变换成为必要，从而形成相同的最终层压结构。
不产生毛口或其它边缘缺陷的方法是尤其优选的。更具体而言，从层压结构的平面中突出出来的这些和其它缺陷在一些下面的工艺中且在某些条件下形成。层间电短路通常致使产生包括这种缺陷层压结构的磁性部件，这有害地增加了部件的铁损。
有利地，部分的光刻已普遍被发现促进了这个目的。通常情况下，光刻的部分呈现圆形边缘和部分在紧邻边缘处厚度渐薄的性质，由此使上面提到的这种部分的层压结构叠片中的层间断路的可能性最小化。此外，通过增强渐薄边缘附近的芯吸和毛细作用使得有利于这种叠层浸渍粘结剂。通过设置一个或多个贯通每个层压结构的小孔，可进一步增强浸渍的功效。当单独的层压结构被层叠处于对齐状态时，这种孔可被置齐以形成通道，浸渍剂可易于流动通过所述通道，由此确保了浸渍剂在至少相当大的表面区域上存在，每个层压结构在所述区域处与相邻的层压结构配合。其它结构，例如表面通道和狭槽也可被并入每个层压结构内，所述表面通道和狭槽也可用作浸渍剂流动增强装置。上面提到的孔和流动增强装置易于且有效地在光刻层压结构中产生。此外，各种间隔件可被插入层压结构叠片中以促进流动增强。
形成本发明的大块非晶体金属磁性部件所需的层压结构也可通过冲轧工艺而形成。
粘结剂装置被在本发明的实践中以使多个大块金属带材的片或层压结构彼此粘结处于适当对齐的状态，由此提供大块的三维物体。这种连结提供了充分的结构整体性，所述结构整体性允许对本部件进行处理且使其并入更大的结构内，而没有伴随产生的将致使产生高铁芯损耗或其它不可接受的磁性能的劣化的过度应力。多种粘结剂可以是适当的，包括那些由环氧、清漆、厌氧粘结剂、氰基丙烯酸酯和室温硫化(RTV)硅酮材料组成的粘结剂。粘结剂所希望地具有低粘度、低收缩率、低弹性模量、高剥离强度和高介电强度。粘结剂可充分覆盖每个层压结构的表面区域的任何部份以实现相邻的层压结构彼此之间的足够连结，且由此提供充分的强度以为完成的部件提供机械整体性。粘结剂可覆盖大体上达到所有的表面区域。环氧可以或者是多组分的，所述多组分环氧的固化是化学活性的，或单组分的，所述单组分环氧的固化是热活性的或通过暴露于紫外线辐射而固化。粘结剂优选具有低于1000cps的粘度和近似等于金属的热膨胀系数的或约10ppm的热膨胀系数。
用于施加粘结剂的适当方法包括浸泡、喷射、刷涂和静电沉积。以带或条带的形式存在的非晶体金属还可通过使其在将粘结剂传送到其上的杆或辊上面通过而进行涂覆。具有织纹表面的辊或杆，例如照相凹版或金属线卷绕的辊，对将均匀的粘结剂涂层传递到非晶体金属上尤其有效。粘结剂可在某时被施加到单独的非晶体金属的层上，或在切割前施加到带材上或在切割后施加到层压结构上。另一种可选实施方式是，粘结剂装置可在层压结构进行层叠后被集合施加到其上。优选通过粘结剂在层压结构之间的毛细管流动浸渍叠层。可在周围环境温度和压力下实现浸渍步骤。另一种可选实施方式是但优选地，叠层可被安放在真空中或静水压力下以实现更完全的填充，而最小化了添加的粘结剂的总量。这个过程确保了高的叠层因数且因此是优选的。优选使用低粘度的粘结剂，例如环氧或氰基丙烯酸酯。还可使用适度加热以降低粘结剂的粘度，由此增强其在层压结构层之间的渗透性能。粘结剂根据需要进行活化以促进其连结性能。在粘结剂已经受到任何所需的活化和固化后，部件可进行最终加工以除去任何过量的粘结剂和为部件提供适当的表面光洁度和最终所需的部件尺寸。如果在至少约175℃的温度下实现粘结剂的活化或固化，其还可用来影响磁性能，正如下文更详细地讨论地。
一种优选的粘结剂是由P.D.George公司出售的商品名称为Epoxylite 8899的热活性环氧。本发明的装置优选通过浸渍这种环氧进行连结，以丙酮将所述环氧稀释至1∶5的体积比以降低其粘度和增强其在条带的层之间的渗透性能。可通过使环氧暴露在提高的温度，例如在约170℃至180℃的范围内的温度下，约2至3小时的范围内的时间而进行活化和固化。另一种被发现是优选的粘结剂是由NationalStarch and Chemistry公司出售的商品名称为Permabond 910FS的氰基丙烯酸甲酯。本发明的装置优选通过施加这种粘结剂以使得其将通过毛细作用渗透在条带的层之间而进行连结。Permabond 910FS是单组分低粘度液体，所述液体将在湿气存在的情况下，在室温下5秒钟内固化。
本发明还提供了一种组装多个大块非晶体金属磁性部件以形成具有磁芯的感应装置的方法。所述方法包括步骤：(i)利用电绕组围绕至少一个部件；(ii)将所述部件放置成并置关系以形成铁芯，所述铁芯具有至少一条磁路，且其中每个部件的层位于大体上平行的平面中；和(iii)将所述部件紧固成并置关系。
在本发明的装置中组装的部件的布置通过任何适当的紧固装置被紧固。所述紧固装置优选不给构成部件提供可导致磁性能例如磁导率和铁芯损耗劣化的高应力。所述部件优选通过由金属、聚合物或纤维制成的环绕的带条、带、窄带、或板被绑扎结合。在本发明的另一个实施例中，紧固装置包括相对刚性的壳体或框，所述壳体或框优选由塑性或聚合物材料制成，且具有一个或多个空腔，所述构成部件被装配到所述空腔内。用于壳体的适当材料包括尼龙和玻璃填充的尼龙。更优选的材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚对苯二甲酸丁二酯，所述材料在商业上可从杜邦(Dupont)公司得到，商品名称为Rynite PET热塑性聚酯。空腔的形状和安放将部件紧固处于所需的置齐状态。在又一个实施例中，紧固装置包括刚性或半刚性的外部介电涂层或罐封。构成部件被设置处于所需的对齐状态。涂层或罐封随后被施加到装置的外表面的至少一部分上且进行适当的活化和固化以紧固部件。在一些实施方式中，在施加涂层或罐封之前施加一个或多个绕组。各种涂层和方法是适当的，包括环氧树脂在内。如果需要，最终加工操作可包括除去任何多余的涂层。外部涂层有利地保护了部件上的电绕组的绝缘使其避免在尖锐的金属边缘处磨损且用以俘获任何可倾向于从部件上脱落或要不然被不适当地容纳在装置或其它附近的结构中的碎片或其它材料。
最终加工选择性地进一步包括表面研磨、切割、抛光、化学蚀刻和电化学蚀刻中的至少一种或相似的操作以提供平面的配合表面。通常情况下，这种工艺用以精整每个组件的配合面并除去任何粗糙或非平面。
各种紧固技术可组合实施以提供抵抗在操作中伴随部件的励磁产生的外部强加机械力和磁力的附加强度。
包括根据本发明构造的大块非晶体金属磁性部件的感应装置尤其适于作为用于多种电子电路装置的感应器和变压器，所述电子电路装置值得注意地包括功率调节电路装置例如功率源、电压转换器、和相似的利用开关模式技术在1kHz或更高的开关频率下操作的功率调节装置。本感应装置的低损耗有利地提高了这种电子电路装置的效率。简化了磁性部件的制造且减少了制造时间。使大块非晶体金属部件的构造过程中遇到的其它应力最小化。使成品装置的磁性能最优化。
可利用许多非晶金属合金制造在本发明的实践中使用的大块非晶体金属磁性部件。通常情况下，适于用于构造本发明的部件的合金由式M70-85Y5-20Z0-20限定出，下标为原子百分比，其中“M”是Fe、Ni和Co中的至少一种，“Y”是B、C和P中的至少一种，和“Z”是Si、Al和Ge中的至少一种；其附带条件包括(i)高达十(10)个原子百分比的部件“M”可由金属物质Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta和W的至少一种替换，和(ii)高达十(10)个原子百分比的部件(Y+Z)可由非金属物质In、Sn、Sb和Pb中的至少一种替换。正如此处使用的，术语“非晶体金属合金”意味着大体上缺乏任何长程有序且具有与从液体或无机氧化物玻璃中观测到的那些X射线衍射强度最大值相似的X射线衍射强度最大值的特征的金属合金。
适于作为本发明的实践中的原料的非晶体金属合金通常以宽度达20cm或更大且厚度约为20-25μm的连续薄带或条带的形式在商业上是可得到的。这些合金被形成具有大体上完全玻璃态的微结构(例如，至少80％体积百分比的材料具有非晶体结构)。合金优选被形成为大体上100％的具有非晶体结构的材料。非晶体结构的体积分数可通过本领域中已公知的方法，例如X射线、中子或电子衍射、透射电子显微术或差示扫描量热法，进行确定。以低成本使合金实现了最高感应值，其中“M”、“Y”和“Z”分别至少主要是铁、硼和硅。因此，包含至少70个原子百分比的Fe、至少5个原子百分比的B和至少5个原子百分比的Si，其附带条件为B和Si的总含量为至少15个原子百分比，的合金是优选的。包含铁-硼-硅的非晶体金属带也是优选的。最优选的是具有主要包括约11个原子百分比的硼和约9个原子百分比的硅的，余量为铁和附带杂质的成分的非晶体金属带。这种具有约1.56T的饱和磁感应强度和约137μΩ-cm的电阻率的带由HoneywellInternational Inc.公司出售，其商品名称为METGLAS合金2605SA-1。另一种适当的非晶体金属带具有主要包括约13.5个原子百分比的硼、约4.5个原子百分比的硅和约2个原子百分比的碳，余量为铁和附带杂质的成分。这种具有约1.59T的饱和磁感应强度和约137μΩ-cm的电阻率的带由Honeywell International Inc.公司出售，其商品名称为METGLAS合金2605SC。对于需要甚至更高的饱和磁感应强度的应用而言，具有主要包括铁、连同约18个原子百分比的Co、约16个原子百分比的硼和约1个原子百分比的硅一起的，余量为铁和附带杂质的成分的带是适当的。这种带由Honeywell International Inc.公司出售，其商品名称为METGLAS合金2605CO。然而，利用这种材料构造的部件的损耗倾向于略高于那些利用METGLAS 2605SA-1构造的部件的损耗。
正如本领域中已公知的，铁磁性材料可具有其饱和磁感应强度的特征或等效地，具有其饱和磁通密度或磁化强度的特征。适用于本发明中的合金优选具有至少约1.2特斯拉(T)的饱和磁感应强度和更优选地具有至少约1.5T的饱和磁感应强度。所述合金还具有高电阻率，优选至少为约100μΩ-cm和最优选至少为约130μΩ-cm。
被指定用于部件中的非晶体金属带的机械和磁性能可通过在足以提供需要的增强而不改变所述带的大体上完全的玻璃态微结构的温度和时间下的热处理得以增强。通常情况下，所述温度被选择约低于合金结晶温度100-175℃且所述时间在约0.25-8小时范围内。所述热处理包括加热部分、选择性浸泡部分和冷却部分。磁场可在热处理的至少一个部分，例如至少在冷却部分中被选择性地施加到带上。优选大体上沿在部件的操作过程中磁通量所处的方向指向的所述场的施加在一些情况下可进一步提高磁性能和降低部件的铁芯损耗。热处理选择性地包括超过一个这种热循环。此外，所述一个或多个热处理循环可在部件制造的不同阶段被实施。例如，可在粘结剂连结之前或之后对不连续的层压结构进行处理或对层压结构的叠层进行热处理。由于许多其它有吸引力的粘结剂经受不住需要的热处理温度，因此优选在连结前实施所述热处理。
非晶体金属的热处理可采用任何加热手段，所述加热手段致使金属经历了所需的热曲线。适当的加热手段包括红外热源、烘箱、流化床、与保持在高温下的散热器的热接触、通过使电流通过带实现的电阻加热和感应(射频(RF))加热。加热手段的选择可取决于上面列举的所需工艺步骤的顺序。
此外，可在加工本发明的部件和装置的过程中的不同阶段实施热处理。在一些情况下，在形成不连续的层压结构之前优选对原料带材进行热处理。大块的绕在卷轴上的材料可优选在烘箱或流化床中进行离线处理，或者进行在线连续的卷轴到卷轴的处理，其中带材从松卷卷轴通过加热区传送到卷取卷轴上。卷轴到卷轴的处理还可以与连续冲轧或光刻浸蚀工艺结合成一体。
还可以在光刻浸蚀或冲轧步骤之后，但是在层叠之前在不连续的层压结构上实施热处理。在该实施例中，优选层压结构离开切割工艺并且直接放置在将其传输通过加热区的移动带上，由此使层压结构经受适当的时间-温度曲线。
在其它实施方式中，可在不连续的层压结构对齐叠置后实施热处理。用于对这种叠片进行退火的适当的加热手段包括烘箱、流化床和感应加热。
在进行冲轧前对带材进行热处理可改变非晶体金属的机械性能。具体而言，热处理会降低非晶体金属的延性，由此限制在冲轧工艺中发生断裂前非晶体金属的机械性变量。非晶体金属的延性的降低还减少了通过使非晶体金属产生形变而造成的冲头和模具材料的直接磨耗和磨损。
某些适于在本部件中使用的非晶体合金的磁性能可通过对合金进行热处理以形成纳米晶微结构得到显著的改进。所述微结构具有出现了高密度晶粒的特征，所述晶粒具有小于约100nm、优选小于50nm和更优选约10-20nm的平均尺寸。所述晶粒优选占铁基合金体积的至少50％。这些优选的材料具有低铁芯损耗和低磁致伸缩。后一种性质还使材料不易受到由包括部件的装置的制造和/或操作引起的应力所致的磁性的劣化。在给定合金中产生纳米晶结构所需的热处理必须在比被设计以在其中保持大体上完全的玻璃态微结构的热处理所需的温度和时间更高的温度或更长的时间条件下被实施。正如此处使用的，术语非晶体金属和非晶体合金还包括初始被形成具有大体上完全的玻璃体微结构并随后通过热处理或其它工艺被转变成具有纳米晶微结构的材料的材料。可进行热处理以形成纳米晶微结构的非晶体合金通常还可被简单地称为纳米晶合金。本方法允许纳米晶合金被形成成品大块磁性部件需要的几何形状。在对合金进行热处理以形成纳米晶结构之前，所述纳米晶结构通常使其更脆且更难进行处理，当合金仍处于铸态、可延展的、大体上非晶体的形式时，这种形成被有利地实现。通常情况下，纳米结晶热处理在从低于合金的结晶温度约50℃到高于其约50℃的范围内的温度下进行实施。
具有通过在合金中形成纳米晶微结构而得到显著增强的磁性能的两个优选级别的合金由下式给出，在所述式中下标为原子百分比。
第一优选级别的纳米晶合金是Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw，其中R是Ni和Co中的至少一种，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在从0至约10的范围内、x在从约3至12的范围内、y在从0至约4的范围内、z在从约5至12的范围内和w在从0至小于约8的范围内。在对这种合金进行热处理以在其中形成纳米晶微结构之后，其具有高饱和磁感应强度(例如，至少约1.5T)、低铁芯损耗和低饱和磁致伸缩(例如具有绝对值小于4×10-6的磁致伸缩)。这种合金尤其优选用于其中需要具有最小尺寸的装置的应用。
第二优选级别的纳米晶合金是Fe100-u-x-y-z-wRuTxQyBzSiw，其中R是Ni和Co中的至少一种，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在从0至约10的范围内、x在从约1至5的范围内、y在从0至约3的范围内、z在从约5至12的范围内和w在从约8至18的范围内。在对这种合金进行热处理以在其中形成纳米晶微结构之后，其具有至少约1.0T的饱和磁感应强度、特别低的铁芯损耗和低饱和磁致伸缩(例如具有绝对值小于4×10-6的磁致伸缩)。这种合金尤其优选用于需要在特别的励磁频率例如1000Hz或更高的频率下操作的装置中。
大块非晶体磁性部件将比由其它铁基磁性金属制成的部件更有效地进行磁化和退磁。当大块非晶体金属部件被并入感应装置中时，与由另一种铁基磁性金属制成的可比较的部件相比，当两个部件在相同的磁感应强度和频率下进行磁化时，所述大块非晶体金属部件将产生更少的热。使用大块非晶体金属部件的感应装置可因此被设计以(i)在更低的操作温度下操作；(ii)在更高的磁感应强度下操作以实现减少的尺寸和重量和增加的能量储存或传递；或(iii)当与包括由其它铁基磁性金属制成的部件的感应装置相比时，在更高的频率下操作以实现减少的尺寸和重量。
正如本领域中已公知的，铁芯损耗是当铁磁性材料的磁化强度随时间变化时发生在铁磁性材料内的能量耗散。通常通过对所述部件进行循环励磁确定给定的磁性部件的铁芯损耗。随时间变化的磁场被施加到部件上以在其中产生相应的磁感应强度或磁通密度随时间的变化。为了测量的标准化起见，励磁通常被选择以使得磁感应强度在样品中是均匀的且在频率“f”下随时间发生正弦变化并具有峰值振幅Bmax。铁芯损耗随后通过已公知的电测量仪表和技术被确定。损耗常规地被报告作为每单位质量或体积的被励磁的磁性材料的瓦特数。在本领域中已公知，损耗随f和Bmax单调增加。用于检测在感应装置中使用的软磁材料的铁芯损耗的最标准的规程{例如，ASTM标准A912-93和A927(A927M-94)}需要位于大体上闭合的磁路内的这种材料的样品，即，一种构型，在所述构型中闭合磁通线大体上被包含在样品体积内且磁性材料的剖面在遍及磁路的范围内大体上是相同的。另一方面，通过磁通线必须横穿的高磁阻间隙的存在可使得实际感应装置，尤其是回扫变压器或能量储存感应器，中的磁路相对敞开。由于边缘场效应和场的不均匀性，在开路中测试的给定材料通常呈现比其在闭路测量中具有的铁芯损耗更高的铁芯损耗，即更高的每单位质量或体积的瓦特值。本发明的大块磁性部件即使在相对开路的构型中仍有利地呈现遍及广泛范围的磁通密度和频率内的低铁芯损耗。
本发明的低损耗大块非晶体金属装置的总铁芯损耗被认为包括来自磁滞损耗和涡电流损耗的贡献，而未被任何理论所约束。这两个贡献中的每个都是峰值磁感应强度Bmax和励磁频率f的函数。对非晶体金属中的铁芯损耗的现有技术分析(参见，例如，G.E.Fish，J.Appl.Phys. 57，3569(1985)和G.E.Fish等，J.Appl.Phys. 64，5370(1988))一般已经被限制于从闭合磁路中的材料中获得的数据。
对本发明的装置的每单位质量的总铁芯损耗L(Bmax，f)的分析在具有单条磁路和大体上相同的有效磁性材料横截面面积的构型中是最简单的。在那种情况中，所述损耗通常可由具有以下形式的函数所限定：
L(Bmax，f)＝c1f(Bmax)n+c2fq(Bmax)m
其中，系数c1和c2和指数n、m和q都必须经验性地进行确定，而没有精确地确定它们的值的已公知的理论。使用这个公式允许在任何需要的操作磁感应强度和励磁频率下确定本发明的装置的总铁芯损耗。有时发现在感应装置的具体几何形状中，其中的磁场在空间上是不均匀的，尤其在具有多条磁路和材料横截面的实施例，例如通常被用于三相装置的实施例中。例如有限元模型的技术在本领域中是已公知的以提供对峰值磁通密度的空间和时间变化的估算，所述估算接近近似于实际装置中测量的磁通密度分布。使用给出了给定材料在空间上均匀的磁通密度下的磁芯损耗的适当的经验性公式作为输入，这些技术通过遍及装置体积的数值积分使得给定部件在其操作构型中相应的实际铁芯损耗在具有合理准确度的情况下被预测。
可利用各种本领域中已公知的各种方法实现对本发明的磁性装置的铁芯损耗的测量。在装置具有单条磁路和大体上恒定的横截面的情况中，损耗的确定尤其简单。适当的方法包括提供具有初级和次级电绕组的装置，每个电绕组围绕一个或多个装置的部件。通过使电流通过初级绕组施加磁动势。通过法拉第定律从次级绕组中感应的电压中确定出所得的磁通密度。通过安培定律从磁动势中确定出被施加的磁场。随后采用常规方法从被施加的磁场和所得的磁通密度中计算出铁芯损耗。
下列实例被呈现以提供对本发明更完全的理解。被列出以示例说明本发明的原理和实践的具体技术、条件、材料、比例和报告数据是示例性的且不应被解释为对本发明范围的限制。
实例1
包括冲轧的非晶体金属弧形部件的感应装置的制备和电磁试验
约60mm宽和0.022mm厚的Fe80B11Si9铁磁非晶体金属条带进行冲轧以形成单独的层压结构，每个所述层压结构具有90°圆环扇形形状，所述圆环扇形形状具有100mm的外径和75mm的内径。约500个单独的层压结构被层叠和对齐以形成直圆柱体的90°弧形扇形，所述弧形扇形具有12.5mm的高度、100mm的外径和75mm的内径，大体上如图12所示。圆柱形扇形组件被安放在固定装置中并在氮气氛中进行退火。所述退火包括：1)将所述组件加热至365℃；2)将温度保持在约365℃约2小时；和3)将所述组件冷却至周围环境温度。圆柱形扇形组件被安放在第二固定装置中、真空浸渍环氧树脂溶液并在120℃下固化约4.5小时。当完全固化时，将圆柱形扇形组件从第二固定装置中除去。所得的环氧连结的非晶体金属圆柱形扇形组件的重量约为70g。重复所述工艺以形成总计四个这种组件。四个组件被安放成配合关系且进行绑扎结合以形成大体上圆柱形的试验铁芯，所述试验铁芯具有四个相等的间隔一定距离的间隙。初级和次级电绕组被固定到圆柱形试验铁芯上用以进行电试验。
当试验组件在约60Hz的频率和约1.4特斯拉(T)的磁通密度下操作时，其呈现小于1瓦特/千克非晶体金属材料的铁芯损耗值；当在约1000Hz的频率和约1.0T的磁通密度下操作时，小于12瓦特/千克非晶体金属材料的铁芯损耗；以及当在约20,000Hz的频率和约0.30T的磁通密度下操作时，小于70瓦特/千克非晶体金属材料的铁芯损耗。试验铁芯的低铁芯损耗使其适于用于本发明的感应装置。
实例2
包括冲轧的非晶体金属弧形部件的感应装置的高频电磁试验
如实例1所述制备包括四个冲轧的非晶体金属弧形部件的圆柱形试验铁芯。初级和次级电绕组被固定到试验组件上。在60、1000、5000和20,000Hz和各种磁通密度下进行电试验。测量铁芯损耗值并与其它铁磁材料在相似的试验配置中(National-Arnold Magnetics，17030Muskrat Avenue，Adelanto，CA 92301(1995))的目录值进行比较。试验数据汇集在下面的表1、2、3和4中。如表3和表4中的数据最佳所示，铁芯损耗在5000Hz或更高的励磁频率下特别低。这种低铁芯损耗使得本发明的磁性部件尤其充分适于用于构造本发明的感应装置。根据本实例构造的圆柱形试验铁芯适于用于感应装置中，例如用于在开关模式功率源中使用的感应器中。
表1  在60Hz下的铁芯损耗(W/kg)
    材料
磁通密度     非晶体Fe80B11Si9(22μm)  晶体Fe-3％Si(25μm)  晶体Fe-3％Si(50μm)  晶体Fe-3％Si(175μm)  晶体Fe-3％Si(275μm)
 National-ArnoldMagneticsSilectron  National-ArnoldMagneticsSilectron  National-ArnoldMagneticsSilectron  National-ArnoldMagneticsSilectron
0.3T     0.10  0.2  0.1  0.1  0.06
0.7T     0.33  0.9  0.5  0.4  0.3
0.8T  1.2  0.7  0.6  0.4
1.0T  1.9  1.0  0.8  0.6
1.1T     0.59
1.2T  2.6  1.5  1.1  0.8
1.3T     0.75
    1.4T     0.85     3.3     1.9     1.5     1.1
表2  在1,000Hz下的铁芯损耗(W/kg)
材料
磁通密度 非晶体Fe80B11Si9(22μm) 晶体Fe-3％Si(25μm)  晶体Fe-3％Si(50μm)  晶体Fe-3％Si(175μm)  晶体Fe-3％Si(275μm)
National-ArnoldMagneticsSilectron  National-ArnoldMagneticsSilectron  National-ArnoldMagneticsSilectron  National-ArnoldMagneticsSilectron
    0.3T 1.92 2.4  2.0  3.4  5.0
    0.5T 4.27 6.6  5.5  8.8  12
    0.7T 6.94 13  9.0  18  24
    0.9T 9.92 20  17  28  41
    1.0T 11.51 24  20  31  46
    1.1T 13.46
    1.2T 15.77 33  28
    1.3T 17.53
    1.4T 19.67 44  35
表3  在5,000Hz下的铁芯损耗(W/kg)
  材料
磁通密度   非晶体Fe80B11Si9(22μm)   晶体Fe-3％Si(25μm)   晶体Fe-3％Si(50μm)   晶体Fe-3％Si(175μm)
  National-ArnoldMagneticsSilectron   National-ArnoldMagneticsSilectron   National-ArnoldMagneticsSilectron
    0.04T     0.25     0.33     0.33     1.3
    0.06T     0.52     0.83     0.80     2.5
    0.08T     0.88     1.4     1.7     4.4
    0.10T     1.35     2.2     2.1     6.6
    0.20T     5     8.8     8.6     24
    0.30T     10     18.7     18.7     48
表4  在20,000Hz下的铁芯损耗(W/kg)
    材料
磁通密度     非晶体Fe80B11Si9(22μm)     晶体Fe-3％Si(25μm)     晶体Fe-3％Si(50μm)     晶体Fe-3％Si(175μm)
    National-ArnoldMagneticsSilectron     National-ArnoldMagneticsSilectron     National-ArnoldMagneticsSilectron
    0.04T     1.8     2.4     2.8     16
    0.06T     3.7     5.5     7.0     33
    0.08T     6.1     9.9     12     53
    0.10T     9.2     15     20     88
    0.20T     35     57     82
    0.30T     70     130
实例3
包括冲轧的非晶体金属弧形部件的感应装置的高频行为
利用常规的非线性回归方法对上面的实例2的铁芯损失数据进行分析。确定的是，由利用Fe80B11Si9非晶体金属条带制造的部件组成的低损耗大块非晶体金属装置的铁芯损耗基本上可由具有以下形式的函数限定
L(Bmax，f)＝c1 f(Bmax)n+c2fq(Bmax)m。
系数c1和c2和指数n、m和q的适当值被选择以限定出大块非晶体金属部件的磁损耗的上限。表5列举了实例2中的部件的损耗和由上面的公式预测的损耗，每个损耗的测量单位均为瓦特/千克。利用系数c1＝0.0074和c2＝0.000282以及指数n＝1.3、m＝2.4和q＝1.5计算出作为f(Hz)和Bmax(Tesla)的函数的预测损耗。实例2的大块非晶体金属装置的损耗小于由公式预测的相应损耗。
表5
点         Bmax特斯拉(Tesla)      频率(Hz)     测量铁芯损耗(W/kg)     预测铁芯损耗(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
实例4
非晶体金属梯形棱柱体和感应器的制备
通过光刻浸蚀技术将约25mm宽和0.022mm厚的Fe80B11Si9铁磁非晶体金属条带切割成梯形层压结构。每个梯形结构的平行边由条带边缘形成，且剩余的边形成具有方向相反的45°角。约1300层的切割铁磁非晶体金属条带被层叠和对齐以形成每个约30mm厚的梯形棱柱体形状。每个形状在保持在约365℃的温度下进行约两小时的退火，且随后通过浸没在低粘度环氧树脂中进行浸渍并随后进行固化。四个这种部分被形成具有约150mm长的长边和约100mm长的短边。由每个层压结构的角度切割端部形成的斜接配合面垂直于每个棱柱体中的条带层的平面，且约35mm宽和30mm厚，相当于1300层的条带。通过轻微研磨对配合面进行精整以除去多余的环氧并形成平面表面。配合面随后在硝酸/水溶液中进行蚀刻并在氢氧化铵/水溶液中进行清洗。
电绕组被缠绕在四个棱柱体中的每个上，所述四个棱柱体随后进行组装以形成具有包括正方形窗的正方形画框构型的变压器。在相对的部件上的分别的绕组被串联连接，帮助形成初级和次级绕组。
通过利用交流(AC)电流源驱动初级绕组并检测次级绕组中的感应电压测试变压器的铁芯损耗。利用被连接到初级和次级绕组上的Yokogawa Model 2532常规电子伏特计确定出变压器的铁芯损耗。随着铁芯在5kHz频率下被励磁到0.3T的峰值磁通量大小，观测到铁芯损耗小于约10W/kg。
实例5
纳米晶合金矩形棱柱体的制备
利用约25mm宽和0.018mm厚且具有Fe73.5Cu1Nb3B9Si13.5的名义成分的非晶体金属条带制备矩形棱柱体。约1600个约100mm长的带的矩形形状片通过光刻工艺被切割并在固定装置中层叠处于对齐状态。对所述叠层进行热处理以在非晶体金属中形成纳米晶微结构。通过执行下列步骤实施退火：1)将部分加热至580℃；2)将温度保持在约580℃达约1小时；和3)将部分冷却至周围环境温度。在热处理之后，所述叠层通过浸没在低粘度的环氧树脂中进行浸渍。所述树脂在约177℃的温度下活化和固化约2.5小时以形成环氧浸渍的矩形棱柱体大块磁性部件。通过轻微研磨技术在每个棱柱体上制备两个配合面以形成平的表面。一个面位于每个棱柱体的端部上，而另一个具有大体上相同尺寸的表面则在棱柱体远端处的侧面上形成。两个配合面都大体上垂直于部件的每个层的平面。
四个棱柱体随后进行组装和通过绑扎结合而被紧固以形成具有如图10所示的形式的正方形画框构型的感应装置。初级电绕组被施加围绕其中一个棱柱体且次级绕组被施加到相对的棱柱体上。所述绕组被连接到标准电子瓦特计上。随后通过使电流通过初级绕组并检测次级绕组中的感应电压，测试装置的铁芯损耗。利用Yokogawa 2532瓦特计确定铁芯损耗。
纳米晶合金感应装置在5kHz和0.3T下具有小于约10W/Kg的铁芯损耗，这使其适于用于高效率感应器或变压器中。
由此已对本发明进行了非常充分详尽的描述，应该理解，所述细节不必被严格遵循，而是可建议本领域的技术人员做出各种变化和变型，所有所述变化和变型均落入由所附权利要求限定出的本发明的范围内。

Claims (43)

1、一种感应装置，包括：
a.具有包括至少一个空气间隙的磁路且包括至少一个低损耗大块铁磁非晶体金属磁性部件的磁芯；
b.围绕所述磁芯的至少一部分的至少一个电绕组；
c.所述部件，包括多个大体上形状相似的非晶体金属带的平面层，所述层被层叠、对齐且通过粘结剂被连结在一起以形成多面体形状的部分；和
d.所述感应装置，当其在5kHz的励磁频率“f”下达到0.3T的峰值磁感应强度大小“Bmax”时，其具有小于约10W/Kg的铁芯损耗。
2、根据权利要求1所述的感应装置，所述装置是从包括变压器、自耦变压器、饱和电抗器和感应器的组中选择出来的构件。
3、根据权利要求1所述的感应装置，其中所述磁芯包括多个分别具有至少两个配合面的所述低损耗大块铁磁非晶体金属磁性部件，且所述部件被组装成并置关系以使得每个所述配合面与另一个所述部件的配合面中的一个接近且大体上平行。
4、根据权利要求1所述的感应装置，其中所述磁芯具有一个低损耗大块铁磁非晶体金属磁性部件。
5、根据权利要求1所述的感应装置，包括多个电绕组。
6、根据权利要求1所述的感应装置，进一步包括在所述空气间隙中的间隔件。
7、根据权利要求1所述的感应装置，其中非晶体金属的所述层进行退火。
8、根据权利要求1所述的感应装置，所述装置具有小于“L”的铁芯损耗，其中L由公式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6给出，所述铁芯损耗、所述励磁频率和所述峰值磁感应强度大小的测量单位分别为瓦特/千克、赫兹和特斯拉。
9、根据权利要求1所述的感应装置，其中所述磁芯的表面的至少一部分涂有绝缘涂层。
10、根据权利要求9所述的感应装置，其中所述涂层大体上覆盖了所述磁芯的整个表面。
11、一种用于构造低铁芯损耗大块非晶体金属磁性部件的方法，包括以下步骤：
a.切割非晶体金属带材以形成多个平面层压结构，每个所述平面层压结构具有大体上相同的预定形状；
b.层叠和对齐所述层压结构以形成具有三维形状的层压结构叠片；
c.对所述层压结构进行退火以改进所述部件的磁性能；和
d.利用粘结剂粘结连结所述层压结构叠片。
12、根据权利要求12所述的方法，其中所述粘结连结步骤包括所述层压结构叠片的浸渍。
13、根据权利要求12所述的方法，其中所述粘结剂包括从包含单组分和双组分环氧、清漆、厌氧粘结剂、氰基丙烯酸酯和室温硫化(RTV)硅酮材料的组中选择出来的至少一个成分。
14、根据权利要求12所述的方法，其中所述粘结剂包括低粘度环氧。
15、根据权利要求12所述的方法，在所述粘结连结步骤之后实施所述退火步骤。
16、根据权利要求12所述的方法，在所述粘结连结步骤之前实施所述退火步骤。
17、根据权利要求12所述的方法，进一步包括步骤：
a.利用绝缘涂层剂涂覆所述部件的表面的至少一部分。
18、根据权利要求12所述的方法，进一步包括步骤：
a.对所述层压结构叠片进行最终加工以实现除去多余的粘结剂、为所述部件提供适当表面光洁度和为所述部件提供其最终部件尺寸中的至少一个。
19、根据权利要求12所述的方法，其中所述切割步骤包括冲轧和光刻浸蚀中的至少一种。
20、根据权利要求12所述的方法，其中所述切割步骤包括对所述非晶体金属带材进行光刻浸蚀以形成所述层压结构。
21、根据权利要求12所述的方法，其中所述切割步骤包括对所述非晶体金属带材进行冲轧以形成所述层压结构。
22、根据权利要求12所述的方法，进一步包括步骤：
a.在所述部件上制备至少两个配合面，所述面大体上是平面的且垂直于所述层。
23、根据权利要求22所述的方法，其中所述制备步骤包括所述配合面的表面研磨、切割、抛光、化学蚀刻和电化学蚀刻中的至少一种。
24、根据权利要求12所述的方法，其中所述部件具有小于“L”的铁芯损耗，其中L由公式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6给出，所述铁芯损耗、所述励磁频率和所述峰值磁感应强度大小的测量单位分别为瓦特/千克、赫兹和特斯拉。
25、一种使用一种工艺构造的低铁芯损耗大块非晶体金属磁性部件，所述工艺包括以下步骤：
a.切割非晶体金属带材以形成多个平面层压结构，每个所述平面层压结构具有大体上相同的预定形状；
b.层叠和对齐所述层压结构以形成具有三维形状的层压结构叠片；
c.对所述层压结构进行退火以改进所述部件的磁性能；和
d.利用粘结剂粘结连结所述层压结构叠片。
26、根据权利要求24所述的低铁芯损耗大块非晶体金属磁性部件，其中所述切割步骤包括光刻浸蚀。
27、根据权利要求24所述的低铁芯损耗大块非晶体金属磁性部件，其中所述切割步骤包括由非晶体金属带冲轧出所述层压结构。
28、根据权利要求24所述的低铁芯损耗大块非晶体金属磁性部件，其中当所述部件在励磁频率“f”下运行至峰值磁感应强度大小Bmax时，其具有小于“L”的铁芯损耗，其中L由公式L＝0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6给出，所述铁芯损耗、所述励磁频率和所述峰值磁感应强度大小的测量单位分别为瓦特/千克、赫兹和特斯拉。
29、根据权利要求24所述的低铁芯损耗大块非晶体金属磁性部件，其中每条所述铁磁非晶体金属带具有基本上由式M70-85Y5-20Z0-20限定出的成分，下标为原子百分比，其中“M”是Fe、Ni和Co中的至少一种，“Y”是B、C和P中的至少一种，以及“Z”是Si、Al和Ge中的至少一种；附带条件包：括(i)达10个原子百分比的组分“M”由金属物质Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta、Hf、Ag、Au、Pd、Pt和W中的至少一种选择性地替换；(ii)达10个原子百分比的组分(Y+Z)由非金属物质In、Sn、Sb和Pb中的至少一种选择性地替换；和(iii)达约一(1)个原子百分比的组分(M+Y+Z)为附带杂质。
30、根据权利要求28所述的低铁芯损耗大块非晶体金属磁性部件，其中每条所述铁磁非晶体金属带具有包含至少70个原子百分比的Fe、至少5个原子百分比的B以及至少5个原子百分比的Si的成分，附带条件为B和Si的总含量为至少15个原子百分比。
31、根据权利要求29所述的低铁芯损耗大块非晶体金属磁性部件，其中每个所述铁磁非晶体金属带具有基本上由式Fe80B11Si9限定出的成分。
32、一种感应装置，包括至少一个根据权利要求12所述的方法构造的大块非晶体金属磁性部件。
33、一种用于构造感应装置的方法，包括以下步骤：
a.设置具有至少一个铁磁大块非晶体金属磁性部件的铁芯，所述磁性部件具有多个非晶体金属带的平面层，所述层通过粘结剂被连结在一起以形成具有包括空气间隙的磁路的大体上多面体的部分；和
b.利用至少一个电绕组围绕所述磁性部件的至少一部分。
34、一种用于构造感应装置的方法，包括以下步骤：
a.设置具有多个铁磁大块非晶体金属磁性部件的铁芯，每个部件具有多个非晶体金属的层，所述层被切割、层叠处于对齐状态并利用粘结剂连结在一起以形成具有一定厚度和多个配合面的大体上多面体的部分；
b.利用电绕组围绕至少一个所述磁性部件；
c.将所述部件放置成并置关系以形成具有至少一条磁路的所述铁芯，每个部件的层位于大体上平行的平面中；和
d.将所述部件紧固成所述并置关系。
35、根据权利要求32所述的方法，进一步包括将间隔件插入所述空气间隙中的步骤。
36、根据权利要求32所述的方法，其中所述紧固步骤包括使用粘结剂以粘结所述部件。
37、根据权利要求32所述的方法，其中所述紧固步骤包括利用带条绑扎结合所述部件。
38、根据权利要求32所述的方法，其中所述紧固步骤包括将所述部件安放在壳体内。
39、根据权利要求32所述的方法，进一步包括最终加工步骤，其中所述配合面进行最终加工以在其上设置平面配合表面。
40、根据权利要求37所述的方法，其中所述最终加工步骤包括表面研磨、切割、抛光、电蚀刻和化学蚀刻中的至少一种。
41、根据权利要求32所述的方法，其中所述电绕组被卷绕在具有中空内部空间的绕线筒上且所述绕线筒被安放在所述铁芯的一部分上。
42、一种包括至少一个从包含变压器、自耦变压器、饱和电抗器和感应器的组中选择出来的低损耗感应装置的电子电路装置，所述装置包括：
a.包括多个低损耗大块铁磁非晶体金属磁性部件的磁芯，所述部件被组装成并置关系并形成至少一条磁路，每个所述部件包括多个大体上形状相似的非晶体金属带的平面层，所述层通过粘结剂被连结在一起以形成具有一定厚度和多个配合面的多面体形状的部分，每个所述部件的厚度大体上相等；
b.用于将所述部件紧固成所述关系的紧固装置，其中通过使每个所述部件的所述带的所述层在大体上平行的平面中且使每个所述配合面接近另一个所述部件的配合面，设置所述部件；和
c.围绕所述磁芯的至少一部分的至少一个电绕组；
且其中当所述感应装置在5kHz的励磁频率“f”下达到0.3T的峰值磁感应强度大小“Bmax”时，其具有小于约10W/Kg的铁芯损耗。
43、一种从包括开关模式功率源和开关模式电压变换器的组中选择出来的功率调节电路装置，所述装置包括：
a.包括多个低损耗大块铁磁非晶体金属磁性部件的磁芯，所述部件被组装成并置关系并形成至少一条磁路，每个所述部件包括多个大体上形状相似的非晶体金属带的平面层，所述层通过粘结剂被连结在一起以形成具有一定厚度和多个配合面的多面体形状的部分，每个所述部件的厚度大体上相等；
b.用于将所述部件紧固成所述关系的紧固装置，其中通过使每个所述部件的所述带的所述层在大体上平行的平面中且使每个所述配合面接近另一个所述部件的配合面，设置所述部件；和
c.围绕所述磁芯的至少一部分的至少一个电绕组；
且其中当所述感应装置在5kHz的励磁频率“f”下达到0.3T的峰值磁感应强度大小“Bmax”时，其具有小于约10W/Kg的铁芯损耗。
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