CN101425706A - 用于电动机的块状的无定形金属磁元件 - Google Patents

用于电动机的块状的无定形金属磁元件 Download PDF

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CN101425706A CNA2008101680717A CN200810168071A CN101425706A CN 101425706 A CN101425706 A CN 101425706A CN A2008101680717 A CNA2008101680717 A CN A2008101680717A CN 200810168071 A CN200810168071 A CN 200810168071A CN 101425706 A CN101425706 A CN 101425706A
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Abstract

一种具有至少一个块状无定形金属磁元件的电动机，所述块状无定形金属磁元件包括许多层形状基本相同的无定形金属带，通过用环氧树脂浸渍所述元件并进行固化，使所述无定形金属带层叠在一起而形成多面体形状的部件，其中所述块状无定形金属磁元件当在60Hz的频率和1.4T磁通密度下操作时，具有0.5和1W/kg之间的无定形金属材料的磁心损耗。在相同的频率范围内，本发明的块状无定形金属磁元件和硅钢片元件相比，具有大大改善的操作特性。

Description

用于电动机的块状的无定形金属磁元件
本申请是申请号为99815454.7、申请日为1999年11月4日、发明名称为“用于电动机的块状的无定形金属磁元件”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种无定形金属磁元件，更具体地说，本发明涉及一种具有基本上呈多面体形的块状的无定形金属磁元件的高效的电动机。
背景技术
电动机一般含有由多个无定向的电工钢叠层制成的磁元件。在可调速的磁阻电动机和涡流电动机中，定子由叠层构成。在鼠笼电动机、磁阻同步电动机和开关磁阻电动机中，定子和转子都由叠层制成。每层一般借助于把在机械性能上软的、无定向的电工钢压制、冲压或切削成所需的形状而成。然后，把形成的层层叠并粘结而成为转子或定子。
虽然和无定向电工钢相比，无定形金属具有优异的磁性能，但是，长期以来，由于某种物理性能和相应的加工限制，认为无定形金属不适用于块状的磁元件，例如电动机的转子和定子。例如，无定形金属比无定向电工钢薄而硬，这使得制造工具和模具北约较快地磨损。引起的工具和制造成本的增加使得利用这种技术制造块状无定形金属磁元件在工业上是不实际达到。无定形金属的太薄也导致在组装的元件中层叠数量的增加，这又引起无定形金属转子或定子磁部件总体成本的增加。
无定形金属一般以具有均匀宽度的薄的连续带被提供。然而，无定形金属是非常硬的材料，使得难于切削和成形，并且一旦退火达到峰值磁性能，便成为非常脆的材料。这使得利用常规的方法制造块状无定形金属磁元件是极其困难和昂贵的。无定形金属的脆性还带来关于对应用于电动机的块状磁元件的耐用性的担心。
块状无定形金属磁元件的另一个问题是，当其遭受物理应力时无定形金属材料的导磁率减小。这种导磁率的减小在很大程度上和无定形金属的应力大小有关。当块状无定形金属磁元件遭受应力时，磁心引导或集中磁通的效率被减小，因而引起较高的磁损耗，导致发热增加，因而降低功率。由于无定形金属的磁致伸缩的性质，这种应力敏感性可以由在电动机的操作期间的磁力和机械力产生的应力、在安装时由机械固定或其它的固定产生的机械应力、或者由由于热胀与/或由于无定形金属的磁饱和引起的膨胀引起。
发明内容
本发明提供了一种用于高效率的电动机的具有多面体形状的并由多层无定形金属带构成的块状无定形金属磁元件。本发明还提供了一种用于制造块状无定形金属磁元件的方法。所述磁元件能够在大约60Hz-20000Hz的频率范围内操作，并比在相同频率下操作的硅钢磁元件具有改善的性能特性。更具体地说，按照本发明构成的磁元件(i)当在大约60Hz的频率大约1.4T磁通密度下操作时，具有小于或近似等于1W/kg无定形金属材料的磁心损耗；(ii)当在大约1000Hz的频率大约1.4 T磁通密度下操作时，具有小于或近似等于20W/kg无定形金属材料的磁心损耗；以及(iii)当在大约20000Hz的频率大约0.30T磁通密度下操作时，具有小于或近似等于70W/kg无定形金属材料的磁心损耗。
在本发明的第一实施例中，块状无定形金属磁元件包括多个形状基本上类似的被层叠在一起而形成多面体形状的部件的无定形金属带层。
本发明还提供了一种用于制造块状无定形金属磁元件的方法。按照本发明的方法的第一实施例，无定形金属带材料被切割形成具有预定长度的多个切割带。所述切割带被叠在一起而形成层叠的无定形金属带材料的棒并被退火。所述被退火的层叠的棒利用环氧树脂浸渍并被固化。然后把层叠的棒切割成为预定的长度而得到具有预定的三维几何形状的多个多面体形状的磁元件。优选的无定形金属材料具有由化学式Fe80B11Si9确定的成分。
在按照本发明的第二实施例的方法中，无定形金属带围绕一个心轴被绕制，从而形成具有基本上倒圆的拐角的基本上为矩形的磁心。然后，所述基本上为矩形的磁心被退火，并利用环氧树脂浸渍并被固化。然后切开矩形磁心的短边而形成两个具有预定的三维几何形状的磁元件，其具有基本上和所述基本上为矩形的磁心的所述短边相同的尺寸和形状。从所述基本上为矩形的磁心的长边除去有倒圆的拐角，并切割所述基本上为矩形的磁心的长边而成为多个具有预定的三维几何形状的多面体形的磁元件。优选的无定形金属材料具有由化学式Fe80B11Si9确定的成分。
本发明还涉及一种按照上述方法构成的块状无定形金属元件。
按照本发明构成的块状无定形金属磁元件尤其适用于作为高效的可调速的磁阻电动机和涡流电动机中的无定形金属定子或转子。同样，所述块状无定形金属元件可以用作鼠笼电动机、磁阻同步电动机和开关磁阻电动机中的转子和定子。由本发明带来的优点包括简化制造过程，减少制造时间，减少在块状无定形金属元件的制造期间遇到的应力(即磁致伸缩)，以及优化最终的无定形金属磁元件的性能。
附图说明
通过参看下面参照附图对本发明的优选实施例的详细说明，可以更充分地理解本发明，并更清楚地看出本发明的优点，在所有附图中，相同的标号表示相同的元件，其中：
图1是按照本发明构成的呈三维矩形形状的块状无定形金属磁元件的透视图；
图2A是按照本发明构成的呈棱柱形状的块状无定形金属磁元件的透视图；
图2B是按照本发明构成的具有相对设置的弓形表面的块状无定形金属磁元件的透视图；
图2C是由6个图2A所示的棱柱元件和6个图2B所示的弓形元件构成的电动机分定子的顶视图；
图3A是按照本发明构成的电动机的块状无定形金属磁定子的透视图；
图3B是按照本发明构成的电动机的块状无定形金属磁转子的透视图；
图3C是由图3A构成的定子和由图3B构成的转子构成的电动机的定子和转子的顶视图；
图4是按照本发明无定形金属带的线圈被固定以便被切割和层叠的侧视图；
图5是无定形金属带的棒的透视图，表示用于形成多个按照本发明的基本上呈棱柱形的磁元件的切割线；
图6是无定形金属带的线圈的侧视图，其被围绕一个心轴缠绕，从而形成按照本发明的基本上为矩形的磁心；以及
图7是基本上为矩形的磁心的透视图，表示用于形成按照本发明的基本上呈棱柱形的磁元件的切割线。
具体实施方式
本发明涉及一种高效的电动机，其由块状无定形金属元件例如定子、转子和用于定子和转子的零部件构成。按照本发明构成的基本上是多面体形状的块状无定形金属元件具有各种几何形状，其中包括但不限于矩形，方形，和棱柱形。此外，上述的任何一种几何形状可以包括至少一个弓形表面，并且最好具有两个相对设置的弓形表面，从而形成基本上是弯曲的或呈弓形的块状无定形金属元件。此外，完整的定子和转子可以作为按照本发明的块状无定形金属元件被构成。这些定子和转子可以具有整体的结构，或者由多块构成，它们被集中地装配在一起而形成一个整个的元件。此外，所述定子与/或转子可以是一种合成结构，其在整体上由无定形金属部件或者由无定形金属部件和其它磁材料的组合构成。
现在参看图1，图1表示基本上是多面体形状的块状无定形金属元件10。此处使用的术语“多面体”指的是具有多个表面或侧面的实体。其中包括但不限于，三维的矩形，方形，梯形和棱柱形。此外，上述的任何一种几何形状可以包括至少一个最好两个弓形的表面或侧面，它们被彼此相对地设置，从而形成基本上是弓形的元件。图1所示的磁元件10由多个形状基本相同的被层叠在一起并被退火的无定形金属带材料20的层构成。在优选实施例中，按照本发明构成的并具有大约为1.4T的磁通密度的三维磁元件10(i)当在大约60Hz的频率大约1.4T磁通密度下操作时，具有小于或近似等于1W/kg无定形金属材料的磁心损耗；(ii)当在大约1000Hz的频率大约1.4T磁通密度下操作时，具有小于或近似等于20W/kg无定形金属材料的磁心损耗；以及(iii)当在大约20000Hz的频率大约0.30T磁通密度下操作时，具有小于或近似等于70W/kg无定形金属材料的磁心损耗。这些性能指标适用于本发明的各个实施例，而和块状无定形金属元件的几何形状无关。
图2A所示的磁元件100基本上是棱柱形的，并具有5个侧面或表面110。五边形的多面体元件100由基本上具有相同的形状和尺寸的许多层无定形金属带材料20构成。所述带材料被层叠在一起，然后被退火。
图2B所示的磁元件200包括至少一个，最好两个相对设置的弓形表面210。弓形元件200由许多层无定形金属带材料20构成，其中每层具有基本上相同的形状和尺寸，它们被层叠在一起，然后被退火。
图2C所示的块状无定形金属磁元件300可被用作具有径向气隙的电动机的转子，其由6个磁元件100和6个磁元件200构成。
图3A所示的块状无定形金属磁元件400基本上呈圆环形，并且具有多个基本上呈矩形的齿410，它们沿径向向内朝向圆环形元件400的中心延伸。元件400由许多层无定形金属带材料20构成，其中每层具有基本上相同的形状和尺寸，它们被层叠在一起，然后被退火。按照图3A所示的实施例构成的块状无定形金属元件可被用作径向气隙电动机的定子。
图3B所示的块状无定形金属元件500基本上呈盘形，并且包括多个基本上是矩形的径向延伸的齿510。元件500由许多层无定形金属带材料20构成，其中每层具有基本上相同的形状和尺寸，它们被层叠在一起，然后被退火。按照图3A所示的实施例构成的块状无定形金属元件可被用作径向气隙电动机的转子。
接着参看图3C，定子400和转子500被构成作为按照本发明的块状无定形金属元件，并被用作高效径向气隙电动机600的部件。
本发明还提供一种用于制造块状无定形金属元件的方法。如图4所示，一卷无定形金属带材料30通过切削刀片40被切割成具有相同形状和尺寸的多个带20。带20被叠置而形成叠置的无定形金属带材料的棒50。所述棒50被退火，并利用环氧树脂浸渍并固化。棒50可以沿着图5所示的线52被切割，从而产生多个基本上呈梯形的磁元件10。最终的磁元件10可以基本上是矩形的、梯形的、方形的或其它多面体形状的。棒50也可以被切割而形成五边棱柱11、弓形块12、环形块13或盘形块14的形式的三维的形状，分别如图2A，2B，3A，和3B所示。
在本发明的方法的第二实施例中，如图6和7所示，块状的无定形金属磁元件10通过围绕基本上呈矩形的心轴60缠绕一个或一组无定形金属带22，从而形成基本上呈矩形的绕制的磁心70。磁心70的短边74的高度最好大约等于最终块状无定形金属磁元件10所需的长度。磁心70被退火，利用环氧树脂被浸渍并被固化。借助于切割短边74可以形成两个元件10，从而在长边78上剩下有倒圆的拐角76。通过从长边78除去有倒圆的拐角76，并在由虚线72所示的多个位置切割长边78，可以形成其它的磁元件10。在图7所示的例子中，块状无定形金属元件10基本上呈矩形，但是，利用本发明，也可以得到其它的形状。绕制的磁心70也可以被切割而形成五边棱柱11、弓形块12、环形块13或盘形块14的形式的三维的形状，分别如图2A，2B，3A，和3B所示。
用这种方式得到的结构特别适用于作为电动机中的磁元件，例如无定形金属定子和转子部件。磁元件的制造被简化了，并且减少了制造时间。并且使得在制造块状无定形金属元件期间遭受的应力最小。优化了最终元件的磁性能。
本发明的块状无定形金属磁元件10可以使用许多无定形金属的合金制造。一般地说，适用于制造本发明的元件10的合金由化学式M70-85Y5-20Z0-20确定，其中下标是原子百分数，“M”是Fe，Ne，和Co中的至少一种元素，“Y”是B，C和P中的至少一种元素，“Z”是Si，Al，和Ge中的至少一种元素；附带的限制性条件是(i)多达10原子％的M可用金属Ti，V，Cr，Mn，Cu，Zr，Nb，Mo，Ta，和W中的至少一种代替，以及(ii)多达10原子％的元素(Y+Z)可用非金属In，Sn，Sb，和Pb中的至少一种代替。对于其中“M”是铁，“Y”是硼，“Z”是硅的合金，可用在低成本下获得最高的感应值。因此，无定形金属带最好由铁硼硅制成。最好无定形金属带的成分是大约11原子％硼，大约9原子％硅，其余为铁和附带的杂质。这种金属带由AlliedSignal Inc.销售，注册商标是alloy 2605SA-1。
本发明的块状无定形金属磁元件10可以由层叠无定形金属带而成的棒50或者由缠绕无定形金属带而成的磁心70利用许多切割技术切割而成。元件10使用切割刀片或飞轮由棒50或磁心70切割而成。此外，元件10可以利用电子放电加工方法或者利用射流方法切割而成。
和由其它的铁基的磁性金属制成的元件相比，块状无定形磁元件可以在更高的效率下被磁化和去磁。当用作电动机的定子和转子时，在相同的感应和频率下，由其它的铁基的磁性金属制成的元件相比，块状无定形磁元件的发热较少。因此，和由其它的铁基的磁性金属制成的元件相比，使用块状无定形磁元件的电动机可以被设计以便实现在以下条件下的操作：1)较低的操作温度；2)较高的磁感应，从而实现减小体积和重量；3)较高的频率，以便减小体积和重量，或者实现优异的运动控制。
下面提供一些例子，以便更完整地理解本发明。其中提出的特定的技术、条件、材料、比例和报告的数据只用于说明本发明的原理和实施方式，并不构成对本发明的范围的限制。
例1
无定形金属矩形棱柱的制备和电磁性能测试
大约60mm宽，0.022mm厚的Fe80B11Si9无定形金属带围绕尺寸大约为25mm×90mm的矩形心轴或线轴绕制。大约缠绕800圈，形成矩形磁心的形状，内部尺寸大约为25×90mm，厚度大约为20mm。所述磁心/线轴组件被在氮气中退火。所述退火包括：1)将磁心加热到365℃；2)保持所述365℃的温度大约2小时；3)将所述组件冷却到环境温度。从磁心/线轴组件中拆下绕制的矩形的无定形金属磁心。在真空中用环氧树脂溶液浸渍所述磁心。重新装上所述线轴，被浸渍的磁心/线轴组件在120℃下被固化大约4.5小时。当完全固化时，再次从磁心/线轴组件上拆下磁心。得到绕制的、环氧树脂浸渍的、矩形的无定形金属磁心的重量大约为2100g。
利用1.5mm厚的切割刀片切割环氧树脂浸渍过的无定形金属磁心，形成60mm长，40mm宽，20mm厚的矩形棱柱体。矩形棱柱体的切割表面和磁心的剩余部分在硝酸水溶液中被浸蚀，并在氢氧化铵水溶液中清洗。
磁心的剩余部分在硝酸水溶液中被浸蚀，并在氢氧化铵水溶液中清洗。矩形棱柱体和磁心的剩余部分被重新装配成完整的切开的磁心形式。把一次绕组和二次绕组固定到磁心的剩余部分上。切开的磁心形式在60、1000、5000和20000Hz下进行电性能测试，并和相同试验结构的用其它铁磁材料制成的铁心(National ArnoldMagnetics，17030 Muskrat Avenue，Adelanto，CA 92301(1955))的测试结果比较，其结果如表1，2，3和4所示。
表1
60Hz的铁心损耗(W/kg)
Figure A200810168071D00101
表2
1000Hz的铁心损耗(W/kg)
Figure A200810168071D00102
Figure A200810168071D00111
表3
5000Hz的铁心损耗(W/kg)
Figure A200810168071D00112
表4
20000Hz的铁心损耗(W/kg)
Figure A200810168071D00113
例2
无定形金属梯形棱柱的制备
大约48mm宽，0.022mm厚的Fe80B11Si9无定形金属带被切割成为大约300mm的长度的带。大约3800层切割的无定形金属带被叠置成为大约48mm宽，300mm长和96mm的厚度的棒。所述棒在氮气中退火。所述退火包括：1)将所述棒加热到365℃；2)保持所述365℃的温度大约2小时；3)将所述棒冷却到环境温度。在真空中用环氧树脂溶液浸渍所述棒，并在120℃下被固化大约4.5小时。得到层叠的、环氧树脂粘结的无定形金属棒的重量大约为9000g。
利用1.5mm厚的切割刀片切割环氧树脂浸渍过的无定形金属棒而成为梯形棱柱，所述梯形棱柱的梯形表面的底为52mm和62mm，高是48mm。梯形棱柱的厚度为96mm(3800层)。梯形棱柱的切割表面和磁心的剩余部分在硝酸水溶液中被浸蚀，并在氢氧化铵水溶液中清洗。
例3
具有弓形截面的多面体块状无定形金属元件的制备
大约50mm宽，0.022mm厚的Fe81B11Si9无定形金属带被切割成为大约300mm的长度的带。大约3800层切割的无定形金属带被叠置成为大约50mm宽，300mm长和96mm的厚度的棒。所述棒在氮气中退火。所述退火包括：1)将棒加热到365℃；2)保持所述365℃的温度大约2小时；3)将所述棒冷却到环境温度。在真空中用环氧树脂溶液浸渍所述棒，并在120℃下被固化大约4.5小时。得到层叠的、环氧树脂粘结的无定形金属棒的重量大约为9200g。
使用放电加工方法切割层叠的环氧树脂浸渍过的无定形金属棒，使得形成三维的弓形块，所述块的外径大约为96mm。所述块的内径大约为13mm。弧长大约为90度。块厚大约为96mm。
大约20mm宽，0.022mm厚的Fe81B11Si9无定形金属带围绕外径大约为19mm的圆形心轴或线轴绕制。大约缠绕1200圈，形成圆形磁心的形状，其内径大约为19mm，外径大约为48mm。所述磁心的厚度大约为29mm。所述磁心被在氮气中退火。所述退火包括：1)将棒加热到365℃；2)保持所述365℃的温度大约2小时；3)将所述棒冷却到环境温度。在真空中用环氧树脂溶液浸渍所述磁心，并在120℃下被固化大约4.5小时。得到绕制的、环氧树脂浸渍的无定形金属磁心的重量大约为71g。
使用射流方法把绕制的、环氧树脂浸渍的无定形金属磁心切割形成半圆形的三维形状的实体。所述半圆形的实体的内径大约为19mm，外径大约为48mm，厚度大约为20mm。多面体块状无定形金属元件的切割表面和磁心的剩余部分在硝酸水溶液中被浸蚀，并在氢氧化铵水溶液中清洗。
至此对本发明进行了详细地说明，应当理解，本发明并不严格地限制于这些细节，对于本领域的技术人员，在所附权利要求限定的范围内，可以作出各种改变和改型。

Claims (9)

1.一种具有至少一个块状无定形金属磁元件的电动机，所述块状无定形金属磁元件包括许多层形状基本相同的无定形金属带，通过用环氧树脂浸渍所述元件并进行固化，使所述无定形金属带层叠在一起而形成多面体形状的部件，其中所述块状无定形金属磁元件当在60Hz的频率和1.4T磁通密度下操作时，具有小于或等于0.5和1W/kg之间的无定形金属材料的磁心损耗。
2.一种具有至少一个块状无定形金属磁元件的电动机，所述块状无定形金属磁元件包括许多层形状基本相同的无定形金属带，通过用环氧树脂浸渍所述元件并进行固化，使所述无定形金属带层叠在一起而形成多面体形状的部件，其中所述块状无定形金属磁元件当在1000Hz的频率和1.4T磁通密度下操作时，具有小于或等于20W/kg无定形金属材料的磁心损耗。
3.一种具有至少一个块状无定形金属磁元件的电动机，所述块状无定形金属磁元件包括许多层形状基本相同的无定形金属带，通过用环氧树脂浸渍所述元件并进行固化，使所述无定形金属带层叠在一起而形成多面体形状的部件，其中所述块状无定形金属磁元件当在20000Hz的频率和0.30T磁通密度下操作时，具有小于或等于70W/kg无定形金属材料的磁心损耗。
4.如权利要求1、2和3中的任一权利要求所述的电动机，其中每个所述的无定形金属带具有由化学式Fe80B11Si9限定的成分。
5.如权利要求1、2和3中的任一权利要求所述的电动机，其中所述块状无定形金属磁元件构成所述电动机的定子的一部分。
6.如权利要求1、2和3中的任一权利要求所述的电动机，其中所述块状无定形金属磁元件构成所述电动机的定子。
7.如权利要求1、2和3中的任一权利要求所述的电动机，其中所述块状无定形金属磁元件构成所述电动机的转子的一部分。
8.如权利要求1、2和3中的任一权利要求所述的电动机，其中所述块状无定形金属磁元件构成所述电动机的转子。
9.如权利要求1、2和3中的任一权利要求所述的电动机，其中所述块状无定形金属磁元件构成所述电动机的转子和定子。
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