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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konstruktion eines Polschuhs
für eine
Vorrichtung.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Die
Magnetresonanzbildgebung (MRI) ist zu einem wichtigen, nicht-invasiven
Diagnosehilfsmittel in der modernen Medizin geworden. Ein MRI-System
umfasst in der Regel eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung. Eine
Anzahl solcher Felderzeugungsvorrichtungen verwenden entweder Dauermagnete
oder Elektromagnete als eine Quelle einer magnetomotorischen Kraft.
Häufig
umfasst die Felderzeugungsvorrichtung des Weiteren ein Paar magnetischer
Polflächen,
die einen Spalt definieren, wobei das abzubildende Volumen in diesem
Spalt enthalten ist.
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US-Patent Nr. 4,672,346 lehrt
eine Polfläche,
die eine massive Struktur aufweist und eine plattenartige Masse
umfasst, die aus einem magnetischen Material wie zum Beispiel Kohlenstoffstahl
gebildet ist.
US-Patent Nr. 4,818,966 lehrt,
dass der Magnetfluss, der von den Polschuhen einer Magnetfelderzeugungsvorrichtung
aus erzeugt wird, in den dazwischen befindlichen Spalt hinein konzentriert
werden kann, indem man den Umfangsrandabschnitt der Polschuhe aus
laminierten magnetischen Platten herstellt.
US-Patent Nr. 4,827,235 offenbart
einen Polschuh mit einer hoch-gesättigten Magnetisierung, weichem
Magnetismus und einem spezifischen Widerstand von 20 μΩ-cm oder
mehr. Weichmagnetische Materialien, zu denen Permalloy, Siliciumstahl,
amorphe magnetische Legierung, Ferrit und magnetisches Verbundmaterial
gehören,
werden dort zur Verwendung gelehrt.
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US-Patent Nr. 5,124,651 lehrt
einen Nuklearmagnetresonanzscanner mit einer Primärfeldmagnetbaugruppe.
Die Baugruppe enthält
ferromagnetische obere und untere Polschuhe. Jeder Polschuh umfasst
eine Mehrzahl von schmalen, länglichen
ferromagnetischen Stäben,
die mit ihren langen Achsen parallel zur Polrichtung des jeweiligen
Polschuhs ausgerichtet sind. Die Stäbe bestehen vorzugsweise aus
einer magnetisch permeablen Legierung wie zum Beispiel Stahl 1008,
Weicheisen oder dergleichen. Die Stäbe sind in Querrichtung durch
ein elektrisch nicht-leitfähiges
Medium elektrisch voneinander getrennt, wodurch die Entstehung von
Wirbelströmen
in der Ebene der Flächen
der Pole der Feldbaugruppe gemindert wird.
US-Patent Nr. 5,283,544 , am 1. Februar
1994 an Sakurai und Mitarbeiter ausgegeben, offenbart eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung,
die zur MRI verwendet wird. Die Vorrichtungen enthalten ein Paar
magnetischer Polschuhe, die eine Mehrzahl von blockförmigen magnetischen
Polschuhelementen umfassen können,
die durch Laminieren einer Mehrzahl von nicht-orientierten Siliciumstahllagen
gebildet sind.
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US-A-4190438 beschreibt
eine amorphe magnetische Legierung, die sich als ein Material für einen Magnetkopf
für eine
Aufzeichnungs- und/oder Wiedergabevorrichtung eignet, wobei die
Legierung aus 2 bis 20 Atomprozent Rutheniumatomen, 10 bis 30 Atomprozent
von mindestens einem amorph-formenden Element, das aus folgender
Gruppe ausgewählt
ist: Phosphor, Kohlenstoff, Silicium, Bor und Germanium, und Eisenatomen
als der vorherrschenden Komponente des Rests besteht.
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Ungeachtet
der Fortschritte, welche die oben angesprochenen Offenbarungen darstellen,
besteht auf diesem technischen Gebiet nach wie vor Bedarf an verbesserten
Polschuhen. Der Grund dafür
ist, dass diese Polschuhe für
das Verbessern der Abbildungsfähigkeit
und Qualität
von MRI-Systemen wesentlich sind.
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Obgleich
amorphe Metalle eine überragende
magnetische Leistung im Vergleich zu nicht-orientierten Elektrostählen bieten,
sind sie aufgrund bestimmter physikalischer Eigenschaften von amorphem
Metall und der entsprechenden Fertigungseinschränkungen lange Zeit für die Verwendung
in massiven magnetischen Komponenten, wie zum Beispiel den Kacheln
von Polflächenmagneten
für MRI-Systeme,
als ungeeignet angesehen worden. Zum Beispiel sind amorphe Metalle
dünner
und härter
als nicht-orientierter Siliciumstahl. Folglich verursachen herkömmliche
Schneid- und Stanzprozesse einen schnelleren Verschleiß der Fertigungswerkzeuge
und Gesenke. Die sich daraus ergebende Erhöhung der Werkzeug- und Fertigungskosten
macht die Herstellung massiver amorpher Metallmagnetkomponenten
mittels solcher Techniken, wie sie herkömmlicherweise praktiziert werden,
unwirtschaftlich. Die Dünne
von amorphen Metallen hat auch eine höhere Anzahl von Laminierungen
der montierten Komponenten zur Folge, wodurch die Gesamtkosten der
amorphen Metallmagnetkomponente steigen.
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Amorphes
Metall wird in der Regel als ein dünnes kontinuierliches Band
mit einer gleichförmigen Bandbreite
geliefert. Amorphes Metall ist jedoch ein sehr hartes Material,
wodurch es sich sehr schwer schneiden oder formen lässt, und
nachdem es wärmebehandelt
wurde, um optimale magnetische Eigenschaften zu erreichen, wird
es sehr spröde.
Dadurch wird es schwierig und teuer, eine massive amorphe Metallmagnetkomponente
mittels herkömmlicher
Verfahrensweisen zu konstruieren. Die Sprödigkeit von amorphem Metall kann
auch zu Bedenken bezüglich
der Langlebigkeit der massiven magnetischen Komponente in einer
Anwendung wie zum Beispiel einem MRI-System führen.
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Ein
weiteres Problem mit massiven amorphen Metallmagnetkomponenten ist,
dass die magnetische Permeabilität
von amorphem Metallmaterial verringert wird, wenn es physikalischen
Belastungen ausgesetzt wird. Diese Verringerung der Permeabilität kann je
nach der Intensität
der auf das amorphe Metallmaterial einwirkenden Belastungen erheblich
sein. Wenn eine massive amorphe Metallmagnetkomponente Belastungen ausgesetzt
wird, so wird die Effizienz verringert, mit der der Kern den Magnetfluss
richtet oder fokussiert. Das führt
zu höheren
magnetischen Verlusten, verstärkter
Wärmeerzeugung
und verringerter Leistung. Eine solche Belastungsempfindlichkeit
infolge der magnetostriktiven Eigenart des amorphen Metalls kann
hervorgerufen werden durch: Belastungen, die aus Magnetkräften während des
Betriebes der Vorrichtung resultieren; mechanische Belastungen,
die aus einem mechanischen Klemmen oder sonstigen Fixieren der massiven
amorphen Metallmagnetkomponenten an ihrem Platz resultieren; oder
innere Belastungen, die durch die Wärmeausdehnung und/oder Ausdehnung
infolge von magnetischer Sättigung
des amorphen Metallmaterials hervorgerufen werden.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Konstruktion eines
Polschuhs für
eine Magnetresonanzbildgebungsvorrichtung gemäß Definition in Anspruch 1
bereit. Die magnetische Komponente arbeitet mit Frequenzen im Bereich
von etwa 50 Hz bis 20.000 Hz und weist verbesserte Leistungseigenschaften
im Vergleich zu aus Siliciumstahl bestehenden magnetischen Komponenten
auf, die über
den gleichen Frequenzbereich betrieben werden. Eine magnetische
Komponente, die gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruiert ist und die mit einer Erregungsfrequenz "f" auf einen Spitzeninduktionspegel "Bmax" erregt wird, hat
einen Kernverlust bei Raumtemperatur von weniger als "L", wobei L durch die Formel L = 0,0074
f(Bmax)1,3 + 0.000282 f1,5(Bmax)2,4 gegeben ist, wobei der Kernverlust, die
Erregungsfrequenz und der Spitzeninduktionspegel in Watt je Kilogramm,
Hertz bzw. Tesla gemessen werden. Die magnetische Komponente hat
(i) einen Kernverlust von weniger als oder ungefähr gleich 1 Watt/Kilogramm
amorphes Metallmaterial, wenn sie mit einer Frequenz von ungefähr 60 Hz
und einer Flussdichte von ungefähr
1,4 Tesla (T) betrieben wird; (ii) einen Kernverlust von weniger
als oder ungefähr
gleich 12 Watt/Kilogramm amorphes Metallmaterial, wenn sie mit einer
Frequenz von ungefähr
1000 Hz und mit einer Flussdichte von ungefähr 1,0 T betrieben wird; oder
(iii) einen Kernverlust von weniger als oder ungefähr gleich
70 Watt/Kilogramm amorphes Metallmaterial, wenn sie mit einer Frequenz von
ungefähr
20.000 Hz und mit einer Flussdichte von ungefähr 0,30 T betrieben wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird vollständiger
verstanden, und weitere Vorteile werden offenbar, wenn man die folgende
detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
und die begleitenden Zeichnungen studiert, wobei in all den verschiedenen
Ansichten gleiche Bezugszahlen ähnliche
Elemente bezeichnen, und in denen Folgendes dargestellt ist:
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1A ist
eine perspektivische Ansicht einer massiven gestanzten amorphen
Metallmagnetkomponente mit der Gestalt eines allgemein rechteckigen
Polyeders zur Verwendung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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1B ist
eine perspektivische Ansicht einer massiven gestanzten amorphen
Metallmagnetkomponente mit der Gestalt eines allgemein trapezförmigen Polyeders
zur Verwendung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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1C ist
eine perspektivische Ansicht einer massiven gestanzten amorphen
Metallmagnetkomponente mit der Gestalt eines Polyeders mit gegenüberliegend
angeordneten bogenförmigen
Flächen
zur Verwendung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2A ist
eine Seitenansicht einer Rolle eines ferromagnetischen amorphen
Metallstreifens, der zum Wärmebehandeln
und Stanzen gemäß dem Verfahren
der vorliegende Erfindung in Position gebracht ist, und von ferromagnetischen
amorphen Metalllaminierungen, die zum Stapeln gemäß dem Verfahren
der vorliegende Erfindung in Position gebracht sind.
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2B ist
eine Seitenansicht einer Rolle eines ferromagnetischen amorphen
Metallstreifens, der zum Wärmebehandeln,
Epoxidbeschichten und Stanzen gemäß dem Verfahren der vorliegende
Erfindung in Position gebracht ist, und von ferromagnetischen amorphen
Metalllaminierungen, die zum Stapeln gemäß dem Verfahren der vorliegende
Erfindung in Position gebracht sind.
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2C ist
eine Seitenansicht einer Rolle eines ferromagnetischen amorphen
Metallstreifens, der zum Stanzen gemäß dem Verfahren der vorliegende
Erfindung in Position gebracht ist, und von ferromagnetischen amorphen
Metalllaminierungen, die zum Stapeln gemäß dem Verfahren der vorliegende
Erfindung in Position gebracht sind.
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2D ist
eine Seitenansicht einer Rolle eines ferromagnetischen amorphen
Metallstreifens, der zum Stanzen gemäß dem Verfahren der vorliegende
Erfindung in Position gebracht ist, und von ferromagnetischen amorphen
Metalllaminierungen, die zum Stapeln gemäß dem Verfahren der vorliegende
Erfindung in Position gebracht sind.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht einer Baugruppe zum Testen von massiven
gestanzten amorphen Metallmagnetkomponenten, die vier Komponenten
umfasst, die jeweils die Gestalt eines Polyeders mit gegenüberliegend
angeordneten bogenförmigen
Flächen
haben, und die zu einem allgemein geraden ringförmigen Kreiszylinder zusammengefügt sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Konstruktion eines
Polschuhs für
eine Magnetresonanzbildgebungsvorrichtung bereit, wobei der Polschuh
mindestens eine massive amorphe Metallkomponente umfasst. Massive
amorphe Metallkomponenten zur Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung
haben verschiedene dreidimensionale (3-D) Geometrien, einschließlich beispielsweise
rechteckige, quadratische und trapezförmige Prismen. Außerdem kann
jede der zuvor genannten geometrischen Formen mindestens eine bogenförmige Fläche enthalten,
und Implementierungen können
zwei gegenüberliegend
angeordnete bogenförmige
Flächen
enthalten, um eine allgemein gekrümmte oder bogenförmige massive
amorphe Metallkomponente zu bilden. Die gemäß der vorliegenden Erfindung
hergestellten Polschuhe können
entweder eine einstückige
Konstruktion haben, oder sie können
aus einer Mehrzahl von Stücken
gebildet werden, die zusammen die fertige Vorrichtung bilden. Alternativ
kann ein Polschuh eine Verbundstruktur sein, die vollständig aus
amorphen Metallteilen oder einer Kombination amorpher Metallteile
mit anderen magnetischen Materialien besteht.
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Eine
Magnetresonanzbildgabe(MRI)-Vorrichtung verwendet häufig einen
magnetischen Polschuh (auch als eine "Polfläche" bezeichnet) als Teil eines Magnetfelderzeugungsmittels.
Wie dem Fachmann bekannt ist, wird ein solches Felderzeugungsmittel
dafür verwendet,
ein stabiles Magnetfeld und einen darübergelegten zeitveränderlichen
Magnetfeldgradienten bereitzustellen. Um ein hochwertiges, hochauflösendes MRI-Bild
zu erzeugen, ist es entscheidend, dass das stabile Feld über das
gesamte zu untersuchende Probenvolumen hinweg homogen ist und dass
der Feldgradient genau definiert ist. Diese Homogenität kann durch
die Verwendung geeigneter Polschuhe verbessert werden. Die massive
amorphe Me tallmagnetkomponente der Erfindung ist zur Verwendung
beim Konstruieren einer solchen Polfläche geeignet.
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Die
Polschuhe für
ein MRI- oder ein anderes Magnetsystem sind dafür geeignet, in einer vorgegebenen
Weise den Magnetfluss, der aus mindestens einer Quelle einer magnetomotorischen
Kraft (mmf) kommt, zu formen und zu richten. Die Quelle kann bekannte
mmf-Erzeugungsmittel umfassen, einschließlich Dauermagnete und Elektromagnete
mit entweder normal leitfähigen
oder superleitenden Wicklungen. Jeder Polschuh kann eine oder mehrere
massive amorphe Metallmagnetkomponenten, wie im vorliegenden Text
beschrieben, umfassen.
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Es
ist erwünscht,
dass ein Polschuh gute Gleichstrommagneteigenschaften aufweist,
einschließlich hoher
Permeabilität
und hoch-gesättigter
Flussdichte. Die Forderungen nach höherer Auflösung und höherer Arbeitsflussdichte in
MRI-Systemen haben zu einer weiteren Anforderung geführt, wonach
der Polschuh auch gute Wechselstrommagneteigenschaften haben muss.
Genauer gesagt, ist es erforderlich, dass der in dem Polschuh durch
das zeitveränderliche
Gradientenfeld erzeugte Kernverlust minimiert wird. Das Verringern
des Kernverlustes verbessert vorteilhafterweise die Definition des
Magnetfeldgradienten und gestattet eine raschere Änderung
des Feldgradienten, wodurch eine kürzere Bildgabedauer ohne Verschlechterung
der Bildqualität ermöglicht wird.
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Die
allerersten magnetischen Polschuhe wurden aus massivem magnetischem
Material wie zum Beispiel Kohlenstoffstahl oder hochreinem Eisen,
das der Fachmann häufig
als Armco-Eisen bezeichnet, hergestellt. Sie haben ausgezeichnete
Gleichstromeigenschaften, aber einen sehr hohen Kernverlust in Gegenwart von
Wechselstromfeldern aufgrund von makroskopischen Wirbelströmen. Eine
gewisse Verbesserung wird durch Herstellen eines Polschuhs aus laminierten
herkömmlichen
Stählen
erreicht.
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Es
besteht jedoch nach wie vor Bedarf an weiteren Verbesserungen an
Polschuhen, die nicht nur die erforderlichen Gleichstromeigenschaften,
sondern auch wesentlich verbesserte Wechselstromeigenschaften aufweisen,
wobei die wichtigste Eigenschaft ein geringerer Kernverlust ist.
Wie weiter unten noch erläutert wird,
wird die erforderliche Kombination aus hoher Magnetflussdichte,
hoher magnetischer Permeabilität
und niedrigem Kernverlust durch Verwenden der magnetischen Komponente
der vorliegenden Erfindung bei der Konstruktion von Polschuhen erreicht.
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Wenden
wir uns nun im Detail den 1A bis 1C zu. 1A veranschaulicht
eine massive amorphe Metallmagnetkomponente 10 mit einer
dreidimensionalen, allgemein rechteckigen Gestalt. Die magnetische
Komponente 10 besteht aus einer Mehrzahl von im Wesentlichen ähnlich geformten
Schichten aus ferromagnetischem amorphem Metallstreifenmaterial 20,
die miteinander laminiert und wärmebehandelt
sind. Die in 1B gezeigte magnetische Komponente
hat eine dreidimensionale, allgemein trapezförmige Gestalt und besteht aus
einer Mehrzahl von Schichten aus ferromagnetischem amorphem Metallstreifenmaterial 20,
die jeweils im Wesentlichen die gleiche Größe und Gestalt haben und die
miteinander laminiert und wärmebehandelt
sind. Die in 1C gezeigte magnetische Komponente
enthält
zwei gegenüberliegend
angeordnete bogenförmige
Flächen 12.
Die Komponente 10 besteht aus einer Mehrzahl von im Wesentlichen ähnlich geformten
Schichten aus ferromagnetischem amorphem Metallstreifenmaterial 20,
die miteinander laminiert und wärmebehandelt
sind.
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Die
massive amorphe Metallmagnetkomponente 10 ist ein allgemein
dreidimensionaler Polyeder und kann ein allgemein rechteckiges,
quadratisches oder trapez förmiges
Prisma sein. Alternativ, und wie in 1C gezeigt,
kann die Komponente 10 mindestens eine bogenförmige Fläche 12 haben,
und kann, wie gezeigt, zwei bogenförmige Flächen enthalten, die einander
gegenüberliegend
angeordnet sind.
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Die
dreidimensionale magnetische Komponente 10 weist einen
niedrigen Kernverlust auf. Wenn die Komponente mit einer Erregungsfrequenz "f" auf einen Spitzeninduktionspegel "Bmax" erregt wird, so
hat sie einen Kernverlust bei Raumtemperatur von weniger als "L", wobei L durch die Formel L = 0,0074
f(Bmax)1,3 + 0.000282
f1,5(Bmax)2,4 gegeben ist, wobei der Kernverlust, die
Erregungsfrequenz und der Spitzeninduktionspegel in Watt je Kilogramm,
Hertz bzw. Tesla gemessen werden. In einer weiteren Ausführungsform
hat die magnetische Komponente (i) einen Kernverlust von weniger
als oder ungefähr
gleich 1 Watt/Kilogramm amorphes Metallmaterial, wenn sie mit einer
Frequenz von ungefähr
60 Hz und mit einer Flussdichte von ungefähr 1,4 Tesla (T) betrieben
wird; (ii) einen Kernverlust von weniger als oder ungefähr gleich
12 Watt/Kilogramm amorphes Metallmaterial, wenn sie mit einer Frequenz
von ungefähr
1000 Hz und mit einer Flussdichte von ungefähr 1,0 T betrieben wird; oder
(iii) einen Kernverlust von weniger als oder ungefähr gleich
70 Watt/Kilogramm amorphes Metallmaterial, wenn sie mit einer Frequenz
von ungefähr
20.000 Hz und mit einer Flussdichte von ungefähr 0,30 T betrieben wird. Der
verringerte Kernverlust der Komponente verbessert vorteilhafterweise
die Effizienz einer elektrischen Vorrichtung, die diese enthält.
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Die
niedrigen Kernverlustwerte machen die massive magnetische Komponente
besonders für
Anwendungen geeignet, bei denen die Komponente einer hochfrequenten
magnetischen Erregung unterworfen wird, zum Beispiel einer Erregung,
die mit einer Frequenz von mindestens etwa 100 Hz erfolgt. Der inhärente hohe Kernverlust
von herkömmlichen
Stählen
bei hoher Frequenz macht sie zur Verwendung in Vorrichtungen, die eine
Hochfrequenzerregung erfordern, ungeeignet.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Konstruktion eines
Polschuhs für
eine Magnetresonanzbildgebungsvorrichtung bereit. Der Polschuh umfasst
mindestens eine massive amorphe Metallkomponente. Das Verfahren
umfasst folgende Schritte: Stanzen von Laminierungen in der erforderlichen
Gestalt aus ferromagnetischem amorphem Metallstreifen-Ausgangsmaterial,
Stapeln der Laminierungen zu einem dreidimensionalen Objekt, Auftragen
und Aktivieren eines Klebstoffes, um die Laminierungen aneinander
zu haften und der Komponente eine ausreichende mechanische Integrität zu verleihen,
und Endbearbeiten der Komponente, um überschüssigen Klebstoff zu entfernen
und ihr eine geeignete Oberflächenbeschaffenheit
und die endgültigen
Komponentenabmessungen zu geben. Das Verfahren umfasst des Weiteren
optional einen Wärmebehandlungsschritt
zum Verbessern der magnetischen Eigenschaften der Komponente. Diese
Schritte können
in einer Vielzahl verschiedener Reihenfolgen und unter Verwendung
einer Vielzahl verschiedener Techniken ausgeführt werden, einschließlich jener,
die im Weiteren dargelegt werden, und anderer, die für den Fachmann
keiner weiteren Erläuterung
bedürfen.
Das Verfahren umfasst des Weiteren das Imprägnieren des Stapels mit Epoxidharz
und das Härten,
um die mindestens eine massive amorphe Metallkomponente zu bilden, und
das Konstruieren eines Polschuhs daraus.
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In
der Vergangenheit haben sich drei Faktoren verbunden, welche die
Verwendung eines Stanzvorgangs als eine praktikable Verfahrensweise
zum Bilden amorpher Metallteile verhindert haben. Der erste und hauptsächliche
Grund ist, dass der amorphe Metallstreifen in der Regel dünner ist
als ein herkömmlicher
Magnetmaterialstreifen, wie zum Beispiel eine nicht-orientierte Elektrostahllage.
Die Verwendung dünner
Materialien macht es notwendig, dass mehr Laminierungen erforderlich
sind, um ein Teil von einer bestimmten Form zu bilden. Die Verwendung
dünner
Materialien erfordert auch ein kleineres Spiel zwischen Werkzeug
und Gesenk beim Stanzprozess.
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Zweitens
sind amorphe Metalle im Allgemeinen deutlich härter als typische metallische
Stanzstempel- und
Gesenkmaterialien. Auf Eisen basierendes amorphes Metall hat in
der Regel eine Härte
von über
1100 kg/mm2. Im Vergleich dazu sind luftgekühlte, mit Öl abgeschreckte
und mit Wasser abgeschreckte Werkzeugstähle auf eine Härte im Bereich
von 800 bis 900 kg/mm2 beschränkt. Somit
sind die amorphen Metalle, die ihre Härte aus ihren einzigartigen
Atomstrukturen und chemischen Zusammensetzungen herleiten, härter als
herkömmliche
metallische Stanzstempel- und Gesenkmaterialien.
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Drittens
können
sich amorphe Metalle vor einem Materialversagen erheblich verformen,
anstatt zu brechen, wenn sie zwischen dem Stanzstempel und dem Gesenk
während
des Stanzens eingeklemmt werden. Amorphe Metalle verformen sich
durch stark lokalisierten Scherfluss. Bei einer Verformung durch
Zugspannung, wie zum Beispiel, wenn ein amorpher Metallstreifen
gezogen wird, kann die Bildung eines einzelnen Scherbandes zu einem
Materialversagen bei geringer Gesamtverformung führen. Bei Zugspannung kann
ein Materialversagen bei einer Längung
von 1 oder weniger eintreten. Wenn jedoch eine Verformung in einer
solchen Weise erfolgt, dass eine mechanische Fixierung eine plastische
Instabilität
verhindert, wie zum Beispiel beim Biegen zwischen dem Werkzeug und
dem Gesenk während
des Stanzens, so werden mehrere Scherbänder gebildet, und es kann
zu einer erheblichen lokalisierten Verformung kommen. In einem solchen
Verformungsmodus kann die Längung
bei Materialversagen lokal 100% übersteigen.
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Diese
beiden letzteren Faktoren, außergewöhnliche
Härte und
erhebliche Verformung, führen
zusammen zu einem außerordentlichen
Verschleiß der
Stanzstempel- und
Gesenkkomponenten der Stanzpresse, wenn herkömmliche Stanzausrüstung, -werkzeuge
und -prozesse verwendet werden. Der Verschleiß von Stanzstempel und Gesenk
erfolgt durch direkte Abrasion des harten amorphen Metalls, das
an den weicheren Stanzstempel- und Gesenkmaterialien während Verformung
vor dem Materialversagen reibt.
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Ein
Verfahren zum Minimieren des Verschleißes von Stanzstempel und Gesenk
während
des Stanzprozesses umfasst folgende Schritte: Herstellen der Stanzstempel- und Gesenkwerkzeuge
aus Carbidmaterialien, Herstellen der Werkzeuge dergestalt, dass
das Spiel zwischen dem Stanzstempel und dem Gesenk klein und gleichmäßig ist,
und Ausführen
des Stanzprozesses bei hohen Dehnungsraten. Die Carbidmaterialien,
die für
die Stanzstempel- und
Gesenkwerkzeuge verwendet werden, sollten eine Härte von mindestens 1100 kg/mm2 und bevorzugt größer als 1300 kg/mm2 haben.
Carbidwerkzeuge mit einer Härte,
die mindestens so hoch ist wie die von amorphem Metall, widerstehen
der direkten Abrasion durch das amorphe Metall während des Stanzprozesses, wodurch
der Verschleiß von
Stanzstempel und Gesenk minimiert wird. Das Spiel zwischen dem Stanzstempel
und dem Gesenk sollte weniger als 0,050 mm (0,002 Inch) und bevorzugt
weniger als 0,025 mm (0,001 Inch) betragen. Die in dem Stanzprozess
verwendete Dehnungsrate sollte diejenige sein, die durch mindestens
einen Stanzhub je Sekunde und bevorzugt mindestens fünf Stanzhübe je Sekunde
erzeugt wird. Für
einen amorphen Metallstreifen, der 0,025 mm (0,001 Inch) dick ist,
entspricht dieser Bereich von Hubgeschwindigkeiten ungefähr einer
Verformungsrate von mindestens 105/s und
bevorzugt mindestens 5 × 105/s. Das kleine Spiel zwischen Stanzstempel
und Gesenk und die hohe Dehnungsrate, die in dem Stanzprozess verwendet
wird, begrenzen gemeinsam den Betrag der mechanischen Verformung
des amorphen Metalls vor dem Materialversagen während des Stanzprozesses. Das
Begrenzen der mechanischen Verformung des amorphen Metalls in dem
Gesenkhohlraum begrenzt die direkte Abrasion zwischen dem amorphen
Metall und dem Stanzstempel- und Gesenkprozess, wodurch der Verschleiß von Stanzstempel
und Gesenk minimiert wird.
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Die
magnetischen Eigenschaften des amorphen Metallstreifens, der zur
Verwendung in der Komponente 10 ausgewählt wird, können durch eine Wärmebehandlung
bei einer Temperatur und mit einer Dauer verbessert werden, die
ausreicht, die erforderliche Verbesserung herbeizuführen, ohne
die im Wesentlichen vollständig
glasartige Mikrostruktur des Streifens zu verändern. Ein Magnetfeld kann
optional während
mindestens eines Abschnitts, wie zum Beispiel während mindestens des Kühlabschnitts,
der Wärmebehandlung
an den Streifen angelegt werden.
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Die
Wärmebehandlung
des in der Erfindung verwendeten amorphen Metalls kann mit einem
beliebigen Erwärmungsmittel
ausgeführt
werden, das bewirkt, dass das Metall das erforderliche Wärmeprofil
erhält. Zu
geeigneten Erwärmungsmitteln
gehören
Infrarotwärmequellen,
Wärmeöfen, Wirbelschichten,
Wärmekontakt
mit einer Wärmesenke,
die auf einer erhöhten
Temperatur gehalten wird, Widerstandserwärmung durch Leiten von elektrischem
Strom durch den Streifen und induktives (RF-)Erwärmen. Die Wahl des Erwärmungsmittels
kann von der Reihenfolge der oben aufgezählten erforderlichen Verarbeitungsschritte
abhängen.
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Des
Weiteren kann die Wärmebehandlung
entweder an einem Streifenmaterial vor dem Stanzschritt, an diskreten
Laminierungen nach dem Stanzschritt, aber bevor dem Stapelschritt,
oder an einem Stapel nach dem Stapelschritt ausgeführt werden.
Die Wärmebehandlung
kann vor dem Stanzschritt in einem separaten, offline ausgeführten diskontinuierlichen
Prozess an massiven Ausgangsmaterialrollen, bevorzugt in einem Wärmeofen
oder in einer Wirbelschicht, erfolgen oder kann in einem kontinuierlichen
Rolle-zu-Rolle-Prozess erfolgen, bei dem der Streifen von einer
Abwickelrolle durch eine erwärmte
Zone hindurch und auf eine Aufwickelrolle geführt wird. Alternativ kann die
Wärmebehandlung
inline erfolgen, indem das Band kontinuierlich von einer Abwickelrolle
durch eine erwärmte
Zone hindurch und anschließend
in die Stanzstempelpresse geführt wird,
wo anschließende
Stanzstempel- und Stapelschritte ausgeführt werden.
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Die
Wärmebehandlung
kann auch an diskreten Laminierungen nach dem Stanzschritt, aber
vor dem Stapeln ausgeführt
werden. In dieser Ausführungsform
ist es bevorzugt, dass die Laminierungen die Stanzpresse verlassen
und direkt auf einem sich bewegenden Band abgelegt werden, das sie
durch eine erwärmte Zone
hindurch führt,
wodurch die Laminierungen dem richtigen Zeit-Temperatur-Profil ausgesetzt
werden.
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In
einer anderen Implementierung wird die Wärmebehandlung ausgeführt, nachdem
diskrete Laminierungen in Ausrichtung aufeinander gestapelt wurden.
Zu geeigneten Erwärmungsmitteln
zum Wärmebehandeln
eines solchen Stapels gehören
Wärmeöfen, Wirbelschichten
und Induktionserwärmung.
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Mittels
Klebstoffen werden eine Mehrzahl von Laminierungen aus amorphem
Metallmaterial in Ausrichtung aufeinander aneinandergehaftet, wodurch
die Konstruktion eines massiven, dreidimensionalen Objekts mit ausreichender
struktureller Integrität
zum Handhaben, zum Verwenden oder zum Integrieren in eine größere Struktur
ermöglicht
wird. Eine Vielzahl verschiedener Klebstoffe kommt dafür in Frage,
einschließlich Epoxidharzen,
Lacken, anaerober Klebstoffe und Raumtemperatur-vulkanisierter (RTV)
Silikonmaterialien. Klebstoffe haben zweckmäßigerweise eine niedrige Viskosität, geringe
Schrumpfung, einen niedrigen Elastizitätsmodul, hohe Ablösefestigkeit
und hohe dielektrische Festigkeit. Epoxidharze können entweder Mehrkomponentenharze
sein, deren Härten
chemisch aktiviert wird, oder können
Einkomponentenharte sein, deren Härten durch Wärme oder
durch ultraviolette Bestrahlung aktiviert wird. Zu geeigneten Verfahren
zum Auftragen des Klebstoffs gehören
Tauchen, Sprühen,
Pinseln und elektrostatische Abscheidung. In Streifen- oder Bandform
kann amorphes Metall auch beschichtet werden, indem es über Stäbe oder
Walzen geführt
wird, die Klebstoff zu dem amorphen Metall übertragen. Walzen oder Stäbe mit einer
texturierten Oberfläche,
wie zum Beispiel Tiefdruck- oder drahtumwickelte Walzen, sind zum Übertragen
einer gleichmäßigen Klebstoffbeschichtung
auf das amorphe Metall besonders effektiv. Der Klebstoff kann jeweils
immer auf eine einzelne Schicht aus amorphem Metall aufgetragen
werden, entweder auf Streifenmaterial vor dem Stanzen oder auf Laminierungen
nach dem Stanzen. Alternativ kann der Klebstoff auf die Laminierungen
zusammen aufgetragen werden, nachdem sie gestapelt wurden. In diesem
Fall wird der Stapel durch Kapillarfluss des Klebstoffs zwischen
die Laminierungen imprägniert.
Der Stapel kann entweder im Vakuum angeordnet oder unter hydrostatischen
Druck versetzt werden, um ein vollständigeres Befüllen zu
bewirken, wobei gleichzeitig das Gesamtvolumen des hinzugefügten Klebstoffs
minimiert wird, wodurch ein hoher Stapelfaktor gewährleistet
wird.
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In 2A wird
eine Rolle 30 aus ferromagnetischem amorphem Metallstreifenmaterial 32 kontinuierlich
durch einen Wärmebehandlungsofen 36 geführt, der
die Temperatur des Streifens auf einen Wert und für einen
Zeitdauer hebt, die ausreichen, um eine Verbesserung der magnetischen
Eigenschaften des Streifens hervorzurufen. Das Streifenmaterial 32 wird
dann in eine automatische Hochgeschwindigkeits-Stanzpresse 38 zwischen einen
Stanzstempel 40 und ein nach unten offenes Gesenk 41 geführt. Der
Stanzstempel wird in das Gesenk getrieben, wodurch eine Laminierung 20 der
erforderlichen Gestalt entsteht. Die Laminierung 20 fällt dann
in einen Auffangbehälter 48 oder
wird in einen Auffangbehälter 48 transportiert,
und der Stanzstempel 40 wird zurückgezogen. Ein Skelett 33 aus
Streifenmaterial 32 bleibt übrig und enthält Löcher 34,
aus denen die Laminierungen 20 entfernt wurden. Das Skelett 33 wird
auf einer Aufwickelrolle 31 aufgenommen. Nachdem jeder
Stanzvorgang ausgeführt
wurde, wird der Streifen 32 indexiert, um den Streifen
für einen
weiteren Stanzzyklus vorzubereiten. Das Streifenmaterial 32 kann
in die Presse 38 entweder in einer einzelnen Schicht oder in
mehreren Schichten (nicht veranschaulicht), entweder von mehreren
Zufuhrrollen oder durch Vorwickeln mehrerer Schichten, hineingeführt werden.
Die Verwendung mehrerer Schichten von Streifenmaterial 32 verringert
vorteilhafterweise die Anzahl der Stanzhübe, die erforderlich sind,
um eine bestimmte Anzahl von Laminierungen 20 herzustellen.
Im weiteren Verlauf des Stanzprozesses werden eine Mehrzahl von
Laminierungen 20 in dem Auffangbehälter 48 in einer ausreichend
guten Ausrichtung aufeinander aufgefangen. Nachdem eine erforderliche
Anzahl von Laminierungen 20 gestanzt und in dem Auffangbehälter 48 aufgefangen
wurde, wird der Betrieb der Stanzpresse 38 unterbrochen.
Die erforderliche Anzahl kann entweder vorgewählt werden oder kann durch
die Höhe
oder das Gewicht von Laminierungen 20, die in dem Auffangbehälter 48 aufgenommen
wurden, ermittelt werden. Der Auffangbehälter 48 wird dann
aus der Stanzpresse 38 zur Weiterverarbeitung entnommen.
Man kann ein niedrig-viskoses, wärmeaktiviertes
Epoxidharz (nicht gezeigt) in die Räume zwischen den Laminierungen 20,
die durch die Wände
des Auffangbehälter 48 in
Ausrichtung aufeinander gehalten werden, eindringen lassen. Das
Epoxidharz wird dann aktiviert, indem man den gesamten Auffangbehälter 48 und
die darin enthaltenen Laminierungen 20 für eine Dauer,
die ausreicht, um ein Härten
des Epoxidharzes zu bewirken, einer Wärmequelle aussetzt. Der nun
laminierte Stapel 10 (siehe 1A–1C)
aus Laminierungen 20 wird entnommen, und die Oberfläche des
Stapels 10 wird durch Entfernen von überschüssigem Epoxidharz in einen
Endzustand gebracht.
-
In 2B wird
eine Rolle 30 aus ferromagnetischem amorphem Metallstreifenmaterial 32 kontinuierlich
durch einen Wärmebehandlungsofen 36 geführt, der
seine Temperatur auf einen Wert und für eine Dauer anhebt, die ausreichen,
um eine Verbesserung der magnetischen Eigenschaften des Streifens 32 zu
bewirken. Der Streifen 32 wird dann durch ein Klebstoffauftragsmittel 50 geführt, das
eine Tiefdruckwalze 52 umfasst, auf die ein niedrig-viskoses,
wärmeaktiviertes
Epoxidharz aus einem Klebstoffreservoir 54 aufgetragen
wird. Das Epoxidharz wird dadurch von der Walze 52 auf
die Unterseite des Streifens 32 übertragen. Die Entfernung zwischen
dem Wärmebehandlungsofen 36 und
dem Klebstoffauftragsmittel 50 ist ausreichend, um ein
Abkühlen des
Streifens 32 auf eine Temperatur, die mindestens unter
der Wärmeaktivierungstemperatur
des Epoxidharzes liegt, während
der Transitzeit des Streifens 32 zu gestatten. Alternativ
kann ein Kühlmittel
(nicht veranschaulicht) verwendet werden, um ein rascheres Abkühlen des
Streifens 32 zwischen dem Wärmeofen 36 und dem
Auftragsmittel 50 zu erreichen. Das Streifenmaterial 32 wird
dann in eine automatische Hochgeschwindigkeits-Stanzpresse 38 und
zwischen einen Stanzstempel 40 und ein nach unten offenes
Gesenk 41 geführt. Der
Stanzstempel wird in das Gesenk getrieben, wodurch eine Laminierung 20 der
erforderlichen Gestalt entsteht. Die Laminierung 20 fällt dann
in einen Auffangbehälter 48 oder
wird in einen Auffangbehälter 48 transportiert,
und der Stanzstempel 40 wird zurückgezogen. Ein Skelett 33 aus
Streifenmaterial 32 bleibt übrig und enthält Löcher 34,
aus denen die Laminierungen 20 entfernt wurden. Das Skelett 33 wird
auf einer Aufwickelrolle 31 aufgenommen. Nachdem jeder
Stanzvorgang ausgeführt
wurde, wird der Streifen 32 indexiert, um den Streifen
für einen
weiteren Stanzzyklus vorzubereiten. Der Stanzprozess wird fortgesetzt,
und eine Mehrzahl von Laminierungen 20 wird in dem Auffangbehälter 48 in
einer ausreichend guten Ausrichtung aufeinander aufgefangen. Nachdem
eine erforderliche Anzahl von Laminierungen 20 gestanzt
und in dem Auffangbehälter 48 aufgefangen
wurde, wird der Betrieb der Stanzpresse 38 unterbrochen.
Die erforderliche Anzahl kann entweder vorgewählt werden oder kann durch
die Höhe
oder das Gewicht von Laminierungen 20, die in dem Auffangbehälter 48 aufgenommen
wurden, ermittelt werden. Der Auffangbehälter 48 wird dann
aus der Stanzpresse 38 zur Weiterverarbeitung entnommen.
Man kann zusätzliches
niedrig-viskoses, wärmeaktiviertes
Epoxidharz (nicht gezeigt) in die Räume zwischen den Laminierungen 20,
die durch die Wände
des Auffangbehälter 48 in
Ausrichtung aufeinander gehalten werden, eindringen lassen. Das
Epoxidharz wird dann aktiviert, indem man den gesamten Auffangbehälter 48 und
die darin enthaltenen Laminierungen 20 für eine Dauer,
die ausreicht, um ein Härten
des Epoxidharzes zu bewirken, einer Wärmequelle aussetzt. Der nun
laminierte Stapel 10 (siehe 1A–1C)
aus Laminierungen 20 wird aus dem Auffangbehälter entnommen,
und die Oberfläche
des Stapels 10 kann durch Entfernen von überschüssigem Epoxidharz
in einen Endzustand gebracht werden.
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In 2C wird
ein ferromagnetischer amorpher Metallstreifen zuerst in einem Inertgaskastenofen (nicht
gezeigt) bei einer vorgewählten
Temperatur und für
eine vorgewählte
Dauer wärmebehandelt,
die ausreichen, um eine Verbesserung seiner magnetischen Eigenschaften
zu bewirken, ohne seine im Wesentlichen vollständig glasartige Mikrostruktur
zu verändern.
Der wärmebehandelte
Streifen 32 wird dann von der Rolle 30 in eine
automatische Hochgeschwindigkeits-Stanzpresse 38 und zwischen
einen Stanzstempel 40 und ein nach unten offenes Gesenk 41 geführt. Der
Stanzstempel wird in das Gesenk getrieben, wodurch eine Laminierung 20 der
erforderlichen Gestalt entsteht. Die Laminierung 20 fällt dann
aus dem Gesenk heraus, oder wird aus dem Gesenk heraus transportiert,
und in eine Auffangvorrichtung 49 hinein, und der Stanzstempel 40 wird
zurückgezogen.
Die Auffangvorrichtung 49 kann ein Förderband sein, wie in 2C gezeigt,
oder kann ein Behälter
oder Gefäß zum Auffangen
der Laminierungen 20 sein. Ein Skelett 33 des
Streifenmaterials 32 bleibt übrig und enthält Löcher 34,
aus dem Laminierungen 20 entfernt wurden. Das Skelett 33 wird
auf der Aufwickelrolle 31 aufgenommen. Nachdem jeder Stanzvorgang
ausgeführt
wurde, wird der Streifen 32 indexiert, um den Streifen
für einen
weiteren Stanzzyklus vorzubereiten. Der Stanzprozess wird fortgesetzt,
bis eine vorgewählte
Anzahl von Laminierungen 20 gestanzt und in einem Gefäß aufgefangen
wurde. Dann wird der Pressenzyklus gestoppt. Eine Seite jeder Laminierung 20 kann
dann manuell mit einem anaeroben Klebstoff beschichtet werden, und
die Laminierungen können
in Ausrichtung aufeinander in einer (nicht gezeigten) Ausrichtspannvorrichtung
gestapelt werden. Den Klebstoff lässt man aushärten. Der
nun laminierte Stapel 10 aus Laminierungen 20 wird
aus der Ausrichtspannvorrichtung entnommen, und die Oberfläche des
Stapels 10 wird durch Entfernen von überschüssigem Epoxidharz in einen
Endzustand gebracht.
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In 2D wird
eine Rolle 30 aus ferromagnetischem amorphem Metallstreifenmaterial 32 kontinuierlich
in eine automatische Hochgeschwindigkeits-Stanzpresse 38 und
zwischen einen Stanzstempel 40 und ein nach unten offenes
Gesenk 41 geführt.
Der Stanzstempel 40 wird in das Gesenk 41 getrieben,
wodurch eine Laminierung 20 der erforderlichen Gestalt
entsteht. Die Laminierung 20 fällt dann in einen Auffangbehälter 48 oder
wird in einen Auffangbehälter 48 transportiert,
und der Stanzstempel 40 wird zurückgezogen. Ein Skelett 33 aus
Streifenmaterial 32 bleibt übrig und enthält Löcher 34,
aus denen die Laminierungen 20 entfernt wurden. Das Skelett 33 wird
auf einer Aufwickelrolle 31 aufgenommen. Nachdem jeder
Stanzvorgang ausgeführt wurde,
wird der Streifen 32 indexiert, um den Streifen für einen
weiteren Stanzzyklus vorzubereiten. Das Streifenmaterial 32 kann
in die Presse 38 entweder in einer einzelnen Schicht oder
in mehreren Schichten (nicht veranschaulicht), entweder von mehreren
Zufuhrrollen oder durch Vorwickeln mehrerer Schichten, hineingeführt werden.
Die Verwendung mehrerer Schichten von Streifenmaterial 32 verringert
vorteilhafterweise die Anzahl der Stanzhübe, die erforderlich sind,
um eine bestimmte Anzahl von Laminierungen 20 herzustellen.
Der Stanzprozess wird fortgesetzt, und eine Mehrzahl von Laminierungen 20 wird
in dem Auffangbehälter 48 in
einer ausreichend guten Ausrichtung aufeinander aufgefangen. Nachdem
eine erforderliche Anzahl von Laminierungen 20 gestanzt
und in dem Auffangbehälter 48 abgelegt
wurde, wird der Betrieb der Stanzpresse 38 unterbrochen.
Die erforderliche Anzahl kann entweder vorgewählt werden oder kann durch
die Höhe
oder das Gewicht von Laminierungen 20, die in dem Auffangbehälter 48 aufgenommen
wurden, ermittelt werden. Der Auffangbehälter 48 wird dann
aus der Stanzpresse 38 zur Weiterverarbeitung entnommen.
In einer Implementierung werden der Auffangbehälter 48 und die darin
enthaltenen Laminierungen 20 in einen Inertgaskastenofen
(nicht gezeigt) eingebracht und wärmebehandelt, indem sie auf
eine vorgewählte
Temperatur erwärmt
werden und auf dieser Temperatur für eine vorgewählte Zeitdauer
gehalten werden, die ausreicht, um eine Verbesserung ihrer magnetischen
Eigenschaften zu bewirken, ohne die im Wesentlichen vollständig glasartige
Mikrostruktur der amorphen Metalllaminierungen zu ändern. Der
Auffangbehälter
und die Laminierungen werden dann auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Man
lässt ein
niedrig-viskoses, wärmeaktiviertes
Epoxidharz (nicht gezeigt) in die Räume zwischen den Laminierungen 20,
die durch die Wände
des Auffangbehälters 48 in
Ausrichtung aufeinander gehalten werden, eindringen. Das Epoxidharz
wird dann aktiviert, indem man den gesamten Auffangbehälter 48 und
die darin enthaltenen Laminierungen 20 für eine Dauer,
die ausreicht, um ein Härten
des Epoxidharzes zu bewirken, in einen Härtungsofen einbringt. Der nun
laminierte Stapel 10 (siehe 1A–1C)
aus Laminierungen 20 wird entnommen, und die Oberfläche des
Stapels 10 wird durch Entfernen von überschüssigem Epoxidharz in einen
Endzustand gebracht.
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Die
Konstruktion von massiven amorphen Metallmagnetkomponenten eignet
sich besonders für
Kacheln für
Polflächenmagnete,
die in Hochleistungs-MRI-Systemen verwendet werden. Die Herstellung
magnetischer Komponente wird vereinfacht, und die Herstellungszeit
wird verkürzt.
Die Belastungen, die man ansonsten während der Konstruktion von
massiven amorphen Metallkomponenten antrifft, werden minimiert.
Die magnetische Leistung der fertigen Komponenten wird optimiert.
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Die
massiven amorphen Metallmagnetkomponenten 10, die in dem
Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden, werden unter
Verwendung ferromagnetischer amorpher Metalllegierungen hergestellt,
die durch die Formel: M70-85 Y5-20 Z0-20 definiert sind, Indices in Atomprozent,
wobei "M" ist mindestens eines
von Fe, Ni und Co ist, "Y" mindestens eines
von B, C und P ist und "Z" mindestens eines
von Si, Al und Ge ist; mit den Maßgaben, dass (i) bis zu zehn
(10) Atomprozent der Komponente "M" durch mindestens
eine der metallischen Spezies Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zr, Nb, Mo, Ta,
Hf, Ag, Au, Pd, Pt und W ersetzt werden können, (ii) bis zu zehn (10)
Atomprozent der Komponenten (Y + Z) durch mindestens eine der nicht-metallische
Spezies In, Sn, Sb und Pb ersetzt werden können, und (iii) bis zu etwa
einem (1) Atomprozent der Komponenten (M + Y + Z) zufällige Verunreinigungen.
Im Sinne des vorliegenden Textes meint der Begriff "amorphe metallische
Legierung" eine
metallische Legierung, der im Wesentlichen jede Fernordnung fehlt
und die durch Röntgenstrahldiffraktions intensitätsmaxima
gekennzeichnet ist, die qualitativ denen ähneln, die man bei Flüssigkeiten
oder anorganischem Oxidglas beobachtet.
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Die
Legierung, die sich zur Verwendung in der Praxis der vorliegenden
Erfindung eignet, ist bei der Temperatur, bei der die Komponente
verwendet werden soll, ferromagnetisch. Ein ferromagnetisches Material ist
eines, das eine starke Fernkopplung und Raumausrichtung der Magnetmomente
seiner einzelnen Atome bei einer Temperatur aufweist, die unterhalb
einer charakteristischen Temperatur (allgemein als die "Curie-Temperatur" bezeichnet) des
Materials liegt. Es ist bevorzugt, dass die Curie-Temperatur von
Material, das in einer Vorrichtung verwendet werden soll, die bei
Raumtemperatur arbeitet, mindestens etwa 200°C und bevorzugt mindestens etwa
375°C beträgt. Vorrichtungen,
können
auch bei anderen Temperaturen betrieben werden, einschließlich bis
hinunter zu kryogenen Temperaturen, oder bei erhöhten Temperaturen, wenn das darin
zu integrierende Material eine geeignete Curie-Temperatur aufweist.
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Wie
dem Fachmann bekannt ist, kann ein ferromagnetisches Material des
Weiteren durch seine Sättigungsinduktion
oder äquivalent
durch seine Sättigungsflussdichte
oder -magnetisierung gekennzeichnet sein. Die Legierung, die zur
Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet ist, hat bevorzugt
eine Sättigungsinduktion
von mindestens etwa 1,2 Tesla (T) und besonders bevorzugt eine Sättigungsinduktion
von mindestens etwa 1,5 T. Die Legierung hat auch einen hohen elektrischen
spezifischen Widerstand, bevorzugt mindestens etwa 100 μΩ-cm, und
ganz besonders bevorzugt mindestens etwa 130 μΩ-cm.
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Amorphe
Metalllegierungen, die zur Verwendung als Ausgangsmaterial in der
Praxis der Erfindung geeignet sind, sind auf dem freien Markt erhältlich,
allge mein in Form eines kontinuierlichen dünnen Streifens oder Bandes
in Breiten von bis zu 20 cm oder mehr und in Dicken von ungefähr 20–25 μm. Diese
Legierungen sind mit einer im Wesentlichen vollständig glasartigen
Mikrostruktur ausgebildet (zum Beispiel mindestens etwa 80 Volumen
Material mit einer nicht-kristallinen Struktur). Bevorzugt werden
die Legierungen mit im Wesentlichen 100% des Materials ohne kristalline
Struktur gebildet. Der Volumenanteil der nicht-kristallinen Struktur
kann durch dem Fachmann bekannte Verfahren bestimmt werden, wie
zum Beispiel Röntgenstrahl-,
Neutronen- oder Elektronendiffraktion, Transmissionselektronenmikroskopie
oder dynamische Differenzkalorimetrie. Die höchsten Induktionswerte bei
niedrigen Kosten werden Legierungen erreicht, bei denen "M" Eisen ist, "Y" Bor
ist und "Z" Silicium ist. Aus
diesem Grund sind amorphe Metallstreifen bevorzugt, die aus einer
Eisen-Bor-Silicium-Legierung bestehen. Genauer gesagt, ist es bevorzugt,
dass die Legierung mindestens 70 Atomprozent Fe, mindestens 5 Atomprozent
B und mindestens 5 Atomprozent Si enthält, mit der Maßgabe, dass
der Gesamtgehalt von B und Si mindestens 15 Atomprozent beträgt. Ganz
besonders bevorzugt ist ein amorpher Metallstreifen mit einer Zusammensetzung,
die im Wesentlichen aus etwa 11 Atomprozent Bor und etwa 9 Atomprozent
Silicium besteht, wobei der Rest Eisen und zufällige Verunreinigungen sind.
Dieser Streifen mit einer Sättigungsinduktion
von etwa 1,56 T und einem spezifischen Widerstand von etwa 137 μΩ-cm wird
von der Honeywell International, Inc. unter der Handelsbezeichnung
METGLAS®-Legierung
2605SA-1 verkauft. Dem Fachmann leuchtet ein, dass Ausführungsformen
der Erfindung, bei denen Ausgangsmaterial kontinuierlich und automatisch
durch ein Stanzpresse geführt
wird, zweckmäßigerweise
zum Beispiel auch amorphes Metall verwenden können, das als Rollen aus dünnem Band
oder Streifen zugeführt
wird. Alternativ kann die Erfindung auch mit anderen Formen von
Ausgangsmaterial und anderen Zuführregimes
praktiziert werden, einschließlich
des manuellen Zufüh rens
kürzerer
Längen
von Streifen oder anderer Formen mit ungleichmäßiger Breite.
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In
der Regel wird ein elektromagnetisches System, das einen Elektromagneten
umfasst, der einen oder mehrere Polflächenmagnete aufweist, verwendet,
um ein zeitveränderliches
Magnetfeld in dem Spalt des Elektromagneten zu erzeugen. Das zeitveränderliche
Magnetfeld kann ein reines Wechselstromfeld sein, d. h. ein Feld,
dessen Zeitdurchschnittswert null ist. Optional kann das zeitveränderliche
Feld einen Zeitdurchschnittswert von ungleich null haben, der herkömmlicherweise
als die Gleichstromkomponente des Feldes bezeichnet wird. In dem
Elektromagnetsystem wird der mindestens eine Polflächenmagnet
dem zeitveränderlichen
Magnetfeld ausgesetzt. Infolge dessen wird der Polflächenmagnet
mit jedem Erregungszyklus magnetisiert und entmagnetisiert. Die
zeitveränderliche
Magnetflussdichte oder -induktion innerhalb des Polflächenmagneten
verursacht darin die Entstehung von Wärme durch Kernverluste. Im
Fall einer Polfläche,
die aus einer Mehrzahl von massiven magnetischen Komponenten besteht,
ist der Gesamtverlust eine Folge sowohl des Kernverlustes, der innerhalb
jeder Komponente entstehen würde,
wenn sie isoliert der gleichen Flusswellenform ausgesetzt werden
würde,
als auch des Verlustes, der auf Wirbelströme zurückzuführen ist, die in Pfaden zirkulieren,
die eine elektrische Kontinuität
zwischen den Komponenten erzeugen.
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Massive
amorphe magnetische Komponenten magnetisieren und entmagnetisieren
effektiver als Komponenten aus anderen Magnetmetallen auf Eisenbasis.
Wenn die massive amorphe Metallkomponente als ein Polmagnet verwendet
wird, so erzeugt sie weniger Wärme
als eine vergleichbare Komponente aus einem anderen Magnetmetall
auf Eisenbasis, wenn die zwei Komponenten bei identischer Induktion
und Erregungsfrequenz magnetisiert werden. Des Weiteren haben amorphe
Metalle auf Eisenbasis, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung bevorzugt
sind, eine beträchtlich
größere Sättigungsinduktion
als andere verlustarme Weichmagnetmaterialien, wie zum Beispiel
Permalloy-Legierungen, deren Sättigungsinduktion
in der Regel 0,6–0,9
T beträgt.
Die massive amorphe Metallkomponente kann darum so gestaltet werden,
dass sie 1) mit einer niedrigeren Betriebstemperatur arbeitet; 2)
mit höherer
Induktion arbeitet, um eine verringerte Größe und ein verringertes Gewicht
zu erreichen; oder 3) mit höherer
Erregungsfrequenz arbeitet, um eine verringerte Größe und ein
verringertes Gewicht zu erreichen, oder um eine überragende Signalauflösung zu
erreichen, als magnetische Komponenten aus anderen Magnetmetallen
auf Eisenbasis.
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Im
Stand der Technik weiß man,
dass Wirbelströme
in Polschuhen, die längliche
ferromagnetische Stäbe
umfassen, verringert werden können,
indem man diese Stäbe
durch dazwischenliegendes elektrisch nichtleitendes Material elektrisch
voneinander isoliert. Die vorliegende Erfindung bietet eine beträchtliche
weitere Verringerung der Gesamtverluste, weil die Verwendung des
Materials und der Konstruktionsverfahren, die im vorliegenden Text
gelehrt werden, die Verluste innerhalb jeder einzelnen Komponente
im Vergleich zu denen verringert, die in einer Komponente des Standes
der Technik auftreten würden,
die mit anderen Materialien oder Konstruktionsverfahren hergestellt
sind.
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Wie
dem Fachmann bekannt ist, ist der Kernverlust jener Energieverlust,
der innerhalb eines ferromagnetischen Materials auftritt, wenn seine
Magnetisierung im Lauf der Zeit verändert wird. Der Kernverlust
einer bestimmten magnetischen Komponente wird allgemein durch zyklisches
Erregen der Komponente bestimmt. Ein zeitveränderliches Magnetfeld wird
an die Komponente angelegt, um darin eine entsprechende Zeitveränderung
der magnetischen Induktion oder Flussdichte zu erzeugen. Im Interesse
einer Standardisierung der Messung wird die Erregung allgemein so
gewählt,
dass sich die magnetische Induktion sinusförmig im zeitlichen Verlauf
mit einer Frequenz "f" und mit einer Spitzenamplitude "Bmax" ändert. Der Kernverlust wird
dann mittels bekannter elektrischer Messinstrumente und -techniken
ermittelt. Der Verlust wird herkömmlicherweise in
Watt je Masse- oder Volumeneinheit des erregten Magnetmaterials
angegeben. Der Fachmann weiß,
dass der Verlust gleichförmig
mit f und Bmax zunimmt. Die meisten Standardprotokolle
für das
Testen des Kernverlustes von Weichmagnetmaterialien, die in Komponenten
von Polflächenmagneten
verwendet werden (zum Beispiel ASTM-Standards A912-93 und A927(A927M-94)),
verlangen eine Probe solcher Materialien, die sich in einem im Wesentlichen
geschlossenen Magnetkreis befindet, d. h. eine Konfiguration, in
der geschlossene Magnetflusslinien vollständig innerhalb des Volumen
der Probeenthalten sind. Andererseits ist ein Magnetmaterial, das
in einer Komponente wie zum Beispiel einem Polflächenmagneten verwendet wird,
in einem magnetisch offenen Kreis angeordnet, d. h. eine Konfiguration,
in der die Magnetflusslinien einen Luftspalt überqueren müssen. Aufgrund von Feldlinienstreuungseffekten
und Ungleichmäßigkeit
des Feldes weist ein bestimmtes Material, das in einem offenen Kreis
getestet wird, allgemein einen höheren
Kernverlust auf, d. h. einen höheren
Wert von Watt je Masse- oder
Volumeneinheit, als es bei einer Messung im geschlossenen Kreis der
Fall wäre.
Die massive magnetische Komponente der Erfindung weist vorteilhafterweise
einen niedrigen Kernverlust über
einen weiten Bereich von Flussdichten und Frequenzen selbst in einer
Offenkreiskonfiguration auf.
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Ohne
an eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird davon ausgegangen,
dass der Gesamtkernverlust der verlustarmen massiven amorphen Metallkomponente,
die in dem Verfahren der Erfindung verwendet wird, aus Anteilen
von Hystereseverlusten und Wirbelstromverlusten besteht. Jeder dieser
zwei Anteile ist eine Funktion der magnetischen Spitzeninduktion
Bmax und der Erre gungsfrequenz f. Die Größenordnung
jedes Anteils ist des Weiteren von extrinsischen Faktoren abhängig, einschließlich des
Verfahrens der Komponentenkonstruktion und der stattgefundenen thermomechanischen
Einflüsse
auf das in der Komponente verwendete Material. Im Stand der Technik
ausgeführte
Analysen von Kernverlusten in amorphen Metallen (siehe zum Beispiel
G. E. Fish, J. Appl. Phys. 57, 3569 (1985) und G. E. Fish und Mitarbeiter,
J. Appl. Phys. 64, 5370 (1988)) waren allgemein auf Daten beschränkt, die
für Material
in einem geschlossenen Magnetkreis gewonnen wurden. Die niedrigen
Hysterese- und Wirbelstromverluste, die in diesen Analysen festgestellt
wurden, haben ihre Ursache zum Teil in den hohen spezifischen Widerständen von
amorphen Metallen.
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Der
Gesamtkernverlust L(Bmax, f) je Masseeinheit
der massiven magnetischen Komponente kann im Wesentlichen durch
eine Funktion mit der Form L(Bmax,
f) = c1f(Bmax)n + c2fq(Bmax)m definiert
werden, wobei die Koeffizienten c1 und c2 und die Exponenten n, m und q alle empirisch
bestimmt werden müssen,
weil es keine bekannte Theorie gibt, die ihre Werte exakt bestimmt.
Die Verwendung dieser Formel gestattet die Bestimmung des Gesamtkernverlustes
der massiven magnetischen Komponente der Erfindung bei jeder benötigten Arbeitsinduktion
und Erregungsfrequenz. Es ist allgemein festzustellen, dass in der konkreten
Geometrie einer massiven magnetischen Komponente das Magnetfeld
darin räumlich
nicht gleichmäßig ist.
Dem Fachmann sind Techniken wie zum Beispiel das Modellieren finiter
Elemente bekannt, die eine Schätzung
der räumlichen
und zeitlichen Veränderung
der Spitzenflussdichte erbringen, die sich dicht an die Flussdichteverteilung
annähert,
die in einer echten massiven magnetischen Komponente gemessen wird. Wenn
eine geeignete empirische Formel, die den Magnetkern verlust eines
bestimmten Materials unter räumlich
gleichmäßiger Flussdichte
ergibt, als Eingangsgröße verwendet
wird, so gestatten diese Techniken die Vorhersage des entsprechenden
tatsächlichen
Kernverlustes einer bestimmten Komponente in ihrer Betriebskonfiguration
mit einer brauchbaren Genauigkeit.
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Die
Messung des Kernverlustes der magnetischen Komponente, die in dem
Verfahren der Erfindung verwendet wird, kann mittels verschiedener
dem Fachmann bekannter Verfahren ausgeführt werden. Ein Verfahren,
das sich zum Messen der vorliegenden Komponente eignet, umfasst
das Bilden eines Magnetkreises mit der magnetischen Komponente der
Erfindung und einem Flussschließstrukturmittel.
In einem anderen Verfahren kann der Magnetkreis eine Mehrzahl von
magnetischen Komponenten der Erfindung und optional ein Flussschließstrukturmittel
umfassen. Allgemein ausgedrückt,
umfasst das Flussschließstrukturmittel
ein Weichmagnetmaterial mit hoher Permeabilität und einer Sättigungsflussdichte
mindestens gleich der Flussdichte, bei der die Komponente getestet
werden soll. Bevorzugt hat das Weichmagnetmaterial eine Sättigungsflussdichte
mindestens gleich der Sättigungsflussdichte
der Komponente. Die Flussrichtung, entlang der eine Komponente getestet
werden soll, definiert allgemein eine erste und eine zweite Fläche der
Komponente, die einander gegenüberliegen.
Die Flusslinien treten in die Komponente in einer Richtung ein,
die allgemein normal zu der Ebene der ersten gegenüberliegenden
Fläche
verläuft.
Die Flusslinien folgen allgemein der Ebene des amorphen Metallsstreifens
der Komponente und treten aus der zweiten gegenüberliegenden Fläche aus. Das
Flussschließstrukturmittel
umfasst allgemein eine Flussschließmagnetkomponente. Eine solche
Komponente könnte
gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruiert sein, kann aber auch mit anderen Verfahren
und Materialien hergestellt werden, die dem Fachmann bekannt sind.
Die Flussschließmagnetkomponente
hat ebenfalls eine erste und eine zweite Fläche, die einander gegenüberliegen
und durch die die Flusslinien allgemein normal zu ihrer jeweiligen
Ebene ein- und austreten. Die gegenüberliegenden Flächen der
Flussschließkomponente
haben im Wesentlichen die gleiche Größe und Gestalt wie die entsprechenden
Flächen
der magnetischen Komponente, die das Gegenstück der Flussschließkomponente
während
des eigentlichen Tests bildet. Die Flussschließmagnetkomponente wird in einer
Passbeziehung angeordnet, wobei ihre erste und ihre zweite Fläche nahe
an die erste bzw. zweite Fläche
der magnetischen Komponente der Erfindung, und im Wesentlichen parallel
zu diesen, herangeführt
werden. Es wird eine magnetomotorische Kraft angelegt, indem man
Strom durch eine erste Wicklung schickt, die entweder die magnetische
Komponente der Erfindung oder die Flussschließmagnetkomponente umfängt. Die
resultierende Flussdichte wird mittels des Faradayschen Gesetzes
anhand der Spannung bestimmt, die in einer zweiten Wicklung induziert
wird, welche die zu testende magnetische Komponente umfängt. Das
angelegte Magnetfeld wird mittels des Ampereschen Gesetzes anhand
der magnetomotorischen Kraft bestimmt. Der Kernverlust wird dann
anhand des angelegten Magnetfeldes und der resultierenden Flussdichte
durch herkömmliche
Verfahren errechnet.
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Wenden
wir uns 3 zu, wo einen Baugruppe 60 zum
Ausführen
einer Form des oben beschriebenen Testverfahrens veranschaulicht
ist, die kein Flussschließstrukturmittel
braucht. Die Baugruppe 60 umfasst vier massive gestanzte
amorphe Metallmagnetkomponenten 10 der Erfindung. Jede
der Komponenten 10 ist ein ringförmiges, gerades Kreiszylindersegment
mit bogenförmigen
Flächen 12 der
in 1C gezeigten Form. Jede Komponente hat eine erste
gegenüberliegende
Fläche 66a und
eine zweite gegenüberliegende
Fläche 66b.
Die Komponenten 10 sind in einer Passbeziehung angeordnet,
um eine Baugruppe 60 zu bilden, die allgemein die Gestalt
eines geraden Kreiszylinders hat. Die erste gegenüberliegende
Fläche 66a jeder
Komponente 10 befindet sich nahe bei – und allgemein in paralleler
Ausrichtung zu – der
entsprechenden ersten gegenüberliegenden
Fläche 66a der
Komponente 10 daneben. Die vier Sätze benachbarter Flächen von
Komponenten 10 definieren somit vier Spalte 64,
die gleichmäßig um den
Umfang der Baugruppe 60 herum beabstandet sind. Die Passbeziehung
der Komponenten 10 kann durch Bänder 62 gesichert
werden. Die Baugruppe 60 bildet einen Magnetkreis mit vier
permeablen Segmenten (die jeweils eine Komponente 10 umfassen) und
vier Spalten 64. Zwei (nicht gezeigte) Kupferdrahtwicklungen
sind toroidal durch die Baugruppe 60 hindurchgefädelt. Ein
Wechselstrom von geeigneter Größenordnung
wird durch die erste Wicklung geschickt, um eine magnetomotorische
Kraft zu erzeugen, welche die Baugruppe mit der erforderlichen Frequenz
und Spitzenflussdichte erregt. Die Flusslinien verlaufen allgemein
innerhalb der Ebene der Streifen 20 und in der Umfangsrichtung.
Eine Spannung, welche die zeitveränderliche Flussdichte innerhalb
jeder Komponente 10 anzeigt, wird in der zweiten Wicklung
induziert. Der Gesamtkernverlust wird unter Verwendung herkömmlicher elektronischer
Mittel anhand der Messwerte von Spannung und Strom ermittelt und
zu gleichen Teilen unter den vier Komponenten 10 aufgeteilt.
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Die
folgenden Beispiele dienen der vollständigeren Beschreibung der vorliegenden
Erfindung. Die konkreten Techniken, Bedingungen, Materialien, Anteile
und angegebenen Daten, die dargelegt sind, um die Prinzipien und
die Praxis der Erfindung zu veranschaulichenden, sind lediglich
beispielhaft und dürfen
nicht so verstanden werden, als würden sie den Geltungsbereich
der Erfindung einschränken.
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Referenzbeispiel 1
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Herstellung
und elektromagnetisches Testen einer gestanzten amorphen bogenförmigen Metallkomponente
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Ein
ferromagnetisches amorphes Metallband mit der Zusammensetzung Fe80B11Si9,
ungefähr
60 mm breit und 0,022 mm dick, wird zu einzelnen Laminierungen gestanzt,
die jeweils die Gestalt eines 90°-Segments
eines Ringkörpers
mit 100 mm Außendurchmesser
und 75 mm Innendurchmesser haben. Ungefähr 500 einzelne Laminierungen
werden gestapelt und aufeinander ausgerichtet, um ein bogenförmiges 90°-Segment eines
geraden Kreiszylinders mit einer Höhe von 12,5 mm, einem Außendurchmesser
von 100 mm und einem Innendurchmesser von 75 mm zu bilden, wie in 1c veranschaulicht.
Die Zylindersegmentbaugruppe wird in eine Spannvorrichtung eingesetzt
und in einer Stickstoffatmosphäre
wärmebehandelt.
Die Wärmebehandlung
besteht aus: 1) Erwärmen
der Baugruppe auf 365°C;
2) Halten der Temperatur bei ungefähr 365°C über eine Dauer von ungefähr 2 Stunden;
und 3) Abkühlen
der Baugruppe auf Umgebungstemperatur. Die Zylindersegmentbaugruppe
wird aus der Spannvorrichtung herausgenommen. Die Zylindersegmentbaugruppe
wird in eine zweite Spannvorrichtung eingesetzt, mit einer Epoxidharzlösung vakuumimprägniert und
bei 120°C über eine
Dauer von ungefähr
4,5 Stunden gehärtet.
Nach ihrer vollständigen
Aushärtung
wird die Zylindersegmentbaugruppe aus der zweiten Spannvorrichtung
herausgenommen. Nach dem Abbinden des resultierenden Epoxidharzes
wiegt die Zylindersegmentbaugruppe aus amorphem Metall ungefähr 70 g.
Der Prozess wird wiederholt, um insgesamt vier solcher Baugruppen
herzustellen. Die vier Baugruppen werden in eine Passbeziehung zueinander
gebracht und zu einer allgemein zylindrischen Testbaugruppe mit
vier gleichmäßig beabstandeten
Spalten umreift, wie in 3 gezeigt. Die elektrischen
Primär-
und Sekundärwicklungen
werden an der zylindrischen Testbaugruppe für elektrische Tests befestigt.
-
Die
Testbaugruppe weist Kernverlustwerte von weniger als 1 Watt/Kilogramm
amorphem Metallmaterial auf, wenn sie mit einer Frequenz von ungefähr 60 Hz
und mit einer Flussdichte von ungefähr 1,4 Tesla (T) be trieben
wird, einen Kernverlust von weniger als 12 Watt/Kilogramm amorphem
Metallmaterial, wenn sie mit einer Frequenz von ungefähr 1000
Hz und mit einer Flussdichte von ungefähr 1,0 T betrieben wird, und
einen Kernverlust von weniger als 70 Watt/Kilogramm amorphem Metallmaterial,
wenn sie mit einer Frequenz von ungefähr 20.000 Hz und mit einer
Flussdichte von ungefähr
0,30 T betrieben wird. Der niedrige Kernverlust der Komponenten
der Erfindung macht sie zur Verwendung beim Konstruieren einer magnetischen
Polfläche
geeignet.
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Referenzbeispiel 2
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Elektromagnetisches
Hochfrequenztesten einer gestanzten amorphen bogenförmigen Metallkomponente
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Eine
zylindrische Testbaugruppe, die vier gestanzte amorphe bogenförmige Metallkomponenten
umfasst, wird wie in Beispiel 1 hergestellt. Elektrische Primär- und Sekundärwicklungen
werden an der Testbaugruppe befestigt. Das elektrische Testen wird
bei 60, 1000, 5000 und 20.000 Hz und bei verschiedenen Flussdichten
ausgeführt.
Die Kernverlustwerte sind in den Tabellen 1, 2, 3 und 4 unten zusammengestellt.
Wie in den Tabellen 3 und 4 gezeigt, ist der Kernverlust bei Erregungsfrequenzen
von 5000 Hz oder höher
besonders niedrig. Damit eignet sich die magnetische Komponente
der Erfindung besonders zur Verwendung in Polflächenmagneten für MRI-Systeme. Tabelle 1
| Kernverlust
bei 60 Hz (W/kg) |
| Material |
| Flussdichte | Amorphes Fe80B11Si9 (22 μm) | Kristallines Fe-3%Si
(25 μm) | Kristallines Fe-3%Si
(50 μm) | Kristallines Fe-3%Si
(175 μm) | Kristallines Fe-3%Si
(275 μm) |
| | | National-Arnold
Magnetics Silectron | National-Arnold
Magnetics Silectron | National-Arnold
Magnetics Silectron | National-Arnold
Magnetics Silectron |
| 0,3
T | 0,10 | 0,2 | 0,1 | 0,1 | 0,06 |
| 0,7
T | 0,33 | 0,9 | 0,5 | 0,4 | 0,3 |
| 0,8
T | | 1,2 | 0,7 | 0,6 | 0,4 |
| 1,0
T | | 1,9 | 1,0 | 0,8 | 0,6 |
| 1,1
T | 0,59 | | | | |
| 1,2
T | | 2,6 | 1,5 | 1,1 | 0,8 |
| 1,3
T | 0,75 | | | | |
| 1,4
T | 0,85 | 3,3 | 1,9 | 1,5 | 1,1 |
Tabelle 2
| Kernverl
ust bei 1.000 Hz (W/kg) |
| Material |
| Flussdichte | Amorphes Fe80B11Si9 (22 μm) | Kristallines Fe-3%Si
(25 μm) | Kristallines Fe-3%Si
(50 μm) | Kristallines Fe-3%Si
(175 μm) | Kristallines Fe-3%Si
(275 μm) |
| | | National-Arnold
Magnetics Silectron | National-Arnold
Magnetics Silectron | National-Arnold
Magnetics Silectron | National-Arnold
Magnetics Silectron |
| 0,3
T | 1,92 | 2,4 | 2.0 | 3,4 | 5,0 |
| 0,5
T | 4,27 | 6,6 | 5,5 | 8,8 | 12 |
| 0,7
T | 6,94 | 13 | 9,0 | 18 | 24 |
| 0,9
T | 9,92 | 20 | 17 | 28 | 41 |
| 1,0
T | 11,51 | 24 | 20 | 31 | 46 |
| 1,1
T | 13,46 | | | | |
| 1,2
T | 15,77 | 33 | 28 | | |
| 1,3
T | 17,53 | | | | |
| 1,4
T | 19,67 | 44 | 35 | | |
Tabelle 3
| Kernverlust
bei 5.000 Hz (W/kg) |
| Material |
| Flussdichte | Amorphes Fe20B11Si9 (22 μm) | Kristallines Fe-3%Si
(25 μm) | Kristallines Fe-3%Si
(50 μm) | Kristallines Fe-3%Si
(175 μm) |
| | | National-Arnold Magnetics
Silectron | National-Arnold Magnetics
Silectron | National-Arnold Magnetics
Silectron |
| 0,04
T | 0,25 | 0,33 | 0,33 | 1,3 |
| 0,06
T | 0,52 | 0,83 | 0,80 | 2,5 |
| 0,08
T | 0,88 | 1,4 | 1,7 | 4,4 |
| 0,10
T | 135 | 2,2 | 2,1 | 6,6 |
| 0,20
T | 5 | 8,8 | 8,6 | 24 |
| 0,30
T | 10 | 18,7 | 18,7 | 48 |
Tabelle 4
| Kernverlust
bei 20.000 Hz (W/kg) |
| Material |
| Flussdichte | Amorphes Fe20B11Si9 (22 μm) | Kristallines Fe-3%Si
(25 μm) | Kristallines Fe-3%Si
(50 μm) | Kristallines Fe-3%Si
(175 μm) |
| | | National-Arnold Magnetics
Silectron | National-Arnold Magnetics
Silectron | National-Arnold Magnetics
Silectron |
| 0,04
T | 1,8 | 2,4 | 2,8 | 16 |
| 0,06
T | 3,7 | 5,5 | 7,0 | 33 |
| 0,08
T | 6,1 | 9,9 | 12 | 53 |
| 0,10
T | 9,2 | 15 | 20 | 88 |
| 0,20
T | 35 | 57 | 82 | |
| 0,30
T | 70 | 130 | | |
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Referenzbeispiel 3
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Hochfrequenzverhalten
von verlustarmen massiven amorphen Metallkomponenten
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Die
Kernverlustdaten von Beispiel 2 oben werden unter Verwendung herkömmlicher
nicht-linearer Regressionsverfahren analysiert. Es wird festgestellt,
dass der Kernverlust einer verlustarmen massiven amorphen Metallkomponente,
die aus amorphem Metallband mit der Zusammensetzung Fe80B11Si9 auf einfache Weise
durch eine Funktion mit der Form L(Bmax,
f) = c1f(Bmax)n + c2fq(Bmax)m definiert
werden kann.
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Es
werden geeignete Werte der Koeffizienten c
1 und
c
2 und der Exponenten n, m und q ausgewählt, um
eine Obergrenze der magnetischen Verluste der massiven amorphen
Metallkomponente zu definieren. Tabelle 5 enthält die Verluste der Komponente
in Beispiel 2 und die Verluste, die durch die obige Formel vorhergesagt
wurden, jeweils in Watt je Kilogramm gemessen. Die vorhergesagten
Verluste als eine Funktion von f (Hz) und B
max(Tesla)
werden unter Verwendung der Koeffizienten c
1 =
0,0074 und c
2 = 0,000282 und der Exponenten
n = 1,3, m = 2,4 und q = 1,5 berechnet. Der Verlust der massiven
amorphen Metallkomponente von Beispiel 2 ist weniger als der entsprechende
Verlust, der durch die Formel vorhergesagt wurde. Tabelle 5
| Punkt | Bmax (Tesla) | Frequenz
(Hz) | Kernverlust
von Beispiel 1 (W/kg) | Vorhergesagter Kernverlust
(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 |
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Nachdem
nun die Erfindung recht detailliert beschrieben wurde, versteht
es sich, dass diese Details nicht streng befolgt zu werden brauchen,
sondern dass sich dem Fachmann verschiedene Änderungen und Modifikationen
anbieten können,
die alle in den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung fallen,
wie er durch die unten angehängten
Ansprüche
definiert wird.