JP2006505143A - バルク非晶質金属誘導デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
積み重ねられた非晶質金属製の条片の棒状体50あるいは巻非晶質金属製の条片の磁気コア70からの本発明によるバルク非晶質金属製の磁気構成部品の切断は、多くの切断技術を使用して達成することができる。切断に適した方法には、それらに限定されないが、研磨切断刃もしくは砥石車の使用、機械研削、ダイヤモンドワイヤ切断、水平配置もしくは垂直配置のいずれかで実施される高速フライス削り、研磨ウォータジェットフライス削り、ワイヤもしくはプランジによる電気放電機械加工、電気化学研削、電気化学機械加工及びレーザ切断がある。切断方法は、切断表面もしくは切断表面の近傍に明らかな損傷を全く生成しないことが好ましい。このような損傷は、例えば切断速度が速すぎることにより、非晶質金属が局部的に結晶化温度を超えて加熱され、さらには材料の縁もしくは縁の近傍が融解することによるものである。この加熱もしくは融解により、縁の近傍における応力及びコア損失が大きくなる、積層間が短絡する、あるいは機械的な特性が劣化する、などの有害な結果がもたらされることになる。形状が直方柱もしくは台形の構成部品などのように内部頂点のない比較的単純な形状の構成部品は、切断刃もしくは砥石車を使用して棒状体50もしくは磁気コア70から切断されることが好ましい。C構成部品及びE構成部品などのように内部頂点を有する他の形状は、機械研削、ダイヤモンドワイヤ切断、水平配置もしくは垂直配置のいずれかで実施される高速フライス削り、研磨ウォータジェットフライス削り、ワイヤもしくはプランジによる電気放電機械加工、電気化学研削、電気化学機械加工及びレーザ切断などの技法によって棒状体50もしくは磁気コア70からより容易に切断される。
第1の好ましい等級のナノ結晶質合金は、Fe100−u−x−y−z−wRuTxQyBzSiwである。RはNi及びCoのうちの少なくともいずれかであり、Tは、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo及びWのうちの少なくともいずれか1つであり、Qは、Cu、Ag、Au、Pd及びPtのうちの少なくともいずれか1つである。uの範囲は0から約10であり、xの範囲は約3から12、yの範囲は0から約4、zの範囲は約5から12、また、wの範囲は0から約8未満である。ナノ結晶質超微小構造を形成するためのこの合金の熱処理が終了すると、この合金は、その飽和磁気誘導が大きくなり(例えば少なくとも約1.5T)、コア損失が小さくなり、かつ、飽和磁気歪みが小さくなる(例えば絶対値が4×10−6未満の磁気歪み)。最小サイズのデバイスが要求される適用の場合、このような合金がとりわけ好ましい。
L(Bmax、f)=c1f(Bmax)n+c2fq(Bmax)m
の形態を有する関数によってコア損失を定義することができる。係数c1、c2及び指数n、m、qは、すべて実験によって決定しなければならず、これらの値を正確に決定するための知られている理論は存在していない。この式を使用することにより、必要な任意の動作磁気誘導及び励磁周波数における本発明によるデバイスの総コア損失を決定することができる。誘導デバイスの特定の幾何学によっては、とりわけ複数の磁気回路及び材料断面を有する実施態様、例えば一般に三相デバイスに使用されるような実施態様の場合、誘導デバイス内の磁界が空間的に一様でない場合があることがしばしば観察されている。有限要素モデル化などの技法により、実際のデバイスで測定した磁束密度分布に極めて近いピーク磁束密度の空間的かつ一時的な変動の予測が提供されることは当分野で知られている。これらの技法を使用して、空間的に一様な磁束密度の下で所与の材料の磁気コア損失を与える適切な実験式を入力として使用することにより、デバイスの体積に対する数値積分によって所与の構成部品の動作構成における対応する実際のコア損失を妥当な精度で予測することができる。
幅が約25mm、厚さが約0.022mmのFe80B11Si9強磁性非晶質金属製のリボンが、約25mm×60mmの寸法を有する長方形のマンドレルすなわちボビンの周りに巻き付けられる。約1300ラップの強磁性非晶質金属製のリボンがマンドレルすなわちボビンの周りに巻き付けられ、内部寸法が約25mm×60mm、構築厚さが約30mmの長方形の磁気コアが生成される。窒素雰囲気中で磁気コア/ボビン組立体が焼きなましされる。この焼きなましは、1)組立体を最大365℃に加熱するステップ、2)約2時間の間、約365℃の温度を保持するステップ、3)組立体を周囲温度まで冷却するステップからなっている。磁気コア/ボビン組立体から長方形の巻非晶質金属製の磁気コアが除去され、次に、隣接する層状構造と層状構造との間の空間に含浸し、浸透する、粘性の小さい熱活性エポキシ中に浸される。使用されるエポキシ樹脂は、適切な粘性を得るべくアセトンを使用して体積比で1:5の割合で希釈されたEpoxylite(商標)8899である。ボビンが元に戻され、次に、エポキシ樹脂溶液を活性化させ、かつ、硬化させるべく、再構築された含浸済み磁気コア/ボビン組立体が約2.5時間の間、約177℃の温度に晒される。完全に硬化すると、再度磁気コア/ボビン組立体から磁気コアが除去される。得られる長方形の巻エポキシ結合非晶質金属製の磁気コアの重量は約1500gである。
上記実施例1で得られたコア損失データは、従来の曲線回帰法を使用して解析される。Fe80B11Si9非晶質金属製のリボンから構成される低コア損失バルク非晶質金属製の構成部品のコア損失が本質的に、
L(Bmax、f)=c1f(Bmax)n+c2fq(Bmax)m
の形態を有する関数によって定義することができることが決定される。係数c1、c2及び指数n、m、qに適した値は、バルク非晶質金属製の構成部品の磁気コア損失に対する上限を画定するべく選択される。表5は、実施例1における構成部品の測定コア損失と上式による予測コア損失を示したもので、それぞれワット/キログラムで測定されている。f(Hz)及びBmax(テスラ)を関数とした予測コア損失は、係数c1=0.0074、c2=0.000282及び指数n=1.3、m=2.4、q=1.5を使用して計算されている。実施例1のバルク非晶質金属製の構成部品の測定コア損失は、上式によって予測された対応するコア損失より小さい。
幅が約25mm、厚さが約0.022mmで組成がFe80B11Si9である強磁性非晶質金属製のリボンが約300mmの長さに切断される。約1300層の切断された強磁性非晶質金属製のリボンが積み重ねられ、幅が約25mm、長さが約300mm、構築厚さが約30mmの棒状体が形成され、窒素雰囲気中で焼きなましされる。この焼きなましは、1)棒状体を最大365℃に加熱するステップ、2)約2時間の間、約365℃の温度を保持するステップ、3)棒状体を周囲温度まで冷却するステップからなっている。エポキシ樹脂溶液が棒状体に真空含浸され、約4.5時間の間、120℃で硬化される。得られる積重ね体エポキシ結合の非晶質金属製の棒状体の重量は約1300gである。
直方柱は、公称組成がFe73.5Cu1Nb3B9Si13.5、幅が約25mm、厚さが約0.018mmの非晶質金属製のリボンを使用して準備される。約1,600片の長さ300mmの条片が切断され、フィクスチャ内に正しい重ね合わせで積み重ねられる。この積重ね体が熱処理され、非晶質金属中にナノ結晶質超微小構造が形成される。次のステップを実行することによって焼きなましが実施される。1)部品を最大580℃に加熱するステップ、2)約1時間の間、約580℃の温度を保持するステップ、3)部品を周囲温度まで冷却するステップ。熱処理が完了すると、粘性の小さいエポキシ樹脂に浸すことによって積重ね体が含浸される。エポキシ樹脂は、エポキシが含浸した長方形の棒状体を形成するべく約2.5時間の間、約177℃の温度で活性化され、硬化される。
以上、本発明について、可能な限り詳細に説明したが、当業者には、このような詳細を厳密に必要とすることなく、様々な変更及び改変が自ずから可能であり、これらの変更及び改変はすべて、特許請求の範囲に定義されている本発明の範囲内であることを理解されたい。
Claims (37)
- 誘導デバイスであって、
a.並置の関係で組立体とされ、少なくとも1つの磁気回路を形成している、複数で低コア損失のバルク強磁性非晶質金属製の磁気構成部品を備える磁気コアと、
b.前記構成部品を前記関係で固着するための固着手段と、
c.前記磁気コアの少なくとも一部を取り巻いている少なくとも1つの電気巻線とを備え、
d.前記構成部品の各々が、厚さ及び複数の整合面を有する多面体形部品を形成するべく、接着剤で互いに結合された複数の実質的に類似する形状の非晶質金属製の条片の平らな層を備え、前記構成部品の各々の前記厚さが実質的に等しく、
e.前記構成部品が前記組立体内で、実質的に平行な平面内に前記構成部品の各々の前記条片の前記層を備え、かつ、前記構成部品の他の整合面に近接する前記整合面の各々を備えて配置され、
f.5,000Hzの励磁周波数「f」で、0.3Tのピーク誘導レベル「Bmax」まで動作させた時に、前記誘導デバイスが約12W/kg未満のコア損失を備える、誘導デバイス。 - 前記デバイスが、変圧器、単巻変圧器、可飽和リアクトル及び誘導子から構成されるグループから選択される部材である、請求項1に記載の誘導デバイス。
- 複数の電気巻線を備える、請求項1に記載の誘導デバイス。
- 前記構成部品の各々が、C字形、E字形、I字形、U字形、台形及び弓形から構成されるグループから選択される形状を有する、請求項1に記載の誘導デバイス。
- 前記構成部品のうちの少なくとも1つが直方柱の形状である、請求項1に記載の誘導デバイス。
- 前記構成部品の各々の形状が直方柱である、請求項5に記載の誘導デバイス。
- 前記近接する整合面の少なくともいくつかに留継ぎが施される、請求項1に記載の誘導デバイス。
- E−I字形、E−E字形、C−I字形、C−C字形及びC−I−C字形の形状から構成されるグループから選択される形状を有する、請求項1に記載の誘導デバイス。
- 前記固着手段が、金属、重合体、織物及び感圧性テープのうちの少なくとも1つから構成される帯状体を含む、請求項1に記載の誘導デバイス。
- 前記固着手段がハウジングから構成される、請求項1に記載の誘導デバイス。
- 前記固着手段が前記磁気コアのポッティングから構成される、請求項1に記載の誘導デバイス。
- 前記電気巻線が、前記構成部品のうちの少なくとも1つの一部に置かれるボビン上に配置される、請求項1に記載の誘導デバイス。
- 前記整合面の各々が平らな整合表面を有する、請求項1に記載の誘導デバイス。
- 前記複数でバルク非晶質金属製の磁気構成部品が、実質的に閉磁気回路を形成するべく組み立てられる、請求項1に記載の誘導デバイス。
- 前記バルク非晶質金属製の磁気構成部品が、前記整合面間にエアギャップを介在させて組み立てられる、請求項1に記載の誘導デバイス。
- 前記エアギャップにスペーサをさらに備える、請求項15に記載の誘導デバイス。
- 複数の磁気回路を備える、請求項1に記載の誘導デバイス。
- 前記デバイスが単相デバイスである、請求項2に記載の誘導デバイス。
- 前記デバイスが多相デバイスである、請求項2に記載の誘導デバイス。
- 前記非晶質金属が焼きなましされる、請求項1に記載の誘導デバイス。
- 前記デバイスが、以下の式で与えられる「L」より小さいコア損失を有するものであって、当該式は、L=0.0074f(Bmax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4で与えられ、前記コア損失、前記励磁周波数及び前記ピーク誘導レベルがそれぞれワット/キログラム、ヘルツ及びテスラで測定される、請求項1に記載の誘導デバイス。
- 前記強磁性非晶質金属製の条片の各々が、以下の式で本質的に定義される組成を有するものであって、当該式はM70乃至85Y5乃至20Z0乃至20で与えられ、同式において、下付きの数字が原子百分率であり、「M」がFe、Ni及びCoのうちの少なくとも1つであり、「Y」がB、C及びPのうちの少なくとも1つであり、「Z」がSi、Al及びGeのうちの少なくとも1つであり、以下の条件(i)乃至(iii)を備えるものであり、(i)成分「M」の最大10原子百分率が、金属種Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta、Hf、Ag、Au、Pd、Pt及びWのうちの少なくとも1つと任意選択で置換され、(ii)成分(Y+Z)の最大10原子百分率が、非金属種In、Sn、Sb及びPbのうちの少なくとも1つと任意選択で置換され、(iii)成分(M+Y+Z)の最大約1原子百分率が付随的な不純物である、請求項1に記載の誘導デバイス。
- 前記強磁性非晶質金属製の条片の各々が、少なくとも70原子百分率のFe、少なくとも5原子百分率のB及び少なくとも5原子百分率のSiを含有する組成を有し、B及びSiの総含有量が少なくとも15原子百分率である、請求項22に記載の誘導デバイス。
- 前記強磁性非晶質金属製の条片の各々が、本質的に式Fe80B11Si9で定義される組成を有する、請求項23に記載の誘導磁気デバイス。
- 前記磁気コアの表面の少なくとも一部に絶縁性のコーティングが施される、請求項1に記載の誘導デバイス。
- 前記コーティングが実質的に前記磁気コアの表面全体を覆っている、請求項25に記載の誘導デバイス。
- 複数の強磁性バルク非晶質金属製の磁気構成部品を備えるコアを有する誘導デバイスを構築する方法であって、それぞれの構成部品が、厚み及び複数の整合面を有する全体として多面体の部品を形成するべく、接着剤で互いに結合される複数の非晶質金属製の条片の層を有しており、前記方法は、
a.前記磁気構成部品のうちの少なくとも1つに電気巻線を巻き付けるステップと、
b.少なくとも1つの磁気回路を有する前記コアを形成するべく、前記構成部品を並置の関係で位置決めするステップであって、各々の構成部品の層が実質的に平行な平面に位置する、位置決めするステップと、
c.前記構成部品を前記並置の関係で固着するステップとを含む方法。 - 前記強磁性の構成部品を分離している複数のエアギャップのうちの少なくとも1つにスペーサを挿入するステップをさらに含む、請求項27に記載の方法。
- 前記固着するステップが、前記構成部品を接着するための接着剤の使用を含む、請求項27に記載の方法。
- 前記固着するステップが、帯状体を使用して前記構成部品を帯止めするステップを含む、請求項27に記載の方法。
- 前記固着するステップが、前記構成部品をハウジング内に配置するステップを含む、請求項27に記載の方法。
- 前記構成部品上に整合面を準備するステップをさらに含む、請求項27に記載の方法。
- 前記準備するステップが、フライス削り、表面研削、切断、研磨、化学エッチング及び電気化学エッチングのうちの少なくとも1つから構成される平削り操作を含む、請求項32に記載の方法。
- 前記電気巻線が中空の内部体積を有するボビン上に巻き付けられ、前記ボビンが前記コアの一部の上に置かれる、請求項27に記載の方法。
- 変圧器、単巻変圧器、可飽和リアクトル及び誘導子から構成されるグループから選択される、少なくとも1つの低コア損失の誘導デバイスを有する電子回路デバイスであって、
a.並置の関係で組立体とされ、少なくとも1つの磁気回路を形成する複数で低コア損失のバルク強磁性非晶質金属製の磁気構成部品を備える磁気コアであって、前記構成部品の各々が、厚さ及び複数の整合面を有する多面体形部品を形成するべく、接着剤で互いに結合される複数の実質的に類似する形状の平らな非晶質金属製の条片の層を備え、前記構成部品の各々の厚さが実質的に等しい、磁気コアと、
b.前記構成部品を前記関係で固着するための固着手段であって、前記構成部品が、実質的に平行な平面内に前記構成部品の各々の前記条片の前記層を備え、かつ、前記構成部品の他の整合面に近接する各々の前記整合面を備えて配置される固着手段と、
c.前記磁気コアの少なくとも一部を取り巻いている少なくとも1つの電気巻線とを備える電子回路デバイス。 - 5,000Hzの励磁周波数「f」で、0.3Tのピーク誘導レベル「Bmax」まで動作させた時に、前記誘導デバイスが約12W/kg未満のコア損失を有する、請求項35に記載の電子回路デバイス。
- スイッチモードの電源及びスイッチモードの電圧変換器から構成されるグループから選択される電力調節回路デバイスであって、
a.並置の関係で組立体とされ、少なくとも1つの磁気回路を形成している複数の低コア損失のバルク強磁性非晶質金属製の磁気構成部品を備えた磁気コアであって、前記構成部品の各々が、厚さ及び複数の整合面を有する多面体形部品を形成するべく、接着剤で互いに結合される複数の実質的に同じ形状の平らな非晶質金属の条片の層を備え、前記構成部品の各々の厚さが実質的に等しい、磁気コアと、
b.前記構成部品を前記関係で固着するための固着手段であって、前記構成部品が、実質的に平行な平面に前記構成部品の各々の前記条片の前記層を備え、かつ、前記構成部品の他の整合面に近接する各々の前記整合面を備えて配置される、固着手段と、
c.前記磁気コアの少なくとも一部を取り巻いている少なくとも1つの電気巻線とを備える電力調節回路デバイス。
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