JP2007525818A - 非晶質金属形状を切断するための選択的エッチングプロセスおよびそれから作られた構成要素 - Google Patents
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Abstract
Description
ナノ結晶合金の第1の好ましい分類は、Fe100−u−x−y−z―wRuTxQyBzSiwであり、ここで、Rは、NiおよびCoの少なくとも1つであり、Tは、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、およびWの少なくとも1つであり、Qは、Cu、Ag、Au、Pd、およびPtの少なくとも1つであり、uは、0から約10の範囲であり、xは、約3から12の範囲であり、yは、0から約4の範囲であり、zは、約5から12の範囲であり、かつwは、0から約8未満の範囲である。この合金が、その内にナノ結晶微細構造を形成するように熱処理された後、それは、高い飽和誘導(例えば、約1.5T)、低いコア損失、および低い飽和磁歪(例えば、少なくとも4×10−6より小さい絶対値を有する磁歪)を有する。そのような合金は、必要な電力定格に関する最小寸法のデバイスが要求される適用に関して特に好ましい。
L(Bmax,f)=c1f(Bmax)n+c2fq(Bmax)m
ここで、係数c1およびc2、ならびに指数n、m、およびqは、全て実験的に決定されなければならず、それらの値を正確に決定する、知られている理論は存在しない。この式の使用により、本発明のバルク磁気構成要素の全体のコア損失が、任意の必要な動作誘導および励起周波数で決定されることを可能にする。特定の多くの磁気デバイス、特にモータ回転子および固定子の幾何形状において、その内の磁界は、空間的に均一ではないことが一般的に見出される。有限要素モデリングなどの技術が、当技術において知られ、実際のモータまたは発電機で測定される磁束密度分布を密に近似する、ピーク磁束密度の空間的および時間的変化の推定値を提供する。空間的に均一な磁束密度の下で所定の材料の磁気コア損失を与える適切な実験的な式の入力として使用することは、その動作構成における所定の構成要素の対応する実際のコア損失が、構成要素体積にわたる数値積分によって妥当な正確性で予測されることを可能にする。
表裏が逆のスピンドル駆動電気モータのための非晶質金属の固定子のための積層体は、Fe80B11Si9非晶質金属リボンから、約22μmの厚みに選択的エッチングプロセスによって切断される。各積層体は、全体的に円環状の形状を有する中央環状領域と、図5Dによって全体的に示されるような中央環状領域から半径方向外側に延びる複数の歯とを備える。環状領域は、それぞれ約9mmおよび11mmの近接する内側直径および外側直径を有する。歯の周辺で測定された構成要素の外側直径は、約25mmである。積層体は、それらの軟磁性特性を強化するために、0.5時間〜3時間にわたる350℃〜400℃の温度で熱処理される。約120の積層体が、次に約4.2mmの高さを有する全体的に円筒状の構造を形成するために積み重ねられる。積み重ねは、隣接する積層体間の間隔が含浸しかつ浸透することを可能にする、低粘性の熱活性化されるエポキシに浸漬される。使用されるエポキシは、適切な粘性を達成するために、アセトンを用いて容積で、1:5で希釈されたEpoxylite(登録商標)8899である。積み重ねは、定着物においてレジストリで保持され、積み重ねのパッキング密度を強化するために約4mmの高さにわずかに圧縮される。含浸された積み重ねは、次に、エポキシ樹脂溶液を活性化しかつ硬化するために、約2.5時間にわたって約177℃の温度に晒される。積み重ねを冷却した後、定着物から取り除かれ、表裏が逆のモータで使用するのに適した固定子を形成するために、3M ScotchCast(登録商標) Electrical Resin 5133で、電気泳動で被覆される。
表裏が逆のスピンドル駆動電気モータの固定子のための積層体は、Fe73.5Cu1Nb3B9Si13.5非晶質金属リボンを、約30mmの幅で0.018mmの厚みにフォトエッチングによって準備される。各積層体は、全体的に円環状の形状を有する中央環状領域と、図5Dによって全体的に示されるような中央環状領域から半径方向外側に延びる複数の歯とを備える。環状領域は、それぞれ約9mmおよび11mmの近接する内側直径および外側直径を有する。歯の周辺で測定された構成要素の外側直径は、約25mmである。積層体は、非晶質金属におけるナノ結晶微細構造を形成するために熱処理される。アニールは、以下のステップを実施することによって実行される。すなわち、1)580℃まで部品を加熱するステップと、2)約1時間にわたって約580℃で温度を保持するステップと、3)部品を周囲温度に冷却するステップとである。約160の熱処理された積層体が、次に約4.2mmの高さを有する全体的に円筒状の構造を形成するために積み重ねられ、隣接する積層体間の間隔が含浸しかつ浸透することを可能にする、低粘性の熱活性化されるエポキシに浸漬される。使用されるエポキシは、適切な粘性を達成するために、アセトンを用いて容積で、1:5で希釈されたEpoxylite(登録商標)8899である。積み重ねは、定着物においてレジストリで保持され、積み重ねのパッキング密度を強化するために約4mmの高さにわずかに圧縮される。含浸された積み重ねは、次に、エポキシ樹脂溶液を活性化しかつ硬化するために、約2.5時間にわたって約177℃の温度に晒される。積み重ねを冷却した後、定着物から取り除かれ、表裏が逆のモータで使用するのに適した固定子を形成するために、3M ScotchCast(登録商標) Electrical Resin 5133で、電気泳動で被覆される。
Claims (50)
- 多面体に成形された部品を形成するように、接着剤でともに積層にされた複数の実質的に類似する形状に形成された非晶質金属ストリップの層を含み、前記低損失のバルク非晶質金属の磁気構成要素は、ピーク誘導レベルBmaxに対して励起周波数「f」で動作されるとき、約「L」より低いコア損失を有し、ここで、Lは、式L=0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6で与えられ、コア損失、励起周波数、およびピーク誘導レベルは、キログラム当たりのワット、ヘルツ、およびテスラでそれぞれ測定される、
電気モータのための低損失のバルク非晶質金属の磁気構成要素。 - 前記非晶質金属ストリップそれぞれは、下付きが原子パーセントである式M70−85Y5−20Z0−20によって本質的に規定される組成を有し、ここで、「M」は、Fe、Ni、およびCoの少なくとも1つであり、「Y」は、B、C、およびPの少なくとも1つであり、かつ「Z」は、Si、Al、およびGeの少なくとも1つであり、(i)構成要素「M」の10原子パーセントまでが、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta、およびWの少なくとも1つの金属種で置き換えられることができ、および(ii)構成要素(Y+Z)の10原子パーセントまでが、In、Sn、Sb、およびPbの少なくとも1つの非金属種で置き換えられることができることを条件にする、請求項1に記載の磁気構成要素。
- 前記M構成要素は、実質的にFeであり、前記Y構成要素は、実質的にBであり、かつ前記Z構成要素は、実質的にSiである、請求項2に記載の磁気構成要素。
- 前記強磁性非晶質金属ストリップそれぞれは、BおよびSiの全含有量が少なくとも15原子パーセントであることを条件として、少なくとも70原子パーセントのFe、少なくとも5原子パーセントのB、および少なくとも15原子パーセントのSiを含む組成を有する、請求項2に記載の磁気構成要素。
- 前記ストリップそれぞれは、本質的に式Fe80B11Si9によって規定される組成を有する、請求項4に記載の磁気構成要素。
- 前記非晶質金属ストリップは、その中にナノ結晶マイクロ構造を形成するために熱処理される、請求項2に記載の磁気構成要素。
- 前記非晶質金属ストリップそれぞれは、式Fe100−u−x−y−z―wRuTxQyBzSiwによって本質的に規定される組成を有し、ここで、Rは、NiおよびCoの少なくとも1つであり、Tは、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、およびWの少なくとも1つであり、Qは、Cu、Ag、Au、Pd、およびPtの少なくとも1つであり、uは、0から約10の範囲であり、xは、約3から12の範囲であり、yは、0から約4の範囲であり、zは、約5から12の範囲であり、かつwは、0から約8未満の範囲である、請求項6に記載の磁気構成要素。
- 前記非晶質金属ストリップそれぞれは、式Fe100−u−x−y−z―wRuTxQyBzSiwによって本質的に規定される組成を有し、ここで、Rは、NiおよびCoの少なくとも1つであり、Tは、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mo、およびWの少なくとも1つであり、Qは、Cu、Ag、Au、Pd、およびPtの少なくとも1つであり、uは、0から約10の範囲であり、xは、約1から5の範囲であり、yは、0から約3の範囲であり、zは、約5から12の範囲であり、かつwは、約8から18の範囲である、請求項6に記載の磁気構成要素。
- 電気モータの固定子の少なくとも一部を備える、請求項1に記載の磁気構成要素。
- 電気モータの回転子の少なくとも一部を備える、請求項1に記載の磁気構成要素。
- ほぼ400Hzの周波数およびほぼ1.3Tの磁束密度で動作するとき、非晶質金属材料のキログラム当たりほぼ2.8ワット以下のコア損失を有する、請求項1に記載の磁気構成要素。
- ほぼ800Hzの周波数およびほぼ1.3Tの磁束密度で動作するとき、非晶質金属材料のキログラム当たりほぼ5.7ワット以下のコア損失を有する、請求項1に記載の磁気構成要素。
- ほぼ2,000Hzの周波数およびほぼ1.0Tの磁束密度で動作するとき、非晶質金属材料のキログラム当たりほぼ9.5ワット以下のコア損失を有する、請求項1に記載の磁気構成要素。
- 前記接着剤は、1成分および2成分のエポキシ、ワニス、嫌気性の接着剤、シアノアクリレート、および室温硬化(RTV)シリコン材料からなるグループから選択された少なくとも1つの部材からなる、請求項1に記載の磁気構成要素。
- 前記構成要素は、前記接着剤で含浸される、請求項14に記載の磁気構成要素。
- 前記積層体の結合を強化するための含浸流れ強化手段をさらに備える、請求項15に記載の磁気構成要素。
- 前記接着剤は、低粘度エポキシである、請求項14に記載の磁気構成要素。
- a)少なくとも1つの空隙を含む磁気回路を有し、かつ少なくとも1つの低損失バルク強磁性非晶質金属の磁気構成要素を含む磁気コアと、
b)前記磁気コアの少なくとも一部を囲む少なくとも1つの電気巻線とを備え、
c)前記構成要素は、多面体に成形された部品を形成するために、積み重ねられ、位置合わせされ、かつ接着剤でともに結合された、複数の実質的に類似して成形された平坦な非晶質金属ストリップの層を備え、
d)前記誘導デバイスは、0.3Tのピーク誘導レベル「Bmax」に対して5kHzの励起周波数「f」で動作するとき、約12W/kg未満のコア損失を有する、
誘導デバイス。 - 前記デバイスは、変圧器、単巻変圧器、飽和可能なリアクトル、および誘導子からなるグループから選択される部材である、請求項18に記載の誘導デバイス。
- 前記磁気コアは、少なくとも2つのかみ合い面をそれぞれ有する複数の前記低損失バルク強磁性非晶質金属の磁気構成要素を備え、かつ前記構成要素は、それぞれ前記かみ合い面が、前記構成要素の他方のかみ合い面の1つに近接しかつ実質的に平行であるように、並置される関係で組み立てられる、請求項18に記載の誘導デバイス。
- 前記構成要素それぞれは、C、E、I、U、台形、および弓形形状からなるグループから選択された形状を有する、請求項18に記載の誘導デバイス。
- E−I、E−E、C−I、C−C、およびC−I−C形状からなるグループから選択された形状を有する、請求項18に記載の誘導デバイス。
- a)それぞれ実質的に同一の事前に決定された形状を有する複数の積層体を形成するように、非晶質金属ストリップ材料を選択的にエッチングするステップと、
b)積層体スタックを形成するためにレジストリで前記積層体を積み重ねるステップと、
c)前記積層体スタックを接着剤で接着結合するステップと、
を含む低コア損失バルク非晶質金属の磁気構成要素を構成する方法。 - a)(i)前記構成要素から過剰な接着剤を取り除くステップと、(ii)前記構成要素に適切な表面仕上げを与えるステップと、(iii)前記構成要素にその最終構成要素寸法を与えるために材料を取り除くステップとの少なくとも1つを達成するために、前記構成要素を仕上げるステップをさらに含む、請求項23に記載の方法。
- a)前記構成要素の磁気特性を改善するために前記積層体をアニーリングするステップをさらに含む、請求項23に記載の方法。
- 前記アニーリングステップは、前記接着結合するステップ後に実行される、請求項25に記載の方法。
- 前記アニーリングステップは、前記接着結合するステップ前に実行される、請求項25に記載の方法。
- a)前記構成要素の表面の少なくとも一部を絶縁被覆剤で被覆するステップをさらに含む、請求項23に記載の方法。
- a)前記構成要素に、実質的に平坦でありかつ前記層に対して垂直である少なくとも2つのかみ合い面を準備するステップをさらに含む、請求項23に記載の方法。
- 前記準備するステップは、前記かみ合い面のミリング、表面研削、切断、研磨、化学エッチング、および電気化学エッチングの少なくとも1つを含む平坦化操作を含む、請求項29に記載の方法。
- 前記接着結合するステップは、前記積層体スタックの含浸を含む、請求項23に記載の方法。
- 前記接着剤は、1成分および2成分のエポキシ、ワニス、嫌気性の接着剤、シアノアクリレート、および室温硬化(RTV)シリコン材料からなるグループから選択された少なくとも1つの部材からなる、請求項23に記載の方法。
- 前記接着剤は、低粘度エポキシを含む、請求項32に記載の方法。
- 前記接着剤が、約1000cps未満の粘性を有する、請求項33に記載の方法。
- 前記接着剤が、約10ppm未満の熱膨張係数を有する、請求項33に記載の方法。
- 前記接着剤が、約10ppm未満の熱膨張係数を有する、請求項34に記載の方法。
- 請求項23の方法により構成される低コア損失のバルク非晶質金属の磁気構成要素。
- 前記構成要素は、ピーク誘導レベルBmaxに対して励起周波数「f」で動作されるとき、約「L」より低いコア損失を有し、ここで、Lは、式L=0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6で与えられ、前記コア損失、前記励起周波数、および前記ピーク誘導レベルは、キログラム当たりのワット、ヘルツ、およびテスラでそれぞれ測定される、請求項37に記載の低コア損失のバルク非晶質金属の磁気構成要素。
- a)第1の表面および第2の表面を有する非晶質金属シートを提供するステップと、
b)前記第1の表面上に前記事前に選択された形状を画定するパターンで化学的抵抗材料を印刷するステップと、
c)前記第2の表面を保護層で被覆するステップと、
d)前記第1の表面外側の領域から非晶質金属を前記事前に選択された形状に選択的にエッチングするために、前記非晶質金属シートを腐食剤に露出するステップと、
e)前記非晶質金属シートから前記形状を分離するステップと、
を含む事前に選択された形状を有する切断された非晶質金属部品を作るためのプロセス。 - 前記印刷するステップは、リソグラフィ、レリーフ、グラビア、スクリーン、ゼログラフィ、およびインクジェット付着の印刷方法からなるグループから選択された少なくとも1つの印刷方法を含む、請求項39に記載のプロセス。
- 前記印刷するステップは、前記非晶質金属シートの連続する移動の間に前記化学的抵抗材料を付着する、請求項39に記載のプロセス。
- 前記事前に選択された形状および前記保護層を画定する前記パターンは、実質的に同一の化学的抵抗材料を含む、請求項39に記載のプロセス。
- 前記保護層は、キャリアストリップを含む、請求項39に記載のプロセス。
- 前記キャリアストリップは、ステンレス鋼、ニッケルベースの合金、チタン、タンタル、およびアルミニウムからなるグループから選択された少なくとも1つの金属からなる、請求項43に記載のプロセス。
- 前記キャリアストリップは、ポリマー材料からなる、請求項43に記載のプロセス。
- 前記露出するステップは、前記シートに対する前記形状の接続を実質的に弱めるのに十分な時間だけ連続される、請求項39に記載のプロセス。
- 前記露出するステップは、前記シートを貫通するために十分な時間だけ連続され、それによって、前記形状は、前記シートから分離される、請求項39に記載のプロセス。
- 前記形状は、前記シートの残りに前記形状を接続する少なくとも1つのタブを含む、請求項39に記載のプロセス。
- 前記分離するステップは、前記形状を前記非晶質金属シートから切断するスタンピング操作を含む、請求項39に記載のプロセス。
- 前記デバイスは、ピーク誘導レベルBmaxに対して励起周波数「f」で動作されるとき、約「L」より低いコア損失を有し、ここで、Lは、式L=0.005f(Bmax)1.5+0.000012f1.5(Bmax)1.6で与えられ、前記コア損失、前記励起周波数、および前記ピーク誘導レベルは、キログラム当たりのワット、ヘルツ、およびテスラでそれぞれ測定される、請求項18に記載の誘導デバイス。
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