TW552599B - Bulk amorphous metal magnetic component and method of constructing the same - Google Patents

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Scott M Lindquist
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Description

552599
發明背景 1 .發明蓺疇 本發明係關於非結晶性金屬磁性元件；更特別關於大型 電子裝置之一般三維塊狀模壓非結晶性金屬磁性元件，如 磁共振成像系統、電視和錄影系統以及電子和離子束系 統。 2 .先前技藝說明 磁共振成像（MRI)在現代醫學中已成為重要、非侵入型診 斷工具。MRI系統一般包括磁場發生裝置。一些此等場發 生裝置利用永久磁鐵或電磁體作為磁動力源。該場發生裝 置尚時常包括界定一間隙的一對磁極面，欲經成像卷本即 包含在該間隙内。 美國專利第4,672,346號教示一種極面，該極面具有固體 結構，且包括用磁性材料（如碳鋼）形成之片狀體。美國專 利第4,818,966號教示，可用層合磁片製造極片之周邊部 分，使自磁場發生裝置極片產生之磁通量集中於其間的間 隙内。美國專利第4,827,235號揭示一種具有高飽和磁化強 度、軟磁性及20微歐姆_厘米或更大電阻率之極片。其中教 示使用軟磁材料，包括坡莫合金（permall〇y)、碎鋼、非結 晶性磁合金、鐵氧體（鐵素體）和磁性複合材料。 美國專利第5,124,65 1號揭示一種具初級場磁鐵組合件之 核磁共振掃描裝置。該組合件包括鐵磁性上部和下部極 片。各極片包括多個窄、伸長鐵磁棒，且其長軸平行於各 極片之極向。該棒較佳用可透磁合金製成，如1〇〇8鋼、軟
.、裝 訂
線 -4- 五、發明説明（2 ) ，或類似材科。棒係以非導電介質彼此橫向電性隔離，以 限制％組合件極面平面内渴流產生。！ 二一 i)等人的美國專利第5,283,544號二 =發生裝置。該裝置包括—對磁極片； ^包括複數由層合複數非定向㈣片形成的塊形磁極片元 ’但在技藝上仍需要改 改良MRI系統之成像能 雖然以上揭示内容代表很大進步 良極片。因為此等極片基本上用於 力和品質。 與匕非定向電工鋼比較’雖然非結晶性金屬給予優良磁性 月匕仁由於非結晶性金屬某些物理十生質和相應製造限 制’長期被認為不適用於塊狀磁性元件（如mri⑽所用極 面磁體碑）。例如，非結晶性金屬比料向㈣薄而且硬。 因此，習知切割和模壓製程使製造工具和模磨耗更快。工 具和製造成本增加使得用此等習用實施技術製造塊狀非結 晶性金屬磁性元件在工業上不切實際。非結晶性金屬薄度 亦在組裝元件中轉變為增加薄片數目。進―步增加非結晶 性金屬磁性元件之總成本。 一般將非結晶性金屬提供在具均勻條寬的連續薄條中。 然而，非結晶性材料為很硬材料，使之難以切割或便利成 形，而且一旦經退火獲得峰值磁性，即變得很脆。這使用 白知方法構造塊狀非結晶性金屬磁性元件變得困難且代價 咼昂。非結晶性金屬之脆性亦可影響塊狀磁性元件的應用 耐久性（如用於MRI系統）。 -5- 本紙張尺度適用中國g家標準(CNS) A4規格(2ι()χ撕公爱了 552599 發明説明（3 塊狀非結晶性金屬磁性元件的另—個問題為，在經物理 應力時，非結晶性金屬材料之透磁性降低。該透性降低相 當大依賴對非結晶性金屬材料之應力強度。由於塊狀非結 晶性金屬磁性元件經受應力，鐵心引導或集中磁通之效率 降低。這導致更高磁耗、増加生熱及減低功率。由於非結 晶性金屬之磁致伸縮性質，裝置工作期間磁力產生之應 力、機械夾緊或塊狀非結晶性金屬元件其它定位產生之機 械應力或熱膨脹及/或非結晶性金屬材料磁飽和膨脹產生之 内部應力均可導致此等應力敏感性。 發明概要： 一本發明提供-種低耗、塊狀非結晶性金屬磁性元件，該 π件具多面體形狀或其E三維（3_D)形狀，並由多層鐵磁性 非結晶性金屬片組成。本發明亦提供-種製造塊狀非結晶 f生金屬磁性兀件（方法。肖磁性元件可在約$ 〇赫兹至 、’〇〇γ赫炫頻率範圍工作，與在相同頻率範圍工作的矽-鋼 磁f生兀件比較，顯示性能改良。根據本發明構造且以激發 頻,I激發到♦值感應量,，B“，，之磁性元件在室溫具有小 於L心鐵心損耗，其中L·由公式=(K0074f(B最大）1.3 • 000282F (b“）2.4給出，鐵心損耗、激發頻率及學值 感應量分別被測為瓦特/千克、赫兹和特斯拉。該磁性元件 八有（1)在以約6 〇赫茲之頻率和約丨·4特斯拉（T)之磁通密度 工作時H耗係小於或約等於每千克非結晶性金屬材料1 (ii)在以约1〇〇〇赫茲頻率和約1 〇特斯拉之磁通密度 工作時n耗係小於或约等於每千克非結晶性金屬材料 /屬 裝 訂
297公釐) A7 發明説明（4 12瓦特；或（iii)在以約2〇，_ 之磁通密度工作時鐵心損耗係小於：率 性金屬材料7〇瓦特。 一、寺於母千克非、、，口日日 在本發明一個具體實施例中 杜勹以， 鬼狀非結晶性金屬磁性元 之非結晶性金屬片層。^件的複數實質成相似形狀 =發明亦提供構造塊狀非結晶性金屬磁性元件之方法。 其貫現包括，下步驟，用鐵磁性非結晶性金屬片材以所需 形狀杈壓溥片’將薄片堆成三維形狀，塗覆及活化接著 劑，以使薄片彼此接著，形成具足夠機械整合性之元件， ，修飾元件’以去除過量接著劑和給予其適合表面修飾及 最' ϋ牛尺寸°该方法可進_步包括視情況選用的退火步 琢’以改良TG件之磁性性能。可以不同次序及使用各種技 術（包括下文闡述者）進行此等步驟。 本發明亦提出一種根據上述方法構造的塊狀非結晶性金 屬兀件。特別是，根據本發明構造的塊狀非結晶性金屬磁 性元件尤其適用於非結晶性金屬元件，如高效能MRI系 統、電視和錄影系統、電子和離子束系統中極面磁鐵所用 之磁碑。根據本發明構造的塊狀非結晶性磁性元件亦適用 於非環形感應器，如c型鐵心、E型鐵心、E/Ι型鐵心，其 中術語C、E和E/Ι為元件橫截面形狀說明。由本發明給予 < i處包括’簡化製造、減少製造時間、減少構造塊狀非 結晶性金屬元件期間遭遇應力以及使經修飾非結晶性金屬 磁性元件之性能最佳化。 本紙張尺度適财@ g家標準(CNS) A4規格(2igx297公爱) 552599 A7 B7 五、發明説明（5 凰式簡軍說明： 在參考本發明以下較佳具體實施例詳細說明及附圖時， 本發明將更充分被瞭解，進一步優勢將變得顯而易見，其 中在整個數張圖中，同樣參考數字代表相似元件，且其 中： 圖1 A為塊狀模壓非結晶性金屬磁性元件之透視圖，該元
件具有根據本發明構造的一般長方形多面體形狀； 圖1 B為塊狀模壓非結晶性金屬磁性元件之透視圖，該元 件具有根據本發明構造的一般梯形多面體形狀； 裝 圖1 C為塊狀模壓非結晶性金屬磁性元件之透視圖，該元 件具有根據本發明構造且弓形表面反向佈置的多面體形 狀； 圖2 A為根據本發明欲經退火和模壓佈置之鐵磁性非結晶 訂
線 性金屬片捲和欲經堆疊佈置之鐵磁性非結晶性金屬薄片之 側視圖； 圖2B為根據本發明欲經退火、以環氧材料塗覆和模壓佈 置t鐵磁性非結晶性金屬片捲和欲經堆疊佈置之鐵磁性非 結晶性金屬薄片之側視圖； 圖2 C為根據本發明欲經模壓佈置之鐵磁性非結晶性金屬 片捲以及欲經收集佈置之鐵磁性非結晶性金屬薄片之側視 圖， 圖2D為根據本發明欲經模壓佈置之鐵磁性非結晶性金屬 片捲及欲經堆4体置之鐵磁非結晶性金屬薄片之側視圖； 圖3為測試塊狀模壓非結晶性金屬磁性元件所用組合件之 -8 - 五、發明説明（ 6 五、發明説明（ 6 刀別具有經反向佈置弓 般正圓、環形圓筒。 透视圖，該組合件包括四個元件 形表面之多面體形狀，並組合成一 本發明提供一種一般多面體形 元件。招摅*旅Μ &彳貝耗塊狀非結晶性金恳 塊狀非結晶性金屬元件具有“ c何形狀’包括(但不限於)長方、正方和梯剥 =。此外，任何先前提及的幾㈣狀可包括至少— ==實現可包括反向佈置兩個弓形表面，以形成一拖 =弓形塊狀非結晶性金屬元件。另外，可根據本發明 夺疋王雜裝置（如極面磁鐵）構造為魏非結晶性金屬元 件、。此等裝置可具有單元結構，或者可用集合形成完全裝 置足多個片件形成。或者’裝置可為完全由非結晶性金屬 兀件組成之複數結構，或為非結晶性金屬元件與其它磁性 材料之組合。 磁性共振（MRI)成像裝置時常利用磁性極片（亦稱為極面） 作為磁場發生構件之元件。在技藝上已知，此等常發生構 件用於提供穩定磁場及其上疊加的時變磁場梯度。為產生 南品質、高分辨MRI影像，穩定磁場均勾分佈於欲經分析 全部樣本以及精確界定場梯度極為重要。該均勻性可由使 用適合極片增強。本發明之塊狀非結晶性金屬磁性元件適 用於構造此等極面。 可以預定方法裝配MRI或其它磁體系統所用極片，使自 至少一種磁動力（mmf)源產生之磁通成一定形狀和方向。 該源可包含已知mmf發生構件，包括具常導或超導線圈之 -9 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 552599
發明説明 永久磁鐵和電磁鐵。如本文所述，各極片可包括一種或多 種塊狀非結晶性金屬磁性元件。 極片理想顯示良好Dc磁性能，包括高透性和高飽和通量 名度對MRI系統增加分辨度和更南工作通量密度要求更 進一步需要極片具有良好A c磁性能。更確切言之，必須使 極片中由時變梯度磁場產生的鐵心損耗最小。減小鐵心損 耗有利改良界定磁場梯度，允許場梯度更迅速變化，因而 在不損害影像品質下減少成像時間。 最早磁性極片用固體磁性材料製造，如碳鋼或高純度 鐵，在技藝上常被稱為阿姆柯（Armco)鐵。該極片具有極佳 D C性能’但存在a C場時因其宏觀渦流而具很高鐵心損 耗。一些改良係以形成習知層合鋼極片獲得。 但仍需要進一步改良極片，使其不僅顯示所示所需Dc性 能，而且亦重大改良AC性能，最重要性能為較低鐵心損 耗。如以下說明’高磁通密度、高透磁性及低鐵心損耗之 必要組合由在極片結構中使用本發明之磁性元件給予。 現在詳細參考圖1A至1C，圖1A顯示一種具一般三維長 方形之塊狀非結晶性金屬磁性元件1 〇。該磁性元件1 〇由經 一起層合及退火的複層實質相似形狀鐵磁非結晶性金屬片 材2 0組成。圖1 B所繪磁性元件具有一般三維梯形形狀，且 由複層鐵磁非結晶性金屬片材2 0組成，該片材分別具有實 質相同大小和形狀，且係經一起層合和退火。圖1 C所繪磁 性元件包括兩個反向佈置之弓形表面12。元件1〇由經一起 層合及退火的複層大體相似形狀鐵磁非結晶性金屬片材2 〇 -10- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)
裝 訂
線 552599 五、發明説明（8 構造而成。 可塊狀非結晶性金屬元件為—般三維多面體，且 件10了且右：：正万或梯形稜體。或者如圖1〇所描繪，元 =1個弓形表面12，且可如圖所示包括兩個 相互反向佈置之弓形表面。 根據本發明構造的三維磁性 件1 〇顯不低鐵心損耗。在 以激發頻率” f ”激發到峰值咸岸 a 士，、 很心應置B最大時，該元件於室溫 ”於，’L”之鐵心損耗，其中L由公最大π + 0.000282^.5 (B 最大）2.4 給出，种、、p 出鐵％抽耗、激發頻率及峰 值㈣量分別被測為瓦特/千克、赫兹和特斯拉。在另一具 體貝犯例中，？I磁性元件具有⑴在以約6()赫兹之頻率和約 L4特斯拉（T)之通量密度工作時小於或約等^每千克非結 晶性金屬材料i瓦特之鐵心損耗；（Η)在以約_赫兹頻率 和約1.0特斯拉之通量密度工作時小於或約等於每千克非結 ^生金屬材料12瓦特之鐵心損耗；或⑼）在以約20,000赫 兹（頻率和約〇.3GT之磁通密度王作時小於或約等於每千克 非結晶性金屬材料7〇瓦特之鐵^損耗。本發明之元件鐵心 損耗減小有利改良含該元件之電裝置效能。 低鐵心損耗值使本發明之塊狀磁性元件尤其適用於將該 元件經歷高頻磁激發之應用場合，如以至少約1〇〇赫茲頻率 激發。έ用鋼於向頻之固有高鐵心損耗致使其不適用於需 要高頻激發之裝置。不考慮塊狀非結晶性金屬元件之具體 幾何結構，此等鐵心損耗表現值適用於本發明之各種具體 貫施例。 訂 線 11 - 552599 A7
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破壞。拉伸中，破壞可能發生於1%或更小伸長。然而，在 以使機械約束清除塑性不安定（如，模壓期間在模具和口型 模之間f曲）方式變形時’形成多個剪切帶，並可能發生= 大局部變形。在此等變形方式下，斷裂伸長可能局‘ 100% 〇 此後兩種因素，異常硬度加上重大變形，對使用習知模 壓設備、模具和方法之模壓機衝模和口型模件產生特別磨 耗。破壞之前，磨耗衝模和口型模由變形期間硬非結晶性 金屬摩擦較軟衝模和口型模材料之直接磨損導致。 本發明長:供一種在模壓期間使磨耗衝模和口型模最低之 方法。該方法包括以下步驟，用碳化材料製造衝模和口型 模具’製造模具應使衝模和口型模之間隙小而且均勻，並 以高應變率進行模壓製造。衝模和口型模具所用碳化材料 應具有至少1100千克/毫米2硬度，較佳大於1300千克/毫米 2。硬度等於或大於非結晶性金屬硬度之硬質碳化合金工具 直接對抗模壓製程期間非結晶性金屬磨耗，由之使對衝模 和口型模之磨耗減到最低。衝模和口型模之間隙應小於 0.050毫米（0.002英寸），較佳小於0.025毫米（0.001英寸）。 模壓製程所用應變率應為由每秒至少1模衝擊產生之應變 率，較佳每秒至少5模衝擊。對於〇·〇25毫米（0.001英寸）厚 非結晶性金屬片，該衝擊速度範圍近似相當於至少1〇5/秒 之形變率，較佳至少5 X 1〇5/秒。在模壓斷裂之前，衝模和 口型模之小間隙及模壓製程所用高應變率聯合限制非結晶 性金屬之機械形變量。限制非結晶性金屬在模腔内機械形 -13-本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 五、發明説明（11 變限制非結晶性今 之使餘η 口型模處理間完全磨損，由 使對衝梃和口型模之磨耗最小。 用於本發明元件10之無定性金屬片之磁性能可藉由 U及時間熱處理增強，以在不改變該片之實質完 王破璃性微結構τ提供所需增強。可視情形在至少一部分 ㈣㈣片施加_ ’如至少在熱處理之冷卻部分。 …處理本發明所用非結晶性金屬可利用使金屬經歷所需 二、1佈的任何加熱手段。適合加熱手段包括紅外加熱源、 烘钿一心化床、用保持於高溫的加熱板熱接觸、由電流通 過片實現電阻加熱及感應（RF)加熱。可根據以上列舉所需 處理步驟次序選擇加熱手段。 、另外，可在模壓步驟之前對片材進行熱處理，或者在模 壓步驟後但在堆4步驟之前對離散薄片進行熱處理，或在 堆疊步驟後對疊片組進行熱處理。可在模壓步驟之前以單 獨、脫線分批製程對原材料本體捲進行加熱處玉里，較佳在 烘箱或流化床中進行，或以連續捲轴_捲轴製程使片帶自放 片捲軸通過加熱區域，並繞在收片捲軸上。另一種選擇為 流線内加熱處理，即，使片帶連續自放片捲軸通過加熱區 域，隨後進入衝壓機，進行隨後衝壓及堆疊步驟。 亦可在衝壓後但在堆疊前對離散薄片進行熱處理。在此 具體實施例中，薄片較佳退出衝壓機，並直接沉積在移動 γ上，移動帶將其運輸通過加熱區域，由之使薄片經歷適 宜時間-溫度分佈。 & 在另一實現方法中，加熱處理在離散薄片對正定向堆疊 -14- 本紙痕尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公爱) 裝 訂 線 552599 A7 B7 五、發明説明（14 =裝,^Γ)更迅速冷卻片材32。隨後將片材32通入 自動南速衝壓機38，並處於衝模4〇和底部開口口模 間。衝模驅人模内，產生形成所需形狀之薄片2卜=片2〇 然後落入或被輸入收集倉盒48，衝模4〇縮回。片材32之界 架33保留及包含薄片2〇移離的孔洞34。骨架33收集於收二 捲軸3 1上。各衝壓動作完成後，片材32移位，以預備另一 衝壓循環所用片材。衝壓製程繼續，複數薄片2〇以'足夠精 確對準足位收集於倉盒48内。所需數量薄心經衝壓及沉 入倉盒48後，衝壓機38操作中斷。所需數目可預先選擇， 或由倉盒48内所接收薄片2〇之高度或重量確定。隨後自衝 壓機38取出倉盒48，供進一步處理。可使額外低黏度、熱 活化環氧材料（未顯示）滲入由倉盒48壁定位保持之薄片2〇 間隙。然後將整個倉盒4 8及其間所含的薄片2〇曝露於熱源 足夠時間，以使環氧材料熟化活化。當薄片2 〇之經層合疊 片組10(見圖1A-1C)自倉盒取出，並除去過量環氧材料， 由之修飾疊片組1 〇之表面。 第二具體實施例顯示於圖2 C。首先將鐵磁性非結晶性金 屬片材以足夠預選溫度和預選時間在惰性氣體烘箱（未顯示） 中退火’以在不改變其實質完全玻璃性微結構下改良其磁 性能。然後將經熱處理片材32自捲30送入自動高速衝壓機 38 ’並處於衝模4〇和底部開口 口型模41之間。衝模驅入口 型模’產生形成所需形狀之薄片2〇。薄片20隨後落下或被 送出口型模41，進入收集裝置49，而衝模40縮回。收集裝 置49可為如圖2C所示之輸送帶，或為收集薄片20所用之容 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇χ297公釐） 552599 五、發明説明（15 3器二:二材二之骨架33保留及包含薄片2_咖 二：=收片捲軸31上。各衝壓動作完成後，片 模…」 一衝壓循環所用片材。衝壓製程繼續到 換壓和谷咨收集預選數目薄片，隨後停 著劑手工塗覆各薄片2。-側，並將薄片定位、: 薄片20之層人最片,幻ϋ 自校正央具移出 組1〇表面。片組1〇,除去過量接著劑，由之修飾疊片 之=二另：具！實施例。鐵磁性非結晶性金屬片材32 門口二動高速衝壓機38，處於衝模4〇和底部 開口口 «41之間。衝模4〇驅入口型模41，產生形成所需
So:存片2〇。薄片20隨後落入或被輸入收集倉盒48，衝 吴4 =。片材32之骨架33保留及包含薄片移離之孔洞 月木33收集於收片捲轴31上。各衝壓動作完成後，片 材32移位，準備另一衝壓循環所用片材。可將片材32以單 層或複層（未顯示）（自複層松片裝置或由先前㈣複層）送 :衝壓機38。使用複層片材32有利減少產生定數薄片20所 ^模衝㈣1壓製程繼續’複數薄片以足夠精確對準 疋位收集於倉盒48内。在所需數目薄片20經衝壓及沉入倉 盒48後，衝壓機38操作中斷。可預選擇所需數目，或 收於倉盒48内薄片20之高度或重量確定' 衝壓機38移出，供進—步處理。在一種實現方法中 48和所含薄片20被放入惰性氣體烘箱中（未顯示），將其加 熱到預選溫度’並在該溫度以足夠預選時間保持進行熱處 -18- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Λ4規格(21〇 x 297公釐） 552599 A7
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552599 五、發明説明（π 之畸峰性質上相似。 、通用於實施本發明之合金在元件應用溫度為鐵磁性。鐵 磁性材料為一種在低於材料特徵溫度（通常稱為居里（Curie) 溫度示其強、長範_合及空間對準組成原子磁矩之材 料。罜溫工作裝置所用材料之居里溫度較佳為至少約2〇〇 C，^佳至少約375。〇。如併入裝置之材料具有適宜居里溫 度3裝置可在其它溫度工作，包括低到深冷溫度或高 溫。 如技藝上所瞭解，鐵磁性材料可進一步具有其飽和感 應，或相當於其飽和磁通量密度或磁化作用之特徵。適用 本發明之合金較佳具有至少約12特斯拉（τ)之飽和感應， 更佳至少約1 ·5特斯拉之飽和感應。該合金亦具有高電阻 率，較佳至少約1〇微歐姆-厘米（# Q-cm)，最佳至少約 130微歐姆-厘米。 ,適用作為實施本發明原料的非結晶性金屬合金市面上有 售、，Ί般為寬度多達2〇厘米或更多而厚度約為20_25微米 的連、貝薄片或條。此等合金形成有實質完全玻璃性微結構 (例如，至少約80體積％材料具有非晶結構）。該合金較佳 基本上10(3%材料具有非晶結構。非晶結構之體積分數可由 技藝上已知方法測^，如乂射線、中子或電子衍射、透射電 子顯微法或差示（微分）掃描量熱法。對於其中，，M，，為鐵、 ”Y”為硼且”Z”為矽之合金，可在低損耗取得較高感應值。 j此，非結晶性金屬片較佳由鐵·硼·碎合金組成。更明確 言之’該合金較佳包含至少7〇原子％Fe、至少5原子〇/』及 20- 本纸張尺度適财@ g家標準(CNS) A4規格(⑽X挪公爱） 552599
V 5原子/〇 S i，但其限制條件為，b和g丨之總含量為至少 1 5原子％。非結晶性金屬片最佳具有一種組合物，該組合 物基本上由約11原子％硼和9原子％矽和剩餘鐵及偶然性雜 貝組成。泫片材具有約U6特斯拉之飽和感應和約137微歐 姆-厘米《電阻率，由哈尼威爾國際公司（Honeywell InternatiGnal Inc·)在商品名 METGLAS(商標）合金 2605 SA-1下售出。热睛此蟄者應瞭解，連續、自動使原材料通過衝 壓機之本發明具體實施例可方便利用（例如）作為薄條或片 捲軸提供的非結晶性金屬。或者用其它形式原料和其它進 料方案實施本發明，包括較短長度或其它不具均勻寬度形 怨片材手工進料。 包含1或多個極面磁體電磁體之電磁體系統普遍用於在電 磁體間隙產生時變磁場。時變磁場可為純A C場，即場的時 間平均值為0。時變場可視情況具有非零時間平均值，通常 稱為D C元件場。電磁系統中，至少有一個極面磁體經受時 變磁場。結果是，該極面磁體磁化，且以各激發周期退 磁。極面磁體内的時變磁通密度或感應導致自鐵心損耗產 生熱量。如果磁面由複數塊狀磁性元件組成，則總損耗為 雙重結果，各元件内產生的鐵心損耗（如果單獨經受相同磁 通波形）和提供元件間電連接通路内渦流環流伴生之損耗。 塊狀非結晶性磁性元件比用其它以鐵為主金屬製造之元 件更有效磁化和退磁。在用作極磁體時，該塊狀非結晶性 金屬元件比用另一種以鐵為主磁性金屬製造之可比較元件 產生較少熱量（以相同感應及激發頻率磁化兩種元件時）。 -21 -
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另外，較佳用於本發明的以鐵為主非結晶性金屬比其它低 耗軟磁材料（如坡莫合金，其飽和感應一般為〇·6_〇·9特斯拉） 具有更相當大飽和感應。因此，可指定該塊狀非結晶性金 屬7L件以1 )較低工作溫度；2 )取得減小尺寸和重量之較高 感應；或3)取得減小尺寸和重量或取得優良信號分辨率之
較高激發頻率（與用其它以鐵為主磁性金屬製造之磁性元件 比較）工作。 先刖技蟄涊識到，為使包含伸長鐵磁棒的極片内渦流減 少，可插入非導電材料使棒相互電絕緣。本發明更進一步 減小總抽耗，因為用本文教示材料和構造方法減少各單獨 裝 疋件内發生《損耗（與用其它材料和構造方法製造之先前技 藝元件比較顯示）。 丁 線 噙技""上所知，鐵心損耗為磁化作用隨時間改變時鐵 材料内發生的能量耗散。給定磁性元件之鐵心、損耗通常 周期f生激發7C件敎。對元件施加時變磁場，以使其中 生對應時間變化的磁性感應或磁通量密度。為標準化測 見 般選擇激發，使磁感應以頻率” f”與時間呈正弦 上媒峰^振幅為I “ ”。然後由已知電測量儀器和技術 V ^彳貝耗。習慣上將損耗報告為每單位質量或體積受 :磁t材料瓦特數。在技藝上已知，損㈣_ “單調 祆"、彳極面磁體兀件所用軟磁材料鐵心損耗之最標準 菩 H ASTM 標準 Α912·93 和 A927(A927M-94))要求 :樣品位於實質閉合磁路，意即，其構型中閉合磁 '王匕〇在樣品體内。另一方面，用於元件（如極面磁
20 ) 五、發明説明（ :位於磁性開路中，即，其構型中磁通線必須橫 因為邊緣場效應和場的不均勾性，開路中所 質材料比閉路測量顯示較高鐵d耗，即每單位 ^^㈣瓦特數值。本發明之塊狀磁性元件即使以 耗。有^在寬廣範圍磁通密度和頻率顯示低鐵心損 雖然不願受任何理論限制，但可以相信，本發明之低耗 耗生金屬元件之總鐵心損耗由滯後損耗和渦流損 率二：:。。此兩種作用分別為學值磁編^ :《：°各作用數量進-步依賴外來因素，包括元件構 化万法及7C件所用材料之熱力學經歷。非結晶性金屬中鐵 Γ損耗之先前技藝分析[如，G.E·費什㈣UAPPl.PhyS. 』，3569 (1985)及 G.E•費什等人，J· Appl· Phys·狂，5370 (1988)]-般限於用閉合磁路中材料獲得之數據。在此等分 析中發現的低滞後和渴流損耗部分由非結晶性金屬之高 阻率駕馭。 本發明塊狀磁性元件每單位質量之總鐵心損耗l(b最大，〇 可基本上由具以下形式之函數界定： L(B* 大，f) = Clf(B 最大最大)m 其中係數C 1和C 2及指數n，m和q均須經驗測定，沒有已 知理挪精確確疋其值。使用此公式允許以任何所需工作感 應和激發頻率測足本發明塊狀磁性元件之鐵心損耗。通常 發現，對於特殊幾何結構塊狀磁性元件，磁場在空間上不 均勻。技蟄上已知用技術（如有限元件模擬法）估計緊密接 -23- ^纸張尺度適用中國國家標準(CNS) 格(210X297公釐） 552599 五、發明説明（a 塊2件所測磁通密度的锋值磁通密度之空間和暫 =::;::::磁通密度下給出已定材料鐵心損: ha以作為輸人，此等技術允許以合 測其工作構型中已定元件之對應實際鐵心損耗。 -預 測量本發明磁性元件之鐵心損耗可用技藝上已知各 法進行。適合測量本發明元件的—種方法包括用於本發明 磁性兀件和磁通閉合結構裝置形成磁路。在另一種方 中，該磁路可包括複數本發明元件及選用的磁通閉合站構 裳置…般而言，該磁通閉合結構裝置包括具高透磁性且 至少等於欲測元件所處磁通密度之飽和磁通密度之軟磁材 科。孩軟磁材料較佳具有至少等於該元件飽和磁通密度之 2和磁通密度。欲測元件所沿的磁通方向一般界定元件之 第一和第二反向面。磁通線一般以垂直於第一反向面平面 方向進入元件。磁通線-般沿循元件之非結晶性金屬片平 面，且自第二反向面出現。磁通閉合結構裝置一般包含磁 通閉合磁性元件。此種元件可根據本發明構造，亦可用技 線 蟄上已知方法和材料製造。磁通閉合磁性元件亦具有第一 和第二反向面，磁通線通過各面進入和出現，一般垂直於 各平面。磁通閉合元件之反向面實質上與實際檢測期間磁 通閉合元件所配合磁性元件之對應面具有相同大小和形 狀。磁通閉合磁性元件係以配合關係安置，其第一和第二 面分別緊密接近和貫質平行於本發明磁性元件之第一面和 第一面。磁動力係藉由使電流通過第一繞組環繞本發明磁 性元件或磁通閉合磁性元件施加。產生的磁通密度係以法 -24- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 552599
拉第(Faraday，s)定律自環繞待測磁性元件之第二繞組中咸 應之電壓測定。所施加磁場係㈡培（Amp㈣s)㈣自磁 動力作用駭。然後由習知方法自所加磁場和所產生磁通 密度計算鐵心損耗。 圖3顯示一種無需磁通閉合結構裝置進行上述一種檢測方 法所用之組M60。組合件6G包括四塊本發明之模壓非結 晶性金屬磁性元件10。各元件1Q為具圖_输形狀弓形表 面12之正圓、環、圓筒形區段。各元件具第_反向面6“ 和第二反向面66b。元件10呈配合關係放置，以形成一般 具有正圓形圓筒形狀之組合件6〇。各元件1〇之第一反向面 66a和與之相鄰元件10之對應第—反向面66a接近定位而且 平行對齊。因而’元件_四組相鄰面界定四條關於組合 件60圓周成相等間距之間隙64。元件1〇之配合關係由绑帶 62保證。組合件60以四個可透性區段（各包含一個元件1〇) 和四條間隙64形成磁路。兩個銅線繞組（未顯示）環形穿過 組合件60。適合幅值交流通過第一繞組，以所需頻率和峰 值磁通密度激發該組合件，從而提供磁動力。磁通線一般 在片材20之平面内，且呈圓周指向。第二繞組中感應電壓 表示各元件1 0内的時變磁通密度。總鐵心損耗由習知電子 裝置自所測電壓和電流值測定，且在四個元件丨〇之間等量 分配。 以下實例更完全描述本發明。闡述說明本發明原理和實 施的明確技術、條件、材料、比例和所報告數據僅為示 範，不應用於限制本發明之範圍。 -25-
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竟例l.蹲測試^金屬弓形元l 模壓約6 0毫米寬、0·022毫米厚Fe8QBi iSi9鐵磁性非結晶 性金屬條，形成單獨薄片，各薄片具有1〇〇毫米外徑和7 5 毫米内徑之90。環段形狀。堆疊及對齊定位約5〇〇塊單個 薄片，以形成正圓形圓筒之9 〇。弓形段，該弓形段具有 12.5毫米咼度、1〇〇耄米外徑及75毫米内徑，如圖i c所 示。將該圓筒區段組合件放入夾具，在氮大氣中退火。該 退火組成由· 1 )將組合件加熱到365 〇c ; 2)在約365它保持 約2小時；及3)將該組合件冷卻到環境溫度。自夾具移出該 圓筒段組合件，放入第二夾具内，用環氧樹脂溶液真空浸 /貝，在120 C熟化約4·5小時。完全熟化時，自第二夾具移 出圓筒段組合件。所得經環氧材料接著、非結晶性金屬圓 筒段組合件重約70克。重復該製程，以形成總共四塊此種 組合件。將四塊組合件以配合關係放置，綁帶，以形成具4 條等距間隙之一般圓筒形測試組合件，如圖3所繪。將一級 和一級電繞阻繞緊到圓筒形測試組合件，用於電測試。 測試組合件顯示，在以約6 〇赫茲頻率和約1 ·4特斯拉磁通 密度工作時，非結晶性金屬材料之鐵心損耗值小於1瓦特/ 千克’在以約1000赫茲頻率和約κ〇特斯拉磁通密度工作時 鐵心損耗小於1 2瓦特/千克，在以約20,000赫茲頻率和約 〇·30特斯拉磁通密度工作時鐵心損耗小於7〇瓦特/千克。本 發明元件之低鐵心損耗使其適用於構造磁性極面。 電磁檢測模壓非钴晶性金屬弓形元件 如實例1製備包含四塊模壓非結晶性金屬弓形元件之圓筒 -26- 本紙張尺度適財準(CNS) Α4祕(2ι〇χ297公釐)
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線 552599 A7 B7 五、發明説明（24 ) 形測試組合件。繞緊一級和二級電繞組。以6 0、1000、 5000和20,000赫茲及不同磁通密度進行電測試。鐵心損耗 值編列於以下表1、2、3和4。如圖3和4所示，鐵心損耗在 5 000赫茲或更高激發頻率特別低。因此，本發明之磁性元 件尤其適合MRI系統所用之極面磁體。 -27- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 552599 A7 B7 五 發明説明（25 ) 盘A .鐵Ί損耗@ 6 0赫玆Π衅/千寺） _材料 磁通密度 非結晶性 Fe8〇BnSi9 (22微米） 結晶性 Fe-3%Si (25微米） 結晶性 Fe-3%Si (50微米） 結晶性 Fe-3%Si (175微米） 結晶性 Fe-3%Si (275微米） 國家阿諾德磁元 件公司(National-Amold Magnetics) Silectron 國家阿諾 德磁元件 公司 Silectron 國家阿諾 德磁元件 公司 Silectron 國家阿諾 德磁元件 公司 Silectron 0.3T 0.10 0.2 0.1 0.1 0.06 0.7T 0.33 0.9 0.5 0.4 0.3 0.8T 1.2 0.7 0.6 0.4 1.0T 1.9 1.0 0.8 0.6 1.1T 0.59 1.2T 2.6 1.5 1.1 0.8 1.3T 0.75 1.4T 0.85 33 1.9 1.5 1.1 -28- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 552599 A7
表2 ·鐵心損耗@ 1 〇〇〇赫茲f瓦特/千支） --- 材料 ^ 磁通密度 非結晶性 Fe8〇BuSi9 (22微米） 結晶性 Fe-3%Si (25微米） 結晶性 Fe-3%Si (50微米） 結晶性 Fe-3%Si (175微米） Pe、30/〇Si (275 為· 4、 國家阿諾德 國家阿諾德 國家阿諾德 國 磁元件公司 磁元件公司 磁元件公司 磁元件公司 Silectron Silectron Silectron Silectron 0.3T 1.92 2.4 2.0 3.4 5.0 0.5T 4.27 6.6 5.5 8.8 12 0.7T 6.94 13 9.0 18 24 0.9 丁 9.92 20 17 28 41 1.0T 11.51 24 20 31 46 1.1T 13.46 1·2Τ 15.77 33 28 1·3 丁 17.53 1.4Τ 19.67 44 35
裝 訂 線 -29-本纸張尺度適用中S國家標準(CNS) Μ規格(謂Μ9?公爱) 552599 A7 B7 五、 發明説明（27 ) 表3.鐵心損耗涵5,000赫茲（瓦特/千克） 材料 磁通密度 非結晶性 Fe8〇BllSl9 (22微米） 結晶性 Fe-3%Si (25微米） 結晶性 Fe-3%Si (50微米） 結晶性 Fe-3%Si (175微米） 國家阿諾德磁 元件公司 Silectron 國家阿諾德磁 元件公司 Silectron 國家阿諾德磁 元件公司 Silectron 0.04Τ 0.25 0.33 0.33 1.3 0.06Τ 0.52 0.83 0.80 2.5 0.08Τ 0.88 1.4 1.7 4.4 0.10Τ 1.35 2.2 2.1 6.6 0.20Τ 5 8.8 8.6 24 0.30Τ 10 18.7 18.7 48 表4.鐵心損耗f®20,000赫茲ί瓦特/千克） 材料 磁通密度 非結晶性 Fe8〇BllSl9 (22微米） 結晶性 Fe-3%Si (25微米） 結晶性 Fe-3%Si (50微米） 結晶性 Fe-3%Si (175微米） 國冢阿諾德磁 元件公司 Silectron 國冢阿諾德磁 元件公司 Silectron 國冢阿諾德磁 元件公司 Silectron 0.04Τ 1.8 2.4 2.8 16 0.06Τ 3.7 5.5 7.0 33 0.08Τ 6.1 9.9 12 53 0.10Τ 9.2 15 20 88 0.20Τ 35 57 82 0.30Τ 70 130 -30- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 x297公釐)
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二習知非線性回歸法分析以上實例2之鐵心損耗數據。經 確定，由Fe^BuSi9非結晶性金屬條組成之低損耗塊狀非結 晶性金屬元件之鐵心損耗基本上可由具以下形式之函數確 定： L(B 最大，= 最大)n + c2fq(B 最大)m 應選擇係數C !和C 2及指數η，m和q適用值，以界定該塊 狀非結晶性金屬元件磁性損耗之上限。表5列舉實例2中元 件之彳貝耗以及由上式預測之損耗’且分別被測為瓦特/千 克。預測損耗為f(赫茲）和B最大（特斯拉）之函數，且用係數
Ci= 0.0074 和 〇2 = 0·000282 及指數 η=1·3、m = 2.4 和 q=i 5 計 算。實例2之塊狀非結晶性金屬元件之損耗小於由公式預測 之對應損耗。
裝 訂 表5 點 B最大 頻率 實例1之鐵心損耗 經預測鐵心損耗 (特斯拉） (赫茲） (瓦特/千克） —千克） 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 -31 -
線 適用中國國A4規格(210 X 297公爱：)一 552599 A7 B7 五、發明説明（29 ) 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
-裝 訂
k 現已對本發明作相當充分描述，當然，不應嚴格堅持此 等細節，熟諳此藝者可聯想各種變化和修飾，但均應落在 由附加申請專利範圍界定之本發明範圍内。 -32- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)

Claims (1)

  1. 552599~一 ABCD
    專利申請案 ： 七稽先圍替換本(92年4月) 六、申請專利ιίϊ 1· 一種低損耗塊狀非結晶性金屬磁性元件，其包括自鐵磁 性非結晶性金屬片材模壓、堆疊及一起接著形成多面體 形狀部件之複數實質上成相似形狀之薄片，其中該元件 在以激勵頻率”f”操作到峰值感應量時具有小於”L，， 之鐵心損耗’其中L係由公式l= 0.0074f(B最大）1.3 + 0.000282f15(B最*)2·4得到，該鐵心損耗、該激勵頻率 和辛值感應量分別被以瓦特/千克、赫茲和特斯拉為單 位。 2.根據申請專利範圍第丨項之塊狀非結晶性金屬磁性元 件，該鐵磁性非結晶性金屬片材分別具有基本由下式界 定之組合物，，下標為原子百分數，其 中’’M”為Fe、Ni和Co之至少一種，” γ，，為B、c和p之至 少一種，”Z”為Si、A1和Ge之至少一種；但其限制條件 為（i)最多10原子％組分”ΜΠ可用Ti、v、C]r、Μη、 Cu、Zr、Nb、mo、Ta、Hf、Ag、Au、pd、pww 之至少一種金屬種類取代，（ii)最多1〇原子％組分（Y + z) 可由In、Sn、Sb和Pb之至少一種非金屬種類取代，及 (iii)組分（M + Y + Z)之最多約1原子％可為偶然雜質。 3·根據申請專利範圍第2項之塊狀非結晶性金屬磁性元 件，其中該鐵磁性非結晶性金屬片材分別具有包含至少 70原子％Fe、至少5原子％B及至少5原子％s^組合 物，但其限制條件為，B和Si之總含量為至少15原子 %。 4.根據申請專利範圍第3項之塊狀非結晶性金屬磁性元 -34 - 552599 申請專利範圍 A8 B8 C8 D8
    :，其中該鐵磁性非結晶性金屬片材分別具有基本上由 式FesoBuSig界定之組合物。 5· ^據中請專利範圍第丨項之塊㈣結晶性金屬磁性元 ^其中μ件具有具至少-個長方形橫截面之三維多面 岐％狀。 6. ^據巾請專利範圍第丨項之塊狀非結晶性金屬磁性元 ，其中該it件具有具至少—個梯形橫截面之三維多面 體形狀。 7· ^據中請專利範81第1項之塊狀非結晶性金屬磁性元 ’其中該元件具有具至少一個正方形橫截面之三維多 面體形狀。 I根據中請專利範㈣1項之塊狀非結晶性金屬磁性元 件，其中該元件包含至少一個弓形表面。 種構造塊狀非結晶性金屬磁性元件之方法，其包括以 下步驟： a)模壓鐵磁性非結晶性金屬片材，以形成複數具預 形狀之薄片； 、” b )將孩薄片堆疊和對齊定位，以形成具三維形狀之聂 片組； 1 c) 將該疊片組退火；及 d) 用環氧樹脂浸潰該疊片組，並使該經樹脂浸潰之聂 片組熟化成元件。 、® 1〇·根據申請專利範圍第9項之方法，其進一步包括修飾謗 元件，以芫成除去過量接著劑、給予該元件適合表面修
    裝
    -35-
    552599 8 A BCD ------- 六、申請專利範圍 飾和給予該元件最終元件尺寸之至少一種。 11· 一種提供用於模壓塊狀非結晶性金屬片材之衝模和口型 模具之方法，其包括： 自碳化材料製造衝模和口型模具； 調節衝模和口型模具，使衝模和口型模具之間隙小且 均勻，及 以高應變率操作該模壓製程。 其中該碳化材料具有 ’其中該間隙係小於 其中該應變率為至少 12·根據申請專利範圍第1 1項之方法， 至少1100千克/毫米2之硬度。 13·根據申請專利範圍第n項之方法 0.050 毫米（0.002 英吋）。 Η根據申請專利範圍第1 1項之方法， 105/秒。 15. 根據申請專利範圍第丨丨項之方法，其中該應變率為至少 5 X 1 0 5 / 秒。 16. —種低損耗塊狀非結晶性金屬磁性元件，其包括自鐵磁 性非結晶性金屬片材模壓、堆疊及一起接著結合成多面 體形狀部件之複數實質上成相似形狀之薄片，該非結晶 性金屬片材具有至少約丨.2特斯拉之飽和感應，該元件在 以激發頻率” f”操作到峰值感應量B最大時具有小於”L，，之 鐵〜才貝耗，其中L係由公式L = 〇.〇〇74f(B最大）1^ + 0.000282f (B最大）2·4得到，該鐵心損耗、該激發頻率 和峰值感應量分別被測為瓦特/千克、赫茲和特斯拉。 17. -種低損耗塊狀非結晶性金屬磁性元件，其包括磁 -36- 552599 A8 B8 C8
    性非結晶性金屬片材模壓、堆疊及_起接著結合形成多 面體形狀部件之複數實質上成相似形狀之薄片，並中， 非結晶性金屬片材分別具有基本由下式界定之組合物： M7〇_85 Y5_20Z0_20 ’下標為原子百分數，其中，，為^、 別和^之至少一種，”Y”為B、〇和？之至少一種，”z，, 為Si、A1和Ge之至少一種；但其限制條件為，最多 1〇原子％ 組分”M” 可用 Ti、V、Cr、Mn、Cu、、 Nb、Mo、_Ta、Hf、Ag、Au、pd、p^w之至少一種 金屬種類取代’（ii)最多1〇原子〇/〇組分（γ + ζ)可由h、 Sn、Sb和Pb之至少一種非金屬種類取代及（iii)組分 (M + Y + Z)之最多約1原子％可為偶然性雜質，且其中該 元件在以激發頻率”f”操作到峰值感應量B*大時具有小於 ’’L丨丨之鐵心損耗，其中l係由式L = 〇.〇〇74f(B最大）13 + 0·000282ί^5(Β最大）2·4得到，該鐵心損耗、該激發頻率 和峰值感應量分別被測為瓦特/千克、赫茲和特斯拉。 18· —種低損耗塊狀非結晶性金屬磁性元件，其包括自鐵磁 性非結晶性金屬片材模壓、經堆疊及一起接著形成多面 體形部件之複數實質成相似形狀之薄片，其中該鐵磁性 非結晶性金屬片材分別具有含至少7 0原子％ F e、至少5 原子％B及至少5原子％ S i之組合物，但其限制條件為， B和S i之總含量為至少1 5原子％，且其中該元件在以激 發頻率” f”操作到峰值感應量B最大時具有小於” L ”之鐵心 損耗，其中L係由公式L = 0.0074f(B最大）ι·3 + 0.000282^5(3最大）2.4得到，該鐵心損耗、該激發頻率 -37- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐)
    裝 η
    552599 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 和峰值感應量分別被測為瓦特/千克、赫茲和特斯拉。 -38- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
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