DE60036408T2

DE60036408T2 - Räumlich ausgedehnte bauteile aus magnetisch leitenden amorphen metallen für elektromotoren

Info

Publication number: DE60036408T2
Application number: DE60036408T
Authority: DE
Inventors: Nicholas J. Chatham DECRISTOFARO; Peter Joseph Morristown STAMATIS; Gordon E. Upper Montclair FISH
Original assignee: Metglas Inc
Current assignee: Metglas Inc
Priority date: 1999-12-23
Filing date: 2000-12-08
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2020-12-09
Also published as: DE60036408D1; WO2001048889A1; KR100809728B1; TW554603B; CN1435003A; CN1237682C; AU2071101A; KR20020063604A; EP1240700B1; JP2011160655A; JP2003518903A; US6675459B1; JP2008104340A; US6462456B1; EP1240700A1; HK1058862A1; ATE373330T1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft magnetische Komponenten aus amorphem Metall, insbesondere einen hocheffizienten Elektromotor mit einer allgemein polyedrisch geformten magnetischen Massenkomponente aus amorphem Metall.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Ein Elektromotor enthält typischerweise magnetische Komponenten aus einer Mehrzahl von gestapelten Lamellen von nicht orientiertem Elektrostahl. In Motoren mit veränderter Reluktanz und Wirbelstrommotoren sind die Statoren aus Lamellenstapeln. Sowohl der Stator als auch der Rotor sind aus Lamellenstapeln in Kurzschlussmotoren, Synchron-Reluktanz-Motoren und geschalteten Reluktanz-Motoren. Jede Lamelle wird typischerweise durch Pressen, Stanzen oder Schneiden des mechanisch weichen, nicht orientierten Elektrostahls in die gewünschte Form gebildet. Die geformten Lamellen werden dann gestapelt und gebunden, um den Rotor oder Stator zu bilden.
Obwohl amorphe Metalle ein überlegenes magnetisches Verhalten im Vergleich zu nicht orientierten Elektrostählen bieten, hat man sie lange aufgrund von bestimmten physikalischen Eigenschaften und den entsprechenden Herstellungsbeschränkungen als ungeeignet für den Gebrauch in magnetischen Massenkomponten wie Rotoren und Statoren für Elektromotoren angesehen. Zum Beispiel sind amorphe Metalle dünner und härter als nicht orientierter Stahl und folglich bewirken sie einen rascheren Verschleiß von Herstellungswerkzeugen und Schneidwerkzeugen. Die sich ergebende Erhöhung der Werkzeug- und Herstellungskosten macht die Herstellung magnetischer Massenkomponenten aus amorphem Metall unter Verwendung solcher Techniken wirtschaftlich unpraktisch. Die Dünnheit von amorphen Metallen ergibt auch eine erhöhte Anzahl von Lamellen in den zusammengestellten Komponenten, was die Gesamtkosten einer Rotor- oder Stator-Magnetanordnung aus amorphem Metall weiter erhöht.
Amorphes Metall wird typischerweise als dünnes kontinuierliches Band mit einer gleichmäßigen Bandbreite geliefert. Amorphes Metall ist aber ein sehr hartes Material, was es sehr schwer macht, es leicht zu schneiden oder zu formen, und es wird nach der Wärmebehandlung zur Erzielung von magnetischen Spitzeneigenschaften sehr brüchig. Dies erschwert und verteuert den Gebrauch von herkömmlichen Ansätzen zum Aufbau einer magnetischen Massenkomponente aus amorphem Metall. Die Brüchigkeit von amorphem Metall kann auch zu Bedenken bezüglich der Haltbarkeit der magnetischen Massenkomponente in einer Anwendung wie einem Elektromotor führen.
Ein anderes Problem mit magnetischen Massenkomponenten aus amorphem Metall besteht darin, dass die magnetische Permeabilität von Material aus amorphem Metall sich verringert, wenn es physikalischer Beanspruchung ausgesetzt wird. Diese verringerte Permeabilität kann in Abhängigkeit von der Stärke der Spannungen am Material aus amorphem Metall beträchtlich sein. Wenn eine magnetische Massenkomponente aus amorphem Metall Spannungen ausgesetzt wird, wird der Wirkungsgrad, mit dem der Kern den magnetischen Fluss richtet oder fokussiert, verringert, was zu höheren magnetischen Verlusten, erhöhter Wärmeerzeugung und verringerter Leistung führt. Diese Spannungsempfindlichkeit aufgrund der magnetostriktiven Beschaffenheit des amorphen Metalls kann durch Spannungen verursacht werden, die sich aus magnetischen und mechanischen Kräften während des Betriebs des Elektromotors ergeben, mechanischen Spannungen, die sich aus dem mechanischen Anklammern oder in anderer Weise Fixieren der magnetischen Massenkomponenten aus amorphem Metall vor Ort oder aus Eigenspannungen, die durch die Wärmeausdehnung und/oder Ausdehnung aufgrund der magnetischen Sättigung des amorphen Metallmaterials verursacht werden, ergeben.
Für bestimmte Hochgeschwindigkeitsmotoren sind Kernverluste von typischen Elektrostählen untragbar. In solchen Fällen kann ein Konstrukteur gezwungen sein, eine Permalloylegierung als Alternative zu verwenden. Die zugehörige Verringerung der Sättigungsinduktion (z. B. 0,6 bis 0,9 T oder weniger für verschiedene Permalloylegierungen gegenüber 1,8 bis 2,0 T für herkömmliche Elektrostahle) erfordert aber eine Vergrößerung der magnetischen Komponenten umfassend Permalloy oder Varianten davon. Außerdem werden die wünschenswerten weichmagnetischen Eigenschaften der Permalloy-Sorten durch plastische Deformation, die bei relativ geringen Spannungsniveaus auftreten kann, nachteilig und irreversibel beeinflusst.
Solche Spannungen können während der Herstellung oder des Betriebs der Permalloy-Komponente auftreten.
Ein Verfahren gemäß dem Stand der Technik ist in WO-A-9600449 offenbart.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Elektromotors wie in Anspruch 1 definiert bereitgestellt. Die vorliegende Erfindung verwendet eine verlustarme magnetische Massenkomponente aus amorphem Metall mit der Form eines Polyeders und umfasst eine Mehrzahl von Schichten aus amorphen Metallstreifen zur Verwendung in hocheffizienten Elektromotoren. Auch ist hier ein Verfahren zur Herstellung einer magnetischen Massenkomponente aus amorphem Metall beschrieben. Die magnetische Komponente ist bei Frequenzen im Bereich von etwa 50 Hz bis 20.000 Hz funktionsfähig und zeigt verbesserte Gebrauchseigenschaften im Vergleich zu magnetischen Silicium-Stahl-Komponenten, die über den gleichen Frequenzbereich betrieben werden. Genauer weist eine magnetische Komponente, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist und mit einer Erregerfrequenz "f" auf ein Spitzeninduktionsniveau "B_max" angeregt wird, einen Kernverlust bei Raumtemperatur von weniger als "L" auf, wobei L durch die Formel L = 0,0074 f(B_max)^1,3 + 0,000282 f^1,5(B_max)^2,4 gegeben ist, der Kernverlust, die Erregerfrequenz und das Spitzeninduktionsniveau in Watt pro kg, Hertz bzw. Tesla gemessen werden. Vorzugsweise weist die magnetische Komponente (i) einen Kernverlust von weniger als oder etwa gleich 1 Watt pro kg amorphes Metallmaterial auf, wenn es bei einer Frequenz von etwa 60 Hz und einer Flussdichte von etwa 1,4 Tesla (T) betrieben wird; (ii) einen Kernverlust von weniger als oder etwa gleich 20 Watt pro kg amorphes Metallmaterial, wenn es bei einer Frequenz von etwa 1.000 Hz und einer Flussdichte von etwa 1,4 T betrieben wird, oder (iii) einen Kernverlust von weniger als oder etwa gleich 70 Watt pro kg amorphes Metallmaterial, wenn es bei einer Frequenz von etwa 20.000 Hz und einer Flussdichte von etwa 0,30 T betrieben wird, auf. Der verringerte Kernverlust der magnetischen Komponente der Erfindung verbessert in vorteilhafter Weise den Wirkungsgrad eines Elektromotors, der diese umfasst.
In der vorliegenden Erfindung wird eine magnetische Massenkomponente aus amorphem Material verwendet, die eine Mehrzahl von ähnlich geformten Schichten aus Streifen aus amorphem Metall umfasst, die miteinander laminiert sind, um ein polyedrisch geformtes Teil zu bilden.
In einem anderen Verfahren (wie hier beansprucht) wird Bandmaterial aus amorphem Metall geschnitten, um eine Mehrzahl von geschnittenen Streifen mit einer vorbestimmten Länge zu ergeben. Die geschnittenen Streifen werden gestapelt, um einen Stab aus gestapeltem Bandmaterial aus amorphem Metall zu bilden, und wärmebehandelt, um die magnetischen Eigenschaften des Materials zu verbessern und gegebenenfalls die anfänglich glasartige Struktur in eine nanokristalline Struktur umzuformen. Der wärmebehandelte, gestapelte Stab wird mit einem Epoxyharz imprägniert und gehärtet. Der gestapelte Stab wird dann auf vorbestimmte Längen geschnitten, um eine Mehrzahl von polyedrisch geformten magnetischen Komponenten mit einer vorbestimmten dreidimensionalen Geometrie zu erhalten. Das bevorzugte Material aus amorphem Metall weist eine Zusammensetzung auf, die im wesentlichen durch die Formel Fe₈₀B₁₁Si₉ definiert ist.
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird ein Bandmaterial aus amorphem Metall um einen Dorn gewickelt, um einen allgemein rechteckigen Kern mit allgemein gerundeten Ecken zu bilden. Der allgemein rechteckige Kern wird dann wärmebehandelt, um die magnetischen Eigenschaften des Materials zu verbessern und gegebenenfalls die anfänglich glasartige Struktur in eine nanokristalline Struktur zu überführen. Der Kern wird dann mit einem Epoxyharz imprägniert und gehärtet. Die kurzen Seiten des rechteckigen Kerns werden dann geschnitten, um zwei magnetische Komponenten mit einer vorbestimmten dreidimensionalen Geometrie, d.h. der ungefähren Größe und Gestalt der genannten kurzen Seiten des allgemein rechteckigen Kerns, zu bilden. Die gerundeten Ecken werden von den langen Seiten des allgemein rechteckigen Kerns entfernt und die langen Seiten des allgemein rechteckigen Kerns werden geschnitten, um eine Mehrzahl von polyedrisch geformten magnetischen Komponenten mit der vorgesehenen dreidimensionalen Geometrie zu bilden. Das bevorzugte Material aus amorphem Metall weist eine Zusammensetzung auf, die im wesentlichen durch die Formel Fe₈₀B₁₁Si₉ definiert ist.
Die Konstruktion von magnetischen Massenkomponenten aus amorphem Metall gemäß der vorliegenden Erfindung ist besonders geeignet für Statoren oder Statorkomponenten aus amorphem Metall in hocheffizienten Motoren mit veränderlicher Reduktanz und Wirbelstrommotoren.
In ähnlicher Weise können Massenkomponenten aus amorphem Metall sowohl als Rotor als auch als Stator in Kurzschlussmotoren, Synchron-Reluktanz-Motoren und geschalteten Reluktanz-Motoren verwendet werden. Den Fachleuten auf dem Gebiet ist verständlich, dass diese Motoren einen oder mehrere Rotoren und einen oder mehrere Statoren umfassen können. Dementsprechend bedeuten die Ausdrücke "ein Rotor" und "ein Stator" wie hier verwendet unter Bezugnahme auf Motoren eine Reihe von Rotoren und Statoren im Bereich von 1 bis so viel wie 3 oder mehr. Es ist auch den Fachleuten auf dem Gebiet verständlich, dass der Ausdruck "Elektromotor" wie hier verwendet sich allgemein auf eine Vielfalt von sich drehenden elektrischen Maschinen bezieht, was außerdem Elektrogeneratoren und auch regenerative Motoren, die gegebenenfalls als Elektrogeneratoren betrieben werden können, einschließt. Die magnetische Komponente der Erfindung kann zum Aufbau jedes dieser Geräte verwendet werden. Die Vorteile, die durch die vorliegende Erfindung erkannt wurden, beinhalten eine vereinfachte Herstellung und eine verringerte Herstellungsdauer, verringerte Spannungen (d.h. magnetostriktiv), denen man während der Konstruktion der Massenkomponenten aus amorphem Metall begegnet, und ein optimiertes Leistungsvermögen der fertiggestellten magnetischen Komponente aus amorphem Metall.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird besser verständlich und weitere Vorteile werden ersichtlich, wenn auf die folgende ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung und die begleiteten Zeichnungen Bezug genommen wird, worin entsprechende Bezugszahlen ähnliche Elemente in allen der vielen Ansichten angeben, wobei:
1 eine perspektivische Ansicht einer magnetischen Massenkomponente aus amorphem Metall in Form eines dreidimensionalen Rechtecks, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, ist;
2A eine perspektivische Ansicht einer magnetischen Massenkomponente aus amorphem Metall mit der Form eines Prismas und aufgebaut gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2B eine perspektivische Ansicht einer magnetischen Massenkomponente aus amorphem Metall mit gegenüberliegend angeordneten bogenförmigen Oberflächen und konstruiert gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2C eine Draufsicht von einem Stator für einen Elektromotor konstruiert aus sechs prismenförmigen Komponenten wie in 2A dargestellt und sechs bogenförmigen Komponenten wie in 2B dargestellt ist;
3A eine perspektivische Ansicht von einem magnetischen Massenstator aus amorphem Metall für einen Elektromotor konstruiert gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
3B eine perspektivische Ansicht von einem magnetischen Massenrotor aus amorphem Metall für einen Elektromotor konstruiert gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
3C eine Draufsicht des Stators und des Rotors für einen Elektromotor konstruiert aus dem Stator von 3A und dem Rotor von 3B ist;
4 eine Seitenansicht von einer Spule aus einem amorphem Metallband ist, die zum Schneiden und Stapeln gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet ist;
5 eine perspektivische Ansicht von einem Stab aus amorphen Metallstreifen ist, welche die geschnittenen Linien zur Herstellung einer Mehrzahl von allgemein prismenförmigen magnetischen Komponenten gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 eine Seitenansicht von einer Spule aus amorphem Metallband ist, das um einen Dorn gewickelt ist, um einen allgemein rechteckigen Kern gemäß der vorliegenden Erfindung zu bilden; und
7 eine perspektivische Ansicht eines allgemein rechteckigen amorphen Metallkerns ist, welche die Schnittlinien zur Herstellung einer Mehrzahl von allgemein prismenförmigen magnetischen Komponenten, die gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet sind, zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung ist auf Hochleistungsmotoren gerichtet, die unter Verwendung von verlustarmen Massenkomponenten aus amorphem Metall, wie z.B.
Statoren, Rotoren und Bauteilen für Statoren und Rotoren, konstruiert werden. Allgemein polyedrisch geformte Massenkomponenten aus amorphem Metall werden gemäß der vorliegenden Erfindung mit verschiedenen Geometrien, einschließlich rechteckig, quadratisch oder in Prismenform, aber nicht darauf beschränkt, konstruiert. Außerdem kann jede der vorstehend genannten geometrischen Formen mindestens eine bogenförmige Oberfläche und vorzugsweise zwei gegenüberliegend angeordnete bogenförmige Oberflächen beinhalten, um eine allgemein gekrümmte oder bogenförmige Massenkomponente aus amorphem Metall zu bilden. Ferner können komplette Statoren und Rotoren als Massenkomponenten aus amorphem Metall gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert werden. Diese Statoren und Rotoren können eine einheitliche Konstruktion aufweisen oder sie können aus einer Mehrzahl von Stücken gebildet werden, die zusammen die vervollständigte Komponente bilden. Alternativ können ein Stator und/oder ein Rotor eine Kompositstruktur vollständig aus amorphen Metallteilen oder eine Kombination von amorphen Metallteilen mit anderen magnetischen Materialien sein.
Nun ausführlich Bezug nehmend auf die Zeichnungen stellt 1 eine allgemein polyedrisch geformte Massenkomponente aus amorphem Metall 10 dar. Wie hier verwendet, bezieht sich der Ausdruck Polyeder auf einen mehrseitigen Feststoff. Die beinhaltet dreidimensionale Rechtecke, Quadrate, Trapeze und Prismen, ist aber nicht darauf beschränkt. Außerdem kann jede der vorstehend genannten geometrischen Formen mindestens eine und vorzugsweise zwei bogenförmige Oberflächen oder Seiten umfassen, die einander gegenüber angeordnet sind, um eine allgemein bogenförmige Komponente zu bilden. Die magnetische Komponente 10, die in 1 dargestellt ist, umfasst eine Mehrzahl von im wesentlichen ähnlich geformten Schichten aus Bandmaterial aus amorphem Metall 20, die zusammen laminiert und wärmebehandelt sind. Eine dreidimensionale magnetische Komponente 10, die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist und mit einer Erregerfrequenz "f" auf ein Spitzeninduktionsniveau "B_max" angeregt wird, weist einen Kernverlust bei Raumtemperatur von weniger als "L" auf, wobei L durch die Formel L = 0,0074 f(B_max)^1,3 + 0,000282 f^1,5(B_max)^2,4 gegeben ist und der Kernverlust, die Erregerfrequenz und das Spitzeninduktionsniveau in Watt pro Kilogramm, Hertz bzw. Tesla gemessen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die magne tische Komponente (i) einen Kernverlust von weniger als oder etwa gleich 1 Watt pro kg amorphes Metallmaterial, wenn sie bei einer Frequenz von etwa 60 Hz und einer Flussdichte von etwa 1,4 Tesla (T) betrieben wird; (ii) einen Kernverlust von weniger als oder etwa gleich 20 Watt pro kg amorphes Metallmaterial, wenn sie bei einer Frequenz von etwa 1.000 Hz und einer Flussdichte von etwa 1,4 T betrieben wird, oder (iii) einen Kernverlust von weniger als oder etwa gleich 70 Watt pro kg amorphes Metallmaterial, wenn sie bei einer Frequenz von etwa 20.000 Hz und einer Flussdichte von etwa 0,30 T betrieben wird, auf. Der verringerte Kernverlust der Komponente der Erfindung verbessert in vorteilhafter Weise den Wirkungsgrad eines Elektromotors, der sie umfasst. Die geringen Werte des Kernverlusts machen die magnetische Massenkomponente der Erfindung besonders geeignet zum Gebrauch in Motoren, bei denen eine hohe Polzahl oder eine hohe Drehzahl eine magnetische Anregung hoher Frequenz, z.B. eine Anregung bei über 100 Hz, erforderlich ist. Der inhärente hohe Kernverlust von üblichen Stählen bei hoher Frequenz macht sie zum Gebrauch in solchen Motoren, die eine Anregung bei hoher Frequenz erfordern, ungeeignet. Diese Kernverlust-Leistungswerte gelten ungeachtet der speziellen Geometrie der Massenkomponente aus amorphem Metall für die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Die magnetische Komponente 100, die in 2A dargestellt ist, ist allgemein prismenförmig und beinhaltet bevorzugt fünf (5) Seiten 110 oder Oberflächen. Die pentagonal geformte Polyederkomponente 100 umfasst eine Mehrzahl von Schichten aus Bandmaterial aus amorphem Metall 20, die im wesentlichen jeweils die gleiche Form und Größe aufweisen. Das Bandmaterial 20 ist gestapelt, zusammen laminiert und dann wärmebehandelt.
Die magnetische Komponente 200, die in 2B dargestellt ist, beinhaltet mindestens eine und bevorzugt zwei gegenüberliegend angeordnete bogenförmige Oberflächen 210. Die bogenförmige Komponente 200 umfasst eine Mehrzahl von Schichten aus Bandmaterial aus amorphem Metall 20, die jeweils im wesentlichen die gleiche Größe und Form aufweisen und gestapelt, zusammen laminiert und wärmebehandelt sind.
Die magnetische Massenkomponente aus amorphem Metall 300, die in 2C dargestellt ist, kann als Stator für einen Elektromotor mit radialer Lücke verwen det werden und umfasst sechs Teile von der magnetischen Komponente 100 und sechs Teile der magnetischen Komponente 200.
Die magnetische Massenkomponente aus amorphem Metall 400, die in 3A dargestellt ist, ist allgemein kreisförmig und beinhaltet eine Mehrzahl von allgemein rechteckigen Zähnen 410, die sich radial nach innen in Richtung des Zentrums der kreisförmigen Komponente 400 erstrecken. Die Komponente 400 umfasst eine Mehrzahl von Schichten aus Bandmaterial aus amorphem Metall 20, die jeweils im wesentlichen die gleiche Größe und Form aufweisen und gestapelt, miteinander laminiert und dann wärmebehandelt sind. Eine Massenkomponente aus amorphem Metall, die gemäß der Ausführungsform von 3A konstruiert ist, kann als Stator in einem Elektromotor mit einer radialen Luftlücke verwendet werden.
Die Massenkomponente aus amorphem Metall 500, die in 3B dargestellt ist, ist allgemein scheibenförmig und beinhaltet eine Mehrzahl von allgemein rechteckigen Zähnen 510, die sich radial nach außen erstrecken. Die Komponente 500 umfasst eine Mehrzahl von Schichten aus Bandmaterial aus amorphem Metall 20, die im wesentlichen die gleiche Form und Größe aufweisen und gestapelt, miteinander laminiert und dann wärmebehandelt sind. Eine Massenkomponente aus amorphem Metall, die gemäß der Ausführungsform von 3B konstruiert ist, kann als Rotor in einem Elektromotor mit radialer Luftlücke verwendet werden.
Als nächstes Bezug nehmend auf 3C werden ein Stator 400 und ein Rotor 500 als Massenkomponenten aus amorphem Metall gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert und als Teil eines Hochleistungselektromotors 600 mit radialer Luftlücke verwendet.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung einer Massenkomponente aus amorphem Metall bereit. Wie in 4 gezeigt, wird eine Rolle 30 aus Bandmaterial aus amorphem Metall mit Schneidklingen 40 in eine Mehrzahl von Bändern 20 mit der gleichen Form und Größe geschnitten. Die Bänder 20 werden gestapelt, um einen Stab 50 aus gestapeltem Bandmaterial aus amorphem Metall zu bilden. Der Stab 50 wird wärmebehandelt, mit einem Epoxyharz imprägniert und gehärtet. Der Stab 50 kann entlang der Linien 52, die in 5 dargestellt sind, geschnitten werden, um eine Mehrzahl von allgemein trapezförmigen magnetischen Komponenten 10 zu bilden. Die fertiggestellte magnetische Komponente 10 kann eine allgemein rechteckige, trapezförmige, quadratische oder eine andere polyedrische Gestalt aufweisen. Der Stab 50 kann auch geschnitten werden, um dreidimensionale Formen in Form von pentagonalen Prismen 11, bogenförmigen Blöcken 12, kreisförmigen Blöcken 13 oder scheibenförmigen Blöcken 14 zu bilden, wie in den 2A, 2B, 3A bzw. 3B gezeigt.
In einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, die in den 6 und 7 gezeigt ist, wird die magnetische Massenkomponente aus amorphem Metall 10 durch Wickeln eines einzelnen amorphen Metallbands 22 oder einer Gruppe von amorphen Metallbändern 22 um einen allgemein rechteckigen Dorn 60 zur Bildung eines allgemein rechteckig gewickelten Kerns 70 gebildet. Die Höhe der kurzen Seiten 74 des Kerns 70 ist bevorzugt etwa gleich zur gewünschten Länge der fertiggestellten magnetischen Massenkomponente aus amorphem Metall 10. Der Kern 70 wird wärmebehandelt, mit einem Epoxyharz imprägniert und gehärtet. Zwei Komponenten 10 können durch Schneiden der kurzen Seiten 74 gebildet werden, wobei die gerundeten Ecken 76 an den langen Seiten 78a und 78b zurückbleiben. Zusätzliche magnetische Komponenten 10 können durch Entfernen der gerundeten Ecken 76 von den langen Seiten 78a und 78b und Schneiden der langen Seiten 78a und 78b an mehreren Stellen, die durch die gestrichelten Linien 72 angegeben sind, gebildet werden. In dem in 7 erläuterten Beispiel weist die Massenkomponente 10 aus amorphem Metall eine allgemein rechteckige Form auf, obwohl andere Formen durch die vorliegende Erfindung auch ins Auge gefasst werden. Der gewickelte Kern 70 kann auch geschnitten werden, um dreidimensionale Formen in Form von pentagonalen Prismen 11, bogenförmigen Blöcken 12, kreisförmigen Blöcken 13 oder scheibenförmigen Blöcken 14 zu ergeben, wie in den 2A, 2B, 3A bzw. 3B gezeigt.
Die Konstruktion auf diese Weise eignet sich besonders für magnetische Komponenten, wie Stator- und Rotoranordnungen aus amorphem Metall in Elektromotoren. Die Herstellung der magnetischen Komponente wird vereinfacht und die Herstellungszeit verringert. Spannungen, denen man ansonsten während der Konstruktion der Metallmassenkomponenten aus amorphem Metall begegnet, sind minimiert. Das magnetische Verhalten der fertiggestellten Komponenten ist optimiert.
Die magnetische Massenkomponente aus amorphem Metall 10 der vorliegenden Erfindung kann unter Verwendung zahlreicher amorpher Metalllegierungen hergestellt werden. Allgemein gesagt sind Legierungen, die zur Verwendung bei der Konstruktion der Komponente 10 der vorliegenden Erfindung geeignet sind, definiert durch die Formel: M_70-85Y_5-20Z_0-20, Indizes in Atomprozent, wobei "M" 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 der Maßgabe, 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 und W ausgetauscht werden können und (ii) bis zu zehn (10) Atomprozent der Komponenten (Y + Z) durch mindestens eine der nichtmetallischen Spezies In, Sn, Sb und Pb ausgetauscht werden können. Wie hier verwendet bedeutet der Ausdruck "amorphe Metalllegierung" eine Metalllegierung, der eine Fernordnung im wesentlichen fehlt und die gekennzeichnet ist durch Röntgenbeugungsintensitätsmaxima, die qualitativ denen ähnlich sind, die für Flüssigkeiten oder anorganische Oxidgläser beobachtet werden.
Amorphe Metalllegierungen, die sich für die Durchführung der Erfindung eignen, sind im Handel erhältlich, im allgemeinen in Form von kontinuierlichen dünnen Streifen oder Bändern mit Breiten bis zu 20 cm oder mehr und Dicken von etwa 20 bis 25 μm. Diese Legierungen werden mit einer im wesentlichen vollständig glasartigen Mikrostruktur gebildet (z.B. mindestens etwa 80 Vol.-% des Materials haben eine nichtkristalline Struktur). Vorzugsweise werden die Legierungen mit im wesentlichen 100% des Materials mit einer nicht kristallinen Struktur gebildet. Die Volumenfaktion der nichtkristallinen Struktur kann durch in der Technik bekannte Verfahren bestimmt werden, wie Röntgenstrahl-, Neutronen- oder Elektronenbeugung, Transmissionselektronenmikroskopie oder Differentialscanningkalorimetrie. Die höchsten Induktionswerte bei geringen Kosten werden für Legierungen erzielt, bei denen "M" Eisen ist, "Y" Bor ist und "Z" Silcium ist. Aus diesem Grund ist ein amorphers Metallband aus einer Eisen-Bor-Silicium-Legierung bevorzugt. Am meisten bevorzugt ist ein amorphes Metallband mit einer Zusammensetzung, die im wesentlichen aus etwa 11 Atom-% Bor und etwa 9 Atom-% Silicium besteht, wobei der Rest Eisen und zufällige Verunreinigungen ist. Dieses Band wird von Honeywell International Inc. unter der Handelsbezeichnung METLAS^®-Legierung 2605SA-1 vertrieben.
Die magnetischen Eigenschaften des amorphen Metallbands, das zum Gebrauch bei der Komponente 10 der vorliegenden Erfindung bestimmt ist, kann durch Wärmebehandlung bei einer Temperatur und über einen Zeitraum, die ausreichen, um die erforderliche Verbesserung ohne Veränderung der im wesentlichen vollständig glasartigen Mikrostruktur des Bands bereitzustellen, verbessert werden. Gegebenenfalls kann ein Magnetfeld während mindestens eines Teils und bevorzugt zumindest während des Kühlteils der Wärmebehandlung an das Band angelegt werden.
Die magnetischen Eigenschaften von bestimmten amorphen Legierungen, die zur Verwendung in der Komponente 10 geeignet sind, können durch Wärmebehandlung der Legierung unter Bildung einer nanokristallinen Mikrostruktur beträchtlich verbessert werden. Diese Mikrostruktur ist gekennzeichnet durch die Anwesenheit einer hohen Dichte von Körnern mit einer mittleren Größe von weniger als etwa 100 nm, vorzugsweise weniger als 50 nm und bevorzugter etwa 10 bis 20 nm. Diese Körner besetzen bevorzugt mindestens 50% des Volumens der Legierung auf Eisenbasis. Diese bevorzugten Materialien weisen einen geringen Kernverlust und geringe Magnetostriktion auf. Letztere Eigenschaft macht das Material auch weniger anfällig für den Abbau von magnetischen Eigenschaften durch Spannungen, die sich aus der Herstellung und/oder dem Betrieb des Motors ergeben. Die Wärmebehandlung, die zur Bildung der nanokristallinen Struktur in einer gegebenen Legierung notwenig ist, muss bei einer höheren Temperatur oder über einen längeren Zeitraum durchgeführt werden, als es für eine Wärmebehandlung, die zur Konservierung einer im wesentlichen vollständig glasartigen Mikrostruktur ausgelegt ist, erforderlich wäre. Wie hier verwendet beinhalten die Ausdrücke amorphes Metall und amorphe Legierung ferner ein Material, das anfänglich mit einer im wesentlichen vollständig glasartigen Mikrostruktur gebildet wird und anschließend durch Wärmebehandlung oder eine andere Verarbeitung in ein Material mit einer nanokristallinen Mikrostruktur überführt wird. Amorphe Legierungen, die wärmebehandelt werden können, um einen nanokristalline Mikrostruktur zu bilden, werden auch häufig einfach als nanokristalline Legierungen beschrieben. Das vorliegende Verfahren ermöglicht es, dass eine nanokristalline Legierung in der erforderlichen geometrischen Gestalt der fertiggestellten magnetischen Massenkomponente gebildet wird. Diese Bildung wird in vorteilhafter Weise bewerkstelligt, während die Legierung noch in ihrer wie gegossenen, duktilen, im wesentlichen nicht kristallinen Form vorliegt; bevor sie zur Bildung der nanokristallinen Struktur wärmebehandelt wird, die sie im allgemeinen brüchiger und schwerer handhabbar macht.
Zwei bevorzugte Klassen von Legierung mit magnetischen Eigenschaften, die durch Bildung einer nanokristallinen Mikrostruktur darin deutlich verbessert werden, sind durch die folgenden Formeln gegeben, in denen die Indices in Atom-% sind.
Eine erste bevorzugte Klasse von nanokristalliner Legierung ist Fe_{100-u-x-y-z-w}R_uT_xQ_yB_zSi_w, worin R mindestens eines aus Ni und Co ist, T mindestens eines aus Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo und W ist, Q mindestens eines aus Cu, Ag, Au, Pd und Pt ist, u im Bereich von 0 bis etwa 10 liegt, x im Bereich von etwa 3 bis 12 liegt, y im Bereich von 0 bis etwa 4 liegt, z im Bereich von etwa 5 bis 12 liegt und w im Bereich von 0 bis weniger als etwa 8 liegt. Nachdem diese Legierung wärmebehandelt worden ist, um eine nanokristalline Mikrostruktur darin zu bilden, weist sie eine hohe Sättigungsinduktion (z.B. mindestens etwa 1,5 T), einen niedrigen Kernverlust und eine niedrige Sättigungsmagnetostriktion (z.B. eine Magnetostriktion mit einem Absolutwert von weniger als 4 × 10^-6) auf. Eine solche Legierung ist besonders bevorzugt für Anwendungen, bei denen ein Motor von minimaler Größe für die erforderliche Leistung und das erforderliche Drehmoment gewünscht ist.
Eine zweite bevorzugte Klasse von nanokristalliner Legierung ist Fe_{100-u-x-y-z-w}R_uT_xQ_yB_zSi_w, wobei R mindestens eines von Ni und Co ist, T mindestens eines von Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo und W ist, Q mindestens eines von Cu, Ag, Au, Pd und Pt ist, u im Bereich von 0 bis etwa 10 liegt, x im Bereich von etwa 1 bis 5 liegt, y im Bereich von 0 bis etwa 3 liegt, z im Bereich von etwa 5 bis 12 liegt und w im Bereich von etwa 8 bis 18 liegt. Nachdem diese Legierung wärmebehandelt worden ist, um eine nanokristalline Mikrostruktur darin zu bilden, weist sie eine Sättigungsinduktion von mindestens etwa 1,0 T, einen besonders geringen Kernverlust und eine niedrige Sättigunsmagnetostriktion (z.B. eine Magnetostriktion mit einem Absolutwert von weniger als 4 × 10^-6) auf. Eine solche Legierung ist besonders bevorzugt für die Verwendung in einem Motor, der bei einer sehr hohen Geschwindigkeit betrieben werden muss (z.B. mit einer erforderlichen Erregerfrequenz von 1.000 Hz oder mehr).
Die magnetische Massenkomponente 10 aus amorphem Metall der vorliegenden Erfindung kann aus Stäben 50 aus gestapeltem amorphem Metallband oder aus Kernen 70 aus gewickeltem amorphem Metallband unter Verwendung zahlreicher Schneidtechniken geschnitten werden. Die Komponente 10 kann von dem Stab 50 oder dem Kern 70 mit einer Schneidklinge oder einem Schneidrad geschnitten werden. Alternativ kann die Komponente 10 durch Elektroentladungsbearbeitung oder mit einem Wasserstrahl geschnitten werden.
Amorphe magnetische Massenkomponenten magnetisieren und entmagnetisieren wirksamer als Komponenten aus anderen Magnetmetallen auf Eisenbasis. Bei Verwendung als Rotor oder Stator in einem Elektromotor erzeugt die Massenkomponente aus amorphem Metall weniger Wärme als eine vergleichbare Komponente aus einem anderen magnetischen Metall auf Eisenbasis, wenn die beiden Komponenten bei identischer Induktion und Frequenz magnetisiert werden. Der Elektromotor unter Verwendung der Massenkomponente aus amorphem Metall kann daher ausgelegt werden, um 1) bei niedriger Betriebstemperatur; 2) bei höherer Induktion zur Erzielung einer verringerten Größe und eines verringerten Gewichts; oder 3) bei höherer Frequenz zur Erzielung einer verringerten Größe und eines verringerten Gewichts oder zur Erzielung von einer überlegenen Bewegungskontrolle im Vergleich zu Elektromotoren mit Komponenten aus anderen magnetischen Metallen auf Eisenbasis betrieben zu werden.
Wie in der Technik bekannt ist der Kernverlust die Energieabgabe, die in einem ferromagnetischen Material auftritt, wenn dessen Magnetisierung mit der Zeit geändert wird. Der Kernverlust einer gegebenen magnetischen Komponente wird im allgemeinen durch cyclisches Anregen der Komponente bestimmt. Ein mit der Zeit variierendes Magnetfeld wird an die Komponente angelegt, um darin eine entsprechende Zeitvariation der magnetischen Induktion oder der Flussdichte zu erzeugen. Zur Standardisierung der Messung wird die Anregung allgemein so ausgewählt, dass die magnetische Induktion sinusförmig mit der Zeit bei einer Frequenz "f" und mit einer Peakamplitude B_max variiert. Der Kernverlust wird dann durch bekannte elektrische Messinstrumente und Techniken bestimmt. Der Verlust wird gewöhnlich als Watt pro Masseneinheit oder Volumeneinheit des angeregten magnetischen Materials angegeben. Es ist in der Technik bekannt, dass der Verlust monoton mit f und B_max ansteigt. Die meisten Standardprotokolle zur Prüfung des Kernverlusts von weichmagnetischen Materialien, die in Komponenten von Motoren verwendet werden {z.B. ASTM-Standards A912-93 und A927(A927M94)} erfordern eine Probe von diesen Materialien, die sich in einem im wesentlichen geschlossenen magnetischen Kreis befindet, d.h. eine Konfiguration, bei der geschlossene magnetische Flusslinien vollständig im Volumen der Probe enthalten sind. Andererseits befindet sich ein magnetisches Material, wie es in einer Motorkomponente, wie einem Rotor oder einem Stator, eingesetzt wird, in einem magnetisch offenen Kreis, d.h. eine Konfiguration, bei der magnetische Flusslinien eine Luftlücke überqueren müssen. Aufgrund von Streufeldeffekten und Ungleichmäßigkeit des Feldes zeigt ein gegebenes Material, dass in einem offenen Kreis geprüft wird, im allgemeinen einen höheren Kernverlust, d.h. einen höheren Wert von Watt pro Masseneinheit oder Volumeneinheit, als es in einer Messung in einem geschlossenen Kreis zeigen würde. Die magnetische Massenkomponente der Erfindung zeigt in vorteilhafter Weise einen geringen Kernverlust über einen breiten Bereich von Flussdichten und Frequenzen sogar in einer offenen Kreiskonfiguration.
Ohne an eine Theorie gebunden zu sein wird angenommen, dass der gesamte Kernverlust der verlustarmen Massenkomponente aus amorphem Metall der Erfindung Beiträge von Hystereseverlusten und Wirbelstromverlusten umfasst. Jeder dieser beiden Beiträge ist eine Funktion der magnetischen Spitzeninduktion B_max und der Erregerfrequenz f. Analysen nach dem Stand der Technik von Kernverlusten in amorphen Metallen (siehe z.B. G.E. Fish, J. Appl. Phys. 57, 3569 (1985) und G.E. Fish et al., J. Appl. Phys. 64, 5370 (1988)) waren allgemein auf Daten beschränkt, die von einem Material in einem geschlossenen Magnetkreis erhalten wurden.
Der gesamte Kernverlust L(B_max, f) pro Masseneinheit der magnetischen Massenkomponente der Erfindung kann im wesentlichen definiert werden durch eine Funktion mit der Form L(B_max'f) = c₁f(M_mx)ⁿ + c₂f^q(B_max)^m worin die Koeffizienten c₁ und c₂ und die Exponenten n, m und q alle empirisch bestimmt werden müssen, da es keine bekannte Theorie gibt, die ihre Wert genau bestimmt. Die Verwendung dieser Formel ermöglicht es, dass der gesamte Kernverlust der magnetischen Massenkomponente der Erfindung bei jeder erforderlichen Induktion und Erregerfrequenz im Betrieb bestimmt wird. Es wird allgemein festgestellt, dass bei der speziellen Geometrie eines Motorrotors oder -stators das Magnetfeld darin nicht räumlich gleichmäßig ist. Techniken, wie die Bogenmodellierung mit finiten Elementen, die in der Technik bekannt sind, um eine Abschätzung der räumlichen und zeitlichen Variation der Spitzenflussdichte bereitzustellen, welche der Flussdichteverteilung, die in einem tatsächlich Motor oder Generator gemessen wird, sehr ähnlich ist. Unter Verwendung einer geeigneten empirischen Formel, die den magnetischen Kernverlust von einem gegebenen Material bei räumlich gleichmäßiger Flussdichte angibt, als Eingabe ermöglichen diese Techniken die Vorhersage des entsprechenden tatsächlichen Kernverlusts einer gegebenen Komponente in seiner Arbeitskonfiguration mit vernünftiger Genauigkeit.
Die Messung des Kernverlusts der magnetischen Komponente der Erfindung kann unter Verwendung verschiedener, in der Technik bekannter Verfahren durchgeführt werden. Ein Verfahren, das zur Messung der vorliegenden Komponente besonders geeignet ist, kann wie folgt beschrieben werden. Das Verfahren umfasst die Bildung eines magnetischen Kreises mit der magnetischen Komponente der Erfindung und einem Flux-Closure-Struktur-Mittel. Gegebenenfalls kann der magnetische Kreis eine Mehrzahl von magnetischen Komponenten der Erfindung und ein Flux-Closure-Struktur-Mittel umfassen. Das Flux-Closure-Struktur-Mittel umfasst bevorzugt weichmagnetisches Material mit hoher Permeabilität und einer Sättigungsflussdichte, die mindestens gleich zur Flussdichte ist, bei der die Komponente zu prüfen ist. Vorzugsweise weist das weichmagnetische Material eine Sättigungsflussdichte auf, die mindestens gleich der Sättigungsflussdichte der Komponente ist. Die Flussrichtung, entlang der die Komponente zu prüfen ist, definiert im allgemeinen erste und zweite gegenüberliegende Seiten der Komponente. Flusslinien treten in die Komponente in einer Richtung ein, die im allgemeinen senkrecht zur Ebene der ersten gegenüberliegenden Seite liegt. Die Flusslinien folgen im allgemeinen der Ebene der amorphen Metallbänder und treten aus der zweiten gegenüberliegenden Seite aus. Das Flux-Closure-Struktur-Mittel umfasst im allgemeinen eine Flux-Closure-Magnetkomponente, die vorzugsweise gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, aber auch mit anderen Verfahren und Materialien, die in der Technik bekannt sind, hergestellt werden kann. Die Flux-Closure-Magnetkomponente weist ebenfalls erste und zweite gegenüberliegende Seiten auf, durch die Flusslinien eintreten und austreten, im allgemeinen senkrecht zu den betreffenden Ebenen davon. Die gegenüberliegenden Seiten der Flux-Closure-Komponente weisen im wesentlichen die gleiche Größe und die gleiche Form der betreffenden Seiten der magnetischen Komponente auf, an die die Flux-Closure-Komponente während der tatsächlichen Prüfung angepasst ist. Die Flux-Closure-Magnetkomponente wird in angepasster Beziehung mit ihren ersten und zweiten Seiten eng benachbart bzw. im wesentlichen benachbart zu den ersten und zweiten Seiten der magnetischen Komponente der Erfindung angeordnet. Eine magnetomotorische Kraft wird angelegt, indem Strom durch eine erste Wicklung geleitet wird, die entweder die magnetische Komponente der Erfindung oder die Flux-Closure-Magnetkomponente umhüllt. Die sich ergebende Flussdichte wird nach dem Faraday-Gesetz aus der Spannung bestimmt, die in einer zweiten Wicklung induziert wird, welche die zu prüfende magnetische Komponente umschließt. Das angelegte Magnetfeld wird durch das Ampère-Gesetz aus der magnetomotorischen Kraft bestimmt. Der Kernverlust wird dann aus dem angelegten Magnetfeld und der sich ergebenden Flussdichte durch herkömmliche Verfahren ausgerechnet.
Unter Bezugnahme auf 7 wird ein Prüfverfahren veranschaulicht, das sich zur Bestimmung des Kernverlusts der magnetischen Komponente 10 eignet. Die lange Seite 78b des Kerns 70 wird als magnetische Komponente 10 für die Prüfung des Kernverlusts festgelegt. Der Rest des Kerns 70 dient als Flux-Closure-Struktur-Mittel, das im allgemeinen C-förmig ist und die vier allgemein gerundeten Ecken 76, die kurzen Seiten 74 und die lange Seite 78a umfasst. Alle Schnitte 72, welche die gerundeten Ecken 76, die kurzen Seiten 74 und die lange Seite 78a trennen, sind optional. Vorzugsweise werden nur die Schnitte durchgeführt, welche die lange Seite 78b von dem Rest des Kerns 70 trennen. Schnittflächen, die durch das Schneiden des Kerns 70 zur Abtrennung der langen Seite 78b gebildet sind, definieren die gegenüberliegenden Seiten der magnetischen Komponente und die gegenüber liegenden Seiten der Flux-Closure-Magnetkomponente. Zur Prüfung wird die lange Seite 78b mit ihren Seiten eng benachbart und parallel zu den entsprechenden, durch die Schnitte definierten Seiten angeordnet. Die Seiten der langen Seite 78b weisen im wesentlichen die gleiche Größe und die gleiche Gestalt wie die Seiten der Flux-Closure-Magnetkomponente auf. Zwei Kupferdraht-Wicklungen (nicht gezeigt) umschließen die lange Seite 78b. Ein alternierender Strom von geeigneter Größe wird durch die erste Wicklung geleitet, um eine magnetomotorische Kraft zu liefern, welche die lange Seite 78b bei der erforderlichen Frequenz und Spitzenflussdichte anregt. Flusslinien in der langen Seite 78b und der Flux-Closure-Magnetkomponente sind im allgemeinen in der Ebene der Bänder 22 und peripher ausgerichtet. Eine Spannung, die auf die mit der Zeit variierende Flussdichte in der langen Seite 78b hinweist, wird in der zweiten Wicklung induziert. Der Kernverlust wird durch ein herkömmliches elektronisches Mittel aus den gemessenen Werten von Spannung und Strom bestimmt.
Die folgenden Beispiele werden vorgelegt, um ein vollständigeres Verständnis der Erfindung zu liefern. Die speziellen Techniken, Bedingungen, Materialien, Anteile und angegebenen Daten, die zur Erläuterung der Prinzipien und der Durchführung der Erfindung aufgeführt sind, sind beispielhaft und sollen nicht so aufgefasst werden, als ob sie den Umfang der Erfindung beschränken.
BEISPIEL 1
Herstellung und elektromagnetische Prüfung eines rechteckigen Prismas aus amorphem Metall
Ein amorphes Metallband aus Fe₈₀B₁₁Si₉ etwa mit einer Breite von 60 mm und einer Dicke von 0,022 mm wurde um einen rechteckigen Dorn oder eine rechteckige Spule mit Abmessungen von etwa 25 mm × 90 mm gewickelt. Etwa 800 Wicklungen des Bands aus amorphem Metall wurden um den Dorn oder die Spule unter Bildung einer rechteckigen Kernform mit Innenabmessungen von etwa 25 mm × 90 mm und einer Baudicke von etwa 20 mm gewickelt. Die Kern/Spulen-Anordnung wurde in einer Stickstoffatmosphäre wärmebehandelt. Die Wärmebehandlung bestand aus: 1) Erwärmen der Anordnung auf bis zu 365°C; 2) Halten der Temperatur bei etwa 365°C für etwa 2 h; und 3) Abkühlen der Anordnung auf Umgebungstemperatur. Der rechteckige, gewickelte, amorphe Metallkern wurde von der Kern/Spulen-Anordnung gelöst. Der Kern wurde mit einer Epoxyharzlösung im Vakuum imprägniert. Die Spule wurde wieder eingesetzt und die wiederaufgebaute imprägnierte Kern/Spulen-Anordnung wurde bei 120°C für etwa 4,5 h gehärtet. Nach vollständiger Härtung wurde der Kern wiederum aus der Kern/Spulen-Anordnung entfernt. Der sich ergebende rechteckige, gewickelte, mit Epoxyharz gebundene, amorphe Metallkern wog etwa 2.100 g.
Ein rechteckiges Prisma mit einer Länge von 60 mm, einer Breite von 40 mm und einer Dicke von 20 mm (etwa 800 Schichten) wurde aus dem mit Epoxy gebundenen, amorphen Metallkern mit einer 1,5 mm dicken Schneidklinge herausgeschnitten. Die Schnittflächen des rechteckigen Prismas und des verbleibenden Abschnitts des Kerns wurden in einer Lösung Salpetersäure/Wasser geätzt und in einer Lösung Ammoniumhydroxid/Wasser gereinigt.

Der verbleibende Abschnitt des Kerns wurde in einer Lösung Salpetersäure/Wasser geätzt und in einer Lösung Ammoniumhydroxid/Wasser gereinigt. Das rechteckige Prisma und der verbleibende Abschnitt des Kerns wurden dann wieder zu einer vollständigen, geschnittenen Kernform zusammengestellt. Primäre und sekundäre elektrische Wicklungen wurden an dem verbleibenden Abschnitt des Kerns fixiert. Die geschnittene Kernform wurde bei Raumtemperatur bei 60 Hz, 1.000 Hz, 5.000 Hz und 20.000 Hz geprüft und mit katalogisierten Werten für andere ferromagnetische Materialien in ähnlichen Testkonfigurationen [National Arnold Magnetics, 17030 Muskrat Avenue, Adelanto, CA 92301 (1995)] verglichen. Die Ergebnisse sind nachstehend in den Tabellen 1, 2, 3 und 4 zusammengestellt. 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 Kernverlust 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 Fe₈₀B₁₁Si₉ (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
0,04 T	0,52	0,83	0,80	2,5
0,08 T	0,88	1,4	1,7	4,4
0,10 T	1,35	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 Fe₈₀B₁₁Si₉ (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

Wie durch die Daten in den Tabellen 3 und 4 gezeigt, ist der Kernverlust bei Erregerfrequenzen von 5.000 Hz oder mehr besonders niedrig. Damit ist die magnetische Komponente der Erfindung zur Verwendung in Hochgeschwindigkeitsmotoren besonders geeignet.
BEISPIEL 2
Herstellung eines trapezförmigen Prismas aus amorphem Metall
Ein amorphes Metallband aus Fe₈₀B₁₁Si₉ etwa mit einer Breite von 48 mm und einer Dicke von 0,022 mm wurde in Längen von etwa 300 mm geschnitten. Etwa 3.800 Schichten des geschnittenen amorphen Metallbandes wurden gestapelt, um einen Stab mit einer Breite von etwa 48 mm und einer Länge von etwa 300 mm und einer Baudicke von etwa 96 mm zu bilden. Der Stab wurde in einer Stickstoffatmosphäre wärmebehandelt. Die Wärmebehandlung bestand aus: 1) Erwärmen des Stabs bis auf 365°C; 2) Halten der Temperatur bei etwa 365°C für etwa 2 h; und 3) Abkühlen des Stabs auf Umgebungstemperatur. Der Stab wurde mit einer Epoxyharzlösung im Vakuum imprägniert und bei 120°C für etwa 4,5 h gehärtet. Der sich ergebende gestapelte, mit Epoxyharz gebundene, amorphe Metallstab wog etwa 9.000 g.
Ein trapezförmiges Prisma wurde aus dem gestapelten, mit Epoxy gebundenen amorphen Metallstab mit einer 1,5 mm dicken Schneidklinge herausgeschnitten. Die trapezförmige Seite des Prismas hatte Grundlinien von 52 und 62 mm und eine Höhe von 48 mm. Das trapezförmige Prisma war 96 mm dick (3.800 Schichten). Die geschnittenen Flächen des trapezförmigen Prismas und der verbleibende Abschnitt des Kerns wurden in einer Lösung Salpetersäure/Wasser geätzt und in einer Lösung Ammoniumhydroxid/Wasser gereinigt.
Das trapezförmige Prisma hatte einen Kernverlust von weniger als 11,5 W/kg bei einer Anregung bei 1.000 Hz auf ein Spitzeninduktionsniveau von 1,0 T.
BEISPIEL 3
Herstellung von polygonalen Massenkomponenten aus amorphem Metall mit bogenförmigen Querschnitten
Ein amorphes Metallband Fe₈₀B₁₁Si₉ etwa mit einer Breite von 50 mm und einer Dicke von 0,022 mm wurde in Längen von etwa 300 mm geschnitten. Etwa 3.800 Schichten des geschnittenen amorphen Metallbands wurden gestapelt, um einen Stab mit einer Breite von etwa 50 mm und einer Länge von etwa 300 mm und mit einer Baudicke von etwa 96 mm zu bilden. Der Stab wurde in einer Stickstoffatmosphäre wärmebehandelt. Die Wärmebehandlung bestand aus: 1) Erwärmen des Stabs auf bis zu 365°C; 2) Halten der Temperatur bei etwa 365°C für etwa 2 h und 3) Abkühlen des Stabs auf Umgebungstemperatur. Der Stab wurde mit einer Epoxyharzlösung im Vakuum imprägniert und bei 120°C für etwa 4,5 h gehärtet. Der sich ergebende gestapelte, mit Epoxy gebundene, amorphe Metallstab wog etwa 9.200 g.
Der gestapelte, mit Epoxy gebundene Stab aus amorphem Metall wurde unter Verwendung einer Elektroentladungsbearbeitung geschnitten, um einen dreidimensionalen bogenförmigen Block zu bilden. Der Außendurchmesser des Blocks war etwa 96 mm. Der Innendurchmesser des Blocks war etwa 13 mm. Die Bogenlänge war etwa 90°. Die Blockdicke war etwa 96 mm.
Ein amorphes Metallband aus Fe₈₀B₁₁Si₉ etwa mit einer Breite von 20 mm und einer Dicke von 0,022 mm wurde um einen kreisförmigen Dorn oder eine kreisförmige Spule mit einem Außendurchmesser von etwa 19 mm gewickelt. Etwa 1.200 Wicklungen von amorphem Metallband wurden um den Dorn oder die Spule unter Bildung einer kreisförmigen Kernform mit einem Innendurchmesser von etwa 19 mm und einem Außendurchmesser von etwa 48 mm gewickelt. Der Kern hatte eine Baudicke von etwa 29 mm. Der Kern wurde in einer Stickstoffatmosphäre wärmebehandelt. Die Wärmebehandlung bestand aus: 1) Erwärmen des Stabs auf bis zu 365°C; 2) Halten der Temperatur bei etwa 365°C für etwa 2 h und 3) Abkühlen des Stabs auf Umgebungstemperatur. Der Kern wurde mit einer Epoxyharzlösung im Vakuum imprägniert und bei 120°C für etwa 4,5 h gehärtet. Der sich ergebende gewickelte, mit Epoxy gebundene amorphe Metallkern wog etwa 71 g.
Der gewickelte, mit Epoxy gebundene amorphe Metallkern wurde mit einem Wasserstrahl geschnitten, um einen halbkreisförmigen dreidimensionalen Gegenstand zu bilden. Der halbkreisförmige Gegenstand hatte einen Innendurchmesser von etwa 19 mm, einen Außendurchmesser von etwa 48 mm und eine Dicke von etwa 20 mm.
Die geschnittenen Flächen der polygonalen Massenkomponenten aus amorphem Metall wurden in einer Lösung Salpetersäure/Wasser geätzt und in einer Lösung Ammoniumhydroxid/Wasser gereinigt.
Alle polygonalen Massenkomponenten aus amorphem Metall wiesen einen Kernverlust von weniger als 11,5 W/kg bei Anregung bei 1.000 Hz auf ein Spitzeninduktionsniveau von 1,0 T auf.
BEISPIEL 4
Hochfrequenzverhalten von verlustarmen Massenkomponenten aus amorphem Metall
Die Kernverlustdaten aus obigem Beispiel 1 wurden unter Verwendung von gewöhnlichen nichtlinearen Regressionsverfahren analysiert. Es wurde festgestellt, dass der Kernverlust einer verlustarmen Massenkomponente aus amorphem Metall aus einem amorphen Metallband aus Fe₈₀B₁₁Si₉ im wesentlichen definiert werden konnte durch eine Funktion mit der Form L(Mmax'f) = c1f(Bmax)n = c2fq(Bmax)m.

Geeignete Werte der Koeffizienten c₁ und c₂ und der Exponoenten n, m und q wurden ausgewählt, um eine Obergrenze für die Magnetverluste der Massenkomponente aus amorphem Metall zu definieren. Tabelle 5 gibt die gemessenen Verluste der Komponente in Beispiel 1 und die Verluste, die durch die obige Formel vorhergesagt werden, jeweils gemessen in Watt pro kg, an. Die vorhergesagten Verluste als eine Funktion von f (Hz) und B_max (Tesla) wurden unter Verwendung der Koeffizienten c₁ = 0,0074 und c₂ = 0,000282 und der Exponenten n = 1,3, m = 2,4 und q = 1,5 berechnet. Der gemessene Verlust der Massenkomponente aus amorphem Metall von Beispiel 1 war weniger als der entsprechende Verlust, der durch die Formel vorhergesagt wurde. TABELLE 5

Punkt	B_max (Tesla)	Frequenz (Hz)	gemessener Kernverlust (W/kg)	vorhergesagter Verlust (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	1.000	1,92	2,04
7	0,5	1.000	4,27	4,69
8	0,7	1.000	6,94	8,44
9	0,9	1.000	9,92	13,38
10	1	1.000	11,51	16,32
11	1,1	1.000	13,46	19,59
12	1,2	1.000	15,77	23,19
13	1,3	1.000	17,53	27,15
14	1,4	1.000	19,67	31,46
15	0,04	5.000	0,25	0,61
16	0,06	5.000	0,52	1,07
17	0,08	5.000	0,88	1,62
18	0,1	5.000	1,35	2,25
19	0,2	5.000	5	6,66
20	0,3	5.000	10	13,28
21	0,04	20.000	1,8	2,61
22	0,06	20.000	3,7	4,75
23	0,08	20.000	6,1	7,41
24	0,1	20.000	9,2	10,59
25	0,2	20.000	35	35,02
26	0,3	20.000	70	75,29

BEISPIEL 5
Herstellung eines rechteckigen Prismas aus nanokristalliner Legierung
Ein amorphes Metallband aus Fe_73,5Cu₁Nb₃B₉Si₁₃ _, ₅ etwa mit einer Breite von 25 mm und einer Dicke von 0,018 mm wird zu Längen von etwa 300 mm geschnitten. Etwa 1.200 Schichten des geschnittenen amorphen Metallbands wurden gestapelt, um einen Stab mit einer Breite von etwa 25 mm und einer Länge von etwa 300 mm und einer Baudicke von etwa 25 mm zu bilden. Der Stab wurde in einer Stickstoffatmosphäre wärmebehandelt. Die Wärmebehandlung wird durch Durchführen der folgenden Schritte durchgeführt: 1) Erwärmen des Stabs auf bis zu 580°C; 2) Halten der Temperatur bei etwa 580°C für etwa 1 h und 3) Abkühlen des Stabs auf Umgebungstemperatur. Der Stab wird mit einer Epoxyharzlösung im Vakuum imprägniert und bei 120°C für etwa 4,5 h gehärtet. Der sich ergebende gestapelte, mit Epoxy gebundene, amorphe Metallstab wiegt etwa 1.200 g.
Ein rechteckiges Prisma wird aus dem gestapelten, mit Epoxy gebundenen amorphen Metallband mit einer 1,5 mm dicken Schneidklinge herausgeschnitten. Die Seite des Prismas ist ein Quadrat von etwa 25 mm mit einer Länge von 50 mm. Das rechteckige Prisma ist 25 mm dick (1.200 Schichten). Die geschnittenen Flächen des rechteckigen Prismas werden in einer Lösung Salpetersäure/Wasser geätzt und in einer Lösung Ammoniumhydroxid/Wasser gereinigt.
Das rechteckige Prisma weist einen Kernverlust von weniger als 11,5 W/kg bei Anregung bei 1.000 Hz auf ein Spitzeninduktionsniveau von 1,0 T auf.
Nach Beschreibung der Erfindung in dieser ziemlich ausführlichen Weise ist verständlich, dass solche Einzelheiten nicht strikt angewendet werden müssen, sondern dass verschiedene Änderungen und Modifikationen sich dem Fachmann von selbst ergeben, wobei alle innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung wie durch die beigefügten Ansprüche definiert fallen.

Claims

Verfahren zum Bau eines Motors mit einer magnetischen Massenkomponente aus amorphem Metall, umfassend die folgenden Schritte: (a) Wickeln eines amorphen Metallbands um einen Dorn, um einen allgemein rechteckigen Kern mit allgemein gerundeten Ecken und Seiten mit kurzen und langen Längen zu bilden; (b) Wärmebehandeln des gewickelten, rechteckigen Kerns; (c) Imprägnieren des gewickelten, rechteckigen Kerns mit einem Epoxyharz und Härten des mit Epoxyharz imprägnierten rechteckigen Kerns; (d) Schneiden der kurzen Seiten des allgemein rechteckigen Kerns, um zwei polyedrisch geformte magnetische Komponenten mit einer vorbestimmten dreidimensionalen Geometrie, d.h. der ungefähren Größe und Gestalt der kurzen Seiten des allgemein rechteckigen Kerns zu bilden; (e) Entfernen der allgemein gerundeten Ecken von den langen Seiten des allgemein rechteckigen Kerns; (f) Schneiden der langen Seiten des allgemein rechteckigen Kerns, um eine Mehrzahl von magnetischen Komponenten mit der vorbestimmten dreidimensionalen Geometrie zu bilden; und (g) Verwenden der Komponenten im Rotor oder Stator eines Motors
Verfahren zum Bau einer magnetischen Massenkomponente aus amorphem Metall wie in Anspruch 1 angegeben, wobei mindestens einer der Schritte (d) und (f) das Schneiden von amorphem Metallbandmaterial unter Verwendung einer Schneidklinge, eines Schneidrads, eines Wasserstrahls oder eines elektrischen Entladungsgeräts umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei jedes der amorphen Metallbänder eine Zusammensetzung aufweist, die im wesentlichen durch die Formel M_70-85Y_5-20Z_0-20, Indizes in Atomprozent, definiert ist, wobei „M" 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 10 Atomprozent der Komponente „M" durch mindestens eine der metallischen Spezies Ti, V, Cr, Mn, Cu, Zr, Nb, Mo, Ta und W ausgetauscht werden können und (ii) bis zu 10 Atomprozent der Komponenten (Y + Z) durch mindestens eine der nichtmetallischen Spezies In, Sn, Sb und Pb ausgetauscht werden können.
Verfahren wie in Anspruch 3 beansprucht, bei dem jedes der Bänder eine im wesentlichen durch die Formel Fe₈₀B₁₁Si₉ definierte Zusammensetzung aufweist.
Verfahren wie in Anspruch 3 beansprucht, bei dem die amorphen Metallbänder wärmebehandelt worden sind, um darin eine nanokristalline Mikrostruktur zu bilden.
Verfahren wie in Anspruch 5 beansprucht, wobei jedes der amorphen Metallbänder eine Zusammensetzung aufweist, die im wesentlichen durch die Formel Fe_{100-u-x-y-z-w}R_uT_xQ_yB_zSi_w definiert ist, wobei R mindestens eines von Ni und Co ist, T mindestens eines von Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo und W ist, Q mindestens eines von Cu, Ag, Au, Pd und Pt ist, u im Bereich von 0 bis etwa 10 liegt, x im Bereich von etwa 3 bis 12 liegt, y im Bereich von 0 bis etwa 4 liegt, z im Bereich von etwa 5 bis 12 liegt und w im Bereich von 0 bis weniger als etwa 8 liegt.
Verfahren wie in Anspruch 5 beansprucht, wobei jedes der amorphen Metallbänder eine Zusammensetzung aufweist, die im wesentlichen durch die Formel Fe_{100-u-x-y-z-w}R_uT_xQ_yB_zSi_w definiert ist, wobei R mindestens eines von Ni und Co ist, T mindestens eines von Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo und W ist, Q mindestens eines von Cu, Ag, Au, Pd und Pt ist, u im Bereich von 0 bis etwa 10 liegt, x im Bereich von etwa 1 bis 5 liegt, y im Bereich von 0 bis etwa 3 liegt, z im Bereich von etwa 5 bis 12 liegt und w im Bereich von etwa 8 bis 18 liegt.
Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, bei dem die magnetische Massenkomponente aus amorphem Metall als ein Teil eines Stators des Elektromotors verwendet wird.
Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, bei dem die magnetische Massenkomponente aus amorphem Metall als ein Teil eines Rotors des Elektromotors verwendet wird.
Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, bei dem die magnetische Massenkomponente aus amorphem Metall mit geringem Verlust, wenn sie bei einer Erregerfrequenz "f" auf ein Spitzeninduktionsniveau B_max betrieben wird, einen Kernverlust aufweist, der kleiner ist als der Wert von "L", wobei L durch die Formel L = 0,0074 f(B_max)^1,3 + 0,000282 f^1,5(B_max)^2,4 gegeben ist, wobei der Kernverlust, die Erregerfrequenz und das Spitzeninduktionsniveau in Watt pro kg, Hertz bzw. Tesla gemessen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem der Kernverlust der amorphen Metallkomponente weniger als oder gleich 20 Wkg^-1 amorphes Metallmaterial ist, wenn sie bei einer Frequenz von 1.000 Hz und einer Flussdichte von 1,4 T betrieben wird.
Verfahren wie in Anspruch 10 beansprucht, bei dem die magnetische Massenkomponente aus amorphem Metall einen Kernverlust von weniger als oder etwa gleich 1 Watt pro kg amorphes Metallmaterial aufweist, wenn sie bei einer Frequenz von etwa 60 Hz und einer Flussdichte von etwa 1,4 T betrieben wird.
Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, bei dem die magnetische Massenkomponente aus amorphem Metall einen Kernverlust von weniger als oder etwa gleich 70 Watt pro kg amorphes Metallmaterial aufweist, wenn sie bei einer Frequenz von etwa 20.000 Hz und einer Flussdichte von etwa 0,30 T betrieben wird.