大体积非晶型金属磁性元件 1.发明领域
本发明涉及非晶型金属磁性元件，具体涉及用于大型电子装置，如磁共振成像系统，电视和视频系统，电子和离子束系统的普通三维大体积非晶型金属磁性元件。
2.现有技术的描述
尽管与无取向的电钢片相比非晶型金属呈现出优异的磁性能，但是，由于非晶型金属的一些物理特性和相关制造上的限制，长期以来认为例如用于磁共振成像系统的极面磁铁瓦筒的大体积磁性元件是不适用的。例如，非晶型金属比无取向的硅钢片薄而硬，因此，使制造工具和模具很快磨损。用不适合大批量生产的技术制造非晶型金属磁性元件的工具费用和生产成本提高。非晶型金属薄使组件中的叠层数量增大，进一步加大了非晶型金属磁性元件的总成本。
通常以有均匀带宽的薄地连续带的形式供应非晶型金属。但是，非晶型金极硬的材料，使它很难切割或成形。为了得到峰值磁性能，一旦对非晶型金属退火，它会变得很脆。这就使其很难用常规处理来构成大体积非晶型金属磁性元件，而且价格昂贵。非晶型金属的脆性还会危害用在如MRI系统中的大体积磁性元件的寿命。
有关大体积非晶型金属磁性元件的其它问题是，当非晶型金属受到物理应力作用时它的导磁率会降低。导磁率下降与加到非晶型金属材料上的应力强度极其相关。当大体积非晶型金属磁性元件受到应力作用时，磁芯的定向效率或磁力线的聚焦效率下降，引起更高的磁损耗，发热增大，功率降低。由于非晶型金属的磁致伸缩特性，装置操作中磁力引起的应力，用机械夹紧或其它固定方法使大体积非晶型金属磁性元件就位而引起的机械应力，或热膨胀和/或非晶型金属材料的磁饱和引起的膨胀所产生的内应力，均含引起强应力敏感性。
发明概述
本发明提供多面体的用多层非晶型金属带构成的大体积非晶型金属磁性元件。本发明还提供大体积非晶型金属磁性元件的制造方法。磁性元件能在60Hz至20000Hz的频率范围内工作。而且比在相同频率范围内工作的硅钢片磁性元件有更优良的性能特性。更具体地说，按本发明构成的磁性元件在60Hz的频率下工作时和磁通密度约为1.4特斯拉(T)时，非晶型金属材料的磁芯损耗小子或约等于1w/kg，按本发明构成的磁性元件在2000Hz的频率下工作和磁通密度为0.30T时的非晶型金属材料的磁芯损耗小于或约等于70w/kg。
本发明的第1实施例中，大体积非晶型金属磁性元件包括形状基本相同的叠置在一起的多层非晶型金属带。以构成多面体形零件。
本发明还提供大体积非晶型金属磁性元件的制造方法。按本发明第1实施例，切割非晶型金属条材料制成有预定长度的多个切割带。层叠切割带，形成层叠的非晶型金属条材料棒显退火。退火后的层叠棒用环氧树脂浸渍并固化。之后，按预定长度切割层叠棒，提供有预定的三维几何形状的多个多面体形磁性元件。优选的非晶型金属材料的主要组分的化学式是Fe80B11Si9。
按本发明方法的第2实施例，把非晶型金属带绕在铁心上构成有普通圆弧形角的普通矩形芯。之后，普通矩形芯退火，并用环氧树脂浸渍和固化。之后，切割矩形芯的短边，构成其尺寸大小和形状与所总的矩形芯的短边的尺寸大小和形状接近的有预定三维几何形状的两个磁性元件。构成所述总的短形芯的长边的圆弧角，并切割所述总的矩形芯的长边，形成有预定三维几何形状的多个多面体形磁性元件。优选非晶型金属材料的主要组分化学式是Fe80B11Si9。
本发明还涉及用上述方法构成的大体积非晶型金属元件。
按本发明的大体积非晶型金属磁性元件的结构特别适合作高性能MRI系统电视机和视频系统，电子和离子束系统中的极面磁铁用的非晶型金属瓦筒。本发明的显著优点是，简化制造工艺，缩短制造时间，减小大体积非晶型金属元件构成中所碰到的应力，例如，磁致伸缩，使制成的非晶型金属磁性元件有优异的性能。
附图的简要说明
通过以下参见附图对发明优选实施例的详细说明，将会更充分理解本发明。而且，本发明的优点会变得更清楚。图中相同的元件用相同的参考数字表示。
图1A是按本发明构成的总的矩形多面体形状的大体积非晶型金属磁性元件的透视图；
图1B是按本发明构成的总的梯形多面体形状的大体积非晶型金属磁性元件的透视图；
图1C是按本发明构成的有相对的弧形表面的多面体形的大体积非晶型金属磁性元件的透视图；
图2是按本发明的要切割并层叠的非晶型金属带的线圈的侧视图。
图3是展示构成按本发明的多个总的梯形磁性元件的切割线的非晶型金属带构成的层叠棒的透视图；
图4是为构成按本发明的总的矩形芯而把非晶型金属带绕在铁心上构成的线圈的侧视图；
图5是展示为构成按本发明的多个总的棱柱形磁性元件的切割线的总的矩形非晶型金属芯的透视图。
优选实施例的详细说明
本发明涉及总的多面体形大体积非晶型金属元件，这里用的术语“多面体”是指有多个面或多个外表面的三维固体。这里是指矩形、方形、棱柱形，和有弧形表面的形状，但不限于这里列举的形状。
参见附图，图1A中示出的具有三维的普通矩形的大体积非晶型金属磁性元件10。磁性元件10是形状基本相多的多层非晶型金属带材料20层叠在一起并退火而构成的。图1B所画的磁性元件有三维的普通梯形，并由形状和大小基本相同的多层非晶型金属材料条20层叠在一起并退火而构成的。图1C所画的磁性元件有两个相对的弧形表面12。元件10用多层形状基本相同的非晶型金属带材料10层叠在一起并退火构成。优选实施例中，按本发明构成的三维磁性元件10在频率约为6Hz下操作时，磁通密度约为1.4特斯拉(T)时，非晶型金属材料的磁芯损耗为1w/kg以下。按本发明构成的磁元件10在2000Hz的频率下操作和磁通密度为0.30T时的非晶型金属材料的磁芯损耗在70w/kg以下。
按本发明的大体积非晶型金属磁性元件10通常是三维多面体，可以是矩形，梯形，方形或棱柱形。或者，如图1C所示，元件10可以至少有一个弧形表12。优选实施例中，有两个相对的弧形表面12。
本发明还提供制造大体积非晶型金属元件的方法。如图2所示，非晶型金属材料条带的卷绕筒30用刀片40切割成尺寸和形状相同的多个带20。层叠带20构成非晶型金属带材的层叠棒50。棒50退火，并用环氧树脂浸渍和固化。沿图3中的切割线52把棒50切割成有普通矩形。梯形、方形或其它多面体形的多个三维零件。或者，如图1C所示，元件10可包括至少一个弧形表面12。
本发明的第2实施例中，如图4和图5所示。单条非晶型金属带20或一组非晶型金属带22绕在总的形铁心60周围，构成普通矩形卷绕线圈70。由此构成大体积非晶型金属磁性元件10。卷绕线圈70的矩琏74的高度最好等于制成的大体积非晶型金属磁性元件的规定长度。线卷70退火。并用环氧树脂浸渍和固化。切割短边74。保留连接到长边78的圆弧角76，构成两个元件10。按虚线72所示的多个位置切割长边78，去掉长边78的圆弧角76可色成另外的磁性元件10。尽管本发明也打算用其它三维形状，如梯形和方形，但图5所示例中，大体积非晶型金属元件10是普通三维矩形。
按本发明的大体积非晶型金属磁性元件的结构特别适合作高性能MRI系统，电视和视频系统，电子和离子束系统中用的极面磁铁的瓦筒。可经磁性元件的制造并缩短制造时间。能使大体积非晶型金属元件制造中碰到应力减到最小。使制成的元件的磁性能达到最佳。
可用多种非晶型金属合金制造本发明的大体积非晶型金属磁性元件10。总的说来，适用于本发明结构的元件10的合金的组分式是M70.85Y5-2020-20、式中的下脚标量按“原子％”计算，式中“M”是铁(Fe)、镍(Ni)和钴中的至少一种；“y”是硼(B)。碳(C)和磷(P)中的至少一种；“Z”是硅(Si)，铝(Al)和锗(Ge)中的至少一种。附带条件是：(i)“M”组分中的10原子％可用金属元件Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ta和W中的至少一种代替；(ii)组分(Y＋Z)的10原子％可用Zn、Sn、Sb和Pb中的至少一种代替。合金中用的组分“M”选用感应值最大价格低的Fe(铁)，“Y”是硼(B)，“Z”是硅(Si)。为此，Fe-B-Si合金构成的非晶型金属条的且分式是Fe80B11Si9。该合金带由Alliedsignal Inc供应，注册商标为METLAS合金2605SA-1。
用多种切割方法切割非晶型金属带的层叠棒50或切割卷绕非晶型金属带构成的线圈70构成按本发明的大体积非晶型金属磁性元件10。可用刀片或转盘刀切割层叠棒50或绕卷70构成元件10。或者，用放电机或喷水机切割制成元件10。
与其它铁基磁性金属构成的元件相比，大体积非晶型磁性元件能更有效地磁化和去磁。用作极磁铁时，当大体积非晶型金属磁性元件和其它的铁基磁铁构成的磁性元件在相同的磁感应和频率下磁化时，与其它铁基磁性金属制成的磁性元件相比，大体积非晶型金属磁性元件发热较小。因此，与其它的铁基磁性金属制成的磁性元件相比，大体积非晶型金属磁性元件可设计成能在(1)更低的工作温度下工作，(2)在更高的磁感应下工作以减小元件的大小和重量；或(3)在更高的频率下工作，以减少元件的大小和重量，或获得更优异的信号清晰度。
用以下的实例更全面地说明本发明。上述的具体技术，条件、材料、比例和报道的数据是作为说明本发明原理和实践的举例，但它们不构成对发明范围的限制。
实例1
非晶型金属矩形棱柱的制备和电磁测试
大约60mm宽和0.022mm厚的Fe80B11Si9非晶型金属带缠绕在尺寸为25mm×90mm的矩形铁心或绕线轴周围。铁心或绕线轴周围绕大约800圈非晶型金属带，制成内部尺寸为25mm×90mm的矩形线圈，它的厚度大约为20mm。在氮气中线圈/绕线轴组件退火。退火条件是：(1)组件加热到365℃；(2)在365℃保温2小时；(3)组件冷却到室温；从线圈/组件取下矩形的卷绕非晶型金属线圈。线圈真空浸渍环氧树脂溶液。更换绕线轴。重新装配，浸渍过的线圈/绕线轴在120℃固化大约4.5小时。完全固化时，再从线圈/绕线轴组件取下线圈。制成的矩形的缠绕的用环氧树脂粘接的非晶型金属线圈的重量大约为2100g。
用1.5mm厚的刀片从环氧树脂粘接的非晶型金属线圈切出尺寸为60mm长×40mm宽×20mm厚约为800层的层叠的矩形棱柱。在硝酸/水溶液中腐蚀矩形棱柱的切割表面和线圈的其余部分，并在氢氧化铝/水溶液中清洗。
线圈的其余部分在硝酸/水溶液中腐蚀当在氢氧化铝/水溶液中清洗。矩形棱柱和线圈的其余部分再组装成完全的切割线圈形。初级和次级电绕组固定到线圈的其余部分。在60Hz，1000Hz，5000Hz和20000Hz电测切割线圈形，并与相同测试条件下其它铁磁材料的相应项目值比较(天然的-阿诺德·(Arnold)磁性测试，17030 MuskratAvenue，Adelanto.CA 92301(1995))，结果列于表1、2、3和4。
表1
60Hz的铁心损耗(W/kg) 材料磁通密度 无定形Fe80B11Si9 (22um) 晶体 Fe-3％Si (25um) 晶体 Fe-3％Si (50um) 晶体 Fe-3％Si (175um) 晶体 Fe-3％Si (275um)National-ArnoldMagneticsSilectronNational-Arnold Magnetics silectronNational-Arnold Magnetics sileetronNational-Arnold Magnetics 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 3.3 1.9 1.5 1.1
表2
1000Hz的铁心损耗(W/kg) 材料磁通密度 无定形Fe80B11Si9 (22um) 晶体 Fe-3％Si (25mn) 晶体 Fe-3％Si (50um) 晶体 Fe-3％Si (175um) 晶体 Fe-3％Si (275um) National-Arnold Magnetics Silectron National-Arnold Magnetics Silectron National-Arnold Magnetics Silectron National-Arnold Magnetics 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 0.9T 9.92 20 17 28 41 1.0T 11.51 24 20 31 46 1.1T 13.46 1.2T 15.77 33 28 1.3T 17.53 1.4T 19.67 44 35
表3
5000Hz的铁心损耗(W/kg) 材料磁通密度 无定形Fe80B11Si9 (22um) 晶体 Fe-3％Si (25um) 晶体 Fe-3％Si (50um) 晶体 Fe-3％Si (175um)National-ArnoldMagneticsSileetron National-Arnold Magnetics Silectron National-Arnold Magnetics Silectron 0.04T 0.25 0.33 0.33 0.33 0.06T 0.52 0.83 0.80 2.5 0.08T 0.88 1.4 1.7 4.4 0.10T 1.35 2.2 2.1 6.6 0.20T 5 8.8 8.6 24 0.30T 10 18.7 18.7 48
表4
20000Hz的铁心损耗(W/kg) 材料磁通密度 无定形Fe80B11Si9 (22um) 晶体 Fe-3％Si (25um) 晶体 Fe-3％si (50um) 晶体 Fe-3％Si (175um) National-Arnold Magnetics Silectron National-Arnold Magnetics Silectron National-Arnold Magnetics Silectron 0.04T 1.8 2.4 2.8 16 0.06T 3.7 5.5 7.0 33 0.08T 6.1 9.9 12 53 0.10T 9.2 15 20 99 0.20T 35 57 82 0.30T 70 130
实例2
非晶型金属梯形棱柱的制备。
宽48mm和厚0.02mm的Fe80B11Si9非晶型金属带切成300mm的长度。切割的非晶型金属带层叠3800层，制成宽48mm，长300mm，构件厚96mm的层叠棒。层叠棒在氮气氛中退火。退火的条件是：(1)层叠棒加热到365℃；(2)在365℃保温2小时；(3)层叠棒冷却到环境温度。层叠棒真空浸渍环氧树脂溶液，并在120℃固化4.5小时。制成的层叠的环氧树脂粘接过的非晶型金属层叠棒重9000g。
用1.5mm厚的刀片从层叠的环氧树脂粘接过的非晶型金属棒切出梯形棱柱。梯形棱柱的梯形面的基本尺寸是52mm和62mm和高48mm。梯形棱柱厚96mm，叠层是3800层。梯形棱柱的切割面和线其余部分在硝酸/水溶液中腐蚀并在氢氧化铵/水溶液中清洗。
实例3
有弧形横面的多面体大体积金属元件的制备
宽50mm和厚0.022mm的Fe81B11Si9非晶型金属带切成300mm长。切割的非晶型金属带层叠3800层，构成宽50mm和长300mm。构件厚度为96mm的层叠棒。该层叠棒在氮气中退火。退火条件是：(1)棒加热到365℃；(2)在365℃保温2小时；(3)棒冷却到环境温度。棒真空浸渍环氧树脂当在120℃固化4.5小时。制成的层叠的环氧树脂粘接近的非晶型金属棒在9200g。
用放电机切割层叠的环氧树脂粘接后的非晶型金属棒、构成：维弧形块。弧形块的外径为96mm，内径是13mm，弧长90°，块厚96mm。
宽20mm和厚0.022mm的Fe81B11Si9非晶型金属带缠绕在外径为19mm的圆环形铁心或绕线筒周围。在铁心或绕线筒周围非晶型金属带绕1200圈，制成内径为19mm，外径为48mm。构件厚29mm的圆环形线圈形。线圈在氮气中退火。退火条件是：(1)棒加热到365℃；(2)在365℃保温2小时；(3)棒冷却到环境温度。线圈真空浸渍环氧树脂溶液，并在120℃固化4.5小时。制成的卷绕的环氧树脂粘接后的非晶型金属线圈重71g。
用喷水机切割卷绕的环氧树脂粘接后的非晶型金属线圈，制成半圆环形的三维形体。半圆环形体的内径是19mm、外径是48mm，厚20mm。
有圆弧形横截面的多面体的大体积非晶型金属元件的切割表面在硝酸/水溶液中腐蚀并在氢氧化铵/水溶液中清洗。
通过以上对发明的全面详细的说明，应知道发明不必在细节上严格遵从，对一行业的技术人员而言还会做出各种变化和改进，但这些变化和改进均落入权利要求书所限定的本发明的范围内。