CN1242428C - 块状冲压的非晶体金属磁元件 - Google Patents

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Abstract

一种块状非晶体金属磁元件，具有多个被粘合在一起从而形成多面体形状的三维部件的叠层，所述元件由冲压、叠置和粘合步骤制成。所述块状非晶体金属磁元件可以包括弓形表面，并且一个实施例可以包括两个相对设置的弓形表面。所述磁元件可以在50赫兹-20000赫兹的频率范围内操作，当所述磁元件在激磁频率“f”下被激励到峰值磁感应“Bmax”时，具有小于“L”的铁心损失，其中L由公式L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4给出，所述铁心损失，激磁频率和峰值磁感应值的单位分别是瓦/千克，赫兹和特斯拉。

Description

块状冲压的非晶体金属磁元件
技术领域
本发明涉及一种非晶体金属磁元件；更具体地说，涉及一种基本上是三维的块状冲压的非晶体金属磁元件，其用于大的电子装置，例如磁谐振成像系统，电视和视频系统，以及电子和离子束系统。
背景技术
磁谐振成像(MRI)已经成为现代医学中的一种重要的、非侵入的诊断工具。MRI系统一般包括磁场产生装置。许多这种磁场产生装置使用永磁体或者电磁体作为磁动势源。通常磁场产生装置还包括一对磁极面，所述磁极面限定一个间隙，在所述间隙内具有要被成像的体积。
美国专利4672346披露了一种极面，其具有实心结构，并且包括由磁材料例如碳钢制成的板状块。美国专利4818966教导，由磁场产生装置的极片产生的磁通可以通过利用层叠的磁板制成极片的周边部分来集中在所述间隙中。美国专利4827235披露了一种极片，其具有大的饱和磁感应强度、软的磁性和20μΩ-cm或更高的电阻率。该专利教导使用的软磁材料包括坡莫合金、硅钢、非晶体磁合金、铁氧体以及磁合成材料。
美国专利5124651披露了一种具有一次磁场磁体装置的核磁谐振扫描仪。所述磁体装置包括上下铁磁极片。每个极片包括多个窄的、细长的铁磁棒，它们和平行于各个极片的磁极方向的它们的长轴对齐。所述磁棒由导磁合金例如1008钢、软铁或其类似物制成。利用不导电的介质对所述磁棒沿横向进行电气隔离，从而限制在所述磁场装置的磁极的极面的平面中产生涡流。Sakurai等人的1994，2，1公告的美国专利5283544披露了一种用于MRI的磁场产生装置。该装置包括一对磁极片，其可以由多个通过层叠许多无定向硅钢板构成的块状的磁极片元件构成。
尽管上述的专利具有许多优点，现有技术中仍然需要改进的磁极片。这是因为这些磁极片对于改进MRI系统的成像能力和成像质量是重要的。
虽然和非定向电工钢相比非晶体金属提供了优异的磁性能，但是长期来一直认为它们不适用于块状磁元件，例如用于MRI系统的极面磁体的瓦片，这是由于非晶体金属的某些物理性能和相应的制造限制所致。例如，非晶体金属比非定向硅钢薄而硬，因而常规的切割和冲压处理导致制造工具和模具的较快的磨损。导致的工具成本和制造成本增加使得利用这种技术制造块状非晶体金属磁元件在商业上是不实际的。非晶体金属的薄的厚度也使得在装配的元件中的叠层的数量增加，这进一步增加了非晶体金属磁元件的成本。
非晶体金属一般以具有均匀宽度的薄的连续带提供。不过，非晶体金属是非常硬的材料，这使得其非常难于切割和成形，并且一旦退火而达到峰值磁性能之后，便变得非常脆。这使得利用常规的方法构成块状非晶体金属磁元件困难而昂贵。非晶体金属的脆性还引起例如在MRI系统的应用中的块状非晶体金属磁元件的耐用性的担心。
块状非晶体金属磁元件的另一个问题是，当非晶体金属材料受到物理应力时，其导磁率被减小。这个减小的导磁率可以和加于非晶体金属材料上的应力的强度非常相关。当块状非晶体金属磁元件受到应力时，铁心的引导或者会聚磁通的效率被减少，因而产生较高的磁损耗，增加发热，因而减少功率。由于非晶体金属的磁致伸缩性质，这种对于应力的敏感性可以由在装置的操作期间的磁势产生的应力、由于机械夹持或者其它方式固定块状非晶体金属磁元件而产生的机械应力或者由于热胀与/或由于非晶体金属材料的磁饱和而产生的内应力引起。
发明内容
本发明提供一种低损耗的块状非晶体金属磁元件，包括多个类似地相同的由铁磁非晶体金属带冲压成的叠层，所述叠层被叠置并用黏合剂粘合在一起从而形成多面体形状的部件，和
其中所述元件当在激磁频率“f”下被激励到峰值磁感应值Bmax时，具有小于L的铁心损失，其中L由公式L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4给出，所述铁心损失、激磁频率和峰值磁感应值的单位分别是瓦/千克、赫兹和特斯拉。
本发明还提供一种用于制造块状非晶体金属磁元件的方法。所述磁元件可以在50Hz-20000Hz的频率范围内操作，并且在和在相同频率范围内操作的硅钢磁元件相比时，具有改进的性能特性。按照本发明构成的磁元件，在一个激磁频率“f”下被激励到一个峰值磁感应值“Bmax”时，在室温下具有小于“L”的铁心损失，其中L由公式L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4给出，所述铁心损失、激磁频率和峰值磁感应值分别用瓦/千克，赫兹和特斯拉测量。磁元件将具有(i)在频率大约为60Hz，磁密大约为1.4T时操作时，小于或大约等于每千克非晶体金属材料1瓦的铁心损失；(ii)在频率大约为1000Hz，磁密大约为1.0T下操作时，小于或大约等于每千克非晶体金属材料12瓦的铁心损失，或者(iii)在频率大约为20000Hz，磁密大约为0.30T下操作时，小于或大约等于每千克非晶体金属材料70瓦的铁心损失。
在本发明的一个实施例中，块状非晶体金属磁元件包括被层叠在一起而形成多面体形状的部件的多个形状基本上相同的非晶体金属材料带层。
本发明还提供一种用于构成块状非晶体金属磁元件的方法。所述方法的一个实施例包括以下步骤：由铁磁非晶体金属带原料冲压成所需形状的叠层，叠置所述叠层而形成三维形状，应用并启动粘合装置，使叠层相互粘合而形成具有足够的机械整体性的元件，以及修整所述元件，从而除去任何多于的黏合剂，使其具有合适的表面光洁度和最终的元件尺寸。所述方法还可以包括一个选择的退火步骤，以便改善元件的磁性能。这些步骤可以按照多种不同的顺序进行，并使用包括下面提出的多种不同的技术。
本发明还涉及一种利用上述方法制成的块状非晶体金属磁元件。具体地说，按照本发明构成的块状非晶体金属磁元件尤其适合用作非晶体金属元件，例如用作高性能的MRI系统、电视和视频系统以及电子和离子束系统的极面磁体的瓦片(tile)。按照本发明构成的块状非晶体金属磁元件对于非环形的电感器例如C形铁心、E形铁心和E/I形铁心也是有用的，其中的表述C、E和E/I用于说明元件的截面形状。本发明的优点包括：简化制造过程，减少制造时间，减少在块状非晶体金属磁元件的制造期间遭受的应力(例如磁致伸缩引起的应力)并优化最终的块状非晶体金属磁元件的性能。
附图说明
通过参看下面结合附图对本发明的优选实施例进行的详细说明，可以更充分地理解本发明及其优点，在所有附图中，相同的标号代表类似的元件；其中：
图1A是按照本发明构成的基本上呈矩形多面体形状的块状冲压的非晶体金属磁元件的透视图；
图1B是按照本发明构成的基本上呈梯形多面体形状的块状冲压的非晶体金属磁元件的透视图；
图1C是按照本发明构成的具有相对设置的弓形表面的多面体形的块状冲压的非晶体金属磁元件的透视图；
图2A是按照本发明设置的要被退火和要被冲压的铁磁非晶体金属带的带卷和被设置要被叠置的铁磁非晶体金属叠层的侧视图；
图2B是按照本发明设置的要被退火、被涂覆环氧树脂和要被冲压的铁磁非晶体金属带的带卷和被设置要被叠置的铁磁非晶体金属叠层的侧视图；
图2C是按照本发明的被设置要被冲压的铁磁非晶体金属带的带卷和被设置要被收集的铁磁非晶体金属叠层的侧视图；
图2D是按照本发明的被设置要被冲压的铁磁非晶体金属带的带卷和被设置要被叠置的铁磁非晶体金属叠层的侧视图；以及
图3是块状冲压的非晶体金属磁元件的测试装置的透视图，包括4个元件，每个呈具有相对设置的弓形表面的多面体形状，并被装配而成为基本上正圆形的环状圆柱。
具体实施方式
本发明提供一种基本上呈多面体形的低损耗的块状非晶体金属磁元件。按照本发明构成的块状非晶体金属磁元件具有多种三维(3D)的几何形状，其中包括但不限于，矩形的，方形的和梯形棱柱形的。此外，上述的任何几何形状都可以包括至少一个弓形表面，一些实施例包括两个相对设置的弓形表面，从而形成总体上弯曲的或弓形的块状非晶体金属磁元件。此外，按照本发明，可以把整个磁装置例如极面磁体制成一个块状非晶体金属磁元件。这些装置可以具有一个整体的结构，或者可以由能够集中而形成一个完整部件的几个零件构成。另外，一个装置可以是一个全部由非晶体金属部件或者由非晶体金属部件和其它的磁材料组合而成的合成的结构。
磁谐振(MRI)成像装置通常使用磁极片(也称为极面)作为磁场产生装置的一部分。正如本领域内所知，这种磁场产生装置用于提供稳定的磁场和被叠加到所述稳定的磁场上的时变的磁场梯度。为了产生高质量的高清晰度的MRI图像，重要的是所述稳定的磁场在要研究的整个试样体积内是均匀的，并且所示磁场梯度被很好地限定。所述均匀性可以通过使用合适的极片来提高。本发明的块状非晶体金属磁元件适用于构成这种极面。
用于MRI或其它磁体系统的极片适用于以预定的方式成形并引导由至少一个磁动势(mmf)源产生的磁通。磁动势源可以包括已知的磁动势产生装置，其中包括永磁体和电磁体，所述电磁体或者是正常导电的绕组，或者是超导的绕组。每个极片可以包括一个或几个本发明所述的块状非晶体金属磁元件。
需要极片具有好的直流磁性能，包括高的导磁率和高的饱和磁通密度。为了提高清晰度和具有较高的操作磁通密度，还要求极片也具有好的交流磁性能。更具体地说，需要使由时变梯度的磁场在极片中产生的铁心损失最小。减少铁心损失有利的改善磁场梯度的清晰度(definition)，并且使得磁场梯度能够更快地改变，因而使得能够减少成像时间而不降低图像质量。
最早的磁极片由实心的磁材料构成，例如碳钢或高纯铁，在本领域中通常称为阿姆科铁。它们具有好的直流磁性能，但是由于存在宏观的涡流，在具有交流磁场时其铁心损失非常高。通过利用层叠的常规钢片构成极片获得了某种程度的改善。
然而仍然需要进一步改善磁极片，使其不仅具有所需的直流磁性能，而且具有大大改进的交流磁性能，最重要的性能是具有较低的铁心损失。如下所述，高的磁通密度、高的导磁率和低的铁心损失这些要求的组合通过使用本发明的磁元件构成极片被实现了。
现在详细参看图1A-1C，图1A表示具有三维的基本上呈多面体形状的块状非晶体金属磁元件10。磁元件10由被层叠在一起并被退火的多个形状基本上相同的非晶体金属带材料的叠层20构成。图1B所示的磁元件具有三维的大体上是梯形的形状，并由被层叠在一起并被退火的多个尺寸和形状基本上相同的非晶体金属带材料的叠层20构成。图1C所示的磁元件包括两个相对设置的弓形表面12。元件10由被层叠在一起并被退火的多个形状基本上相同的非晶体金属带材料的叠层20构成。
本发明的块状非晶体金属磁元件10是一个总体上三维的多面体，并且可以是矩形的，方形的，或梯形的棱柱。此外，如图1C所示，元件10可以具有至少一个弓形表面12。并且如图所示可以包括两个彼此相对设置的弓形表面12。
按照本发明构成的三维磁元件10具有低的铁心损失。当在激磁频率“f”下被激励到峰值感应值“Bmax”时，所述磁元件在室温下具有小于“L”的铁心损失，其中L由下式给出：L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4，所述铁心损失，激磁频率和峰值磁感应值分别以瓦/千克，赫兹和特斯拉测量。在另一个实施例中，所述磁元件(i)当在大约60赫兹的频率和大约1.4T的磁通密度下操作时，具有每千克非晶体金属材料小于或等于大约1瓦的铁心损失；(ii)当在大约1000赫兹的频率和大约1.0T的磁通密度下操作时，具有每千克非晶体金属材料小于或等于大约12瓦的铁心损失；或者(iii)当在大约20000赫兹的频率和大约0.30T的磁通密度下操作时，具有每千克非晶体金属材料小于或等于大约70瓦的铁心损失。本发明的元件的减少的铁心损失有利地改善了包括所述元件的电气装置的效率。
低的铁心损失使得本发明的块状冲压的非晶体金属磁元件尤其适用于高频激磁的情况下，例如在至少大约100Hz的频率下进行的激磁。常规钢在高频下固有的高的铁心损失使得它们不适用于要求高频激磁的装置中。这些铁心损失性能值适用于本发明的各个实施例，而和块状非晶体金属磁元件的特定的几何结构无关。
本发明还提供一种用于制造块状冲压的非晶体金属磁元件的方法。在一个实施例中，所述方法包括以下步骤：由铁磁非晶体金属带原料冲压成所需形状的叠层，叠置所述叠层而形成三维形状的物体，应用并启动粘合装置，使叠层相互粘合而形成具有足够的机械整体性的元件，以及修整所述元件，从而除去任何多于的黏合剂，使其具有合适的表面光洁度和最终的元件尺寸。所述方法还可以包括一个选择的退火步骤，以便改善元件的磁性能。这些步骤可以按照多种不同的顺序进行，并使用包括下面提出的以及对本领域技术人员是显而易见的多种不同的技术来实施。
在历史上，有3个因素组合在一起妨碍利用冲压作为制造非晶体金属元件的方法。第一个也是最早的一个因素是，非晶体金属带和常规的磁材料带例如无定向电工钢相比较薄。使用薄的材料意味着需要更多的叠层才能构成给定形状的元件。使用较薄的材料还需要在冲压处理中利用较小的工具和冲模间隙。
第二，非晶体金属比一般的金属冲头和冲模材料硬得多。基于铁的非晶体金属的硬度一般超过1100kg/mm2。与此相比，空气冷却的、油淬火的和水淬火的工具钢的硬度范围为800-900kg/mm2。因而，非晶体金属，由于其独特的原子结构和化学性质，使得其硬度大于常规的金属冲头和冲模材料的硬度。
第三，非晶体金属在冲压期间被强制在冲头和冲模之间时在被冲下之前可以遭受严重变形而不破裂。由大的局部剪切流引起非晶体金属的变形。当在张力下变形时，例如当非晶体金属带被拉拔时，一个剪切带的形成便可以在小的总的变形下导致破坏。在张力下，可以在1％或者更小的拉长下发生破坏。不过，当以这样的方式变形，使得机械约束阻止塑性不稳定性时，例如在冲压期间在工具和冲模之间的弯曲，可以形成多个剪切带，并发生严重的局部变形。在这种变形方式下，在破坏时的延长可以局部超过100％。
当使用常规的冲压设备、常规的工具和工艺时，这后两个因素，异常大的硬度加上严重的变形，组合在一起而产生对冲床的冲头和冲模元件的巨大的磨损。在被冲下之前的变形期间，通过对着较软的冲头和冲模材料摩擦的硬的非晶体金属的直接磨蚀而发生对冲头和冲模的磨损。
本发明提供一种用于使在冲压处理期间对冲头和冲模的磨损减到最小的方法。所述方法包括以下步骤：用碳化物材料制造冲头和冲模工具，用这种方式制造所述工具，使得冲头和冲模之间分间隙小而均匀，并且以高的应变率操作所述冲压处理。用于冲头和冲模工具的碳化物材料应当具有至少为1100kg/mm2的硬度，最好具有大于1300kg/mm2的硬度。具有等于或大于非晶体金属的硬度的碳化物工具将阻止在冲压处理期间由非晶体金属引起的直接磨损，因而使得对冲头和冲模的磨损最小。冲头和冲模之间的间隙应当小于0.050mm(0.002英寸)，最好小于0.025mm(0.001英寸)。在冲压处理期间使用的应变率应当是由至少每秒一个冲程产生的应变率，并且最好是每秒5个冲程产生的应变率。对于0.025mm(0.001英寸)厚的非晶体金属带，冲程速度的这个范围大约相当于至少105/秒的变形率，最好等于5×105/秒的变形率。在冲压处理期间使用的冲头和冲模之间的小的间隙和高的应变率相组合，从而限制在冲压处理期间在冲下之前非晶体金属的机械变形的数量。限制在模具腔体内发生的非晶体金属的机械变形将限制在非晶体金属和冲头、冲模之间的之间磨损，因而使得冲头和冲模的磨损减到最小。
指定的用于本发明的元件10的非晶体金属带的磁性能可以通过在一定温度和时间内进行热处理来增强，所述温度和时间应当足以提供所需的增强，而不用改变带的基本上全部的玻璃状的微观结构。在热处理的至少一部分期间，例如至少在热处理的冷却部分期间，可以选择地对带施加磁场。
在本发明中使用的非晶体金属的热处理可以使用任何加热装置，这些装置使金属经历所需的热变化过程。合适的加热装置包括：红外热源，烤箱，流化床，和保持在高温下的散热器热接触，利用电流通过所述的金属带而实现的电阻加热，以及感应(RF)加热。加热装置的选择可以根据上述的所需处理步骤的顺序进行。
此外，热处理可以在冲压步骤之前对金属带材料进行，在冲压步骤之后但在叠置步骤之前对离散的叠层进行，或者在叠置步骤之后对层叠体进行。热处理可以在冲压步骤之前进行，此时对整卷的原料进行单独的脱机批处理，最好在烤箱或流化床内进行，或者以连续的卷对卷的方式进行处理，此时使来自送料卷的金属带通过一个加热区，并被在收料卷上接收。此外，热处理也可以在线进行，此时使来自送料卷的金属带连续地通过加热区，此后进入冲床进行随后的冲压和叠置处理。
热处理还可以在冲压步骤之后而叠置步骤之前对离散的叠层进行。在这个实施例中，优选的是，叠层从冲床输出并被直接地设置在一个运送带上，运送带使叠层通过加热区，借以使叠层经历合适的时间-温度过程。
在另一个实施例中，在离散的叠层被叠置配准之后进行热处理。对这种堆叠体进行退火的合适的加热装置包括烤箱，流化床和感应加热装置。
使用粘合装置使多个对齐的非晶体金属材料的叠层相互粘合，借以使得具有足够的结构整体性的三维物体能够被处理、使用或被包括在更大的结构中。具有多种合适的黏合剂，包括环氧树脂，清漆，厌氧性的黏合剂，和室温硬化(RTV)的硅树脂材料。黏合剂最好具有低的粘滞度、低的收缩量、低的弹性模量，高的剥离强度和高的介电强度。环氧树脂可以是由多部分构成的，其固化用化学方式启动，或者是单部分的，其固化由加热或对紫外线辐射曝光启动。用于涂覆黏合剂的合适的方法包括浸渍、喷洒、刷抹和静电淀积。也可以使呈条或带形状的非晶体金属通过一个杆或滚子的上方来涂上黏合剂，所述杆或滚子把黏合剂传递到非晶体金属上。具有有纹理的表面的所述滚子或杆，例如照相凹版或线绕滚子，用于把黏合剂的均匀涂层传递到非晶体金属上是特别有效的。黏合剂可以每次被涂覆在非晶体金属的单独的层上，或者在冲压之前涂覆在带材料上，或者在冲压之后涂覆在叠层上。此外，可以把黏合剂涂覆装置应用于被堆叠之后的层叠体。在这种情况下，层叠体的各层之间充满黏合剂的毛细流。层叠体可被置于真空中，或处在流体静压力下，以便更有效地被完全充满，并仍然使添加的黏合剂的总体积最小，因而确保高的叠置因数。
本发明的第一个实施例如图2A所示。铁磁非晶体金属带材料32的卷30被连续地通过退火炉36，在退火炉内把带的温度升高到一定数值并保持一定时间，使得足以改进带的磁性能。然后使带材料在冲头40和底部开口的冲模41之间通过自动高速冲床38。把冲头驱动进入冲模，因而形成所需形状的叠层20。此时所述叠层落下，或者被输送到一个箱盒48，并且冲头40缩回。留下带材料32的骨架33，其含有除去叠层20之后形成的孔34。骨架33被收集在收带盘31上。在完成每次冲压之后，带32被加以标记，以便准备用于下一个冲压周期的带。带材料32可以或者以单层或者以多层(未示出)送入冲床38，或者通过多次送料或者通过被预先卷成多层来以多层送入冲床。使用多层的带材料32可以有利地减少用于生产给定数量的叠层所需的冲程的数量。随着冲压处理的继续，许多叠层20被以足够对准的方式收集在箱盒48中。在冲制所需数量的叠层20并堆积在箱盒48中之后，则中断冲床38的操作。所需的数量或者被预先选择，或者由堆积在箱盒48内的叠层20的高度确定。然后把箱盒48从冲床38上除去，以便进行进一步处理。可以使低的粘滞度的热激活的环氧树脂(未示出)在叠层20之间的空间内渗透，所述叠层20被箱盒48的壁保持对齐。然后把通过整个的箱盒48和其中包含的叠层20在热源下暴露一定时间，使得环氧树脂被激活，从而使环氧树脂固化。现在叠层20的堆叠体10(见图1A-1C)被除去，并借助于除去任何过量的环氧树脂修整堆叠体10的表面。
第二实施例如图2B所示。铁磁非晶体金属带材料32的卷30被连续地通过退火炉36，在退火炉内把带的温度升高到一定数值并保持一定时间，使得足以改进带32的磁性能。然后使带32通过黏合剂涂覆装置50，黏合剂涂覆装置包括照相凹版的滚子52，其上涂覆有来自黏合剂容器54内的低粘滞度的热激活的环氧树脂。因而，环氧树脂被从滚子52传递到带32的下表面上。在退火炉36和黏合剂涂覆装置50之间的距离足以使带32在通过期间冷却到至少低于环氧树脂的热激活温度。此外，可以使用冷却装置(未示出)来实现带32在退火炉36和涂覆装置50之间的更快的冷却。然后使带材料32在冲头40和底部开口的冲模41之间通过自动高速冲床38。把冲头驱动进入冲模，因而形成所需形状的叠层20。此时所述叠层落下，或者被输送到一个箱盒48，并且冲头40缩回。留下带材料32的骨架33，其含有除去叠层20之后形成的孔34。骨架33被收集在收带盘31上。在完成每次冲压之后，带32被加以标记，以便准备用于下一个冲压周期的带。随着冲压处理的继续，许多叠层20被以足够对准的方式收集在箱盒48中。在冲制所需数量的叠层20并堆积在箱盒48中之后，则中断冲床38的操作。所需的数量或者被预先选择，或者由堆积在箱盒48内的叠层20的高度确定。然后把箱盒48从冲床38上除去，以便进行进一步处理。可以使附加的低的粘滞度的热激活的环氧树脂(未示出)在叠层20之间的空间内渗透，所述叠层20被箱盒48的壁保持对齐。然后把通过整个的箱盒48和其中包含的叠层20在热源下暴露一定时间，使得环氧树脂被激活，从而使环氧树脂固化。现在叠层20的堆叠体10(见图1A-1C)被除去，并借助于除去任何过量的环氧树脂修整堆叠体10的表面。
第三实施例如图2C所示。铁磁非晶体金属带首先在惰性气体烤箱(未示出)内在预定的温度和预定的时间内被退火，使得足以改善其磁性能，而不改变基本上全部的玻璃状的微观结构。经过热处理的金属带32被从带卷30被送入自动高速冲床38的冲头40和底部开口的冲模41之间。把冲头驱动进入冲模，因而形成所需形状的叠层20。此时所述叠层20落下，或者在冲模41的外部被输送到一个收集装置49，并且使冲头40缩回。收集装置49可以是一个输送带，如图2C所示，或者可以是一个用于收集叠层20的容器。留下带材料32的骨架33，其含有除去叠层20之后形成的孔34。骨架33被收集在收带盘31上。在完成每次冲压之后，带32被加以标记，以便准备用于下一个冲压周期的带。冲压处理被继续，直到预定数量的叠层20被收集的容器中，然后停止冲压周期。然后每个叠层20的一侧可以手动地涂覆厌氧性的黏合剂，并使所述叠层在一个对齐的固定装置(未示出)中在对准的状态下叠置。使所述黏合剂固化，现在叠层20的堆叠体10被从对齐固定装置中除去，并借助于除去任何过量的环氧树脂修整堆叠体10的表面。
另一个实施例如图2D所示。铁磁非晶体金属带材料32的卷30被连续地在冲头40和底部开口的冲模41之间送入自动高速冲床38。把冲头驱动进入冲模，因而形成所需形状的叠层20。此时所述叠层20落下，或者被输送到一个箱盒48，并且冲头40缩回。留下带材料32的骨架33，其含有除去叠层20之后形成的孔34。骨架33被收集在收带盘31上。在完成每次冲压之后，带32被加以标记，以便准备用于下一个冲压周期的带。带材料32可以或者以单层或者以多层(未示出)送入冲床38，或者通过多次送料或者通过被预先卷成多层来以多层送入冲床。使用多层的带材料32可以有利地减少用于生产给定数量的叠层所需的冲程的数量。冲压处理被继续，许多叠层20被以足够对准的方式收集在箱盒48中。在冲制所需数量的叠层20并堆积在箱盒48中之后，则中断冲床38的操作。所需的数量或者被预先选择，或者由堆积在箱盒48内的叠层20的高度确定。然后把箱盒48从冲床38上除去，以便进行进一步处理。在一种实施方法中，箱盒48和其中的叠层20被置于惰性气体烤箱(未示出)内，在预定的温度和预定的时间内被退火，使得足以改善其磁性能，而不改变基本上全部的玻璃状的微观结构。箱盒和叠层然后被冷却到环境温度。可以使低的粘滞度的热激活的环氧树脂(未示出)在叠层20之间的空间内渗透，所述叠层20被箱盒48的壁保持对齐。然后通过把整个的箱盒48和其中的叠层20置于固化炉中一个足够的时间，使环氧树脂被激活，以便实现环氧树脂的固化。现在叠层20的堆叠体10(见图1A-1C)被除去，并借助于除去任何过量的环氧树脂修整堆叠体10的表面。
按照本发明构成的块状非晶体金属磁元件尤其适用于高性能的MRI系统、电视和视频系统、以及电子束和离子束系统中的极面磁体的瓦片。简化了磁元件的制造，缩短了制造时间。减少在所述块状非晶体金属磁元件制造期间遭受的应力，并优化最终的块状非晶体金属磁元件的性能。
本发明的块状冲压的非晶体金属磁元件10可以使用许多非晶体金属合金制造。一般地说，适用于按照本发明构成的磁元件10的合金由通式M70-85Y5-20Z0-20限定，下标是原子百分数，其中M至少是Fe，Ni和Co中的一种，Y至少是B，C和P中的一种，Z至少是Si，Al和Ge中的一种；附带条件是：(i)多达10个原子百分数的成分M可以由金属物质Ti，V，Cr，Mn，Cu，Zr，Nb，Mo，Ta，Hf，Ag，Au，Pd，Pt和W中的至少一种代替，(ii)多达10个原子百分数的成分(Y+Z)的可由非金属物质In，Sn，Sb和Pb中的至少一种代替，以及(iii)大约1个原子百分数的成份(M+Y+Z)可以是附带的杂质。这里使用的术语“非晶体金属合金”指的是这样一种金属合金，其基本上没有任何长范围的顺序(order)，其特征在于，它们的X射线衍射强度最大值定性地类似于对于液体或无机氧化物玻璃观察到的最大值。
适用于实施本发明的合金在所述元件要被使用的温度下是铁磁的。铁磁材料是一种这样的材料，在该材料的特征温度(一般称为居里温度)以下的温度下，其具有其构成原子的磁矩的强的长范围的耦联(long-range coupling)和空间排列。最好是，要在室温下操作的装置中使用的材料的居里温度至少大约为200℃，至少大约为375℃更好。如果这里包括的材料具有合适的居里温度，这些装置可以在其它的温度下操作，包括低到冷冻温度或者高温温度。
如同本领域所知，铁磁材料的特征还在于其饱和磁感应，或者等效地，在于其饱和磁通密度或磁化强度。适用于本发明的合金优选地具有至少大约1.2T的饱和磁感应，更优选地具有至少大约1.5T的饱和磁感应。所述合金还具有高的电阻率，优选地具有至少大约100μΩ-cm，更优选地具有至少大约130μΩ-cm的电阻率。
非晶体金属合金在市场上是可以得到的，其一般呈连续的薄带的形式，宽度可达20厘米或更宽，厚度大约为20-25微米。这些合金基本上全部具有玻璃状的微观结构(例如大约至少80％的体积的材料具有非晶体结构)。最好是，所述合金基本上100％的材料具有非晶体结构。非晶体结构的体积百分数可以由本领域中已知的方法确定，例如X射线，中子或电子衍射，透射电子显微镜，或者差动扫描测热技术。其中M是铁，Y是硼，Z是硅的合金能够以低的成本实现最高的感应值。为此，由铁硼硅合金构成的非晶体金属带是优选的。更具体地说，这样的合金是优选的：其含有至少70个原子百分数的Fe，至少5个原子百分数的B，和至少5个原子百分数的Si，附带条件是：B和Si的总量至少为15个原子百分数。最优选的是这样的非晶体金属带，其成分主要由大约11个原子百分数的硼和大约9个原子百分数的硅，其余部分是铁和附带的杂质构成。这种具有大约1.56T的饱和磁感应和大约137μΩ-cm的电阻率的带由Honeywell InternationalInc.出售，商标为METLAS合金2605SA-1。本领域的技术人员应当理解，本发明的实施例，其需要连续的、自动地通过冲床送入带原料，可以方便地使用例如作为薄的带卷供给的非晶体金属。此外，本发明可以利用其它形式的原料和其它的馈给方法来实施，包括手动地送入长度较短的带或者具有不均匀的宽度的其它形状的带。
包括具有一个或几个极面磁体的电磁体系统通常用于在电磁体的间隙中产生时变磁场。所述时变磁场可以完全是交流磁场，即其时间平均值是0的磁场。选择地，时变磁场可以具有非零的时间平均值，一般被称为磁场的直流分量。在所述电磁体系统中，至少一个极面磁体处于时变磁场下。结果，在每个激磁周期，极面磁体被磁化和去磁。在极面磁体内的时变磁通密度或磁感应由其中的铁心损失而产生热量。在由多个块状磁元件构成的极面的情况下，总的损失由两部分构成，一部分是如果在孤立状态下处于交流磁通波形下时在每个元件内产生的铁心损失，另一部分是在元件之间提供电的连续性的路径中循环的涡流引起的损失。
块状非晶体磁元件比由其它铁基磁材料制成的元件能够更有效地磁化和去磁。当用作磁极磁体时，块状非晶体金属元件和由其它的铁基磁金属制造的可比的元件相比，当二者在相同的磁感应和激磁频率下被磁化时，块状非晶体金属元件将产生较小的热量。此外，在本发明中优先使用的铁基非晶体金属和其它低损耗的软磁材料相比，例如坡莫合金，其饱和磁感应一般是0.6-0.9T，具有大得多的饱和磁感应。因此，和由其它的铁基磁金属制成的磁元件相比，块状非晶体金属元件可被设计用于在下述条件下操作：1)较低的操作温度；2)较高的磁感应，以便减小体积和重量；或者3)较高的激磁频率，以便减小体积和重量，或者实现优异的信号分辨率。
现有技术认为，在由细长的铁磁棒构成的磁极件中的涡流可以通过插入不导电的材料使这些铁磁棒相互绝缘来减小。本发明提供了总损耗的进一步的实质性减小，这是因为，使用本发明教导的材料和构造方法在由其它材料和构造方法制成的现有技术中的元件具有的损耗的基础上又减小了在每个元件内产生的损耗。
如本领域中熟知的那样，铁心损失是当铁磁材料的磁化强度随时间改变时发生在铁磁材料内的能量消耗。给定的磁元件的铁心损失一般通过对所述元件进行循环激磁来确定。对元件施加时变磁场，从而在其中产生相应的时变磁感应或磁通密度。为了使测量标准化，所述激磁一般这样选择，使得磁感应在频率“f”和峰值“Bmax”下随时间按正弦变化。然后使用已知的电气测量仪器和技术确定铁心损失。铁心损失一般用被激磁的每单位质量或者每单位体积的磁材料的瓦数表示。在本领域中熟知，铁心损失随f和Bmax单调增加。用于测试在极面磁体的元件中使用的软磁材料的铁心损失的最标准的规程(例如ASTM标准A912-93和A927(A927M-94))要求所述材料的试样位于基本上闭合的磁路中，即要求一种这样的配置，其中闭合的磁力线完全包含在试样的体积内。在另一方面，使在元件例如极面磁体中使用的磁材料位于一个开路的磁路中，即其中磁力线必须穿过空气隙的一种配置。因为磁场的边缘效应和非均匀性，和在闭路中的测量相比，在开路中测试的给定材料一般具有较高的铁心损失，即每单位质量或体积较高的瓦数值。本发明的块状磁元件甚至在开路的配置中也在宽的磁通密度和频率范围内具有低的铁心损失。
没有任何理论的约束，据信本发明的低损耗的块状非晶体金属元件的总的铁心损失由磁滞损失和涡流损失构成。这两种贡献都是峰值磁感应Bmax和激磁频率f的函数。每个贡献的数量又取决于外界因素，其中包括元件的制造方法和在元件中使用的材料的热过程。现有技术中对于非晶体金属的铁心损失的分析(见G.E.Fish，.J.Appl.Phys.57，3569(1985)和G.E.Fish et al.，J.，Appl.Phys.64，5370(1998))一般局限于磁材料在闭合磁路中获得的数据。在这些分析中看到的低的磁滞和涡流损失部分是由于非晶体金属的高的电阻率带来的。
本发明的块状非晶体金属元件的每单位质量的总的铁心损失L(Bmax，f)基本上可以由以下形式的函数确定：
L(Bmax，f)＝c1f(Bmax)n+c2 fq(Bmax)m
其中系数c1和c2，以及指数n，m和q必须由实验确定，因为没有已知的理论能够精确地确定它们的值。使用这个公式使得能够确定在任何所需的操作磁感应和激磁频率下的本发明的块状非晶体金属元件的总的铁心损失。基本上发现，在特定的几何结构的块状非晶体金属元件中的磁场在空间是不均匀的。例如本领域中已知的有限元模拟技术能够提供接近在实际的块状非晶体金属元件中测量的磁通密度分布的峰值磁通密度的在空间和时间上的改变的估算。通过使用合适的在空间均匀的磁通密度下给出材料的铁心损失的实验公式作为输入，这些技术能够以合适的精度预测给定元件在其操作配置下的相应的铁心损失。
本发明的磁元件的铁心损失的测量可以使用本领域中已知的许多方法进行测量。一种适用于测量本发明的磁元件的方法包括形成具有本发明的磁元件和磁通闭合结构装置的磁路。在另一种方法中，所述磁路可以包括多个本发明的磁元件和在操作上的磁通闭合结构装置。一般地说，所述磁通闭合结构装置包括具有高的导磁率和至少等于要被检测的磁元件的磁密的饱和磁密的软磁材料。最好是所述软磁材料具有至少等于元件的饱和磁密。这样的磁通的方向一般确定了元件的第一和第二相对表面，所述元件沿着所述方向被检测。磁力线沿着基本上垂直于第一相对表面的平面的方向进入元件。磁力线一般跟随元件的非晶体金属带的平面，并从第二个相对表面穿出。磁通闭合结构装置一般包括磁通闭合磁元件，其最好按照本发明构成，但是也可以按照其它的方法使用本领域已知的材料构成。磁通闭合磁元件也具有第一和第二相对的表面，通过这些表面磁力线沿基本上垂直于所述表面的方向进入和穿出。磁通闭合磁元件的相对表面的尺寸和形状和在实际测试期间和磁通闭合元件匹配的磁元件的各个表面的尺寸和形状基本相同。磁通闭合磁元件和本发明的磁元件呈匹配关系，其第一和第二表面分别紧靠并基本上邻接本发明的磁元件的第一和第二表面。通过在环绕本发明的磁元件或磁通闭合元件的第一绕组输入电流来提供磁势。由在环绕被测试的磁元件的第二绕组感应的电压按照法拉第定律确定最终的磁通密度。由所述磁势和安培定律确定施加的磁场。然后由施加的磁场和所得的磁通密度利用常规的方法计算铁心损失。
参见图3，其中示出了用于实现上述测试方法的一种形式的装置60，其不需要磁通闭合结构装置。装置60包括4个本发明的块状冲压的非晶体金属磁元件10。每个元件10是正圆环圆柱的一部分，具有图1C所示形状的弓形表面12。每个元件具有第一相对表面66a和第二相对表面66b。所述元件10按照匹配的关系被设置，从而形成装置60，其基本上呈正圆环圆柱的形状。每个元件10的第一相对表面66a紧接和其相邻的元件10的相应的第一相对表面66a，并基本上和其平行地对齐。因而元件10的4组相邻的表面限定了4个沿装置60的圆周等间距分布的间隙64。元件10的匹配关系可以借助于带62固定。装置60形成具有4个导磁部分(每个包括一个元件10)和4个间隙64的磁路。两个铜线绕组(未示出)通过装置60环形地缠绕。在第一个绕组内通以合适大小的交流电流，从而提供在所需频率和峰值磁密下激励所述装置的磁动势。磁力线基本上在带20的平面内，并沿着圆周的方向。在第二个绕组内感应出表示在每个元件10内的时变磁通密度的电压。由测量的电压和电流值利用常规的电子装置确定总的铁心损失，并将铁心损失平均分配到4个元件10中。
为了更完整地理解本发明，下面给出一些例子。其中特定的技术、条件、材料、比例和报告数据用于说明本发明的原理和实施，它们只是一些例子，不应当构成对本发明的范围的限制。
例1
冲压的非晶体金属弓形元件的制备和电磁测试
Fe80B11Si9铁磁非晶体金属带，大约60毫米宽，0.022毫米厚，被冲压而形成各个叠层，每个叠层具有90度的环面部分的形状，具有100mm的外径和75mm的内径。大约500个叠层被堆叠并被对齐而形成90度的正圆环圆柱的弓形部分，其高度为12.5mm，外径为100mm，内径为75mm，如图1C所示。所述圆柱部分的装置被置于一个固定装置中，并在氮气中被退火。所述退火包括：1)把装置加热到365℃；2)在大约365℃的温度下保持大约2小时；以及3)使所述装置冷却到环境温度。所述圆柱部分装置从所述固定装置中被除去。把所述圆柱部分装置置于第二个固定装置中，利用环氧树脂溶液进行真空浸渍，并在120℃下固化大约4.5小时。当完全固化后，把圆柱部分装置从第二固定装置中除去。所得的环氧树脂粘结的非晶体金属圆柱部分装置的重量大约为70g。重复上述的处理，使得共形成4个这种装置。所述4个装置被呈匹配关系设置和捆绑，从而形成基本上为圆柱形的具有4个等间距的间隙的测试装置，如图3所示。把一次和二次电绕组固定到所述圆柱测试装置上，进行电测试。
所述测试装置当在大约60赫兹的频率，大约1.4T的磁密下操作时，具有小于每千克非晶体金属材料1瓦的铁心损失，在大约1000赫兹的频率，大约1.0T的磁密下操作时，具有小于每千克非晶体金属材料12瓦的铁心损失，在大约20000赫兹的频率，大约0.30T的磁密下操作时，具有小于每千克非晶体金属材料70瓦的铁心损失。本发明的元件的低的铁心损失使得其适用于构成磁极面。
例2
冲压的非晶体金属弓形元件的高频电磁测试
制备如例1所述的具有4个冲压的非晶体金属弓形元件的圆柱测试装置。在所述测试装置上设置一次和二次电绕组。在60，1000，5000，和20000赫兹和不同的磁密下进行电测试。铁心损失值被编辑在下面的表1，2，3和4中。如表3和表4所示，在5000赫兹或更高的激励频率下，铁心损失格外低。因而，本发明的磁元件尤其适用于MRI系统的极面磁体。
表1
在60Hz时的铁心损失(W/kg)
  材料
磁通密度   非晶体Fe80B11Si9(22μm)   晶体Fe-3％Si(25μm)   晶体Fe-3％Si(50μm)   晶体Fe-3％Si(175μm)   晶体Fe-3％Si(275μm)
  National-ArnoldMagnetics Silectron   National-ArnoldMagnetics Silectron   National-ArnoldMagnetics Silectron   National-ArnoldMagnetics 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
在1000Hz时的铁心损失(W/kg)
  材料
磁通密度   非晶体Fe80B11Si9(22μm)   晶体Fe-3％Si(25μm)   晶体Fe-3％Si(50μm)   晶体Fe-3％Si(175μm)   晶体Fe-3％Si(275μm)
  National-ArnoldMagnetics Silectron   National-ArnoldMagnetics Silectron   National-ArnoldMagnetics Silectron   National-ArnoldMagnetics 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
在5000Hz时的铁心损失(W/kg)
  材料
磁通密度   非晶体Fe80B11Si9(22μm)  晶体Fe-3％Si(25μm)   晶体Fe-3％Si(50μm)   晶体Fe-3％Si(175μm)
 National-ArnoldMagnetics Silectron   National-ArnoldMagnctics Silcctron   National-ArnoldMagnetics Silectron
  0.04T   0.25  0.33   0.33   1.3
  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
在20000Hz时的铁心损失(W/kg)
  材料
磁通密度   非晶体Fe80B11Si9(22μm)   晶体Fe-3％Si(25μm)   晶体Fe-3％Si(50μm)   晶体Fe-3％Si(175μm)
  National-ArnoldMagnetics Silectron   National-ArnoldMagnetics Silectron   National-ArnoldMagnetics 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   88
  0.20T   35   57   82
  0.30T   70   130
例3
低损耗的块状非晶体金属磁元件的高频性能
利用常规的非线性回归方法对上述的例2中取得的铁心损失数据进行了分析。确定由Fe80B11Si9非晶体金属带构成的低损耗的块状非晶体金属磁元件的铁心损失基本上由以下的函数限定：
L(Bmax，f)＝c1f(Bmax)n+c2 fq(Bmax)m.
选择系数c1，c2和指数n，m和q的合适的值，从而确定块状非晶体金属磁元件的磁损失的上限。表5引用了例2的元件测量的损失和由上式预测的损失，其单位是瓦/千克。作为f(Hz)和Bmax(T)的函数的预测的损失利用系数c1＝0.0074，c2＝0.000282，指数n＝1.3，m＝2.4，q＝1.5。例2的块状非晶体金属磁元件的测量的损失小于由公式预测的相应的损失。
表5
  点   Bmax(特斯拉)   频率(Hz)   测得的铁心损失(W/kg)   预测的铁心损失(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   1000   1.92   2.04
  7   0.5   1000   4.27   4.69
  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
上面对本发明进行了详细说明，应当理解，不必严格地限制于这些细节，不脱离权利要求书限定的构思，可以作出各种改变和改型。

Claims (8)

1.一种低损耗的块状非晶体金属磁元件，包括多个相同的由铁磁非晶体金属带冲压成的叠层，所述叠层被叠置并用黏合剂粘合在一起从而形成多面体形状的部件，和
其中所述元件当在激磁频率“f”下被激励到峰值磁感应值Bmax时，具有小于L的铁心损失，其中L由公式L＝0.0074f(Bmax)1.3+0.000282f1.5(Bmax)2.4给出，所述铁心损失、激磁频率和峰值磁感应值的单位分别是瓦/千克、赫兹和特斯拉。
2.如权利要求1所述的块状非晶体金属磁元件，其中所述铁磁非晶体金属带具有由通式M70-85Y5-20Z0-20限定的成分，下标是原子百分数，其中M是Fe，Ni和Co中的至少一种，Y是B，C和P中的至少一种，Z是Si，Al和Ge中的至少一种；附带条件是：(i)多达10个原子百分数的成分M可以由金属物质Ti，V，Cr，Mn，Cu，Zr，Nb，Mo，Ta，Hf，Ag，Au，Pd，Pt和W中的至少一种代替，以及(ii)多达10个原子百分数的成分(Y+Z)可由非金属物质In，Sn，Sb和Pb中的至少一种代替，以及(iii)多达1个原子百分数的成分(M+Y+Z)可以是伴随的杂质。
3.如权利要求2所述的块状非晶体金属磁元件，其中每个所述铁磁非晶体金属带具有这样的成分，其中含有至少70个原子百分数的Fe，至少5个原子百分数的B，和至少5个原子百分数的Si，附带条件是，B和Si的总含量最少为15个原子百分数。
4.如权利要求3所述的块状非晶体金属磁元件，其中每个所述铁磁非晶体金属带具有由通式Fe80B11Si9限定的成分。
5.如权利要求1所述的块状非晶体金属磁元件，其中所述块状非晶体金属磁元件具有三维多面体的形状，其具有至少一个矩形的截面。
6.如权利要求1所述的块状非晶体金属磁元件，其中所述块状非晶体金属磁元件具有三维多面体的形状，其具有至少一个梯形的截面。
7.如权利要求1所述的块状非晶体金属磁元件，其中所述块状非晶体金属磁元件具有三维多面体的形状，其具有至少一个方形的截面。
8.如权利要求1所述的块状非晶体金属磁元件，其中所述块状非晶体金属磁元件包括至少一个弓形表面。
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