[发明专利]铁基高饱和感应非晶态合金

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2005年2月17日提交的美国申请序列号11/059,567和2005年12月30日提交的美国申请序列号11/320,744的优先权，这两个申请所公开的内容通过引用结合到本文中来。

发明背景

1.发明领域

本发明涉及一种铁基非晶态合金，所述合金的饱和感应超过1.6特斯拉且适用于磁性装置(包括变压器、发动机和发电机、脉冲发生器和压缩机)、磁力开关、磁力感应器(用于扼流线圈、能量存储和传感器)。

2.相关技术描述

铁基非晶态合金用于电力变压器、工业变压器、基于磁力开关和电扼流线圈的脉冲发生器和压缩机。在电力变压器和工业变压器中，在频率为50/60Hz的交流电下运行，铁基非晶态合金无负载或磁芯损耗为广泛用于相同应用的常规硅钢的约1/4。由于这些变压器1天运行24小时，因此使用这些磁性装置可显著降低全世界的总变压器损耗。损耗降低意味着产生的能量较少，反过来可理解为减少CO₂的排放。

例如根据位于法国巴黎的国际能量机构近期的研究，2000年，仅在经济合作与发展组织(OECD)国家通过替代所有现有的硅钢基的装置，估计可节省能量约150TWh，相应于减少CO₂气体约75×10⁶吨/年。基于现有的富含铁的非晶态合金的变压器磁芯材料的饱和感应B_s小于1.6特斯拉。饱和感应B_s定义为当通过施加场H激励磁性材料时，在其磁饱和下的磁感应B。与常规的晶粒取向的硅钢的B_s为约2特斯拉相比，非晶态合金的饱和感应较低，导致变压器磁芯尺寸增加。因此，希望铁基非晶态合金的饱和感应水平增至高于目前的1.56-1.6特斯拉水平。

在发动机和发电机中，在转子和定子之间的空隙内，大量的磁通量或感应损耗。因此，希望使用饱和感应或通量密度尽可能高的磁性材料。在这些装置中饱和感应或通量密度较高意味着装置尺寸较小，这点是优选的。

用于脉冲发生和压缩的磁力开关需要高饱和感应、BH矩形比(定义为在H＝0下的磁感应B与B_s的比率)高、在AC激励下磁损耗低且矫顽磁力H_c(定义为磁感应B变为零的场)小且在高脉冲速率激励下磁损耗低的磁性材料。尽管市售的铁基非晶态合金已用于这些类型的应用，即用于粒子加速器的磁力开关磁芯，但希望B_s值大于1.56-1.6特斯拉，以获得与B_s值直接成比例的较高的粒子加速电压。较低的矫顽磁力H_c和较高的BH矩形比意味着磁力开关操作需要较低的输入能量。此外，在AC激励下磁损耗较低提高了脉冲发生和压缩电路的总体效率。因此，非常需要一种饱和感应B_s大于1.6特斯拉的铁基非晶态合金，其H_c尽可能小且矩形比B(H＝0)/B_s尽可能高、AC磁损耗低。脉冲发生和压缩的磁性要求以及与候选磁性材料的实际比较概述于A.W.Melvin和A.Flattens的Physical ReviewSpecial Topics-Accelerators and Beams，第5卷，080401(2002)。

在用作电扼流线圈的磁力感应器和用于临时能量存储时，磁芯材料的饱和感应较高意味着载流能力提高或对于给定的载流极限装置尺寸减小。当这些装置在高频率下工作时，磁芯材料的磁芯损耗必须低。因此，在这些应用中优选高饱和感应且在AC激励下低磁芯损耗的磁性材料。

在磁性材料的传感器应用中，高饱和感应意味着传感信号的水平高，这点为小传感装置达到灵敏度所必需。如果传感器装置在高频率下工作，则还需要AC磁损耗低。在传感器应用中，非常需要高饱和感应且AC磁损耗低的磁性材料。

在所有的上述应用中，而上述应用仅为材料的几个有代表性的磁性应用，需要AC磁损耗低的高饱和感应材料。因此，本发明的一方面提供了基于铁基非晶态合金的材料，所述材料的饱和磁感应水平超过1.6斯特拉，接近市售的非晶态铁基合金的上限。