Giáo trình Vật liệu điện (Nghề Điện công nghiệp Cao đẳng)

BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ XÂY DỰNG GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: VẬT LIỆU ĐIỆN NGÀNH/NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo định số: … /QĐ … ngày … tháng … năm … Hiệu trưởng Quảng Ninh, năm 2021 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình (bài giảng) nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình Vật liệu điện môn học chuyên ngành biên soạn dựa chương trình khung chương trình chi tiết trường Cao Đẳng nghề Xây dựng ban hành năm 2021 dành cho hệ Cao Đẳng Nghề Điện công nghiệp Giáo trình biên soạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên giáo trình xây dựng mức độ đơn giản dễ hiểu Khi biên soạn, nhóm biên soạn dựa kinh nghiệm giảng dạy, tham khảo đồng nghiệp tham khảo nhiều giáo trình có để phù hợp với nội dung chương trình đào tạo nhà trường phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết biên soạn gắn với nhu cầu thực tế Giáo trình gồm chương: Chương 1: Khái niệm vật liệu điện Chương 2: Vật liệu cách điện Chương Vật liệu dẫn điện Chương Vật liệu dẫn từ Giáo trình tài liệu giảng dạy tham khảo tốt cho ngành thuộc lĩnh vực điện dân dụng, điện tử cơng nghiệp, điện tử, khí cán vận hành sửa chữa máy điện Mặc dù nhóm tác giả có nhiều cố gắng, song thiếu sót khó tránh Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô giáo bạn đọc để giáo trình hồn thiện hơn! Mọi đóng góp xin gửi Khoa Điện – Điện tử Trường Cao đẳng nghề Xây dựng theo hòm thư: khoadiencdnxd@gmail.com Quảng Ninh, ngày tháng năm 2021 Tham gia biên soạn Chủ biên: ThS Vũ Thị Thơ Tham gia: MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU……………………………………………………………… I Vị trí, tính chất môn học …………………………………………………… II Mục tiêu môn học …………………………………………………………… III Nội dung môn học ………………………………………………………… CHƯƠNG KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN ……………………………… 2.1 Khái niệm vật liệu điện ………………………………………………… 2.1.1 Khái niệm…………………………………………………………………… 2.1.2 Cấu tạo nguyên tử vật liệu……………………………………………… 2.1.3 Cấu tạo phân tử……………………………………………………………… 10 2.1.4 Khuyết tật cấu tạo vật rắn…………………………………………… 13 2.1.5 Lý thuyết phân vùng lƣợng vật rắn…………………………… 14 2.2 Phân loại vật liệu điện………………………………………………………… 15 2.2.1 Phân loại theo khả dẫn điện…………………………………………… 15 2.2.2 Phân loại theo từ tính ……………………………………………………… 15 2.2.3 Phan loại theo trạng thái vật thể …………………………………………… 16 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 16 CHƯƠNG VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN …………………………………………… 17 2.1 Khái niệm phân loại vật liệu cách điện…………………………………… 17 2.1.1 Khái niệm…………………………………………………………………… 17 2.1.2 Phân loại vật liệu cách điện………………………………………………… 17 2.2 Tính chất chung vật liệu cách điện……………………………………… 18 2.2.1 Tính hút ẩm vật liệu cách điện………………………………………… 18 2.2.2 Tính chất học vật liệu cách điện…………………………………… 20 2.2.3 Tính chất hóa học vật liệu cách điện…………………………………… 21 2.3 Một số vật liệu cách điện thông dụng………………………………………… 21 2.3.1 Vật liệu sợi………………………………………………………………… 21 2.3.2 Giấy tơng…………………………………………………………… 21 2.3.3 Phíp………………………………………………………………………… 22 2.3.4 Amiăng, xi măng amiăng…………………………………………………… 22 2.3.5 Vải sơn băng cách điện………………………………………………… 23 2.3.6 Chất dẻo……………………………………………………………………… 23 2.3.7 Nhựa cách điện……………………………………………………………… 25 2.3.8 Dầu cách điện……………………………………………………………… 28 2.3.9 Sơn hợp chất cách điện……………………………………………… 29 2.3.10 Chất đàn hồi……………………………………………………………… 31 2.3.11 Điện môi vô cơ…………………………………………………………… 32 2.3.12 Vật liệu cách điện gốm sứ………………….……………………… 33 2.3.13 Mica vật liệu sở Mica…………………………………… 34 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 36 CHƯƠNG VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN ……………………………………………… 37 2.1 Khái niệm tính chất vật liệu dẫn điện………………………………… 37 2.1.1 Khái niệm vật liệu dẫn điện……………………………………………… 37 2.1.2 Tính chất vật liệu dẫn điện……………………………………………… 38 2.1.3 Các tác nhân mơi trƣờng ảnh hƣởng đến tính dẫn điện vật liệu……… 39 2.1.4 Hiệu điện tiếp xúc sức nhiệt động…………………………………… 40 2.2.Tính chất chung kim loại hợp kim…………………………………… 42 2.2.1 Tầm quan trọng kim loại hợp kim………………………………… 42 2.2.2 Các tính chất……………………………………………………………… 42 2.3 Những hư hỏng thường cách chọn vật liệu dẫn điện…………………… 44 2.3.1 Những hư hỏng thường gặp……………………………………………… 44 2.3.2 Cách chọn vật liệu dẫn điện……………………………………………… 44 2.4 Một số vật liệu dẫn điện thông dụng………………………………………… 44 2.4.1 Đồng hợp kim đồng……………………………………………………… 45 2.4.2 Nhôm hợp kim nhơm…………………………………………………… 48 2.4.3 Chì hợp kim chì………………………………………………………… 51 2.4.4 Sắt (Thép)………………………………………………………………… 52 2.4.5 Wonfram…………………………………………………………………… 53 2.4.6 Kim loại dùng làm tiếp điểm cổ góp…………………………………… 54 2.4.7 Hợp kim có điện trở cao chịu nhiệt…………………………………… 55 2.4.8 Lưỡng kim………………………………………………………………… 56 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG ………………………………………………… 57 CHƯƠNG VẬT LIỆU DẪN TỪ ……………………………………………… 58 2.1 Khái niệm tính chất vật liệu dẫn từ……………………………………… 58 2.1.1 Khái niệm………………………………………………………………… 58 2.1.2 Tính chất vật liệu dẫn từ…………………………………………………… 59 2.1.3 Các đặc tính vật liệu dẫn từ…………………………………………… 59 2.1.4 Đường cong từ hóa……………………………………………………… 61 2.2 Mạch từ tính tốn mạch từ……………………………………………… 62 2.2.1 Các công thức bản……………………………………………………… 62 2.2.2 Sơ đồ thay mạch từ………………………………………………… 63 2.2.3 Mạch từ xoay chiều………………………………………………………… 64 2.2.4 Những hư hỏng thường gặp……………………………………………… 66 2.3 Một số vật liệu dẫn từ thông dụng………………………………………… 66 2.3.1 Vật liệu sắt từ mềm……………………………………………………… 66 2.3.2 Vật liệu sắt từ cứng……………………………………………………… 67 2.3.3 Các vật liệu sắt từ có cơng dụng đặc biệt………………………………… 68 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG ………………………………………………… 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………………… 71 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC VẬT LIỆU ĐIỆN Tên mơn học: Vật liệu điện Mã số môn học: MH09 Thời gian thực môn học: 30giờ; (Lý thuyết: 23 giờ; Bài tập, thảo luận: giờ, Kiểm tra: giờ) I Vị trí tính chất mơn học: - Vị trí: Mơn học đƣợc bố trí học song song với mơn học, mơ đun sở: Điện kỹ thuật, Khí cụ điện, Kỹ thuật điện tử bản, Kỹ thuật đo lƣờng điện - Tính chất: Là mơn học sở nghề II Mục tiêu môn học: - Về kiến thức : + Trình bày đặc tính loại vật liệu điện + Trình bày đƣợc dạng nguyên nhân gây hƣ hỏng vật liệu điện - Về kỹ : + Nhận dạng đƣợc loại vật liệu điện thông dụng + Phân loại đƣợc loại vật liệu điện thông dụng + Sử dụng thành thạo loại vật liệu điện + Xác định dạng nguyên nhân gây hư hỏng vật liệu điện + Tính chọn, thay vật liệu điện - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Tích cực, chủ động cơng việc đƣợc giao + Có tinh thần hợp tác tích cực q trình thực cơng việc III Nội dung mơn học: CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN Mục tiêu: - Kiến thức: + Trình bày khái niệm vật liệu điện, cấu tạo nguyên tử phân tử vật liệu điện, lý thuyết phân vùng lượng vật rắn - Kỹ năng: + Nhận dạng loại vật liệu điện + Phân loại xác loại vật liệu điện dùng cơng nghiệp dân dụng - Năng lực tự chủ trách nhiệm: + Nghiêm túc học tập, ghi chép đầy đủ Nội dung chương: 2.1 Khái niệm vật liệu điện 2.1.1 Khái niệm Vật liệu điện tất chất liệu dùng để sản xuất thiết bị sử dụng lĩnh vực ngành điện Thường phân vật liệu theo đặc điểm, tính chất cơng dụng nó, thường vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện vật liệu dẫn từ 2.1.2 Cấu tạo nguyên tử vật liệu Như biết, vật chất cấu tạo từ nguyên tử phân tử Nguyên tử phần tử vật chất Theo mô hình nguyên tử Bohr, nguyên tử cấu tạo hạt nhân mang điện tích dương điện tử (êlectron e) mang điện tích âm, chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo định Hạt nhân nguyên tử tạo nên từ hạt prôton nơtron Nơtron hạt khơng mang điện tích cịn prơton có điện tích dương với số lượng Zq Trong đó: Z: số lượng điện tử nguyên tử đồng thời số thứ tự nguyên tố bảng tuần hồn Menđêlêép q: điện tích điện tử e (qe=1,601.10-19 culơng) Prơton có khối lượng 1,67.1027 kg, êlêctron (e) có khối lượng 9,1.10-31 kg Hình 1.1 Mơ hình ngun tử Bohr Ở trạng thái bình thường, ngun tử trung hịa điện, tức nguyên tử có tổng điện tích dƣơng hạt nhân tổng điện tích âm điện tử Nếu lý đó, nguyên tử hay nhiều điện tử trở thành điện tích dương mà ta thường gọi ion dương Ngược lại nguyên tử trung hịa nhận thêm điện tử trở thành ion âm Để có khái niệm lượng điện tử, ta xét nguyên tử hiđrô, nguyên tử cấu tạo từ prôton điện tử Hình 1.2 Mơ hình ngun tử Hydro Khi điện tử chuyển động quỹ đạo trịn bán kính r xung quanh hạt nhân điện tử chịu lực hút f1 hạt nhân xác định công thức sau: Lực hút f1 cân lực ly tâm chuyển động f2, f2 xác định cơng thức sau: Trong đó: - m: khối lƣợng điện tử; - v: tốc độ chuyển động điện tử Từ (1.1) (1.2) ta có: f1 = f2 hay là: 𝑈= 𝑚𝑣 = 𝑞2 𝑟 Trong q trình chuyển động điện tử có điện năng: 𝑇 = 𝑞2 𝑟2 , nên lượng điện tử bằng: (1-3) 𝑚𝑉 2 Biểu thức (1.4) chứng tỏ điện tử nguyên tử có mức lượng định, lượng tỉ lệ nghịch với bán kính quỹ đạo chuyển động điện tử Để di chuyển điện tử từ quỹ đạo chuyển động bán kính r xa vơ ta cần phải cung cấp thêm cho lượng lớn q2/2r Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để điện tử tách rời khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự ngƣời ta gọi lượng ion hóa (Wi), bị ion hóa (bị điện tử), nguyên tử trở thành ion dƣơng Quá trình biến nguyên tử trung hòa thành ion dương điện tử tự gọi q trình ion hóa Trong nguyên tử, lượng ion hóa lớp điện tử khác khác nhau, điện tử hóa trị ngồi có mức lượng ion hóa thấp chúng xa hạt nhân Khi điện tử nhận lượng nhỏ lượng ion hóa chúng bị kích thích di chuyển từ mức lượng sang mức lượng khác, song chúng ln có xu trở vị trí ban đầu Phần lượng cung cấp để kích thích nguyên tử trả lại dạng lương quang học (quang năng) Trong thực tế ion hóa lương kích thích ngun tử nhận từ nhiều nguồn lượng khác như: nhiệt năng, quang năng, điện năng, lượng tia song ngắn tia: ,, hay tia Rơghen v.v 10 thuật chế tạo nhiều cách để tạo thành khối liên hệ chặt hai kim loại 2.4.8.2 Dây dẫn góp lưỡng kim- Thép - Đồng Quan hệ điện trở dòng điện xoay chiều với tàn số f =5000Hz điện trở dòng điện chiều dây dẫn đồng có đường kính 5mm là: Dịng điện chạy qua lớp mặt ngồi có chiều dày (0,5-0,6)mm, cịn trung tâm tiết diện trở thành tác dụng việc dẫn điện Ket cho thấy : lõi dây dẫn làm thép, tiết kiệm đồng mà không ảnh hưởng đến điện trở dòng điện xoay chiều Điều biện pháp tốt để làm tăng sức bền khí dây dẫn, lớp đồng bên lớp bảo vệ tốt ăn mòn Do vậy, người ta thực dây dẫn vật liệu lưỡng kim thép- đồng đường dây thơng tin liên lạc có đường kính 1- 4mm Dây dẫn vật liệu lưỡng kim loại số trường hợp dùng làm dây dẫn điện mạch nhị thứ tàn số 50Hz Và chế tạo thành góp trong trang thiết bị dùng để nối 2.4.8.3 Dây dẫn lưỡng kim - Đồng- Nhôm Tổ hợp lưỡng kim đồng- nhôm chế tạo đặc biệt dạng có mặt hay hai mặt dùng cấu trúc phản chiếu, lò sưởi điện chi tiết dùng để nối vv Các lưỡng kim đồng - nhôm dùng làm nối dây dẫn điện , nối dây đồng dây nhôm Do thuận lợi dễ ràng hàn dính hợp kim dính chặt dựa vật liệu thiếc , vật liệu lưỡng kim dùng để chế tạo chi tiết thiết bị thu phát làm cuộn dây ăngten cảm biến CÂU HỎI CHƯƠNG Nêu tính chất vật liệu dẫn điện, giải thích cụ thể tính chất Trình bày đặc tính chung, phân loại, tính chất học ứng dụng kim loại Đồng, Nhôm, Bạc sắt Trình bày khái niệm phân loại vật liệu làm điện trở Trình bày khái niệm phân loại vật liệu làm tiếp điểm 57 CHƯƠNG : VẬT LIỆU DẪN TỪ Mục tiêu: - Kiến thức: + Trình bày khái niệm tính chất vật liệu dẫn từ; đặc tính số loại vật liệu dẫn từ thƣờng dùng + Trình bày đặc tính đƣờng cong từ hóa vật liệu dẫn từ - Kỹ : + Nhận dạng, phân loại xác loại vật liệu dẫn từ dùng công nghiệp dân dụng + Sử dụng phù hợp loại vật liệu dẫn từ theo yêu cầu kỹ thuật cụ thể + Xác định nguyên nhân gây hƣ hỏng có phương án thay khả thi loại vật liệu dẫn từ thƣờng dùng - Năng lực tự chủ trách nhiệm: + Nghiêm túc học tập, ghi chép đầy đủ Nội dung chương: 2.1 Khái niệm tính chất vật liệu dẫn từ 2.1.1 Khái niệm Ta biết xung quanh dòng điện có mơi trường vật chất cảm ứng từ môi trường khác cảm ứng từ từ trường chân khơng gây dịng điện Vì mơi trường vật chất đặt từ trường dịng điện mơi trường xuất thêm từ trường phụ Ta nói mơi trường bị nhiễm từ Mơi trường có khả nhiễm từ gọi chất từ hay vật liệu từ Để giải thích từ tính nam châm, Ampe người đàu tiên nêu lên giả thuyết dịng điện kín tồn lòng nam châm gọi dòng điện phân tử Theo Ampe từ trường nam châm từ trường dịng điện phân tử lịng nam châm Ngày ta hiểu dịng điện phân tử điện tử chuyển động bên nguyên tử, phân tử tạo thành Có thể dùng khái niệm dòng điện phân tử để giải thích nhiễm từ chất thuận từ nghịch từ, nhiễm từ chất sắt từ khơng thể giải thích dịng điện phân tử mà lý thuyết khác Tuy nhiên giả thuyết Ampe dịng điện sinh từ trường giữ nguyên giá trị 58 2.1.2 Tính chất vật liệu dẫn từ - Hệ số từ thẩm μ vật liệu sẳi từ rẩt lớn Hệ số từ thẩm lớn μ số chất bảng 4.1 Bảng 4.1 Hệ số thẩm từ số chất TT Vật liệu sắt từ Hệ số μ Sắt nguyên chất 280.000 Sắt non 8.000 Thép Silic Kỹ thuật điện 15.000 Pecmaloi (78% Ni, 22% Fe) 80.000 Siêu hợp kim (79%Ni, 15% Fe, 5% Mo, 0,5% Mn) 1.500.000 - Hệ số từ thẩm μ vật liệu sắt từ khơng phải số Q trình từ hố vật liệu từ đặc trưng quan hệ từ cảm B cường độ từ trường H, B = f(H) gọi đường cong từ hố (khơng phải đường thẳng) Đường cong từ hoá tất vật liệu sắt từ gàn giống (hình 4.1) Đường cong đường cong từ hoá ban đàu (cơ bản) Ở giai đoạn đầu tăng dòng điện từ hóa cuộn dây, cường độ từ trường H tăng cảm ứng từ B tăng theo, quan hệ B = f(H) đoạn OA Tiếp tục tăng H B tăng hơn: giai đoạn gần bào hoà Hệ sổ từ thầm n giảm dần Đến cường độ từ trường H đủ lớn Q từ cảm B khơng tăng lên nữa: H giai đoan bão hoà, hệ sổ từ thầm ụ tiến đến Hình 4.1 Đường cong từ hóa 2.1.3 Các đặc tính vật liệu dẫn từ Các ngun tố có tính chất sắt từ là: sắt cacbon, niken hợp kim chúng, bên cạnh cịn có cơban đƣợc gọi chất sắt từ Nguyên nhân chủ yếu gây nên từ tính vật liệu điện tích ln chuyển động nằm theo quỹ đạo kín, tạo nên dịng điện vịng quay điện tử xung quanh trục quay theo quỷ đạo điện tử nguyên tử Hiện tƣợng sắt từ số vật liệu nhiệt độ thấp nhiệt 59 độ định phân thành vùng mà vùng điện tử định hƣớng song song với Các vùng đƣợc gọi đơmen tử Như tính chất đặc trưng cho trạng thái sắt từ chất có độ nhiễm từ tự phát khơng có từ trường ngồi Mặc dù chất sắt từ có vùng từ hóa tự phát mơmen từ đơmen lại có hướng khác Các chất sắt từ đơn tinh thể có khả từ hóa dị hướng nghĩa theo trục khác mức từ hóa khó hay dễ khác Trong trường hợp chất sắt từ đa tinh thể có tính dị hƣớng thể rõ người ta gọi chất có cấu tạo thớ từ tính Tạo thớ từ theo ý muốn có ý nghĩa lớn, sử dụng kỹ thuật để nâng cao đặc tính từ vật liệu theo hướng xác định Q trình từ hóa vật liệu sắt từ ảnh hưởng từ trường bên ngồi gồm có tượng sau: + Tăng thể tích đơmen có mơmen từ tạo với hướng từ trường góc nhỏ giảm kích thước đơmen khác (q trình chuyển dịch mặt phân cách đơmen) + Quay véc tơ mơmen từ hóa theo hướng từ trường ngồi (q trình định hướng) Q trình từ hóa vật liệu sắt từ đặc trưng đường cong từ hóa B = f(H), có dạng tương tự với tất vật liệu sắt từ Khi từ hóa chất sắt từ đơn tinh thể kích thước chúng có thay đổi Q trình từ hố lại vật liệu sắt từ từ trường biến đổi có tổn hao lượng dạng nhiệt tổn hao từ trễ tổn hao động học Tổn hao động học dịng điện xốy cảm ứng khối sắt từ phần hiệu ứng gọi hậu từ hoá hay độ nhớt từ Tổn hao dịng điện xốy phụ thuộc vào điện trở Điện trở suất chất sắt từ cao tổn hao dịng điện xốy nhỏ Chẩt thuận từ: chất có độ từ thẩm μ > không phụ thuộc vào cường độ từ trường ngồi Loại gồm có oxy, nitơ, oxyt, muối sắt, muối côban, muối niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim Chất nghịch từ: chất có độ từ thẩm μ < không phụ thuộc vào cường độ từ trường ngồi Loại gồm có hydro, khí hiếm, đa số hợp chất hữu cơ, đồng, kẽm, bạc, vàng, thuỷ ngân, antimon, gali, Các chất thuận từ ngịch từ giống chỗ từ yếu, tức có độ từ thẩm μ xấp xỉ Ví dụ nhơm chất thuận từ có μ = 1,000023, cịn đồng chất nghịch từ có μ = 0,999995 Chất đẫn từ: chất có độ từ thẩm μ » phụ thuộc vào cường độ từ trường Loại 60 gồm có sắt, niken, cơban hợp kim chúng, hợp kim crơm - mangan, gađơlonit ferit có thành phàn khác 2.1.4 Đường cong từ hóa Tính từ dư thể chỗ cắt bỏ từ trường (cho H = B 0, cắt bỏ dịng điện từ hố A cuộn dây) chất sắt từ cịn giữ từ tính (duy trì từ trường có từ cảm B) Tỉnh chất từ dư khảo sát trình từ hoả vật liệu sắt từ cách thay đổi chiều cường độ từ trường H tác động lên mồi trường sắt từ Hình 4.2 vẽ đường cong biểu diễn quan hệ B = f(H) Hình 4.2 Đường cong từ trễ vật liệu sắt từ Đầu tiên tăng dòng điện từ hoá cuộn dây, từ trường H tăng từ cảm B tăng theo OA Sau giảm H B giảm theo đường ACA Tiếp tục lại tăng H điểm A’ từ cảm B tăng theo đường A’C’A Đường cong ACA’C’A ứng với q trình từ hố gọi chu trình từ trễ (thường gọi đường cong từ trễ) Nói cách khác, từ hố vật liệu sắt từ với cường độ từ trường thay đổi trị số vầ chiều từ cảm B vật lỉệu sắt từ biến thiên chậm trễ hom Các kết trình từ trễ cần ý: - Từ dư Bđ : Khi từ trường H = từ cảm B lõi thép trị số Bd gọi cảm ứng từ dư - Cường độ từ trường khử từ HK (còn gọi lực khử từ): Muốn khử từ dư vật liệ sắt từ, B = phải đổi chiều cường độ từ trường H tăng đến trị số Hk Như H = Hk B = từ dư bị khử hoàn toàn - Tổn hao từ trễ: Trong trình làm việc, biến thiên liên tục cường độ từ trường H từ cảm B, vật liệu sắt từ xuất tổn hao lượng làm chúng nóng lên Ta gọi tồn hao từ trễ Người ta nhận thấy khỉ vật liệu có từ cảm Bd lớn, lực khử Hk lớn tồn hao từ trễ lớn Như tồn hao từ trễ tỷ lệ với diện tích đường cong từ trễ 61 2.2 Mạch từ tính tốn mạch từ 2.2.1 Các công thức 2.2.1.1 Khải niệm Các thiết bị điện rơle, công tắc tơ, khởi động từ, áp tô mát, cổ phận làm nhiệm vụ biến đổi từ điện Bộ phận gồm có cuộn dây mạch từ gọi chung cấu điện từ, chia làm hai loại xoay chiều chiều Để nắm quy luật điện từ ta xét mạch từ phương pháp tính tốn mạch từ 1- Thân mạch từ; Nắp mạch từ ;3 Cuộn dây Mạch từ chia làm phần: Hình 4.3 Cấu tạo mạch từ - Thân mạch từ - Nắp mạch từ, - Khe hở khơng khí phụ 5p khe hở khơng khí - Khi cho dịng điện chạy vào cuộn dây qua, từ thông chia làm ba phần cuộn dây có từ thơng : a) Từ thơng Øt thành phần qua khe hở khơng khí gọỉ từ thông làm việc b) Từ thông tản Ø𝛿 gọi thành phần đỉ ngồi khơng khí xung quanh c) Từ thơng rị Ør thành phần khơng qua khe hở khơng khí mà khép kín khơng gian lõi thân mạch từ 2.2.1.2 Tỉnh tốn mạch từ Tính tốn mạch từ thực chất gỉảỉ hai bàỉ toán: - Bài toán thuận: Biết từ thơng tính sức từ động F = IW loại gặp thiết kế cấu điện từ - Bài toán nghịch : biết sức từ động F = IW tính từ thơng (gặp kiềm nghiệm cấu điện từ có sẵn) 62 Để giải hai toán cần phải dựa vào sở lí thuyết sau: - Biết đường cong từ hóa vật liệu sắt từ - Nắm vững định luật mạch từ - Biết từ dẫn khe hở Các lý thuyết sở Đường cong từ hóa B = f(H) biểu diễn hình 4.4 B H Hình 4.4 Đường cong từ hó - Định luật Kiếc Khép cho mạch từ: Tổng đại số đường sức từ vào nút không - Định luật Kiếc Khốp cho mạch từ: (tổng đại số độ sụt từ áp mạch từ kín tổng đạỉ số sức từ động tác dụng mạch từ đó) Vì mạch từ có độ từ thẩm (hệ số dẫn từ) lớn khơng khí nhiều nên từ trở tồn mạch từ phụ thuộc vào từ trở khe hở khơng khí Trong tính tốn thường dùng từ dẫn G = 1/Rm 2.2.2 Sơ đồ thay mạch từ Nếu tính từ dẫn khe hở phương pháp phân chia từ trường ta phân từ trường thành nhiều phần nhỏ cho phần từ trương phân bố đều(có đường sức từ song song vớỉ nhau) để áp dụng cơng thức tính từ dẫn có Ở ta chia làm 17 phần gồm : +) hình hộp chữ nhật thể tích: a b ỗ +) hình 1/4 trụ trịn có đường kính chiều cao a b +) hình trụ 1/4 rỗng có đường kính 2𝛿 đường kính ngồi 2𝛿 +2m 63 Ưu điềm: tính phương pháp có ưu điềm xác, rõ ràng dễ kiểm tra Nhược điểm : có nhiều cơng thức nên dùng để tính kiểm nghiệm 2.2.3 Mạch từ xoay chiều Mạch từ xoay chiều khác mạch từ chiều đặc điểm sau: a) Trong mạch từ xoay chiều: i=i(t) nên i = Im Sin αt dịng biến thiên có tượng từ trễ, dịng xốy, dịng điện chạy cuộn dây phụ thuộc vào điện kháng cuộn dây, mà điện kháng phụ thuộc từ dẫn mạch từ nên từ trở toàn mạch từ lớn (khe hở khơng khí lớn) điện kháng bé dòng điện cuộn dây lém Khỉ nắp mạch từ mở dòng điện khoảng I = (4-15) Iđm Chú ý: khỉ đóng điện cấu điện từ, phải kiểm tra nắp xem đóng chưa, nắp mở làm cuộn dây bị cháy 64 b) Lực hút điện từ F biến thiên F = F(t) có thời điểm F = có thời điểm F = Fmax dẫn đến mạch từ khỉ làm việc bị rung, để hạn chế rung người ta đặt vòng ngắn mạch Từ thông biến thiên làm xuất sức điện động vịng ngắn mạch, vịng có dịng điện mắc vịng khép kín, làm vịng ngắn mạch nóng lên Gọi Wnm số vòng ngắn mạch (thường Wnm= l) Theo định luật tồn dịng điện: nên có: 𝐼𝑊 = ∅(𝑅𝛿 + 𝑅𝑡 ) + 𝐼𝑊 = ∅𝑚 2 𝑊𝑛𝑚 𝑑∅ 𝑟𝑛𝑚 𝑊𝑛𝑚 [(𝑅𝛿 + 𝑅𝑡 ) + 𝑗𝜔 𝑟𝑛𝑚 ∅𝑚 [(𝑅𝛿 + 𝑅𝑡 ) + 𝑗𝑥𝑡 ] 𝐼𝑊 + 𝐼𝑛𝑚 𝑊𝑛𝑚 = ∅(𝑅𝛿 + 𝑅𝑡 ) 𝑑𝑡 ], gọi 𝑥𝑡 = 𝑊𝑛𝑚 𝑟𝑛𝑚 từ kháng vịng ngắn mạch có: 2𝐼𝑊 = 𝑍𝑡 = 𝑅𝛿 + 𝑅𝑡 + 𝑗𝑋𝑡 với Rt từ trở mạch từ Đặc điểm: Từ kháng mạch từ xoay chiều tiêu thụ công suất tác dụng c) Trong mạch từ xoay chiều có tổn hao dịng xốy từ trễ làm nóng mạch từ, xem tổn hao vịng ngắn mạch Nếu gọi Pxt cơng suất hao tổn dịng xốy từ trễ biểu diễn dạng tương đương vịng ngắn mạch Có: 𝜔.𝑊𝑛𝑚 𝑟𝑛𝑚 = 2𝑃𝑥𝑡 𝜔∅2𝑚 𝑃𝑥𝑡 = 𝐼𝑛𝑚 𝑟𝑛𝑚 ℎ𝑎𝑦 𝑃𝑥𝑡 = 2 𝐵𝑛𝑚 𝜔2 𝑊𝑛𝑚 = ∅2𝑚 𝑟𝑛𝑚 𝑟𝑛𝑚 = 𝑋𝑛𝑚 gọi từ kháng thay tương đương đặc trưng cho tiêu hao công suất tác dụng dịng xốy từ trễ d.Từ dẫn rị quy đổi Khác với mạch chiều vì: - Sức từ động tổng F = IW sức từ động đoạn X 𝐹𝑥 = 𝐼𝑊 𝑥 𝑥 𝑙 𝑊𝑥 = 𝑊 từ thơng mắc vịng đoạn X 𝑙 𝜓𝑟𝑥 = 𝑊𝑥 ∅𝑟𝑥 Cuối có: 𝐺𝑟 = 𝑔.𝑙 từ dẫn rị Hình 4.5 Mạch từ xoay chiều Thân mạch từ; Nắp mạch từ; Cuộn dây; Vòng ngắn mạch mạch xoay chiều Cuối có từ dân rị mạch xoay chiều Về phương pháp tính tốn mạch từ xoay chiều giống mạch từ chiều phải lưu ý bốn đặc điểm Ví dụ mạch từ xoay chiều hình 4.5 65 Hình 4.6 Mạch từ đẳng trị a Khi nắp đóng; b Khi nắp mở - Khi vẽ mạch từ đẳng trị phải xét đến tác dụng vịng ngắn mạch, tổn hao dịng xốy từ trễ - Khỉ nắp đóng, bỏ qua từ thơng rị phải kể đến từ trễ từ kháng mạch từ nên dạng hình 4.6 a - Khi nắp mạch từ mở, bỏ qua từ trở từ kháng mạch từ, phải xét đến từ thơng lị mạch từ đẳng trị có dạng hình minh họa b 2.2.4 Những hư hỏng thường gặp - Mạch từ bị cong vênh nên nhiều từ thơng tản - Mạch từ bị lão hóa, cường độ từ cảm B giảm xuống dẫn đến khả dẫn từ - Mạch từ ghép lỏng dẫn đến diện tích thực tế thiếu, làm việc tạo nên tiếng ồn giảm công suất thiết bị 2.3 Một số vật liệu dẫn từ thông dụng 2.3.1 Vật liệu từ mềm Vật liệu từ mềm sử dụng làm mạch từ thiết bị dụng cụ điện có từ trường khơng đồi biến đồi Vật liệu từ mềm từ trường khử từ Hk nhỏ (dưới 400 A/m), độ từ thẩm μ lớn tổn hao từ trễ nhỏ Vật liệu sắt từ mềm gồm có thép kỹ thuật, thép cácbon, thép kỹ thuật điện, hợp kim sắt - niken (pecmaloi) ferit a Thép kỹ thuật (gồm gang) dùng làm từ trường mạch từ không đổi Thép kỹ thuật có cường độ từ cảm bão hồ cao (tới 2,2 Tesla), số từ thẩm lớn cường độ khử 66 từ nhỏ b Thép kỹ thuật điện hợp chất sắt-silic (l-4%Si) Silic cải thiện đặc tính từ sắt kỹ thuật: tâng sổ từ thầm, giảm cường độ khử từ, tăng điện trở suất (để giảm dịng điện Fucơ hay dịng điện xốy) c Pecmaloi hợp kim sắt - niken (22%Ni), ngồi cịn có số tạp chất: Molipden, crơm, silic, nhơm Pecmaloi có số từ thẩm lớn gấp 10-50 lần so với thép kỹ thuật điện, cần cường độ từ trường nhỏ vài phần đến vài chục phần trăm A/m, thép đạt tới cường độ từ cảm bão hoà d Ferit vật liệu sắt từ gồm có bột oxýt sắt, kẽm số nguyên tố khác Khi chế tạo, hỗn hợp ép khuôn với công suất lớn nung đến nhiệt độ khoảng 1200°C, thành phẩm có dạng theo ý muốn Ferit có điện trở suất lớn, thực tế coi gần khơng dẫn điện, nên dịng điện xốy chạy ferit nhỏ Bởi cho phép dùng ferit làm mạch từ từ trường biến thiên với tàn số cao Ferit niken- kẽm cách nhiệt phân muối, gọi Oxyfe Ferit Oxyfe có số từ thẩm ban đàu lớn, từ dư nhỏ (0,18-0,32 Tesla) từ trường khử từ nhỏ (8-80 A/m) Chúng sử dụng rọng rãi làm mạch từ linh kiện điện tử, khuếch đại từ, máy tính, 2.3.2 Vật liệu sắt từ cứng Vật liệu từ cứng dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu Đặc điểm loại có từ dư lớn Thành phần, từ dư trường khử từ số vật liệu từ cứng cho bảng 4.2 Bảng 4.2 Thành phần số vật liệu từ cứng Thành phần tạp chất (%) sắt Vật liệu từ cứng Wonfra Al Cr Co Ni Cu m Wonfram Thép Crôm Thép Coban Anni 14 Annisi 10 Macnico Si Từ Cường trường độ khử từ từ cảm Hk dư Bd (A/m) (T) 4800 4800 0,9 7200 0,9 25 44000 0,44 12 17 64000 0,4 24 13 44000 1,25 67 từ Gôm annico 45000 1,1 Ferit bary 13000 0,35 2.3.3 Các vật liệu sắt từ có cơng dụng đặc biệt 2.3.3.1 Các chất sắt từ mềm đặc biệt Các vật liệu từ mềm chia thành nhóm dựa vào tính chất từ đặc biệt chúng là: a Các hợp kim có đặc tính độ từ thẩm thay đổi cường độ từ trường không đổi: Loại hợp kim thuộc nhóm có tên gọi pecminva, hợp kim ba nguyên tố: Fe – Ni – Co với hàm lƣợng thành phần 25; 45 30% Hợp kim ủ nhiệt độ 10000C, sau giữ nhiệt độ (400  500)0C làm nguội chậm Pecminva có lực kháng từ nhỏ, độ từ thẩm ban đầu 300 giữ khơng đổi khoảng cường độ trường đến ơcstet với cảm ứng từ 1000 gauss Pecminva ổn định từ kém, nhạy cảm với nhiệt độ ứng suất b Các hợp kim có độ từ thẩm phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ: Là hợp kim nhiệt từ gồm: Ni – Cu; Fe – Ni; Fe – Ni – Cr Các hợp kim dùng để bù sai số nhiệt độ thiết bị, sai số gây biến đổi từ cảm nam châm vĩnh cửu hay điện trở dây dẫn dụng cụ điện nhiệt độ môi trường khác với nhiệt độ lúc khắc độ Để có độ từ thẩm phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, ngưịi ta sử dụng tính chất chất sắt từ cảm ứng từ giảm tăng nhiệt độ đến gần điểm Quy ri Đối với chất sắt từ điểm Quy ri nằm khoảng đến 1000C tùy thuộc vào nguyên tố hợp kim hóa phụ Hợp kim Ni – Cu với hàm lượng 30% Cu bù sai số giới hạn từ (20 đến 80)0C; với 40% Cu từ (- 50 đến 10)0C c Các hợp kim có độ từ giảo cao Là hợp kim Fe – Cr; Fe – Co Fe – Al Các hợp kim dùng làm lõi máy phát dao động âm tần số âm siêu âm Độ từ giảo hợp kim có dấu dương Để chế tạo vật liệu dùng niken mỏng tinh khiết với độ từ giảo âm d Các hợp kim có độ từ giảo bảo hịa cao Là hợp kim Fe – Co có từ cảm bảo hòa từ cao đến 24000 gauss Điện trở hợp kim khơng lớn Hợp kim có tên gọi Pecmenđuyara với hàm lượng côban từ 50 đên 70% Pecmenđuyara có giá thành cao nên dùng thiết bị đặc biệt, phận loa động, màng ống điện thoại, dao động ký v.v 2.3.3.2 Ferít Ferít gốm từ có điện dẫn điện tử khơng đáng kể, xếp vào loại bán dẫn điện tử Trị số điện trở suất lớn lượng tổn hao vùng tần số tăng cao 68 cao tương đối nhỏ với tính chất từ tương đối tốt làm cho ferít dùng rộng rãi tần số cao Người ta chia ferít thành loại: a Ferít từ mềm Loại ferít từ mềm có từ cảm lớn (hơn 3000gauss) lực kháng từ nhỏ khoảng 0,2 ơcstet Ferít với trị số  lớn có trị số tổn hao lớn tăng nhanh tần số tăng Ferít có số điện mơi tương đối lớn, trị số phụ thuộc vào tần số thành phần ferít Khi tần số tăng số điện môi giảm Tang góc tổn hao ferít từ 0,005 đến 0,1 Ferít có tượng từ giảo ferít khác hiệu ứng khác Đặc tính vật liệu Ferít cho bảng sau: (bảng 4.3) Bảng 4.3 Các đặc tính vật liệu Ferit Mật độ Nhiệt dung riêng J(g.độ) Nhiệt dẫn riêng W (cm.độ) Hệ số giãn nở nhiệt theo chiều dài αl.độ-1 Điện trở suất ρ, Ω.cm 3÷5 0,7 5÷102 10-5 10÷107 Hiện người ta thường sử dụng nhóm ferít hỗn hợp như: mangan – kẽm; niken – kẽm, liti – kẽm b Ferít từ cao tần Ngồi ferít từ mềm, tần số cao dùng thép kỹ thuật điện pecmalôi cán nguội điện môi từ Bề dày thép đạt tới (25-30)m Các tính chất từ vật liệu cán mỏng gần giống với chưa cán giá thành chúng cao công nghệ lắp ghép mạch từ vật liệu mỏng phức tạp Vật liệu điện môi từ chế tạo cách nén bột sắt từ có chất kết dính cách điện hữu hay vô Các chất sắt từ thƣờng dùng sắt cácbonyl, pécmalơi, alusife v.v Chất dính kêt cách điện nhƣa fenol – foócmanđêhyt, polistirol, thủy tinh v.v Các chất sắt từ cần phải có từ tính cao, cịn chất kết dính phải tạo thành lớp cách điện liên tục không gián đoạn hạt ferít Các lớp cần có bề dày đồng độ bền kết dính hạt với c Ferít có vịng từ trễ chữ nhật Ferít có vịng từ trễ chữ nhật đƣợc đặc biệt ý kỹ thuật máy tính để làm nhớ Vật liệu sản phẩm có loạt yêu cầu đặc biệt Để đặc trƣng cho chúng thƣờng dùng vài tham số phụ Trong số phải kể đến tham số hệ số chữ nhật Kcn chu trình từ trễ, tỉ số cảm ứng từ dư Bdư cảm ứng từ lớn Bmax 𝐾𝑐𝑛 = 𝐵𝑑ư 𝐵𝑚𝑎𝑥 Để xác định Bmax thường đo trị số Hmax= 5Hk Hệ số Kcn gần tới tốt 69 Ferít từ trễ chữ nhật sử dụng cần ý đến thay đổi tính chất chúng theo nhiệt độ Ví dụ nhiệt độ biến đổi từ -200C đến 600C lực kháng từ giảm (1,5  2) lần, cảm ứng từ giảm (5  35)% CÂU HỎI ƠN TẬP CHƯƠNG Trình bày khái niệm vật liệu từ? Nêu đặc tính chủa vật liệu dẫn từ? Thế đường cong từ hóa? Trình bày đường cong từ hóa số vật liệu từ điển hình? Trình bày khái niệm mạch từ? Nêu cách tính tốn số mạch từ đơn giản? Nêu định luật mạch từ? Thế toán thuận, toán nghịch? Từ mạch từ vẽ sơ đồ thay nêu đại lượng có sơ đồ? Cho biết hư hỏng thường xẩy mạch từ? Thế vật liệu từ mềm, từ cứng vật liệu từ có cơng dụng từ đặc biệt? Nêu tính chất thép kỹ thuật điện? Cách phân loại giải thích ký hiệu thép kỹ thuật điện? Nêu tính chất cơng dụng loại vật liệu từ học? 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Xuân Phú, Vật liệu điện, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1998 Nguyễn Xuân Phú, Khí cụ điện – kết cấu, sử dụng sửa chữa, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội , 1998 Trần Khánh Hà, Máy điện 1, 2, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1997 TS Nguyễn Trọng Thắng, Công nghệ chế tạo tính tốn sửa chữa máy điện 1, 2, 3, NXB Giáo dục, Hà Nội, 1995 Nguyễn Xuân Phú (chủ biên): Quấn dây, sử dụng sửa chữa động điện xoay chiều chiều thông dụng, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1997 Đặng Văn Đào, Kỹ thuật điện, NXB Giáo dục, Hà Nội, 1999 Nguyễn Chu Hùng - Tôn Thất Cảnh Hưng, Kỹ thuật điện 1, Trường đại học bách khoa TP.HCM.1995 Nguyễn Đình Thắng, Giáo trình vật liệu điện, NXB Giáo dục, Hà Nội, 2000 71 ... niệm vật liệu điện Chương 2: Vật liệu cách điện Chương Vật liệu dẫn điện Chương Vật liệu dẫn từ Giáo trình tài liệu giảng dạy tham khảo tốt cho ngành thuộc lĩnh vực điện dân dụng, điện tử cơng nghiệp, ... liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện vật liệu bán dẫn a Vật liệu dẫn điện: Vật liệu dẫn điện chất có vùng tự nằm sát với vùng điền đầy, chí chồng lên vùng đầy (W  0,2eV) Vật liệu. .. 1,24.106 m/s Trình bày cách phân loại vật liệu điện ? 16 CHƯƠNG : VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN Mục tiêu: - Kiến thức: + Trình bày khái niệm vật liệu cách điện phân liệu vật liệu cách điện + Trình bày đƣợc