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

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƢỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN XÂY DỰNG VIỆT XÔ KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỰ ĐỘNG HĨA GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: VẬT LIỆU ĐIỆN NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP/CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ- ngày tháng năm 20 …… ……………… Ninh Bình, năm 2019 BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƢỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN XÂY DỰNG VIỆT XÔ KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỰ ĐỘNG HĨA GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: VẬT LIỆU ĐIỆN NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP/CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ- ngày tháng năm 20 …… ……………… Ninh Bình, năm 2019 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin đƣợc phép dùng ngun 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 Trên sở chƣơng trình khung đào tạo, trƣờng Cao đẳng nghề cơng nghiệp Hải phòng, với trƣờng điểm tồn quốc, giáo viên có nhiều kinh nghiệm thực biên soạn giáo trình Cung cấp điện phục vụ cho cơng tác dạy nghề Giáo trình đƣợc thiết kế theo môn học thuộc hệ thống mô đun/ môn học chƣơng trình đào tạo nghề Điện cơng nghiệp cấp trình độ Cao đẳng đƣợc dùng làm giáo trình cho học viên khóa đào tạo, sau học tập xong môn học này, học viên có đủ kiến thức để học tập tiếp mơn học, mô đun đun khác nghề Môn học đƣợc thiết kế gồm chƣơng : Bài mở đầu: Khái quát hệ thống cung cấp điện Chƣơng 1:Vật liệu cách điện Chƣơng 2.Vật liệu dẫn điện Chƣơng 3.Vật liệu dẫn từ Mặc dù cố gắng, song sai sót khó tránh Tác giả mong nhận đƣợc ý kiến phê bình, nhận xét bạn đọc để giáo trình đƣợc hồn thiện Ninh Bình, tháng năm 2019 Chủ biên Nguyễn Thị Linh Phƣơng MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU BÀI MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN 10 Khái niệm, cấu tạo vật liệu điện 10 1.1 Khái niệm 10 1.2 Cấu tạo nguyên tử vật liệu 10 1.3 Cấu tạo phân tử 10 1.3.1 Cấu tạo phân tử 10 1.3.2 Khuyết tật cấu tạo vật rắn 11 1.3.3 Lý thuyết phân vùng lƣợng 11 Phân loại vật liệu điện 12 2.1 Phân loại vật liệu điện theo khả dẫn điện 12 2.1.1 Vật liệu dẫn điện 12 2.1.2 Vật liệu bán dẫn 12 2.1.3 Vật liệu cách điện ( điện môi) 12 2.2 Phân loại vật liệu theo từ tính 12 2.3 Phân loại vật liệu điện theo trạng thái vật thể 12 CHƢƠNG 1:VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 14 1.Khái niệm phân loại vật liệu cách điện 14 1.1 Khái niệm 14 1.2 Phân loại vật cách điện 14 1.2.1 Phân loại theo trạng thái vật thể 14 1.2.2 Phân loại theo thành phần hóa học 15 1.2.3 Phân loại theo tính chịu nhiệt 15 Tính chất chung vật liệu cách điện 16 2.1 Tính hút ẩm vật liệu cách điện 16 2.2 Tính chất học vật liệu cách điện 16 2.2.1 Độ bền chịu kéo, chịu nén uốn 16 2.2.2 Tính giịn 17 2.2.3 Độ cứng 17 2.2.4 Độ nhớt 17 2.3 Tính chất hóa học vật liệu cách điện 17 2.4 Hiện tƣợng đánh thủng điện môi 18 2.4.1 Hiện tƣợng đánh thủng điện môi 18 2.4.2 Độ bền cách điện 18 2.5 Độ bền điện 19 2.6 Tính chọn vật liệu cách điện 20 2.7 Hƣ hỏng thƣờng gặp 21 Một số vật liệu cách điện thông dụng 21 3.1 Vật liệu sợi 21 3.2 Giấy cactong 21 3.2.1 Giấy 21 3.2.2 Cactong cách điện 22 3.3 Phíp 23 3.4 Amiang, ximang amiang 23 3.4.1 Amiang 23 3.4.2 Ximăng amiăng 23 3.5 Vải sơn băng cách điện 24 3.5.1 Băng cách điện 24 3.5.2 Vải sơn cách điện 24 3.6 Chất dẻo 24 3.7 Nhựa cách điện 25 3.7.1 Nhựa tự nhiên 25 3.7.2 Nhựa tổng hợp 26 3.8 Dầu cách điện 28 3.8.1 Dầu thực vật 28 3.8.2 Dầu mỏ cách điện (dầu máy biến áp) 29 3.9 Sơn hợp chất cách điện 30 3.9.1 Sơn 30 3.9.2 Các hợp chất cách điện 32 3.10 Chất đàn hồi 32 3.11 Điện môi vô 33 3.12 Vật liệu cách điện gốm sứ 35 3.13 Mica vật liệu sở mica 36 CHƢƠNG 2: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 39 Khái niệm tính chất vật liệu dẫn điện 39 1.1 Khái niệm vật liệu dẫn điện 39 1.2 Tính chất vật liệu dẫn điện 39 1.3 Các tác nhân môi trƣờng ảnh hƣởng đến tính dẫn điện vật liệu 42 1.3.1 Nhiệt độ 42 1.3.2 Sự tinh khiết, ảnh hƣởng từ trƣờng ánh sáng điện trở suất 42 1.4 Hiệu điện tiếp xúc sức nhiệt động 42 1.4.1 Hiệu điện tiếp xúc 42 1.4.2 Sức nhiệt động 43 Tính chất chung kim loại hợp kim 43 2.1 Tầm quan trọng kim loại hợp kim 43 2.2 Các tính chất 43 2.2.1 Tính chất vật lý 43 2.2.2 Tính chất hóa học 44 2.2.3 Một số tính chất khác 45 Những hƣ hỏng thƣờng gặp cách chọn vật liệu dẫn điện 46 3.1 Những hƣ hỏng thƣờng gặp 46 3.2 Cách chọn vật liệu dẫn điện 48 Một số vật liệu dẫn điện thông dụng 48 4.1 Đồng hợp kim đồng 48 4.1.1 Tầm quan trọng đồng kỹ thuật điện 48 4.1.2 Phân loại 49 4.1.3 Sản xuất chế tạo 50 4.1.4 Hợp kim đồng 50 4.2 Nhôm hợp kim nhôm 52 4.2.1 Nhôm 52 4.2.2 Hợp kim nhôm 54 4.3 Chì hợp kim chì 54 4.3.1 Chì 54 4.3.2 Hợp kim chì 55 4.3.3 Ứng dụng chì hợp kim chì 56 4.4 Sắt (thép) 57 4.5 Wonfram (Còn gọi Tungstene) ký hiệu W 58 4.6 Kim loại dùng làm tiếp điểm cổ góp 58 4.7 Hợp kim có điện trở cao chịu nhiệt 61 4.7.1 Khái niệm 61 4.7.2 Một số hợp kim thƣờn sử dụng 61 4.8 Lƣỡng kim 62 CHƢƠNG 3: VẬT LIỆU DẪN TỪ 65 Khái niệm chung tính chất vật liệu dẫn từ 65 1.1 Khái niệm 65 1.2 Tính chất vật liệu dẫn từ 65 1.3 Các đặc tính vật liệu dẫn từ 65 1.4 Đƣờng cong từ hóa 66 Mạch từ tính tốn mạch từ 68 2.1 Các công thức 69 2.2 Sơ đồ thay mạch từ 72 2.3 Mạch từ xoay chiều 73 2.4 Những hƣ hỏng thƣờng gặp 79 Một số vật liệu dẫn từ thông dụng 79 3.1 Vật liệu sắt từ mềm 79 3.2 Vật liệu sắt từ cứng 83 3.2.1 Hợp kim làm nam châm vĩnh cửu 83 3.3 Vật liệu sắt từ có công dụng đặc biệt 85 3.3.1 Các chất sắt từ mềm đặc biệt 85 3.3.2 Ferit 86 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: VẬT LIỆU ĐIỆN Mã mơn học: MH 12 Vị trí tính chất mơn học: - Vị trí: Mơn học học sau mơn học An tồn lao động Vẽ điện - Tính chất: Là mơn học chun mơn nghề Mục tiêu môn học: - Về kiến thức: Nhận dạng loại vật liệu điện thông dụng, phân loại loại vật liệu điện thơng dụng, trình bày đặc tính loại vật liệu điện - Về kỹ năng: Sử dụng thành thạo loại vật liệu điện, xác định dạng nguyên nhân gây hƣ hỏng vật liệu điện - Về lực tự chủ trách nhiệm: Phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo, tác phong công nghiệp Nội dung môn học Thời gian (giờ) Số TT Tên chƣơng, mục Tổng Lý Thực hành, thí Kiểm số thuyết nghiệm, thảo tra luận, tập Bài mở đầu 2 Khái niệm vật liệu điện 1 Phân loại vật liệu điện 1 Chƣơng : Vật liệu cách điện 9 Khái niệm phân loại vật liệu cách điện 1 Tính chất chung vật liệu cách điện 4 Một số vật liệu cách điện thông dụng 4 Chƣơng : Vật liệu dẫn điện 10 Khái niệm tính chất vật liệu dẫn điện 2 Tính chất chung kim loại hợp kim 2 Những hƣ hỏng thƣờng gặp cách chọn vật liệu dẫn điện Một số vật liệu dẫn điện thông dụng Kiểm tra 2 3 Chƣơng 3: Vật liệu dẫn từ Khái niệm tính chất vật liệu dẫn từ 2 Mạch từ, tính tốn mạch từ Một số vật liệu dẫn từ thông dụng Kiểm tra 4 Cộng: 30 1 1 28 BÀI MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN Giới thiệu: Vật liệu điện có vai trị to lớn cơng nghiệp điện Để thấy rõ đƣợc chất cách điện hay dẫn điện loại vật liệu, cần hiểu khái niệm cấu tạo vật liệu nhƣ hình thành phần tử mang điện vật liệu Bên cạnh cần nắm rõ nguồn gốc, cách phân loại loại vật liệu nhƣ để tiện lợi cho q trình lựa chọn sử dụng sau Nội dung học nhằm trang bị cho học viên kiến thức nhằm giúp cho học viên có kiến thức để học tập học sau có hiệu Mục tiêu: - Nêu bật đƣợc khái niệm cấu tạo vật liệu dẫn điện - Phân loại đƣợc xác chức vật liệu cụ thể - R n luyện đƣợc tính chủ động nghiêm túc cơng việc Nội dung chính: Khái niệm vật liệu điện 1.1 Khái niệm Tất vật liệu dùng để chế tạo máy điện, khí cụ điện, dây dẫn vật liệu dùng làm phụ kiện đƣờng dây, đƣợc gọi chung vật liệu điện Nhƣ vật liệu điện bao gồm: Vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ Để thấy đƣợc chất dẫn điện hay cách điện vật liệu, cần hiểu khái niệm cấu tạo vật liệu nhƣ hình thành phần tử mang điện vật liệu 1.2 Cấu tạo nguyên tử vật liệu Nhƣ biết, vật chất đƣợc cấu tạo từ nguyên tử phân tử Nguyên tử phần tử vật chất Theo mơ hình nguyên tử Bor, nguyên tử đƣợc cấu tạo hạt nhân mang điện tích dƣơng điện tử (êlectron e) mang điện tích âm, chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo định Hạt nhân nguyên tử đƣợc tạo nên từ hạt prôton nơtron Nơtron hạt khơng mang điện tích cịn prơton có điện tích dƣơng với số lƣợng Zq Ở trạng thái bình thƣờng, ngun tử đƣợc trung hịa điện Nếu lý đó, ngun tử hay nhiều điện tử trở thành điện tích dƣơng mà ta thƣờng gọi ion dƣơng Ngƣợc lại nguyên tử trung hòa nhận thêm điện tử trở thành ion âm 1.3 Cấu tạo phân tử 1.3.1 Cấu tạo phân tử Phân tử đƣợc tạo nên từ nguyên tử thông qua liên kết phân tử Trong vật chất tồn bốn loại liên kết sau: 10 IN G IN g.l   g.l  N G    3I 3 I  L L  I   lv   I (4.14 b) (4.14 c) Trong đó: N: số vịng dây cuộn dây G: Từ dẫn mạch từ (H) : Từ thơng móc vịng I: Dịng điện Khi khơng xét đến từ trở lõi thép thì: G  G. I U  .N S  (4.15) Trong đó: S: tiết diện lõi từ (m2) : độ lớn khe hở khơng khí Dễ thấy biểu thức U = Const dịng điện I chủ yếu phụ thuộc vào độ lớn khe hở khơng khí  phụ thuộc theo tỷ lệ thuận Đối với mạch từ xoay chiều, khe hở khơng khí  tăng lên dẫn đến tăng theo từ trở mạch từ ngƣợc lại nhƣng đồng thời dòng điện cuộn dây tăng lên có nghĩa sức từ động (F= IN) mạch từ tăng lên, ta thấy từ thông mạch từ lúc bị tác động hai yếu tố thứ từ trở tăng có xu hƣớng bị giảm xuống, đồng thời sức từ động F tăng có xu hƣớng Tổng hợp hai yếu tố lại ta thấy từ thông không thay đổi nhiều khe hở khơng khí  biến đổi Đối với mạch từ xoay chiều cuộn dây điện áp, số vịng dây N có quan hệ chặt chẽ tới giá trị từ thông  mạch từ điện áp U N U 4,44 f  m (4.16) Trong đó: f: tần số nguồn điện (Hz) m: giá trị biên độ từ thông xoay chiều mạch từ (wb) Từ ta thấy U= const m= const N đại lƣợng xác định Khi cuộn dây mạch từ cuộn dây dòng, dòng điện chảy qua cuộn dây phụ thuộc vào phụ tải, số vịng dây đƣợc xác định bởi: 74 N F I (4.17) Vì có tổn hao lõi thép vòng ngắn mạch mạch từ xoay chiều, nên từ thông  không pha với sức từ động cuộn dây Từ thông tổng thành phần chảy nhánh từ khác lệch pha với Sự chênh lệch pha tổng trở từ nhánh khác Sự lệch pha từ thông sức từ động cho thấy thành phần tổng trở từ mạch từ xoay chiều có diện từ kháng X Từ kháng tổn hao mạch từ sinh Lực hút điện từ xoay chiều có dạng đập mạch với tần số gấp đơi tần số nguồn điện Vì xuất hiện tƣợng rung nắp mạch từ xoay chiều vận hành Để làm giảm tƣợng rung sử dụng biện pháp đặt vịng ngắn mạch ơm lấy phần cực từ Xet mạch từ xoay chiều có cuộn dây đặt gơng nhƣ hình (hình 4.5) Bài tốn đƣợc đặt nhƣ sau: Cho trƣớc điện áp cuộn dây xoay chiều U, hình dạng kích thƣớc mạch từ, từ thơng làm việc lv Hãy xác định dòng điện I chảy cuộn dây bỏ qua từ trở lõi thép mạch từ Hình 4.5: Mạch từ xoay chiều có cuộn dây đặt gông Giải - Sức từ động cuộn dây đƣợc xác định từ: 2.I N   lv G (4.18) 75 G tổng từ dẫn hai khe hở khơng khí mạch từ có cơng thức tính nhƣ sau: Gδ   S  (4.19) Từ thơng rị  đƣợcxác định từ giá trị từ dẫn rò quy đổi:   N g.l (4.20) Từ thông tổng:    lv    2.I N (G  g.l ) (4.19) Số vòng dây: N U 4,44 f  m (4.20) Từ (4.18) (4.19) xác định đƣợc giá trị dòng điện: I 4,44 f  m  02m  2.U (G  g.l ) 2U (G  g.l ) (4.21) Trong trờng hợp, mạch từ có cuộn dây đặt lõi, trình tự giải khơng có khác, nhiên cần lƣu ý tới việc xác định giá trị từ dẫn rò quy đổi G Đối với mạch từ kiểu Solenoide nhƣ hình (hình 4.6) Với tốn cho trƣớc giá trị từ thơng lv số vòng dây N cuộn dây xác định theo trình tự sau:  x y iN l Tính sức từ động cuộn dây kích thích: Hình 4.6: mạch từ kiểu Solenoide  2.I N  lv G 76 Từ thơng tổng, móc vịng với tất cuộn dây bằng: 0  lv  x  y  2.I N (G  g x 3.l 2y ) 3 Số vòng dây: N U  4,44 f  m UG  x3  y  4,44 f  lv Glv  g 3l   Dòng điện cuộn dây I  lv 2.N G Ta tính tốn cách mạch từ đƣợc chia nhỏ thành đoạn l1, l2, v.v….có tiết diện tồn chiều dài nó, tức phải chịu từ trƣờng giống hệt Kế tiếp ta xác định cảm ứng từ B   S đoạn ta tìm cƣờng độ tƣơng ứng trƣờng từ theo đƣờng cong từ hóa tự nhiên (hình 4.7) Hình 4.7:trong a) Các khe chu trình từ trễtrong đƣờng hóa tự nhiên Cƣờng độ từ trƣờng hở hay vậtcong liệutừkhơng từ đƣợc tính theo b) Vịng từ trễ (mắc từ trễ) số giá trị giới hạn khác lực từ công thức: H0  B0 0  0,8.10 B0 Ở H0 đƣợc xác định A/m), B0: tesla Hay H0= 0,8.B0 H0 đƣợc xác định A/cm B0 gauss Theo lý thuyết Ampe, tổng số từ áp tất đoạn mạch từ với dịng tổng H1l1+ H2l2+ H0l0+ = I Ví dụ: 77 Cần vòng dây quấn lõi (hình 4.8) dƣới để có từ thơng 47.10-4Wb, giả thiết dòng điện cuộn dây 25A phần phía lõi đƣợc làm thép  330 phần phía dƣới làm thép khn? Đoạn đầu ba đoạn thép  330 có chiều dài 540 (0,54m) tiết diện S1 = 36cm2 (0,0036 m2), đoạn thứ hai thép khn có l2= 17 cm (0,17m) S2 = 48cm2 (0,0048m2), đoạn thứ ba đƣợc tạo nên khe hở l0= x = 10 mm (0,01m) S0= 36cm2 (0,0036m2) l1 1,3 60 80 280 340 60 l2 60 150 Hình 4.9: Đƣờng cong từ hóa thép  330 (đƣờng số 2) Hình 4.8: Mạch từ ví dụ Bài giải: Cảm ứng từ đoạn thứ nhất, hai thứ ba là:  47.10 4 B1    1,3T S1 36.10 4 B2   47.10 4   0,98T S 48.10 4 B0   47.10 4   1,3T S 36.10 4 Theo đƣờng cong từ hóa tự nhiên thép  330 (Hình 4.9) ta thấy cảm ứng từ 1,3T tƣơng ứng với cƣờng độ từ trƣờng 750A/m Từ áp đoạn thứ là: Um1= H1l1= 750 x 0,54 = 405 A 78 Cƣờng độ từ trƣờng đoạn thứ hai là: H2= 400A/m Từ áp đoạn thứ hai là: Um2= H2l2= 400 x 0,17 = 68 A Cƣờng độ từ trƣờng khe hở là: H0= 0,8.106.B0 = 0,8.106 x 1,3 =1,04 106 A/m Từ áp khe hở là: Um0= H0l0= 1,04 106 x 0,01 = 10400 A Sức từ động là: Fm = Um1 + Um2 + Um0 = 405 + 68 + 10400 = 10873 A Số lƣợng vòng cuộn dây là:  Fm 10873   435 vòng I 25 2.4 Những hƣ hỏng thƣờng gặp Các loại vật liệu dẫn từ đƣợc sử dụng để chế tạo mạch từ thiết bị điện, máy điện khí cụ điện, nên sử dụng lâu ngày bị hƣ hỏng ta thƣờng gặp dạng hƣ hỏng sau: + Hƣ hỏng bị ăn mòn kim loại: đa phần chúng chất sắt từ hợp chất sắt từ nên chúng bị tác dụng mơi trƣờng xung quanh tác dụng diễn dƣới hai hình thức ăn mịn, ăn mịn hóa học ăn mịn điện hóa nhƣ kim loại khác bề mặt chúng có sơn lớp sơn cách điện + Hƣ hỏng điện: trình làm việc xẩy tƣơng nhƣ điện áp, bị ngắn mạch nên cuộn dây đặt mạch từ bị cháy nên làm hỏng mạch từ + Hƣ hỏng bị già hóa kim loại: dƣới tác dụng tời gian mơI trƣờng làm cho tính chất vật liệu từ thay đổi + Hƣ hỏng lực tác động từ bên ngoài: dƣới tác dụng ngoại lực làm cho vật liệu từ bị biến dạng bị hỏng + Dƣới tác dụng nhiệt độ: nhiệt độ tăng lên (khoảng 1250C) vật liệu có từ tính từ tính Một số vật liệu dẫn từ thông dụng 3.1 Vật liệu sắt từ mềm Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm cao, lực kháng từ tổn hao từ trễ nhỏ Đƣợc dùng để chế tạo mạch từ thiết bị điện, đồ dùng điện Đặc điểm loại vật liệu độ dẫn từ lớn, tổn hao bé Các vật liệu là: a Sắt (thép cácbon thấp) 79 Nhìn chung sắt thỏi chứa lƣợng nhỏ tạp chất, nhƣ cácbon, sulfur, mangan, silíc, nguyên tố khác làm yếu tính chất từ tính Bởi điện trở suất tƣơng đối thấp, thép thỏi phần lớn dùng cho lõi từ Nó thƣờng đƣợc làm sắt đúc tinh chế lò luyện kim lò thổi với tổng lƣợng chứa (0,08 – 0,1)% tạp chất Vật liệu đƣợc biết đến dƣới tên thép armco đƣợc sản xuất theo nhiều cấp độ khác Thép điện cácbon thấp, điện, loại khác thép thỏi, độ dày từ 0,2 đến 4mm, không chứa 0,04% cácbon không 0,6% nguyên tố khác Độ thẩm từ cao loại thép khác không mức 3500  4500, lực kháng từ tƣơng ứng không cao (100  62)A/m Sắt đặc biệt tinh khiết đƣợc sản xuất cách điện phân dung dịch sulfát sắt hay clorua sắt Nó chứa 0,05 tạp chất Vì có điện trở tƣơng đối thấp nên sắt tinh khiết kỹ thuật đƣợc sử dụng tƣơng đối ít, chủ yếu làm mạch từ từ thông không đổi Bảng 3.1 Các thành phần hóa học tính chất từ vài loại sắt Vật liệu Các tính chất từ Tạp chất (%) Độ thẩm từ Lực kháng từ HC (A/m) C O2 Ban đầu min Lớn max 0,02 0,06 250 7000 64 Sắt điện phân 0,02 0,01 600 15000 28 Sắt cacbonyl 0,005 0,005 3300 21000 6,4 Sắt điện phân nóng chảy chân khơng 0,01 - - 61000 7,2 Sắt tinh chế hyđrô 0,005 0,003 6000 200000 3,2 Sắt tinh chế cao hyđrô - - 20000 340000 2,4 Tinh chế đơn sắt tinh khiết đƣợc ủ ram hyđrô - - - 1430000 0,8 Sắt thỏi b Thép kỹ thuật điện * Tính chất Từ thép cacbon thấp có thành phần C < 0,04% tạp chất khác < 0,6%) có trị số từ thẩm tƣơng đối từ 3500  4500, cƣờng độ từ trƣờng khử từ (6496)A/m Ngƣời ta đƣa thêm silic vào thành phần thép Hàm lƣợng silic dùng để hạn chế tổn hao từ trễ tăng điện trở thép để giảm tổn 80 hao dòng điện xốy Nếu thành phần silic nhiều (trên 5%) làm tăng độ dòn, giảm độ dẻo nên vật liệu khó gia cơng Tùy theo thành phần silic có thép nhiều hay mà tính chất từ thay đổi khác Thép có hàm lƣợng silic cao chủ yếu làm mạch từ cho máy biến áp Thép có hàm lƣợng silic nhỏ đƣợc dùng làm mạch từ trƣờng hợp từ thông không đổi * Phân loại + Theo thành phần ta có: sắt kỹ thuật; thép silic + Theo cơng nghệ chế tạo ta có loại: thép cán nóng thép cán nguội Trong thép cán nóng thép cán nguội ta có: - Thép đẳng hƣớng: có tính từ tính tốt thƣờng dùng làm lõi thép máy biến áp - Thép vô hƣớng: thƣờng dùng máy điện quay * Giải thích ký hiệu Nếu thép kỹ thuật điện có hàm lƣợng C< 0,4% tạp chất < 0,6% ta gọi sắt kỹ thuật Thép silic: có ký hiệu chữ  số Ví dụ: +  11,  12,  13 +  21,  22 +  31,  32 +  41,  42,  43,  44,  45,  46,  47,  48 +  31O,  320,  330,  330A,  340,  370,  380 +  110O,  1200,  1300,  3100,  3200 Trong đó: Con số thứ hàm lƣợng gần silíc theo phần trăm; tăng hàm lƣợng silíc, khối lƣợng riêng giảm điện trở suất tăng lên Con số thứ hai đặc trƣng cho tính chất điện từ thép + Các số 1, 2, đảm bảo suất tổn hao xác định từ hoá lại tần số Pécmaloi50Hz) cảm ứng từ từ trƣờng mạnh + Chữ A ký hiệu suất tổn hao thấp + Số cho biết thép đƣợc định mức tổn hao từ hóa tần số 400Hz cảm ứng từ từ trƣờng trung bình + Thép có ký hiệu số 5, dùng từ trƣờng yếu từ (0,002 0,008)A/cm trị số bđ chúng đƣợc đảm bảo 81 + Con số 7, đặc điểm chủ yếu độ từ thẩm cƣờng độ từ trƣờng trung bình từ (0,03 10)A/cm + Con số thứ thép đƣợc cán nguội (thép có thớ) + Có hai số liên tiếp thép đƣợc cán nguội thớ c Công dụng - Thép với hàm lƣợng silic cao chủ yếu dùng để làm lỏi thép máy biến áp mà ta thƣờng gọi tôn silic - Thép có thớ đẳng hƣớng: có tính từ tính tốt thƣờng dùng làm lõi thép máy biến áp Sử dụng thép làm máy biến áp điện lực giảm đƣợc trọng lƣợng kích thƣớc - Thép có thớ vô hƣớng: thƣờng dùng máy điện quay Các kích thƣớc thƣờng dùng thép kỹ thuật điện đƣợc cho bảng Bảng 3.2 Kích thước thường dùng thép kỹ thuật điện Kích thƣớc Đơn vị đo Trị số thƣờng dùng Dày mm 0,1; 0,2; 0,35; 0,5, Rộng m 0,24; 0,6; 0,7; 0,75; 0,86; Dài m 0,72; 1,2; 1,34; 1,5; 1,75; Các tiêu chuẩn quy định tính chất điện từ nhãn hiệu thép kỹ thuật điện là: - Cảm ứng từ (ký hiệu chữ B với số cƣờng độ từ trƣờng tƣơng ứng tính theo A/cm); - Tổng suất tổn hao cơng suất dịng điện xoay chiều tính W 1kg thép đặt từ trƣờng xoay chiều, đƣợc ký hiệu chữ P với số dạng phân số; tử số giá trị biên độ cảm ứng từ tính theo kilơgam, mẫu số tần số tính héc Bảng 3.3.Giá trị cảm ứng từ số loại thép kỹ thuật điện Nhãn hiệu thép Bề dày (mm) B0,002 – B0,009 gauss, không nhỏ B0,1 – B10 gauss, không nhỏ  45  46 0,2 – 0,35 1,2 – 8,8 –  47  48 0,2 – 0,35 – 0,3 – 1,3  370  380 0,2 – 0,5 – 1,4 –1,7 d Một số hợp kim sắt từ mềm 82 + Pécmaloi: (permallois): Là hợp kim sắt - niken có độ từ thẩm ban đầu lớn từ trƣờng yếu, chúng khơng có tƣợng dị hƣớng từ giảo Pécmalơi đƣợc chia làm loại: - Loại nhiều niken: (7280)%Ni đƣợc dùng làm lỏi cuộn cảm có kích thƣớc từ nhỏ, mạch từ máy biến áp âm tần nhỏ, mạch từ máy biến áp xung máy khuếch đại từ - Loại niken: (4050)%Ni có cƣờng độ từ cảm bảo hòa lớn gấp lần loại có nhiều niken Đƣợc dùng làm mạch từ cho máy biến áp điện lực, lõi cuộn cảm dụng cụ có mật độ từ thơng cao + Alusife: Hợp kim sắt với silíc nhơm có tên gọi alusife Thành phần tốt alusife 9,5% Si, 5,6% Al lại Fe Hợp kim có đặc tính cứng giịn, nhƣng chế tạo dạng đúc định hình Các sản phẩm chế từ alusife nhƣ: từ, thân dụng cụ v.v đƣợc chế tạo phƣơng pháp đúc với thành chi tiết khơng mỏng (2-3) mm hợp kim giòn Điều làm hạn chế nhiều sử dụng vật liệu Vf vật liệu giịn nên nghiền thành bột để sản xuất lõi ép cao tần + Ferit: Là vật liệu sắt từ bột oxýt sắt, kẻm số vật liệu dạng mịn, định dạng theo ý muốn thơng qua cơng nghệ kết dính dồn kết dính bột kim loại Ferit có điện trở suất lớn nên dịng điện xốy chạy nhỏ Dùng làm mạch từ cuộn dây máy móc điện tử, máy khuếch đại tần số 3.2 Vật liệu sắt từ cứng Các vật liệu sắt từ cứng thƣờng có tổn hao từ trễ lớn, cƣờng độ từ trƣờng khử từ cao, độ từ thẩm nhỏ so với vật liệu sắt từ mềm Tùy theo thành phần trạng thái phƣơng pháp chế tạo vật liệu sắt từ cứng đƣợc chia làm nhiều loại: - Thép hợp kim hóa, đƣợc tơi đến trạng thái máctenxít - Các hợp kim từ cứng alni, alnisi, alnico, macnico - Các nam châm dạng bột 3.2.1 Hợp kim làm nam châm vĩnh cửu a Thép hợp kim hóa đƣợc tơi đến trạng thía mactenxit Là loại thép đƣợc hợp kim hố với chất nhƣ: vonfram, crôm, molipden, côban Loại thép vật liệu đơn giản dễ kiếm để làm nam châm vĩnh cửu Thành phần tính chất thép cho bảng Các tính chất cho bảng (bảng4.6.) đƣợc đảm bảo thép mactenxít sau nhiệt luyện đặc biệt loại sau đƣợc ổn định nƣớc sôi b Các hợp kim từ cứng 83 Thƣờng đƣợc gọi hợp kim aluni: (Al - Ni - Fe) Loại có lƣợng từ lớn Nếu cho thêm cơban silic tính chất từ hợp kim tăng lên Hợp kim aluni, cho thêm silic gọi alunisi, cho thêm côban gọi alunico Nếu hợp kim alunico có hàm lƣợng cơban lớn ta gọi macnico Bảng 3.4 Thành phần, tính chất thép Mactenxit làm nam châm vĩnh cửu Thành phần hóa học % Cáctính chất từ (khơng nhỏ hơn) Nhãn hiệu C Cr VV Co Mo Cảm ứng từ dƣ Bd k.gauss Lực kháng từ Hk ơcstet EX 0,95 đến 1,10 1,30 đến 1,60 - - - 9,0 58 EX3 0,90 đến 1,10 2,80 đến 3,60 - - - 9,5 60 E7B6 0,68 đến 0,78 0,30 đến 0,50 5,20 đến 6,20 - - 10,0 62 EX5K5 0,90 đến 1,05 5,50 đến 6,50 - 5,50 đến 6,5 - 8,5 100 EX9K15M 0,90 đến 1,05 8,0 đến 10,0 - 13,5 đến 16,5 1,20 đến 1,70 8,0 170 Tất hợp kim có khuyết điểm khó chế tạo thành chi tiết có kích thƣớc xác hợp kim có tính chất cứng giịn Nên gia cơng phƣơng pháp mài Tùy theo thành phần phƣơng pháp gia cơng mà tính chất từ thay đổi Nam châm hợp kim manicơ nhẹ nam châm aluni lƣợng lần nhẹ nam châm thép crôm thông thƣờng 22 lần c Các nam châm dạng bột Chế tạo nam châm vĩnh cửu phƣơng pháp luyện kim bột đƣợc đề hợp kim đúc sắt – niken – nhơm khơng thể chế tạo sản phẩm nhỏ có kích thƣớc chinh xác đƣợc Chúng ta cần phân biệt hai loại nam châm bột kim loại gốm nam châm bột có hạt gắn chất kết dính (nam châm kim loại dẻo) Loại thứ đƣợc chế tạo cách ép bột nghiền từ hợp kim từ cứng, sau đố thiêu kết nhiệt độ cao Các chi tiết nhỏ chế tạo công nghệ có kích thƣớc tƣơng đối xác, khơng cần gia công thêm Loại thứ hai đƣợc chế tạo phƣơng pháp ép giống nhƣ ép chi tiết chất dẻo nhƣng chất độn đƣợc nghiền từ hợp kim từ cứng Vì chất độn 84 cứng nên cần áp suất riêng để ép cao ( /cm2) Nam châm kim loại bột kinh tế sản xuất tự động hóa hàng loạt nam châm có cấu tạo phức tạp kích hƣớc khơng lớn Cơng nghệ hợp kim dẻo chế tạo nam châm có lõi Tính chất từ nam châm kim loại dẻo nhiều, lực kháng từ giảm (10  15)%, từ dƣ giảm (35  50)%, lƣợng tích lũy giảm (40  60)% so với nam châm đúc Nam châm kim loại dẻo có điện trở cao, sử dụng thiết bị có trƣờng biến đổi tần số cao 3.3 Vật liệu sắt từ có cơng dụng đặc biệt 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 cƣờng độ từ trƣờng khơng 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 không đổi khoảng cƣờng độ trƣờng 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 đôi từ cảm nam châm vĩnh cửu hay điện trở dây dẫn dụng cụ điện nhiệt độ môi trƣờng khác với nhiệt đọ lúc khắc độ Để có độ từ thẩm phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, ngƣòi ta sử dụng tính chất chất sắt từ cảm ứng từ giảm tăng nhiệt độ đến gần điểm Quyri Đối với chất sắt từ điểm Quyri nằm khoảng đến 1000C tùy thuộc vào nguyên tố hợp kim hóa phụ Hợp kim Ni – Cu với hàm lƣợng 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 dƣơng 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 lƣợng 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 85 3.3.2 Ferit Ferít gốm từ có điện dẫn điện tử khơng đáng kể, xếp vào loại bán dẫn điện tử Trị số điện trở suất lớn với tính chất từ tƣơng đối tốt làm cho ferít đƣợc dùng rộng rãi tần số cao Ngƣời ta chia ferít thành loại: a Ferit 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 tƣơng đối lớn, trị số phụ thuộc vào tần số thành phần ferít Khi tần số tăng số điện mơi giảm Tang góc tổn hao ferít từ 0,005 đến 0,1 Ferít có tƣợng từ giảo ferít khác hiệu ứng khác Đặc tính vật liệu Ferít đƣợc cho bảng sau: (Bảng 3.5) Bảng 3.5.Các đặc tính vật liệu Ferit Mật độ Nhiệt dung riêng J(g.độ) Nhiệt dẫn riêng W(cm.độ) 35 0,7  102 Hệ số giãn nở nhiệt theo chiều dài l.độ-1 10-5 Điện trở suất , .cm 10  107 Hiện ngƣời ta thƣờng sử dụng nhóm ferít hỗn hợp nhƣ: 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 chƣa cán nhƣng 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 vơ Các chất sắt từ thƣờng dùng sắt cácbonyl, pécmalôi, alusife v.v Chất dính kêt cách điện nhƣa fenol – foócmalđêhyt, 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 khơng 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 86 đến tham số hệ số chữ nhật Kcn chu trình từ trễ, tỉ số cảm ứng từ dƣ Bdƣ cảm ứng từ lớn Bmax K cn  Bdu Bmax Để xác định Bmax thƣờng đo trị số Hmax= 5Hk Hệ số Kcn gần tới tốt 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 VÀ BÀI TẬP Câu hỏi: Trình bày khái niệm vật liệu từ? Nêu đặc tính chủa vật liệu dẫn từ? Thế đƣờng cong từ hóa? Trình bày đƣờng 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 lƣợng có sơ đồ? Cho biết hƣ hỏng thƣờng xẩy mạch từ? Thế vật liệu từ mềm, từ cứng vật liệu từ có cơng dụng từ đặc biệt? 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình vật liệu điện, Ths Vũ Hữu Thích – Ths Ninh Văn Nam, NXB giáo dục , Hà Nội, 2008 Giáo trình vật liệu điện, Nguyễn Viết Hải – Trần Thị Kim Anh, NXB lao động – xã hội, 2009 Giáo trình vật liệu điện, Nguyễn Đình Thắng, NXB Giáo dục, 2004 88 ... loại vật liệu điện 2.1 Phân loại vật liệu điện theo khả dẫn điện Trên sở giản đồ lƣợng, ngƣời ta phân loại theo vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện vật liệu bán dẫn 2.1.1 Vật liệu. .. để chế tạo máy điện, khí cụ điện, dây dẫn vật liệu dùng làm phụ kiện đƣờng dây, đƣợc gọi chung vật liệu điện Nhƣ vật liệu điện bao gồm: Vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ Để... Khái niệm vật liệu điện 1 Phân loại vật liệu điện 1 Chƣơng : Vật liệu cách điện 9 Khái niệm phân loại vật liệu cách điện 1 Tính chất chung vật liệu cách điện 4 Một số vật liệu cách điện thông