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

ỦY BAN NHÂN ÂN TỈNH HÀ NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM GIÁO TRÌNH Mơn học: Vật liệu điện NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG NGHỀ (Ban hành kèm theo Quyết định số: 120/QĐ-TCDN ngày 25 tháng 02 năm 2013 Tổng cục trưởng Tổng cục dạy nghề) Hà nam, năm 2017 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo nhằm phục vụ cho giáo viên sinh viên Trường Cao Đẳng Nghề Hà Nam Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm Dựa theo giáo trình này, giảng dạy cho trình độ ngành/nghề khác nhà trường LỜI GIỚI THIỆU Tài liệu Vật liệu điện kết Dự án “Thí điểm xây dựng chương trình giáo trình dạy nghề năm 2011-2012”.Được thực tham gia giảng viên trường Cao đẳng nghề Hà Nam thực Trên sở chương trình khung đào tạo, giảng viên Khoa Điện trường Cao đẳng nghề Hà Nam có nhiều kinh nghiệm, thực biên soạn giáo trình Vật liệu điện phục vụ cho công tác dạy nghề Chúng xin chân thành cám ơn đội ngũ giảng viên Khoa Điện Trường Cao nghề Hà Nam góp nhiều cơng sức để nội dung giáo trình hồn thành Giáo trình thiết kế theo môn học thuộc hệ thống mơ đun/ mơn học chương trình đào tạo nghề Điện cơng nghiệp cấp trình độ Cao đẳng nghề dùng làm giáo trình cho học viên khóa đào tạo Mơn học thiết kế gồm chương Chương 1.Vật liệu cách điện Chương 2.Vật liệu dẫn điện Chương 3.Vật liệu dẫn từ Mặc dù cố gắng, song sai sót khó tránh Tác giả mong nhận ý kiến phê bình, nhận xét bạn đọc để giáo trình hoàn thiện Hà Nam, ngày tháng năm 2017 Tham gia biên soạn Trần Nhữ Mạnh MỤC LỤC Trang TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC GIỚI THIỆU MÔN HỌC: VẬT LIỆU ĐIỆN Mã số môn học: MH 11 Vị trí, tính chất,ý nghĩa vai trị mơn học Mục tiêu Nội dung môn học BÀI MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN Khái niệm, cấu tạo vật liệu điện 1.1 Khái niệm 1.2 Cấu tạo nguyên tử vật liệu 1.3 Cấu tạo phân tử Phân loại vật liệu điện 2.1 Phân loại vật liệu điện theo khả dẫn điện 10 2.2 Phân loại vật liệu điện theo từ tính 10 2.3 Phân loại vật liệu điện theo trạng thái vật thể 10 CHƯƠNG 1:VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 11 Mã chương: 11-01 12 Khái niệm phân loại vật liệu cách điện 12 1.1 Khái niệm 12 1.2.Phân loại vật liệu cách điện 12 Tính chất chung, nguyên nhân gây hư hỏng vật liệu cách điện 14 2.1 Tính hút ẩm vật liệu cách điện: 14 2.2 Tính chất học vật liệu cách điện 14 2.3 Tính chất hóa học vật liệu cách điện 16 2.4 Hiện tượng đánh thủng điện môi độ bền cách điện Hiện tượng đánh thủng điện môi 16 2.5 Tính chọn vật liệu cách điện 19 2.6 Hư hỏng thường gặp 19 Một số vật liệu cách điện thông dụng 20 3.1 Vật liệu sợi 20 3.2 Giấy cáctông 20 3.3.Giấy cáp: 20 3.4.Giấy cáp điện thoại 20 3.5 Phíp 21 3.6 Amiăng, xi măng amiăng 22 3.7 Vải sơn băng cách điện 22 3.8 Chất dẻo 23 3.9 Nhựa cách điện: 24 3.10 Dầu cách điện 27 3.11 Sơn hợp chất cách điện: 29 3.12 Chất đàn hồi 31 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 39 Mã chương : 11-02 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 40 1.3 Các tác nhân môi trường ảnh hưởng đến vật liệu dẫn điện 42 1.4 Hiệu điện tiếp xúc sức nhiệt động 43 Tính chất chung kim loại hợp kim 44 2.1 Tầm quan trọng kim loại hợp kim 44 2.2 Các tính chất 45 2.3 Những hư hỏng thường gặp cách tính chọn vật liệu dẫn điện 47 Một số Vật liệu dẫn điện thông dụng 50 4.1 Đồng hợp kim đồng 50 4.2 Nhôm hợp kim nhôm 53 4.3 Chì hợp kim chì 56 4.4 Sắt (thép) 58 4.5 Wonfram: (Còn gọi Tungstene) ký hiệu là:W 59 4.6 Kim loại dùng làm tiếp điểm cổ góp 60 4.7 Hợp kim có điện trở cao chịu nhiệt 64 4.8 Lưỡng kim 65 CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU DẪN TỪ 68 Mã chương : 11-03 68 Khái niệm tính chất vật liệu dẫn từ 68 1.1 Khái niệm vật liệu dẫn từ 68 1.2 Tính chất vật liệu dẫn từ 68 Mạch từ tính tốn mạch từ 71 2.1 Các công thức 72 2.2 Sơ đồ thay mạch từ 75 2.3 Mạch từ xoay chiều 76 2.4 Những hư hỏng thường gặp 82 Một số vật liệu dẫn từ thông dụng 82 3.1.Vật liệu sắt từ cứng: 86 3.2 Các vật liệu từ có cơng dụng đặc biệt 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 GIỚI THIỆU MÔN HỌC: VẬT LIỆU ĐIỆN Mã số mơn học: MH 11 Vị trí, tính chất,ý nghĩa vai trị mơn học - Vị trí: Mơn học vật liệu điện bố trí học sau mơn học An tồn lao động học song song với mơn học, mơ đun: Mạch điện,Vẽ điện, Khí cụ điện - Tính chất: Là mơn học kỹ thuật sở - Ý nghĩa vai trò:Cùng với phát triển điện năng, Vật liệu điện ngày phát triển đa dạng phong phú, có tác dụng tích cực việc nâng cao suất, an toàn hiệu sử dụng điện Môn học Vật liệu điện nhằm trạng bị cho học viên kiến thức : Vật liệu cách điện, vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ Mục tiêu - Nhận dạng loại vật liệu điện thông dụng - Phân loại loại vật liệu điện thơng dụng - Trình bày đặc tính loại vật liệu điện - Xác định dạng nguyên nhân gây hư hỏng vật liệu điện - Rèn luyện tính cẩn thận, xác, chủ động công việc Nội dung môn học Thời gian(giờ) Tổng Lý Thực hành Kiểm tra* Tên chương, mục TT số thuyết Bài tập (LT TH) Bài mở đầu Khái niệm vật liệu điện Phân loại vật liệu điện II Chương 1.Vật liệu cách điện 1.Khái niệm phân loại vật liệu cách điện Tính chất chung vật liệu cách điện 3.Một số vật liệu cách điện thông dụng III Chương 2.Vật liệu dẫn điện 1.Khái niệm tính chất 2.Tính chất chung kim loại hợp kim 3.Những hư hỏng thường cách chọn vật liệu dẫn điện 4.Một số vật liệu dẫn điện I 10 1 1 2 1 1 1 1 thông dụng Chương 3.Vật liệu dẫn từ Khái niệm tính chất vật liệu dẫn từ Mạch từ, tính tốn mạch từ Một số vật liệu dẫn từ Cộng: 30 4 2 1 15 13 BÀI MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN Giới thiệu: Vật liệu điện có vai trị to lớn công nghiệp điện Để thấy rõ chất cách điện hay dẫn điện loại vật liệu, cần hiểu khái niệm cấu tạo vật liệu hình thành phần tử mang điện vật liệu Bên cạnh cần nắm rõ nguồn gốc, cách phân loại loại vật liệu để tiện lợi cho 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 khái niệm cấu tạo vật liệu dẫn điện - Phân loại xác chức vật liệu cụ thể - Rèn luyện tính chủ động nghiêm túc công việc Khái niệm, cấu tạo vật liệu điện Mục tiêu: Trình bầy khái niệm, cấu tạo 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 đường dây, gọi chung vật liệu điện Như vật liệu điện bao gồm: Vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ Để thấy chất dẫn điện hay cách điện vật liệu, cần hiểu khái niệm cấu tạo vật liệu hình thành phần tử mang điện vật liệu 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 mơ hình ngun tử Bor, ngun 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 không mang điện tích cịn prơton có điện tích dương với số lượng Zq Ở trạng thái bình thường, nguyên tử trung hịa điện 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 1.3 Cấu tạo phân tử Phân tử tạo nên từ nguyên tử thông qua liên kết phân tử Trong vật chất tồn bốn loại liên kết sau: Liên kết đồng hóa trị: Liên kết đồng hóa trị đặc trưng dùng chung điện tử nguyên tử phân tử Khi mật độ đám mây điện tử hạt nhân trở thành bão hòa, liên kết phân tử bền vững Liên kết ion: Liên kết ion xác lập lực hút ion dương ion âm phân tử Liên kết kim loại: Dạng liên kết tạo nên tinh thể vật rắn Kim loại xem hệ thống cấu tạo từ ion dương nằm môi trường điện tử tự Lực hút ion dương điện tử tạo nên tính nguyên khối kim loại Chính liên kết kim loại liên kết bền vững, kim loại có độ bền học nhiệt độ nóng chảy cao Liên kết Vandec – Vanx: Liên kết dạng liên kết yếu, cấu trúc mạng tinh thể phân tử không vững Do liên kết phân tử liên kết Vandec - Vanx có nhiệt độ nóng chảy có độ bền thấp Khuyết tật cấu tạo vật rắn: Các tinh thể vật rắn có cấu tạo đồng Sự phá hủy kết cấu đồng tạo nên khuyết tật vật rắn thường gặp nhiều thực tế Những khuyết tật tạo nên ngẫu nhiên hay cố ý trình chế tạo vật liệu Lý thuyết phân vùng lượng vật rắn: Khi nguyên tử trạng thái bình thường khơng bị kích thích, số mức lượng điện tử lấp đầy, mức lượng khác điện tử có mặt nguyên tử nhận lượng từ bên tác động (trạng thái kích thích) Ngun tử ln có xu hướng quay trạng thái ổn định Khi điện tử chuyển từ mức lượng kích thích sang mức lượng nguyên tử nhỏ nhất, nguyên tử phát phần lượng dư thừa Hình 1.1: Sơ đồ phân bố vùng lượng vật rắn nhiệt độ 00K Phân loại vật liệu điện Mục tiêu: - Phân loại vật liệu điện theo khả dẫn điện, từ tính, trạng thái vật thể 2.1 Phân loại vật liệu điện theo khả dẫn điện Trên sở giản đồ lượng, người ta phân loại theo vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện vật liệu bán dẫn 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 bán dẫn Vật liệu bán dẫn chất có vùng cấm hẹp so với vật liệu cách điện, vùng thay đổi nhờ tác động lượng từ bên Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé ( W = 0,2 1,5eV) Điện môi (vật liệu cách điện) Điện mơi chất có vùng cấm lớn đến mức điều kiện bình thường dẫn điện điện tử khơng xẩy Các điện tử hóa trị cung cấp thêm lượng chuyển động nhiệt di chuyển tới vùng tự để tham gia vào dòng địên dẫn Chiều rộng vùng cấm vật liệu cách điện ( W = 1,5 2eV) 2.2 Phân loại vật liệu điện theo từ tính Theo từ tính người ta chia vật liệu thành: nghịch từ, thuận từ dẫn từ Vật liệu nghịch từ vật liệu có độ từ thẩm khơng phụ thuộc vào từ trường bên Vật liệu thuận từ vật liệu có độ từ thẩm khơng phụ thuộc vào từ trường bên ngồi Vật liệu thuận từ nghịch từ có độ từ thẩm xấp xỉ Vật liệu dẫn từ vật liệu có độ từ thẩm phụ thuộc vào từ trường bên 2.3 Phân loại vật liệu điện theo trạng thái vật thể Theo trạng thái vật thể có vật liệu thể rắn, thể lỏng vật liệu thể khí Ngồi ta phân loại vật liệu điện: Theo cơng dụng: có vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ vật liệu bán dẫn Theo nguồn gốc: có vật liệu vô vật liệu hữu CÂU HỎI 1.Trình bày cấu tạo nguyên tử, phân tử vật liệu điện? 2.Trình bày mối liên kết vật liệu điện? So sánh đặc điểm mối liên kết đó? 10 - r: điện trở cuộn dây ( ) - : Tần số góc nguồn điện (s-1) - L: Hệ số tự cảm cuộn dây (H) 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 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 ngược lại 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 hướng bị giảm xuống, đồng thời sức từ động F tăng có xu hướng 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 vòng dây N có quan hệ chặt chẽ tới giá trị từ thông mạch từ điện áp U Trong đó: f: tần số nguồn điện (Hz) m: giá trị biên độ từ thông xoay chiều mạch từ (wb) 77 Từ ta thấy U= const m= const N đại lượng xác định Khi cuộn dây mạch từ cuộn dây dòng, dòng điện chảy qua cuộn dây phụ thuộc vào phụ tải, số vịng dây xác định bởi: 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 thơng 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 đôi tần số nguồn điện Vì xuất hiện tượng rung nắp mạch từ xoay chiều vận hành Để làm giảm tượng rung sử dụng biện pháp đặt vịng ngắn mạch ơm lấy phần cực từ Xet mạch từ xoay chiều có cuộn dây đặt gơng hình Bài tốn đặt sau: Cho trước điện áp cuộn dây xoay chiều U, hình dạng kích thước mạch từ, từ thơng làm việc  lv Hãy xác định dịng điện I chảy cuộn dây bỏ qua từ trở lõi thép mạch từ Hình 4.5: Mạch từ xoay chiều có cuộn dây đặt gơng Giải - Sức từ động cuộn dây xác định từ: 4.18 78 G tổng từ dẫn hai khe hở khơng khí mạch từ có cơng thức tính sau: 4.19 Từ thơng rị đượcxác định từ giá trị từ dẫn rò quy đổi: 4.20 Từ thơng tổng: 4.21 Số vịng dây: 4.22 Từ (4.18) (4.19) xác định giá trị dòng điện: 4.23 Trong trờng hợp, mạch từ có cuộn dây đặt lõi, trình tự giải khơng có khác, nhiên cần lưu ý tới việc xác định giá trị từ dẫn rò quy đổi G Đối với mạch từ kiểu Solenoide hình (hình 4.6) Với tốn cho trước giá trị từ thơng lv số vòng dây N cuộn dây xác định theo trình tự sau: Tính sức từ động cuộn dây kích thích: 79 Ta tính tốn cách mạch từ chia nhỏ thành đoạn l1, l2, v.v….có tiết diện tồn chiều dài nó, tức phải chịu từ trường giống hệt Kế tiếp ta xác định cảm ứng từ đoạn ta tìm cường độ tương ứng trường từ theo đường cong từ hóa tự nhiên (hình 4.7) Hình 4.7: a) Các chu trình từ trễ đường cong từ hóa tự nhiên b) Vòng từ trễ (mắc từ trễ) số giá trị giới hạn khác lực từ Cường độ từ trường khe hở hay vật liệu khơng từ tính theo cơng thức: Ở H0 xác định A/m), B0: tesla Hay H0= 0,8.B0 H0 xác định A/cm B0 gauss 80 Theo lý thuyết Ampe, tổng số từ áp tất đoạn mạch từ với dòng tổng H1l1+ H2l2+ H0l0+ = I Ví dụ: Cần vịng dây quấn lõi (hình 4.8) để có từ thơng 47.10-4Wb, giả thiết dịng điện cuộn dây 25A phần phía lõi làm thép 330 phần phía làm thép khuôn? 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 tạo nên khe hở l 0= x = 10 mm (0,01m) S0= 36cm2 (0,0036m2) Bài giải: Cảm ứng từ đoạn thứ nhất, hai thứ ba là: Theo đường cong từ hóa tự nhiên thép 330 (Hình 4.9) ta thấy cảm ứng từ 1,3T tương ứng với cường độ từ trường 750A/m Từ áp đoạn thứ là: Um1= H1l1= 750 x 0,54 = 405 A Cường độ từ trường đoạn thứ hai là: 81 H2= 400A/m Từ áp đoạn thứ hai là: Um2= H2l2= 400 x 0,17 = 68 A Cường độ từ trường 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 Fm = Um1 + Um2 + Um0 = 405 + 68 + 10400 = 10873 A Số lượng vòng cuộn dây là: 2.4 Những hư hỏng thường gặp Các loại vật liệu dẫn từ sử dụng để chế tạo mạch từ thiết bị điện, máy điện khí cụ điện, nên sử dụng lâu ngày bị hư hỏng ta thường gặp dạng hư hỏng sau: + Hư hỏng bị ăn mòn kim loại: đa phần chúng chất sắt từ hợp chất sắt từ nên chúng bị tác dụng môi trường xung quanh tác dụng diễn hai hình thức ăn mịn, ăn mịn hóa học ăn mịn điện hóa kim loại khác bề mặt chúng có sơn lớp sơn cách điện + Hư hỏng điện: trình làm việc xẩy tương điện áp, bị ngắn mạch nên cuộn dây đặt mạch từ bị cháy nên làm hỏng mạch từ + Hư hỏng bị già hóa kim loại: tác dụng tời gian mơI trường làm cho tính chất vật liệu từ thay đổi + Hư hỏng lực tác động từ bên ngoài: tác dụng ngoại lực làm cho vật liệu từ bị biến dạng bị hỏng + Dưới tác dụng nhiệt độ: nhiệt độ tăng lên (khoảng 125 0C) vật liệu có từ tính từ tính Một số vật liệu dẫn từ thơng dụng Mục tiêu: Trình bầy tính chất, cơng dụng loại vật dẫn từ thông dụng - Vật liệu sắt từ mềm: Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm cao, lực kháng từ tổn hao từ trễ nhỏ Được 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: 82 a.Sắt (thép cácbon thấp) Nhìn chung sắt thỏi chứa lượng nhỏ tạp chất, cácbon, sulfur, mangan, silíc, nguyên tố khác làm yếu tính chất từ tính Bởi điện trở suất tương đối thấp, thép thỏi phần lớn dùng cho lõi từ Nó thường làm sắt đúc tinh chế lò luyện kim lò thổi với tổng lượng chứa (0,08 – 0,1)% tạp chất Vật liệu biết đến tên thép armco 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 tương ứng không cao (100 62)A/m Sắt đặc biệt tinh khiết sản xuất cách điện phân dung dịch sulfát sắt hay clorua sắt Nó chứa 0,05 tạp chất Vì có điện trở tương đối thấp nên sắt tinh khiết kỹ thuật sử dụng tương 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 Tạp chất (%) Vật liệu Độ thẩm từ Ban đầu O2 C Các tính chất từ Lực kháng Lớn max từ HC (A/m) Sắt thỏi 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 ủ ram hyđrô - - - 1430000 0,8 b.Thép kỹ thuật điện 83 - Tính chất Từ thép cacbon thấp có thành phần C < 0,04% tạp chất khác < 0,6%) có trị số từ thẩm tương đối từ 3500 4500, cường độ từ trường khử từ (64 96)A/m Người ta đưa thêm silic vào thành phần thép Hàm lượng silic dùng để hạn chế tổn hao từ trễ tăng điện trở thép để giảm tổn hao dịng điện xốy Nếu thành phần silic nhiều (trên 5%) làm tăng độ dịn, 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 lượng silic cao chủ yếu làm mạch từ cho máy biến áp Thép có hàm lượng silic nhỏ dùng làm mạch từ trường 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 hướng: có tính từ tính tốt thường dùng làm lõi thép máy biến áp + Thép vô hướng: thường dùng máy điện quay - Giải thích ký hiệu Nếu thép kỹ thuật điện có hàm lượng C< 0,4% tạp chất < 0,6% ta gọi sắt kỹ thuật Thép silic: có ký hiệu chữ số Con số thứ hàm lượng gần silíc theo phần trăm; tăng hàm lượng silíc, khối lượng riêng giảm điện trở suất tăng lên Con số thứ hai đặc trưng 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 trường mạnh + Chữ A ký hiệu suất tổn hao thấp + Số cho biết thép định mức tổn hao từ hóa tần số 400Hz cảm ứng từ từ trường trung bình + Thép có ký hiệu số 5, dùng từ trường yếu từ (0,002 0,008)A/cm trị số bđ chúng đảm bảo 84 + Con số 7, đặc điểm chủ yếu độ từ thẩm cường độ từ trường trung bình từ (0,03 10)A/cm + Con số thứ thép cán nguội (thép có thớ) + Có hai số liên tiếp thép cán nguội thớ c Công dụng Thép với hàm lượng silic cao chủ yếu dùng để làm lỏi thép máy biến áp mà ta thường gọi tơn silic Thép có thớ đẳng hướng: có tính từ tính tốt thường dùng làm lõi thép máy biến áp Sử dụng thép làm máy biến áp điện lực giảm trọng lượng kích thước Thép có thớ vơ hướng: thường dùng máy điện quay Các kích thước thường dùng thép kỹ thuật điện cho bảng Bảng 3.2 Kích thước thường dùng thép kỹ thuật điện Kích thước Đơn vị đo Trị số thường 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 cường độ từ trường tương ứng tính theo A/cm); Tổng suất tổn hao cơng suất dịng điện xoay chiều tính W 1kg thép đặt từ trường xoay chiều, 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) B 0,002 –B 0,009 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 85 Pécmaloi: (permallois): Là hợp kim sắt - niken có độ từ thẩm ban đầu lớn từ trường yếu, chúng khơng có tượng dị hướng từ giảo Pécmalôi chia làm loại: Loại nhiều niken: (72 80)%Ni dùng làm lỏi cuộn cảm có kích thước 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 cường độ từ cảm bảo hịa lớn gấp lần loại có nhiều niken Được 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, chế tạo dạng đúc định hình Các sản phẩm chế từ alusife như: từ, thân dụng cụ v.v chế tạo phương 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 3.1.Vật liệu sắt từ cứng: Các vật liệu sắt từ cứng thường có tổn hao từ trễ lớn, cường độ từ trường khử từ cao, độ từ thẩm nhỏ so với vật liệu sắt từ mềm Tùy theo thành phần trạng thái phương pháp chế tạo vật liệu sắt từ cứng chia làm nhiều loại: Thép hợp kim hóa, tơi đến trạng thái máctenxít Các hợp kim từ cứng alni, alnisi, alnico, macnico Các nam châm dạng bột Là loại có độ dẫn từ thấp hơn, có từ dư lớn, có khả luyện từ, chủ yếu dùng để chế tạo nam chậm vĩnh cửu máy điện, cấu đo Vật liệu chủ yếu thép cácbon, thép crom, thép vonfram, thép côban Hợp kim làm nam châm vĩnh cữu a Thép hợp kim hóa tơi đến trạng thái mactenxít Là loại thép hợp kim hoá với chất như: 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 86 bảng (bảng4.6.) đảm bảo thép mactenxít sau nhiệt luyện đặc biệt loại sau ổn định nước sơi b Các hợp kim từ cứng Thường gọi hợp kim aluni: (Al - Ni - Fe) Loại có lượng từ lớn Nếu cho thêm côban 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 lượng cơban lớn ta gọi macnico Bảng 3.4 Thành phần, tính chất thép Mactenxit làm nam châm vĩnh cửu Thành phần hóa học % Nhãn hiệu C Cr VV Cáctính chất từ (khơng nhỏ hơn) Co Mo Cảm ứng từ Lực kháng dư Bd k.gauss 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 5,20 đến 0,50 6,20 - - 10,0 62 - 8,5 100 1,20 đến 1,70 8,0 170 EX5K5 0,90 đến 1,05 EX9K15M 0,90 đến 1,05 5,50 đến 6,50 - 8,0 đến 10,0 - 5,50 đến 6,5 13,5 đến 16,5 Tất hợp kim có khuyết điểm khó chế tạo thành chi tiết có kích thước xác hợp kim có tính chất cứng giịn Nên gia cơng phương pháp mài Tùy theo thành phần phương pháp gia cơng mà tính chất từ thay đổi Nam châm hợp kim manicô nhẹ nam châm aluni lượng lần nhẹ nam châm thép crôm thông thường 22 lần c Các nam châm dạng bột Chế tạo nam châm vĩnh cửu phương pháp luyện kim bột đề hợp kim đúc sắt – niken – nhôm chế tạo sản phẩm nhỏ có kích thước chinh xác 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) 87 Loại thứ chế tạo cách ép bột nghiền từ hợp kim từ cứng, sau đố thiêu kết nhiệt độ cao Các chi tiết nhỏ chế tạo cơng nghệ có kích thước tương đối xác, khơng cần gia cơng thêm Loại thứ hai chế tạo phương pháp ép giống ép chi tiết chất dẻo chất độn nghiền từ hợp kim từ cứng Vì chất độn 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 hước 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 dư giảm (35 50)%, lượng tích lũy giảm (40 60)% so với nam châm đúc Nam châm kim loại dẻo có điện trở cao, sử dụng thiết bị có trường biến đổi tần số cao 3.2 Các vật liệu từ có cơng dụng đặc biệt 3.2.1.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 khơng đổi Loại hợp kim thuộc nhóm có tên gọi pecminva, hợp kim ba nguyên tố: Fe – Ni – Co với hàm lượng 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 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 đôi từ cảm nam châm vĩnh cửu hay điện trở dây dẫn dụng cụ điện nhiệt độ môi trường khác với nhiệt đọ lúc khắc độ Để có độ từ thẩm phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, ngưòi 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 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 88 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 hòa cao Là hợp kim Fe – Co có từ cảm bảo hịa từ cao đến 24000 gauss Điện trở hợp kim không lớn Hợp kim có tên gọi Pecmenđuyara với hàm lượng cơban 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 3.2.2.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 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 mơi 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 3.5) Bảng 3.5.Các đặc tính vật liệu Ferit Mật độ Nhiệt dung riêng J(g.độ) Nhiệt dẫn Hệ số giãn Điện trở suất riêng nở nhiệt theo , cm W(cm.độ) chiều dài l.độ-1 0,7 102 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 89 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 thường dùng sắt cácbonyl, pécmalôi, alusife v.v Chất dính kêt cách điện nhưa 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 đặc biệt ý kỹ thuật máy tính để làm nhớ Vật liệu sản phẩm có loạt yêu cầu đặc biệt Để đặc trưng cho chúng thường 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 Để xác định Bmax thường 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 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? 8.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? Bài tập: 90 Mạch từ hình vẽ (hình BT: 4.1) có kích thước S = S = cm2, = 0,050 cm, LC = 30cm N = 500 vòng Giả sử sắt r = 70000 a Hãy xác định từ trở RC R Giả sử mạch từ làm việc BC = 0,1T b Hãy xác định từ thơng dịng điện I Hinh BT: Đối với mạch từ (hình BT: 4.1) Hãy xác định: a Tự cảm L b Năng lượng dự trữ w BC =1T c Điện áp cảm ưng e Cho tần số f = 60Hz, BC = 1,0 sint với  = /60=377 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]- Nguyễn Trọng Thắng, Công nghệ chế tạo tính tốn sửa chữa máy điện 1, 2, 3, NXB Giáo Dục 2000 [2]- Trần Khánh Hà, Máy điện 1, 2, NXB Khoa học Kỹ thuật 2004 [3] -Nguyễn Xuân Phú (chủ biên), Quấn dây, sử dụng sửa chữa động điện xoay chiều chiều thông dụng, NXB Khoa học Kỹ thuật 2000 [4]- Đặng Văn Đào, Kỹ Thuật Điện, NXB Giáo dục 2004 [5]-Trần Thế San, Nguyễn Đức Phấn, Thực hành kỹ thuật điện lạnh, NXB Đà Nẵng 2001 [6] Nguyễn Xuân Phú, Khí cụ Điện - Kết cấu, sử dụng sửa chữa, NXB Khoa học Kỹ thuật 2002 91 ... Tất vật liệu dùng để chế tạo máy điện, khí cụ điện, dây dẫn vật liệu dùng làm phụ kiện đường dây, gọi chung vật liệu điện Như vật liệu điện bao gồm: Vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu. .. đầu Khái niệm vật liệu điện Phân loại vật liệu điện II Chương 1 .Vật liệu cách điện 1.Khái niệm phân loại vật liệu cách điện Tính chất chung vật liệu cách điện 3.Một số vật liệu cách điện thông dụng... loại vật liệu điện theo trạng thái vật thể Theo trạng thái vật thể có vật liệu thể rắn, thể lỏng vật liệu thể khí Ngồi ta phân loại vật liệu điện: Theo cơng dụng: có vật liệu dẫn điện, vật liệu