Bài giảng Vật liệu điện và cao áp: Chương 10 Ngô Quang Ước Bài giảng Vật liệu điện và cao áp:

Chương 10 Ngô Quang ƯớcChương 10 Vật liệu từ trong bài giảng Vật liệu điện và cao áp giới thiệu đến các bạn khái niệm chung về tính chất từ của vật liệu từ tính, các vật liệu từ mềm, vật liệu từ cứng,... với các bạn đang học và nghiên cứu Điện Điện tử thì đây là tài liệu tham khảo hữu ích

Hiện tượng sắt từ là do trong một số vật liệu ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ Quyri (Curie) đã phân sẵn thành những vùng vĩ mô mà trong từng vừng ấy các spin điện tử đều định hướng song song với nhau Các vùng ấy gọi là đômen từ

• Tính chất đặc trưng cho trạng thái sắt từ của các

chất là nó có độ nhiễu từ tự phát ngay khi không có

từ trường ngoài

• Từ giảo: là hiện tượng khi từ hóa chất sắt từ đơn

tinh thể thì kích thước của chúng có thay đổi

• Quá trình từ hóa vật liệu sắt từ thể đặc trưng bằng

đường cong từ (Đường cong từ trễ) hóa B = f (H)

H

B

• Hiện tượng từ trễ: Là một đặc trưng dễ thấy nhất ở chất sắt từ Khi từ hóa một khối chất sắt từ các mômen từ sẽ có xu hướng sắp xếp trật tự theo hướng từ trường ngoài do đó từ độ của mẫu tăng dần đến độ bão hòa khi từ trường đủ lớn (khi đó các mômen từ hoàn toàn song song với nhau) Khi ngắt từ trường hoặc khử từ theo chiều ngược, do sự liên kết giữa các mômen từ

và các đômen từ, các mômen từ không lập tức bị quay trở lại trạng thái hỗn độn như các chất thuận từ mà còn giữ được từ độ

ở giá trị khác không Có nghĩa là đường cong đảo từ sẽ không khớp với đường cong từ hóa ban đầu, và nếu ta từ hóa và khử từ theo một chu trình kín của từ trường ngoài, ta sẽ có một đường cong kín gọi là đường cong từ trễ Có nhiều cơ chế khác nhau để tạo ra hiện tượng trễ như cơ chế dịch chuyển vách, cơ chế quay mômen từ, cơ chế hãm sự phát triển của các mầm đảo từ

• Độ từ thẩm

µ = B/H B: cảm ứng từ ( 1 gaus = 10 -4 tesla (T))

H: cường độ từ trường ( 1 ơcstet = 80A/m)

• Độ từ thẩm ban đầu (µ bd ) là từ độ tử thẩm khi H = 0

• Giá trị lớn nhất của độ từ thẩm gọi là độ từ thẩm cực

MnSb: 587 K

• Để đặc trưng cho sự biến đổi của µ theo nhiệt độ

người ta dùng hệ số nhiệt của độ từ thẩm

• Vật liệu có trị số H k nhỏ và độ từ thẩm lớn gọi là vật liệu sắt từ mềm

• Vật liệu có trị số H k lớn và độ từ thẩm tương đối bé thì gọi là vật liệu sắt từ cứng

từ H k )

• Để giảm tổn hao dòng điện xoáy, trong các MBA

dùng vật liệu sắt từ mềm có điện trở lớn, thường là dùng gông từ bằng cách ghép những tấm tôn silic cách điện với nhau

• Tổn hao dòng xoáy: vật liệu từ mềm được sử dụng trong từ

trường ngoài, và nếu sử dụng trong trường xoay chiều, sẽ sinh

ra các dòng điện Foucault gây mất mát năng lượng và tỏa nhiệt Công suất tổn hao Foucault được tính theo công thức:

với:

B s : là cảm ứng từ bão hoà của lõi

d : độ dày của lõi (mm)

k f : là một hệ số dạng đường cong từ hóa

f : Tần số từ trường xoay chiều (Hz)

γ : Khối lượng riêng vật liệu (g/cm 3 )

ρ : điện trở suất (Ωmm 2 /m)

(W/kg)

• Từ công thức này ta lý giải được việc các lõi biến

thế tôn Si (FeSi) được chế tạo thành các lá mỏng nhằm làm giảm độ dày, giảm tổn hao dòng xoáy Đồng thời, lõi FeSi chỉ có thể sử dụng cho biến thế tần số thấp vì ở tần số cao, tổn hao sẽ rất lớn (do FeSi có điện trở suất thấp), trong khi các vật liệu gốm ferrite có thể sử dụng ở các tần số rất cao do chúng có bản chất gốm, có điện trở suất rất lớn, làm giảm tổn hao dòng xoáy

10.2.1 Sắt

• Sắt kỹ thuật tinh khiết:

+ Có trị số cảm ứng từ bão hòa cao (Bs = 21580 gauss) + Có điện trở nhỏ chủ yếu làm mạch từ từ thông không đổi

hay lò thổi, hàm lưọng tạp chất tổng cộng < 0,08 0,1% (còn được gọi là “sắt armcô”)

-• Thép là kỹ thuật điện cácbon thấp Đó là 1 dạng của

sắt kỹ thuật tinh khiết được sản xuất thành tấm mỏng từ 0,2 - 4mm, thành phần < 0,04% các bon và <

hơn 0,8 - 1,2 ơcstet

• Sắt đặc biệt tinh khiết:

+ Lượng tạp chất < 0,05%

+ Thu được bằng 2 phương pháp:

1) Sắt điện phân chế tạo bằng cách điện phân dung dịch sunfát hay clorua sắt trong đó anốt là sắt tinh khiết,

rửa cẩn thận được gỡ ra và nghiền thành bột trong

không

Sắt cácbinyl-5 là chất lỏng được thu khi tác dụng axít các bon lên sắt ở nhiệt độ gần -200 0 C, áp suất gần 150ata Sắt cacbonyl có dạng bột mịn rất thuận tiện để chế lõi sắt cao tần nén

10.2.2 Thép

• Thép lá kỹ thuật điện là vật liệu từ mềm được dùng rộng rãi nhất

• Việc đưa silic vào thành phần của thép:(Tôn silic)

+ Làm tăng điện trở suất, do đó hao do dòng điện xoáy giảm xuống

ρ = 0,1 + (0,12.%Si) (Ωmm 2 /m) + Tạo khả năng tách cácbon ở dạng garfít, cũng như khử gần toàn

bộ ôxy của thép Điều này làm tăng , giảm Hk và giảm tổn hao

từ trễ

+ Ảnh hưởng xấu đến tính cơ học của thép như tăng độ giòn và khó cán thành tấm Hàm lượng silic đến 4% thép còn có đặc tính cơ tương đối tốt, nhưng >5% nó trở nên rất giòn

+ Si là ion không từ tính nên làm loãng các ion Fe dẫn đến giảm từ tính Theo công thức : B s = 21580 – (480.%Si) (gauss)

• Thép lá kỹ thuật điện ở Liên Xô (cũ) chia thành các

• Con số thứ nhất chỉ hàm lượng gần đúng của silic

riêng của thép giảm và điện trở suất của nó tăng

+ Con số thứ hai đặc trưng cho tính chất điện và từ của thép Các con số 1,2,3 đảm bảo suất tổn hao xác định khi từ hoá lại (ở 50Hz) và cảm ứng từ trong từ trường mạnh

+ Chữ A ký hiệu tổn hao rất thấp

+ Số 4 cho biết thép được định mức tổn hao khi từ hoá

ở tần số 400Hz và cảm ứng từ trong trường có cường độ trung bình

A/cm và trị số của chúng được bảo đảm

+ Số 7,8 chỉ đặc điểm chủ yếu của độ từ thẩm trong cường độ trường trung bình từ 0,03 đến 20A/cm

+ Số 0 thứ ba chỉ rằng thép cán nguội (thép có thớ), có hai số 0 liên tiếp là thép được cán nguội và ít thớ

• Các tiêu chuẩn quy định tính chất điện và từ đối với

các nhãn thép kỹ thuật điện là:

cường độ từ trường tương ứng tính theo A/cm);

chiều, được ký hiệu bằng chứ P

10.2.3 Pecmaloi

- Là hợp kim của Fe và Ni, là chất dễ từ hóa có hệ số từ thẩm ban đầu cao

do hệ số dị hướng có thế tiến tới 0 (phụ thuộc vào thành phần Ni)

• Pecmaloi là hợp kim gồm có 50%÷ 80% là Niken, 18%÷ 18,5% là Fe còn lại là Mangan, Crôm, Đồng, Silic và còn lại là Moliden

- Pecmaloi có độ thừ thẩm lớp gấp 10 lần độ từ thẩm của sắt kỹ thuật

+ Giá thành vật liệu cao

- Ứng dụng: Pecmaloi thườngđược dát mỏng Chúng thườngđược dùng làm biến áp Micrô,đầu từ,biến áp kích thước nhỏ, chất lượng cao

10.2.4 Điện môi từ

- Là vật liệu điện môi trộn với sắt từ

Điện môi thường là: Bakelit, polisterol, thủy tinh lỏng, ngoài ra để tăng độ kết dính còn có parafin

- Có thể làm việc ở tần số cao

- Nhược điểm là có từ tính kém

10.2.5 Ferit từ mềm

• Là tên gọi chung của nhóm các vật liệu có trật tự từ mà trong

cấu trúc từ của nó gồm 2 phân mạng đối song song nhưng có

độ lớn khác nhau Ferri từ còn được gọi là phản sắt từ bù trừ không hoàn toàn

• Là nhóm các vật liệu gốm có công thức hóa học chung là

XO.Y 2 O 3 với X là một kim loại hóa trị 2, Y là kim loại hóa trị 3 (mà dùng phổ biến nhất là sắt - Fe)

• Phân loại và ứng dụng:

+ Các ferit từ mềm có đường từ trể dạng tròn, điển hình như đó là ferit họ NiZn, MnZn và được dùng trong từ trường biến đổi tần số f = 10 3 – 10 7 + Các ferit từ giảo, dùng để thu, phát siêu âm thường là họ firit Ni

+ Các ferit có dạng tử trể chữ nhật, như họ ferit MnMg Dùng trong môi trường có tần số cao

+ Các ferit siêu cao tần, như họ ferit AlNi, AlFe, dùng trong các trường hợp có tần số siêu cao

10.3 VẬT LIỆU TỪ CỨNG

• Các vật liệu làm nam châm vĩnh cửu được đặc

trưng bằng các tham số: Lực khánh từ, từ du và năng lượng lớn nhất đưa vào không gian xung

từ mềm và lực kháng từ càng cao thì độ từ thẩm càng nhỏ

• Nam châm kín (dạng hình xuyến) không mất năng

lượng cho không gian bên ngoài Khi có khe hở

truyền ra không gian, giá trị năng lượng phụ thuộc

• Năng lượng đưa vào một đơn vị thể tích khe hở không

khí có thể biểu diễn bằng đẳng thức:

Với: H L Cường độ trường ứng với từ cảm B L Chiều

của các cực càng lớn và BL càng nhỏ

• Với nam châm kín B L = B d thì năng lượng đưa ra ngoài

• Khe hở giữa các cực rất lớn, năng lượng đưa ra cũng

tiến tới không vì B L = 0; H L = H K

• Ứng với một vài giá trị B L và H L năng lượng đưa ra đạt

dụng nam châm tốt nhất và cũng là giá trị quan trọng nhất đặc trưng cho chất lượng vật liệu làm nam châm vĩnh cửu

L L L

B H

W =

8π

Theo thành phần, trạng thái và phương pháp chế tạo

vật liệu từ cứng được chia thành các loại:

• Loai thép này là vật liệu đơn giản và dễ kiếm nhất để

làm nam châm vĩnh cửu

• Được hợp kim hoá với các chất phụ như: vonfram,

crôm, molipđen, côban

• Bảng 10.7 là thành phần và tính chất

• Giá trị B L H L đối với thép mactenxít khoảng 10)105 gaus.ớcstet, hay 2000-8000T.A/m

(2,5-2 Hợp kim từ cúng đúc

• Hợp kim ba nguyên tố Al-Ni-Fe, còn gọi là kim Alumi có

năng lượng từ lớn

• Khi cho thêm côban hay silic tính chất từ của hợp kim

tăng lên Hợp kim aluni có chất phụ silic gọi là alunisi,

alunicô có hàm lượng côban lớn nhất gọi là macnicô

• Tính chất phụ thuộc vào cấu tạo tinh thế và cấu trúc từ

mạng tinh thể lớn

• Hợp kim macnicô có đặc tính mạnh là không đẳng

hướng Tính chất từ tốt nhất theo hướng khi làm nguội

nó có từ trường tác động

• Nhược điểm của các hợp kim aluni, alnico và manico là

pháp mài

3 Các nam châm bột

• Nam châm bột loại gốm: Được chế tạo bằng ép bột

nghiền từ các hợp kim từ cứng sau đó thiêu kết ở nhiệt độ cao tương tự quá trình nung gốm Chế tạo với các chi tiết nhỏ và tương đối chính xác

• Nam châm bột có các hạt gắn bằng chất kết dính nào

đó (nam châm kim loại dẻo) Tương tự như ép các

từ hợp kim từ cứng

• Tính chất từ của các nam châm kim loại dẻo kém

nhiều: lực kháng từ giảm 10 ÷ 15%, từ dư giảm 35÷

châm đúc

• Nam châm kim loại dẻo có điện trở cao, do đó có thể

sử dụng nó trong các thiết bị có từ trường biến đổi

tần số cao

4 Ferits từ cứng

• Điển hình là ferít bari BaO 6 Fe2O 3 khác với ferít từ mềm nó không có cấu trúc lập phương mà là mạng

• Nam châm bari được sản xuất ở dạng rông đen và

đĩa mỏng Chúng có tính ổn định cao đối với tác dụng của tử trường ngoài, chịu được lắc, va đập Khối lượng ferít bari là 4,4 ÷ 4,9g/cm3, nhỏ hơn hợp

hơn Điện trở suất ferit bari: 106 ÷ 109 Ω.cm Chúng

có thể làm ở tần số cao và giá thành rẻ

• Nhược điểm: độ bên cơ thấp, độ giòn lớn, tính chất

từ phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ

• Có tính chất từ không thuận nghịch