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

CHƯƠNG 10. VẬT LIỆU TỪ 10.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU TỪ TÍNH Các vật liệu từ như: Sắt từ, côban (Co), niken (Ni), gađôli (Gd) hợp chất hoá học ferít Nguyên nhân chủ yếu gây nên từ tính vật liệu điện điện tích luôn chuyển động ngầm theo quỹ đạo kín tạo nên dòng điện vòng. Hiện tượng sắt từ số vật liệu nhiệt độ thấp nhiệt độ Quyri (Curie) phân sẵn thành vùng vĩ mô mà vừng spin điện tử định hướng song song với nhau. Các vùng gọi đômen từ. • Tính chất đặc trưng cho trạng thái sắt từ chất có độ nhiễu từ tự phát từ trường ngoài. • Từ giảo: tượng từ hóa chất sắt từ đơn tinh thể kích thước chúng có thay đổi. • Quá trình từ hóa vật liệu sắt từ thể đặc trưng đường cong từ (Đường cong từ trễ) hóa B = f (H). B H • Hiện tượng từ trễ: Là đặc trưng dễ thấy chất sắt từ. Khi từ hóa khối chất sắt từ mômen từ có xu hướng xếp trật tự theo hướng từ trường từ độ mẫu tăng dần đến độ bão hòa từ trường đủ lớn (khi mômen từ hoàn toàn song song với nhau). Khi ngắt từ trường khử từ theo chiều ngược, liên kết mômen từ đômen từ, mômen từ không bị quay trở lại trạng thái hỗn độn chất thuận từ mà giữ từ độ giá trị khác không. Có nghĩa đường cong đảo từ không khớp với đường cong từ hóa ban đầu, ta từ hóa khử từ theo chu trình kín từ trường ngoài, ta có đường cong kín gọi đường cong từ trễ. Có nhiều chế khác để tạo tượng trễ chế dịch chuyển vách, chế quay mômen từ, chế hãm phát triển mầm đảo từ • Độ từ thẩm µ = B/H B: cảm ứng từ ( gaus = 10-4 tesla (T)) H: cường độ từ trường ( ơcstet = 80A/m) • Độ từ thẩm ban đầu (µbd) từ độ tử thẩm H = • Giá trị lớn độ từ thẩm gọi độ từ thẩm cực đại µmax. • Hệ số từ thẩm động µ~ đại lượng đặc trưng cho vật liệu sắt từ từ trường xoay chiều µ~ = Bmax/ Hmax Khi tần số từ trường xoay chiều tăng µ~ tăng. • µ = f(to) + Điểm quiry vật liệu từ điểm mà nhiệt độ làm cho độ từ thẩm đạt giá trị cực đại + Nếu nhiệt độ lớn nhiệt độ điểm quiry từ tính vật liệu bị Sắt: 1043 K Côban: 1388 K Niken: 627 K Gađôli: 292,5 K Dysproxium (Dy): 88 K MnBi: 630 K MnSb: 587 K • Để đặc trưng cho biến đổi µ theo nhiệt độ người ta dùng hệ số nhiệt độ từ thẩm d Tk     .  dt • Giá trị B H = vòng từ trễ giới hạn gọi cảm ứng từ dư Bd. Để giảm Bd trị số cần đặt từ trường có chiều ngược lại gọi lực giữ từ ( lực kháng từ Hk) • Vật liệu có trị số Hk nhỏ độ từ thẩm lớn gọi vật liệu sắt từ mềm. • Vật liệu có trị số Hk lớn độ từ thẩm tương đối bé gọi vật liệu sắt từ cứng 10.2. CÁC VẬT LIỆU TỪ MỀM • Là vật liệu sắt từ dễ từ hóa dễ bị khử từ • Có độ từ thẩm cao, lực kháng từ tổn hao từ trễ nhỏ, dùng làm lõi MBA, Nam châm điện, lõi dẫn từ, cảm biến từ trường, dụng cụ đo điện trường hợp cần có cảm ứng từ lớn với lượng tiêu phí lượng nhỏ nhất. • Để giảm tổn hao dòng điện xoáy, MBA dùng vật liệu sắt từ mềm có điện trở lớn, thường dùng gông từ cách ghép tôn silic cách điện với nhau. • Tổn hao dòng xoáy: vật liệu từ mềm sử dụng từ trường ngoài, sử dụng trường xoay chiều, sinh dòng điện Foucault gây mát lượng tỏa nhiệt. Công suất tổn hao Foucault tính theo công thức: (W/kg) với: Bs : cảm ứng từ bão hoà lõi d : độ dày lõi (mm) kf : hệ số dạng đường cong từ hóa f : Tần số từ trường xoay chiều (Hz) γ : Khối lượng riêng vật liệu (g/cm3) ρ : điện trở suất (Ωmm2/m) • Từ công thức ta lý giải việc lõi biến tôn Si (FeSi) chế tạo thành mỏng nhằm làm giảm độ dày, giảm tổn hao dòng xoáy. Đồng thời, lõi FeSi sử dụng cho biến tần số thấp tần số cao, tổn hao lớn (do FeSi có điện trở suất thấp), vật liệu gốm ferrite sử dụng tần số cao chúng có chất gốm, có điện trở suất 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. + Chế tạo cách tinh chế gang lò Máctanh hay lò thổi, hàm lưọng tạp chất tổng cộng < 0,08 0,1% (còn gọi “sắt armcô”). • Thép kỹ thuật điện cácbon thấp. Đó dạng sắt kỹ thuật tinh khiết sản xuất thành mỏng từ 0,2 - 4mm, thành phần < 0,04% bon < 0,6% tạp chất khác. Trị số độ từ thẩm tương đối không nhỏ 3500 – 4500, lực kháng từ không lớn 0,8 - 1,2 ơcstet. • Sắt đặc biệt tinh khiết: + Lượng tạp chất < 0,05% + Thu phương pháp: 1) Sắt điện phân chế tạo cách điện phân dung dịch sunfát hay clorua sắt anốt sắt tinh khiết, catot phiến thép mềm. Sắt bám catốt sau rửa cẩn thận gỡ nghiền thành bột máy nghiền bi sau ủ hay luyện lại chân không. 2) Sắt cácbonyl thu cách nhiệt phân sắt cácbonyl theo phương trình: Fe(CO)5 = Fe + 5CO Sắt cácbinyl-5 chất lỏng thu tác dụng axít bon lên sắt nhiệt độ gần -2000C, áp suất gần 150ata. Sắt cacbonyl có dạng bột mịn thuận tiện để chế lõi sắt cao tần nén. 10.2.2. Thép • Thép kỹ thuật điện vật liệu từ mềm dùng rộng rãi nhất. • Việc đưa silic vào thành phần thép:(Tôn silic) + Làm tăng điện trở suất, hao dòng điện xoáy giảm xuống. ρ = 0,1 + (0,12.%Si) (Ωmm2/m) + Tạo khả tách cácbon dạng garfít, khử gần toàn ôxy thép. Điều làm tăng , giảm Hk giảm tổn hao từ trễ. + Ảnh hưởng xấu đến tính học thép tăng độ giòn khó cán thành tấm. Hàm lượng silic đến 4% thép có đặc tính tương đối tốt, >5% trở nên giòn. + Si ion không từ tính nên làm loãng ion Fe dẫn đến giảm từ tính. Theo công thức : Bs = 21580 – (480.%Si) (gauss) • Thép kỹ thuật điện Liên Xô (cũ) chia thành loại sau: Э11; Э12; Э13; Э21; Э22; Э31; Э32 Э41; Э42; Э43; Э43A; Э44; Э45; Э46; Э47; Э48. Э310; Э320; Э330; Э330A; Э340; Э370; Э380. Э1100; Э1200; Э3100; Э3200. • Con số thứ hàm lượng gần silic theo phần trăm, tăng hàm lượng silic khối lượng riêng thép giảm điện trở suất tăng . + Con số thứ hai đặc trưng cho tính chất điện từ thép. Các số 1,2,3 đảm bảo suất tổn hao xác định từ hoá lại (ở 50Hz) cảm ứng từ từ trường mạnh + Chữ A ký hiệu tổn hao thấp. + Số cho biết thép định mức tổn hao từ hoá tần số 400Hz cảm ứng từ trường có cường độ trung bình. + Số 5, dùng trường yếu từ 0,002 đến 0,008 A/cm trị số chúng bảo đảm. + Số 7,8 đặc điểm chủ yếu độ từ thẩm cường độ trường trung bình từ 0,03 đến 20A/cm. + Số thứ ba thép cán nguội (thép có thớ), có hai số liên tiếp thép cán nguội thớ. • Các tiêu chuẩn quy định tính chất điện từ nhãn 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 công suất dòng điện xoay chiều tính w 1kg thép đặt từ trường xoay chiều, ký hiệu P 10.2.3 Pecmaloi - Là hợp kim Fe Ni, chất dễ từ hóa có hệ số từ thẩm ban đầu cao hệ số dị hướng tiến tới (phụ thuộc vào thành phần Ni) • Pecmaloi hợp kim gồm có 50%÷ 80% Niken, 18%÷ 18,5% Fe lại Mangan, Crôm, Đồng, Silic lại Moliden - Pecmaloi có độ thừ thẩm lớp gấp 10 lần độ từ thẩm sắt kỹ thuật điện - Thường có loại Pecmaloi: Pecmaloi có nồng độ Ni cao, Pecmaloi có nồng độ Ni thấp. + Loại có nồng độ Ni cao dùng làm biến công suất mà dùng loại biến có dòng nhỏ, đòi hỏi cao - Ngoài người ta pha vào pecmaloi số tạp chất như: Cr, Mo, Cu, Si. - Nhược điểm pecmaloi: + Bị ảnh hưởng nhân tố bên đặc biệt ứng suất học, dễ vỡ + 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, để tăng độ kết dính có parafin - Có thể làm việc tần số cao - Nhược điểm có từ tính 10.2.5. Ferit từ mềm • Là tên gọi chung nhóm vật liệu có trật tự từ mà cấu trúc từ gồm phân mạng đối song song có độ lớn khác nhau. Ferri từ gọi phản sắt từ bù trừ không hoàn toàn. • Là nhóm vật liệu gốm có công thức hóa học chung XO.Y2O3 với X kim loại hóa trị 2, Y kim loại hóa trị (mà dùng phổ biến sắt - Fe) • Phân loại ứng dụng: + Các ferit từ mềm có đường từ trể dạng tròn, điển ferit họ NiZn, MnZn dùng từ trường biến đổi tần số f = 103 – 107. + Các ferit từ giảo, dùng để thu, phát siêu âm thường họ firit Ni + Các ferit có dạng tử trể chữ nhật, họ ferit MnMg. Dùng môi trường có tần số cao + Các ferit siêu cao tần, họ ferit AlNi, AlFe, dùng trường hợp có tần số siêu cao 10.3. VẬT LIỆU TỪ CỨNG. • Các vật liệu làm nam châm vĩnh cửu đặc trưng tham số: Lực khánh từ, từ du lượng lớn đưa vào không gian xung quanh. Độ từ thẩm vật liệu thấp vật liệu từ mềm lực kháng từ cao độ từ thẩm nhỏ. • Nam châm kín (dạng hình xuyến) không lượng cho không gian bên ngoài. Khi có khe hở không khí cực xuất lượng truyền không gian, giá trị lượng phụ thuộc vào chiều dài khe hở. Từ cảm BL khe hở nhỏ từ dư Bd tác dụng khử từ nam châm. • Năng lượng đưa vào đơn vị thể tích khe hở không khí biểu diễn đẳng thức: WL = BL H L 8π Với: HL Cường độ trường ứng với từ cảm BL. Chiều nam châm ngắn, khe hở lớn độ khử từ cực lớn BL nhỏ. • Với nam châm kín BL = Bd lượng đưa không HL = 0. • Khe hở cực lớn, lượng đưa tiến tới không BL = 0; HL = HK. • Ứng với vài giá trị BL HL lượng đưa đạt giá trị lớn = Wmax.Giá trị xác định mức độ sử dụng nam châm tốt giá trị quan trọng đặc trưng cho chất lượng vật liệu làm nam châm vĩnh cửu Theo thành phần, trạng thái phương pháp chế tạo vật liệu từ cứng chia thành loại: 1. Thép hợp kim hoá đến trạng thái mactenxít • Loai thép vật liệu đơn giản dễ kiếm để làm nam châm vĩnh cửu • Được hợp kim hoá với chất phụ như: vonfram, crôm, molipđen, côban • Bảng 10.7 thành phần tính chất. • Giá trị BLHL thép mactenxít khoảng (2,510)105 gaus.ớcstet, hay 2000-8000T.A/m. 2. Hợp kim từ cúng đúc. • Hợp kim ba nguyên tố Al-Ni-Fe, gọi kim Alumi có lượng từ lớn. • Khi cho thêm côban hay silic tính chất từ hợp kim tăng lên. Hợp kim aluni có chất phụ silic gọi alunisi, hợp kim aluni có côban gọi alunicô. Hợp kim alunicô có hàm lượng côban lớn gọi macnicô. • Tính chất phụ thuộc vào cấu tạo tinh cấu trúc từ. Và chúng đạt tính chất từ tốt có biến dạng mạng tinh thể lớn. • Hợp kim macnicô có đặc tính mạnh không đẳng hướng. Tính chất từ tốt theo hướng làm nguội có từ trường tác động. • Nhược điểm hợp kim aluni, alnico manico khó chế tạo chi tiết có kích thước xác hợp kim giòn cứng, gia công phương pháp mài 3. Các nam châm bột • Nam châm bột loại gốm: Được chế tạo ép bột nghiền từ hợp kim từ cứng sau thiêu kết nhiệt độ cao tương tự trình nung gốm. Chế tạo với chi tiết nhỏ tương đối xác. • Nam châm bột có hạt gắn chất kết dính (nam châm kim loại dẻo). Tương tự ép chi tiết chất dẻo chất độn nghiền từ hợp kim từ cứng. • Tính chất từ nam châm kim loại dẻo nhiều: lực kháng từ giảm 10 ÷ 15%, từ dư giảm 35÷ 50%, lượng tích luỹ giảm 40 ÷ 60% so với nam châm đúc. • Nam châm kim loại dẻo có điện trở cao, sử dụng thiết bị có từ trường biến đổi tần số cao. 4. Ferits từ cứng. • Điển hình ferít bari BaO6Fe2O3. khác với ferít từ mềm cấu trúc lập phương mà mạng tinh thể hình lục giác có tính dị hướng trục • Nam châm bari sản xuất dạng rông đen đĩa mỏng. Chúng có tính ổn định cao tác dụng tử trường ngoài, chịu lắc, va đập. Khối lượng ferít bari 4,4 ÷ 4,9g/cm3, nhỏ hợp kim sắt – niken đúc 1,5 lần, nam châm nhẹ hơn. Điện trở suất ferit bari: 106 ÷ 109 Ω.cm. Chúng làm tần số cao giá thành rẻ • Nhược điểm: độ bên thấp, độ giòn lớn, tính chất từ phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. • Có tính chất từ không thuận nghịch [...]... rất dễ vỡ + 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... như đó là ferit họ NiZn, MnZn và được dùng trong từ trường biến đổi tần số f = 103 – 107 + 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... một vài giá trị BL và HL năng lượng đưa ra đạt giá trị lớn nhất = Wmax.Giá trị này xác định mức độ sử 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 Theo thành phần, trạng thái và phương pháp chế tạo vật liệu từ cứng được chia thành các loại: 1 Thép hợp kim hoá được tôi đến trạng thái mactenxít • Loai thép này là vật liệu đơn giản và. .. tham số: Lực khánh từ, từ du và năng lượng lớn nhất đưa vào không gian xung quanh Độ từ thẩm của vật liệu này thấp hơn vật liệu 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 không khí giữa các cực sẽ xuất hiện năng lượng truyền ra không gian, giá trị năng lượng phụ thuộc vào chiều dài khe hở Từ cảm... 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) (Ωmm2/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... 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 điện - Thường có 2 loại Pecmaloi: Pecmaloi có nồng độ Ni cao, và Pecmaloi có nồng độ Ni thấp + Loại có nồng độ Ni cao không thể dùng làm biến thế công suất mà chỉ dùng ở các loại biến thế có dòng nhỏ, đòi hỏi thế cao - Ngoài người ta còn pha vào pecmaloi một số tạp chất như:... Э48 Э 310; Э320; Э330; Э330A; Э340; Э370; Э380 Э 1100 ; Э1200; Э 3100 ; Э3200 • Con số thứ nhất chỉ hàm lượng gần đúng của silic theo phần trăm, khi tăng hàm lượng silic khối lượng 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... thép kỹ thuật điện là: + Cảm ứng từ (ký hiệu bằng chữ B với con số chỉ cường độ từ trường tương ứng tính theo A/cm); + Tổng suất tổn hao công suất dòng điện xoay chiều tính bằng w trên 1kg thép đặt trong từ trường xoay 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... • Tính chất phụ thuộc vào cấu tạo tinh thế và cấu trúc từ Và chúng đạt được tính chất từ tốt khi có sự biến dạng 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 khó chế tạo các chi tiết có kích thước chính xác do hợp kim giòn và cứng, chỉ có thể gia... được lắc, va đập Khối lượng ferít bari là 4,4 ÷ 4,9g/cm3, nhỏ hơn hợp kim sắt – niken đúc 1,5 lần, cho nên nam châm nhẹ 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 . Э22; Э31; Э32 Э41; Э42; Э43; Э43A; Э44; Э45; Э46; Э47; Э48. Э 310; Э320; Э330; Э330A; Э340; Э370; Э380. Э 1100 ; Э1200; Э 3100 ; Э3200. • Con số thứ nhất chỉ hàm lượng gần đúng của silic theo. CHƯƠNG 10. VẬT LIỆU TỪ 10. 1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU TỪ TÍNH Các vật liệu từ như: Sắt. 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