Xây dựng khối đo lường, giám sát nhấp nháy điện áp cho thiết bị đo chất lượng điện năng dựa trên máy tính cá nhân1

Một trong những vấn đề cần quan tâm và thực hiện là nâng cao hiệu suất của các động cơ điện để giảm điện năng tiêu thụ cho các đối tượng này Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu với những ư

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI



NGỌ VĂN QUANG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU TỪ CỨNG CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU CÔNG SUẤT NHỎ

NG H

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội – Năm 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI



NGỌ VĂN QUANG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU TỪ CỨNG CHẾ TẠO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU CÔNG SUẤT NHỎ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện -Thiết bị điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN – THIẾT BỊ ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS BÙI ĐỨC HÙNG

Hà Nội – Năm 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng luận văn thạc sĩ này là do tôi tự thiết kế dưới sự

hướng dẫn của thầy giáo TS Bùi Đức Hùng Các số liệu được lấy và chỉ dẫn hoàn

toàn trung thực Kết quả tính toán trung thực và nghiên cứu này chưa được công bố

ở tài liệu nào

Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ tham khảo những tài liệu đã liệt kê trong danh sách và không dùng tài liệu nào khác mà không liệt kê trong tài liệu tham khảo

Học viên

Ngọ Văn Quang

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Bùi Đức Hùng – Bộ môn Thiết bị

điện – điện tử, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo thuộc bộ môn Thiết bị điện – điện tử , Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Điện – Tự động hóa, Trường Cao đẳng Công nghiệp Phúc Yên, đã tạo điều kiện, động viên, khuyến khích tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè tôi đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ, động viên tôi trong suốt thời gian học tập và làm luận văn

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

3 Kdq Hệ số dây quấn

5 W1 Số vòng dây nối tiếp của 1 pha

6 p Số đôi cực của máy

9 SPM Động cơ đồng bộ nam châm bề mặt

10 IPM Động cơ đồng bộ nam châm chìm

13  Hệ số từ thẩm

15 (BH)max Tích năng lượng cực đại J/m3

18 g Chiều rộng khe hở không khí M

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang Bảng 2.1 Đơn vị và hệ số quy đổi về vật liệu từ 18 Bảng 2.2 So sánh tôn Silic cán nguội tinh thể định hướng và thép vô

định hình

29

Bảng 2.3 Các thông số cơ bản của tôn Silic B50 và tương đương 32 Bảng 2.4 Các thông số cơ bản của một số loại thép M 33 Bảng 2.5 Các thông số cơ bản một số nam châm đất hiếm 40 Bảng 2.6 Nhiệt độ làm việc của các vật liệu từ cứng thông dụng 40 Bảng 2.7 Tổng hợp một số thông số lựa chọn của vật liệu từ cứng 41 Bảng 2.8 Thông số  và  của một số vật liệu từ cứng 41 Bảng 2.9 So sánh một số vật liệu từ cứng trong ứng dụng động cơ điện 47 Bảng 2.10 Các thông số khi thiết kế máy điện nam châm vĩnh cửu 48

DANH MỤC ĐỒ THỊ, HÌNH VẼ

Trang Hình 1.1 Hình dạng lá thép và lõi thép Stato 2 Hình 1.2 Mặt cắt ngang trục lõi thép rotor cực ẩn 3 Hình 1.3 Mặt cắt ngang trục rotor cực lồi 4 Hình 1.4 Vị trí dây quấn cản (mở máy) của máy điện đồng bộ 5 Hình 1.5 Hai cấu trúc cơ bản của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu 7 Hình 1.6 Một số cấu trúc rotor động cơ đồng bộ kích thích nam châm

vĩnh cửu

8

Hình 1.7 Các thành phần mô men và mô men tổng của động cơ loại IPM 9

Hình 1.9 Mật độ từ thông khe hở không khí của SPM và IPM 9 Hình 1.10 Hình ảnh thực của rotor và động cơ đồng bộ kích thích vĩnh

Hình 2.6 Minh họa vật chất kháng sắt từ 26

Hình 2.6 Quan niệm vật liệu vô định hình 29

Hình 2.7 Đường cong B(H) của 10 vật liệu từ lý tưởng 30 Hình 2.8 Mô men trung bình của SPM khi thay đổi vật liệu lõi thép 30 Hình 2.9 Đường sức từ trường của IPM 31 Hình 2.10 Một số mốc phát triển của vật liệu từ cứng 35 Hình 2.11 So sánh về Br và Hc của các vật liệu từ cứng thông dụng 39 Hình 2.12 Các hướng từ hóa của vật liệu từ cứng 43 Hình 2.13 Một số bức tranh từ trường thông dụng 44 Hình 2.14 Từ trường khe hở của SPM với hướng kính và song song 44 Hình 2.15 Từ trường khe hở của IPM với hướng kính và song song 45 Hình 2.16 So sánh tổng quát các tham số vật liệu từ cứng 47

Hình 3.2 Các kích thước cơ bản của Rotor 53

Hình 3.4 Hình ảnh từ trường của sản phẩm với cực từ bằng vật liệu

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

1.1 Khái niệm chung

1.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ

1.2.1 Stato

1.2.2 Rôto

1.3 Nguyên lý hoạt động cơ bản của máy điện đồng bộ

1.3.1 Chế độ máy phát

1.3.2 Chế độ động cơ

1.4 Động cơ điện đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu

1.4.1 Cấu trúc nam châm bề mặt

1.4.2 Cấu trúc nam châm chìm

1.4.3 Hiệu quả của thay đổi số cực

1.4.4 Ảnh hưởng của sức điện động cực từ (E PM )

1.5 So sánh động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu và động cơ không đồng bộ

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ

2.1 Các khái niệm cơ bản về vật liệu từ

2.1.1 Các đại lượng cơ bản của vật liệu từ

2.1.2 Trường khử từ và cảm ứng từ dư

2.1.3 Các hệ đơn vị đo và hệ số quy đổi

2.2 Các quá trình khi từ hóa sắt từ

2.2.1 Dị hướng từ

2.2.2 Từ trễ

2.2.3 Từ giảo

2.2.4 Hệ số từ thẩm

2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến từ tính của vật liệu sắt từ

2.4 Vật liệu sắt từ trong từ trường xoay chiều

2.4.1 Tổn hao từ

2.4.2 Hiệu ứng bề mặt

2.5 Phân loại vật liệu từ

2.5.1 Phân loại theo hệ số từ hóa ( theo tính chất từ )

2.5.2 Phân loại vật liệu theo lực kháng từ H c

2.5.2.1 Vật liệu từ mềm

2.5.2.2 Sự ảnh hưởng của vật liệu mạch từ lên khả năng sinh mô men của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

2.5.2.3 Vật liệu từ cứng

2.5.2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên vật liệu từ cứng

2.5.2.5 Các hướng từ hóa vật liệu từ cứng

2.5.2.6 Ảnh hưởng của hướng từ hóa vật liệu từ cứng

2.6 Lựa chọn vật liệu từ cứng cho động cơ đồng bộ

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

3.1 Số liệu tính toán cho trước

3.2 Thiết kế Stator

3.2.1 Đường kính trong D

3.2.2 Các kích thước cơ bản

3.2.3 Thiết kế dây quấn Stator

3.3 Tính toán tổn hao công suất Stator

3.3.1 Tổn hao đồng

3.3.2 Tổn hao sắt

3.4 Thiết kế Rotor

3.4.1 Khe hở không khí:

3.4.2 Chiều dầy của miếng nam châm

3.4.3 Các đường kính Rotor

3.4.4 Chiều rộng, góc và chiều dài của miếng nam châm

3.5 Tính toán các hệ số tự cảm và hỗ cảm bên dây quấn Stator

3.5.1 Các hệ số tự cảm

3.5.2 Các hệ số hỗ cảm

3.6 Tính mô men

3.7 Mô phỏng từ trường

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

I Kết quả:

II Bàn luận:

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC PHƯƠNG PHÁP DÙNG PHẦN MỀM FEMM 4.2 MÔ PHỎNG TỪ TRƯỜNG

MỞ ĐẦU

Động cơ điện là các thiết bị điện tiêu thụ điện năng chiếm tỷ lệ lớn trong công nghiệp và dân dụng Hiện nay, hầu hết các động cơ điện được sử dụng đều là động cơ điện không đồng bộ do những ưu điểm: đơn giản, tin cậy và giá rẻ ….Tuy nhiên, nhược điểm của động cơ này là hiệu suất thấp, khi hoạt động cần tiêu thụ công suất phản kháng của lưới điện làm giảm hệ số công suất của lưới …

Đứng trước những vấn đề toàn cầu hiện nay như: biến đổi khí hậu, tài nguyên cạn kiệt ….Việc tiết kiệm năng lượng, trong đó đặc biệt là năng lượng điện

là vấn đề cấp bách Một trong những vấn đề cần quan tâm và thực hiện là nâng cao hiệu suất của các động cơ điện để giảm điện năng tiêu thụ cho các đối tượng này

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu với những ưu điểm nổi bật là hiệu suất rất cao ( có thể đạt trên 90%), điều khiển chính xác, và kích thước nhỏ gọn ( do ứng dụng các vật liệu từ chất lượng cao ) là loại động cơ đang được nghiên cứu và phát triển khá mạnh trên thế giới, đặc biệt là động cơ công suất nhỏ, để ứng dụng vào các yêu cầu cao Tuy nhiên, ở Việt Nam, loại động cơ này vẫn còn khá mới mẻ Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo, đặc biệt là lựa chọn hợp lý vật liệu từ cứng để chế tạo cực

từ rô to cho động cơ này là vấn đề có ý nghĩa thực tiễn to lớn, góp phần không nhỏ cho sự phát triển ngành chế tạo thiết bị điện của nước ta

Với mục đích giải quyết các vấn đề nêu trên, luận văn với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu từ cứng chế tạo động cơ đồng bộ công suất nhỏ” được lựa chọn

và nghiên cứu Nội dung của luận văn được trình bày gồm 3 chương, với từng chương trình bày các vấn đề cụ thể như sau:

Chương 1 : Trình bày tổng quan về động cơ đồng bộ, đặc biệt là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Các tính năng ưu việt của động cơ này so với động cơ đồng bộ thông thường và động cơ không đồng bộ Khái quát tổng thể các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến chất lượng của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Chương 2 : Giới thiệu và phân tích tổng quan về vật liệu từ, đặc biệt là các đặc tính của các vật liệu từ cứng thông dụng Phân tích các ảnh hưởng của các vật

liệu từ, trong đó phân tích sâu ảnh hưởng của vật liệu từ cứng lên chất lượng và giá thành động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Phân tích các ảnh hưởng của nhiệt độ lên từ tính của vật liệu, đặc biệt là vật liệu từ cứng để so sánh, lựa chọn vật liệu từ cứng cho các động cơ đồng bộ khi phải hoạt động ở nhiệt độ cao Phân tích và đưa

ra các so sánh về giá, lực kháng từ, mật độ từ dư, tích năng lượng cực đại … giữa các vật liệu từ cứng thông dụng dùng trong chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Đưa ra các tiêu chí cơ bản để lựa chọn vật liệu từ cứng cho ứng dụng chế tạo động cơ điện Từ các so sánh về các đặc tính, về giá và các tiêu chí cơ bản của vật liệu trong ứng dụng chế tạo máy điện, tổng kết nên các hướng lựa chọn, phạm vi ứng dụng cho 3 loại vật liệu từ cứng là: NdFeB, SmCo, Ferrite cho các yêu cầu , tiêu chí khác nhau trong chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Chương 3 : Tính toán, thiết kế các thông số cơ bản cho ví dụ một động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Từ các số liệu tính được, tiến hành mô phỏng từ trường sử dụng phần mềm FEMM 4.2 để mô phỏng mật độ từ thông khe hở không khí và tính toán từ trường các phần trong sản phẩm ứng với 3 loại vật liệu từ cứng điển hình nêu ra trong chương 2 để so sánh lựa chọn Tính toán và vẽ đường cong sức điện động cực từ EPM – một trong số các thông số có ảnh hưởng khá mạnh đến

mô men, công suất và hiệu suất của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, bằng phần mềm Matlab ứng với các nhóm vật liệu từ cứng : NdFeB, SmCo, và Ferrite Các kết quả mô phỏng đó là cơ sở để so sánh, lựa chọn các vật liệu từ cứng chế tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Kết quả và bàn luận : Phần này nêu lên các kết quả đạt được của luận văn và nhận xét, so sánh giữa kết quả mô phỏng và lý thuyết

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU

1.1 Khái niệm chung:

Máy điện đồng bộ là loại máy điện được sử dụng khá rộng rãi trong công nghiệp Máy điện đồng bộ có phạm vi sử dụng chủ yếu là làm máy phát điện ( Trong đó biến đổi cơ năng do tua bin hơi, tua bin nước, tua bin khí … thành điện năng )

Máy điện đồng bộ còn được dùng để làm động cơ, đặc biệt trước đây là loại động cơ công suất lớn ( Do khác với động cơ không đồng bộ, loại đồng bộ có khả năng phát ra công suất phản kháng )

Thông thường máy điện đồng bộ thường được tính toán sao cho phát ra công suất phản kháng gần bằng công suất tác dụng Trong một số trường hợp, việc đặt các máy đồng bộ ở gần các trung tâm công nghiệp lớn để chỉ phát ra công suất phản kháng để bù hệ số công suất Cosφ cho lưới điện là hợp lý Những máy như vậy là máy bù đồng bộ

Các động cơ đồng bộ công suất nhỏ thường dùng kích từ nam châm vĩnh cửu có ứng dụng rất rộng rãi trong các thiết bị tự động và điều khiển và ngày càng rộng rãi thay thế các động cơ không đồng bộ vì ưu điểm hiệu suất cao hơn và kích thước nhỏ gọn hơn ( Với vật liệu mới ngày nay kích thước chỉ bằng khoảng 1/3 so với động cơ không đồng bộ cùng công suất [15] )

Máy điện đồng bộ có thể được phân loại dựa vào các tiêu chí sau đây :

- Theo kết cấu có thể chia thành :

+ Máy điện đồng bộ cực ẩn : Thích hợp với những máy có tốc độ cao (Thường

+ Máy phát điện đồng bộ : Dùng tua bin nước, tua bin hơi, hoặc động cơ diezen

… kéo trục Rotor để phát ra điện

+ Động cơ điện đồng bộ : Thường được chế tạo kiểu cực lồi và kéo các tải ít có yêu cầu điều chỉnh tốc độ và khởi động lại

+ Máy bù đồng bộ : Dùng chủ yếu để cải thiện hệ số Cosφ của lưới điện

- Ngoài ra còn có các máy đồng bộ đặc biệt như : máy biến đổi một phần ứng, máy đồng bộ tần số cao, các máy đồng bộ công suất nhỏ dùng trong các thiết bị tự động, các thiết bị điều khiển như : Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, động cơ đồng bộ phản kháng, động cơ đồng bộ từ trễ, động cơ bước…

1.2 Cấu tạo máy điện đồng bộ :

Cấu tạo gồm 2 phần chính : Stato và Rô to

1.2.1 Stato :

Stato của máy điện đồng bộ gồm 2 bộ phận chính : Lõi thép và dây quấn Dây quấn thông thường là hai pha hoặc ba pha, quấn rải

Lõi thép được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện ( tôn Silic ) dày 0,5 mm Các

lá thép được sơn cách điện hai mặt và được dập rãnh bên trong để đặt dây quấn Stato Dọc chiều dài lõi thép, cứ cách khoảng 3 – 6 cm lại có một rãnh thông gió ngang trục, rộng 10 mm Lõi thép stator được đặt cố định trong thân máy Hình dạng lá thép và mạch từ Stato như trên hình 1.1

Dây quấn Stato trong máy điện đồng bộ được gọi là dây quấn phần ứng

Hình 1.1 Hình dạng lá thép và lõi thép Stato a) Hình vành khăn

b) Hình rẻ quạt c) Mạch từ ( Lõi thép )

Các máy đồng bộ cực ẩn thường được chế tạo với số cực 2p = 2, tốc độ rotor là

3000 vòng / phút, để hạn chế lực ly tâm trong phạm vi an toàn đối với thép hợp kim chế tạo thành lõi thép rotor, đường kính D của rotor không được vượt quá 1,1 – 1,15

m Để tăng công suất máy chỉ có thể tăng chiều dài l của rotor Chiều dài tối đa của rotor khoảng 6,5 m

Dây quấn kích từ đặt trong rãnh rotor được chế tạo từ dây đồng trần, tiết diện chữ nhật, quấn theo chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm Các vòng dây của các bối dây này được đặt cách điện với nhau bằng một lớp mica mỏng Để cố định và ép chặt dây quấn kích từ trong rãnh, miệng rãnh được nêm kín bởi các thanh nêm bằng thép không từ tính, phần đầu nối được đai chặt bằng các ống thép trụ không từ tính Hai đầu dây quấn kích từ đi luồn trong trục và nối với hai vành trượt đặt ở đầu trục thông qua hai chổi điện để nối với dòng kích từ một chiều

Hình 1.2 Mặt cắt ngang trục lõi thép rotor cực ẩn

b Rotor cực lồi :

Máy điện đồng bộ cực lồi thường có tốc độ quay thấp, vì vậy mà đường kính

rotor có thể lên tới 15 m, trong khi chiều dài nhỏ ( tỷ lệ : l/D =0,15÷0,2 )

Lõi thép rotor máy điện đồng bộ cực lồi công suất nhỏ và trung bình được chế tạo bằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụ hoặc khối trụ, trên mặt có đặt các cực từ Ở các máy lớn, lõi thép đó được hình thành bởi các tấm thép dày 1 – 6 mm được dập hoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ Khối thép này thường không lồng trực tiếp vào trục máy mà được đặt trên giá đỡ rotor, giá đỡ đó được lồng vào trục máy

Cực từ được đặt trên lõi thép rotor, được ghép bằng các lá thép dày 1 – 1,5 mm Hình 1.3 biểu diễn hình dạng rotor cực lồi

Việc cố định cực từ trên lõi thép được thực hiện bằng đuôi hình T hoặc bằng các bulông xuyên qua mặt cực và vít chặt vào lõi thép rotor

Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần, tiết diện chữ nhật quấn uốn theo chiều mỏng thành từng cuộn dây, cách điện giữa các vòng dây là các lớp mica hoặc amiang Các cuộn dây sau khi gia công được lồng vào thân cực

Ngoài ra, trên các đầu cực rotor còn đặt các dây quấn cản ( Đối với máy phát điện đồng bộ), hoặc dây quấn mở máy ( Đối với động cơ đồng bộ ) Các dây quấn này là kiểu dây quấn lồng sóc, gồm các thanh dẫn bằng đồng đặt trên các rãnh ở đầu cực và nối hai đầu với nhau bằng các vòng ngắn mạch Biểu diễn dây quấn cản ( mở máy) như trên hình 1.4

1.3 Nguyên lý hoạt động cơ bản của máy điện đồng bộ :

Cho dòng điện kích từ ( dòng điện không đổi ) vào dây quấn kích từ ( rotor ), tạo ra từ trường cực từ Quay rotor bằng động cơ sơ cấp, từ trường cực từ sẽ cắt dây quấn phần ứng ( Stato ) và cảm ứng các sức điện động hình sin có trị số hiệu dụng :

Với : p là số đôi cực của rotor

n là tốc độ quay của rotor ( vòng/phút )

Dây quấn ba pha stato có trục lệch nhau trong không gian goác 1200 điện nên sức điện động các pha lệch nhau 1200 Khi dây quấn nối với tải, trong các dây quấn

sẽ có dòng điện ba pha chạy qua, hệ thống dòng điện ba pha này sinh ra từ trường quay, tốc độ n1 = 60f/p = n Vì vậy gọi là máy phát điện đồng bộ

1.3.2 Chế độ động cơ :

Khi ta cấp nguồn điện ba pha vào stato động cơ điện đồng bộ ba pha, đồng thời cấp nguồn điện kích từ ( một chiều ) vào dây quấn rotor thì sẽ có tác dụng tương hỗ giữa 2 từ trường stato và rotor, tạo nên lực tác dụng vào rotor, kéo rotor quay theo chiều quay của từ trường stato với tốc độ n = n1

Vì tốc độ rotor bằng đúng tốc độ từ trường stator nên động cơ này được gọi

là động cơ điện đồng bộ

1

2

3

Hình 1.4 Vị trí dây quấn cản (mở máy)

của máy điện đồng bộ

1 Vành ngắn mạch

2 Mặt cực

3 Thanh dẫn lồng sóc

1.4 Động cơ điện đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu :

Các động cơ điện không đồng bộ ( đặc biệt là các động cơ rotor lồng sóc ) có

ưu điểm là : cấu tạo đơn giản, chắc chắn, vận hành tin cậy, giá rẻ … Tuy nhiên có các nhược điểm sau : hiệu suất thấp, kém chính xác khi điều chỉnh tốc độ ở vùng tốc

độ thấp ( do có hệ số trượt s ), độ tác động nhanh không cao, đặc biệt là có tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới điện làm giảm Cos của lưới điện

Động cơ điện đồng bộ có các ưu điểm nổi bật : Hiệu suất rất cao, đặc biệt là động cơ đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu, hiệu suất hiện nay lên đến 97,5%, tốc độ rotor bằng tốc độ từ trường stato nên rất ổn định và chính xác ở mọi vùng điều chỉnh tốc độ, khi vận hành không tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới nên không làm ảnh hưởng Cos của lưới điện Tuy nhiên, các động cơ điện đồng bộ thông thường với kích thích điện từ cần đi kèm là bộ nguồn một chiều riêng ( máy phát một chiều, bộ nguồn chỉnh lưu … ) và thêm vào đó là hệ thống chổi than – vành trượt làm cho cấu tạo phức tạp, vận hành kém tin cậy, tổn hao công suất trên rotor và hệ thống cấp điện kích từ, chi phí bảo dưỡng tăng, tăng kích thước máy, giá thành cao … Do vậy các động cơ điện đồng bộ kích thích điện từ chỉ được dùng ở dải công suất lớn ( Pđm > 200 kW )

Động cơ điện đồng bộ kích thích bằng nam châm vĩnh cửu là một loại động

cơ điện đồng bộ đặc biệt Nó ra đời ngay từ khi có ngành điện – cơ Tuy nhiên mãi tới hơn mười năm trở lại đây, với sự hoàn thiện công nghệ và vật liệu chế tạo nam châm vĩnh cửu, loại động cơ này mới thực sự chiếm lĩnh thị trường, dần thay thế cho các động cơ điện một chiều trong những ứng dụng chất lượng cao với dải công suất từ nhỏ đến trung bình

Về cấu tạo, stato của động cơ này có cấu tạo không khác gì so với các động

cơ điện đồng bộ thông thường Điểm khác ở đây là cấu tạo của rotor Thay vì kích thích bằng nguồn điện một chiều thông qua hệ thống vành trượt – chổi than, động

cơ này dùng kích thích bằng nam châm vĩnh cửu

Vật liệu làm cực từ của các động cơ này là vật liệu từ cứng (nam châm vĩnh cửu ), có độ từ dư rất lớn ( Br = 0,5 – 1,5 T ) Các vật liệu từ cứng hiện nay có thể được sử dụng như : Ferrite cứng, AlNiCo, SmCo5, NdFeB …

Theo kết cấu, có thể chia ra 2 loại động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu : Động cơ với nam châm vĩnh cửu đặt ngang trục và cuộn khởi động ( lồng sóc ) ; Động cơ với nam châm vĩnh cửu đặt dọc trục và cuộn khởi động

Các thanh nam châm có thể được bố trí đều đặn trên bề mặt rotor ( những động cơ này gọi là SPM – Surface mounted permanent magnet motor, động cơ nam châm vĩnh cửu bề mặt ), hoặc được bố trí chìm bên trong rotor ( các động cơ này gọi là IMP – Interior permanent magnet motor , động cơ nam châm vĩnh cửu chìm )

Để tăng độ bền cho rotor thì khoảng giữa các thanh nam châm được lấp đầy bằng vật liệu không dẫn từ ( Hợp kim nhôm ), sau đó được bọc bằng vật liệu có độ bền cao, hoặc bắt vít, đai thép không gỉ ( không từ tính ) để giữ chặt nam châm ( loại SPM )

Ngày nay thông dụng các ứng dụng công nghiệp chất lượng cao đều dùng động cơ đồng bộ loại SPM, đặc biệt trên các máy công cụ điều khiển số CNC, có yêu cầu tác động nhanh và chính xác

Động cơ kiểu nam châm chìm lại chiếm ưu thế tuyệt đối trong các ứng dụng trên ô tô điện

Trên hình 1.5 đưa ra cấu trúc của 2 loại động cơ nói trên

Trên hình 1.6 chỉ ra một số cách bố trí nam châm vĩnh cửu trên rotor :

Một số hình ảnh của rotor và động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu được thể hiện như trên hình 1.11

Hình 1.5 Hai cấu trúc cơ bản của động cơ đồng bộ nam

Trong đó : a), b), c), e), g), f), d) (rotor ngoài) là rotor loại nam châm bề mặt

h), i), k), l) là rotor loại nam châm chìm

1.4.1 Cấu trúc nam châm bề mặt :

Cấu tạo đơn giản và giá rẻ Tốc độ và hiệu suất tốt Do đó trong công nghiệp hiện nay hầu hết là loại động cơ nam châm bề mặt Đường kính rotor thường rất nhỏ, làm cho quán tính rotor nhỏ.Vì vậy cấu trúc này rất phù hợp cho các điều khiển servo [9]

1.4.2 Cấu trúc nam châm chìm :

Nam châm được gắn chìm bên trong lõi thép rotor làm tăng độ phức tạp, dẫn đến tăng giá thành Tuy nhiên, với cấu trúc này mô men được tạo ra bởi hai thành phần :

mô men từ trở do sự khác biệt giữa thành phần điện cảm dọc trục và ngang trục và

Hình 1.6 Một số cấu trúc rotor động cơ đồng bộ kích thích nam

châm vĩnh cửu

mô men của nam châm Do đó khả năng sinh mô men của loại động cơ này là rất cao Trên hình 1.7 chỉ ra mô men của động cơ loại nam châm chìm [7] Thành phần sóng hài bậc cao của từ trường khe hở không khí của IPM lớn hơn của SPM Hình 1.8 đưa ra so sánh mô men của IPM và SPM Hình 1.9 so sánh dạng sóng từ trường khe hở không khí của hai loại động cơ này

Hình 1.7 Các thành phần mô men và mô men

tổng của động cơ loại IPM

Hình 1.8 Mô men của IPM (1) và SPM (2)

(1)

(2)

Hình 1.9 Mật độ từ thông khe hở không khí của SPM (1) và IPM (2)

Rotor core

Hình 1.10 Hình ảnh thực của rotor và động cơ đồng

bộ kích thích vĩnh cửu

Hình 1.11 Làm nghiêng bên rotor từ cứng

Một trong các phương pháp giảm sóng hài bậc cao nhằm tăng mô men sóng

cơ bản của mô men máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu là làm rãnh nghiêng bên stator hoặc bên rotor Việc làm rãnh nghiêng phía stator có hạn chế về mặt tổn hao trên dây quấn ( tăng tổn hao do tăng chiều dài dây quấn ) Trong khi đó, làm nghiêng bên rotor có thể làm tăng giá ( vật liệu từ cứng ) Thông thường làm nghiêng bên rotor ( Tổng bước nghiêng kn khoảng bằng bước rãnh stator ) như chỉ

ra trên hình 1.11

1.4.3 Hiệu quả của thay đổi số cực :

Số đôi cực từ là một trong những thông số quan trọng nhất, nó có ảnh hưởng đến các tham số khác Ở tốc độ cao, số cực sẽ nhỏ để tránh tổn hao lớn lõi thép Stator và giới hạn tần số chuyển mạch Trong khi đó, ở tốc độ thấp, tổn hao lõi thép thường không là vấn đề thì với tăng số cực sẽ có ý nghĩa khi cần mô men bằng phẳng

Trong một số trường hợp, yêu cầu số cực cao hơn trong tốc độ tương đối thấp để giảm bề dày và kích cỡ gông Stator

Nhìn chung, tăng số cực sẽ làm cho đường kính khe hở không khí tăng, từ đó dẫn đến các hệ quả :

- Mô men tăng hơn với cùng đường kính ngoài của máy

- Giảm chiều dài phần đầu nối dây quấn Stator, từ đó tăng hiệu suất máy

- Đạt được mô men bằng phẳng hơn

- Các điện kháng đồng bộ giảm, dẫn đến tăng mô men

- Số cực tăng, về tổng thể sẽ làm giảm nguy cơ rủi ro về khử từ của các phiến nam châm ( cực từ )

Một mô phỏng về quan hệ giữa số đôi cực với hiệu suất và với khối lượng vật liệu

từ cứng được cho trên hình 1.12

Hình 1.12 Sự phụ thuộc của hiệu suất và khối lượng vật liệu từ cứng

vào số đôi cực

Trên hình 1.13 là một kết quả của thay đổi số đôi cực tác động lên mật độ từ thông gông Stator :

Hình 1.13 Sự ảnh hưởng của mật độ từ thông gông stator

vào số đôi cực ( cùng chiều cao gông )

Sức điện động cực từ EPM có ảnh hưởng nhiều đến tính năng của động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu : mô men, dòng điện Stato, hệ số công suất, hiệu suất, khối lượng vật liệu từ cứng …

Một kết quả của sự ảnh hưởng EPM đến hệ số công suất và dòng điện Stato của hai loại động cơ IPM và SPM được nêu trên hình 1.14 [11] :

Như vậy, EPM tăng, có thể làm cho Cos tăng, mô men động cơ tăng, tăng công suất động cơ, và Is giảm, kéo theo có thể giảm tổn hao và làm cho hiệu suất của máy tăng lên Với vật liệu từ cứng hiện nay, có thể tăng đáng kể EPM với cùng kích cỡ cực từ, điều

đó có thể nâng cao tính năng của máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

1.5 So sánh động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu và động cơ không đồng bộ :

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có tốc độ ổn định , trên cơ sở đó không

có tổn hao đồng bên rotor do không có dòng điện cảm ứng Vì vậy, hầu hết tổn hao tập trung bên stator Từ đó, nhiệt tỏa nhanh và dễ dàng ra môi trường xung quanh

Mặt khác, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thường vận hành ở hệ số công suất cos cao, điều này làm giảm tổn hao đồng stator

Bước cực nhỏ hơn có thể cho phép ở động cơ nam châm vĩnh cửu bởi vì chỉ

có sự chảy từ thông giữa hai nam châm giới hạn nó Do đó, động cơ nam châm vĩnh cửu thường có số đôi cực lớn hơn so với động cơ không đồng bộ tiêu chuẩn Tăng

số cực lại có những ưu điểm như : tăng đường kính khe hở không khí, từ đó giảm khoảng trống cần cho gông stator, mô men động cơ tăng với việc tăng đường kính khe hở không khí Thêm vào đó, tổn hao đồng stator giảm do giảm phần đầu nối và dẫn đến giảm điện trở dây quấn stator

Đặc tính của các vật liệu từ cứng cũng ảnh hưởng lớn đến mô men động cơ nam châm vĩnh cửu Với các vật liệu từ cứng mới hiện nay như NdFeB, mật độ từ thông khe hở không khí có thể tăng lên rất cao, từ 1 đến 1,2 T

Mặt khác, hệ số công suất của động cơ không đồng bộ lại giảm khi tăng số cực và giảm bước cực Ví dụ như, trong một loại động cơ không đồng bộ, với 2p =4 thì cos = 0,8 – 0,9 , trong khi đó, nếu tăng lên 2p =8 thì cos chỉ còn cỡ 0,7 – 0,8 Trong động cơ không đồng bộ, dòng điện stator gồm hai thành phần : Thành phần dòng điện từ hóa lõi thép và thành phần dòng điện sinh ra mô men Thành phần dòng điện từ hóa (Imag) tỷ lệ với bình phương của số cực :

Imag (2p)2

Và hệ số công suất cos lại tỷ lệ nghịch với dòng điện từ hóa :

Cos (1/Imag ) Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu , phần chính để sinh từ thông khe hở không khí là các nam châm cứng, chỉ cần một phần nhỏ dòng stator Vì vậy mà số cực trong động cơ nam châm vĩnh cửu có thể chọn để đạt tối ưu về hiệu suất và mô men Số cực có tác động đến nhiều tham số như : mô men, trọng lượng của thép, độ rủi ro khử từ của các nam châm, từ thông tản ở cuối của các nam châm, mô men đập mạch … Hơn nữa, số cực có ảnh hưởng đến kích thước, giá và hiệu suất của hệ thống

Nói chung, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có nhiều ưu điểm về mặt năng lượng hơn so với động cơ không đồng bộ Tuy nhiên, việc chế tạo rô to của loại động cơ này có phức tạp hơn, giá thành cũng đắt hơn và việc điều khiển động

cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu phức tạp hơn so với động cơ không đồng bộ

Trên hình 1.15 chỉ ra một số công đoạn khi thiết kế rô to động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bề mặt :

Hình 1.15 Một số công đoạn chế tạo rô to của SPM [18]

(1)Thiết kế không gian trên Autocad ; (2) Lõi thép thực

(3) Gắn và đai giữ các nam châm ; (4) Sấy khô keo dán

(5) Sản phẩm hoàn chỉnh

(3) (4)

(5)

Kết luận :

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có ưu điểm lớn trong việc tiết kiệm năng lượng ( do có hiệu suất rất cao ) và kích thước nhỏ gọn, hình dạng có thể thiết

kế phù hợp với những ứng dụng có không gian trật trội ( thang máy, máy nâng … )

Do đó, trong tương lai, đây sẽ là loại động cơ chiếm ưu thế trong công nghiệp và dân dụng

Để có thể tạo ra được sản phẩm đạt được tính năng cao với giá thành phù hợp, việc xác định, lựa chọn các vật liệu từ, đặc biệt là các vật liệu từ cứng để chế tạo các cực từ rô to là công việc quan trọng, quyết định đến tính cạnh tranh của sản phẩm

Chương tiếp theo sẽ tiến hành phân tích các ảnh hưởng của các vật liệu từ, đặc biệt là các vật liệu từ cứng đến tính năng và giá thành của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, đối tượng nghiên cứu của đề tài Từ đó đưa ra sự so sánh và lời khuyên cho việc sử dụng vật liệu từ cứng trong chế tạo động cơ nam châm vĩnh cửu

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ

2.1 Các khái niệm cơ bản về vật liệu từ :

Nguyên nhân chủ yếu gây nên từ tính của vật liệu từ là do các điện tích luôn luôn chuyển động theo các quỹ đạo kín tạo nên những dòng điện vòng ( Sự quay của các điện tích xung quanh trục của mình – Spin điện tử và sự quay theo quỹ đạo của các điện tử trong nguyên tử )

Mô men từ của proton và notron nhỏ hơn hàng ngàn lần so với mô men từ của điện tử Vì vậy tính chất từ của nguyên tử được xác định bằng điện tử

2.1.1 Các đại lượng cơ bản của vật liệu từ :

- Độ từ hóa ( Độ từ hóa, Từ độ ) của vật liệu (M): được tính bằng mô men từ trên một đơn vị thể tích của vật liệu : M k M.H

Trong đó : kM là hệ số đặc trưng cho khả năng nhiễm từ trong từ trường của vật, gọi là độ từ cảm ( hệ số phân cực từ )

- Độ từ hóa riêng () : mô men từ trên một đơn vị khối lượng

- Cảm ứng từ của vật liệu (B): được tính bằng từ thông tổng cộng của từ trường đi qua một đơn vị tiết diện cắt ngang của vật liệu

B=0(H+M)

B=H+4M

0=410-7 Hm-1 là tỷ số B/H đo được trong chân không

- Độ cảm từ ( hệ số từ hóa ) của vật liệu () :

2.1.2 Trường khử từ và cảm ứng từ dư :

Khi cho từ trường ngoài tác dụng lên vật liệu từ, vật liệu sẽ bị từ hóa Sau đó

ngắt từ trường thì trong vật liệu vẫn còn lưu lại một phần cảm ứng từ, gọi là Cảm

ứng từ dư ( B r ) Để vật liệu trở về trạng thái ban đầu, cần đặt một giá trị từ trường

ngược chiều vào vật liệu, từ trường này gọi là Trường khử từ ( Lực kháng từ H c )

2.1.3 Các hệ đơn vị đo và hệ số quy đổi :

Trên thế giới thường sử dụng 2 loại hệ đơn vị đo : Hệ SI và hệ Gauss ( Bảng 2.1 ) :

Bảng 2.1 Đơn vị và hệ số quy đổi về vật liệu từ

Cảm ứng từ

(Induction) B= M +0H

T (Tesla) Wb/m2 B= 4M + H G (Gauss)

Để từ hóa mẫu tinh thể tới bão hòa dọc theo một trong số trục dễ từ hóa cần tốn ít năng lượng hơn so với hướng khó từ hóa Năng lượng của từ trường ngoài để

xoay vecto từ hóa của tinh thể sắt từ ở hướng dễ từ hóa sang hướng khó từ hóa được gọi là năng lượng thực tế của dị hướng từ hóa tinh thể Năng lượng này có thể tính theo diện tích của hình giới hạn bằng các đường cong từ hóa theo các hướng tinh thể khác nhau

2.2.2 Từ trễ :

Nếu sắt từ được từ hóa tới bão hòa Bs sau đó ngắt khỏi trường ngoài , thì cảm ứng từ không trở về không mà vẫn còn một giá trị nào đó Br , gọi là cảm ứng từ dư

Để loại bỏ được từ dư cần phải có từ trường trái dấu

Cường độ từ trường khử từ -Hc mà khi đó cảm ứng trong sắt từ tiến về không gọi là lực kháng từ Tăng cường độ trường tới giá trị lớn hơn –Hc gây ra sự từ hóa ngược lại , lại tới bão hòa –Bs Với biên độ từ trường ngoài khác nhau có thể có được họ vòng từ trễ Vòng từ trễ khi từ thông bão hòa gọi là vòng giới hạn Nếu tiếp tục tăng cường độ từ trường , diện tích của vòng từ trễ không thay đổi

Cảm ứng từ Br và lực kháng từ Hc là các tham số giới hạn của vòng từ trễ Tập hợp của đỉnh các vòng từ trễ hình thành đường cong từ hóa chủ yếu của sắt từ Đường cong từ hóa chủ yếu của vật liệu từ mềm ( Có Hc nhỏ ) không khác nhiều đường cong khởi đầu

2.2.3 Từ giảo :

Sự thay đổi trạng thái từ của mẫu sắt từ dẫn tới sự thay đổi độ dài và hình dạng của nó , gọi là hiện tượng từ giảo Có hai loại từ giảo : tự phát và tuyến tính

Từ giảo tự phát xuất hiện khi có sự chuyển tiếp vật chất từ thuận từ sang sắt

từ trong quá trình làm lạnh xuống dưới nhiệt độ Quiri

Từ giảo tuyến tính được đánh giá bằng giá trị biến dạng mẫu theo hướng của

từ trường

l l

Như vậy : Từ giảo cũng như dị hướng tinh thể, gây khó khăn cho quá trình từ hóa sắt từ ở trường yếu Vì vậy vật liệu từ có hằng số dị hướng và hằng số từ giảo thấp sẽ có hệ số từ thẩm cao Hợp kim của sắt và Niken là loại Permaloi có độ từ thẩm ban đầu cao Trong Permaloi chứa khoảng 80% Ni , hệ số từ giảo theo tất cả các hướng tinh thể chủ yếu gần bằng 0

Hằng số giảm xuống khi đốt nóng sắt từ và sẽ giảm về 0 tại nhiệt độ chuyển tiếp vật chất vào trạng thái thuận từ ( Điểm Quiri )

Trong vùng từ hóa thuận nghịch của sắt từ , hệ số từ thẩm tuân theo công thức :

µ = µH + βH

β là hằng số phụ thuộc vào bản chất của vật liệu

2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến từ tính của vật liệu sắt từ :

Khi làm nóng vật liệu sắt từ ta sẽ làm yếu vai trò trao đổi bên trong nó dẫn tới qúa trình phản định hướng nhiệt của momen từ và giảm từ hóa tự phát Khi nhiệt độ lớn hơn một nhiệt độ nào đó sẽ xảy ra sự phân chia lại cấu trúc miền , tức

là từ hóa tự phát biến mất và chuyển vào trạng thái thuận từ Nhiệt độ của chuyển tiếp pha đó gọi là điểm từ Quiri

Gần điểm từ Quiri quan sát thấy hàng loạt sự khác thường , đồng thời với sự thay đổi các tính chất không từ của sắt từ như điện trở suất , nhiệt dung riêng , hệ số

nở dài và những tham số khác

Đặc điểm của quan hệ này là hệ số từ thẩm µ sẽ khác nhau ở từ trường yếu

và mạnh Hệ số từ thẩm khởi đầu µH có điểm Max rất rõ ở nhiệt dộ thấp hơn nhiệt

Tổn hao trên vòng từ trễ ( J/m3

) trên một chu kỳ từ hóa ( Chính xác hơn là trên một chu kỳ thay đổi của từ trường ngoài ) , trên một đơn vị thể tích vật chất , xác định bằng diện tích tĩnh của vòng từ trễ :

η Hệ số phụ thuộc vào tính chất của vật liệu

Bm Cảm ứng từ cực đại đạt được trong chu kỳ quan sát

: Nếu như vòng từ trễ tĩnh chỉ biểu thị tổn thất trên vòng , thì từ trễ động có thêm dòng điện xoáy , tức là khi từ hóa trong trường xoay chiều , vòng từ trễ rộng ra Trong trường hợp này tổn thất trên vòng từ trễ Er trên một chu kỳ thay đổi của từ trường ngoài có giá trị không đổi trong dải tần số khá lớn , còn tổn thất trên dòng điện xoáy ET tăng tỷ lệ với tần số

Đặc tính thực tế hơn là công suất tích cực ( Năng lượng tiêu tốn trên một đơn

vị thời gian ) được tỏa ra trong sắt từ khi từ hóa nó Công suất tổn hao do dòng điện xoáy được tính theo công thức thực nghiệm :

P T E T fV  f 2B m2V

Trong đó : V thể tích mẫu ;  Hệ số tỷ lệ với điện dẫn suất của vật chất và phụ thuộc vào kích thước hình học và kích thước mặt cắt ngang của mẫu từ hóa

Công suất tổn hao trên vòng từ trễ : P r B m n fV

Do PT phụ thuộc vào bình phương của tần số f , còn Pr chỉ phụ thuộc vào mũ bậc nhất của f nên ở tần số cao đầu tiên phải tính đến PT ( Tức là tổn thất trên dòng điện xoáy trước )

Dòng điện xoáy chạy trong lõi thép biểu diễn trên hình vẽ sau đây :

Dòng điện xoáy thường xuất hiện trong mặt phẳng , nằm vuông góc với từ trường Dưới tác động của từ trường biến thiên trong bất kỳ một mạch vòng cũng xuất hiện một Sđđ cảm ứng tỷ lệ với sự thay đổi tần số theo quan hệ :

I

H a)

I

H b)

h

Hình 2.2 Sơ đồ phân bổ dòng điện xoáy trong mặt cắt ngang của lõi sắt từ

a) Lõi thép đặc b) Lõi ghép từ các lá thép

d B f h Vd

p

T

1 64

,

1  2 2 2





D là khối lượng riêng của vật liệu

Tổn thất dưới tác động của từ trường là do tồn tại cảm ứng dư khi cường độ

từ trường thay đổi Sự từ hóa sắt từ giảm xuống ( Sau khi loại bỏ từ trường ngoài ) xảy ra không tức thời mà sau một khoảng thời gian nào đó từ vài giây tới một vài phút Thời gian xác định trạng thái ổn định từ tăng lên rất nhanh khi nhiệt độ giảm xuống Hiện tượng đó gọi là độ nhớt từ Bản chất vật lý của tổn hao từ có nhiều điểm giống phân cực lưỡng cực trong tổn hao điện môi

2.4.2 Hiệu ứng bề mặt :

Theo định luật Lens , dòng điện xoáy trong sắt từ có xu hướng làm cản trở sự biến thiên sinh ra nó Vì vậy từ trường riêng của dòng điện xoáy thường xuyên làm yếu sự thay đổi của từ trường chính , tức là dòng điện xoáy khử tác động từ trên lõi , làm giảm cảm ứng và hiệu quả của hệ số từ thẩm

Tác động khử từ của dòng điện xoáy không giống nhau ở những phần khác nhau của tiết diện và có giá trị lớn nhất ở phần trung tâm Vì vậy từ thông xoay chiều không phân bổ đều theo mặt cắt của dây dẫn từ, cảm ứng từ có giá trị cực tiểu

ở phần trung tâm của mặt cắt , tức là dòng điện xoáy che chắn trung tâm lõi khỏi sự xâm nhập của từ thông Khi tần số thay đổi càng cao , hệ số từ thẩm và điện dẫn suất của môi trường từ hóa càng lớn thì từ trường bề mặt xuất hiện càng mạnh

Trong trường hợp hiệu ứng mặt ngoài thể hiện mạnh , sự thay đổi cảm ứng từ theo mặt cắt của lõi trên hướng vuông góc với bề mặt của nó được tính theo :

Bm = Bmo exp ( -z / x )

Trong đó : Bmo Cảm ứng từ trên bề mặt của lõi

∆ Độ sâu xuất hiện từ trường ngoài vào vật chất được xác định theo

SH hd

0



  Trong đó : Ф Từ thông

S Diện tích mặt cắt của lõi từ

H Cường độ từ trường ngoài

Tần số tăng lên sẽ làm tăng Sđđ cảm ứng , đồng thời tăng ảnh hưởng của dòng điện xoáy tới khử từ và làm giảm hệ số từ thẩm hiệu dụng của sắt từ Người ta lợi dụng sự suy giảm của sóng điện từ khi truyền trong môi trường dẫn từ để tạo ra màn chắn điện từ dùng để bảo vệ mạch điện tử và dụng cụ đo lường khỏi từ trường ngoài và nhiễu radio Để bảo vệ có hiệu quả thì độ dày màn chắn phải lớn hơn độ sâu sóng điện từ xuất hiện trong vật chất ∆ Tại tần số radio sử dụng màn chắn kim loại từ , đồng , đồng thau, nhôm Tuy nhiên ở tần số thấp thì màn chắn loại này tỏ ra kém hiệu quả và có độ dày lớn Trong những trường hợp này màn chắn điện từ cần làm bằng vật liệu sắt từ, đặc biệt làm bằng Permaloi có độ từ thẩm cao

2.5 Phân loại vật liệu từ :

Có nhiều cách để phân loại vật liệu từ, nhưng hiện nay thường dùng 2 cách

để phân loại, đó là : phân loại theo hệ số từ hóa  và phân loại theo lực kháng từ Hc

2.5.1 Phân loại theo hệ số từ hóa ( theo tính chất từ ):

Vật liệu từ được phân loại theo phương diện nhiễm từ trên cơ sở những giá trị của r và kM Mọi vật chất có thể được chia ra 5 nhóm : nghịch từ; thuận từ; sắt từ; kháng sắt từ; ferit từ

+ Vật chất nghịch từ ( Diamagnetic ) : những vật liệu có độ từ cảm âm và không

phụ thuộc vào hướng của từ trường ngoài.Trong vật liệu, các nguyên tử không có từ trường riêng khi không có từ trường ngoài : r < 1; kM = -0.1.10-6 đến -10-5

Độ từ cảm ( kM ) của vật liệu ít phụ thuộc vào nhiệt độ Sự thể hiện bên ngoài của vật liệu nghịch từ là nó bị đẩy ra khỏi từ trường không đồng nhất

Vật chất nghịch từ bao gồm : Các khí trơ, H2 , một số chất lỏng ( nước, dầu

mỏ, và các sản phẩm của nó ) , các kim loại ( Đồng vàng, bạc, thủy ngân ), các chất bán dẫn ( Siic, Ge, liên kết AIIIBV , AIIBVI và các liên kết hữu cơ, tinh thể kiềm – halogen, thủy tinh vô cơ và các vật chất khác

Vật chất nghịch từ là tất cả các vật chất có liên kết đồng hóa trị và các vật chất có trạng thái siêu dẫn

>0) , không phụ thuộc vào cường độ từ trường ngoài

Ở nhiệt độ bình thường, kM = 10-3 đến 10-6, vì vậy hệ số từ thẩm tương đối (

r = 1 + kM  1 ) Do độ nhiễm từ ( độ từ cảm kM ) dương nên nếu đưa vật liệu thuận từ vào từ trường không đồng nhất , nó sẽ bị kéo vào trong trường rất mạnh, và

ở nhiệt độ thấp, vật liệu thuận từ có thể xảy ra trạng thái bão hòa từ ( tất cả các mô

men từ cơ bản định hướng song song với cường độ từ trường ngoài )

Hình 2.3 Minh họa vật chất

nghịch từ

Hầu hết các kim loại, các chất khí ( ô xy, ni tơ ), các muối kim loại, sắt từ ở nhiệt độ cao, các chất : mangan, crom, vanadi, clorua coban ( CoCl2 ) , clorua sắt ( FeCl2 ) , clorua canxi ( CaCl2 ) là vật chất thuận từ

Vật chất thuận từ rắn có độ từ cảm thay đổi theo nhiệt độ, tuân theo định luật Quyri – Veiss : kM = C / (T -  )

Trong đó : C,  là các hằng số của vật chất quan sát

+ Vật chất sắt từ ( Ferromagnetic ) : là các vật chất có độ từ cảm kM rất cao ( đến

106 ) , phụ thuộc rất nhiều vào cường độ từ trường H và nhiệt độ

Tính chất quan trọng nhất của vật liệu sắt từ là khả năng từ hóa đến bão hòa trong từ trường yếu ( chúng có r rất lớn và là hàm số của cường độ từ trường H )

Một số chất tiêu biểu như : Sắt, coban, niken, một số đất hiếm ( có kM = 106 )

là vật liệu sắt từ

+ Vật chất kháng sắt từ ( Antiferromagnetic ) : là các vật chất mà ở nhiệt độ thấp

hơn một nhiệt độ nào đó sẽ xuất hiện sự định hướng tự phát phản song song của các

mô men từ cơ bản của các nguyên tử ( hoặc ion ) giống nhau trong mạng tinh thể

Hình 2.4 Minh họa vật chất thuận từ

Hình 2.5 Minh họa vật chất sắt từ

Hình 2.6 Minh họa vật chất kháng sắt từ

Vật chất kháng sắt từ có độ từ cảm dương ( kM = 10-3 đến 10-5 ) và phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ Khi bị đốt nóng, vật chất kháng sắt từ sẽ chuyển tiếp pha vào trạng thái thuận từ Nhiệt độ của chuyển tiếp này gọi là điểm kháng sắt từ Quyri

+ Ferit từ : Gồm các vật chất mà tính chất từ của chúng có kháng sắt từ không triệt

tiêu Tương tự chất sắt từ, chúng có độ từ cảm kM rất cao, phụ thuộc rất nhiều vào cường độ từ trường H và nhiệt độ

2.5.2 Phân loại vật liệu theo lực kháng từ H c :

Tùy theo đặc điểm hình dạng của chu trình từ trễ, người ta phân ra làm 2 loại vật liệu từ : vật liệu từ cứng và vật liệu từ mềm Đây là cách phân loại mang ứng dụng thực tế, được biết đến rộng rãi trong khoa học, kỹ thuật và trên thị trường hiện nay

2.5.2.1 Vật liệu từ mềm :

Vật liệu từ mềm là vật liệu từ có lực kháng từ Hc nhỏ ( Hc < 150 Oe), điển hình là chúng có lực kháng từ nội tại nhỏ hơn 1000 A/m, chu trình từ trễ hẹp, cảm ứng từ bão hòa Bs cao Các vật liệu từ mềm là các vật liệu từ được từ hóa và khử từ

dễ dàng

*Các yêu cầu kỹ thuật cơ bản :

- Từ hóa dễ : Khi đặt từ trường ngoài H0 khá nhỏ mà đã đạt được cảm ứng từ B khá lớn ( nghĩa là Hc phải nhỏ )

- Cảm ứng từ bão hòa (Bs) càng cao càng tốt : Điều này có nghĩa là các vật liệu từ mềm có một diện tích không đổi thì yêu cầu đường sức từ qua nó càng nhiều càng tốt, như vậy sẽ giảm được kích thước của sản phẩm

Hình 2.7 Minh họa vật chất ferit từ