Nghiên cứu chế tạo máy biến áp có lõi thép sử dụng vật liệu vô định hình

Ngoài khả năng giảm mạnh tổn hao điện năng trong lõi dẫn từ của các máy biến áp 50 Hz, các vật liệu vô định hình và nano tinh thể còn được sử dụng trong các thiết bị hoạt động ở giải tần

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

-

ĐOÀN THANH BẢO

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÁY BIẾN ÁP CÓ LÕI THÉP

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Đoàn Thanh Bảo

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 9

MỞ ĐẦU 10

1 Tính cấp thiết của đề tài: 10

2 Ý nghĩa khoa học – thực tiễn: 12

3 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 12

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG CỦA MÁY BIẾN ÁP 15

1.1 Tình hình nghiên cứu của thế giới: 19

1.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước: 27

1.3 Hướng nghiên cứu của tác giả: 29

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 30

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU TỪ MỀM VÔ ĐỊNH HÌNH 31

2 1 Tinh thể và vô định hình – Trật tự xa và trật tự gần: 32

2 2 Các mô hình cấu trúc của hợp kim vô định hình: 33

2 3 Vật liệu từ mềm vô định hình và nanomet: 34

2.3.1 Vật liệu từ mềm vô định hình: 34

2.3.2 Vật liệu từ mềm nanomet: 35

2.4 Các tính chất từ: 36

2.4.1 Dị hướng từ tinh thể: 36

2.4.2 Dị hướng từ đàn hồi: 40

2.4.3 Dị hướng từ cảm ứng: 41

2.5 Tổn hao công suất trong lõi dẫn từ và khả năng ứng dụng: 41

2.5.1 Tổn hao từ trễ 41

2.5.2 Tổn hao dòng xoáy 43

2.5.3 Tổn hao công suất trong lõi dẫn từ .43

2.5.4 Khả năng ứng dụng .45

2.6 Các phương pháp chế tạo vật liệu vô định hình: 46

2.7 Công nghệ sản xuất vật liệu từ vô định hình: 47

2.7.1 Phương pháp làm nguội nhanh từ tinh thể lỏng: 47

2.7.2 Công nghệ sản xuất vật liệu từ vô định hình: 48

2.8 Một số sản phẩm và ứng dụng: 52

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 54

CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MẠCH TỪ VÀ DÂY QUẤN MÁY BIẾN ÁP VÔ ĐỊNH HÌNH 55

3.1 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MẠCH TỪ: 55

3.1.1 Khái niệm chung về công nghệ chế tạo mạch từ: 55

3.1.1.1 Nhiệm vụ của mạch từ: 55

3.1.1.2 Kết cấu mạch từ: 55

3.1.1.3 Phương pháp ủ mạch từ: 58

3.1.2 Công nghệ chế tạo mạch từ của máy biến áp vô định hình: 59

3.1.2.1 Mạch từ được ghép từ nhiều lá thép với nhau: 59

3.1.2.2 Mạch từ được quấn kiểu hình xuyến: 59

3.1.2.3 Mạch từ được ghép từ những tẹp thép đã được định hình sẵn: 62

3.2 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO DÂY QUẤN: 64

3.2.1 Khái niệm chung: 64

3.2.1.1 Yêu vầu và nhiệm vụ của dây quấn: 64

3.2.1.2 Cách điện trong máy biến áp: 65

3.2.2 Công nghệ chế tạo dây quấn: 66

3.2.2.1 Dây quấn hình trụ dây dẫn chữ nhật: 66

3.2.2.2 Dây quấn hình trụ dây dẫn tròn: 71

3.2.2.3 Dây quấn hình xoắn: 73

3.2.2.4 Dây quấn hình xoáy ốc liên tục: 75

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 77

CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT TỪ TRƯỜNG VÀ TỔN HAO KHÔNG TẢI MÁY BIẾN ÁP SỬ DỤNG LÕI THÉP VẬT LIỆU VÔ ĐỊNH HÌNH BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 78

4.1 Giới thiệu chung: 78

4.2 Phương pháp phần tử hữu hạn với chương trình FEMM: 78

4.2.1 Giới thiệu phần mềm FEMM: 78

4.2.2 Các thông số thiết kế của MBA khi sử dụng phần mềm FEMM: 80

4.3 Ứng dụng phần mềm FEMM trong việc khảo sát sự phân bố từ trường và tổn hao không tải của máy biến áp 50kVA - 35kV/0,4kV 81

4.3.1 Các thông số thiết kế được sử dụng .81

4.3.1.1 Mô hình và kích thước mạch từ: 81

4.3.1.2 Các thông số cuộn dây: 82

4.3.1.3 Thông số về dòng điện trên các cuộn dây 83

4.3.2 Nhập số liệu và kết quả hiển thị sau khi chạy chương trình: 84

4.3.2.1 Nhập số liệu: 84

4.3.2.2 Kết quả sau khi chạy chương trình với thép KTĐ 2211 84

4.3.2.3 Kết quả sau khi chạy chương trình với thép VĐH: 88

4.3.2.4 So sánh kết quả và kết luận: 91

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 92

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

PHẦN PHỤ LỤC 99

Vô định hình

Kỹ thuật điện Tổn thất điện năng Tập đoàn Điện lực Việt Nam

Viện Vật lý kỹ thuật

Hệ thống điện

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1.1 Đồ thị biểu diễn xu hướng của thế giới sử dụng vật liệu tốt hơn

để giảm tổn hao không tải của máy biến áp 22

1.2 Đường cong từ trễ của vật liệu vô định hình và thép silic 23

1.3 Tổn hao từ phụ thuộc vào cảm ứng từ B của thép Si và VĐH 23

1.4 So sánh tổn hao không tải của máy biến áp ở Nhật Bản (máy 3

2.1 Năm loại mạng cơ bản trong cấu trúc trật tự gần theo mô hình

2.3 Dải kích thước của vật liệu 36

2.5 Dị hướng từ hiệu dụng <K> của vật liệu nanomet với định

hướng ngẫu nhiên của hạt phụ thuộc kích thước hạt D 38

2.6 Lực kháng từ HC phụ thuộc vào kích thước hạt D của các vật

2.8 Quy trình chế tạo vật liệu vô định hình 49

2.10 Sơ đồ thiết bị điều khiển công nghệ ampoule khép kín 50

2.11 Sơ đồ thiết bị điều khiển công nghệ ampoule liên tục 51

2.12 Sơ đồ mô tả các sản phẩm của vật liệu vô định hình 52

2.13 Máy biến áp 1 pha 50kVA - 6 kV/210 V 53

2.15 Máy biến áp khô 3 pha 1000kVA - 6 kV/210V 54

3.10 a) Bộ phận truyền động dẫn băng tôn b) Máy quấn tôn 60

3.15b Các đầu dây được hàn nối đưa ra ngoài 62

3.23 Sơ đồ dây quấn hai mạch nhánh song song 69

3.26 Dây quấn hình trụ nhiều lớp dây dẫn tròn 71

3.27 Cách điện phần đầu của dây quấn hình ống nhiều lớp 72

3.28 Dây quấn hình xoắn a) mạch đơn b) mạch kép 73

3.29 Ví dụ về tăng chiều cao dây quấn của dây quấn mạch đơn có 4

3.34 Chuyển tiếp giữa các bánh dây có hoán vị của 3 sợi dây song song 76

4.2 Mô hình đường sức từ MBA lõi thép KTĐ 2211 mang tải định mức 85

4.3 Đường MN khảo sát từ trường MBA lõi thép KTĐ 2211 mang

4.4 Đồ thị biểu diễn độ lớn cảm ứng từ B dọc đường MN của

MBA lõi thép KTĐ 2211 mang tải định mức 86

4.5 Đường MN khảo sát từ trường MBA lõi thép KTĐ 2211 khi

4.6 Đồ thị biểu diễn độ lớn cảm ứng từ B dọc đường MN của MBA

4.7 Mô hình đường sức từ MBA lõi thép VĐH mang tải định mức 88 4.8 Đường MN khảo sát từ trường MBA lõi thép VĐH khi không tải 88

4.9 Đồ thị biểu diễn độ lớn cảm ứng từ B dọc đường MN của MBA

4.10 Đường MN khảo sát từ trường MBA lõi thép VĐH khi không tải 89

4.11 Đồ thị biểu diễn độ lớn cảm ứng từ B dọc đường MN của MBA

DANH MỤC CÁC BẢNG

1.1 So sánh tổn hao không tải máy biến áp 1 pha và 3 pha có lõi

thép silic thông thường và lõi thép vô định hình 25

1.2 Tổn hao sắt từ (Fe), tổn hao đồng và tổng tổn hao của máy biến

thế cùng công suất sử dụng hai loại vật liệu dẫn từ khác nhau 25 1.3 Hiệu quả kinh tế khi sử dụng lõi dẫn từ VĐH 26

2.1 So sánh một số thông số kỹ thuật của thép vô định hình và

3.1 Kích thước lá đồng và nhôm thường gặp 71 PL.1 Quan hệ B(H) của lá thép kỹ thuật điện cán nguội 2211 100 PL.2 Quan hệ B(H) của lá thép vô định hình mã 1K101 101

PL.3 Một số thông số kỹ thuật của thép vô định hình: Mã

PL.4 Thông số kỹ thuật và kích thước lõi thép vật liệu VĐH 103

PL.5.1 Máy biến áp dầu 3 pha – 1000kVA – 6kV/210V-60Hz 105 PL.5.2 Máy biến áp khô 3 pha – 1000kVA – 6kV/210V-60Hz 107 PL.5.3 Máy biến áp 1 pha – 50kVA – 6kV/210V-60Hz

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Máy biến áp đầu tiên, xuất hiện vào khoảng năm 1890, là kiểu máy biến áp khô,

bị giới hạn bởi cấp điện do độ cách điện của vật liệu cách điện hiện có lúc bấy giờ có

độ chịu nhiệt thấp còn bị giới hạn bởi công suất của máy do phương thức làm mát, mức

độ chịu nhiệt của cách điện dây dẫn và vật liệu làm lõi chưa đáp ứng hết yêu cầu để giảm tổn hao Thời gian sau, với sự xuất hiện của tôn silic đã tiếp tục làm giảm tổn hao Cho đến năm 1972, hàng ngàn máy biến áp ra đời phục vụ đời sống

Máy biến áp là một thiết bị điện vô cùng quan trọng trong ngành điện Khi điện được sản xuất ra thì phải truyền tải điện năng tới nơi tiêu thụ, trong quá trình truyền tải điện năng đó thì không thể vắng mặt các máy biến áp, nó dùng để tăng và giảm điện áp lưới sao cho phù hợp nhất đối với việc tăng điện áp lên cao để tránh tổn thất điện năng khi truyền tải cũng như giảm điện áp cho phù hợp với tiêu thụ

Trong quá trình truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng đã phát sinh sự tổn thất khá lớn Cho nên giảm tổn thất điện năng là một vấn đề cần thiết không chỉ đối với riêng ngành Điện Việt Nam mà đối với ngành điện các nước trên thế giới Giảm tổn thất điện năng có một ý nghĩa to lớn đối với nền kinh tế quốc dân và ngành điện Mỗi ngày trên thế giới có hàng chục triệu máy biến áp phân phối điện hoạt động Các máy biến áp đó làm nhiệm vụ cấp điện áp thích hợp cho các phụ tải Công

suất của các máy biến áp có thể từ vài chục cho tới vài nghìn kVA

Máy biến áp phân phối ở nước ta thường có cấp điện áp là 35kV, 22kV, 10kV, 6kV/ 0,4kV để cấp điện cho đa số các thiết bị điện công nghiệp và dân dụng

Trong quá trình sản xuất và sử dụng máy biến áp, người ta luôn luôn phải có biện pháp cải tiến thiết kế và công nghệ chế tạo nhằm hoàn thiện về cấu trúc, hình dạng, thông số kỹ thuật, kinh tế….và quan trọng nhất đó là giảm tổn hao của máy biến áp

Tổn hao điện năng trong máy biến áp là vấn đề kinh tế - kỹ thuật rất được quan tâm, tổn hao này chủ yếu bao gồm tổn hao điện trên cuộn dây (tổn hao đồng) và tổn hao trong lõi dẫn từ (tổn hao sắt) Để giảm tổn hao điện trong máy biến áp, cần thiết kế máy sao cho độ dài cuộn dây đồng (nhôm) ngắn nhất và độ dẫn điện của chúng tốt nhất Mặt khác, phải tìm tòi các loại vật liệu dẫn từ (lõi từ) mới có tổn hao nhỏ nhất Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ đã

có nhiều loại vật liệu mới, với các tính chất vật lý đặc biệt đã được khám phá và nghiên cứu rất mạnh mẽ ở các vật liệu nói chung và ở hệ vật liệu từ nói riêng Khoảng những năm 80 của thế kỷ XX, thép vô định hình (thép biến áp siêu mỏng) ra đời Nhờ vào thành phần và cấu trúc vi mô đặc biệt, thép vô định hình (VĐH) đáp ứng các yêu cầu để giảm tổn hao lõi thép của máy biến áp

Về hiệu quả kinh tế, mặc dầu giá thành của thép vô định hình hiện nay cao hơn

so với tôn silic, tuy nhiên, do tổn hao điện năng không tải nhỏ, nên hiệu quả kinh tế là

rõ ràng Theo tính toán,[13] thời gian thu lời là 3-5 năm khi thay thế lõi từ tôn silic bằng thép vô định hình

Đứng trên góc độ bảo vệ môi trường thì tiết kiệm điện đồng nghĩa với giảm khí thải CO2 Ngoài ra, vật liệu từ mềm nano tinh thể cũng được nghiên cứu phát triển

và ứng dụng Ngoài khả năng giảm mạnh tổn hao điện năng trong lõi dẫn từ của các máy biến áp 50 Hz, các vật liệu vô định hình và nano tinh thể còn được sử dụng trong các thiết bị hoạt động ở giải tần số cao (400-30.000 Hz), rất cần trong công nghiệp

quân sự và kỹ thuật điện tử

Ở nước ta, từ năm 1990, tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và sau đó nhiều đơn vị khác đã triển khai nghiên cứu chế tạo vật liệu dẫn từ vô định hình và nano tinh thể dưới dạng băng mỏng 0,03 mm bằng công nghệ nguội nhanh liên tục và triển khai ứng dụng vật liệu này Và khả năng vật liệu từ nguội nhanh này đưa vào ứng dụng trong kỹ thuật làm các lõi dẫn từ của các máy biến áp ở tần số 50 Hz ở nước ta là rất lớn

2 Ý nghĩa khoa học – thực tiễn:

- Luận văn đã nghiên cứu về vật liệu từ vô định hình và công nghệ chế tạo vật liệu vô định hình

- Luận văn đã đưa ra đặc tính kỹ thuật và so sánh tính chất từ của vật liệu vô định hình với thép kỹ thuật điện

- Luận văn đã nghiên cứu về sử dụng vật liệu vô định hình chế tạo lõi thép MBA giảm tổn hao không tải và khả năng ứng dụng ở nước ta

3 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

3.1 Mục đích:

Mục đích cơ bản của luận văn nhằm vào nghiên cứu về mặt lý thuyết vật liệu vô định hình và đưa ra đặc điểm sử dụng vật liệu vô định hình chế tạo lõi thép MBA giảm tổn hao không tải và khả năng ứng dụng ở nước ta

- Khảo sát từ trường và tổn hao không tải MBA sử dụng lõi thép bằng vật liệu

vô định hình bằng Phương pháp Phần tử hữu hạn

Các phương pháp hiện đại trong nghiên cứu tính toán thiết kế kỹ thuật điện [6] là tài liệu chuyên sâu trình bày đầy đủ và hệ thống các phương pháp hiện đại nghiên cứu từ trường trong các thiết bị điện

Đặc tính kỹ thuật và tính chất từ của vật liệu vô định hình đã được nghiên cứu đầy đủ và chi tiết [5], [11]

Ứng dụng vật liệu từ vô định hình vào sản xuất lõi biến áp, lõi dẫn từ đã được triển khai phổ biến

Việc sản xuất và sử dụng MBA vô định hình ở một số nước như Mỹ, Hàn Quốc, Trung Quốc,…đã trở thành rộng rãi Ở các nước này, một trong những thiết bị điện góp phần giảm tổn thất điện năng và gánh nặng môi trường chính là MBA vô định hình

Tập đoàn Hitachi là một trong những công ty đi đầu trong công nghệ chế tạo và triển khai sử dụng MBA vô định hình

- Khó khăn:

Vật liệu từ mềm VĐH được nghiên cứu và sử dụng chủ yếu cho tần số cao, đưa vào sử dụng làm lõi thép MBA với tần số 50Hz là lĩnh vực mới đối với nước ta

Công nghệ chế tạo mạch từ và dây quấn của MBA VĐH đang được hoàn thiện Ở nước ta, MBA VĐH đang trong quá trình nghiên cứu và sản xuất thử nghiệm

™ Trong luận văn đã sử dụng các giả thiết khoa học sau:

- Mô hình trường điện từ của và mô hình mạch của MBA VĐH đã được nghiên cứu

- Mật độ dòng điện sơ cấp và thứ cấp của MBA trong trường hợp tính chất tải

là thuần trở

- Trong khi chạy phần mềm FEMM, xem lõi thép vô định hình là đồng nhất

và không bị thay đổi từ tính

™ Nội dung luận văn: gồm 4 chương

• Chương 1: Tổng quan về các phương pháp giảm tổn thất điện năng của

máy biến áp

• Chương 2: Vật liệu từ mềm vô định hình

• Chương 3: Công nghệ chế tạo mạch từ và dây quấn của máy biến áp vô

định hình

• Chương 4: Khảo sát từ trường và tổn hao không tải MBA sử dụng lõi

thép bằng vật liệu vô định hình bằng Phương pháp Phần tử hữu hạn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG CỦA

MÁY BIẾN ÁP

ĐẶT VẤN ĐỀ:

Trong sự phát triển kinh tế - xã hội của đất nước, ngành Điện lực giữ vai trò quan trọng Cùng với sự tăng trưởng kinh tế nhu cầu về điện năng của nước ta trong những năm gần đây tăng rất nhanh, cụ thể:

− Năm 2005, sản lượng điện sản xuất (toàn hệ thống điện Quốc Gia) là: 44.922 GWh

− Năm 2006, sản lượng điện sản xuất là: 51.318 GWh tăng 14,2% so với năm 2005

− Năm 2007, sản lượng điện sản xuất là: 58.412 GWh tăng 13,8% so với năm 2006 Theo dự báo nhu cầu điện năng từ năm 2010 đến 2015 là:

Đơn vị tính: GWh Năm 2010 2011 2012 2013 2014 2015 Sản lượng 86.310 97.8784 110.720 125.090 141.100 158.890

Do vậy giải quyết bài toán về nhu cầu điện năng luôn là thách thức lớn của ngành Điện nói riêng và cả Quốc Gia nói chung

Nhiều năm qua, công tác giảm tổn thất điện năng (TTĐN) của Tập đoàn Điện Lực Việt Nam (EVN) được triển khai rất quyết liệt và đã đạt được những kết quả đáng khích lệ Các đơn vị đã thực hiện đầu tư củng cố lưới điện, rút ngắn bán kính cấp điện, nâng tiết diện dây, công suất máy biến áp để phù hợp với yêu cầu của tải và giảm TTĐN Bên cạnh đó, các giải pháp trong quản lý vận hành, quản lý kinh doanh đã được thực hiện, góp phần vào kết quả giảm TTĐN chung của EVN

Giai đoạn 2004-2010,[7] EVN đã chỉ đạo các đơn vị điện lực, truyền tải điện, Trung tâm Điều độ HTĐ Quốc Gia triển khai đồng bộ các giải pháp, kết quả TTĐN toàn EVN đã giảm từ 12,23% (năm 2003) xuống 9,21% (năm 2008) Để tiếp tục đẩy mạnh công tác giảm TTĐN trên hệ thống lưới điện, Ban chỉ đạo giảm TTĐN của EVN

đã ban hành “Hướng dẫn các biện pháp cơ bản về quản lý kỹ thuật – vận hành và quản

lý kinh doanh để giảm TTĐN” Hướng dẫn này hệ thống hóa lại các giải pháp giảm TTĐN trong nhiều năm qua, phổ biến đến tận các tổ đội quản lý vận hành, quản lý kinh doanh nhằm tiếp tục tăng cường các biện pháp quản lý giảm TTĐN

Ngày 12/3/2010, [8] Bộ Công Thương đã có chỉ thị số 10/CT-BCT về tăng cường công tác tiết kiệm điện năm 2010 Theo đó, Bộ yêu cầu UBND các tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương giao Sở Công Thương các địa phương đẩy mạnh triển khai các biện pháp tiết kiệm điện theo Chỉ thị số 19/2005/CT-TTg của Thủ Tướng Chính Phủ Thực hiện chỉ đạo của Bộ Công Thương, ngày 23/3/2010, Tập đoàn Điện lực Việt Nam đã ra Chỉ thị số 993/CT-EVN về việc tăng cường công tác tiết kiệm điện năm 2010

Đúng 20h30 tối 27/3/2010, 20 tỉnh thành trong cả nước đã đồng loạt tắt đèn và các thiết bị sinh hoạt không cần thiết để hưởng ứng chiến dịch “Giờ Trái đất năm 2010” Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) đã tích cực tham gia với vai trò là nhà tài trợ chính và là một trong các Đại sự thiện chí của chương trình Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia cho biết: Trong Giờ trái đất, toàn hệ thống tiết kiệm được 500.000 kWh, tương đương khoảng 450 triệu đồng (với chương trình Giờ trái đất năm 2009 cả nước tiết kiệm được 140.000 kWh) [8]

Chiều 26/07/2010, dưới sự chủ trì của Phó Thủ tướng Hoàng Trung Hải, Ban chỉ đạo chương trình mục tiêu quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm, hiệu quả đã đánh giá kết quả thực hiện giai đoạn I của Chương trình, bước đầu đề xuất các nội dung triển khai giai đoạn II (2011-2015) Theo báo cáo của Ban chỉ đạo, trong 3 năm từ 2006 đến

2008, lượng năng lượng tiết kiệm được tương đương 15,2 tỷ kWh điện Tỷ lệ tiết kiệm tăng dần theo các năm với mức 1,56%, 3,15% và 3,48% Kết luận cuộc họp, Phó Thủ tướng Hoàng Trung Hải nhấn mạnh, cùng với việc đầu tư phát triển các nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo, yếu tố sống còn trong bài toán cân bằng năng lượng quốc gia hiện nay là tiết kiệm năng lượng[50]

Trong đánh giá về tình hình tiêu thụ điện năng thì tính toán tổn thất điện năng là

áp phân phối ở nước ta thường có cấp điện áp là 35kV, 22kV, 10kV, 6kV/0,4kV để cấp điện cho đa số các thiết bị điện công nghiệp và dân dụng

Khi MBA làm việc, có hai loại tổn hao chính là: Tổn hao sắt và tổn hao đồng Trong trường hợp gần đúng coi tổn hao sắt là tổn hao không tải Tổn hao không tải là tổn hao trong lõi dẫn từ Tổn hao trong lõi dẫn từ bao gồm tổn hao dòng xoáy và tổn hao từ trễ [51]

- Hợp kim Permalloy: Là hợp kim của niken (Ni) và sắt (Fe), có lực kháng từ rất

nhỏ, độ từ thẩm rất cao (vật liệu Ni75 Fe25 có độ từ thẩm ban đầu lớn tới 10000), có độ bền cơ học và khả năng chống ăn mòn cao Tuy nhiên, permalloy có từ độ bão hòa không cao

- Hợp kim FeCo: là các hợp kim từ mềm có từ độ bão hòa cao, nhiệt độ Curie cao

- Các vật liệu gốm ferrite: Là hợp chất của ôxit Fe (Fe2 O3) với một ôxit kim loại

hóa trị 2 khác, có công thức chung là MO.Fe2 O3 Các ferrite mang bản chất gốm, nên

có điện trở suất rất cao nên tổn hao dòng xoáy của ferrite rất thấp, được dùng cho các ứng dụng cao tần và siêu cao tần

- Hợp kim vô định hình và nanô tinh thể: Là các hợp kim nền sắt hay cô ban (Co), ở trạng thái vô định hình, có điện trở suất cao hơn nhiều so với các hợp kim tinh thể, đồng thời có khả năng chống ăn mòn, độ bền cơ học cao, và có thể sử dụng ở tần

số cao hơn so với các vật liệu tinh thể nền kim loại Vật liệu vô định hình không có cấu trúc tinh thể, nên triệt tiêu dị hướng từ tinh thể, vì thế nó có tính từ mềm rất tốt Vật liệu vô định hình nền Co còn có từ giảo bằng 0 nên còn có lực kháng từ cực nhỏ Khi kết tinh từ trạng thái vô định hình, ta có vật liệu nano tinh thể, là các hạt nanô kết tinh trên nền vô định hình dư, triệt tiêu từ giảo từ tổ hợp hai pha vô định hình và tinh thể nên có tính từ mềm cực tốt và có thể sử dụng ở tần số cao

1.1 Tình hình nghiên cứu của thế giới:

Máy biến áp (MBA) đầu tiên, xuất hiện vào khoảng năm 1890, là kiểu MBA khô một pha, có cấp điện áp chưa cao và còn bị giới hạn bởi công suất của máy do phương thức làm mát và mức độ chịu nhiệt của cách điện Sự phát triển của MBA được nâng lên một bậc do sự xuất hiện của tôn silic, của dầu, nhất là sự phát triển của chất lỏng có khử clo có điểm chớp cháy rất cao cho phép nâng cao được cấp điện áp và công suất MBA Người ta đã chế tạo được những MBA có công suất hàng trăm MVA, điện áp hàng trăm kV

Trong những năm 1960, giấy cách điện kiểu màng mỏng và polyamit (như Mylar cho cấp F và Nomex cho cấp H) được sử dụng để thiết kế MBA khô hiện đại và tin cậy hơn Các chất cách điện có độ chịu nhiệt cao hơn đã nâng cao được hiệu suất của MBA

mà lại sử dụng ít vật liệu hơn, do đó làm cho máy gọn nhẹ hơn, tổn hao ít hơn, tiết kiệm chi phí vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa Thêm vào đó, MBA dầu lại không đáp ứng được những địa điểm có yêu cầu nghiêm ngặt về môi trường và an toàn – phòng chống cháy nổ Nhu cầu về sử dụng MBA khô đã tạo ra hướng nghiên cứu và phát triển công nghệ chế tạo MBA khô tốt hơn, vận hành tin cậy và chống cháy tốt hơn Vào những năm 1950 ngành khoa học vật liệu mới composite phát triển mạnh ở các nước phát triển và người ta đã ứng dụng nó làm vật liệu cách điện cho máy biến áp Kết quả là từ đó đến nay số lượng máy biến áp khô đúc epoxy được tiêu thụ rất nhiều trên thế giới và là ngành sản xuất chủ lực của một số hãng nổi tiếng như ABB, Schneider, Sismens,… MBA khô có cuộn dây đúc trong epoxy và công nghệ đúc epoxy trong môi trường chân không đã làm cho cuộn dây MBA tránh được triệt để sự xâm nhập của hơi ẩm và muối Đây là các đặc tính lý tưởng thay thế cho các công nghệ khác trong các phương tiện liên quan đến đường thủy, bãi biển và các nhà máy xử lý nước

Lõi biến áp đầu tiên (1885, Stanley) làm bằng thép lá cacbon có điện trở suất nhỏ (ρ ~ 25-30 µΩ.cm) Sau đó, lõi biến áp được làm bằng lá thép silicon (còn gọi là

tôn silic, Fe-Si) có điện trở suất cao hơn (ρ ~ 50-60 µΩ.cm) Những năm 80-90 của thế

kỷ XX, tôn silic định hướng (cán nguội) có điện trở suất cao và lực khử từ HC nhỏ đã được chế tạo và sử dụng

Từ năm 1947, cấu trúc vô định hình của chất rắn được phát hiện và phát triển cho đến nay gọi là vật liệu từ mềm vô định hình, quá trình phát triển trải qua nhiều giai đoạn khác nhau, sau đây là quá trình phát triển của vật liệu từ mềm vô định hình:

™ Ở Mỹ:

- Năm 1947, Brenner nghiên cứu thành công cấu trúc vô định hình Ni-P

- Năm 1960, Prof.Duwer nghiên cứu thành công cấu trúc vô định hình của Au-Si (75-25 at%)

- Năm 1979, Allied Signal phát triển thành công kỹ thuật chế tạo sản phẩm thép dạng băng mỏng

- Năm 1982, Sản xuất băng vô định hình ở Công Ty Allied Signal, Vật liệu băng vô định hình: Nền Fe, Nền Co và Nền Fe-Ni

- Năm 1984, Máy biến áp sử dụng vật liệu vô định hình bắt đầu được sử dụng ở Mỹ

- Năm 1989, Sản xuất băng vô định hình với công suất 60.000 tấn/năm tại Công Ty Allied Signal

Sau đó, hàng triệu máy biến áp vô định hình được sử dụng trên thế giới Bên cạnh nước Mỹ, các nước Tây Âu và Nhật Bản đã nghiên cứu và phát triển vật liệu vô định hình

™ Ở Trung Quốc:

- Năm 1977, Thành lập nhóm nghiên cứu vật liệu tại Viện nghiên cứu sắt

và thép (CISRI), thiết bị (dạng nhỏ) làm nguội nhanh dạng băng ngoài không khí đã được sản xuất và kiểm tra

- Năm 1980, từ 3÷10 kg sản phẩm vật liệu làm nguội nhanh đã được ra đời

ở CISRI và đã giới thiệu cho khách hàng

- Năm 1986, Băng vô định hình Nền Fe-Ni với 40 kg, bề rộng 100mm được sản xuất tại CISRI

Dự án sản xuất băng vô định hình nền Fe với công suất 100 tấn/năm được bắt đầu

- Năm 1988, Thành công kỹ thuật quấn băng tự động tại CISRI Nó là một trong mười thành công mới của Khoa học – công nghệ trong năm tại Trung Quốc

Sau đó, Sản xuất pilot 100 tấn và 200.000 mẫu – lõi được triển khai sản xuất ở CISRI

Nghiên cứu về nano tinh thể cũng được bắt đầu nghiên cứu và sản xuất ở CISRI

- Năm 1990-1995, Dự án chính được triển khai về vật liệu vô định hình và nano tinh thể Năm 1995, sản xuất hàng triệu mẫu – lõi vật liệu

- Năm 1996, Dự án quốc gia sản xuất băng vô định hình 1000 tấn/năm

- Năm 1999, sản xuất băng vô định hình với 1000 tấn và 600 tấn dùng cho sản xuất máy biến áp tại Beijing, có bề rộng băng từ 100÷200 mm

- Năm 2000-2005, Công Ty AT&M (thành viên của CISRI) tiếp tục sản xuất băng vô định hình và nano tinh thể để cung cấp cho thị trường

Dự án của Quốc gia sản xuất băng vô định hình nền Fe có công suất 10.000÷40.000 tấn/năm Mục tiêu, sản xuất tới 40.000 tấn/năm cung cấp cho thị trường sản xuất máy biến áp vô định hình

Hình 1.1: Đồ thị biểu diễn xu hướng của thế giới sử dụng vật liệu tốt

hơn để giảm tổn hao không tải của máy biến áp

Hình 1.2: Đường cong từ trễ của vật liệu vô định hình và thép silic

1,2 0,8

1,0 1,2 1,4

0 4 0,8 1,2 1,6

nổ lực đi tìm lời giải cho giảm tổn thất điện năng máy biến áp

Hình 1.2 Biểu thị đường cong từ trễ của vật liệu vô định hình và thép silic [25]

Hình 1.3: Tổn hao sắt từ phụ thuộc vào cảm ứng từ B của thép Si và VĐH

(f=60 Hz) Nguồn: Yamoto et al, IEEE,TranMag.Vol.Mag.20.No3,1984

Máy biến áp 1 pha lõi thép silic có công suất 30kVA tổn hao không tải là 149W, còn máy biến áp lõi thép vô định hình tổn hao không tải là 38W Như vậy, so với máy biến áp lõi thép silic thì máy biến áp vật liệu vô định hình đã giảm 70% đến 80% tổn hao không tải Bảng 1.1 minh họa điều này

Bảng 1.3 Ví dụ cho một MBA 3 pha, 500kVA – 22kV, thay thế lõi tôn silic bằng thép VĐH đã tiết kiệm được 1770 W (trong một năm đã tiết kiệm 15.505kWh)

có nghĩa nó đã tiết kiệm 1.395 USD

Hình 1.4: So sánh tổn hao không tải của máy biến áp ở Nhật Bản

(máy 3 pha, 50Hz, 300 kVA)

Thép silic (hiệu suất cao)

Vật liệu vô định hình

Bảng 1.1: So sánh tổn hao không tải máy biến áp 1 pha và 3 pha có lõi thép

silic thông thường và lõi thép vô định hình

Tổn hao không tải, W Máy biến áp

Công suất kVA Lõi thép biến áp thông

thường, tôn silic

Lõi thép vô định hình

Độ giảm tổn hao, %

Nguồn: Tổng Công ty Điện lực Hàn Quốc KEPOCO’s

Bảng 1.2: Tổn hao sắt từ (Fe), tổn hao đồng và tổng tổn hao của máy biến thế cùng

công suất sử dụng hai loại vật liệu dẫn từ khác nhau

Tổn hao PL(W) (~50% tải) Loại tổn hao Thép vô định

hình

Thép silicon cán nguội định hướng

Tổng tổn hao sắt từ 132 466

Chú ý: máy biến thế 3 pha, 250 kVA, tần số công nghiệp

nguồn: Hasegawa & Pruess,Proc IEEE, 2001, p 1820

Số liệu trong bảng 1.2 cho thấy, đối với máy biến thế 3 pha, 250kVA, tổn

hao từ giảm từ 466W (lõi thép silicon cán nguội) xuống 132W (lõi VĐH), tức là

tổn hao lõi VĐH chỉ bằng ~1/3 so với thép silicon Trong khi đó tổn hao đồng gần

như nhau (966 W và 1.084 W) Tổn hao tổng cộng của máy biến thế giảm từ 1.550 W

xuống 1.098 W khi dùng lõi VĐH

Bảng 1.3 Hiệu quả kinh tế khi sử dụng lõi dẫn từ VĐH

Biến áp 500 kVA, 3 pha, cấp điện áp 22 kV

1 Tổn hao không tải khi sử dụng

3 Tiết kiệm công suất điện 1.770 W (2040W-270W)

4 Tiết kiệm điện trong 1 năm

(chạy không tải)

15.505 kWh (1.770 W x 24 h x 365

ngày)/1.000

5 Tiết kiệm tiền điện trong 1 năm

(chạy không tải)

1.395 USD

(15.505 x 0,09 USD/kWh)

Ghi chú: 1 - Nếu máy biến áp chạy không tải 8 h/ngày, thì các con số trong cột 4

và 5 tương ứng là: ~5.168 kWh và ~ 465 USD

2 - Nguồn Kim Tae-ho, Cty Công nghiệp Cherong, Seoul, Hàn Quốc

Hệ thống thiết bị công nghiệp của Công ty Hitachi, đại diện cho công nghệ tiến tiến và siêu tiết kiệm năng lượng chính là Máy biến áp VĐH Máy biến áp VĐH là giảm pháp tiết kiệm năng lượng, giảm khí thải CO2 và ngăn chặn sự nóng lên của toàn cầu [47] Thí dụ [13], nếu tất cả máy biến áp ở Hàn Quốc sử dụng lõi dẫn từ vô định hình thay tôn silic truyền thống thì dự tính trong năm 2010, Hàn Quốc tiết kiệm được khoảng 7 tỷ kWh điện, bằng lượng điện năng cung cấp cho một thành phố khoảng 1,4 triệu dân, điều đó cũng đồng nghĩa với việc giảm khoảng 1 triệu tấn khí CO2, tương đương với lượng CO2 của khoảng 220.000 ô tô thải ra Việc sử dụng vật liệu dẫn từ vô định hình trong dải tần số 50-60 Hz đã và đang được triển khai mạnh

mẽ ở Hoa Kỳ, Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Nga…Hiện nay, tại 7 nước châu Á đã có khoảng 515.000 máy biến áp làm bằng vật liệu từ vô định hình

1.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước:

Nguội nhanh là công nghệ làm đông cứng gần như tức thời các hợp kim lỏng Đại lượng đặc trưng cho quá trình nguội của hợp kim là tốc độ nguội, có đơn vị là K/s (độ Kelvin/giây) Khi tăng tốc độ nguội lên vài trăm ngàn tới một triệu độ trong một giây, hợp kim lỏng bị đông cứng nhanh đến mức quá trình kết tinh không kịp xảy ra Khi đó thu được kim loại-hợp kim ở trạng thái hoàn toàn mới với cấu trúc vi mô không tinh thể, được gọi là hợp kim vô định hình (VĐH- amorphous alloys) Hợp kim VĐH thường được chế tạo dưới dạng băng mỏng vài chục micromet ngay trong quá trình đông cứng Như vậy trong quá trình nguội nhanh, cả hai công đoạn đông cứng hợp kim lỏng (đúc) và tạo hình dạng băng mỏng (cán) kết hợp thành một công đoạn duy nhất,

và đây là một công nghệ tiên tiến của thế giới trong cuối thế kỉ trước Do cấu trúc vi

mô thay đổi, các hợp kim VĐH có tổ hợp các tính chất ưu việt (đã trình bày ở mục 1.1)

Viện Vật lý kỹ thuật (VLKT), trường Đại học Bách khoa Hà Nội từ những năm

90 của thế kỉ XX đã triển khai nghiên cứu công nghệ chế tạo và ứng dụng các vật liệu nguội nhanh Sau nhiều năm nghiên cứu, các sản phẩm là băng từ mềm VĐH, nano tinh thể đã được chế tạo với quy mô đủ phục vụ các nhu cầu sữa chữa, sản xuất MBA nhỏ Vài nghìn lõi dẫn từ tần số cao chế tạo bằng vật liệu từ VĐH và nano tinh thể đã được cung cấp cho nhiều các xí nghiệp quốc phòng để thay thế các linh kiện điện – từ tần số cao trong nhiều loại khí tài, góp phần tham gia vào sự nghiệp củng cố an ninh – quốc phòng Điều đó đặc biệt có ý nghĩa khi mà công nghiệp luyện kim nước ta chưa sản xuất được các loại thép kỹ thuật điện Nhiều thiết bị điện – điện tử đã được thiết kế, chế tạo bằng vật liệu nguội nhanh như máy phát ozon các loại, máy hàn xách tay, các máy đo sử dụng các sensơ từ trở và tổng trở khổng lồ (GMR và GMI),…[15]

Dự án sản xuất thử nghiệm [14]: dự án số 13/97-HĐCGCN dành cho viện VLKT từ năm 1997, với kinh nghiệm đã có trong hơn 10 năm nghiên cứu, Viện có khả năng phát triển công nghệ này, làm chủ một dây chuyền công nghệ: công nghệ nguội

nhanh loại ampoule ngoài không khí và công nghệ nguội nhanh loại ampoule trong chân không Với năng suất 50 kg sản phẩm/mẻ (mỗi mẻ cần thời gian 60 phút) đáp ứng các nhu cầu hiện nay về vật liệu từ mềm VĐH trong nước

Kết quả dự án đã thu được [14]:

• Vật liệu từ mềm vô định hình (dạng băng mỏng)

• Vật liệu từ mềm nano tinh thể (dạng băng mỏng)

• Nam châm đất hiếm đẳng hướng

• Sensơ GMR, GMI

Dự án đã đào tạo:

• 4 Luận án Tiến sĩ đã bảo vệ (2000, 2002, 2004, 2007)

• 20 Luận văn Thạc sĩ đã bảo vệ (1998-2006)

• Trên 50 bài báo khoa học liên quan

• Tham dự trên 10 hội nghị khoa học quốc tế

Các công trình nghiên cứu trên là cơ sở lý thuyết và thực tế vững chắc đã góp phần vào công trình nghiên cứu, tính toán, thiết kế máy biến áp trong đó dùng vật liệu

từ mềm vô định hình làm lõi thép MBA dùng lõi thép vô định hình để giảm tổn hao không tải được các nhà khoa học trong nước quan tâm và nghiên cứu Cụ thể:

Ngày 10 tháng 12 năm 2009, Bộ trưởng Bộ Công Thương đã cấp Quyết định số

6228/QĐ – BCT về: Kế hoạch khoa học công nghệ năm 2010 [4]

Với nội dung cụ thể như sau:

“Thiết kế chế tạo chế tạo máy biến áp giảm tổn hao không tải sử dụng vật liệu thép từ vô định hình siêu mỏng, chế tạo trong nước”

Thực hiện đề tài như sau:

1 Nguồn nguyên liệu thép vô định hình lấy từ sản xuất trong nước và nhập ngoại

2 Thiết kế: Do tập thể chuyên gia khoa Điện - ĐHBK Hà nội và Công ty cổ phần chế tạo biến thế và vật liệu điện Hà Nội Thiết kế MBA phân phối 3 pha - công suất 50kVA - 35/0,4kV

1.3 Hướng nghiên cứu của tác giả:

Để giải quyết các yêu cầu của luận văn đặt ra, tác giả đề ra hướng nghiên cứu như sau:

- Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp giảm tổn thất điện năng của máy biến áp trong và ngoài nước

- Nghiên cứu về vật liệu từ vô định hình và công nghệ chế tạo vật liệu vô định hình

- Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật và so sánh tính chất từ của vật liệu vô định hình với thép kỹ thuật điện

- Nghiên cứu công nghệ chế tạo mạch từ và dây quấn của máy biến áp vô định hình

- Khảo sát từ trường và tổn hao không tải MBA có sử dụng lõi thép vô định hình bằng Phương pháp Phần tử hữu hạn

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Trong chương này đã nêu ra phương pháp giảm tổn thất điện năng trong máy biến áp Đồng thời đã tổng hợp, phân tích các công trình nghiên cứu về MBA từ những thế kỷ trước và cho đến nay người ta luôn luôn phải có biện pháp cải tiến thiết kế và công nghệ chế tạo nhằm hoàn thiện về cấu trúc, hình dạng, thông số kỹ thuật, kinh tế….và quan trọng nhất đó là giảm tổn hao của máy biến áp

Việc sử dụng vật liệu dẫn từ vô định hình chế tạo MBA trong dải tần số 60Hz đã trở thành phổ biến ở Hoa Kỳ, Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Nga…Ở Việt Nam, ĐH Bách Khoa Hà Nội và Công ty cổ phần chế tạo biến thế Hà Nội lần đầu tiên đưa vật liệu này vào sản xuất máy biến áp phân phối tần số 50Hz, giảm tổn thất điện năng

50-Chế tạo MBA VĐH là lĩnh vực mới so với Việt Nam, lúc này phải nghiên cứu tính toán, thiết kế cả về lý thuyết và công nghệ chế tạo Do vậy, trước hết cần tìm hiểu vật liệu vô định hình, phân tích đặc tính kỹ thuật và so sánh tính chất từ của vật liệu vô định hình với thép kỹ thuật điện là vấn đề thiết thực Đây chính là nội dung nghiên cứu của chương 2

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU TỪ MỀM VÔ ĐỊNH HÌNH

Vào những năm 70, xuất hiện kỹ thuật mới chế tạo băng hợp kim vô định hình liên tục bằng phương pháp nguội nhanh từ tinh thể lỏng Với các tính chất từ rất tốt vật liệu chế tạo bằng phương pháp này đã được các nhà công nghệ quan tâm Đến những năm 80 đã có rất nhiều họ vật liệu được chế tạo bằng phương pháp nguội nhanh Số lượng các công trình được công bố tại các hội nghị khoa học Quốc tế từ năm 1996 đến nay đã cho thấy sự quan tâm đặc biệt của các nhà công nghệ, các nhà nghiên cứu dành

cho nhóm vật liệu này Tại Hội nghị khoa học Quốc tế RQ – 9 (Rapitdly Quenched and

Metastable Materials) ở Bratislava (Slovakia) năm 1996 đã có tới 400 bài báo (với hơn

1100 trang in) Năm 1997 tại Tây Ban Nha (Inter Sym On Metal Mechanicallyalloyed

Nanocrystalline Materials) số lượng các bài báo và các vấn đề được quan tâm về loại

vật liệu này còn tăng gấp đôi Đồng thời Hội nghị Quốc tế về vật liệu từ ở Hàn quốc

(INT MAG’99, Korea) còn đề cập tới các vật liệu nano tinh thể ở dạng màng mỏng và

dạng hình khối, các nam châm từ cứng – mềm (Hard – Soft Magnet)

Ở nước ta, từ năm 1990, tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và sau đó nhiều đơn vị khác đã triển khai nghiên cứu chế tạo vật liệu dẫn từ vô định hình và nano tinh thể dưới dạng băng mỏng 0,03 mm và triển khai ứng dụng vật liệu này làm các lõi biến áp tần số 400 Hz và cao hơn, phục vụ việc sửa chữa khí tài quân dụng Vài nghìn sản phẩm, chủ yếu là lõi dẫn từ công suất nhỏ, tần số 400 Hz đã được chuyển đến tay người sử dụng Trong giai đoạn 2005-2007, Trường ĐHBK Hà Nội cũng đã chuyển giao công nghệ các vật liệu từ hiện đại (băng từ vô định hình, nano tinh thể, nam châm đất hiếm kết dính và thiêu kết…) cho một nhà máy thuộc Bộ Quốc phòng Qua đó, đã tích lũy được nhiều kinh nghiệm quý về cả phương diện công nghệ vật liệu cũng như

khả năng và phạm vi ứng dụng chúng Vấn đề đặt ra hiện nay đối với loại vật liệu này là nhanh chóng tăng công suất thiết bị công nghệ để có thể sản xuất thép VĐH năng suất 30-100 kg/mẻ (20-50 T/năm) bằng công nghệ nguội nhanh liên tục Các doanh nghiệp thuộc lĩnh vực điện - điện tử có thể hợp tác với các Đại học và các Cơ quan khoa học để tổ chức sản xuất loại vật liệu từ tiên tiến này Sự hỗ trợ của Nhà nước là rất cần thiết trong gian đoạn đầu Như vậy, có thể hy vọng ngành công nghiệp điện của nước ta sẽ dần không phụ thuộc vào nguồn cung cấp thép silicon từ nước ngoài và vấn đề tiết kiệm điện năng cũng như giảm lượng khí thải sẽ tiến triển thêm một bước và theo một cách cơ bản hơn: sản xuất máy điện có độ tổn hao điện rất thấp

2 1 Tinh thể và vô định hình – Trật tự xa và trật tự gần:

Các chất rắn tồn tại dưới dạng tinh thể hoặc vô định hình Đa số chúng ở dạng tinh thể Đặc trưng của tinh thể là các nguyên tử, ion sắp xếp một cách trật tự có tuần hoàn trong không gian tạo nên mạng tinh thể, được đặc trưng bởi các vectơ cơ sở Từ một nguyên tử gốc chọn bất kỳ, khi tịnh tiến đi một số nguyên lần vectơ cơ sở ta gặp lại một nguyên tử tương ứng, ta nói trong tinh thể tồn tại một trật tự xa

Trong chất rắn vô định hình không có kiểu trật tự này, nếu ta chọn vectơ nối hai nguyên tử gần nhau làm vectơ tịnh tiến thì khi dịch chuyển vectơ đó đi một số nguyên lần đủ lớn thì không đảm bảo gặp lại một nguyên tử tương đương Như vậy trong chất rắn các nguyên tử sắp xếp một cách ngẫu nhiên không trật tự nhưng cấu trúc hoàn toàn khác với chất lỏng và chất khí (các nguyên tử luôn dao động mạnh và có thể dịch chuyển trong khoảng cách lớn) Ở vật rắn vô định hình các nguyên tử xếp chặt theo kiểu đối xứng cầu bao bọc ngẫu nhiên một nguyên tử khác, do đó không tồn tại trật tự

xa Tuy nhiên xung quanh nguyên tử gốc bất kỳ một khoảng cách d= 2r (r - bán kính nguyên tử) tồn tại một nguyên tử khác nằm sát nó, khả năng tìm thấy một nguyên tử

khác có khoảng cách tăng dần (2d, 3d,…) là giảm dần Đây cũng có thể xem là một kiểu trật tự nhưng tồn tại gần nguyên tử gốc, được gọi là trật tự gần

Vậy vật liệu vô định hình là chất rắn không có trật tự xa (hay cấu trúc tuần

hoàn) về vị trí cấu trúc nguyên tử (Chất rắn có trật tự xa về vị trí cấu trúc nguyên tử gọi là chất rắn tinh thể) Hầu hết các nhóm vật liệu có thể thấy hoặc được cấu trúc từ dạng vô định hình Ví dụ: thủy tinh là gốm vô định hình, nhiều polymer (như

polystyrene) là vô định hình

2 2 Các mô hình cấu trúc của hợp kim vô định hình:

Bernal J.D và Finney J.K đề ra mô hình cấu trúc của hợp kim vô định hình: như cái túi bằng cao su được lèn chặt các quả cầu cứng, sau đó ép chặt lại để các quả cầu cứng xếp sít chặt với nhau một cách ngẫu nhiên

Bernal cho rằng mối quan hệ ba chiều trong cấu trúc xếp chặt ngẫu nhiên có thể hình dung ở các dạng đa diện khác nhau Nếu cho rằng sự dao động chiều dài các cạnh của các đa diện tới 15% thì cấu trúc xếp chặt ngẫu nhiên (X.C.N.N) có thể được cấu thành từ năm loại đa diện (hình 2.1) Trong mô hình này các quả cầu cứng xếp khít chặt nhưng ngẫu nhiên, dẫn đến việc tồn tại trật tự gần và không có trật tự xa Mật độ nguyên tử trong quá trình xếp chặt ngẫu nhiên đạt khoảng 65%, còn lại là lỗ trống ~ 35% (trong đó có tới 21% lỗ trống lớn, ở đó có thể xen vào các nguyên tử có kích thước nhỏ làm cho mật độ và độ ổn định cấu trúc tăng lên) Trong các hợp kim vô định hình thường được chọn % nguyên tử á kim có bán kính nhỏ hơn nên đã điền đầy vào các lỗ trống giữa các nguyên tử kim loại Trong mô hình Bernal quanh mỗi nguyên tử

có thể tồn tại năm nguyên tử lân cận (thay vì phải có sáu nguyên tử trong tinh thể), tức

là có cấu trúc bậc 5 Trong năm loại đa diện (hình 2.1) khối tứ diện a) và bát diện b) là

Mô hình xếp chặt ngẫu nhiên Bernal cho phép kết luận rằng:

Trong hợp kim vô định hình:

- Các quả cầu nguyên tử xếp khít chặt tạo nên trật tự gần

- Tồn tại các đa diện phi tinh thể và do tính sắp xếp ngẫu nhiên làm mất trật tự

xa dẫn tới việc giảm mật độ

2 3 Vật liệu từ mềm vô định hình và nanomet:

2.3.1 Vật liệu từ mềm vô định hình:

Vật liệu từ mềm vô định hình có độ cảm ứng từ bão hòa BS cao (>1,2 ÷ 1,8T) Hợp kim vô định hình thường chứa 20% các á kim (không phải từ tính) vì vậy chúng là chất sắt từ pha loãng, do đó từ độ M (và độ cảm ứng từ B) giảm so với α - Fe và giảm theo sự tăng của nồng độ á kim M ~ (1- c) µ

Hợp kim vô định hình nền sắt với nồng độ Fe hợp lý nhất là 78 ÷ 82 at% (Fe), khi

đó có thể thu được BS cao và các giá trị HC, µ hợp lý Nồng độ Fe thấp hơn 75 at% làm

Vật liệu từ mềm nanomet được chế tạo bằng cách: tạo ra băng vô định hình bằng

kỹ thuật nguội nhanh, sau đó tiến hành kết tinh bằng cách nung trên nhiệt độ kết tinh

Để nhận được cấu trúc nanomet người ta đưa vào hợp kim vô định hình FeBSi một lượng nhỏ Cu (Au, Pt, ) ~ 1 at% và Nb (Mo, W, Cr, V, ) ~ (3-5) at%

Cu (Au, Pt,…) đóng vai trò tạo mầm kết tinh pha α - Fe, Nb (Mo, W, Cr, V, ) ngăn chặn sự phát triển của các hạt α - Fe Kết quả là khi ủ các băng hợp kim vô định hình FeBSi chứa Cu và Nb, kích thước hạt của pha này rất nhỏ (D ~ 10-15nm) và đồng đều Vật liệu kim loại có tổ chức hạt như vậy gọi là nanomet hay finemet

Như vậy người ta đã chế tạo được các vật liệu có cấu trúc hạt hết sức khác nhau điền đầy dải kích thước hạt trong vật liệu: từ đơn tinh thể có kích thước hạt cỡ 10-1 m tới vật liệu đa tinh thể 10-4 m, vi tinh thể 10-6 m, nano tinh thể 10-8 m và cuối cùng vật liệu vô định hình 10-9 m

KẾT TINH,

tA

2.4 Các tính chất từ:

Các tính chất từ không những phụ thuộc vào thành phần vật liệu mà còn rất phụ thuộc vào cấu trúc vi mô của chúng Trong khi cảm ứng từ bão hòa BS chủ yếu phụ thuộc vào thành phần thì các đại lượng quan trọng khác như lực kháng từ HC, độ từ thẩm µ, từ dư BR lại do cấu trúc vi mô của vật liệu quyết định

Vô định

hình

Nano tinh thể

Vi tinh thể

Đa tinh thể

Đơn tinh thể

10-9 m 10-8 m 10-6 m 10-4 m 10-1 m

Vật liệu mới

Vật liệu kinh điển

Hình 2.3: Dải kích thước của vật liệu

Lex được xác định bởi hai yếu tố cạnh tranh nhau là độ cứng trao đổi A và dị

hướng từ tinh thể K1 ,

1 ex

Dị hướng từ trung bình <K>, kJ/m3

Lex

KK

D

LN

1

3 ex

Trên hình 2.5 là sự phụ thuộc của dị hướng từ hiệu dụng <K> vào kích thước hạt

D đối với α - Fe 20%at Si [31]

◊ ◊

1/D

HC

(A/cm)

Kích thước hạt D

Hình 2.6 Lực kháng từ H C phụ thuộc vào kích thước hạt D của các vật liệu

mềm ● – FeCuNbSiB; ■ – 50NiFe; ◊ - Permalloy; ○ – FeSi6,5wt%

Hình 2.5 Dị hướng từ hiệu dụng <K> của vật liệu nanomet với định

hướng ngẫu nhiên của hạt phụ thuộc kích thước hạt D