L: tuổi thọ ở nhiệt độ so sánh ví dụ nhiệt độ ứng với cấp chịu nhiệt
d. Hệsố từ thẩm
4.2 Vật liệu từ
4.2.1 Phân loại:
Trên thị trường VLT được phân ra làm 2 nhĩm chính: nhĩm VLT mềm và nhĩm VLT cứng.
+ VLT mềm: cĩ hệ số từ thẩm lớn. Được sử dụng làm lõi thép trong mạch từ của các thiết bị điện từ.
+ VLT cứng: cĩ tích số năng lượng từ (B.H)max lớn. Được sử dụng làm nam châm vĩnh cửu. Vật liệu từ cứng là vật liệu cĩ lực kháng từ Hc cao. Nĩ chỉ bị
từ hĩa ở cường độtừ trường rất cao.
Vật liệu từ mềm được qui ước cĩ Hc < 800A/m, cịn vật liệu từ cứng Hc >4kA/m.
4.2.2 Vật liệu từ mềm trong từ trường khơng đổi và từ trường thay đổi cĩ tần
số thấp
Những yêu cầu chủ yếu đối với vật liệu
Ngồi hệ số từ thẩm cao và lực kháng từ thấp, vật liệu từ mềm phải cĩ từcảm bão hịa lớn, cho qua dịng từ tối đa qua diện tích mặt cắt cho trước. Nếu thực hiện được yêu cầu đĩ thì kích thước của hệ thống dẫn từ giảm xuống rất nhiều.
Vật liệu từ sử dụng ở trường từ biến thiên phải cĩ tổn hao do từ hĩa nhỏ nhất, thơng thường dây dẫn từđược ráp từ những lá thép mỏng được cách điện với nhau. Những vật liệu lá và băng phải cĩ độ mềm dẻo thì quá trình chế tạo các chi tiết mới dễ
dàng.
Yêu cầu quan trọng ở vật liệu từ mềm là thỏa mãn tính chất ổn định theo thời gian và khơng bị tác động của nhiệt độ, lực cơ học… Trong số các đặc tính từ thường cĩ sự thay đổi lớn trong quá trình sử dụng đĩ là hệ số từ thẩm μ (đặc biệt ở trường yếu) và lực kháng từ.
Sắt và sắt ít cacbon
Thành phần chủ yếu của phần lớn các vật liệu từ là sắt (Fe). Sắt là vật liệu từ mềm
điển hình, tính chất từ của nĩ phụ thuộc vào lượng tạp chất.
Trong số các vật liệu sắt từ, sắt cĩ từcảm bão hịa lớn nhất ( khoảng 2,2 Tesla). Sắt nguyên chất siêu sạch cĩ lượng cacbon khơng quá 0,05% và được điều chế bằng hai phương pháp:
+ phương pháp điện phân
+ phương pháp nhiệt luyện quặng
Tính chất của sắt phụ thuộc khơng chỉ lượng tạp chất, mà cịn phụ thuộc vào cấu trúc của vật liệu, áp lực cơ học.
Sắt sạch kỹ thuật
Thường chứa một số lượng tạp chất khơng nhiều, gồm cĩ cacbon, lưu huỳnh, mangan, silic, và những nguyên tố khác làm giảm tính chất từ của nĩ. Do cĩ điện trở suất thấp, sắt từ kỹ thuật được sử dụng khơng nhiều.
Thép kỹ thuật silic
Thép silic kỹ thuật là vật liệu từ mềm được sử dụng rộng rãi. Nhờ cĩ silic trong thành phần của thép mà vật liệu cĩ điện trở suất cao, giảm tổn thất do dịng điện xốy. Ngồi ra silic cĩ trong thép cĩ khả năng loại bỏ cacbon ở dạng grafit và hầu như khử oxy cĩ trong thép do liên kết hĩa học với oxy tạo thành SiO2 (sỉ) và bị loại bỏ. Nhờ cĩ đưa Si vào trong thép làm tăng hệ số từ thẩm khởi đầu μH và hệ số từ
thẩm cực đại μmax, giảm bớt lực kháng từ Hc và giảm tổn thất từ trễ. Sự đĩng gĩp của Si làm tăng hệ số từ thẩm của thép, giảm hằng số dị hướng từ và hằng số từ
giảo.
Ở thép cĩ chứa 6,8% Si hằng số dị hướng từ nhỏ hơn ba lần so với sắt sạch, và giá trị từ giảo bằng khơng. Trong trường hợp này thép Si cĩ hệ số từ thẩm cao nhất.
Tuy nhiên trong kỹ thuật thành phần Si khơng vượt quá 5% điều này được giải thích rằng Si làm giảm tính chất của thép vềđộ bền cơ học, nĩ làm cho thép dễ gãy. Loại thép này khơng sử dụng được để dập khuơn. Ngồi ra tăng Si làm giảm từcảm bão hịa, do Si là thành phần khơng dẫn từ.
Thép Si cĩ tính dị hướng từ, tương tự của sắt sạch tức là hướng từ hĩa dễ trùng với hướng tinh thể [100], cịn hướng từ hĩa khĩ trùng với đường chéo khơng gian [111] của ơcơ bản.
Thép kỹ thuật điện: Là hợp kim của sắt và silic, chứa ít cacbon được cán thành tấm. Chia làm 2 loại: loại khơng hướng và loại cĩ hướng.
-Thép kỹ thuật điện khơng hướng: cĩ từ tính gần như nhau theo mọi hướng trên tấm phẳng. Được sử dụng trong máy điện lớn và nhỏ, trong máy biến áp. Ngày nay chỉ được chế tạo bằng phương pháp cán nguội. Hệ số từ thẩm, suất tổn hao của thép kỹ thuật điện khơng hướng hầu như khơng phụ thuộc hoặc ít phụ thuộc vào gĩc giữa hướng từ hĩa và hướng cán. Thép cĩ hướng thì cĩ sự thay đổi rõ rệt.
Các tham số thường thấy: tỉ lệ silic đến 3,5% ; o,5% Al. Chiều dày 0,35 mm; 0,45mm; 0,635mm. Thép kỹ thuật điện khơng hướng loại bán thành phẩm được sử dụng trong trường hợp chế tạo những sản phẩm với loạt lớn, cĩ kích thước lõi từ nhỏ. Hàm lượng silic đến 3%; 0,5% Al, tỉ lệ C là 0,05% nhưng phải giảm đến 0,005% sau khi ủ nhiệt, bề dày 0,47 đến 0,64 mm.
-Thép kỹ thuật điện cĩ hướng: từ thơng chảy theo chiều cán của tấm thép, sử dụng trong máy biến thế cơng suất lớn. Chiều dày 0,23 ; 0,27 ; 0,3 ; 0,35 mm. Tỉ lệ Si 3,5%, đường kính hạt 3 mm.
Loại cĩ suất tổn hao nhỏ ở từ cảm lớn thường cĩ tỉ lệ Si 2,5% đường kính hạt 8mm. (thường ta phải cách điện bề mặt tấm thép để hạn chế tổn hao lõi thép)
Hình 4.13 Sự định hướng các hạt trong quá trình cán thép Si
Hợp kim kháng từ thấp
Permaloi là hợp kim sắt- nikel cĩ độ từ thẩm rất cao trong vùng trường yếu và cĩ lực kháng từ rất nhỏ. Permaloi chia ra loại cao và loại thấp nikel. Cao thì chứa 72% – 80% Ni cịn thấp thì chứa 40% – 50% Ni. hệ số từ thẩm khởi đầu μH và hệ số từ
thẩm cực đại μmax đạt cực đại khi hợp kim chứa 78,5% Ni. Hợp kim này dễ từ hĩa trong trường yếu là do trong nĩ khơng tồn tại dị hướng từ và hiện tượng từ giảo. Do cĩ dị hướng yếu nên mơmen từ dễ dàng xoay từ hướng dễ từ hĩa theo hướng của trường, và nhờ khơng tồn tại từ giảo nên khi từ hĩa khơng xuất hiện ứng suất cơ học làm giảm sự dịch chuyển của các biên giới domen dưới tác động của trường yếu.
Tính chất từ của permaloi rất nhay cảm với lực cơ học bên ngồi tác động, phụ
thuộc vào thành phần hĩa học, lượng tạp chất cĩ trong hợp kim và thay đổi rất mạnh vào chếđộ gia nhiệt của vật liệu.
Để tạo nên những hợp kim cĩ tính chất cần thiết thì trong thành phần hợp kim cĩ thêm những phụ gia như Mơlipđen, Crơm chúng làm tăng điện trở suất và hệ số từ
thẩm khởi đầu và làm giảm sựảnh hưởng của lực cơ học. Tuy nhiên sẽ làm giảm từ
cảm bão hịa. Đồng làm tăng μ trong một khoảng hẹp, tăng độ ổn định nhiệt và
điện trở suất đồng thời gia cơng dễ dàng hơn,cịn Silic và Mangan làm tăng điện trở
suất.
Alsifer
Là hợp kim của ba thành phần sắt, silic và nhơm 9,5% Si, 5,6% Al, cịn lại là sắt, loại hợp kim này cĩ độ cứng và giịn. Tính chất của Alsifer như sau: μ= 35400;
μmax = 117000; Hc = 1,8A/m; ρ= 0,8μΩ.m. Nĩ cĩ tính chất khơng thua kém permaloi cao Nikel.
Các sản phẩm chế từ Alsifer - màn từ, thân các dụng cụ v.v… được chế tạo bằng phương pháp đúc với thành của chi tiết khơng mỏng hơn 2mm – 3mm vì hợp kim này giịn. Điều này làm hạn chế rất nhiều khi sử dụng vật liệu alsifer.
Do tính giịn alsifer cĩ thể nghiền nhỏ thành bột và dùng với sắt cacbon để sản xuất lõi ép cao tần.
4.2.3 Vật liệu từ mềm trong từ trường thay đổi cĩ tần số cao:
Vật liệu từ dùng trong cuộn kháng, biến áp cuộn cảm, những khí cụ đĩng ngắt được lựa chọn trên cơ sở giá trị của từ cảm, hệ số từ thẩm, tổn hao ở tần số sử dụng. Khống chế dịng điện xốy cĩ tầm quan trọng hàng đầu, nhằm để giảm tổn hao và giảm thiểu hiệu ứng do dịng điện xốy, chống nhiễu gây ra. Yêu cầu này được thực hiện bằng việc sử dụng những hợp kim cĩ hệ số từ thẩm cao dưới dạng băng mỏng cuộn thành lõi hay dưới dạng bột hợp kim sắt được bọc cách điện, ép thành lõi hoặc dùng lõi ferit. Băng từ mỏng được sử dụng với tần số làm việc từ 400Hz đến 20 kHz. Thiết bị điều hịa cơng suất thường làm việc ở tần số 10 kHz và cao hơn. Vật liệu từ được sử dụng là bột hợp kim sắt được ép thành lõi hoặc là ferit. Tổn hao là thơng số quan trọng chính yếu đặc biệt khi sử dụng ở tần số cao. Những thơng số cần được xem xét khác là nhiệt độ mơi trường, các thơng số vật lý khác cĩ thể tác dụng lên phần tử từ.
+Hợp kim sắt – niken 3%: sử dụng ở tần số cao, được chế tạo thành những băng mỏng cĩ cách điện dày 0,025 đến 0,15 mm trên bề mặt, cĩ cao, suất tổn hao nhỏ ở từ cảm tương đối thấp. Giống như những băng từ mềm loại hợp kim khác, hợp kim này được dùng để chế tạo những lõi thép ghép tấm bằng những phương pháp khác nhau bao gồm:
μ
1.Cuộn băng để làm lõi hình xuyến, chữ C và chữ E.
2.Dập hoặc cắt theo chiều dọc của tấm thép để làm lõi biến áp. 3.Lá thép dập sẵn cĩ hình chữ E, I, F, L … để làm lõi biến áp.
+Băng hợp kim niken: cĩ μ cao, dày từ 0,0032 đến 0,15 mm sử dụng ở tần số 0,1 đến 100kHz. Những băng mỏng hơn 0,0254 mm thường được quấn
trên lõi bằng thép khơng gỉ hoặc bằng gốm sứ để làm cứng vững cuộn băng và để giữ từ tính được ổn định. Ví dụ: Mo permalloy, supermalloy, Fe- No 48 … Thường μ sẽ giảm khi tần số tăng là tính chất chung của mọi vật liệu từ. Những hợp kim này được dùng làm lõi cho máy biến dịng, biến áp trong những bộ chỉnh lưu – nghịch lưu, biến áp xung cơng suất lớn, đầu từ… những băng từ mỏng hơn 0,0254 mm được dùng trong mạch định giờ, bộ nghịch lưu tần số cao, bộ nhớ số, biến áp xung, từ kế
+Những loại băng từ khác: Permendur (30 đến 50% coban) , permendur vanadi (49% Co, 2% V) và những hợp kim vơ định hình. Permendur cĩ từ cảm lớn (236 G) cĩ thể cán thành băng dày 0,0254 mm, dùng chế tạo những đầu ghi từ, permendur vanadi được dùng làm lõi cuộn cho máy biến áp địi hỏi phải cĩ kích thước nhỏ và trọng lượng nhỏ dùng ở tần số dưới 3 kHz cĩ thể phát triển tính chất từ giảo cao ở trong vật liệu bằng cách ủ nhiệt để dùng làm cảm biến. +Lõi ferrit: được chế tạo bằng những loại bột oxit kim loại. Một số nguyên tử sắt trong tinh thể của ferrit sắt từ được thay thế bằng những nguyên tử Mn và Zn để tạo thành ferrit mangan kẽm hoặc được thay thế bằng những nguyên tử niken và kẽm để tạo thành ferrit niken kẽm.
Ferrit mangan kẽm thường được bán ở thị trường dùng ở tần số dưới 1,5 MHz. Ferrit niken kẽm dùng chủ yếu trong những bộ lọc cĩ tần số làm việc trên 1,5 MHz. Chúng giống với vật liệu gốm về cơng nghệ chế tạo và tính chất vật lý, cĩ điện trở suất tương đương với chất bán dẫn và lớn hơn (1triệu lần) so với kim loại, μ=10000, điểm Quiri rất thấp (100 đến 3000C), từ cảm bão hịa nhỏ (<5000G). Những lõi ép sẵn cĩ dạng hình vành xuyến, chữ E, U và I hình nối. Được dùng trong biến áp nguồn tần số cao (10 đến 100kHz), biến áp xung, cuộn cảm cĩ khe hở khơng khí điều chỉnh được, đầu từ, những bộ lọc trong những mạch điện tử tần số cao.