CHƯƠNG 4 VẬT LIỆU DẪN TỪ
2.3. Một số vật liệu dẫn từ thông dụng
2.3.1. Vật liệu từ mềm
Vật liệu từ mềm được sử dụng làm mạch từ của các thiết bị và dụng cụ điện có từ trường khơng đồi hoặc biến đồi.
Vật liệu từ mềm là từ trường khử từ Hk nhỏ (dưới 400 A/m), độ từ thẩm μ lớn và tổn hao từ trễ nhỏ. Vật liệu sắt từ mềm gồm có thép kỹ thuật, thép ít cácbon, thép lá kỹ thuật điện, hợp kim sắt - niken (pecmaloi) và ferit.
a. Thép kỹ thuật (gồm cả gang) được dùng làm từ trường trong mạch từ không đổi. Thép
67
từ nhỏ.
b. Thép lá kỹ thuật điện là hợp chất sắt-silic (l-4%Si). Silic cải thiện đặc tính từ của sắt
kỹ thuật: tâng hằng sổ từ thầm, giảm cường độ khử từ, tăng điện trở suất (để giảm dòng điện Fucơ hay dịng điện xốy).
c. Pecmaloi là hợp kim sắt - niken (22%Ni), ngồi ra cịn có một số tạp chất: Molipden,
crơm, silic, nhơm. Pecmaloi có hằng số từ thẩm lớn gấp 10-50 lần so với thép lá kỹ thuật điện, chỉ cần một cường độ từ trường nhỏ vài phần đến vài chục phần trăm A/m, thép đã đạt tới cường độ từ cảm bão hồ.
d. Ferit là vật liệu sắt từ gồm có bột oxýt sắt, kẽm và một số nguyên tố khác. Khi chế
tạo, hỗn hợp được ép trong khuôn với công suất lớn và nung đến nhiệt độ khoảng 1200°C, thành phẩm sẽ có dạng theo ý muốn. Ferit có điện trở suất rất lớn, thực tế có thể coi gần như khơng dẫn điện, nên dịng điện xốy chạy trong ferit rất nhỏ. Bởi vậy cho phép dùng ferit làm
mạch từ của từ trường biến thiên với tàn số cao. Ferit niken- kẽm bằng cách nhiệt phân muối, gọi là Oxyfe. Ferit và Oxyfe có hằng số từ thẩm ban đàu lớn, từ dư nhỏ (0,18-0,32 Tesla) và từ trường khử từ nhỏ (8-80 A/m). Chúng được sử dụng rất rọng rãi làm mạch từ của các linh kiện điện tử, khuếch đại từ, máy tính,....
2.3.2. Vật liệu sắt từ cứng
Vật liệu từ cứng được dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu. Đặc điểm của loại này là có từ dư lớn. Thành phần, từ dư và trường khử từ của một số vật liệu từ cứng cho ở bảng 4.2.
Bảng 4.2. Thành phần một số vật liệu từ cứng Vật liệu từ cứng Thành phần tạp chất (%) trong sắt Từ trường khử từ Hk (A/m) Cường độ từ từ cảm dư Bd (T) Wonfra m Al Cr Co Ni Cu Si Wonfram 6 4800 1 Thép Crôm 3 4800 0,9 Thép Coban 5 5 7200 0,9 Anni 14 25 5 44000 0,44 Annisi 10 12 17 6 64000 0,4 Macnico 8 24 13 3 44000 1,25
68
Gôm annico 45000 1,1
Ferit bary 13000 0,35
2.3.3. Các vật liệu sắt từ có cơng dụng đặc biệt 2.3.3.1. Các chất sắt từ mềm đặc biệt. 2.3.3.1. Các chất sắt từ mềm đặc biệt.
Các vật liệu từ mềm có thể chia thành các nhóm dựa vào các tính chất từ đặc biệt của chúng đó là:
a. Các hợp kim có đặc tính độ từ thẩm thay đổi rất ít khi cường độ từ trường không đổi: Loại hợp kim thuộc nhóm này có tên gọi là pecminva, là hợp kim của ba nguyên tố: Fe – Ni – Co với hàm lƣợng các thành phần là 25; 45 và 30%. Hợp kim ủ ở nhiệt độ 10000C, sau đó giữ ở nhiệt độ (400 500)0C rồi làm nguội chậm. Pecminva có lực kháng từ nhỏ, độ từ thẩm ban đầu của nó bằng 300 và giữ khơng đổi trong khoảng cường độ trường đến 3 ơcstet với cảm ứng từ 1000 gauss. Pecminva ổn định từ kém, nhạy cảm với nhiệt độ và ứng suất cơ.
b. Các hợp kim có độ từ thẩm phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ:
Là hợp kim nhiệt từ gồm: Ni – Cu; Fe – Ni; Fe – Ni – Cr. Các hợp kim này dùng để bù sai số nhiệt độ trong các thiết bị, sai số này gây bởi sự biến đổi từ cảm của nam châm vĩnh cửu hay điện trở của dây dẫn trong các dụng cụ điện khi nhiệt độ môi trường khác với nhiệt độ lúc khắc độ. Để có độ từ thẩm phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, ngưịi ta sử dụng tính chất của các chất sắt từ là cảm ứng từ giảm khi tăng nhiệt độ đến gần điểm Quy ri. Đối với các chất sắt từ này điểm Quy ri nằm trong khoảng 0 đến 1000C tùy thuộc vào nguyên tố hợp kim hóa phụ. Hợp kim Ni – Cu với hàm lượng 30% Cu có thể bù sai số trong giới hạn từ (20 đến 80)0C; với 40% Cu từ (- 50 đến 10)0C.
c. Các hợp kim có độ từ giảo cao
Là hợp kim của Fe – Cr; Fe – Co và Fe – Al. Các hợp kim này dùng làm lõi máy phát dao động âm ở tần số âm thanh và siêu âm. Độ từ giảo các hợp kim này có dấu dương. Để chế tạo vật liệu này có thể dùng niken lá mỏng rất tinh khiết với độ từ giảo âm.
d. Các hợp kim có độ từ giảo bảo hịa rất cao. Là hợp kim của Fe – Co có từ cảm bảo hòa từ rất cao đến 24000 gauss. Điện trở của hợp kim không lớn. Hợp kim có tên gọi là Pecmenđuyara với hàm lượng cơban từ 50 đên 70%. Pecmenđuyara có giá thành cao nên chỉ dùng ở các thiết bị đặc biệt, trong các bộ phận của loa động, màng ống điện thoại, dao động ký v.v...
2.3.3.2. Ferít.
Ferít là gốm từ có điện dẫn điện tử khơng đáng kể, do đó nó có thể xếp vào loại bán dẫn điện tử. Trị số điện trở suất rất lớn do đó năng lượng tổn hao ở vùng tần số tăng cao và
69
cao tương đối nhỏ cùng với tính chất từ tương đối tốt làm cho ferít được dùng rất rộng rãi ở tần số cao. Người ta chia ferít thành 3 loại:
a. Ferít từ mềm. Loại ferít từ mềm có từ cảm lớn nhất (hơn 3000gauss) và lực kháng từ nhỏ khoảng 0,2 ơcstet. Ferít với trị số lớn có trị số tổn hao lớn và tăng nhanh khi tần số tăng. Ferít có hằng số điện mơi tương đối lớn, trị số này phụ thuộc vào tần số và thành phần ferít. Khi tần số tăng hằng số điện mơi giảm. Tang góc tổn hao của ferít từ 0,005 đến 0,1. Ferít có hiện tượng từ giảo và ở các ferít khác nhau hiệu ứng này cũng khác nhau. Đặc tính của vật liệu Ferít được cho trong bảng sau: (bảng 4.3)
Bảng 4.3. Các đặc tính vật liệu của Ferit
Mật độ Nhiệt dung riêng J(g.độ) Nhiệt dẫn riêng W (cm.độ) Hệ số giãn nở nhiệt theo chiều
dài αl.độ-1
Điện trở suất ρ, Ω.cm
3÷5 0,7 5÷102 10-5 10÷107
Hiện nay người ta thường sử dụng các nhóm ferít hỗn hợp như: mangan – kẽm; niken – kẽm, liti – kẽm.
b. Ferít từ cao tần.
Ngồi ferít từ mềm, ở tần số cao có thể dùng thép kỹ thuật điện hoặc pecmalôi cán nguội và điện môi từ. Bề dày tấm thép đạt tới (25-30)m. Các tính chất từ của vật liệu cán mỏng gần giống với khi chưa cán nhưng giá thành chúng cao hơn và công nghệ lắp ghép mạch từ bằng vật liệu mỏng khá phức tạp. Vật liệu điện môi từ chế tạo bằng cách nén bột sắt từ có chất kết dính cách điện hữu cơ hay vô cơ. Các chất sắt từ thƣờng dùng là sắt cácbonyl, pécmalơi, alusife v.v.... Chất dính kêt cách điện là nhƣa fenol – foócmanđêhyt, polistirol, thủy tinh v.v..Các chất sắt từ cần phải có từ tính cao, cịn các chất kết dính thì phải tạo thành lớp cách điện liên tục khơng gián đoạn giữa các hạt ferít. Các lớp này cần có bề dày đồng nhất và độ bền kết dính giữa các hạt với nhau.
c. Ferít có vịng từ trễ chữ nhật.
Ferít có vịng từ trễ chữ nhật đƣợc đặc biệt chú ý trong kỹ thuật máy tính để làm bộ nhớ. Vật liệu và các sản phẩm của nó có một loạt yêu cầu đặc biệt. Để đặc trƣng cho chúng thƣờng dùng một vài tham số phụ. Trong số này phải kể đến tham số cơ bản của hệ số chữ nhật Kcn của chu trình từ trễ, nó là tỉ số giữa cảm ứng từ dư Bdư và cảm ứng từ lớn nhất Bmax .
𝐾𝑐𝑛 = 𝐵𝑑ư 𝐵𝑚𝑎𝑥
70
Ferít từ trễ chữ nhật khi sử dụng cần chú ý đến sự thay đổi tính chất của chúng theo nhiệt độ. Ví dụ khi nhiệt độ biến đổi từ -200C đến 600C thì lực kháng từ giảm (1,5 2) lần, cảm ứng từ giảm (5 35)%.
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 4
1. Trình bày khái niệm vật liệu từ? Nêu các đặc tính chủa vật liệu dẫn từ?
2. Thế nào là đường cong từ hóa? Trình bày đường cong từ hóa của một số vật liệu từ điển hình?
3. Trình bày khái niệm về mạch từ? Nêu các cách tính tốn một số mạch từ đơn giản? 4. Nêu các định luật cơ bản về mạch từ? Thế nào là bài toán thuận, bài toán nghịch? 5. Từ một mạch từ hãy vẽ ra sơ đồ thay thế và nêu các đại lượng có trong sơ đồ? 6. Cho biết các hư hỏng thường xẩy ra của mạch từ?
7. Thế nào là vật liệu từ mềm, từ cứng và vật liệu từ có cơng dụng từ đặc biệt?
8. Nêu tính chất của thép lá kỹ thuật điện? Cách phân loại và giải thích các ký hiệu của thép lá kỹ thuật điện?
71
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Xuân Phú, Vật liệu điện, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1998.
2. Nguyễn Xuân Phú, Khí cụ điện – kết cấu, sử dụng và sửa chữa, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội , 1998.
3. Trần Khánh Hà, Máy điện 1, 2, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1997
4. TS. Nguyễn Trọng Thắng, Cơng nghệ chế tạo và tính tốn sửa chữa máy điện 1, 2, 3, NXB Giáo dục, Hà Nội, 1995
5. Nguyễn Xuân Phú (chủ biên): Quấn dây, sử dụng và sửa chữa động cơ điện xoay chiều và một chiều thông dụng, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1997.
6. Đặng Văn Đào, Kỹ thuật điện, NXB Giáo dục, Hà Nội, 1999.
7. Nguyễn Chu Hùng - Tôn Thất Cảnh Hưng, Kỹ thuật điện 1, Trường đại học bách khoa TP.HCM.1995.