NGHIÊN cứu vật LIỆU từ và dẫn từ CHẾ tạo ĐỘNG cơ điện một CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN

Để có thể nâng cao tính năng của xe đạp điện, trong khuôn khổ đồ ántốt nghiệp ngành công nghệ chế tạo máy, chúng em đã thực hiện đồ án “Nghiên cứu vật liệu từ và dẫn từ chế tạo động cơ đ

BỘ MÔN GIA CÔNG VẬT LIỆU VÀ DỤNG CỤ CÔNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đ

Ề T À I: “NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU TỪ VÀ DẪN TỪ CHẾ TẠO

ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KHÔNG CHỔI THAN”

Giáo viên hướng dẫn:

TH.S NGUYỄN XUÂN THÁI

GV NGUYỄN ĐỨC TOÀN

Sinh viên thực hiện:

MAI THANH TÙNG NGUYỄN NGỌC TUÂN

Lớp: CTM7 – K46

Lời nói đầu

Hiện nay cùng với sự phát triển như vũ bão của khoa học kĩ thuậtphương tiện đi lại của con người cũng có những sự phát triển rất mạnh.Đứng trước vấn đề ô nhiễm môi trường, các nhà sản xuất đã có những sảnphẩm vừa tiện ích cho con người lại vừa thân thiện với môi trường Mộttrong những phát minh đó là xe đạp điện

Ở Việt Nam, do thu nhập của người dân chưa cao và cơ sở hạ tầngcòn hạn chế nên từ trước đến nay xe đạp vẫn là loại phương tiện rất phổ biếntrong việc đi lại của người dân Đó là phương tiện đi lại của nhiều tầng lớpđặc biệt là học sinh và người lớn tuổi Do vấn đề môi trường cũng như thịhiếu tiêu dùng, xe đạp điện ra đời đã dáp ứng được nhu cầu của thời đại Cóthể nói đây là một cuộc cách mạng thay đổi tư duy về chiếc xe đạp của ngườidân Đây là sản phẩm ứng dụng những tiến bộ mới của khoa học kĩ thuật vàophục vụ đời sống

Để có thể nâng cao tính năng của xe đạp điện, trong khuôn khổ đồ ántốt nghiệp ngành công nghệ chế tạo máy, chúng em đã thực hiện đồ án

“Nghiên cứu vật liệu từ và dẫn từ chế tạo động cơ điện một chiều không chổithan” - loại động cơ được sử dụng cho xe đạp điện Nội dung đồ án gồm 4chương:

Chương 1: Tìm hiểu về động cơ điện một chiều không chổi than

Chương 2: Vật liệu từ và dẫn từ

Chương 3: Máy nạp từ xung

Chương 4: Qui trình công nghệ chế tạo nam châm vĩnh cửu NdFeB

Sau nhiều tuần làm việc dưói sự hướng dẫn tận tình của Thạc sĩ TrầnXuân Thái và Giảng viên Nguyễn Đức Toàn bộ môn Gia công vật liệu và

dụng cụ công nghiệp, chúng em đã hoàn thành đồ án Chúng em xin chânthành cảm ơn sự giúp đỡ, hướng dẫn của thầy Trần Xuân Thái và thầyNguyễn Đức Toàn và sự góp ý của các thấy cô trong bộ môn trong quá trìnhthực hiện đồ án

Hà Nội ngày tháng năm

Sinh viên

Mai Thanh Tùng

Nguyễn Ngọc Tuân

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

KHÔNG CHỔI THAN

1.1 Tổng quan về động cơ điện một chiều không chổi than

Đúng như tên gọi, loại động cơ này không sử dụng chổi than để đảomạch mà thay thế vào đó là cơ cấu đảo mạch bằng điện Động cơ điện mộtchiều không chổi than là một trong những loại động cơ tốc độ nhanh, nhiều

ưu điểm và rất phổ biến Nó được ứng dụng trong các lĩnh vực như các loạidụng cụ, ô tô, hàng không, dân dụng, y tế, các trang thiết bị công nghiệp tựđộng và trong các thiết bị đo đạc

Động cơ điện một chiều không chổi than có nhiều ưu điểm hơn hẳn sovới động cơ có chổi than và động cơ cảm ứng như:

 Đặc trưng tốc độ theo mô men xoắn là tốt hơn

 Sự đáp ứng động lực học cao

 Hiệu suất cao

 Thời gian hoạt động dài

 Hoạt động ít ồn

 Dải tốc độ thay đổi lớn

Ngoài ra, tỉ lệ giữa mô men xoắn so với kích thước động cơ là cao hơnlàm cho nó trở nên hữu ích trong các thiết bị mà ở đó kích thước và khốilượng là những nhân tố quyết định

1.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động

Động cơ một chiều không chổi than là loại động cơ không đồng bộ.Điều đó có nghĩa là từ trường sinh ra bởi stato và từ trường sinh bởi rotoquay với cùng tần số Động cơ điện một chiều không chổi than thườngkhông xảy ra sự trượt thường thấy ở các động cơ cảm ứng Động cơ có thể ở

dạng đơn pha, 2 pha hay 3 pha Theo từng loại, stato sẽ có số cuộn dây tươngứng Trong số đó, động cơ 3 pha được ứng dụng phổ biến và rộng rãi nhất.

Do đó chúng ta sẽ tập trung nghiên cứu về động cơ 3 pha

1.2.1 StatoStato (phần tĩnh) của động cơ điện một chiều không chổi than gồm các

lá thép mỏng ép chặt với nhau và các cuộn dây được đặt ở các khe hẹp phíatrong đường chu vi của các lá thép (hình vẽ) Theo truyền thống, stato tương

tự như ở các động cơ cảm ứng nhưng các cuộn dây phân bố theo nhiều cáchkhác nhau Hầu hết các động cơ BLDC đều có 3 cuộn dây stato mắc theohình sao Mỗi cuộn dây này lại được hình thành từ nhiều vòng dây nối liềnvới nhau Các vòng dây được đặt trong các rãnh và chúng nối với nhau tạothành cuộn lớn Mỗi cuộn dây này được phân bố phía ngoài chu vi stato đểhình thành nên số cực chẵn Có hai loại cuộn dây stato khác nhau hình thànhhai loại động cơ: động cơ hình thang và động cơ hình sin Sự khác biệt này là

cơ sơ tạo nên hình dạng các loại sức phản điện động (back ElectromotiveForce (EMF)) khác nhau

Theo tên gọi, động cơ hình thang cho chúng ta đường sức điện độnghình thang còn đường sức điện động của động cơ hình sin có dạng hình sinnhư trên hình vẽ 1 và 2:

Thêm vào đó, với mỗi loại động cơ, dòng pha cũng biến thiên hìnhthang hay hình sin tương ứng Điều đó làm cho mômen xoắn ở trục ra củađộng cơ hình sin ổn định hơn động cơ hình thang Tuy nhiên điều này lại làmtăng giá thành của động cơ vì động cơ hình sin cần các cuộn dây tăng cườngkết nối do các vòng dây phân bố trên chu vi ngoại biên của stato và điều nàyđòi hỏi tăng lượng đồng trong thành phần của các cuộn dây stato

Phụ thuộc vào năng lượng cung cấp mà chúng ta có thể chọn loạiđộng cơ với hiệu điện thế phù hợp Hiệu điện thế 48V hay ít hơn thường

dùng trong ô tô, rôbốt, tay máy v.v Động cơ sử dụng điện áp 100V hay caohơn dùng trong các vật dụng, trong công nghiệp.

1.2.2 RôtoPhần ứng tạo bởi các nam châm vĩnh cửu và có thể biến đổi từ hai đếntám cặp cực với các cực bắc (N), nam (S) xen kẽ Dựa vào mật độ từ trườngcần thiết ở rôto, người ta chọn loại vật liệu nam châm có đặc tính phù hợp.Theo truyền thống, các nam châm vĩnh cửu thường được làm từ ferrite Cùngvới sự phát triển của khoa học kĩ thuật, nam châm làm bằng các hợp kim đấthiếm dần trở nên phổ biến

Nam châm ferrite không đắt nhưng chúng sinh ra mật độ từ thôngthấp trên một dơn vị thể tích Trái lại, nam châm hợp kim đất hiếm sản sinhmật độ thông lượng lớn trên một đơn vị thể tích làm cho rôto có thể nhỏ hơnrất nhiều đối với cùng mômen xoắn Ngoài ra, nam châm hợp kim đất hiếmcòn cải thiện tỉ số kích cỡ so với khối lượng và có mômen xoắn cao hơn sovới động cơ cùng kích thước sử dụng nam châm ferrtie

Neodymium (Nd), Samarium-Cobalt (SmCo), và NdFeB là một sốloại nam châm hợp kim đất hiếm Hình vẽ sau mô tả mặt cắt ngang của một

số cách bố trí nam châm khác nhau trong rôto

1.2.3 Nguyên tắc hoạt động Mỗi lần tiếp xúc, một cuộn dây được nạp năng lượng dương (dòng đivào cuộn dây), một cuộn khác là âm (dòng đi ra khỏi cuôn dây) còn cuộn thử

3 không có điện Sự tương tác giữa hai từ trường sinh bởi các cuộn dây vànam châm vĩnh cửu gây ra một mômen xoắn Theo lí thuyết, mômen xoắn làlớn nhất khi hai từ trường này lệch nhau pha 90º và bị triệt tiêu khi chúngtrùng pha Rôto phải quay để từ trường mà các cuộn dây sinh ra thay đổi vịtrí để bắt kịp từ trường của stato, do đó động cơ làm việc Trình tự cung cấpdong điện cho các cuộn dây như hình vẽ sau:

1.3 Điều khiển động cơ điện một chiều không chổi than

Không giống như động cơ điện một chiều có chổi than, sự đảo mạchcủa động cơ không chổi than được điều khiểu bằng điện Để quay động cơ,các cuộn dây stato phải được nạp điện theo trình tự Vị trí làm việc của rôtorất quan trọng trong việc xác định cuộn dây nào sẽ được nạp điện tiếp theo

Vị trí của rôto được nhận biết bằng cách sử dụng các hiệu ứng cảm biến Halllắp trên stato

Nguyên lí cảm biến: nếu một vật dẫn mang điện được đặt trong một

từ trường thì từ trường đó sinh ra một lực ngang có khuynh hướng đẩy cácphần tử điện tích về một phía của vật dẫn Điều này thể hiện rõ nhất trongcác vật dẫn phẳng mỏng Sự dịch chuyển điện tích về một phía của vật dẫn

sẽ cân bằng ảnh hưởng của từ trường, hình thành một hiệu điện thế có thể đolường được giữa hai phía của vật dẫn Sự xuất hiện của hiệu điện thế có thể

đo đạc được đó gọi là hiệu ứng Hall sau khi nó được E.H.Hall phát hiện năm1879

Hình vẽ trên thể hiện mặt cắt ngang của động cơ điện một chiềukhông chổi than với rôto gồm các nam châm cực Bắc, Nam xen kẽ Các cảmbiển Hall được lắp tại phần cố định của động cơ Việc lắp các cảm biến halllên stato là một qui trình rất phức tạp vì bất cứ sự lắp đặt sai vị trí của cácsensor này cũng ảnh hưởng đến việc xác định vị trí của rôto Để đơn giản

hoá qui trình lắp các cảm biến hall, một số loại động cơ thường lắp chúnglên rôto, ở phần thêm của nam châm chính rôto Do đó, bất cứ khi nào rôtoquay, nam châm của cảm biến cũng có tác động giống với nam châm chính.Các cảm biến Hall thường được lắp trên một tấm riêng và được đặt ở đầukhông truyền động của trục Điều này làm dễ dàng lắp cụm cảm biến Hallđúng vị trí so với nam châm chính của rôto do đo đạt hiệu suất làm việc tốtnhất

Dựa vào vị trí tự nhiên của các cảm biến Hall, có hai loại công suất.Các cảm biến Hall có thể thay đổi pha 60º hay 120º so với nhau Theo đó,các nhà sản xuất chia ra các chuỗi tiếp xúc tương ứng để điều khiển động cơ

Ch

ú ý : Các cảm biến Hall cần cung cấp năng lượng Hiệu điện thế từ

4V đến 10V Dòng cần thiết từ 5 đến 15 mA

1.4 Vật liệu chế tạo động cơ điện một chiều không chổi than

Cấu tạo động cơ một chiều không chổi than:

1 Dây điều khiển 5 Nam châm vĩnh cửu

Mỗi loại vật liệu phải đáp ứng được các yêu cầu trong chế tạo và vậnhành Do đặc tính cơ học của tùng vật liệu khác nhau nên chúng đòi hỏi cácphương pháp gia công phù hợp

Vật liệu nam châm vĩnnh cửu phải tạo ra từ trường đủ mạnh để đảmbảo công suất của máy Ngày nay, do yêu cầu kích thước các chi tiết ngàycàng phải nhỏ gọn nên nam châm phải tạo ra được từ trường cao với thể tíchnhỏ Do đó, các nam châm truyền thống như Ferrite, Alnico không còn đápứng được yêu cầu Khi đó, sự ra đời của các vật liệu nam châm vĩnh cửu đấthiếm đã tạo ra bước đột phá trong việc sản xuất động cơ điện một chiều

Các nam châm đất hiếm tạo ta mật độ từ trường cao trên một đơn vịthể tích Tuy nhiên, do đất hiếm có giá thành cao nên dần dần người ta phảitìm các nguyên tố khác phổ biến hơn để thay thế các nguyên tố đất hiếm.Hiện nay, các nam châm Samarium-Cobalt (SmCo) và Neodium-Iron-Bron(NdFeB) được sử dụng nhiều Trong khuôn khổ của đồ án, chúng tôi tậptrung nghiên cứu công nghệ chế tạo nam châm vĩnh cửu NdFeB

Vật liệu làm lõi của động cơ là loại vật liệu từ mềm Vật liệu nàyphải tạo ra từ trường “ứng” khi đặt trong từ trường của nam châm vĩnh cửu.Khác với vật liệu nam châm vĩnh cửu là vật liệu từ cứng, vật liệu lõi làmbằng các vật liệu từ mềm bị từ hoá ở trong các từ trường yếu Khi bị từ hoá,

tổn hao lớn nhất của loại vật liệu này là tổn hao nhiệt khi xuất hiện dòngFucô Điều này sẽ được đề cập trong các chương tiếp theo Do đó, khi chếtạo, phải quan tâm làm giảm dòng Fucô trước tiên Vật liệu chủ yếu là thépsạch kĩ thuật và thép kĩ thuật điện Để chống dòng Fucô, lõi thép được ép từcác lá thép mỏng có sơn cách điện Để tăng tính dẫn từ và chống dòng Fucô,lõi được làm từ các lá thép tôn Silic Do cấu tạo là các lá thép mỏng nên biệnpháp công nghệ thích hợp nhất là dập tấm Các lá thép được dập tấm đạt kíchthước và hình dáng sau đó được ép lại thành lõi

Một loại vật liệu nữa trong động cơ là vật liệu làm mạch từ Vật liệunày phải dẫn từ để tạo ra các mạch từ khép kín trong động cơ Do đó, nóđược chế tạo từ các loại vật liệu có từ trở thấp Vật liệu thường là thép ít cácbon Đặc trưng của thép ít các bon là rất dẻo cũng không thuận lợi cho cácquá trình gia công cơ Loại thép sử dụng để làm mạch từ là thép CT3

Kết luận chương 1:

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU TỪ VÀ DẪN TỪ

2.1 L í thuyết về vật liệu từ

2.1.1 Lược sử phát triển của vật liệu từ tính

Vật liệu từ cứng cùng với các sản phẩm ứng dụng của nó quen gọi lànam châm vĩnh cửu là vật liệu có khả năng tàng trữ năng lượng của từtrường tác động lên và tự mình trở thành nguồn phát từ trường Thôngthường vật liệu từ được coi là vật liệu từ cứng nếu nó bảo vệ được khả năngtàng trữ năng lượng này trong từ trường ngoài có cường độ lớn hơn 80kA/m

Các nam châm vĩnh cửu đầu tiên là những viên đá nam châm ứngdụng trong thiết bị la bàn đã được sử dụng tại Trung Quốc từ hai nghàn nămtrước công nguyên Tuy vậy chỉ đến đầu thế kỷ XX thép cacbon cao và théphợp kim Vonfram, Crôm mới thay thế đá nam châm và trở thành vật liệu từcứng nhân tạo đầu tiên Tính “cứng” của vật liệu này được hình thành bởi cơ

chế bắt giữ các vách đômen trên các khuyết tật mạng và các điểm chiết lệchpha Loại nam châm này tàng trữ năng lượng (hoặc nói cách khác có tíchnăng lượng từ) cỡ khoảng 8kJ/m3 Lịch sử phát triển của nam châm vĩnhcửu, một cách khái quát có thể mô tả bằng sự tăng trưởng của giá trị tíchnăng lượng từ cực đại (BH)max của các vật liệu khác nhau đã được tìm ra từđầu thế kỷ XX đến nay.

Trong quá trình phát triển của mình, tiến bộ đầu tiên nâng cao phẩmchất từ của vật liệu từ cứng được đánh dấu bằng việc phát hiện ra hợp kimAlnico vào đầu những năm 1930 Hợp kim này được chế tạo bởi quá trìnhhợp kim hoá ba nguyên tố Ni, Co và Fe có pha một lượng nhỏ Al và Cu.Thành phần hợp kim và công nghệ chế tạo liên tục được nghiên cứu pháttriển, đến năm 1956 có tính dị hướng lớn do có vi cấu trúc cột, đã đạt giá trị(BH)max khoảng 80kJ/m Hiện nay nam châm Alnico vẫn được sử dụng vìnhiệt độ Curie lớn cỡ khoảng 850C, cho phép làm việc trong nhiệt độ cao vàcũng vì Tc cao mà sự tăng giảm các tính chất từ khi làm việc tại nhiệt độphòng là rất nhỏ so với các loại nam châm khác Tuy vậy một nhược điểmcủa vật liệu này là có lực kháng từ nội tại iHc thấp chỉ khoảng 160kA/m nênkhông thể làm việc trong từ trường cực lớn được Hợp kim Alnico được chếtạo bằng công nghệ thiêu kết hoặc đúc trực tiếp và sau đó ủ trong từ trường.Chính qui trình công nghệ này góp phần phát triển vi cấu trúc hình cột củapha sắt từ mạnh Fe-Co trên nền sắt từ Ni-Al yếu hơn Lực kháng từ của hợpkim này được xác định bởi dị hướng hình học của pha Fe-Co và cơ chế hãmvách đômen của pha Ni-Al

Tiến bộ tiếp theo của vật liệu từ cứng là sự ra đời của vật liệu ferit cấutrúc lục giác BaO.6Fe2O3 và SrO.6Fe2O3 vào khoảng năm 1950 Tuy có giátrị cảm ứng từ dư thấp (cỡ khoảng 0,42T) nhưng lực kháng từ của chúng cógiá trị lớn hơn các vật liệu trước đó, đạt khoảng 240kA/m Do cảm ứng từ dưthấp nên tích năng lượng từ của chúng cũng chỉ đạt giá trị cỡ 32kJ/m3 Tuy

nhiên do lực kháng từ lớn nên so với Alnico, nam châm vĩnh cửu ferit có thể

ở dạng tấm mỏng và được sử dụng để chế tạo các động cơ

Một ưu điểm của các nam châm ferit khiến chúng được sử dụng rộngrãi cho đến tận ngày nay chính là do chúng có giá thành thấp bởi giá rẻ củanguyên liệu ban đầu và công nghệ chế tạo đơn giản Các nam châm này đượcchế tạo bằng phương pháp luyện kim gốm truyền thống không đòi hỏi nhữngbiện pháp chống ôxy hoá, bản thân vật liệu bền với các quá trình già hoá.Thông thường các sản phẩm nam châm được ép định hình từ các bột có kíchthước hạt đômen (nhỏ hơn 1µm) khiến lực kháng từ lớn Để tăng giá trị củacảm ứng từ dư và tích năng lượng từ, người ta áp dụng biện pháp ép mẫutrong từ trường

Năm 1966 đã phát hiện ra tính chất từ của vật liệu YCo5 vật liệu từcứng đầu tiên dựa trên nguyên tố đất hiếm và kim loại chuyển tiếp Sự tổhợp giữa hai nguyên tố này mang lại một triển vọng lớn bởi chúng tận dụngđược tính dị hướng tinh thể của đất hiếm và từ độ bão hoà lớn cùng nhiệt độCurie cao của kim loại chuyển tiếp Sự phát hiện ra SmCo5 ngay sau đó vàonăm 1967 đã khẳng định điều này và SmCo5 đã trở thành nam châm vĩnhcửu chứa đất hiếm và kim loại chuyển tiếp đầu tiên trên thương trường.Những nam châm này được chế tạo ở dạng nam châm kết dính và có (BH)max

cỡ khoảng 40kJ/m3 Năm 1969 nam châm SmCo5 loại thiêu kết có (BH)max

xấp xỉ 160kJ/m3 đã được chế tạo Các nam châm này thưòng có pha giàu Sm

ở biên hạt và có lực kháng từ lớn do cơ chế ngăn chặn phát triển các mômen

từ nghịch đảo

Hướng nghiên cứu nói trên tiếp tục được phát triển và đến năm 1976tích năng lượng từ đã đạt đến giá trị 240kJ/m3 đối với vật liệu Sm2Co17 Nóichung loại vật liệu này có thành phần Sm2(Co,Fe,Cu,Zr)17 và các sản phẩmnam châm có phẩm chất tốt nếu có vi cấu trúc thích hợp Chúng được chếtạo theo công nghệ luyện kim bột và sử lý nhiệt tại nhiệt độ xấp xỉ 1100C

Ngoài ra cũng thường sử dụng những phép xử lý nhiệt ở nhiệt độ thấp hơn

để tạo vi cấu trúc tinh thể Mỗi phần tử có pha Sm2Co17 chứa dư Fe baoquanh bởi lớp biên hạt có pha SmCo5 chứa dư Cu Tính chất từ nội tại củahai pha này đòi hỏi phải sao cho năng lượng của vách đômen giảm mạnh ởbiên tế bào khiến chúng trở thành nơi hãm vách đômen và kết quả là làmtăng phẩm chất từ cứng của loại vật liệu này

Do các tính chất từ tốt của mình, ngay cả tại nhiệt độ cao (khoảng500C) loại nam châm này vẫn được ứng dụng rộng rãi Tuy nhiên một vấn

đề tồn tại của loại vật liệu này là giá thành của nguyên liệu cao Sm lànguyên tố hiếm hơn so với các loại đất hiếm khác như La, Ce, Pr và Nd Cođược coi là kim loại có tầm quan trọng chiến lược và thường được bán rấthạn chế

Năm 1983 tính chất từ của vật liệu Nd-Fe-B được General Motors ở

Mỹ và Sumitomo Special Metals Japan ở Nhật cùng phát hiện nhưng dựatrên hai công nghệ khác nhau Do từ tính cao, chúng đã thu hút ngay lập tức

sự chú ý của cộng đồng các nhà khoa học Sự phát hiện này là đặc biệt quantrọng của vật liệu từ mới không chứa nguyên tố Co rất đắt tiền, một thànhphần quan trọng của vật liệu từ cứng hệ Sm-Co nói trên, thay vào đó vật liệunày chứa một lượng lớn sắt khiến giá thành sản phẩm giảm đi một cách đáng

kể mà phẩm chất từ lại đạt được những tiến bộ hơn so với những loại vật liệu

từ đã có trước đó Chúng ta có thể thấy quá trình sử dụng nam châm vĩnhcửu tại mỗi thời điểm qua biểu đồ:

2.1.2 Khái niệm chung về vật liệu từ tính

Tất cả vật liệu đặt trong từ trường đều bị từ hoá Sự từ hoá liên quan đếncác mômen từ tế vi của các nguyên tử (hay iôn, phân tử) tạo ra vật liệu Mômen từ của một nguyên tử không có từ trường ngoài bằng tổng vectơ của cácmômen từ quỹ đạo và mômen từ tự quay (spin) của các điện tử thuộc nguyên

tử đó Mômen từ của hạt nhân rất nhỏ so với mômen từ của các điện tử nênthường bỏ qua Các nguyên tử được cấu thành từ các hạt cơ bản là prôtôn,nơtrôn và electron Trong hầu hết các nguyên tử, các electron tồn tại thànhtừng cặp và chuyển động ngược hưóng nhau đo đó triệt tiêu từ trường củanhau do đó không tồn tại từ trường Vật liệu càng có nhiều electron đơn lẻthì càng phản ứng mạnh với từ trường ngoài

Đại lượng đặc trưng vĩ mô của sự từ hoá vật liệu là độ từ hoá M, bằngmômen từ tổng cộng của các mômen từ nguyên tử trong một đơn vị thể tích.Quan hệ giữa độ từ hoá M và cường độ từ trường H là:

M =k m H

trong đó k m- hệ số tỷ lệ không thứ nguyên gọi là độ từ cảm của vật liệu

Tuỳ thuộc vào dấu và độ lớn của km mà vật liệu được phân chia thànhvật liệu nghịch từ, thuận từ và sắt từ

Vật nghịch từ là các vật liệu từ bị từ hoá ngược với từ trường ngoài vàlàm yếu nó, tức có km<0 (từ -10-4÷-10-7) Độ từ hoá âm liên quan đến tácđộng của từ trường đến mômen từ quỹ đạo của điện tử Theo định luật Lenzthì trong nguyên tử xuất hiện một mômen từ bổ sung ngược với từ trườngngoài (hiệu ứng nghịch từ)

Mọi chất đều có tính nghịch từ nhưng biểu hiện yếu Nghịch từ chỉ thểhiện khi mômen spin của tất cả điện tử trong nguyên tử triệt tiêu nhau hoặckhi hiệu ứng nghịch từ chiếm ưu thế trước mômen từ spin chưa cặp đôi Vậtnghịch từ bao gồm các khí trơ, các kim loại không chuyển tiếp(Be, Zn, Pb,

Cu, Ag,…), chất bán dẫn (Ge, Si), chất điện môi (polyme, thuỷ tinh,…), chấtsiêu dẫn

Vật thuận từ là các vật liệu có km>0 (từ 10-2÷10-5) và bị từ hoá bởi từtrường ngoài Từ hoá là nhờ các mômen từ spin chưa triệt tiêu của các điện

tử, định hướng tuỳ ý trong không gian do chuyển động nhiệt của các nguyên

tử

Dưới tác động của trường ngoài mômen từ nguyên tử có một định hướng

ưu tiên (hiệu ứng thuận từ) và tinh thể được từ hoá Thuận từ là tất cả cáckim loại mà nguyên tử của chúng có số điện tử hoá trị lẻ (K, Na, Al,…), cáckim loại chuyển tiếp (Mo, W, Ti, Pt,…) có các nguyên tử với quỹ đạo điện

tử chưa điền đầy

Vật sắt từ được đặc trưng bằng giá trị từ cảm lớn (k>>1), cũng như sựphụ thuộc phi tuyến của độ từ cảm vào cường độ từ trường và nhiệt độ Sắt,niken, coban và kim loại đất hiếm galolini có giá trị từ cảm rất lớn: km≃106.Khả năng từ hoá mạnh của chúng được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật

Sắt từ chính là kết quả của tương tác trao đổi của các quỹ đạo điện tửchưa điền đầy thuộc các nguyên tử cạnh nhau đã bị che phủ khi tạo ra tinhthể Khi đó điện tử của một nguyên tử có thể tạm thời ở gần một nguyên tửbên cạnh Tương tác đó dẫn tới sự thay đổi trạng thái năng lượng và đượcđánh giá bằng năng lượng trao đổi Khi năng lượng này là dương, sự địnhhướng song song các mômen từ spin trong các nguyên tử của tinh thể sẽ có

lợi, còn khi là âm định hướng phản song song (hình 2-2) Độ lớn và dấu củanăng lượng trao đổi phụ thuộc vào thông số mạng tinh thể (a), tính chođường kính (d) của quỹ đạo điện tử phụ chưa được điền đầy Theo lý thuyếtlượng tử, tất cả các tính chất cơ bản của vật sắt từ là do cấu trúc miền từ(đômen) của tinh thể tạo ra.

Miền từ (đô men) là vùng tinh thể kích thước 10-4÷10-6 m (hình 2-3),trong đó các mômen từ nguyên tử định hướng song song theo một phươngtinh thể xác định

Khi không có từ trường ngoài, mỗi miền từ tự từ hoá đến bão hoà,nhưng mômen từ của từng miền từ định hướng khác nhau và mômen từ tổngcộng của sắt từ bằng không Giữa các miền từ có các lớp chuyển tiếp (cácvách đômen) rộng 10-7÷10-8 m, trong đó các mômen từ spin chuyển hướngtuần tự

Trong vật phản sắt từ mômen từ nguyên tử định hướng song song ngượcchiều nhau và mômen từ tổng cộng bằng không Nếu các mômen từ khôngtriệt tiêu nhau thì sẽ xuất hiện mômen từ tổng cộng và vật liệu sẽ gọi là ferri

từ

Độ từ hoá của đơn tinh thể sắt từ là dị hướng Tinh thể sắt trong phươngcủa cạnh lập phương <100> sẽ từ hoá đến bão hoà MS tại cường độ từ trường

H’

s nhỏ hơn nhiều so với H”

s khi từ hoá trong phương đường chéo khối lậpphương <111> hoặc trong các phương tinh thể khác Do đó, trong đơn tinhthể sắt có sáu phương dễ từ hoá quay với nhau góc 90 hoặc 180º và cácvector từ hoá của miền từ cũng định hướng theo chúng

Năng lượng riêng (J/m3) cần để chuyển từ hoá từ phương dễ sangphương khó từ hoá gọi là hằng số dị hướng tinh thể K Ví dụ, đối với sắt thìK=4,2.104 J/m3 ở 20oC Trong vật liệu đa tinh thể các hiệu ứng dị hướng đã

bị bình quân nên không có dị hướng từ tinh thể Tuy nhiên nhờ cán có thểtạo ra dị hướng tinh thể, làm dễ quá trình tình hoá Đồ thị sau cho thấy nănglượng riêng thay đổi của các loại vật liệu khác nhau:

trong đó r là khoảng cách giữa các nguyên tử còn rd là bán kính củaquỹ đạo nhóm d (từ Cr đến Ni là các kim loại chuyển tiếp) còn đối với Gd thìthuộc quỹ đạo nhóm f nên có rf.

Cảm ứng từ là mật độ dòng từ tính bằng tổng của từ trường ngoài H và

từ trường trong M:

B = μ0(M+H)trong đó hằng số từ μ0 = 4π.10-7 H/m

Mức độ tăng cảm ứng từ khi tăng cường độ từ trường ngoài đặc trưngbằng độ từ thẩm μ Nó được xác định như tang của góc nghiêng đường từhoá sơ cấp B=f(H)

Ở đây phân biệt độ từ thẩm ban đầu μH khi H≃0 và độ từ thẩm cực đại

μmax Ngoài độ từ thẩm tuyệt đối μ có thứ nguyên là H/m, còn sử dụng độ từthẩm tương đối không thứ nguyên μ’=μ/μ0,có quan hệ với độ từ cảm bằngbiểu thức:

μ’ = 1+km

Quá trình từ hoá hoàn toàn không thuận nghịch Nếu sau khi đạt đến +Hs

giảm từ trường xuống không (hình 2-6) thì cảm ứng vẫn còn giữ một giá trịnhất định là Br gọi là cảm ứng từ dư Quá trình từ hoá đa tinh thể bằngtrường ngược chiều sẽ làm giảm cảm ứng từ B xuống và khi cường độ từtrường đạt Hc thì cảm ứng từ bằng không Cường độ từ trường Hc gọi là lựckháng từ Khi từ hoá từ +Hs đến –Hs và ngược lại, đường cong từ hoá khôngtrùng nhau Diện tích hình bao bởi các đường cong đó xác định độ tổn haotrễ hay là tổn hao từ hoá

Đường cong từ hoá và hình dáng đường từ trễ là những đặc trưng quantrong nhất của sắt từ, vì chúng xác định các hằng số cơ bản nhất, cũng nhưcác lĩnh vực ứng dụng của chúng

Khi từ hoá, cấu trúc miền từ của đa tinh thể sắt từ thay đổi (hình 2-7).Khi trường yếu quan sát thấy sự dịch chuyển vách đômen, kết quả là sẽ tăngcác miền từ có vector từ hoá hợp với từ trường ngoài H( trục x) một góc nhỏnhất Các miền từ đó ở trạng thái thuận lợi về năng lượng, nên khi tăngcường độ từ trường chúng sẽ tiếp tục phát triển cùng với sự định hướng lạicác mômen từ nguyên tử (xem hình 2-4) Trong giai đoạn đầu (đoạn OA)quá trình thuận nghịch Sau đó mang đặc tính không thuận nghịch và kèmtheo sự tăng mạnh cảm ứng từ (đoạn AB) Quá trình xê dịch các vách đômentiếp tục cho đến khi không còn các miền từ định hướng không thuận lợi sovới trường ngoài Cấu trúc miền từ sẽ không còn nữa và mỗi tinh thể trởthành một miền từ Quá trình từ hoá tiếp theo (đoạn BC) xẩy ra nhờ cácvector từ hoá của tinh thể quay cho đến khi trùng hoàn toàn với từ trườngngoài Sự định hướng hoàn toàn của các vector từ hoá theo trường ngoàitương ứng với cảm ứng từ bão hoà Bs

Trong thực tế, chỉ thấy sự định hướng nghiêm chỉnh các mômen từnguyên tử tại độ không tuyệt đối Tại các nhiệt độ khác, do chuyển động

nhiệt, các mômen có định hướng không hoàn toàn song song, dẫn đến giảm

độ từ hoá và từ cảm Khi tăng nhiệt độ sự lệch định hướng tăng và nhiệt độCurie θ sẽ không còn từ hoá nữa

Quá trình quay của vector từ hoá của tinh thể hoàn toàn thuận nghịch.Năng lượng cần cho quá trình quay được xác định bởi hằng số dị hướng K.Quá trình từ hoá ở giai đoạn này xảy ra càng dễ nếu hằng số dị hướng từcàng nhỏ

Từ hoá trong trường nhỏ hơn Hs gọi là từ hoá kỹ thuật, còn trong cáctrường cao hợn gọi là từ hoá thực, hay là quá trình para.Trong trường hợpnày các mômen từ nguyên tử còn chưa song song sẽ định hướng lại cho songsong với từ trường ngoài

Ngoài dị hướng từ thì các hiện tượng từ giảo cũng ảnh hưởng đáng kểđến quá trình từ hoá, chúng có thể làm dễ hoặc cản trở quá trình đó Khi từhoá kỹ thuật kích thước miền từ l trong phương trình từ trường sẽ thay đổimột đại lượng là    l l, gọi là hệ số từ giảo dài Độ lớn và dấu của hệ sốnày phụ thuộc vào bản chất của vật sắt từ, vào phương tinh thể và vào mức

Các kim loại sắt từ sạch hoá học và các hợp kim một pha của chúng dễ

từ hoá (Hs nhỏ) Lượng khuyết tật mạng tinh thể trong chúng phải tối thiểu,

ví dụ, biên giới tinh thể phải nhỏ nhất như trong cấu trúc hạt thô

Nếu kích thước tinh thể của vật sắt từ gần với kích thước miền từ, thì khi

từ hoá và thải từ chỉ xảy ra một quá trình quay các vector từ hoá cùng với sựthay đổi không đáng kể độ từ hoá M và cảm ứng từ B Đường từ trễ có dạngchữ nhật

Ứng suất dư và lệch mạng không tốt cho từ hoá, chúng được khử bỏ ởcuối quá trình công nghệ bằng nhiệt luyện - ủ Đặc biệt có hại là các tạp chấttrong mạng tinh thể của vật sắt từ, chúng tạo ra các khuyết tật tạp hoặc cácpha phân tán Trong cả hai trường hợp, sự xê dịch vách đômen và quayvector từ hoá sẽ khó khăn

Quá trình từ hoá vật sắt từ càng dễ khi K và λs càng nhỏ Có thể giảmảnh hưởng của chúng bằng cách thay đổi thành phần hoá học của vật sắt từ.Nếu chế tạo hợp kim từ các cấu tử tạo dung dịch rắn, mà một dung dịch cóhằng số dị hướng từ dương, còn dung dịch kia có hằng số âm, thì một vàithành phần hợp kim sẽ có K=0, ví dụ, hợp kim hệ Fe-Ni

2.2 Vật liệu từ mềm

2.2.1 Thuộc tính của vật liệu từ mềm

Vật liệu từ mềm được từ hoá trong các từ trường yếu (H<5.104 A/m) do

độ từ cảm lớn (μH<88 mH/m và μHmax<300 mH/m) và tổn hao từ hoá thấp.Các vật liệu đó được sử dụng làm lõi các cuộn cảm, các nam châm điện, cácbiến áp, các động cơ điện

Khi từ hoá vật sắt từ trong từ trường xuất hiện một vài dạng tổn haođiện Tổn hao trễ hay tổn hao từ hoá đối với vật liệu từ mềm không lớn, khác

hẳn với tổn hao tỷ nhiệt liên quan đến sự xuất hiện dòng Fucô xác định nhưsau:



/ 2 2

2 f d AB

P m

Với cường độ từ trường H cho trước, tổn hao nhiệt tăng tỷ lệ với bìnhphương của cảm ứng từ Bm, của tần số từ trường f, của chiều dầy lõi d và tỷ

lệ nghịch với điện trở suất ρ

Trong các trường biến thiên xuất hiện thêm một dạng tổn hao, là kết quả của sự lệch pha giữa cảm ứng từ B và cường độ từ trường H Trong trường

2.2.2 Vật liệu từ mềm tần số thấp

Vật liệu từ mềm tần số thấp lại chia thành loại tần số thấp với cảm ứng

từ bão hoà BS cao và loại tần số thấp với độ từ thẩm μ cao (từ thẩm ban đầu

μ0 và từ thẩm cực đại μmax)

Vật liệu với cảm ứng từ bão hoà cao, bao gồm trước hết là sắt, các thép

kỹ thuật điện hợp kim và không hợp kim Nhờ cảm ứng từ lớn (BS≤2,15T),lực kháng từ nhỏ (Hc<100A/m),độ thấm từ đủ cao (μmax≤79mH/m) và tínhcông nghệ tốt, chúng được sử dụng trong kỹ thuật điện cho các từ trườngcường độ từ 102÷5.104 A/m

Từ tính của sắt nêu trong bảng 2-1 Sắt sạch kỹ thuật chứa nhiều tạp chấtnhất Với lượng 0,02÷0,04% C và các tạp chất khác là 0,6% sắt có từ tính

đủ tốt: Hc=64A/m và μmax=9mH/m Trong quá trình chế tạo vật cán, trong sắtxuất hiện ứng suất dư và nhiều lệch mạng Điều đó làm xấu từ tính Ủ trongchân không hay trong hyđrô khử bỏ khuyết tật và ứng suất Trong bảng 2-1nêu tính chất của sắt sạch kỹ thuật đã ủ

0,01

0,020,025

Sắt cacbonil sạch cacbon và tạp chất khác nhờ phương pháp phân huỷnhiệt cacbonil Fe(CO)5 trong chân không và thiêu kết bột sắt tiếp theo Sắt

cacbonil và sắt điện phân do công nghệ phức tạp nên chỉ sử dụng cho các chitiết nhỏ.

Thép điện kỹ thuật không hợp kim được chế tạo bằng chính các phươngpháp luyện kim như cho sắt sạch kỹ thuật; hàm lượng cacbon và tạp chất chophép với lượng như nhau Thép điện kỹ thuật được cung cấp với từ tính đượcbảo đảm cho công nghiệp kỹ thuật điện Công nghiệp đã sản xuất các loạithép chủng loại khác nhau, kể cả tấm mỏng (bảng 2-2)

Bảng 2-2: Từ tính của thép điện kỹ thuật không hợp kim dạng tấm

mỏng

Thép Hc(A/m) μmax (mH/m) B(T) khi

H=30kA/m)10895

2089510864208641084820848

Thép không hợp kim được sử dụng trong công nghiệp điện kỹ thuật Tuynhiên điện trở suất thấp (ρ≤0,1μΩmlàm tăng tổn hao nhiệt khi từ hoá, điều

đó hạn chế việc sử dụng chúng làm những thiết bị có từ trường không đổi.Điện trở của thép có thể tăng do hợp kim hoá bằng Si không đắt tiền.Khi hoà tan trong sắt Si tạo ra dung dịch rắn hợp kim Một phần trăm Si tăngđiện trở suất thêm 0,12μΩm, nhưng lại giảm Bs mất 0,48T Khi ủ Si làm hạttinh thể phát triển và do đó giảm Hc một phần

Việc giảm tổn hao chung khi từ hoá thép Si được xem xét chủ yếu bằngcách tăng điện trở suất của thép Điện trở suất tiếp tục tăng khi tăng lượng Sitrong thép nhưng tính dẻo của thép lại giảm đáng kể Thép với Si lớn hơn4% thì giòn, rất khó cán và khó chế tạo tấm mỏng Để giảm tổn hao nhiệt cáclõi thép Si được dùng dưới dạng các lá mỏng(< 1mm) với lớp cách nhiệt(polyme, ôxit)

Từ tính của thép điện kỹ thuật hợp kim nêu trong bảng 2-3

Bảng 2-3: Từ tính của thép điện kỹ thuật hợp kim dạng lá mỏng

B(T)khiH30kA/m)Cán nóng đẳng hướng

1311

1411

0,050,05

6,14,4

1,481,46

1,951,94Cán nguội đẳng hướng

2011

2111

0,650,65

9,010,0

1,601,58

2,022,0

2311

2411

0,650,650,50

7,05,83,6

1,561,521,49

1,961,961,96Cán nguội dị hướng

3411

3416

0,580,28

2,450,89

1,751,9

-

-Số đầu tiên trong mác xác định dạng cán và cấu trúc: (1) cán nóng đẳnghướng; (2) cán nguội đẳng hướng; (3) cán nguội dị hướng với textua tinh thểphương [100] Số thứ hai chỉ lượng Si(%): (0) chỉ Si<0,4; (1) Si 0,4-0,8; (2)Si0,8-1,8; (3) Si1,8-2,8; (4) Si2,8-3,8; (5) Si3,8-4,8 Số thứ ba chobiết tổn hao trễ và tổn hao nhiệt tại giá trị xác định B và f: (1) tổn hao riêngkhi B=1,5T và f50 Hz; ký hiệu P1,5/50 Số thứ tư là mã hoá giá trị thông sốchuẩn mức, số càng lớn thì P1,5/50 càng nhỏ

Từ số liệu trong bảng thấy rõ ảnh hưởng của công nghệ chế tạo các thép

1411, 2411,3411 đến từ tính của chúng Với cùng một vhiều dày như nhau,thép cán nóng đẳng hướng 1411 có tổn hao riêng lớn nhất P1,5/50=4,4W/kg;thép cán nguội đẳng hướng 2411 và dị hướng 3411 có tổn hao tương ứng là3,6 và 2,45 W/kg

Bằng cách so sánh tính chất của các thép 2011, 2111, 2211, 2311, 2411

có thể đánh giá ảnh hưởng của lượng Si đến tổn hao riêng của chúng Khităng lượng Si thì tổn hao P1,5/50 giảm từ 10 xuống 3,6W/kg Ảnh hưởng củachiều dày đến tổn hao có thể thấy rõ nếu so sánh tính chất của hai thép 3411

và 3416 Khi giảm chiều dày thì tổn hao riêng cũng giảm

Cảm ứng từ thay đổi theo các thông số vừa nêu không mạnh bằng tổnhao Khi tăng lượng Si (các thép 2011 và 2411) trị số B tại H=2,5 kA/m thayđổi trong giới hạn từ 1,6 đến 1,49T; còn tại H=30kA/m là từ 2,02 đến 1,96T.Sau các công đoạn chế tạo chi tiết dẫn từ (cắt,dập,…) từ tính của thépxấu đi, tức lực kháng từ và do đó cả tổn hao trễ tăng Để khôi phục từ tính,

áp dụng ủ tại nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chuyển pha (880-900) trong môitrường ngăn cản ôxi hoá và thấm cacbon Nếu ủ trong hyđrô thì thép không

bị lẫn các tạp chất và từ tính được cải thiện

Trong các biến áp nguồn, khi sử dụng thép textua dị hướng có phươngcán trùng với đường trục của lõi biến áp thì tổn hao là nhỏ nhất

Các thép điện kỹ thuật hợp kim được sử dụng trong các chi tiết điện kỹthuật để làm việc ở tần số f400Hz Thép có lượng Si thấp hơn là 2011,

2211 được dùng cho các lõi làm việc ở tần số tới 100Hz và cường độ từtrường H≤5.104A/m Thép với hàm lượng Si cao hơn (2311-2411 và 1311-1411) được sử dụng ở tần số tới 400Hz, nhưng trong từ trường yếu hơn(H≥102A/m)

Đối với sắt từ thì các hợp kim cao côban Fe-Co-V có trị số B cao nhất

Ví dụ, hợp kim 50 K 2, chứa 50%Co và 2%V, có cảm ứng từ bão hoà

Bs=2,3T trong từ trường cường độ Hs=8kA/m Sắt trong trường đó cóB=1,5T Do côban đắt nên hạn chế sử dụng các hợp kim đó

Các sắt từ có trị số mômem từ nguyên tử lớn (các kim loại đất hiếm) đạtgiá trị cảm ứng từ bão hoà lớn hơn (3T)

Các hợp kim pecmaloi chứa 45-83%Ni, có độ từ thẩm lớn μH≤88mH/m

và μ≤310mH/m, từ hoá được trong các trường yếu(hình 2-9) Điện trở suấtcao hơn so với các kim loại sạch Fe và Ni cho phép sử dụng chúng trong kỹthuật vô tuyến và điện thoại ở tần số đến 25 kHz Lực kháng từ nhỏ Hc<16A/

m giảm tổn hao trễ khi từ hoá Về cảm ứng từ bão hoà thì các hợp kim cao

Ni thua sắt và thép, tuỳ thuộc vào thành phần mà Bs thay đổi trong khoảng0,5-1,5T Ưu điểm lớn nhất của pecmaloi là độ dẻo cao của chúng làm chocông nghệ chế tạo các bán thành phẩm như lá mỏng, băng và sợi dùng làmlõi dễ dàng hơn Từ tính của pecmaloi thay đổi ngay cả khi bị ứng suất thậmchí rất nhỏ Khi ứng suất giảm 5MPa thì độ từ thẩm giảm 5 lần, còn lựckháng từ tăng hai lần Vì thế sản phẩm chế tạo xong phải nhiệt luyện vàtrong quá trình lắp ráp cần tránh va đập, căng hoặc ép mạnh lúc cuộn

Từ tính của hợp kim Fe-Ni phụ thuộc vào tốc độ nguội Phân tích nơtroncho thấy ở các hợp kim chứa 75%Ni khi làm nguội châm ở nhiệt độ thấp hơn600C thì trong dung dịch rắn xảy ra quá trình sắp xếp lại các nguyên tử-dung dịch rắn không trật tự chuyển sang có trật tự Loại sau này có độ từthẩm nhỏ hơn

Nhiệt luyện pecmaloi nhằm loại bỏ tạp chất, ứng suất dư và hạt thô Quátrình bao gồm nung chậm đến nhiệt độ 1100-1150C trong môi trường chốngôxy hoá ( chân không, hyđrô); giữ nhiệt 3-6 giờ tuỳ thuộc kích thước và khốilượng; làm nguội chậm đến 600C (100C/giờ) và làm nguội nhanh tiếp theo(400C/giờ) để không xảy ra trật tự hoá dung dịch rắn

Tất cả hợp kim pecmaloi theo thành phần có thể phân chia thành hainhóm: nhóm thấp niken với 45-50%Ni có độ từ thẩm cao(μH≤4mH/m) vàcảm ứng từ bão hoà tương đối cao (1,5T) và nhóm cao niken với 79-83%Ni

có độ từ thẩm rất cao (μH≤35mH/m) nhưng cảm ứng từ bão hoà nhỏ(0,75T)

Để cải thiện tính chất điện từ và tính công nghệ, các hợp kim này thườngđược hợp kim hoá bổ sung Chẳng hạn Mo và Cr giảm độ nhạy với ứng suất

dư, đồng thời tăng điện trở suất và độ từ thẩm Đồng ổn định tính chất, cải

thiện tính gia công cơ, tăng điện trở suất Silic và mangan tăng điện trở suất.Tất cả các nguyên tố hợp kim đều tăng độ từ thẩm μH và μmax.

Theo mức các tính chất cơ bản hợp kim được chia thành chín nhóm Từtính của hợp kim pecmaloi của ba nhóm đặc trưng nêu trong bảng 2-4 Trongmỗi nhóm chúng được phân thành các lớp Trong bảng thấy rõ khi số lớptăng thì độ từ thẩm tăng, nhưng Hc giảm và Bs thay đổi ít

Trong nhóm các hợp kim có độ từ thẩm cao nhất trong từ trường yếunhất có các pecmaloi hợp kim hoá cao Ni là 79HM và 81HMA Ký hiệu cácnguyên tố hợp kim trong chúng giống như trong các thép hợp kim Trị số độ

từ thẩm là μH = 25-88mH/m; μmax = 150-310mH/m So với các thép điện kỹthuật thì chúng có các trị số thấp là Bs=0,5-0,75T và Hc=0,64-2,4A/m Cácpecmaloi này được dùng làm việc trong các từ trường yếu đến tần số 25 kHz.Khi tăng tần số trong vùng từ 400Hz đến 25kHz thì giảm chiều dày cán đểgiảm tổn hao nhiệt Khi đó, giống như trong thép, độ từ thẩm giảm, Hc tăng

và làm tăng tổn hao trễ (hình2-10)

Bảng 2-4: Từ tính của các băng pecmaloi (hợp kim Fe-Ni) cán

nguội chiều dày 0,1mm

15019025031031

2.41,21,20,6416

0,750,730,730,501,5

0,55 0,80,45

Trong nhóm hợp kim với độ từ thẩm cao và cảm ứng từ Bs tăng có cácpecmaloi không hợp kim chứa ít niken là 45H và 50H Trị số của

μmax38mH/m khi Bs=1,5T Trị số của  hơi thấp hơn so với các loại hợpkim hoá cao niken; còn Hc ngược lại, lại cao hơn Do có điện trở suất thấpnên chúng được dùng ở tần số thấp hơn là các pecmaloi hợp kim hoá caoniken

Đại diện của nhóm hợp kim với độ từ thẩm cao và điện trở suất tăng làpecmaloi 50HXC Hợp kim hoá bằng Cr và Si làm điện trở suất hợp kimtăng lên gấp đôi Điều đó cho phép sử dụng chúng trong các chi tiết như làdùng pecmaloi không hơpk kim hoá, nhưng ở tần số cao hơn một chút

Một nhóm đặc biệt gồm các pecmaloi có đường trễ chữ nhật (bảng 2-5)được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật máy tính và trong các thiết bị điềukhiển tự động Đặc điểm nổi bật của các vật liệu này là cảm ứng từ dư Br lớngần bằng cảm ứng từ bão hoà Bs Hệ số chữ nhật (α=Br/Bs) của hợp kimnhóm này đạt 0,85-0,90 trong trường có cường độ H=800 A/m

Có hai phương pháp nhận được vật liệu với đường trễ chữ nhật: tạotextua tinh thể hay textua từ Như đã nêu ở trên, textua tinh thể đạt đượcbằng biến dạng dẻo khi cán nguội với mức độ lớn, còn textua từ là bằng cáchlàm nguội vật liệu khi tôi trong từ trường (từ-nhiệt luyện) Vectơ từ hoá khitôi sẽ hướng theo từ trường Khi từ hoá tiếp theo trong phương đó các vectơ

sẽ không quay nữa Textua tinh thể có thể tạo ra trong bất kỳ vật liệu nàobằng phương pháp biến dạng dẻo Còn textua từ chỉ có thể có trong một sốhợp kim, vì rằng trong các kim loại sạch (Fe,Ni,Co) không quan sát thấy.Mặc dù đạt được nhiều kết quả thực tiễn trong lĩnh vực từ - nhiệt luyện,nhưng bản chất của hiện tượng này vẫn chưa đủ sáng tỏ

Bảng 2-5: Từ tính của hợp kim với đường từ trễ chữ nhật (lá cán

nguội)

182,89,6

1,51,30,61

0,850,900,90

Ưu việt của phương pháp từ-nhiệt luyện là có thể nhận được đường trễchữ nhật trong lá mỏng có chiều dày tuỳ ý và trong bất kỳ phương nào,chứ không chỉ trong phương cán

Trong hợp kim 50  trễ chữ nhật đạt được nhờ cán, còn trong hợp kim



65 và 79 nhờ gia công trong từ trường (hình 2-11) Các lõi làm từ

lá dị hướng dày 3μm có thể làm việc ở tần số 700 kHz; còn khi dày 1,5μm ởtần số tới 1MHz Các lá đó chủ yếu chế tạo từ hợp kim 79 

Hệ số chữ nhật của hợp kim này với các chiều dày đó vào khoảng 0,9

Do các lõi lá mỏng đắt và không thể cán được các lá mỏng hơn 0,5μm nênphương pháp bốc bay các hợp kim đó trong chân không trên đế không từ tính

đã được ứng dụng để chế tạo các màng mỏng (10-5÷10-6)

Alsife là các hợp kim hệ Fe-Al-Si không chứa các nguyên tố hợp kimđắt và quý Hợp kim thành phần tối ưu 9,6%Si và 5,4%Al có tính chất sauđây:μH=44mH/m; μmax=146mH/m; Hc=1,76A/m; μ0Ms=1,1T; ρ=0,81μΩm.Hợp kim có K và λs bằng không và tổn hao trễ thấp Cản trở ứng dụng cáchợp kim này chính là chúng cứng và giòn, hoàn toàn không thể biến dạngđược Alsife có tính đúc tốt, vì vậy chúng được sử dụng để chế tạo các vậtđúc thành mỏng Các hợp kim này cũng được làm thành bột mịn để chế tạocác vật từ- điện môi

2.2.3 Vật liệu từ mềm tần số cao

Ở các tần số cao, tổn hao nhiệt và tgδ tăng, làm xấu từ tính của vật sắt từ

do độ từ thẩm giảm Một trong các biện pháp hiệu quả làm giảm tổn haonhiệt là sử dụng vật liệu có điện trở suất cao-các vật liệu điện môi Đó là cácferit, chúng có vai trò quan trọng trong kỹ thuật điện tử hiện đại Ferit đượcchế tạo bằng cách thiêu kết các ôxit Điện trở suất của chúng đạt tới 1012Ωm,nhờ vậy có thể sử dụng chúng trong lĩnh vực cao tần và siêu cao tần

Về từ tính, ở tần số thấp, thì ferit thua kém các kim loại và hợp kim sắt

từ cùng loại Độ từ thẩm tương đối μ’ của chúng không lớn và thay đổi trongphạm vi rộng từ một vài nghìn đến một vài đơn vị Cảm ứng từ bão hoà nhỏ

Bs<4T; lực kháng từ tương đối lớn Hc≤180A/m; nhiệt độ Curie không caoθ≤300ºC đã hạn chế nhiệt độ sử dụng chúng và làm xấu tính ổn định nhiệtcủa từ tính

Nhược điểm của ferit là chúng khá nhạy với ứng suất dư, kể cả nguồngốc nhiệt lẫn từ giảo Chúng có tất cả những đặc tính của ceramic là cứng,giòn và co ngót lớn khi thiêu kết Chỉ có thể gia công chúng bằng dụng cụkim cương Tính chất của ferit phụ thuộc vào các yếu tố công nghệ khácnhau: kích thước và độ đồng nhất của bột ôxit, tỷ trọng tải khi ép, nhiệt độthiêu kết, chế độ làm nguội,… Tất cả sẽ gây khó khăn cho việc nhận đượcferit có tính chất định trước và lặp lại

Ferit được thiêu kết từ các ôxit kép FeO.Fe2O3 Để tăng điện trở suất thìiôn Fe2+ trong FeO được thay thế bằng các iôn hoá trị hai là Zn, Mn, Ni, Mg.Mạng tinh thể của chúng là mạng spinen (lập phương) Phương dễ từ hoá làcạnh lập phương Khi thay Fe2+ bằng các iôn Ba, Sr, Pb thì ferit có mạng lụcgiác xếp chặt và phương dễ từ hoá là bất kỳ phương nào trong mặt phẳng xy.Ferit có cấu trúc miền từ với các mômen từ đối song song nhưng khôngtriệt tiêu nhau của các iôn kim loại (ferit từ) Trong ôxit kép FeO.Fe O các

catiôn sắt hoá trị hai và ba nằm tại các hố tám mặt và bốn mặt Giữa cáccatiôn nằm tại các hố khác nhau sẽ tạo ra một định hướng đối song song củacác mômen từ Ferit từ sẽ xuất hiện khi tổng các mômen từ của các iôn, nằm

ở các hố khác nhau, không bằng nhau Được biết rằng trong đa số các feritspinen, tám iôn sắt hoá trị ba nằm tại hố tám mặt; còn trong các hố bốn mặtchứa tám iôn sắt hoá trị hai và tám iôn sắt hoá trị ba còn lại:

Kết quả là mômen từ của cac catiôn sắt hoá trị ba nằm tại các hố khácnhau sẽ triệt tiêu, còn nếu các catiôn sắt hoá trị hai có mômen từ riêng thì sẽxuất hiện một mômen từ không bị triệt tiêu

Từ tính của ferit được xác định bởi thành phần hoá học của chúng(hình2-12) Khi cho thêm ferit kẽm không từ tính vào ferit niken thì θ và Hc

Nhiệt độ làm việc cho phép được xác định bằng nhiệt độ Curie, đối vớiferit niken-kẽm trùng với điểm θ, còn đối với ferit mangan-kẽm thì thấp hơn20C Gần điểm θ trị số μ’

H giảm mạnh (hình2-13), đặc biệt đối với ferit cótrị số này lớn

Ferit cho các thiết bị sử dụng ở tần số vô tuyến Đó là các loại feritMn-Zn và Ni-Zn (bảng 2-6)

Ferit Mn-Zn có độ từ thẩm cao nhưng điện trở suất không lớn lắm(103÷105) nên hạn chế sử dụng chúng ở tần số cao (<3 MHz) Chúng đượcchia thành hai nhóm: ferit nhóm một 4000HM, 1000HM không chứa thêm

nguyên tố nào đặc biệt và được dùng trong dải tần đến 1MHz, khi không đòihỏi yêu cầu cao về tính ổn định nhiệt của độ từ thẩm ban đầu; ferit nhóm thứhai 1000HM3 chứa ôxit côban và các kim loại khác để cải thiện tính ổn địnhnhiệt của độ từ thẩm ban đầu và được sử dụng trong các từ trường yếu vàtrung bình ở tần số đến 3MHz.

Bảng 2-6: Tính chất của một số ferit sử dụng trong các trường yếu

ở tần số vô tuyến thấp và cao

tgδ=0.11

30B2

40001000100010004003006010030

Số ở vị trí đầu tiên trong mác là trị số μ’

H (độ từ thẩm tương đối) Chữ ở

vị trí thứ hai xác định vùng tần số: H-tần số thấp; B-tần số cao Chữ ở vị tríthứ ba cho biết nguyên tố kim loại: H-ferit niken-kẽm; M-ferit mangan-kẽm

Đối với ferit tần số cao không ghi nguyên tố hợp kim, ví dụ 30B2-μ’

H=30,loại tần số cao thứ hai

Ferit Ni-Zn khác bởi điện trở suất cao (đến 1011 Ωm), tổn hao nhỏ; vì vậychúng được sử dụng ở các dải tần số cao hơn (<200MHz) và được phânthành ba nhóm

Ferit nhóm một 1000HH, 400HH không chứa thêm gì và được dùngtrong các trường yếu và trung bình với tần số tới 2MHz Ferit nhóm hai chứa50%Fe2O3, một lượng đáng kể (1-8%) các ôxit khác Các ferit này (300HH,60HH) dùng làm việc ở tần số đến 55MHz Nhóm thứ ba chứa dư Fe2O3 (54-59%) cũng như có thêm côban và các ôxit khác (tới 1%) để cải thiện tínhchất Các ferit này có tổn hao dòng xoáy nhỏ và dùng làm việc trong cáctrường yếu và trung bình ở tần số đến 200MHz (100B, 30B2); do có nhiệt

độ điểm Curie cao nên chúng có hệ số nhiệt độ của độ từ thẩm nhỏ trong mộtdải rộng nhiệt độ

Ferit cho các thiết bị dùng ở tần số cao (<800MHz) Ferit có thành phầnphức tạp, được chế tạo từ bốn ôxit hoặc nhiều hơn Sự phối hợp đa dạng cáccấu tử ban đầu cho phép tạo ra không hạn chế các vật liệu với từ tính khácnhau Trong số đó có ferit liti hoá trị một Li2O.5Fe2O3 với cấu trúc spinen vàcác ferit có một phần bari được thay thế bằng côban, với cấu trúc lục giácxếp chặt (BaCo)O.Fe2O3

Khi đưa thêm vào thành phần ferit các cation này hoặc các cation khác

có thể nhận được vật liệu với cảm ứng từ bão hoà và nhiệt độ Curie khácnhau Các ferit hợp kim hoá phức tạp đó được đặc trưng bởi điện trở suấtcao(đến 1012 Ωm), độ từ thẩm ổn định, tổn hao thấp và giữ được các thông sốđến 800MHz

Ferit cho các thiết bị dùng ở tần số siêu cao (>800MHz) Khả năng sửdụng các ferit ở tần số đó xác định bởi sự hấp thụ cộng hưởng, xuất hiện khi

có một từ trường không đổi vuông góc H0 được đặt vào ferit, lúc đó đangđược từ hoá bằng một trường cao tần Từ trường đó gây ra sự tiến động củamômen quỹ đạo điện tử mà tần số e của nó thay đổi tỷ lệ với H0 Tại mộtgiá trị xác định H0 thì etrùng với tần số trường cao tần và bắt đầu sự cộnghưởng sắt từ,thể hiện ở chỗ μ1 giảm và μ2 tăng trong một vùng trường ΔHH0

(hình 2-14); do vậy tgδ tăng

Chiều rộng vùng ΔHH0 là đặc trưng cơ bản của ferit siêu cao tần Giá trịcủa nó càng nhỏ khi mật độ càng lớn và dị hướng tinh thể của vật liệu càngnhỏ Có thể nhận được tính chất như vậy nếu đưa thêm các ôxit có dị hướngkhông đổi nhưng ngược dấu nhau vào thành phần ferit Ngoài ra để tăng mật

độ thì không chế tạo bằng thiêu kết mà nấu chảy bột thành đơn tinh thể cóđường cong cộng hưởng hẹp (ΔHH0 nhỏ), nếu từ trường một chiều được đặttrong phương từ hoá khó Tính chất của ferit siêu cao tần nêu trong bảng 2-7.Ferit siêu cao tần được chọn theo loại thiết bị, dải tần, công suất và điềukiện khí hậu

Bảng 2-7: Tính chất của ferit siêu cao tần

270200150170

4015,9

-10,312,7