KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT VẬT LIỆU DẪN TỪ – 123doc

3. VẬT LIỆU DẪN TỪ

3.1. KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT VẬT LIỆU DẪN TỪ

Một trong những tác dụng cơ bản của dòng điện là tác dụng từ. Đó chính là cơ sở để chế tạo các loại máy điện. Để truyền tải đƣợc năng lƣợng từ trƣờng cần phải có những vật liệu có từ tính, đó chính là nhóm vật liệu dẫn từ (còn gọi là vật liệu sắt từ ). Kim loại chủ yếu có từ tính là sắt cacbon, niken và các hợp kim của chúng, bên cạnh đó còn có côban cũng đƣợc gọi là chất sắt từ đã qua quá trình tinh luyện.

159

Nguyên nhân chủ yếu gây nên từ tính của vật liệu là các điện tích luôn chuyển động nằm theo quỹ đạo kín, tạo nên những dòng điện vòng đó là sự quay của các điện tử xung quanh trục của mình và sự quay theo quỷ đạo của các điện tử trong nguyên tử.

Hiện tƣợng sắt từ là do trong một số vật liệu ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nhất định đã phân thành những vùng mà trong từng vùng ấy các điện tử đều định hƣớng song song với nhau. Các vùng ấy đƣợc gọi là đômen tử.

Nhƣ vậy tính chất đặc trƣng cho trạng thái sắt từ của các chất là nó có độ nhiễm từ tự phát ngay khi không có từ trƣờng ngoài. Mặc dù trong chất sắt từ có những vùng từ hóa tự phát nhƣng mômen từ của các đômen lại có hƣớng rất khác nhau. Các chất sắt từ đơn tinh thể có khả năng từ hóa dị hƣớng nghĩa là theo các trục khác nhau mức từ hóa khó hay dễ cũng khác nhau. Trong trƣờng hợp các chất sắt từ đa tinh thể có tính dị hƣớng thể hiện rất rõ ngƣời ta gọi chất đó là có cấu tạo thớ từ tính. Tạo đƣợc thớ từ theo ý muốn có ý nghĩa lớn, nó đƣợc sử dụng trong kỹ thuật để nâng cao đặc tính từ của vật liệu theo hƣớng xác định.

3.1.3. Các đặc tính của vật liệu dẫn từ

Tại mỗi điểm trong từtrƣờng, hệ số từ thẩm bằng tỷ số giữa cƣờng độ từ cảm B

và cƣờng độ từtrƣờng H.

Môi trƣờng là chân không, có các trị sốcƣờng độ từ cảm B0 và từtrƣờng H0, thì:

0 = 0 0 H B (6.1)

0-hệ số từ thẩm tuyệt đối của chân không, về trị số 0= 4.10-7 s/m. Đơn vị

s/m còn gọi là Henry/mét (H/m).

Trong môi trƣờng khác chân không, ta có:

0 = H B

hay B =  0H (6.2)

 – hệ số từ thẩm tƣơng đối của môi trƣờng từ trƣờng khác chân không, cho biết hệ số từ thẩm tuyệt đối của môi trƣờng so với hệ số từ thẩm của chân không 0 là bao nhiêu.

Theo hệ số từ thẩm và từ tính của vật chất, ngƣời ta chia ra các chất thuận từ, nghịch từ và dẫn từ.

a. Chất thuận từ: là chất có độ từ thẩm  > 1 và không phụ thuộc vào cƣờng độ

từtrƣờng ngoài. Loại này gồm có oxy, nitơ, oxyt, muối sắt, muối côban, muối niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim.

b. Chất nghịch từ:là chất có độ từ thẩm  < 1 và không phụ thuộc vào cƣờng độ

từ trƣờng ngoài. Loại này gồm có hydro, các khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, đồng, kẽm, bạc, vàng, thuỷ ngân, antimon, gali,… .

Các chất thuận từ và ngịch từ giống nhau ở chỗ từ yếu, tức là cùng có độ từ thẩm

 sấp sỉ bằng 1. Ví dụ nhôm là chất thuận từ có = 1,000023, còn đồng là chất nghịch từ có  = 0,999995.

160

c. Chất dẫn từ: là chất có độ từ thẩm  >> 1 và phụ thuộc vào cƣờng độ từ trƣờng ngoài. Loại này gồm có sắt, niken, côban và các hợp kim của chúng, hợp kim crôm – mangan, gađôlonit và ferit có các thành phần khác nhau.

3.1.4 Những hƣ hỏng thƣờng gặp vật liệu dẫn từ

Các loại vật liệu dẫn từ đƣợc sử dụng để chế tạo các mạch từ của các thiết bị điện, máy điện và khí cụ điện, nên khi sử dụng lâu ngày sẽ bị hƣ hỏng và ta thƣờng gặp các dạng hƣ hỏng sau:

+ Hƣ hỏng do bị ăn mòn kim loại: đa phần chúng là các chất sắt từ và các hợp chất sắt từ nên chúng cũng bị tác dụng của môi trƣờng xung quanh và tác dụng đó diễn ra dƣới hai hình thức ăn mòn, ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa nhƣ những kim loại khác mặc dầu trên bề mặt chúng có sơn lớp sơn cách điện.

+ Hƣ hỏng do điện: trong quá trình làm việc do xẩy ra các hiện tƣơng nhƣ quá điện áp, do bị ngắn mạch nên các cuộn dây đặt trên mạch từ bị cháy nên làm hỏng các mạch từ.

+ Hƣ hỏng do bị già hóa của kim loại: dƣới tác dụng của thời gian và môi trƣờng làm cho các tính chất của vật liệu từ thay đổi.

+ Hƣ hỏng do các lực tác động từ bên ngoài: dƣới tác dụng của ngoại lực làm cho các vật liệu từ bị biến dạng hoặc bị hỏng.

+ Dƣới tác dụng của nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng lên (khoảng 1250

C) các vật liệu có từ tính sẽ mất từ tính.

3.2. MẠCH TỪ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH TỪ.

Mạch từ là gồm lõi sắt từ có hay không có các khe không khí và từ thông sẽ đóng

kín qua chúng. Việc sử dụng vật liệu sắt từ nhằm mục đích thu đƣợc từ trở cực tiểu, đối với từ trở này, sức từ động cần thiết để đảm bảo cảm ứng từ hay từ thông mong muốn có giá trị của nó nhỏ nhất. Mạch từ rất đơn giản bao gồm bởi lõi cuộn dây hình xuyến (hình 4.2) hoặc ngƣời ta dùng các mạch từ nối tiếp hay rẽ nhánh mà các đoạn có thể thực hiện bằng các vật liệu khác nhau, hay vật liệu cùng một bản chất (hình 4.4). Tính toán một mạch từ tức là xác định sức từ động theo các giá trị của từ thông đã cho,

các kích thƣớc của mạch và bản chất của các vật liệu đƣợc sử dụng.

3.2.1. Các công thức cơ bản

R R2 R1

161

Khi tính toán mạch từ, có thể áp dụng các định luật cơ bản của mạch điện bởi vì giữa chúng tồn tại sự tƣơng tự qua lại.

a) Định luật Kirchauffe 1: áp dụng cho mạch từ đƣợc phát biểu nhƣ sau.

Đối với một nút bất kỳ trong mạch từ, tổng các từ thông đi vào (có chiều về phía điểm nút) và đi ra (có chiều đi ra khỏi điểm nút) bằng 0.

0 1  



 n i i (4.1)

b) Định luật Kirchauffe 2: phát biểu nhƣ sau: đối với một mạch vòng khép kín trong mạch từ, tổng các từ áp rơi trên mạch vòng đó và các sức từ động bằng 0.

0 1 1   





  m k mk K n i i R F . (4.2)

c) Định luật Ohm phát biểu như sau:đối với một nhánh bất kỳ trong mạch từ tích số giữa từ thông chảy qua và tổng trở từ bằng từ áp rơi giữa hai đầu của nhánh đó.

iZmi Umi. (4.3)

Trong các công thức trên:

– i : là từ thông chảy qua các nhánh của mạch từ (wb).

– Fi : là sức từ động của các nhánh từ tƣơng ứng (A.t).

– Rmk : từ trở của nhánh từ tƣơng ứng (1/H).

– Zmi: tổng trở từ của các nhánh (1/H).

– Umi: từ áp rơi trên các nhánh từ (A).

Tổng trở Zmicủa nhánh từ bao gồm hai thành phần là từ trở Rmi và từ kháng Xmi,

giữa chúng có quan hệ tam giác vuông.

Zmi  Rmi2  Xmi2 . (4.4)

Đối với mạch từ một chiều (DC) không tồn tại thành phần từ kháng Xmi vì vậy trong đó chỉ bao gồm các thành phần từ trở Rmi. i i i mi S l R   . (4.5) Trong đó:

– I1 : là chiều dài của nhánh từ tƣơng ứng (m).

– S1: tiết diện của nhánh từ đó (m2 ).

– I : là từ thẩm vật liệu từ của nhánh từ tƣơng ứng (H/m). Ví dụ:

Mạch từ đƣợc trình bày nhƣ (hình 4.1). Lõi đƣợc làm từ vật liệu từ có độ từ thẩm

 lớn hơn rất nhiều với từ thẩm của chân không 0 với: 0 = 4.10-7 (H/m).

Lõi có tiết diện không đổi và đƣợc kích từ bởi cuộn dây có N vòng dây, trong đó chảy dòng điện I (A). Cuộn dây N sẽ sinh ra từ trƣờng trong lõi thép

162

đƣợc biểu diễn trong (hình 4.1).

Từ thông  đi qua bề mặt S bằng tích phân mặt của các thành phần pháp tuyến của từ cảm B. Nhƣ vậy.





B.dS (4.6)

Trong hệ đo lờng SI, từ thông  có thứ nguyên là weber (wb).

Khi từ cảm là đồng nhất bên trong một mặt cắt bất kỳ của lõi thép, phƣơng trình trên có thể đƣợc biểu diễn:

i Bi.Si. (4.7)

Trong đó:

– i: từ thông trong lõi thép.

– Bi : từ cảm.

– Si: là tiết diện của lõi thép. Từ phƣơng trình







c S

dS J dL

H. . , quan hệ giữa sức từ động và cƣờng độ từ trƣơng

H có thể đƣợc biểu diễn:

F NI 



H.dl. (4.8a)

Lõi thép có độ dài trung bình chính bằng chiều dài khép kín của đƣờng sức từ bất kỳ li .

Kết quả là tích phân đƣờng (4.8) trở thành tích của các đại lƣợng vô hƣớng Hi , li .

Từ phƣơng trình (4.8a) có thể viết lại:

FNI HiLi (4.8b)

Với Hi là giá trị trung bình phần thực của véctơ H trong lõi thép. Chiều của Hi

trong lõi thép đƣợc xác định theo quy tắc bàn tay phải, nó có thể đƣợc biểu diễn bằng

hai cách tƣơng tự nh nhau. Hãy hình dung rằng có một vật dẫn điên đặt trong bàn tay phải, ngón tay cái chỉ chiều của từ trƣờng Hi . Hoàn toàn tƣơng tự nếu nhƣ cuộn dây trong hình vẽ (hình 4.3) đƣợc nắm bởi bàn tay phải, khi đó các ngón tay chỉ chiều dòng điện và ngón tay cái sẽ chỉ chiều từ trƣờng.

S

iN

 i

163

Trong mỗi nhánh từ của mạch từ, quan hệ giữa từ cảm Bi (T) và cƣờng độ từ trƣờng Hi(A/m) đƣợc biểu diễn bằng đƣờng cong từ hóa B = f(H) của vật liệu từ nhận đƣợc từ thực nghiệm. Đẩi với các vật liệu phi từ tính nhƣ đồng nhôm, đồng v.v…, các vật liệu cách điện nhƣ Fibre, bakelite v.v… và không khí, quan hệnày đƣợc biểu diễn nhƣ sau:

B = 0.H. (4.9)

Với 0 là từ thẩm của chân không (H/m). Trong mạch từ ta phân biệt các từ thông sau:

– Từ thông làm việc lvlà từ thông đi qua khe hở không khí chính của mạch từ.

– Từ thông rò  là từ thông không đi qua khe hở không khí chính của mạch từ mà khép kín theo các đƣờng khác.

– Từ thông tổng 0, là tổng của hai từ thông lv và  và thƣờng đi qua phần gông của mạch từ (hình 4.3).

Tỷ số giữa từ thông tổng và từ thông làm việc đƣợc định nghĩa là hệ số rò  của một mạch từ cho trƣớc: lv lv lv lv                0 1 . (4.10)

Khi tính toán mạch từ thƣờng gặp hai dạng bài toán cơ bản sau đây.

– Bài toán thuận: với nội dung nhƣ sau.

Cho trƣớc từ thông hoặc từ cảm B và hình dạng, kích thƣớc của mạch từ, cần xác định sức từ động cần thiết để sinh ra từ thông đó.

– Bài toán nghịch: đƣợc phát biểu nhƣ sau.

Cho trƣớc sức từ động hình dạng, kích thƣớc và vật liệu của mạch từ, cần xác định giá trị các từ thông trong mạch từ.

Trong thực tế, có thể gặp các dạng bài toán mạch từ hơi khác một chút ví dụ nhƣ:

cho trƣớc giá trị của lực hút điện từ tác động lên phần ứng tại một vị trí xác định của khe hở không khí  (là khoảng cách giữa nắp và lõi của mạch từ) hoặc cho trƣớc đặc tính lực hút điện từ P= f() và các điều kiện phụ về hình dáng, kích thƣớc và vật liệu của mạch từ, cần xác định từ thông hoặc giá trị sức từ động cần thiết. Những bài toán về mạch từ nhƣ vậy tựu chung đều có thể đƣa về dạng của một trong hai bài toán cơ bản nêu ở trên.

Bài toán thuận có thể đƣợc giải quyết nhƣ sau: đối với mỗi nhánh từ của mạch từ, có thể xem từ cảm ứng từ B là không đổi trên toàn bộ chiều dài của nhánh đó, ta xác định giá trị cƣờng độ từ trƣờng H tƣơng ứng dựa trên quan hệ

B = .H. (4.11)

Trong hệ đo lƣờng SI, B đƣợc đo bằng weber/m2 hay còn đƣợcgọi là tesla (T), 

164

với giá trị phổ biến của r của các vật liệu từ dùng để chế tạo các thiết bị điện nằm trong khoảng từ 2000 đến 80000, hoặc dựa trên quan hệ đƣờng cong từ hóa của vật liệu cho trƣớc. Tích giữa cƣờng độ từ trƣờng và chiều dài nhánh từ chính là giá trị sức từ động cần thiết Fi = Hi li . Sức từđộng cần thiết của toàn bộ mạch từ sẽ bằng tổng các sức từ động nhánh nằm trong một mạch vòng khép kín.



  n i i F F 1 . (4.12)

Dạng bài toán cơ bản thứ hai thƣờng khó giải hơn. Để nhận đƣợc từ thông sinh ra từ sức từ động cho trƣớc, có thể có thể thực hiện bài toán theo phƣơng pháp lặp nhƣ sau: đầu tiên ta chọn một cách tùy ý, một số giá trị từ thông , sau đó theo cách giải bài toán thuận ta xác định đƣợc các giá trị tƣơng ứng của sức từ động. Kết quả nhận đ-

ƣợc cho phép xây dựng đƣờng biểu diễn quan hệ:

 = f(Fi), từ đó ứng với sức từ động ban đầu để cho ta tra ra giá trị từ thông cần thiết.

3.2.2. Sơ đồ thay thế của mạch từ.

Sự tƣơng tự giữa mạch từ và mạch điện cho phép ta xây dựng sơ đồ thay thế của mạch từ. Trong đó sức từ động của mạch từ sẽ tƣơng ứng với sức điện động của mạch điện, từ thông  tổng tƣơng tự với cƣờng độ dòng điện I, từ trở Rm tƣơng tự với điện trở R, tổng trở từ Zm tƣơng tự với tổng trở điện Z v.v…

Xét một mạch từ điển hình

Cùng với sơ đồ thay thế của nó đựơc biểu diễn nhƣ trong hình (hình 4.4), trong

đó Rn là từ trở của nắp mạch từ; R là từ trở của khe hở không khí , nó thƣờng đƣợc biểu diễn trong sơ đồ thay thế bằng giá trị nghịch đảo gọi là từ đảo gọi là từ dẫn của khe hở không khí G; Rltừ trở của lõi mạch từ và Rg từ trở của gông mạch từ. ở đây không biểu diễn bề dày của mạch từ, mà đối với mạch từ thực tế bất kỳ luôn tồn tại, vì

Hình 4.4: a. Mạch từ b. Sơ đồ thay thế Nắp lõi Gông R1 R2 Rn R Rg iN Rl1 Rl2 a) b)

165

vậy cần phảI hiểu là ở tất cả các phần của mạch từ nhƣ nắp, gông, lõi đều phải kể đến tiết diện của chúng.

Đối với các mạch từ xoay chiều (AC) vì có sự xuất hiện của các tổn hao trong lõi thép ( tổn hao do từ trễ và do dòng điện Foucault) nên thay vì các từ trở Rn, Rl, Rg

ta phải biểu diễn bằng các tổng trở từ tƣơng ứng Zn, Zl, Zg.

Ngoài ra để tránh các loại ký hiệu chồng chéo lên nhau, khi biểu diễn các đại lƣợng từ trong các sơ đồ thay thế ta đã cố ý bỏ đi các ký hiệu mạch đã biểu diễn các công thức trên.

3.2.3. Mạch từ xoay chiều.

Mạch từ xoay chiều (ac), không xét tới từ trở của lõi thép. Mạch từ xoay chiều có đặc điểm khác mạch từ một chiều:

฀ Dòng điện trong cuộn dây xoay chiều phụ thuộc tổng trở của nó.

Z U I  . (4.13) Với: 2

 

2 L r Z    . Trong đó:

– r: điện trở của cuộn dây. (). – : Tần sốgóc của nguồn điện (s-1

). – L: Hệ số tự cảm của cuộn dây (H)

G N L 2. . (4.14 a)         3 . . . 3 . 2 2 2 l g G N l g I IN I G IN L   . (4.14 b) I I L  lv   . (4.14 c) Trong đó:

N: số vòng dây của cuộn dây.