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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN GIA CÔNG VẬT LIỆU VÀ DỤNG CỤ CÔNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI: “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


 §å ¸n tèt nghiÖp

2

Lời nói đầu
Hiện nay cùng với sự phát triển như vũ bão của khoa học kĩ thuật
phương 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 sản
phẩm vừa tiện ích cho con người lại vừa thân thiện với môi trường. Một
trong những phát minh đó là xe đạp điện.
Ở Việt Nam, do thu nhập của người dân chưa cao và cơ sở hạ tầng
còn hạn chế nên từ trước đến nay xe đạp vẫn là loại phương tiện rất phổ biến

trong việc đi lại của người dân. Đó là phương tiện đi lại của nhiều tầng lớp
đặc biệt là học sinh và người lớn tuổi. Do vấn đề môi trường cũng như thị
hiếu tiêu dùng, xe đạp điện ra đời đã dáp ứng được nhu cầu của thời đại. Có
thể nói đây là một cuộc cách mạng thay đổi tư duy về chiếc xe đạp của người
dân. Đây là sản phẩm ứng dụng những tiến bộ mới của khoa học kĩ thuật vào
phục vụ đời sống.
Để có thể nâng cao tính năng của xe đạp điện, trong khuôn khổ đồ án
tốt 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 chổi
than” - loại động cơ được sử dụng cho xe đạp điện. Nội dung đồ án gồm 4
chương:
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 Trần
Xuân Thái và Giảng viên Nguyễn Đức Toàn bộ môn Gia công vật liệu và
Mai Thanh Tïng
NguyÔn Ngäc Tu©n

2
Líp CTM7-K46


 §å ¸n tèt nghiÖp

3
dụng cụ công nghiệp, chúng em đã hoàn thành đồ án. Chúng em xin chân
thành cảm ơn sự giúp đỡ, hướng dẫn của thầy Trần Xuân Thái và thầy
Nguyễn Đức Toàn và sự góp ý của các thấy cô trong bộ môn trong quá trình

thực hiện đồ án.
Hà Nội ngày tháng năm
Sinh viên
Mai Thanh Tùng
Nguyễn Ngọc Tuân

Mai Thanh Tïng
NguyÔn Ngäc Tu©n

3
Líp CTM7-K46


 §å ¸n tèt nghiÖp

4

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 đảo
mạch mà thay thế vào đó là cơ cấu đảo mạch bằng điện. Động cơ điện một
chiều 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 loại
dụng cụ, ô tô, hàng không, dân dụng, y tế, các trang thiết bị công nghiệp tự
động và trong các thiết bị đo đạc.
Động cơ điện một chiều không chổi than có nhiều ưu điểm hơn hẳn so
với 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 hơn
làm cho nó trở nên hữu ích trong các thiết bị mà ở đó kích thước và khối
lượng 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 roto
quay với cùng tần số. Động cơ điện một chiều không chổi than thường
không xảy ra sự trượt thường thấy ở các động cơ cảm ứng. Động cơ có thể ở
Mai Thanh Tïng
NguyÔn Ngäc Tu©n

4
Líp CTM7-K46


 §å ¸n tèt nghiÖp

5
dạng đơn pha, 2 pha hay 3 pha. Theo từng loại, stato sẽ có số cuộn dây tương
ứng. 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 Stato
Stato (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 phía
trong 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 cách
khác nhau. Hầu hết các động cơ BLDC đều có 3 cuộn dây stato mắc theo
hình sao. Mỗi cuộn dây này lại được hình thành từ nhiều vòng dây nối liền
với nhau. Các vòng dây được đặt trong các rãnh và chúng nối với nhau tạo
thành cuộn lớn. Mỗi cuộn dây này được phân bố phía ngoài chu vi stato để
hình thành nên số cực chẵn. Có hai loại cuộn dây stato khác nhau hình thành
hai 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 Electromotive
Force (EMF)) khác nhau.
Theo tên gọi, động cơ hình thang cho chúng ta đường sức điện động
hình thang còn đường sức điện động của động cơ hình sin có dạng hình sin
như trên hình vẽ 1 và 2:

Mai Thanh Tïng
NguyÔn Ngäc Tu©n

5
Líp CTM7-K46


 §å ¸n tèt nghiÖp

6

Thêm vào đó, với mỗi loại động cơ, dòng pha cũng biến thiên hình
thang hay hình sin tương ứng. Điều đó làm cho mômen xoắn ở trục ra của
động cơ hình sin ổn định hơn động cơ hình thang. Tuy nhiên điều này lại làm
tăng giá thành của động cơ vì động cơ hình sin cần các cuộn dây tăng cường
kết nối do các vòng dây phân bố trên chu vi ngoại biên của stato và điều này
đòi 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 loại
động cơ với hiệu điện thế phù hợp. Hiệu điện thế 48V hay ít hơn thường
Mai Thanh Tïng
NguyÔn Ngäc Tu©n

6
Líp CTM7-K46


 §å ¸n tèt nghiÖp

7
dùng trong ô tô, rôbốt, tay máy v.v. Động cơ sử dụng điện áp 100V hay cao
hơn dùng trong các vật dụng, trong công nghiệp.
1.2.2 Rôto
Phần ứng tạo bởi các nam châm vĩnh cửu và có thể biến đổi từ hai đến
tám cặp cực với các cực bắc (N), nam (S) xen kẽ. Dựa vào mật độ từ trường
cần 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. Cùng
với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, nam châm làm bằng các hợp kim đất
hiếm dần trở nên phổ biến.
Nam châm ferrite không đắt nhưng chúng sinh ra mật độ từ thông
thấp trên một dơn vị thể tích. Trái lại, nam châm hợp kim đất hiếm sản sinh
mật độ thông lượng lớn trên một đơn vị thể tích làm cho rôto có thể nhỏ hơn
rất nhiều đối với cùng mômen xoắn. Ngoài ra, nam châm hợp kim đất hiếm
còn cải thiện tỉ số kích cỡ so với khối lượng và có mômen xoắn cao hơn so
với động cơ cùng kích thước sử dụng nam châm ferrtie.
Neodymium (Nd), Samarium-Cobalt (SmCo), và NdFeB là một số
loại 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.

Mai Thanh Tïng
NguyÔn Ngäc Tu©n

7
Líp CTM7-K46


 §å ¸n tèt nghiÖp

8

1.2.3 Nguyên tắc hoạt động
Mỗi lần tiếp xúc, một cuộn dây được nạp năng lượng dương (dòng đi
vào 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 và
nam châm vĩnh cửu gây ra một mômen xoắn. Theo lí thuyết, mômen xoắn là
lớn nhất khi hai từ trường này lệch nhau pha 90º và bị triệt tiêu khi chúng
trùng pha. Rôto phải quay để từ trường mà các cuộn dây sinh ra thay đổi vị
trí để bắt kịp từ trường của stato, do đó động cơ làm việc. Trình tự cung cấp
dong điện cho các cuộn dây như hình vẽ sau:

Mai Thanh Tïng
NguyÔn Ngäc Tu©n

8
Líp CTM7-K46


 §å ¸n tèt nghiÖp

9

Mai Thanh Tïng
NguyÔn Ngäc Tu©n

9
Líp CTM7-K46


 §å ¸n tèt nghiÖp

10
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 mạch
của 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 rôto
rất 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 Hall
lắp 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 các
phần tử điện tích về một phía của vật dẫn. Điều này thể hiện rõ nhất trong
các 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 đo
lường 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 năm
1879.
Hình vẽ trên thể hiện mặt cắt ngang của động cơ điện một chiều

không chổi than với rôto gồm các nam châm cực Bắc, Nam xen kẽ. Các cảm
biển Hall được lắp tại phần cố định của động cơ. Việc lắp các cảm biến hall
lên stato là một qui trình rất phức tạp vì bất cứ sự lắp đặt sai vị trí của các
sensor này cũng ảnh hưởng đến việc xác định vị trí của rôto. Để đơn giản
Mai Thanh Tïng
NguyÔn Ngäc Tu©n

10
Líp CTM7-K46


 §å ¸n tèt nghiÖp

11
hoá qui trình lắp các cảm biến hall, một số loại động cơ thường lắp chúng lên
rôto, ở phần thêm của nam châm chính rôto. Do đó, bất cứ khi nào rôto quay,
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 đầu không
truyền động của trục. Điều này làm dễ dàng lắp cụm cảm biến Hall đúng vị
trí so với nam châm chính của rôto do đo đạt hiệu suất làm việc tốt nhất.
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.
Chú 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:
3

4

5

6

7
8

9

φ32Η7
κ6

2

STT Tên chi tiết

STT Tên chi tiết

1

5

Dây điều khiển

Mai Thanh Tïng
NguyÔn Ngäc Tu©n

Nam châm vĩnh cửu

11
Líp CTM7-K46


 §å ¸n tèt nghiÖp

12
2

Trục

6

Stato

3

Nắp động cơ

7

Cuộn dây

4

Vành động cơ (Rôto)

8

Vòng bi

Theo như cấu tạo của động cơ điện một chiều không chổi than, vật
liệu chế tạo loại động cơ này gồm có: vật liệu nam châm vĩnh cửu, vật liệu
lõi (rôto) và vật liệu mạch từ.
Mỗi loại vật liệu phải đáp ứng được các yêu cầu trong chế tạo và vận
hành. Do đặc tính cơ học của tùng vật liệu khác nhau nên chúng đòi hỏi các
phương pháp gia công phù hợp.
Vật liệu nam châm vĩnnh cửu phải tạo ra từ trường đủ mạnh để đảm
bảo công suất của máy. Ngày nay, do yêu cầu kích thước các chi tiết ngày
càng phải nhỏ gọn nên nam châm phải tạo ra được từ trường cao với thể tích
nhỏ. Do đó, các nam châm truyền thống như Ferrite, Alnico không còn đáp
ứng được yêu cầu. Khi đó, sự ra đời của các vật liệu nam châm vĩnh cửu đất
hiếm 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 vị
thể tích. Tuy nhiên, do đất hiếm có giá thành cao nên dần dần người ta phải
tìm 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 tập
trung 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 này
phải 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 làm
bằng 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 dòng
Mai Thanh Tïng
NguyÔn Ngäc Tu©n

12
Líp CTM7-K46

 §å ¸n tèt nghiÖp

13
Fucô. Điều này sẽ được đề cập trong các chương tiếp theo. Do đó, khi chế
tạo, phải quan tâm làm giảm dòng Fucô trước tiên. Vật liệu chủ yếu là thép
sạch kĩ thuật và thép kĩ thuật điện. Để chống dòng Fucô, lõi thép được ép từ
các 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 biện
pháp công nghệ thích hợp nhất là dập tấm. Các lá thép được dập tấm đạt kích
thước 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 liệu
này phải dẫn từ để tạo ra các mạch từ khép kín trong động cơ. Do đó, nó
được chế tạo từ các loại vật liệu có từ trở thấp. Vật liệu thường là thép ít các
bon. Đặc trưng của thép ít các bon là rất dẻo cũng không thuận lợi cho các
quá 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 Lí 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 là
nam châm vĩnh cửu là vật liệu có khả năng tàng trữ năng lượng của từ
trường tác động lên và tự mình trở thành nguồn phát từ trường. Thông
thường vật liệu từ được coi là vật liệu từ cứng nếu nó bảo vệ được khả năng
tàng 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 ứng
dụng trong thiết bị la bàn đã được sử dụng tại Trung Quốc từ hai nghàn năm
trước công nguyên. Tuy vậy chỉ đến đầu thế kỷ XX thép cacbon cao và thép
hợp kim Vonfram, Crôm mới thay thế đá nam châm và trở thành vật liệu từ

cứng 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 lệch
Mai Thanh Tïng
NguyÔn Ngäc Tu©n

13
Líp CTM7-K46


 §å ¸n tèt nghiÖp

14
pha. Loại nam châm này tàng trữ năng lượng (hoặc nói cách khác có tích
năng lượng từ) cỡ khoảng 8kJ/m3. Lịch sử phát triển của nam châm vĩnh cửu,
một cách khái quát có thể mô tả bằng sự tăng trưởng của giá trị tích năng
lượng từ cực đại (BH)max của các vật liệu khác nhau đã được tìm ra từ đầu thế
kỷ XX đến nay.
Trong quá trình phát triển của mình, tiến bộ đầu tiên nâng cao phẩm
chất từ của vật liệu từ cứng được đánh dấu bằng việc phát hiện ra hợp kim
Alnico vào đầu những năm 1930. Hợp kim này được chế tạo bởi quá trình
hợp 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 phát
triển, 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 vì
nhiệt độ Curie lớn cỡ khoảng 850°C, cho phép làm việc trong nhiệt độ cao
và cũng vì Tc cao mà sự tăng giảm các tính chất từ khi làm việc tại nhiệt độ
phòng là rất nhỏ so với các loại nam châm khác. Tuy vậy một nhược điểm
của vật liệu này là có lực kháng từ nội tại iH c thấp chỉ khoảng 160kA/m nên
không thể làm việc trong từ trường cực lớn được. Hợp kim Alnico được chế
tạo 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 của
pha sắt từ mạnh Fe-Co trên nền sắt từ Ni-Al yếu hơn. Lực kháng từ của hợp
kim này được xác định bởi dị hướng hình học của pha Fe-Co và cơ chế hãm
vách đômen của pha Ni-Al.
Tiến bộ tiếp theo của vật liệu từ cứng là sự ra đời của vật liệu ferit cấu
trúc lục giác BaO.6Fe2O3 và SrO.6Fe2O3 vào khoảng năm 1950. Tuy có giá
trị cảm ứng từ dư thấp (cỡ khoảng 0,42T) nhưng lực kháng từ của chúng có
giá trị lớn hơn các vật liệu trước đó, đạt khoảng 240kA/m. Do cảm ứng từ dư
thấp nên tích năng lượng từ của chúng cũng chỉ đạt giá trị cỡ 32kJ/m 3. Tuy

Mai Thanh Tïng
NguyÔn Ngäc Tu©n

14
Líp CTM7-K46


Đồ án tốt nghiệp

15
nhiờn do lc khỏng t ln nờn so vi Alnico, nam chõm vnh cu ferit cú th
dng tm mng v c s dng ch to cỏc ng c.
Mt u im ca cỏc nam chõm ferit khin chỳng c s dng rng
rói cho n tn ngy nay chớnh l do chỳng cú giỏ thnh thp bi giỏ r ca
nguyờn liu ban u v cụng ngh ch to n gin. Cỏc nam chõm ny c
ch to bng phng phỏp luyn kim gm truyn thng khụng ũi hi nhng
bin phỏp chng ụxy hoỏ, bn thõn vt liu bn vi cỏc quỏ trỡnh gi hoỏ.
Thụng thng cỏc sn phm nam chõm c ộp nh hỡnh t cỏc bt cú kớch
thc ht ụmen (nh hn 1àm) khin lc khỏng t ln. tng giỏ tr ca
cm ng t d v tớch nng lng t, ngi ta ỏp dng bin phỏp ộp mu

trong t trng.
Nm 1966 ó phỏt hin ra tớnh cht t ca vt liu YCo 5 vt liu t
cng u tiờn da trờn nguyờn t t him v kim loi chuyn tip. S t
hp gia hai nguyờn t ny mang li mt trin vng ln bi chỳng tn dng
c tớnh d hng tinh th ca t him v t bóo ho ln cựng nhit
Curie cao ca kim loi chuyn tip. S phỏt hin ra SmCo 5 ngay sau ú vo
nm 1967 ó khng nh iu ny v SmCo 5 ó tr thnh nam chõm vnh
cu cha t him v kim loi chuyn tip u tiờn trờn thng trng.
Nhng nam chõm ny c ch to dng nam chõm kt dớnh v cú (BH) max
c khong 40kJ/m3. Nm 1969 nam chõm SmCo5 loi thiờu kt cú (BH)max
xp x 160kJ/m3 ó c ch to. Cỏc nam chõm ny thũng cú pha giu Sm
biờn ht v cú lc khỏng t ln do c ch ngn chn phỏt trin cỏc mụmen
t nghch o.
Hng nghiờn cu núi trờn tip tc c phỏt trin v n nm 1976
tớch nng lng t ó t n giỏ tr 240kJ/m 3 i vi vt liu Sm2Co17. Núi
chung loi vt liu ny cú thnh phn Sm 2(Co,Fe,Cu,Zr)17 v cỏc sn phm
nam chõm cú phm cht tt nu cú vi cu trỳc thớch hp. Chỳng c ch to
theo cụng ngh luyn kim bt v s lý nhit ti nhit xp x 1100C.
Mai Thanh Tùng
Nguyễn Ngọc Tuân

15
Lớp CTM7-K46


 §å ¸n tèt nghiÖp

16
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 Sm 2Co17 chứa dư Fe bao

quanh bởi lớp biên hạt có pha SmCo 5 chứa dư Cu. Tính chất từ nội tại của
hai pha này đòi hỏi phải sao cho năng lượng của vách đômen giảm mạnh ở
biên tế bào khiến chúng trở thành nơi hãm vách đômen và kết quả là làm
tăng phẩm chất từ cứng của loại vật liệu này.
Do các tính chất từ tốt của mình, ngay cả tại nhiệt độ cao (khoảng
500°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 là
nguyên tố hiếm hơn so với các loại đất hiếm khác như La, Ce, Pr và Nd. Co
được coi là kim loại có tầm quan trọng chiến lược và thường được bán rất
hạn 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 dựa
trên 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 quan
trọng của vật liệu từ mới không chứa nguyên tố Co rất đắt tiền, một thành
phần quan trọng của vật liệu từ cứng hệ Sm-Co nói trên, thay vào đó vật liệu
này 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 vĩnh
cửu tại mỗi thời điểm qua biểu đồ:

Mai Thanh Tïng
NguyÔn Ngäc Tu©n

16
Líp CTM7-K46


 §å ¸n tèt nghiÖp

17

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 đến
các mômen từ tế vi của các nguyên tử (hay iôn, phân tử) tạo ra vật liệu. Mô
men từ của một nguyên tử không có từ trường ngoài bằng tổng vectơ của các
mômen 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 nên
thường 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 thành
từng cặp và chuyển động ngược hưóng nhau đo đó triệt tiêu từ trường của
nhau do đó không tồn tại từ trường. Vật liệu càng có nhiều electron đơn lẻ
thì 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, bằng
mômen 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:

Mai Thanh Tïng
NguyÔn Ngäc Tu©n

17
Líp CTM7-K46


 §å ¸n tèt nghiÖp

18
M =kmH
trong đó km- 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 thành

vật liệu nghịch từ, thuận từ và sắt từ.
Vật nghịch từ là các vật liệu từ bị từ hoá ngược với từ trường ngoài và
làm yếu nó, tức có km<0 (từ -10-4÷-10-7). Độ từ hoá âm liên quan đến tác
động của từ trường đến mômen từ quỹ đạo của điện tử. Theo định luật Lenz
thì trong nguyên tử xuất hiện một mômen từ bổ sung ngược với từ trường
ngoài (hiệu ứng nghịch từ).

Mọi chất đều có tính nghịch từ nhưng biểu hiện yếu. Nghịch từ chỉ thể
hiện khi mômen spin của tất cả điện tử trong nguyên tử triệt tiêu nhau hoặc
khi hiệu ứng nghịch từ chiếm ưu thế trước mômen từ spin chưa cặp đôi. Vật
nghịch 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,…), chất
siêu dẫn.
Vật thuận từ là các vật liệu có km>0 (từ 10-2÷10-5) và bị từ hoá bởi từ
trường ngoài. Từ hoá là nhờ các mômen từ spin chưa triệt tiêu của các điện

Mai Thanh Tïng
NguyÔn Ngäc Tu©n

18
Líp CTM7-K46


 §å ¸n tèt nghiÖp

19
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 các
kim loại mà nguyên tử của chúng có số điện tử hoá trị lẻ (K, Na, Al,…), các
kim 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 sự
phụ 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: k m≃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 tử
chưa điền đầy thuộc các nguyên tử cạnh nhau đã bị che phủ khi tạo ra tinh
thể. Khi đó điện tử của một nguyên tử có thể tạm thời ở gần một nguyên tử
Mai Thanh Tïng
NguyÔn Ngäc Tu©n

19
Líp CTM7-K46


 §å ¸n tèt nghiÖp

20
bên cạnh. Tương tác đó dẫn tới sự thay đổi trạng thái năng lượng và được
đánh giá bằng năng lượng trao đổi. Khi năng lượng này là dương, sự định
hướng 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 của
năng lượng trao đổi phụ thuộc vào thông số mạng tinh thể (a), tính cho
đường kính (d) của quỹ đạo điện tử phụ chưa được điền đầy. Theo lý thuyết
lượng 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 phương
tinh 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 tổng
cộng của sắt từ bằng không. Giữa các miền từ có các lớp chuyển tiếp (các
vách đômen) rộng 10-7÷10-8 m, trong đó các mômen từ spin chuyển hướng
tuần tự.

Mai Thanh Tïng
NguyÔn Ngäc Tu©n

20
Líp CTM7-K46


 §å ¸n tèt nghiÖp

21

Trong vật phản sắt từ mômen từ nguyên tử định hướng song song ngược
chiều nhau và mômen từ tổng cộng bằng không. Nếu các mômen từ không
triệt 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 phương
của cạnh lập phương <100> sẽ từ hoá đến bão hoà M S tại cường độ từ trường
H’s nhỏ hơn nhiều so với H”s khi từ hoá trong phương đường chéo khối lập
phương <111> hoặc trong các phương tinh thể khác. Do đó, trong đơn tinh
thể sắt có sáu phương dễ từ hoá quay với nhau góc 90 hoặc 180º và các

vector từ hoá của miền từ cũng định hướng theo chúng.

Mai Thanh Tïng
NguyÔn Ngäc Tu©n

21
Líp CTM7-K46


 §å ¸n tèt nghiÖp

22
Năng lượng riêng (J/m3) cần để chuyển từ hoá từ phương dễ sang
phương khó từ hoá gọi là hằng số dị hướng tinh thể K. Ví dụ, đối với sắt thì
K=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 thể
tạo ra dị hướng tinh thể, làm dễ quá trình tình hoá. Đồ thị sau cho thấy năng
lượng riêng thay đổi của các loại vật liệu khác nhau:

trong đó r là khoảng cách giữa các nguyên tử còn r d là bán kính của
quỹ đạo nhóm d (từ Cr đến Ni là các kim loại chuyển tiếp) còn đối với Gd
thì thuộc 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 trưng
bằng độ từ thẩm μ. Nó được xác định như tang của góc nghiêng đường từ
hoá sơ cấp B=f(H).
Mai Thanh Tïng

NguyÔn Ngäc Tu©n

22
Líp CTM7-K46


 §å ¸n tèt nghiÖp

23
Ở đây phân biệt độ từ thẩm ban đầu μ H 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 từ
thẩm tương đối không thứ nguyên μ’=μ/μ 0,có quan hệ với độ từ cảm bằng
biểu thức:
μ’ = 1+km
Quá trình từ hoá hoàn toàn không thuận nghịch. Nếu sau khi đạt đến +H s
giảm từ trường xuống không (hình 2-6) thì cảm ứng vẫn còn giữ một giá trị
nhất định là Br gọi là cảm ứng từ dư. Quá trình từ hoá đa tinh thể bằng
trường ngược chiều sẽ làm giảm cảm ứng từ B xuống và khi cường độ từ
trường đạt Hc thì cảm ứng từ bằng không. Cường độ từ trường H c gọi là lực
kháng từ. Khi từ hoá từ +Hs đến –Hs và ngược lại, đường cong từ hoá không
trùng nhau. Diện tích hình bao bởi các đường cong đó xác định độ tổn hao
trễ hay là tổn hao từ hoá.
Đường cong từ hoá và hình dáng đường từ trễ là những đặc trưng quan
trong nhất của sắt từ, vì chúng xác định các hằng số cơ bản nhất, cũng như
các 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 tăng
các miền từ có vector từ hoá hợp với từ trường ngoài H( trục x) một góc nhỏ
nhất. Các miền từ đó ở trạng thái thuận lợi về năng lượng, nên khi tăng
cường độ từ trường chúng sẽ tiếp tục phát triển cùng với sự định hướng lại

các 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 kèm
theo sự tăng mạnh cảm ứng từ (đoạn AB). Quá trình xê dịch các vách đômen
tiếp tục cho đến khi không còn các miền từ định hướng không thuận lợi so
với trường ngoài. Cấu trúc miền từ sẽ không còn nữa và mỗi tinh thể trở
thành một miền từ. Quá trình từ hoá tiếp theo (đoạn BC) xẩy ra nhờ các
Mai Thanh Tïng
NguyÔn Ngäc Tu©n

23
Líp CTM7-K46


 §å ¸n tèt nghiÖp

24
vector từ hoá của tinh thể quay cho đến khi trùng hoàn toàn với từ trường
ngoài. Sự định hướng hoàn toàn của các vector từ hoá theo trường ngoài
tương ứng với cảm ứng từ bão hoà Bs.
Trong thực tế, chỉ thấy sự định hướng nghiêm chỉnh các mômen từ
nguyên 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 độ
Curie 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 từ
càng nhỏ.
Từ hoá trong trường nhỏ hơn Hs gọi là từ hoá kỹ thuật, còn trong các
trường cao hợn gọi là từ hoá thực, hay là quá trình para.Trong trường hợp

này các mômen từ nguyên tử còn chưa song song sẽ định hướng lại cho song
song với từ trường ngoài.
Ngoài dị hướng từ thì các hiện tượng từ giảo cũng ảnh hưởng đáng kể
đến quá trình từ hoá, chúng có thể làm dễ hoặc cản trở quá trình đó. Khi từ
hoá kỹ thuật kích thước miền từ l trong phương trình từ trường sẽ thay đổi
một đại lượng là λ = ± ∆ l l , gọi là hệ số từ giảo dài. Độ lớn và dấu của hệ số
này phụ thuộc vào bản chất của vật sắt từ, vào phương tinh thể và vào mức
độ từ hoá.
Khi từ hoá trong trường hợp H>Hs thể tích tinh thể sẽ tăng. Sự thay đổi
tương đối thể tích sẽ gọi là hệ số từ giảo thể tích (khối) của quá trình thuận
λs. Nó thường nhỏ, nhưng trong một vài hợp kim gọi là invar thì đạt giá trị

Mai Thanh Tïng
NguyÔn Ngäc Tu©n

24
Líp CTM7-K46


 §å ¸n tèt nghiÖp

25
đáng kể. Hiện tượng từ giảo được sử dụng trong các máy phát sóng siêu âm
và các dụng cụ từ giảo khác.
Khi thiết kế các vật liệu từ với tính chất cho trước cần chú ý rằng, các
đặc trưng từ Ms, Bs, λs, K và θ chỉ phụ thuộc vào thành phần hoá học của vật
sắt từ, còn các đặc trưng μ, Hc, Br, Hs còn phụ thuộc cả vào dạng gia công
nhiệt, vì chúng là các đại lượng nhạy cấu trúc.
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 sự
thay đổi không đáng kể độ từ hoá M và cảm ứng từ B. Đường từ trễ có dạng
chữ nhật.
Ứng suất dư và lệch mạng không tốt cho từ hoá, chúng được khử bỏ ở
cuối quá trình công nghệ bằng nhiệt luyện - ủ. Đặc biệt có hại là các tạp chất
trong mạng tinh thể của vật sắt từ, chúng tạo ra các khuyết tật tạp hoặc các
pha phân tán. Trong cả hai trường hợp, sự xê dịch vách đômen và quay
vector từ hoá sẽ khó khăn.
Quá trình từ hoá vật sắt từ càng dễ khi K và λs càng nhỏ. Có thể giảm
ảnh 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 có
hằng số dị hướng từ dương, còn dung dịch kia có hằng số âm, thì một vài
thành 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
Mai Thanh Tïng
NguyÔn Ngäc Tu©n

25
Líp CTM7-K46