cơ cấu điện từ và nam châm điện

CHƯƠNG 5 :
CƠ CẤU ĐIỆN TỪ
VÀ NAM CHÂM ĐIỆN

KHÁI NIỆM CHUNG CƠ CẤU ĐIỆN TỪ
Các thiết bị như rơle, công tắc tơ, khởi động từ, áptômát, đều có bộ phận làm nhiệm vụ
biến đổi từ điện năng ra cơ năng. Bộ phận này gồm có : cuộn dây và mạch từ gọi chung là cơ cấu điện
từ.
Mạch từ chia làm các phần chính sau đây :

Thân mạch từ

Nắp mạch từ

Khe hở không khí chính δ .

KHÁI NIỆM CHUNG CƠ CẤU ĐIỆN TỪ
3
1
2
Φ
r
Φ
δ
Φ
t
Hình : Kết cấu mạch từ
1.Thân mạch từ; 2. Nắp mạch từ ;3. Cuộn
dây

KHÁI NIỆM CHUNG CƠ CẤU ĐIỆN TỪ
Khi cho dòng điện chạy qua cuộn dây thì trong cuộn dây có từ thông φ đi qua, từ thông này cũng
chia làm 3 thành phần :
Từ thông chính φ
δ
: là từ thông đi qua khe hở không khí chính, đó cũng là từ thông làm việc của
cơ cấu điện từ .
Từ thông tản φ
t
: là từ thông đi ra ngoài khe hở không khí chính.
Từ thông rò φ
r
: là từ thông khép vòng qua cuộn dây là thành phần không đi qua khe hở không
khí chính mà khép kín trong không gian giữa lõi và thân mạch từ.

PHÂN LOẠI CƠ CẤU ĐIỆN TỪ
Phân theo tính chất của nguồn điện

Cơ cấu điện một chiều.

Cơ cấu điện từ xoay chiều.
Theo cách nối cuộn dây vào nguồn điện

Nối nối tiếp.

Nối song song.
Theo hình dạng mạch từ:

Mạch từ hút chập (thẳng).


Mạch từ hút xoay (quanh một trục hay một cạnh),
mạch từ hút kiểu pittông.

CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA MẠCH TỪ
1.
Định luật Ôm : Trong một phân đoạn của mạch từ, từ áp rơi trên nó bằng tích giữa từ thông và
từ trở hoặc thương giữa từ thông và từ dẫn :
2.
Định luật Kiếckhốp I : Trên mọi điểm của mạch từ, tổng từ thông vào bằng tổng từ thông ra :
3.
Định luật Kiếckhốp II : Trong một mạch từ khép kín, tổng từ áp của các đoạn mạch bằng
tổng sức từ động :
G
RU
φ
φ
µµ
== .
0
1
=
∑
n
i
φ
∑∑
=
n
ii
n

i
FR
1
.
1
µ
φ

CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN
CỦA MẠCH TỪ
4.
Định luật bảo toàn dòng điện : Tích phân đường của cường độ từ trường theo vòng từ
khép kín bằng tổng s.t.đ của vòng từ đó :
Định luật toàn dòng điện có thể biến đổi như sau :
hoặc :
và đây cũng chính là định luật Kiếckhốp II với mạch từ khép kín.
∫
∑
=
l
i
FdlH.
∫ ∫ ∫
∑
∫
====
l l l
i
l
FdR

S
dl
dl
S
SB
dlH
µ
φ
µ
φ
µ
.

.
.
∫
∑
∫
==
l
i
l
FdRdlH
µ
φ


NAM CHÂM ĐIỆN

ĐẠI CƯƠNG VỀ NAM CHÂM ĐIỆN

i N
Φ
S
i
N
S
N
S
Nam châm điện

ĐẠI CƯƠNG VỀ NAM CHÂM ĐIỆN
Dòng điện chạy trong cuộn dây sẽ sinh ra từ trường. Vật liệu sắt từ đặt trong từ trường này sẽ
bị từ hóa và có cực tính ngược lại với cực tính của cuộn dây, cho nên sẽ bị hút về phía cuộn dây
Nếu đổi chiều dòng điện trong cuộn dây thì từ trường trong cuộn dây cũng đổi chiều và vật liệu
sắt từ bị từ hóa có cực tính ngược với cực tính cuộn dây, cho nên chiều lực hút không đổi.
Trong quá trình làm việc nắp mạch từ chuyển động, khe hở không khí giữa nắp và lõi thay đổi
nên lực hút điện từ cũng thay đổi

TÍNH LỰC HÚT ĐIỆN TỪ
NAM CHÂM ĐIỆN

TÍNH LỰC HÚT ĐIỆN TỪ
NAM CHÂM ĐIỆN
Lực hút điện từ cuả nam châm điện một chiều thường được tính theo 2 phương pháp :
1. Tính theo công thức maxwell
2. Tính theo phương pháp cân bằng năng lượng

TÍNH LỰC HÚT ĐIỆN TỪ
THEO CÔNG THỨC MAXWELL
Theo Maxell thì khi có một vật dẫn từ trường thì vật dẫn từ sẽ chịu một lực tác dụng :

Trong đó:
: Véc tơ từ cảm ở khe hở KK bề mặt cực từ
: Véc tơ pháp tuyến đơn vị ở bề mặt cực từ
S: diện tích bề mặt vật dẫn.
µ
0
= 1,25.10-8 [H/cm] là độ từ thẩm của không khí.
Vì hệ số từ dẫn của vật liệu sắt từ lớn hơn nhiều của không khí (µ >>µ
0
) nên xem như cùng
phương và
( )
2
1 1
. . .
0 2
s
F B n B B n ds
µ
 
= −
 
 
∫
ur ur r ur r
Ñ
B

n


( =0)n
α
r
2
( . ) .B n B B n=
ur r ur r

TÍNH LỰC HÚT ĐIỆN TỪ
THEO CÔNG THỨC MAXWELL
Và ta có :
Khi khe hở không khí bé, từ trường có thể xem như phân bố đều trên bề mặt cực từ B = const,
bên coi thì ta co ï:
B: đơn vị [Wb/cm2].
S: diện tích từ thông qua [cm2].
= 1,25.10-8 [Wb/A.cm]
Nếu B tính theo Tesla thì :
2
0
1
.
2
S
F B n ds
µ
=
∫
ur r
Ñ
ds s≈
0

µ
[ ]
2
2
4 4F B S kg
S
φ
= =
[ ]
NSBF .
2
1
2
0
µ
=

TÍNH LỰC HÚT ĐIỆN TỪ
THEO CÔNG THỨC MAXWELL
Khi khe hở không khí từ thông rò nhiều :
Với K
đc
= 3÷ 5 là hệ điều chỉnh.
[ ]
2
/ .
1
4. .
1
d c

F B S kg
K
δ
=
+

THEO PHƯƠNG PHÁP
CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
i N
Φ
S

THEO PHƯƠNG PHÁP
CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Khi đóng điện vào cuộn dây NCĐ, ta có phương trình cân bằng điện áp :
Nhân 2 vế của phương trình cho idt, ta có :
Lấy tích phân hai vế phương trình trên ta có:
Trong đó ta có:
: là năng lượng nguồn cung cấp.
: là năng lượng tiêu hao trên điện trở cuộn dây w.
:là năng lượng tích lũy trong từ trường
.
d
u R i
dt
ψ
= +
2
. .
d

uidt R i dt i dt
dt
ψ
= +
2
0 0 0
t t t
d
uidt i Rdt i dt
dt
ψ
= +
∫ ∫ ∫
0
t
uidt
∫
2
0
t
i
R dt
∫
∫∫
Ψ
Ψ==
Ψ
00
idW
dt

d
i
t
t

THEO PHƯƠNG PHÁP
CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
2
Ψ
Ψ
2
Ψ
1
Ψ
0
i
1
i
2
i
0
b
a
c d
2
δ
1
δ

THEO PHƯƠNG PHÁP

CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Từ đồ thị ta thấy quan hệ giữa từ thông móc vòng và dòng điện i, có tính phi tuyến.
Tính lực hút điện :
Khi cung cấp năng lượng cho cơ cấu điện từ thì nắp của mạch từ được hút về phía lõi, khe hở
không khí ở giữa nắp và lõi giảm dần.
Ứng với vị trí ban đầu của nắp mạch từ có:
Ứng với vị trí cuối có:
1 1; 1
; I=I =
δ δ ψ ψ
=
2 2; 2
; I=I =
δ δ ψ ψ
=

THEO PHƯƠNG PHÁP
CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Năng lượng từ trường khi ở vị trí đầu sẽ là:
:= diện tích
Vậy năng lượng lấy thêm từ ngoài vào để nắp mạch từ chuyển động là:

:
= diện tích hình thang
Theo định luật cân bằng năng lượng có:
Trong đó là năng lượng làm nắp chuyển động từ vị trí 1 đến vị trí 2.
= diện tích tam giác cong

oad
Nếu giả thiết mạch từ chưa bão hòa đường đặc tính chỉ xét ở đoạn tuyến

1
1
0
t
W id
ψ
ψ
=
∫
2
1
t
w id
ψ
ψ
ψ
∆ =
∫
oab∆
abcd
1 2
t t t
W W W A+ ∆ = + ∆
1 2
t t
A W W W∆ = + ∆ −

THEO PHƯƠNG PHÁP
CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Ta có:

Vì có:
Đặt:
Dạng vi phân :
Vậy lực hút điện từ sẽ là:
1 2
1 2 2
1 2
2 1
; ;
2 2
( )
2
t t
t
I I
W W
I I
W
ψ ψ
ψ
ψ ψ
= =
+
∆ = −
.I L
ψ
=
1 2 2 1
1
( )

2
A I I
ψ ψ
∆ = −
2 1 2 1
, I I I
ψ ψ ψ
= + ∆ = + ∆
1 1
1
( )
2
A I I
ψ ψ
∆ = ∆ − ∆
1
( )
2
dA Id dI
ψ ψ
= −
1
( )
2
dA d dI
F I
d d d
ψ
ψ
δ δ δ

= = −

THEO PHƯƠNG PHÁP
CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Ta xét hai trường hợp sau:
a. Trường hợp khi I = const thì
Ta có :
Có : L = W2G
Trong đó : G là từ dẫn của mạch từ.
W là số vòng của cuộn dây.
Ta có :
0
dI
d
δ
=
5,1. [ ];
d
F I kg LI
d
ψ
ψ
δ
= =
2
5,1.
dL
F I
d
δ

=
( )
δ
d
dG
WF
2
,.5=

THEO PHƯƠNG PHÁP
CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
b. Trường hợp khi Ψ = const thì
Ta có :
nên
0
d
d
ψ
δ
=
1 dI
[J/cm] = -5,1. . [ ]
2 d
dI
F kg
d
ψ ψ
δ δ
= −
2

;I L W G
L
ψ
= =
.
2
m
W
φ
ψ
=
2
2
5,1
. . [ ];
2
m
dG
F kg
G d
φ
δ
=

NAM CHÂM ĐIỆN XOAY CHIỀU
VÀ VÒNG CHỐNG RUNG

NAM CHÂM ĐIỆN XOAY CHIỀU
VÀ VÒNG CHỐNG RUNG
Nam châm điện xoay chiều