Bài giảng điện - Điện tử: Cơ cấu điện từ và nam châm điện ppsx

CHƢƠNG 3 :
CƠ CẤU ĐIỆN TỪ
VÀ NAM CHÂM ĐIỆN
Ths. Trần Đình Cương
TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
1Khí cụ điện hạ áp: 401030
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  .
2Khí cụ điện hạ áp: 401030
KHÁI NIỆM CHUNG CƠ CẤU ĐIỆN TỪ
3
1
2

r



t
Hình : Kết cấu mạch từ
1.Thân mạch từ; 2. Nắp mạch từ ;3. Cuộn dây
3Khí cụ điện hạ áp: 401030

KHÁI NIỆM CHUNG CƠ CẤU ĐIỆN TỪ
Khi cho dòng điện chạy qua cuộn dây thì trong cuộn
dây có từ thông  đi qua, từ thông này cũng chia làm 3 thành
phần :
Từ thông chính 

: là từ thông đi qua khe hở không khí
chính, đó là từ thông làm việc của cơ cấu điện từ .
Từ thông tản 
t
: là từ thông đi ra ngoài khe hở không
khí chính.
Từ thông rò 
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.
4Khí cụ điện hạ áp: 401030
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.
5Khí cụ điện hạ áp: 401030

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

1


6Khí cụ điện hạ áp: 401030
CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN
CỦA MẠCH TỪ
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





.

.
.




l
i
l
FdRdlH



7Khí cụ điện hạ áp: 401030
NAM CHÂM ĐIỆN
8Khí cụ điện hạ áp: 401030
ĐẠI CƢƠNG VỀ NAM CHÂM ĐIỆN
i N

S
i
N

S
N
S
Nam châm điện
9Khí cụ điện hạ áp: 401030
ĐẠI CƢƠNG 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
10Khí cụ điện hạ áp: 401030
TÍNH LỰC HÚT ĐIỆN TỪ
NAM CHÂM ĐIỆN
11Khí cụ điện hạ áp: 401030
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 :
Tính theo công thức maxwell
Tính theo phương pháp cân bằng năng lượng
12Khí cụ điện hạ áp: 401030
TÍNH LỰC HÚT ĐIỆN TỪ
THEO CÔNG THỨC MAXWELL

Theo Maxell thi khi cho một vật dẫn từ trường thì vật
dẫn từ sẽ chịu một lực tác dụng :
Trong đó:
: vec tơ từ cảm ở khe hở KK bề mặt cực từ
: Vec tơ phâp tuyến đơn vị ở bề mặt cực từ
S: diện tích bề mặt vật dẫn.
μ
0
= 1,25.10
-8
[H/cm] lă độ từ thẩm của không kh.
Vì hệ số từ dẫn của vật liệu sắt từ lớn hơn nhiều của
không khí ( >>
0
) nín xem như cùng phương
 
2
11
. . .
02
s
F B n B B n ds






B


n

( =0)n

2
( . ) .B n B B n
13Khí cụ điện hạ áp: 401030
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 :
B: đơn vị [Wb/cm
2
].
S: diện tích từ thông qua [cm
2
].
= 1,25.10
-8
[Wb/A.cm]
Nếu B tính theo Tesla thì :
2
0
1
.
2
S
F B nds




ds s
0

 
2
2
44F B S kg
S


 
NSBF .
2
1
2
0


14Khí cụ điện hạ áp: 401030
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
dc
F B S kg
K



15Khí cụ điện hạ áp: 401030
THEO PHƢƠNG PHÁP
CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG
i N

S
16Khí cụ điện hạ áp: 401030
THEO PHƢƠNG PHÁP
CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG
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 Ri
dt


2

d
uidt Ri dt i dt
dt


2
0 0 0
t t t
d
uidt i Rdt i dt
dt


  
0
t
uidt

2
0
t
i
R dt






00
idW
dt
d
i
t
t
17Khí cụ điện hạ áp: 401030
THEO PHƢƠNG PHÁP
CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG

2

1

0
i
1
i
2
i
0
b
a
c d
2


1

18Khí cụ điện hạ áp: 401030
THEO PHƢƠNG PHÁP
CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG
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 =
   

2 2; 2
; I=I =
   

19Khí cụ điện hạ áp: 401030
THEO PHƢƠNG PHÁP
CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG
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




2
1
t
w id





oab
abcd
12
t t t
W W W A    
12

tt
A W W W    
20Khí cụ điện hạ áp: 401030
THEO PHƢƠNG PHÁP
CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG
Ta có:
Vì có:
Đặt:
Dạng vi phân :
Vậy lực hút điện từ sẽ là:
12
1 2 2
12
21
;;
22
()
2
tt
t
II
WW
II
W





  

.IL


1 2 2 1
1
()
2
A I I

  
2 1 2 1
, I II
  
     
11
1
()
2
A I I

    
1
()
2
dA Id dI


1
()
2

dA d dI
FI
d d d


  
  
21Khí cụ điện hạ áp: 401030
THEO PHƢƠNG PHÁP
CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG
Ta xét hai trường hợp sau:
Trường hợp khi I = const thì
Ta có :
Có : L = W
2
G
Trong đó : G là từ dẫn của mạch từ.
W là số vòng của cuộn dây.
Ta có :
0
dI
d


5,1. [ ];
d
F I kg LI
d





2
5,1.
dL
FI
d


 

d
dG
WF
2
,.5
22Khí cụ điện hạ áp: 401030
THEO PHƢƠNG PHÁP
CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG
Trường hợp khi  = const thì
Ta có :
nên
0
d
d



1 dI
[J/cm] = -5,1. . [ ]

2d
dI
F kg
d



2
;I L W G
L


.
2
m
W



2
2
5,1
. . [ ];
2
m
dG
F kg
Gd




23Khí cụ điện hạ áp: 401030
NAM CHÂM ĐIỆN XOAY CHIỀU
VÀ VÒNG CHỐNG RUNG
24Khí cụ điện hạ áp: 401030
NAM CHÂM ĐIỆN XOAY CHIỀU
VÀ VÒNG CHỐNG RUNG
Nam châm điện xoay chiều
25Khí cụ điện hạ áp: 401030