Bài giảng Kí cụ điện

Bộ lao động thương binh và xà hội
Trường đại học sư phạm kỹ thuật nam định

Nhóm biên soạn:
Th.s LÃ Văn trưởng
KS. Nguyễn Hải Thượng

bài giảng

Khí Cụ điện

Nam định 2011


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ......................................................................................4
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................. 7
LỜI NÓI ĐẦU ...............................................................................................................8
CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT KHÍ CỤ ĐIỆN .................................................. 9
1.1. Nam châm điện ...................................................................................................11
1.1.1. Đại cương về nam châm điện .......................................................................11
1.1.2. Mạch từ và cuộn dây nam châm điện...........................................................12
1.1.3. Lực hút điện từ của nam châm điện .............................................................22
1.1.4. Ứng dụng của nam châm điện......................................................................24
1.2. Lực điện động trong khí cụ điện .........................................................................25
1.2.1. Các phương pháp tính lực điện động ...........................................................25
1.2.2. Tính tốn lực điện động ở các trường hợp thường gặp ................................28
1.3. Sự phát nóng trong khí cụ điện ...........................................................................29
1.3.1. Khái niệm chung ..........................................................................................29
1.3.2. Các dạng tổn hao năng lượng .......................................................................31
1.3.3. Các phương pháp trao đổi nhiệt ...................................................................33

1.4. Tiếp xúc điện ......................................................................................................35
1.4.1 Khái niệm chung ...........................................................................................35
1.4.2 Điện trở tiếp xúc ............................................................................................36
1.4.3. Vật liệu và kết cấu tiếp điểm ........................................................................39
1.5. Hồ quang điện .....................................................................................................42
1.5.1. Khái niệm chung, q trình ion hố và khử ion trong chất khí ...................42
1.5.2. Các biện pháp dập hồ quang ........................................................................43
1.6. Cách điện trong khí cụ điện ................................................................................47
1.6.1. Khái niệm chung ..........................................................................................47
1.6.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến cách điện ...........................................................47
1.6.3. Điện áp thử nghiệm của khí cụ điện ............................................................48
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1...................................................................50
CHƯƠNG 2 KHÍ CỤ ĐIỆN HẠ ÁP ......................................................................... 52
2.1. Khí cụ điện đóng cắt bằng tay ............................................................................52
2.1.1. Công tắc (Switch).........................................................................................52
2.1.2. Nút ấn (Push Button)....................................................................................56
2.1.3. Cầu dao (Disconnecting Switch)..................................................................57
2.1.4. Aptômat (Circuit Breaker) ...........................................................................60
2.1.4. Bộ khống chế................................................................................................66
1


2.2. Khí cụ điện đóng cắt tự động ...................................................................... 70
2.2.1. Cơngtăctơ (Contactor) ................................................................................. 70
2.2.2. Khởi động từ ................................................................................................ 78
2.3. Khí cụ điện điều khiển và bảo vệ ....................................................................... 83
2.3.1. Cầu chì (Fuse) .............................................................................................. 83
2.3.2. Rơle (Relay) ................................................................................................. 87
1. Khái niệm chung ............................................................................................ 87
2. Rơle điện từ .................................................................................................... 90

3. Rơle trung gian ............................................................................................... 92
4. Rơle điều khiển ............................................................................................... 93
5. Rơle dòng điện ............................................................................................... 94
6. Rơle điện áp .................................................................................................... 96
7. Rơle tần số ...................................................................................................... 98
8. Rơle nhiệt ....................................................................................................... 99
9. Rơle thời gian ............................................................................................... 100
10. Rơle tốc độ ................................................................................................. 103
11. Rơle kỹ thuật số .......................................................................................... 104
2.4. Thiết bị cấp nguồn dự phòng ............................................................................ 119
2.4.1. Thiết bị cấp nguồn liên tục (UPS) ............................................................. 119
2.4.2. Thiết bị tự động đổi nguồn (ATS) ............................................................. 122
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 2 ................................................................ 125
CHƯƠNG 3 KHÍ CỤ ĐIỆN CAO ÁP .................................................................... 127
3.1. Máy cắt điện cao áp .......................................................................................... 127
3.1.1. Khái niệm chung ........................................................................................ 127
3.1.2. Máy cắt nhiều dầu ...................................................................................... 132
3.1.3. Máy cắt ít dầu............................................................................................. 133
3.1.4. Máy cắt khơng khí nén ............................................................................... 135
3.1.5. Máy cắt khí SF6 ......................................................................................... 137
3.1.6. Máy cắt tự sinh khí .................................................................................... 139
3.1.7. Máy cắt chân không ................................................................................... 140
3.1.8. Nguyên lý thao tác của máy cắt ................................................................. 141
3.2. Dao cách ly (DS - Disconnecting Switch) ........................................................ 143
3.2.1. Khái niệm và công dụng ............................................................................ 143
3.2.2. Phân loại..................................................................................................... 144
3.2.3. Cấu tạo và nguyên lý làm việc ................................................................... 144
3.3. Dao ngắn mạch ................................................................................................. 146
2

3.3.1. Khái niệm và công dụng ............................................................................146
3.3.2. Cấu tạo .......................................................................................................147
3.3.3. Nguyên lý làm việc ....................................................................................147
3.4. Dao cắt phụ tải ..................................................................................................148
3.4.1. Công dụng ..................................................................................................148
3.4.2. Điều kiện lựa chọn và kiểm tra ..................................................................149
3.5. Thiết bị chống sét ..............................................................................................149
3.5.1. Khái niệm và công dụng ............................................................................149
3.5.2. Chống sét ống .............................................................................................150
3.5.3. Chống sét van .............................................................................................151
3.5.4. Chống sét van bằng ôxýt kim loại ..............................................................153
3.6. Kháng điện ........................................................................................................154
3.6.1. Khái niệm và công dụng ............................................................................154
3.6.2. Kháng điện bê tông ....................................................................................156
3.6.3. Kháng điện dầu ..........................................................................................156
CÂU HỎI CHUƠNG 3 ........................................................................................157
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................158
PHỤ LỤC ..................................................................................................................159

3


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cấu tạo nam châm điện .................................................................................. 11
Hình 1.2 Đường cong từ hố của vật liệu từ ................................................................. 14
Hình 1.3 Phân bố từ trường tại khe hở .......................................................................... 16
Hình 1.4 Các hình đơn giản........................................................................................... 16
Hình 1.5 Các dạng khe hở khơng khí trong các mạch từ .............................................. 17
Hình 1.6 Mạch từ hình xuyến........................................................................................ 19

Hình 1.7 Mạch từ xoay chiều ........................................................................................ 20
Hình 1.8 Mơ hình bộ ly hợp điện từ .............................................................................. 25
Hình 1.9 Lực điện động tính theo định luật Bio - Xava - Laplace ................................ 26
Hình 1.10 Các dạng bề mặt tiếp xúc điện ..................................................................... 36
Hình 1.11 Tiếp xúc điện ở thực tế ................................................................................. 37
Hình 1.12 Quan hệ giữa lực ép tiếp điểm với Rtx.......................................................... 39
Hình 1.13 Quan hệ giữa hình dạng tiếp xúc với Rtx ...................................................... 39
Hình 1.14 Tiếp điểm cơng son ...................................................................................... 40
Hình 1.15 Tiếp điểm kiểu cầu ....................................................................................... 41
Hình 1.16 Tiếp điểm kiểu dao ....................................................................................... 41
Hình 1.17 Buồng dập hồ quang kiểu ziczac .................................................................. 45
Hình 1.18 Nối điện trở song song với hồ quang ........................................................... 47
Hình 2.1 Cấu tạo cơng tắc hộp ...................................................................................... 53
Hình 2.2 Cơng tắc vạn năng .......................................................................................... 53
Hình 2.3 Cấu tạo cơng tắc hành trình loại BK-111 ....................................................... 54
Hình 2.4 Ký hiệu một số loại cơng tắc .......................................................................... 54
Hình 2.5 Cấu tạo, ký hiệu và hình dáng nút ấn ............................................................. 57
Hình 2.6 Cầu dao có lưỡi dao phụ................................................................................. 59
Hình 2.7 Ký hiệu cầu dao .............................................................................................. 60
Hình 2.8 Hệ thống tiếp điểm của một kiểu Aptơmat .................................................... 61
Hình 2.9 Cơ cấu truyền động của Aptơmat ................................................................... 62
Hình 2.10 Sơ đồ ngun lý làm việc của Aptơmat ....................................................... 64
Hình 2.11 Ký hiệu Aptơmat .......................................................................................... 64
Hình 2.12 Bộ khống chế hình trống .............................................................................. 66
Hình 2.13 Cấu tạo bộ khống chế hình cam ................................................................... 67
Hình 2.14 Sơ đồ khai triển của bộ khống chế ............................................................... 69
Hình 2.15 Ký hiệu Cơngtăctơ........................................................................................ 70
4

Hình 2.16 Hình dáng một loại Cơngtăctơ .....................................................................71
Hình 2.17 Kết cấu và hoạt động của Cơngtăctơ ............................................................71
Hình 2.18 Mạch vịng dẫn điện của Cơngtăctơ .............................................................72
Hình 2.19 Cơ cấu điện từ của Cơngtăctơ ......................................................................73
Hình 2.20 Sơ đồ ngun lý Cơngtăctơ điện tử ..............................................................75
Hình 2.21 Cơngtăctơ điều khiển bằng từ .......................................................................76
Hình 2.22 Cơngtăctơ điều khiển bằng biến áp ..............................................................76
Hình 2.23 Cơngtăctơ điều khiển bằng quang ................................................................76
Hình 2.24 Cơngtăctơ điều khiển theo điện áp đầu ra ....................................................77
Hình 2.25 Cơngtăctơ chân khơng kiểu VRC .................................................................77
Hình 2.26 Mạch điện khởi động từ đơn ........................................................................79
Hình 2.27 Mạch điện khởi động từ kép dùng nút bấm đơn...........................................80
Hình 2.28 Cấu tạo cầu chì vặn.......................................................................................83
Hình 2.29 Đặc tính Ampe – giây của cầu chì ................................................................84
Hình 2.30 Hình ảnh cầu chì ...........................................................................................87
Hình 2.31 Đặc tính cơ bản của rơle ...............................................................................88
Hình 2.32 Cấu tao rơle điện từ ......................................................................................91
Hình 2.33 Cấu tạo rơle trung gian .................................................................................92
Hình 2.34 Hình dáng rơle trung gian 8 chân .................................................................93
Hình 2.35 Ký hiệu rơle trung gian .................................................................................93
Hình 2.36 Rơle RID.......................................................................................................94
Hình 2.37 Sơ đồ mạch rơle bảo vệ động cơ điện một chiều .........................................95
Hình 2.38 Rơle dịng khởi động động cơ ......................................................................95
Hình 2.39 Sơ đồ khởi động động cơ một pha bằng rơle dịng và tụ điện......................96
Hình 2.40 Sơ đồ nối dây của rơle điện áp cực đại PH-51 .............................................97
Hình 2.41 Sơ đồ nối dây của rơle điện áp cực đại PH-53 .............................................98
Hình 2.42 Cấu tạo rơle nhiệt .........................................................................................99
Hình 2.43 Ký hiệu cuộn dây và tiếp điểm của rơle thời gian ......................................101
Hình 2.44 Sơ lược kết cấu rơle thời gian kiểu điện từ ................................................102
Hình 2.45 Mạch điện rơle thời gian điện tử ................................................................102

Hình 2.46 Sơ đồ nối dây (sơ đồ chân) và biểu đồ thời gian của rơle ..........................103
Hình 2.47 Hình dáng một rơle thời gian điển hình của hãng CKC, Omron ...............103
Hình 2.48 Nguyên lý cấu tạo của rơle tốc độ ..............................................................104
Hình 2.49 Sơ đồ khối rơle số .......................................................................................106
Hình 2.50 Rơle K8AB .................................................................................................107
Hình 2.51 Sơ đồ đấu dây rơle K8AB ..........................................................................108
5


Hình 2.52 Rơle EGR ................................................................................................... 109
Hình 2.53 Sơ đồ nguyên lý .......................................................................................... 111
Hình 2.54 Sơ đồ rơle bảo vệ khoảng cách Rell511 ..................................................... 115
Hình 2.55 Sơ đồ rơle SPAE 010 ................................................................................. 118
Hình 2.56 Sơ đồ khối UPS .......................................................................................... 119
Hình 2.57 Sơ đồ mạch động lực .................................................................................. 121
Hình 2.58 Sơ đồ mạch điều khiển ............................................................................... 122
Hình 2.59 Sơ đồ cấu trúc ATS .................................................................................... 123
Hình 2.60 Khối chuyển mạch ...................................................................................... 124
Hình 3.1 Máy cắt nhiều dầu ........................................................................................ 132
Hình 3.2 Máy cắt nhiều dầu Liên Xơ chế tạo ............................................................. 133
Hình 3.3 Máy cắt ít dầu ............................................................................................... 133
Hình 3.4 Dập tắt hồ quang .......................................................................................... 134
Hình 3.5 Máy cắt kiểu BMK-35.................................................................................. 134
Hình 3.6 Máy cắt khơng khí nén ................................................................................. 135
Hình 3.7 Dập tắt hồ quang bằng luồng khí ................................................................. 135
Hình 3.8 Máy cắt khơng khí ........................................................................................ 136
Hình 3.9 Dịng điện chạy qua máy cắt khí SF6.......................................................... 137
Hình 3.10 Trạng thái quá độ cắt của máy cắt khí SF6 ................................................ 138
Hình 3.11 Trạng thái cắt sinh hồ quang của máy cắt khí SF6 .................................... 138
Hình 3.12 Dập tắt hồ quang của máy cắt khí SF6 ...................................................... 138

Hình 3.13 Trạng thái cắt hồn tồn của máy cắt khí SF6 .......................................... 138
Hình 3.14 Cấu tạo máy cắt tự sinh khí ........................................................................ 139
Hình 3.15 Mặt cắt của buồng đóng cắt chân khơng 12kV, 25kA ............................... 140
Hình 2.16 Mặt cắt của máy cắt chân khơng VBL, VD4 ............................................. 141
Hình 3.17 Nguyên lý thao tác của máy cắt ................................................................. 143
Hình 3.18 Các bộ phận của cách ly ............................................................................. 144
Hình 3.19 Dao cách ly kiểu quay ................................................................................ 145
Hình 3.20 Dao cách ly một trụ .................................................................................... 145
Hình 3.21 Cấu tạo của dao cách ly đặt trong nhà........................................................ 146
Hình 3.22 Cấu tạo dao ngắn mạch .............................................................................. 147
Hình 3.0.23 Sơ đồ nguyên lý ....................................................................................... 148
Hình 3.24 Nguyên lý cấu tạo của buồng cắt SF6 ........................................................ 148
Hình 3.25 Sơ đồ nối chống sét ống ............................................................................. 150
Hình 3.26 Cấu tạo của chống sét ống .......................................................................... 151
Hình 3.27 Chống sét van ............................................................................................. 152
6


Hình 3.28 Đặc tính vơn-ampe .....................................................................................153
Hình 3.29 Sơ đồ của kháng điện máy phát ..................................................................154
Hình 3.30 Sơ đồ điện của cuộn kháng .........................................................................155
Hình 3.31 Kháng điện bê tơng .....................................................................................156
Hình 3.32 Kháng điện dầu ...........................................................................................156

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Tham số của mạch điện và mạch từ ...............................................................12
Bảng 1.2 Lực nâng của NCĐ theo tải............................................................................24
Bảng 1.3 Nhiệt độ cho phép của một số vật liệu làm tiếp điểm ....................................30
Bảng 1.4 Cấp cách điện và các vật liệu cách điện chủ yếu ...........................................30
Bảng 1.5 Điện trở suất () và ứng suất biến dạng dẻo () của một số vật liệu .............37

Bảng 1.6 Trị số K của một số vật liệu ...........................................................................38
Bảng 1.7 Hệ số m của các hình thức tiếp xúc ...............................................................38
Bảng 1.8 Điện áp thử nghiệm của KCĐ hạ áp ..............................................................48
Bảng 1.9 Điện áp thử nghiệm của KCĐ cao áp ở điều kiện bình thường .....................49
Bảng 2.1 Bảng số liệu công tắc một pha .......................................................................55
Bảng 2.2 Bảng nối điện của tay trang............................................................................69
Bảng 2.3 Thông số khởi động từ  ME – 200 ..............................................................81
Bảng 2.4 Một vài tham số của rơle ................................................................................90
Bảng 2.5 Bảng các thơng số chính rơle K8A8 ............................................................107
Bảng 3.1 Độ lệch điện áp cho phép tương đối so với điện áp định mức.....................129
Bảng 3.2 Các điều kiện và chọn và kiểm tra máy cắt .................................................131

7


LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây, việc lắp đặt, sử dụng và sửa chữa các khí cụ điện
trong cơng nghiệp, nông nghiệp và các ngành kinh tế khác ngày càng phát triển nhanh
chóng. Số lượng khí cụ điện được sử dụng trong các ngành tăng lên không ngừng. Mặt
khác, các khí cụ điện ngày càng được cải tiến và càng hoàn thiện về phương diện kỹ
thuật nhằm đáp ứng yêu cầu của người sử dụng là an toàn, đảm bảo thao tác đúng và
tin cậy, đồng thời tuổi thọ cao.
Với một vai trò quan trọng như vậy và xuất phát từ u cầu, kế hoạch đào tạo
chương trình mơn học “Khí cụ điện” của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam
Định. Chúng tơi đã biên soạn giáo trình “Khí cụ điện” gồm 3 chương với nội dung cơ
bản sau:
-

Chương 1: Cơ sở lý thuyết khí cụ điện

-

Chương 2: Khí cụ điện hạ áp

-

Chương 3: Khí cụ điện cao áp

Giáo trình được biên soạn phục vụ cho cơng tác giảng dạy, tài liệu học tập cho
đối tượng là sinh viên đại học ngành kỹ thuật điện của trường và cũng là tài liệu tham
khảo cho sinh viên các ngành liên quan và các kỹ sư, kỹ thuật viên quan tâm nghiên
cứu khí cụ điện.
Khi biên soạn giáo trình, chúng tôi đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới có
liên quan và phù hợp với đối tượng sử dụng cũng như cố gắng gắn những nội dung lý
thuyết với những vấn đề thực tế thường gặp trong sản xuất, đời sống để giáo trình có
tính thực tiễn cao. Sau mỗi phần đều có câu hỏi và bài tập.
Mặc dù đã cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót. Rất mong nhận
được ý kiến đóng góp của người sử dụng. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về bộ môn Cơ
sở kỹ thuật điện, khoa Điện - Điện tử, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định.
Các tác giả

8


CHƯƠNG 1
CƠ SỞ LÝ THUYẾT KHÍ CỤ ĐIỆN
Khí cụ điện (KCĐ) là những thiết bị điện dùng để điều khiển, kiểm tra, tự động
điều chỉnh, khống chế các đối tượng điện cũng như không điện và bảo vệ chúng trong
trường hợp có sự cố.
Khí cụ điện được sử dụng rộng rãi ở các nhà máy phát điện, các trạm biến áp,

trong các xí nghiệp cơng nghiệp, nơng nghiệp, lâm nghiệp, thuỷ lợi, giao thơng vận tải
và quốc phịng ...
Khí cụ điện thường được phân loại theo chức năng, theo nguyên lý, theo môi
trường và theo điện áp. Để thuận lợi cho nghiên cứu sử dụng và sửa chữa khí cụ điện,
người ta phân loại như sau:
 Theo chức năng gồm có:
- Khí cụ điện dùng để đóng cắt: chức năng chính của nhóm này là dùng để đóng
cắt tự động hoặc bằng tay mạch điện ở các chế độ làm việc khác nhau. Các KCĐ đóng
cắt gồm cầu dao, Aptơmat, máy ngắt tự động, dao cách ly, các bộ chuyển đổi nguồn
v.v... Đặc điểm là tần số thao tác thấp (thỉnh thoảng mới phải thao tác), do đó tuổi thọ
của chúng thường khơng cao (đến hàng chục ngàn lần đóng cắt).
- Khí cụ điện hạn chế dịng điện - điện áp: chức năng chính là hạn chế dịng
điện, điện áp trong mạch không tăng quá cao khi bị sự cố. Kháng điện dùng để hạn chế
dòng ngắn mạch, van chống sét hạn chế điện áp.
- Khí cụ điện dùng để mở máy, điều khiển: nhóm này gồm các loại KCĐ như
các bộ mở máy, Côngtăctơ, khởi động từ, bộ khống chế, biến trở, điện trở mở máy
v.v... . Đặc điểm của nhóm này là có tần số thao tác đóng cắt cao, có thể đạt tới 1500
lần/giờ, tuổi thọ có thể đạt tới hàng triệu lần đóng cắt.
- Khí cụ điện tự động điều chỉnh, khống chế, duy trì chế độ làm việc và các
tham số của đối tượng như các bộ ổn định điện áp, ổn định tốc độ, ôn định nhiệt độ…
- Khí cụ điện dùng để kiểm tra theo dõi: nhóm này có chức năng kiểm tra, theo
dõi sự làm việc của các đối tượng và biến đổi các tín hiệu khơng điện thành các tín
hiệu điện. Các KCĐ nhóm này gồm các rơle, các bộ cảm biến… Đặc điểm của nhóm
này là cơng suất thấp, thường được nối ở mạch thứ cấp để biến đổi, truyền tín hiệu.
- Khí cụ điện biến đổi dịng điện, điện áp gồm máy biến dịng, máy biến điện
áp. Chúng có chức năng biến đổi dòng điện lớn, điện áp cao thành dịng điện và điện
áp có trị số thích hợp, an toàn cho việc đo lường, điều khiển, bảo vệ.

9

 Theo nguyên lý làm việc có các loại: nguyên lý điện cơ, điện từ, từ điện, cảm
ứng, nhiệt, có tiếp xúc, khơng có tiếp xúc.
 Theo loại dịng điện: khí cụ điện dùng điện một chiều và xoay chiều.
 Theo độ lớn điện áp gồm có:
- Khí cụ điện cao áp được chế tạo để dùng ở điện áp định mức từ 1000V trở lên.
KCĐ trung áp có điện áp đến 36 kV, KCĐ cao áp có điện áp từ 36kV đến 400kV và
KCĐ siêu cao áp có điện áp từ 400 kV trở lên.
- Khí cụ điện hạ áp: được chế tạo để dùng ở điện áp dưới 1000V (thường chỉ
đến 660V).
 Theo điều kiện mơi trường: khí cụ điện làm việc ở vùng nhiệt đới, ở vùng có
nhiều rung động, vùng mỏ có khí nổ, ở mơi trường có chất ăn mịn hố học, loại để hở,
loại bọc kín v.v...
Khí cụ điện cần phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Khí cụ điện phải đảm bảo sử dụng lâu dài với các thông số kỹ thuật ở định
mức. Nói một cách khác dịng điện qua vật dẫn khơng được vượt q trị số cho phép,
vì nếu khơng sẽ làm nóng khí cụ điện và chóng hỏng.
- Khí cụ điện phải ổn định nhiệt và ổn định điện động. Vật liệu phải chịu nóng
tốt và có cường độ cơ khí cao vì khi q tải hay ngắn mạch, dịng điện lớn có thể làm
cho khí cụ điện bị hư hỏng hay biến dạng.
- Vật liệu cách điện phải tốt để khi xảy ra quá điện áp trong phạm vi cho phép,
khí cụ điện khơng bị chọc thủng.
- Khí cụ điện phải đảm bảo làm việc được chính xác, an tồn, song phải gọn
nhẹ, rẻ tiền, dễ gia cơng, dễ lắp ráp, dễ kiểm tra và sửa chữa.
- Ngoài ra khí cụ điện phải làm việc ổn định ở các điều kiện khí hậu và mơi
trường u cầu.

10

1.1. Nam châm điện
1.1.1. Đại cương về nam châm điện
Nam châm điện (NCĐ) là loại cơ cấu điện từ biến đổi điện năng thành cơ năng.
NCĐ được dùng rộng rãi trong mọi lĩnh vực như: cơ cấu truyền động của rơle điện cơ,
Cơngtăctơ, các thiết bị đóng cắt, bảo vệ, cơ cấu chấp hành của van điện từ, khớp nối,
phanh hãm, bộ ly hợp kiểu điện từ, các cần trục để nâng thép, loa điện, chuông điện...
1. Cấu tạo và ngun lý làm việc
Hình dáng, kết cấu và kích thước của NCĐ rất đa dạng tùy thuộc vào chức năng
và mục đích sử dụng. NCĐ gồm có hai bộ phận chính là cuộn dây (phần điện) và mạch
từ (phần từ).
Trong thực tế ta thường gặp hai loại sau: loại có nắp chuyển động và loại khơng
có nắp chuyển động.
- Loại có nắp chuyển động: Gồm có cuộn dây 1, lõi sắt từ 2 và nắp 3 (hình 1.1)
Khi đóng khố K sẽ có dịng điện i chạy trong cuộn dây và tạo nên sức từ động
F = (iw), sinh ra từ thông 0. Từ thông này gồm 2 thành phần:  đi qua khe hở khơng
khí làm việc  giữa nắp và lõi sắt sẽ sinh lực hút điện từ (nhờ hiện tượng từ hoá) tác
dụng lên nắp. Khi lực này lớn hơn lực kéo của lị xo 4 thì nắp bị hút về phía lõi của
NCĐ. Một phần của từ thơng tổng khơng đi qua khe hở khơng khí làm việc mà khép
kín từ thân này sang thân kia của mạch từ gọi là từ thơng rị r. Khi cắt khố K, dịng
điện trong cuộn dây i = 0 thì lực hút điện từ cũng khơng cịn nữa, lị xo 4 sẽ đưa nắp về
vị trí ban đầu. Cữ chặn 5 để điều chỉnh khe hở khơng khí .
- Loại khơng có nắp: gồm có cuộn dây và lõi sắt từ. Đối với loại này, các vật
liệu sắt thép bị hút được xem như là nắp.

Hình 1.1 Cấu tạo nam châm điện

11


2. Phân loại

- Theo tính chất dịng điện: gồm NCĐ một chiều và NCĐ xoay chiều.
Với NCĐ xoay chiều, mạch từ được ghép bởi các lá thép kỹ thuật điện mỏng; cịn ở
NCĐ một chiều mạch từ thường có dạng khối làm từ thép ít cacbon.
- Theo hình dáng : + Loại hút chập hay hút quay, nắp quay quanh 1 trục;
+ Loại hút thẳng: nắp hút thẳng về phía lõi;
+ Loại hút ống (cịn gọi là loại pittơng)...
- Theo cách đấu cuộn dây của NCĐ: gồm cuộn dây mắc nối tiếp với tải và cuộn
dây mắc song song với nguồn.
1.1.2. Mạch từ và cuộn dây nam châm điện
1. Đặc điểm mạch từ
Mạch từ là một trong những phần chủ yếu của các thiết bị điện từ như máy điện,
thiết bị điện và khí cụ điện. Phần lớn mạch từ làm bằng vật liệu sắt từ, nó có thể là một
mạch khơng phân nhánh hoặc phân nhánh.
Mạch từ có thể gồm rất nhiều đoạn có tiết diện khác nhau hoặc làm bằng các loại vật
liệu khác nhau. Thậm chí có đoạn ngắn là khe hở khơng khí trong mạch từ.
Vị trí cuộn dây kích thích quấn trên mạch từ khơng ảnh hưởng đến cường độ từ
trường (H) và hình dạng đường sức. Cường độ từ cảm (B) và cường độ từ trường (H)
trong các đoạn mạch từ (phân nhánh) sẽ khác nhau, trong một đoạn mạch từ thì B và
H là không đổi (mạch từ không phân nhánh).
2. Các tham số của mạch từ
Bảng 1.1 Tham số của mạch điện và mạch từ
MẠCH ĐIỆN

MẠCH TỪ

U Điện áp

U

U = .R Từ áp

E Sức điện động

F

F = iw Sức từ động (Ampere-turns: At)

I Dịng điện

m

Từ thơng (Weber: Wb) – Giá trị biên độ

R Điện trở

R

Z Tổng trở

Z

Z = R + jX Tổng trở từ

X Điện kháng

X

Từ kháng

J Mật độ dòng điện

Bm

Bm = m/S Cường độ từ cảm

E Điện trường (V/m)

H

H= F/l Cường độ từ trường

R =

12

1 l
(H-1) Từ trở
S


 Điện dẫn suất (1/m)

Hệ số từ thẩm vật liệu từ (H/m)



Với chân không  = 0 = 4.10-7H/m
G Điện dẫn (1/)

Từ dẫn (H)

G

B: đơn vị là Wb/m2 (weber/meter2) hoặc T (Tesla):
Một số đơn vị dẫn xuất của từ cảm:
1 Tesla = 1 weber/meter2 = 64,516 lines/square inch = 104 Gauss
H: đơn vị là At/m (ampere -turns/meter)
1 amper-turns/inch = 39,3701 ampere-turns/meter
1 oersted = 79,5775 amper-turns/meter.
3. Các định luật cơ bản về mạch từ
a. Định luật tồn dịng điện.
Tích phân đường của cường độ từ trường theo một vòng từ khép kín bằng tổng
sức từ động của vịng từ đó.

 Hdl   F

(1.1)

i

l

Hay

H l  F
i i

j

  H i li   i j .w j

Ví dụ như mạch từ hình 1.1 thì ta có:
Hl + 2H. = (iw)
trong đó: H và H là cường độ từ trường trong mạch từ có chiều dài l và tại khe hở
khơng khí .
b. Định luật Ơm (Ohm) của mạch từ .
Trong một đoạn mạch từ: Từ áp rơi trên một đoạn mạch từ bằng tích của từ
thơng  với từ trở R của đoạn mạch từ ấy.
U μ  ΦR μ

(1.2)

Trong tồn mạch từ: Từ thơng  của mạch từ khép kín bằng tích số của sức từ
động F với từ dẫn G của mạch từ.
 = (Iw).Gμ
c. Định luật Kiêckhôp 1 (Kirchhoff 1)
Trên mọi điểm của mạch từ tổng từ thông đi vào bằng tổng từ thông đi ra:
n

 i  0

(1.3)

1

13


d. Định luật Kiêckhôp 2 (Kirchhoff 2)
Với một mạch từ khép kín, tổng từ áp của các đoạn mạch từ bằng tổng sức

từ động:

  R   F
i

i

i

j

(1.4)

j

Ví dụ như mạch từ hình 1.1 thì ta có:
(Iw)  Φ.R μ 

2Φ δ
2B.S
 H.l 
Gδ
Gδ

Đặc tính cơ bản nhất của vật liệu từ là đường cong từ hóa biểu diễn quan hệ
giữa B và H. Đây là quan hệ phi tuyến phức tạp mà không thể biểu diễn dưới dạng các
hàm giải tích được.
Trên hình 1.2 biểu diễn đường cong từ hoá của vật liệu từ mềm và hệ số từ
thẩm tương đối r = Fe/0. Trong vùng có trị số H lớn thì từ trở của mạch từ sẽ lớn vì
r bé (gọi là vùng bão hồ). Từ trở của mạch từ sẽ nhỏ nhất khi Fe đạt cực đại tại

Femax (điểm bão hồ). Phần phía dưới của điểm bão hồ gọi là vùng tuyến tính của
đường cong từ hố.
(T)

(A.t/m)
Hình 1.2 Đường cong từ hố của vật liệu từ
4. Từ dẫn của khe hở khơng khí
Khi điểm làm việc của mạch từ nằm trong vùng tuyến tính của đường cong từ
hố vì độ từ thẩm Fe của sắt từ lớn nên từ trở của nó rất nhỏ. Tồn bộ từ trở của mạch
từ phụ thuộc vào từ trở của khe hở khơng khí.
Áp dụng định luật Ơm cho đoạn mạch từ là khe hở khơng khí như sau:
Gδ 

Φδ
U μδ

(1.5)

14


trong đó: U là từ áp rơi trên khe hở khơng khí ;  là từ thơng đi qua khe hở
khơng khí .
Nếu bỏ qua từ thơng tản (phần từ thơng bao bọc xung quanh khe hở ) thì có
thể coi từ trường tại khe hở là đều. Công thức (1.5) trở thành:

G 


B.S

S

 0
U  H.


(1.6)

Trong đó:
G : Là từ dẫn khe hở khơng khí (H) hoặc Wb/A
o : Hệ số từ thẩm khơng khí hoặc chân khơng (H/m)
S : Tiết diện mạch từ mà từ thông đi qua (a x b) (m2)
Cơng thức (1.6) chỉ áp dụng tính cho những trường hợp khe hở khơng khí rất bé
và đều nhau như:
- Với cực từ hình trụ: S = d2/4, /d  0,2;
- Với cực từ hình chữ nhật: S = a.b; /a, /b  0,2.
Thực tế, khe hở khơng khí thường lớn và có hình dạng phức tạp nên phải xét
đến từ trường tản. Khi đó, ta tính từ dẫn khe hở khơng khí theo các phương pháp sau:
- Phương pháp phân chia từ trường;
- Phương pháp tính từ dẫn theo công thức kinh nghiệm;
- Phương pháp đồ thị (kết quả có độ chính xác khơng cao, ít được dùng).
a. Tính từ dẫn (G) bằng phương pháp phân chia từ trường
Với phương pháp này người ta thường chia từ trường ở trong khe hở khơng khí
làm các từ trường thành phần có dạng hình học đơn giản, sau đó đó tính từ dẫn của các
từ trường thành phần đó và cuối cùng tổng hợp các kết quả lại để tìm từ dẫn tổng của
khe hở khơng khí. Cơng thức cơ sở để tính từ dẫn của các hình đơn giản dựa vào phép
biến đổi sau:
G = o .

Stb

S .δ
V
= o. tb 2tb = μ 0 2
δ tb
δ tb
δ tb

(1.7)

trong đó : Stb là mặt cắt trung bình của hình, vng góc với đường sức từ; tb là độ dài
trung bình của đường sức từ trong hình; V là thể tích của hình.
Xét trường hợp từ dẫn của khe hở khơng khí giữa 2 cực từ hình chữ nhật với
kích thước a, b và khe hở khơng khí ; m là bề dày của từ thơng tản (hình 1.3).
Phần khơng gian tại khe hở khơng khí được chia thành 17 hình đơn giản và
dùng cơng thức (1.7) để tính từ dẫn của các hình đó, gồm:

15


- Một hình khối chữ nhật với các cạnh a, b và chiều cao :
Go = o .

a.b



Hình 1.3 Phân bố từ trường tại khe hở
- Hai hình nửa khối trụ đặc với đường kính  chiều dài a (hình 1.4a), từ dẫn của
G1 = 0,260 .a

mỗi hình là:

- Hai hình nửa khối trụ đặc với đường kính 
chiều dài b (hình 1.4a), từ dẫn của mỗi hình là:
G2 = 0,260 .b
- Hai hình nửa trụ rỗng với đường kính trong

a/

, đường kính ngồi (+2m), chiều dài a (hình
1.4b), từ dẫn của mỗi hình là:
G3 = 0

2a



 (  1)

, thường lấy m = (12)

m

- Hai hình nửa trụ rỗng với đường kính trong

b/

, đường kính ngồi (+2m), chiều dài b (hình 1.4b),
từ dẫn của mỗi hình là:
G4 = 0

2b


 (  1)

, thường lấy m = (12)

m

- Bốn hình 1/4 cầu đặc với đường kính  (hình

c/

1.4c), từ dẫn của mỗi hình là:
G5 = 0,0770 . 
- Bốn hình 1/4 cầu rỗng với đường kính trong 
(hình 1.4d), đường kính ngồi (+2m), từ dẫn của mỗi
hình là:

G6 = 0

d/

m
4

Hình 1.4 Các hình đơn giản
16

Vì tất cả các từ dẫn này song song với nhau nên từ dẫn tổng ở khe hở khơng khí
trong trường hợp này là tổng của 17 từ dẫn thành phần :
G = G0 +2(G1 + G2 + G3 + G4) + 4(G5 + G6)

(1.8)

hoặc có thể viết:
G = G0 + Gt
Đặt:

t =

G
G
 1 t
G 0
G 0

trong đó: Gt là từ dẫn tản ở khe hở khơng khí; t là hệ số từ tản của khe hở khơng khí.
Khi khe hở  bé, từ dẫn tản bé nên hệ số từ tản có thể bằng 1 (tức là bỏ qua từ dẫn tản).
Tính từ dẫn bằng phương pháp phân chia từ trường cho kết quả tương đối chính
xác, nhưng tốn nhiều cơng sức.
b. Tính từ dẫn bằng phương pháp kinh nghiệm
Dựa vào các số liệu thực nghiệm và mơ hình hoá cũng như lý thuyết tương tự,
các tác giả đã đưa ra các cơng thức giải tích, tính tốn từ dẫn ở các dạng khe hở khơng
khí của các mạch từ thường gặp dựa vào đặc điểm cấu tạo của mạch từ, rất tiện lợi cho
việc tính tốn.





Hình 1.5 Các dạng khe hở khơng khí trong các mạch từ
* Trường hợp nắp mạch từ làm với trục lõi 1 góc  (hình 1.5a)
Từ dẫn trong khe hở khơng khí được xác định:
G = K.G0
trong đó: G0 = 0 . S



S: Tiết diện lõi từ
 : chiều dài trung bình khe hở khơng khí
K: hệ số điều chỉnh = 2,75. 4 
 : là góc lệch giữa nắp và lõi (tính theo radian)

17


* Trường hợp nắp và lõi song song nhau (hình 1.5b)
Ta có từ dẫn là: G = K.0. S = K.G0


Với K = 1+ 0,58 (1  m)  0,312
m.n

m.n

Với m = b
a

;

n= a



* Trường hợp trụ và nắp là mặt phẳng (hình 1.5c)
G = K.0. S = K.G0


Với K = 1 +

0,58
0,31
(1  1,5m ) 
m.n
m.n 2

* Trường hợp trụ và nắp là 1 mặt phẳng nhưng trụ đặt ở giữa nắp
G  = K.0. S = K.G0


Với K = 1 +

0,31
0,58
(1  2 m) 
m.n
m.n 2

5. Mạch từ một chiều và xoay chiều
a. Mạch từ một chiều
Trong mạch từ một chiều, dòng điện chạy trong dây quấn là dịng một chiều nên
s.t.đ và từ thơng sinh ra có trị số khơng biến đổi theo thời gian. Do đó, khơng có tổn
hao do từ trễ và dịng xốy trong mạch từ. Vật liệu dùng làm mạch từ một chiều là loại
sắt từ ít Cacbon ở thể khối, cấu tạo đơn giản, độ bền cơ học cao, không gây tiếng ồn.
Từ dẫn của mạch từ phụ thuộc vào khe hở khơng khí làm việc, độ từ thẩm, hình
dạng và kích thước mạch từ.
Từ thông tổng của mạch từ một chiều gồm hai phần: một phần lớn đi qua khe hở
không khí làm việc (gọi là từ thơng chính ) và một phần nhỏ khép kín mạch nhưng
khơng đi qua khe hở khơng khí làm việc (gọi là từ thơng rị r). Khi khe hở khơng khí
nhỏ thì r rất nhỏ so với  nên có thể bỏ qua và nếu mạch từ làm việc ở phần tuyến
tính của đường cong từ hố thì từ trở của sắt từ R  0.
Tính tốn mạch từ một chiều:
- Khi tính tốn mạch từ khơng xét đến ảnh hưởng của từ thơng rị tức là Фr = 0. Vì
vậy khi tính mạch từ ta chỉ tính từ thơng ở khe hở khơng khí là chủ yếu.
- Với bài tốn mạch từ có hai dạng sau:
Bài tốn thuận:
biết Ф, tìm sức từ động Fμ = I.W
Bài tốn ngược:
biết Fμ = I. W, tính Ф
Xét ví dụ có một mạch từ hình xuyến như hình 1.6:

18


Dây dẫn được quấn trải đều trên mạch từ:
l - chiều dài trung bình của mạch từ;
δ- chiều dài khe hở khơng khí;

w - số vịng cuộn dây;
S - tiết diện mạch từ.
1 - Cuộn dây
2 - Lõi sắt

Hình 1.6 Mạch từ hình xuyến
a. Mạch từ kín; b. Mạch từ hở

- Tính với bài tốn thuận: biết , tìm F = I.w.
Vì r = 0, nên  =  do I.w sinh ra; B B =

 
=
S
S

Theo định luật toàn dịng điện, sức từ động được tính theo cơng thức:
Fμ = I.w = H.l + H.
Trong đó:

- H là cường độ từ trường lõi thép tìm được theo quan hệ B-H của vật

liệu từ dưới dạng đồ thị hoặc dạng bảng.
- H là cường độ từ trường trong kẽ hở khơng khí H =

B

0







 0 .S

từ trị số B ta tra ra H, với S là tiết diện mạch từ.
Hoặc theo định luật Kiêckhơp có I.w = (Rμ + R) = (Rμ +
G = 0.

Hl
1
và
), với R =
G


S



- Với bài tốn ngược: biết Fμ = I.w, tìm  .
Từ thơng  rất khó xác định chính xác, mà người ta chỉ dùng các phương pháp xác
định gần đúng.
Từ G = 0. S và Iw = H.l + H.


B  .S
G

I.w B  .S

 H=
l
G  .l

 Iw = H.l +

Lần thứ 1: Chọn B1 = B rồi thay vào (1.22) ta tìm được H1. Mặt khác từ quan
hệ B-H ta cũng tìm được H1’ theo B1. Nếu |H1 – H1’| <  (độ chính xác) thì H1 là giá trị
cần tìm. Nếu khơng thì chuyển sang lần tính lặp thứ 2.
Lần thứ 2: Nếu H1 > H1’ thì chọn B2 > B1. Ngược lại thì chọn B2 < B1. Rồi tiếp
tục tính.
Lần thứ i: Nếu | Hi – Hi’| <  thì q trình tính kết thúc. Và  = Bi.S
19


b. Mạch từ xoay chiều
Nếu dòng điện chạy trong dây quấn của NCĐ là dịng xoay chiều thì mạch từ của
nó là mạch từ xoay chiều nên sức từ động và từ thơng đều biến thiên theo thời gian.
Chính vì vậy mà mạch từ của NCĐ xoay chiều được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện
(tơn silíc) để giảm tổn hao do dịng điện xốy và từ trễ.
Từ dẫn của mạch từ xoay chiều không những
phụ thuộc vào khe hở khơng khí làm việc, độ từ
thẩm của vật liệu từ, hình dạng và kích thước mạch
từ mà cịn phụ thuộc vào tổn hao năng lượng trong
mạch từ (do dòng xốy và từ trễ) và tổn hao trong
vịng ngắn mạch (vòng chống rung) ở NCĐ một
pha. Các tổn hao này còn làm xuất hiện từ kháng
X2 tạo ra sự lệch pha giữa sức từ động và từ thông.

Điều này tương tự như trong mạch điện, sự xuất Hình 1.7 Mạch từ xoay chiều
hiện của điện kháng làm chậm pha giữa điện áp và
dịng điện.
Tính tốn mạch từ xoay chiều:
- Đối với mạch từ xoay chiều, định luật Kiêckhôp được viết dưới dạng phức số sau:
+ Định luật Kiêckhôp 1:

Фmax = 0

+ Định luật Kiêckhơp 2:

2 I.w =

n


i 1

Trong đó :

max i

.Z i

maxi - Từ thông cực đại của đoạn mạch từ thứ i;
Zμi - Tổng trở từ ở mạch thứ i của mạch từ Zμi = Rμi +jXμi ;
Rμi - Từ trở ở đoạn thứ i của mạch từ;
Xμi - Từ kháng ở đoạn thứ i của mạch từ.

Và :

Zmax =

2 H .l
B max S

Với l, S là độ dài trung bình và tiết diện mạch từ.
Từ kháng bối dây ngắn mạch sẽ là:
Xμ2 =

2PFe
..W22
;

R2
 2max

PFe - tổng tổn hao từ trễ và dịng xốy;

 = 2f- tốc độ góc;

W2 - số vòng của vòng ngắn mạch;

R2 - điện trở vòng ngắn mạch.

20


Nếu khơng tính tổn thất trên điện trở, đối với dòng xoay chiều người ta chứng
minh được điện áp đặt vào cuộn dây ứng với giá trị nhất định của từ thơng:

U = Ulưới = 4,44.f.w.max
Do đó số vịng của cuộn dây cần quấn được tính như sau:
w=

U
4 , 44 . f . 

max

6. Cuộn dây nam châm điện
Cuộn dây phải sinh ra sức từ động cần thiết cho mạch từ, mặt khác tổn hao năng
lượng trong cuộn dây phải đủ nhỏ để nhiệt độ phát nóng của nó khơng vượt quá nhiệt
độ cho phép của cấp cách điện được sử dụng.
Tuỳ theo cách đấu nối cuộn dây, ta có cuộn dây dòng điện (nối tiếp với phụ tải)
và cuộn dây điện áp (nối song song với nguồn). Cuộn dòng điện có số vịng dây ít,
đường kính dây lớn do phải chịu dòng điện của tải. Cuộn dây điện áp có số vịng dây
lớn, đường kính dây nhỏ.
Tuỳ theo dạng dịng điện chạy trong cuộn dây ta có cuộn dây điện 1 chiều và
cuộn dây điện xoay chiều.
Dây quấn là dây đồng có men cách điện, tiết diện trịn hoặc chữ nhật. Dây được
quấn trên khung bằng vật liệu cách điện (thường là nhựa chịu nhiệt) thành hình trụ.
Các thơng số quan trọng của cuộn dây gồm có:
- Hệ số lấp đầy Klđ
Klđ =

SCu
Scs

(1.9)

trong đó:
SCu = w.q là diện tích chiếm chỗ của đồng; Scs = h.c là diện tích cửa sổ mạch từ;
w là số vòng của cuộn dây;
q là tiết diện 1 vịng dây, với dây trịn thì q = d2/4;
h và c là chiều cao và bề rộng cửa sổ; với NCĐ 1 chiều thì h = (24)c, NCĐ
xoay chiều thì h = (13)c;
Thực tế thường chọn Klđ = (0,30,7)
- Điện trở 1 chiều R_
R_  ρ

wl tb
q

(1.10)

trong đó:  là điện trở suất của vật liệu làm dây quấn; ltb là chiều dài trung bình của 1
vòng dây.
- Độ tăng nhiệt của bề mặt cuộn dây so với môi trường :
21


 =  - 0 =

P
K T ST

(1.11)

Trong đó:  là nhiệt độ bề mặt cuộn dây; 0 là nhiệt độ môi trường; P là tổng
tổn hao trong cuộn dây;

KT là hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ; ST là tổng diện tích bề mặt toả
nhiệt của cuộn dây.
- Mật độ dịng điện j:
j

I
q

(1.12)

trong đó: j = (24)A/mm2 ở chế độ làm việc dài hạn; j = (512)A/mm2 ở chế độ làm
việc ngắn hạn lặp lại; j = (1330)A/mm2 ở chế độ làm việc ngắn hạn.
Dòng điện chạy trong cuộn dây của NCĐ một chiều không phụ thuộc vào khe hở
khơng khí làm việc, cịn dịng điện trong cuộn dây NCĐ xoay chiều tăng nhanh khi
khe hở khơng khí tăng. Do đó, nếu để nắp của NCĐ xoay chiều bị kẹt hoặc cực từ bị
bụi bẩn thì dịng điện tăng có thể làm cuộn dây bị cháy.
1.1.3. Lực hút điện từ của nam châm điện
1. Tính lực hút điện từ theo công thức Macxoen (Maxwell)
F



  
1  2
1

Bδ n]dS
[(
B
.

n
)
B
δ
δ
2
μ 0 S

(1.13)


Trong đó: Bδ là véc tơ từ cảm ở khe hở khơng khí tại bề mặt cực từ; n là véc tơ đơn vị
pháp tuyến của bề mặt cực từ; S là diện tích mặt cực từ tác dụng với từ trường.
Thơng thường thì vật liệu làm mạch từ có từ thẩm lớn hơn rất nhiều của khơng




khí nên có thể coi Bδ // n . Và khi khe hở tương đối nhỏ thì có thể coi B = const nên
công thức của lực điện từ có thể rút gọn thành:
F

1 2
Bδ S
2μ 0

(1.14)

Lực điện từ tính theo phương pháp này thường được áp dụng khi khe hở tương
đối nhỏ và ít biến đổi. Khi khe hở khơng khí lớn thì lực điện từ được tính theo phương

pháp cân bằng năng lượng.
2. Tính lực điện từ theo phương pháp cân bằng năng lượng
F

1 dΨ
di
(i
Ψ )
2 dδ
dδ

(1.15)

trong đó:  = w = Li là từ thơng móc vòng với cuộn dây; i là dòng điện chạy trong
cuộn dây.
22


Với NCĐ một chiều thì i = const nên:
F

1 dΨ 1
dG
i
 (iw) 2
2 dδ 2
dδ

(1.16)

Với NCĐ xoay chiều thì  = const nên:
2

1 di
1  Φ  dG
F  Ψ    
2 dδ
2  G  dδ

(1.17)

Trong các trường hợp này ta đều phải biết biểu thức giải tích của từ dẫn G().
3. Lực điện từ của nam châm điện xoay chiều
Với NCĐ xoay chiều thì dịng điện và từ thơng đều có dạng hình sin nên có thể
biểu diễn dưới dạng i = Imsint và  = msint. Do đó, theo cơng thức Macxoen và
phương pháp cân bằng năng lượng lực điện từ được biểu diễn thành:
F

1 Φ 2m
sin 2 ωt
2μ 0 S
2

1  Φ  dG 2
Hoặc: F    m 
sin ωt
2  G  dδ

Dạng chung của 2 biểu thức này là:
F = Fmsin2t =

1
1
Fm  Fm cos 2 ωt
2
2

(1.20)

Ta thấy số hạng thứ hai của biểu thức (1.20) biến đổi theo thời gian với tần số
(2f) gấp đôi tần số của nguồn điện (f) nên lực điện từ tổng cũng biến thiên từ Fmax = Fm
đến Fmin = 0 với tần số 2f. Do đó, nếu lực kéo của lị xo lên nắp NCĐ khơng đổi thì
nắp sẽ bị hút và nhả với tần số 2f. Hiện tượng này gọi là hiện tượng rung của NCĐ
xoay chiều 1 pha.
Để chống rung thì Fmin phải lớn hơn phản lực của lò xo. Muốn vậy ta phải tạo ra
2 luồng từ thông lệch pha nhau cùng chạy trong mạch từ.
Cách 1: Dây quấn của NCĐ gồm hai phần mắc song song, một phần nối trực
tiếp với nguồn, một phần nối với nguồn qua một tụ điện. Việc tính chọn hợp lý các
thơng số của hai cuộn dây và tụ điện có thể tạo được hai luồng từ thông lệch pha nhau
900 điện để tạo hiệu quả chống rung tốt nhất. Tuy nhiên, cách này ít dùng vì cơng nghệ
phức tạp, tốn kém.
Cách 2: Người ta xẻ một rãnh chia bề mặt cực từ thành hai phần có diện tích S1
và S2 (thường S2/S1 = 1,52) (xem hình 1.7). Tại phần S2 ta đặt một cuộn dây nối ngắn
mạch (thường chỉ có một vịng) bằng đồng đỏ. Khi đó từ thơng đi qua cực từ gồm hai
phần: 1 đi qua phần S1 và 2 đi qua phần S2 chậm pha so với 1 góc  do hiện tượng
cảm ứng điện từ. Góc  này phụ thuộc vào điện trở của vòng ngắn mạch và từ trở khe
23


hở khơng khí trong vịng ngắn mạch. Thơng thường  = 500  600 nên điều kiện chống

rung lý tưởng không được thoả mãn. Mặt khác, khi khe hở không khí lớn thì hiệu quả
chống rung giảm nhanh. Đây là phương pháp đơn giản, ít tốn kém nên được sử dụng
rộng rãi.
Riêng với NCĐ xoay chiều ba pha đối xứng thì lực điện từ tổng khơng biến đổi
theo thời gian (F = 3/2Fm) nên không cần chống rung.
1.1.4. Ứng dụng của nam châm điện
1. Nam châm điện nâng hạ
Loại nam châm này thường được dùng trong các cơ cấu cần trục, đặc biệt trong
các nhà máy chế tạo cơ khí và luyện kim.
NCĐ có cuộn dây được quấn trên lõi sắt từ, sau đó được đổ đầy một lớp nhựa.
Mặt cực được bắt chặt vào lõi nam châm bằng các bulơng. Mặt cực chính là nơi tiếp
xúc với tải trọng cần nâng. Lực nâng của NCĐ tuỳ thuộc loại tải trọng cần di chuyển.
Vật càng gọn NCĐ nâng được càng nhiều.
Bảng 1.2 Lực nâng của NCĐ theo tải
Loại tải trọng

Lực nâng của NCĐ (Kg)

Thỏi đúc hay tấm đúc

16.000

Thép vụn

600

Thỏi gang

600

Thép hình

200

2. Nam châm điện phanh hãm
Loại này được dùng để hãm, dừng các bộ phận chuyển động của cần trục, trục
chính các máy cơng cụ... Có nhiều kết cấu thiết bị hãm, nhưng thông thường người ta
dùng NCĐ hãm kiểu phanh, kiểu băng, kiểu đĩa.
3. Bộ ly hợp điện từ
Bộ ly hợp điện từ dùng NCĐ một chiều kết hợp với các đĩa ma sát để làm
nhiệm vụ truyền chuyển động quay từ trục dẫn sang trục bị dẫn (bộ ly hợp) hoặc để
làm phanh hãm (dừng chính xác).
Bộ ly hợp điện từ được sử dụng để tự động hoá quá trình điều khiển chạy và
dừng các bộ phận cơ khí trong các máy cơng cụ.
Các loại ly hợp điện từ:
- Ly hợp điện từ kiểu ma sát: Trục dẫn truyền chuyển động sang trục bị dẫn do
sự lực hút điện từ giữa NCĐ với đĩa ma sát.

24