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  .

KHÁI NIỆM CHUNG CƠ CẤU ĐIỆN TỪ

2

t



r

1

3

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  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 cũng 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.

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 :

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.

NAM CHÂM ĐIỆN

ĐẠI CƯƠNG VỀ NAM CHÂM ĐIỆN

i 

S N

N S i

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

Khi khe hở không khí từ thông rò nhiều :

Với Kđc= 3 5 là hệ điều chỉnh.

THEO PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

S

N i

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

THEO PHƯƠNG PHÁP

CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

c

d

0

b

a

i

0

i2

i1

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:

THEO PHƯƠNG PHÁP

CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

Năng lượng từ trường khi ở vị trí đầu sẽ là:

:= diện tích

: = 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.

Vậy năng lượng lấy thêm từ ngoài vào để nắp mạch từ chuyển động là:

= diện tích tam giác cong oad Nếu giả thiết mạch từ chưa bão hòa đường đặc tính chỉ xét ở đoạn tuyến

THEO PHƯƠNG PHÁP

CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

Ta có:

Vì có:

Đặt:

Dạng vi phân :

Vậy lực hút điện từ sẽ là:

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 :

THEO PHƯƠNG PHÁP

CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

b. Trường hợp khi  = const thì

Ta có :

nên

NAM CHÂM ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ VÒNG CHỐNG RUNG

NAM CHÂM ĐIỆN XOAY CHIỀU

VÀ VÒNG CHỐNG RUNG

Nam châm điện xoay chiều

NAM CHÂM ĐIỆN XOAY CHIỀU

VÀ VÒNG CHỐNG RUNG

Khi cung cấp dòng điện xoay chiều i = Imsin(wt) thì

là thành phần lực hút không đổi theo thời

trong mach sẽ xuất hiện : Ta có : Ta thay : suy ra : Đặt gian.

:là thành phần lực thay đổi theo thời gian.

Ta có: Fdt = Fkd + Fbd

NAM CHÂM ĐIỆN XOAY CHIỀU

VÀ VÒNG CHỐNG RUNG

Vậy lực hút điện từ biến đổi theo tần số gấp đôi tần số

của nguồn điện (2w).

Ở thời điểm B = 0 thì Fdt = 0 lực lò xo Flx > Fdt thì nắp bị kéo nhả ra. Ở những thời điểm Flx < Fdt thì nắp được hút về phía lõi.

Như vậy trong một chu kỳ nắp bị hút nhả ra hai lần nghĩa là nắp bị rung với tần số 100Hz nếu tần số nguồn điện là 50Hz.

NAM CHÂM ĐIỆN XOAY CHIỀU

VÀ VÒNG CHỐNG RUNG

Vòng ngắn mạch

ta phải

Để chống hiện tượng làm rung này, sao cho lực hút điện từ Fdt ở mọi thời điểm phải lớn hơn lực Flx.

Nam châm điện xoay chiều

Muốn Fdt> Flx người ta tạo ra 2 từ thông lệch pha trong mạch từ, bằng cách đặt vòng chống rung thường bằng đồng và có một vòng

NAM CHÂM ĐIỆN XOAY CHIỀU

VÀ VÒNG CHỐNG RUNG

Nguyên lí làm việc của vòng chống rung :

Khi từ thông  đi qua cực từ sẽ chia làm hai

thành phần 1 và 2. 1 là thành phần không đi qua phần cực từ có vòng chống rung, 2 đi qua phần có vòng chống rung. Khi có từ thông 2 biến thiên đi qua, trong vòng chống rung sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng icứ chạy khép mạch trong vòng.

Dòng icứ sẽ sinh ra một từ trường có tác dụng chống lại sự biến thiên của 2 nên làm 2 chậm pha so với 1 một góc .

NAM CHÂM ĐIỆN XOAY CHIỀU

VÀ VÒNG CHỐNG RUNG

 

0

n

NAM CHÂM ĐIỆN XOAY CHIỀU

VÀ VÒNG CHỐNG RUNG

Lực điện từ sinh ra sẽ có hai thành phần : Từ thông 1 sinh ra lực: F1 = F10 - F10 cos2t Từ thông 2 sinh ra lực : F2 = F20 - F20 cos(2t-2 ) Lực hút điện từ tổng F là :

F = F1 + F2

= (F01 + F02) - [F01cos2t + F02 cos(2t - 2)] Qua đó ta thấy rằng lực hút điện từ F1 và F2, không đồng thời đi qua trị số 0, do đó lực hút điện từ tổng F được nâng cao làm cho mọi thời điểm t, lực F > Flx nên nắp mạch từ sẽ không rung nữa.

NAM CHÂM ĐIỆN XOAY CHIỀU

VÀ VÒNG CHỐNG RUNG

Điều kiện chống rung:

 Thành phần lực không đổi:

Fkđ = F01 + F02

 Thành phần lực hút biến đổi là :

Trong trường hợp lý tưởng Fbđ = 0 thì cơ cấu không còn rung. Muốn vậy ta phải thoả mãn hai điều kiện.

1. F01 = F02 thì : 2. góc lúc đó hệ số rung

Trong thực tế chỉ có thể tạo được  = 50o-80o