Chương 5 : 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  . 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 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 : G RU    . 0 1  n i   n ii n i FR 1 . 1  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 iFdlH .      l l l i l FdR S dldl S SBdlH    . .. ..    l i l FdRdlH .. NAM CHÂM ĐIỆN ĐẠI CƯƠNG VỀ NAM CHÂM ĐIỆN i N  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. 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 ( >>0) nên xem như cùng phương và   21 1. . .0 2sF B n B B n d s            B  n ( =0)n   2( . ) .B n B B n     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      ds s 0   2 24 4F B S kg S     NSBF . 2 1 2 0  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.  2 / . 14. . 1 d c F B S kg K    THEO PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG i N  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 . du R i d t    2. . duidt R i dt i dt dt    2 0 0 0 t t t duidt i Rdt i dt dt      0 t uidt 2 0 t iR dt     00 idW dt di t t THEO PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 2  2 1 0 i1 i2 i0 b a c d 2 1 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 =    2 2; 2; I=I =    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 tW id    2 1 tw id      oab abcd 1 2t t t W W W A     1 2t 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 IW W I IW            .I L  1 2 2 1 1 ( ) 2 A I I    2 1 2 1, I I I        1 1 1 ( ) 2 A I I      1 ( ) 2 dA Id dI   1 ( ) 2 dA d dIF I d d d         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 : 0dI d  5,1. [ ];dF I kg LI d      25,1. dLF I d    d dGWF 2,.5 THEO PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG b. Trường hợp khi  = const thì Ta có : nên 0d d    1 dI[J/cm] = -5,1. . [ ] 2 d dIF kg d       2;I L W G L    . 2 mW   2 2 5,1. . [ ]; 2 m dGF kg G d    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 trong mach sẽ xuất hiện : Ta có : Ta thay : suy ra : Đặt là thành phần lực hút không đổi theo thời gian. :là thành phần lực thay đổi theo thời gian. Ta có: Fdt = Fkd + Fbd msin ; B=B sinm t t    2 1 cos 2sin 2 tt    StBFdt .sin4 22  )2cos(. 2 4 2 4 22 tSBSBFdt  2 0 2 mF B S 0 0.cos 2 (2 )dtF F F t f t    0.cos2bdF F t  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 Để chống hiện tượng rung này, ta phải làm sao cho lực hút điện từ Fdt ở mọi thời điểm phải lớn hơn lực Flx. 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 Vòng ngắn mạch 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 .  2 1 NAM CHÂM ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ VÒNG CHỐNG RUNG  0 n  ' '' nE nI 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 2cos2 0201 2 02 2 01 FFFFFbd   cos2cos2)2cos1(2 01 2 01 2 01 FFFFbd  2    01 01 2. 0 2 2 bd kd F F cosP cos F F      