Bài giảng Khí cụ điện - Chương 3: 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
 
   