0.6 Nam châm điện

Đại cương về nam châm điện

Khái niệm

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 hình minh họa.

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.

Vật liệu sắt từ có độ từ thẩm lớn hơn rất nhiều của không khí nên từ trở toàn bộ mạch từ hầu như chỉ phụ thuộc vào từ trở khe hở không khí. Ta thường dùng khái niệm độ từ dẫn:

$G=\frac{1}{R_{\mu }}$ (5.1)

Do tính chất tương đương giữa mạch từ và mạch điện nên trong mạch từ, từ dẫn tỉ lệ thuận với tiết diện mạch từ và tỉ lệ nghịch với chiều dài khe hở không khí.

$G={\mu }_0\text{.}\frac{S}{\delta }\left[\frac{\text{Wb}}{A}\right]$ (5.2)

Trong đó:

+0 từ thẩm không khí bằng 1,25.10-8[Wb/A.cm]

+S[cm2] tiết diện từ thông đi qua.

+ [cm] chiều dài khe không khí.

Chú ý: công thức trên chỉ đúng với giả thiết từ thông trong khe không khí phân bố đều (các đường sức từ phải song song) khi khe hở bé. Khi khe hở lớn tính toán phức tạp tùy yêu cầu cụ thể việc tính toán có các phương pháp khác nhau.

Một số công thức dùng trong tính toán mạch từ

$B=\frac{\phi }{S}$ $\left[\frac{\text{Wb}}{{\text{cm}}^2}\right]$

H : $$ Cường độ từ trường [ A/cm]=1,25 [Osted]

$\mu =\frac{B}{H};F$ = IW :là sức từ động [A.vòng]

+ Định luật toàn dòng điện $\underset{l}{\oint }\text{Hdl}=IW=F$

+ Định luật Ôm cho mạch từ: $\phi =\text{IW}\text{.}G=\frac{\text{IW}}{R_M}$

+ Định luật Kiếc khốp I cho mạch từ: $\sum _{i=1}^n{\phi }_i=0$ tại một điểm.

+ Định luật Kiếc khốp II cho mạch từ: trong một mạch từ khép kín có:

$\sum _{i=0}^n{\phi }_i{R}_{\mathrm{\mu i}}=\sum _{i=0}^n{F}_i$

Phân loại cơ cấu điện từ

Phân theo tính chất của nguồn điện

- Cơ cấu điện từ 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

- Mạ̣ch từ hút chập (thẳng).

- Mạch từ hút xoay (quanh một trục hay một cạnh), mạch từ hút kiểu pít tông.

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. Thường để tính toán mạch từ nam châm điện người ta dùng hai phương pháp (sẽ nêu sau).

Tính lực hút điện từ nam châm điện một chiều

Tính lực hút điện từ bằng phương pháp cân bằng năng lượng

Năng lượng từ trường và điện cảm

Xét mạch từ như hình minh họa

Khi cho dòng điện i vào cuộn dây w có:

$\begin{array}{}u=R\text{.}i+\frac{\mathrm{d\psi }}{\text{dt}}\text{hay}\\ \text{uidt}=R\text{.}{i}^2\text{.}\text{dt}+i\frac{\mathrm{d\psi }}{\text{dt}}\text{dt}(5\text{.}3)\end{array}$

Lấy tích phân hai vế phương trình trên ta có :

$\underset{0}{\overset{t}{\int }}\text{uidt}=\underset{0}{\overset{t}{\int }}{i}^2\text{Rdt}+\underset{0}{\overset{t}{\int }}i\frac{\mathrm{d\psi }}{\text{dt}}\text{dt}$ (5.4)

Trong đó ta có:

$\underset{0}{\overset{t}{\int }}\text{uidt}$ là năng lượng nguồn cung cấp.

$\underset{0}{\overset{t}{\int }}{\text{Ri}}^2\text{dt}$ là năng lượng tiêu hao trên điện trở cuộn dây w

$\underset{0}{\overset{t}{\int }}i\frac{\mathrm{d\psi }}{\text{dt}}\text{dt}=W_t$ là năng lượng tích lũy trong từ trường có:

$W_t=\underset{0}{\overset{\psi }{\int }}\text{id}\psi$ (5.5)

Biểu diễn bởi hình minh họa trên chính là diện tích phần tam giác cong oab có quan hệ  và i là phi tuyến.