Content Actions
- Edit this content (author only)
- Save to del.icio.us
Nam châm điện
Summary: Phần này trình bày đại cương về 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.
 Hình 1 |
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:
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.
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
H :
{}
+ Định luật toàn dòng điện
∮ l Hdl = I W = F ∮ l Hdl = I W = F size 12{ lInt cSub { size 8{l} } { ital "Hdl"=I} W=F} {}
+ Định luật Ôm cho mạch từ:
φ = IW . G = IW R M φ = IW . G = IW R M size 12{φ= ital "IW" "." G= { { ital "IW"} over {R rSub { size 8{M} } } } } {}
+ Định luật Kiếc khốp I cho mạch từ:
∑ i = 1 n φ i = 0 ∑ i = 1 n φ i = 0 size 12{ Sum cSub { size 8{i=1} } cSup { size 8{n} } {φ rSub { size 8{i} } =0} } {}
+ Định luật Kiếc khốp II cho mạch từ: trong một mạch từ khép kín có:
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
 Hình 2 |
Khi cho dòng điện i vào cuộn dây w có:
Lấy tích phân hai vế phương trình trên ta có :
Trong đó ta có:
 Hình 3 |
Biểu diễn bởi hình minh họa trên chính là diện tích phần tam giác cong oab có quan hệ và i là phi tuyến.
Theo định nghĩa thì điện cảm:
L = ψ I L = ψ I size 12{L= { {ψ} over {I} } } {}
Trong đó: là từ thông móc vòng của cuộn dây w.
I :là dòng điện trong cuộn dây.
Tính lực hút điện từ
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:
Năng lượng từ trường khi ở vị trí đầu sẽ là:
Năng lượng từ trường khi ở vị trí cuối sẽ là:
 Hình 4 |
Vậy năng lượng lấy thêm từ ngoài vào để nắp mạch từ chuyển động là:
(như hình ).
Theo định luật cân bằng năng lượng có:
Trong đó A là năng lượng làm nắp chuyển động từ vị trí 1 đến vị trí 2.
Nếu giả thiết mạch từ chưa bão hòa đường đặc tính = f(i) chỉ xét ở đoạn tuyến (hình minh họa).
 Hình 5 |
 Hình 6 |
Ta có:
Vì có: =I.L ( hình a).
Đặt:
I 2 = I 1 + ΔI I 2 = I 1 + ΔI size 12{I rSub { size 8{2} } =I rSub { size 8{1} } +ΔI} {} ΔA = 1 2 I 1 Δψ − ψ 1 ΔI ΔA = 1 2 I 1 Δψ − ψ 1 ΔI size 12{ΔA= { {1} over {2} } left (I rSub { size 8{1} } Δψ - ψ rSub { size 8{1} } ΔI right )} {}
Dạng vi phân :
Vậy lực hút điện từ sẽ là:
Ta xét hai trường hợp sau:
a) Trường hợp khi I = const thì
F = 5,1 . I dψ dδ [ kg ] ; ψ = LI F = 5,1 . I dψ dδ [ kg ] ; ψ = LI size 12{F=5,1 "." I { {dψ} over {dδ} } \[ ital "kg" \] ;ψ= ital "LI"} {}
Có:
F = 5,1 . IW 2 dG dδ F = 5,1 . IW 2 dG dδ size 12{ F=5,1 "." left ( ital "IW" right ) rSup { size 8{2} } { { ital "dG"} over {dδ} } } {}
Trong đó: G là từ dẫn của mạch từ.
W là số vòng của cuộn dây.
Ta có:
dψ dδ = 0 dψ dδ = 0 size 12{ { {dψ} over {dδ} } =0} {}
b) Trường hợp = const thì
F = − 1 2 ψ dI dδ [ J / cm ] = − 5,1 . ψ . dI dδ [ kg ] F = − 1 2 ψ dI dδ [ J / cm ] = − 5,1 . ψ . dI dδ [ kg ] size 12{F= - { {1} over {2} } ψ { { ital "dI"} over {dδ} } \[ J/ ital "cm" \] = - 5,1 "." ψ "." { { ital "dI"} over {dδ} } \[ ital "kg" \] } {}
Vì:
φ m [ Wb ] φ m [ Wb ] size 12{ size 14{φ rSub { size 8{m} } } size 12{ \[ ital "Wb" \] }} {}
Khi khe hở không khí lớn từ thông rò nhiều ta phải xét đến từ thông rò thì:
Trong đó là hệ số từ thông rò.
Chú ý: theo định luật Kiếc khốp:
Tính lực hút điện từ bằng công thức Maxwell
Theo Maxwell thì khi có một vật dẫn từ đặt trong một từ trường thì vật dẫn từ sẽ chịu một lực tác dụng:
Trong đó:
-
n → n → size 12{ { vec {n}}} {}
-
μ 0 = 1, 25 . 10 − 8 [ H / cm ] μ 0 = 1, 25 . 10 − 8 [ H / cm ] size 12{μ rSub { size 8{0} } =1,"25" "." "10" rSup { size 8{ - 8} } \[ H/ ital "cm" \] } {}
- S : diện tích bề mặt vật dẫn.
-
μ >> μ 0 μ >> μ 0 size 12{ left (μ">>"μ rSub { size 8{0} } right )} {}
Vì hệ số từ dẫn của vật liệu sắt từ lớn hơn nhiều của không khí
B → B → size 12{ { vec {B}}} {} n → n → size 12{ { vec {n}}} {} B → . n → B → = B 2 . n → B → . n → B → = B 2 . n → size 12{ left ( { vec {B}}` "." ` { vec {n}} right ) { vec {B}}=B rSup { size 8{2} } "." { vec {n}}} {} F → = 1 2μ 0 ∮ s B 2 n → ds F → = 1 2μ 0 ∮ s B 2 n →