Chương 3.Từ trường trong máy điện một chiều: 3-1.

CHƯƠNG TỪ TRƯỜNG TRONG MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU φσ N φ0 S φσ 3-1 TỪ TRƯỜNG LÚC KHÔNG TẢI (TỪ TRƯỜNG CỰC TỪ) 3.1.1 Từ trường từ trường tản Trong máy điện, cực từ có cực tính khác bố trí xen kẽ dọc theo chu vi phía thân vỏ máy Từ thông từ cực bắc N qua khe hở vào phần ứng trở hai cực nam S nằm kề bên (hình 3-1) Từ thơng cực từ Φc phần lớn qua khe φ0 hở vào phần ứng, gọi từ thơng Φ0 φσ S Một phận nhỏ từ thông cực từ không qua N phần ứng mà trực tiếp vào cực từ bên cạnh φσ gông từ, nắp máy…làm thành mạch kín, gọi từ thơng tản Φб, khơng sinh s.đ.đ khơng sinh mômen phần ứng mà làm cho độ bão hồ cực từ Hình 3-1 Sự phân bố từ trường gơng từ tăng lên từ trường tản Ta có: Φc = Φ0 + Φб = Φ0(1 + Φ0/Φб) = бt.Φ0 (3-1) MĐMC бt = (1 + Φ0/Φб) gọi hệ số tản từ cực từ Thường бt = 1,15 ÷ 1,28 3.1.2 Sức từ động cần thiết sinh từ thơng Để có từ thơng Φ0 cần thiết phải có s.t.đ kích từ F0 đó, s.t.đ Này số ampe vịng dây quấn kích thích sinh Theo định luật tồn dịng điện, mạch từ kín, tổng s.t.đ Bằng tích phân vịng cử cường độ từ trường mạch từ đó: ΣIw = ∫ Hdl Trong tính tốn thiết kế máy điện, để dễ tính tốn ta dùng cách phân đoạn mạch từ đoạn coi cường độ từ trường H không đổi Thường chia mạch từ làm đoạn sau: khe hở, phần ứng, lưng phần ứng, cực từ gông từ Như vậy: F0 = ∑Iw = ∑Hl = 2Hδ.δ + 2Hr.lr + Hư.lư + 2Hclc + Hglg = Fδδ + Fr + Fư + Fc + Fg (3-2) δ, r, ư, c g khe hở, phần ứng, lưng phần ứng, cực từ gông từ H chiều cao l chiều dài Cường độ từ trường tính theo cơng thức: H = B/μ (3-3) B = Φ/S từ cảm đoạn Φ, S μ - từ thông, tiết diện hệ số từ thẩm đoạn Vì sắt từ μ hệ số không đổi khơng thể dùng cơng thức (3-3) để tính tốn H được, mà trực tiếp tìm H theo đường cong từ hoá vật liều sắt từ B = f(H) biết B Dưới giới thiệu cách tính s.t.đ đoạn mạch từ 3.1.3 Tính s.t.đ khe hở Fδ Khe hở phần ứng cực từ không nhau, cực từ khe hở nhỏ, hai đầu mặt cực từ khe hở lớn nhất, thường δmax = 1,5 ÷ 2,5 mm Giả thiết bề mặt phần ứng nhẵn phân bố từ cảm cực từ hình 3-2 Ở cực từ từ cảm lớn nhất, hai mép cực từ từ cảm giảm nhiều đường trung tính hình học Để tiện cho việc tính tốn Fδ, ta coi đường cong phân bố từ cảm thực tế hình chữ nhật có chiều cao Bδ = Bδmax đáy b’ = αδτ cho diện tích hình chữ nhật diện tích hình bao đường cong thực Đáy b’ gọi cung tính tốn cực từ, τ bước cực, αδ gọi hệ số tính tốn cung cực từ Thường αδ khoảng 0,62 đến 0,72 δ δ max τ Bδ α δ τ τ Hình 3-2 Sự phân bố từ cảm khe hở máy điện chiều Mặt cực từ br1 δ t1 B/δ Bδ rãnh Hình 3-3 Sự phân bố từ trường khe hở mặt phần ứng có rãnh Hình 3-4 Sự phân bố từ cảm khe hở mặt phần ứng có rãnh, Trên thực tế mặt phần ứng cịn có răng, rãnh nên từ trường khe hở phân bố không (đường sức dày răng, thưa rãnh) hình 3-3 Đường đường sức từ qua khơng khí phần rãnh dài lên, từ trở khe hở tăng lên Ảnh hưởng nhiều hay tuỳ thuộc vào kích thước rãnh Vì tính tốn Fδ phải dùng chiều dài khe hở tính tốn δ’: δ’ = kδ.δ (3-4) kδ gọi hệ số khe hở, tính theo cơng thức sau: kδ = t1 + 10δ br1 + 10δ (3-5) t1 br1 bước chiều rộng đỉnh (hình 3-3) Đường phân bố từ cảm cực từ xét đến rãnh hình 3-4 lt Hình 3-5 Sự phân bố từ cảm khe hở theo chiều dài lõi thép l, l, l, l1 Bδ lδ Với máy điện công suất lớn, theo chiều dài lõi sắt cịn có rãnh thơng gió hướng tâm nên cảm ứng từ phân bố theo chiều dọc trục cung khơng (hình 3-5) Ta thay đường cong phân bố từ cảm thực tế hình chữ nhật quy đổi có chiều cao Bδ = Bδmax mà diện tích cũ Đáy hình chữ nhật lδ gọi chiều dài tính tốn phần ứng lδ = 0,5(lt + l) (3-6) lt - chiều dài cực từ theo chiều trục máy l = ll - ng.bg chiều dài lõi sắt phần ứng khơng tính đến rãnh thơng gió ll - chiều dài thực lõi sắt; ng, bg - số rãnh chiều rộng rãnh thơng gió Như vậy, với từ thơng Φ0 thì: Bδ = Φ0/αδτlδ (3-7) s.t.đ khe hở bằng: Fδ = 2.(Bδ.kδ.δ)/μ0 (3-8) Ở μ0 = 4π.10-7 H/m Trong máy điện chiều có P < 10 kW Bδ khoảng 0,4 ÷ 0,6 T, cịn máy cơng suất lớn Bδ khoảng 1,0 ÷ 1,05 T 3.1.4 Tính s.t.đ Từ thơng Φ0 sau qua khe hở phân thành hai mạch: vào vào rãnh, đại phận từ thơng vào Từ thông qua bước tl bằng: Φl = Bδ.lδ.tl Lấy tiết diện đồng tâm với mặt phần ứng cách đỉnh quãng x để xét (hình 3-6) Φl gồm hai phần: phần qua ΦZx phần qua rãnh Φrx Φl = ΦZx + Φrx (3-9) bz Chia hai vế biểu thức (3-9) cho tiết diện mặt cắt răng, ta có: Φ t Φ zx Φ rx = + S zx S zx S zx x t1 Hz1 bz x Hz tb b’r bz tb (3-10) Φt , = B zx gọi từ cảm tính tốn S zx bz Hz t2 Hình 3-6 S.t.đ Khi B’zt > 1,8 T, mạch từ tương đối bão hồ, từ trở lớn, từ thông rãnh bỏ qua nên cần phải phân biệt B’Zt với từ cảm thực tế BZt Φ rx cơng thức (3-10) viết dạng: S zx Φ rx Φ rx S rx = = Brx k rx = µ H rx k rx S zx S rx S zx (3-11) đó: Srx - tiết diện rãnh; Brx Hrx từ cảm cường độ từ trường tiết diện rãnh cho; krx hệ số phụ thuộc vào kích thước rãnh krx tính theo cơng thức sau: k rx = S rx S tx − S zx t l = = x δ −1 S zx S zx bzx l1 k c (3-12) đó: Stx - tiết diện bước độ cao x; tx - bước tăng độ cao x; ll - chiều dài lõi sắt; bzx - chiều rộng độ cao x; kc - hệ số ép chặt lõi sắt Khi thép có phủ sơn cách điện kc = 0,92 Giả thiết mặt cắt hình trụ ngang rãnh độ cao x mặt đẳng trị từ trường Hzx = Hrx, theo (3-10) (3-11) ta có: B’zx = Bzx + μ0Hrxkrx (3-13) Trong cơng thức (3-13) B’zx tính trực tiếp từ Φt Szx, cịn Bzx Hzx tìm từ đường cong từ hố B = f(H) tính tốn Các bước tính toán sau: Brx Trước hết vẽ đường cong từ hoá thép silic dùng làm lõi thép phần ứng (đường hình 3-7) Với kích thước biết rãnh răng, tính krx theo cơng thức (3-12) µ 0.Hrx.krx Hzx B,zx Bzx Tự cho loạt giá trị Bzx, từ đường cong từ hố B = f(H) tìm Hzx tương ứng tính μ0Hrxkrx, sau Hình 3-7 Đường cong Brx = f(Hrx) tính B’zx theo cơng thức (3-13) Vẽ đường biểu diễn B’zx = f(Hx) (đường hình 3-7) Hr Biết đường cong ta sử dụng chúng theo trình tự ngược lại: với giá trị B’zx đó, từ đường cong tìm Bzx Hzx Đường đặc tính từ hố loại thép có cho tài liệu “Thiết kế máy điện” Từ cảm tính tốn B’zx độ cao x tính sau: , B zx = Φt B l t = δ δ S zx bzx l1 k c (3-14) đó: lδ, l - chiều dài tính tốn chiều dài thực tế lõi sắt; bzx - chiều rộng độ cao x; kc - hệ số ép chặt; tl - bước phần ứng Thực tế, tính tốn s.t.đ Răng cần tính H điểm chiều cao tiết diện trên, dưới: Hz1, Hztb, Hz2 Trị số tính tốn cường độ từ trường bằng: H z = ( H z1 + H z tb + H z ) (3-15) Gọi hz chiều cao s.t đ Răng đôi cực là: Fz = 2Hz.hz (3-16) Để đơn giản cho tính tốn, người ta xác định từ cảm B cường độ từ trường H tiết diện cách chân hz/3 làm trị số trung bình để tính tốn, ta có: Fz = H hz z (3-17) Kết tính tốn gần với cách tính tốn xác Trên máy điện chiều, từ cảm chỗ hẹp khoảng 1,8 ÷ 2,3 T 3.1.5 Tính s.t.đ lưng phần ứng Từ thông qua tiết diện lưng phần ứng không lắm, gần đường từ ngắn nên từ cảm lớn Nhưng khác biệt khơng lớn nên lấy từ cảm trung bình lưng phần ứng để tính tốn Từ cảm lưng phần ứng tính sau: Φu Φ0 = Bư = (3-18) Su 2hu l1 k c đó: Φư = Φ0/2 - từ thơng lưng phần ứng; Sư = hư.ll.kc - tiết diện lưng phần ứng; hư - chiều cao phần ứng Theo đường cong từ hoá thép kĩ thuật điện, ứng với Bư ta có Hư S.t.đ lưng phần ứng bằng: Fư = Hư.lư (3-19) 3.1.6 Tính s.t Đ Trên cực từ gơng từ Khi tính tốn s.t Đ Cực từ gông từ phải xét đến ảnh hưởng từ thông tản Như biết: Φc = бt.Φ0, бt = 1,15 ÷ 1,25 Từ thơng gơng từ bằng: Φg = Φc/2 = бt.Φ0/2 Trên thực tế từ thông phần cực từ gông từ khác nhau, để đơn giản cho tính tốn, ta coi từ thông cực từ gông từ không đổi Từ cảm cực từ gông từ bằng: Bc = Φc Sc Bg = Φc 2S g (3-20) Sc Sg tiết diện cực từ gông từ Từ đường cong từ hoá vật liệu chế tạo cực từ gơng từ, ta tìm cường độ từ trường cực từ Hc gông từ Hg S.t đ cực từ gông từ bằng: Fc = 2Hc.hc Fg = Hg.lg (3-21) đó: hc - chiều cao cực từ; lg - chiều dài trung bình gơng từ 3.1.7 Đường cong từ hố Muốn sinh từ thơng Φ0 cần có s.t.đ kích từ định F0 Khi Φ0 thay đổi F0 thay đổi theo Đường biểu diện quan hệ Φ0 với F0 gọi đường cong từ hoá máy điện (hình 3-8) Khi thiết kế máy điện, giả thiết giá trị Φ0 khác tính F0 tương ứng Đối với máy điện có sẵn dùng thí nghiệm để vẽ đường cong từ hố Φ0 Từ thông cực từ Φđm a b c F0 F0 (A/đơi cực) Hình 3-8 Đường cong từ hoá máy điện chiều Do s đ đ lúc khơng tải tỉ lệ thuận với Φ0, cịn dịng điện kích thích It tỷ lệ thuận với F0 nên coi đường cong từ hố Φ0 = f(F0) đường biểu diễn quan hệ E0 với It: E0 = f(It) Φ0 Từ thông cực từ Φđm a b c Khi từ thơng cịn nhỏ, thép máy bão F0 F0 (A/đơi cực) hoà nên s.t.đ mạch từ gần tiêu hao tồn Hình 3-8 Đường cong từ hố khe hở, đường từ hố đường máy điện chiều thẳng Khi từ thông tăng, lõi sắt bắt đầu bão hồ nên đường từ hố nghiêng bên phải Kéo dài phần đường thẳng đường cong từ hoá ta quan hệ Fδ = f(Φ0) Khi Φ0 = Φđm s.t.đ khe hở đoạn ab hình 3-8 Đoạn bc hình s.t.đ rơi phần sắt mạch từ F ac Tỷ số k µ = = Gọi hệ số bão hồ mạch từ Fδ ab Trong máy điện thơng thường, để triệt để lợi dụng vật liệu, điện áp định mức, máy làm việc đoạn đường cong từ hố bắt đầu cong với hệ số bão hồ kμ = 1,1 ÷ 1,35  ...3-1 TỪ TRƯỜNG LÚC KHÔNG TẢI (TỪ TRƯỜNG CỰC TỪ) 3.1.1 Từ trường từ trường tản Trong máy điện, cực từ có cực tính khác bố trí xen kẽ dọc theo chu vi phía thân vỏ máy Từ thơng từ cực... biểu diện quan hệ Φ0 với F0 gọi đường cong từ hố máy điện (hình 3-8) Khi thiết kế máy điện, giả thiết giá trị Φ0 khác tính F0 tương ứng Đối với máy điện có sẵn dùng thí nghiệm để vẽ đường cong từ... thích sinh Theo định luật tồn dịng điện, mạch từ kín, tổng s.t.đ Bằng tích phân vịng cử cường độ từ trường mạch từ đó: ΣIw = ∫ Hdl Trong tính tốn thiết kế máy điện, để dễ tính tốn ta dùng cách