Chơng 3
từ trờng trong máy điện một chiều

3-1. Từ trờng lúc không tải (Từ trờng cực từ)

Từ trờng trong máy điện là một yếu tố không thể thiếu đợc để sinh ra s.đ.đ. và
mômen điện từ. Trong hầu hết các máy điện hiện nay, từ trờng lúc không tải đều do
dòng điện một chiều chạy trong dây quấn kích từ đặt trên cực từ sinh ra.
Việc nghiên cứu mạch từ lúc không tải của máy điện một chiều cũng nh của tất cả
các loại máy điện khác nh máy điện đồng bộ, máy điện không đồng bộ v.v là xác
định sức từ động (viết tắt là s.t.đ.) cần thiết để tạo ra từ thông ở khe hở đủ để sinh ra
trong dây quấn phần ứng một s.đ.đ. và mômen điện từ theo yêu cầu của thiết kế. Trong
phần này sẽ trình bày cách tính toán cụ thể mạch từ của máy điện một chiều. Tuy
nhiên, vì phơng pháp đó có tính chất tổng quát nên cũng có thể ứng dụng để tính toán
mạch từ của các loại máy điện quay khác.
3.1.1. Từ trờng chính và từ trờng tản
Trong các máy điện, các cực từ có cực tính khác nhau đợc bố trí xen kẽ nhau dọc
theo chu vi phía trong thân vỏ máy, từ thông đi từ cực bắc N qua khe hở và phần ứng
rồi trở về hai cực nam S nằm kề bên. Sự phân bố của đờng sức từ ở một máy bốn cực
nh trên hình 3-1. Theo hình vẽ đó ta thấy, từ thông đi ra dới mỗi cực từ đại bộ phận
đi qua khe hở vào phần ứng, chỉ có một bộ phận rất nhỏ không qua phần ứng mà trực
tiếp đi vào các cực từ bên cạnh hoặc gông từ, nắp máy làm thành mạch kín. Phần từ
thông đi vào phần ứng gọi là từ thông chính hay từ thông khe hở
0
. Từ thông này cảm
ứng nên s.đ.đ. trong dây quấn khi phần ứng quay và tác dụng với dòng điện trong dây
quấn phần ứng để sinh ra mômen. Đây là phần chủ yếu của từ thông cực từ
c
. Phần từ
thông không đi qua phần ứng gọi là từ thông tản





=
t

0
(3-
1)
trong đó:

t









+=
0
1



- hệ số tản từ của cực
từ chính. Thờng


= HdlIw

Trong thiết kế máy điện, trực tiếp dùng công thức trên để tính toán có khó khăn vì
mạch từ trong máy điện không quy củ, khó xác định cờng độ từ trờng H ở các điểm.
Vì vậy để dễ tính toán ta dùng cách phân đoạn và trong các đoạn đó coi nh cờng độ
từ trờng không đổi. Trong máy điện thờng chia mạch từ ra làm năm đoạn sau: khe
hở, răng phần ứng, lng phần ứng, cực từ và gông từ.
Nh vậy s.t.đ. cần thiết cho một đôi cực F
0
để sinh ra từ thông chính có thể tính
nh sau:

ggccuurr
lHlHlHhHHHlIwF
+
+
+
+=== 222
0



= F

+ F
r
+ F

+ F
c

Muốn sinh ra một từ thông
0
nào đó cần có một s.t.đ. kích từ nhất định F
0
. Khi
0

thay đổi thì F
0
cũng thay đổi theo. Đờng biểu diễn quan hệ giữa
0
và F
0
gọi là đờng
cong từ hoá của máy điện (hình 3-2). Khi thiết
kế máy điện, có thể giả thiết những giá trị
0

khác nhau rồi tính F
0
tơng ứng. Đối với máy
điện có sẵn thì dùng thí nghiệm để vẽ đờng từ
hoá.
Do s.đ.đ. lúc không tải tỷ lệ thuận với
0
và
dòng điện kích từ I
t
tỷ lệ thuận với F
0

Hình 3-2. đờng từ hoá
của má
y
đi
ệ
n m
ộ
t chiều
diễn quan hệ giữa E
0
với I
t
: E
0
= f(I
t
).
Khi từ thông trong máy điện nhỏ, thép của
máy ít bão hoà đờng từ hoá là đờng thẳng. Khi từ thông tăng lên, lõi sắt bắt đầu bão hoà nên đờng từ hoá nghiêng về bên
phải. Kéo dài phần đờng thẳng của đờng cong từ hoá ta đợc quan hệ F

= f(
0
). Khi
từ thông
0
định mức (dùng để sinh ra điện áp định mức) thì s.t.đ. khe hở bằng đoạn ab

tải . Để đơn giản hoá vấn đề, lúc dùng nguyên lý xếp chồng ta giả thiết mạch từ không
bão hoà, sau đó sẽ xét đến ảnh hởng của bão hoà sau.

25
3.2.1. Chiều của từ trờng phần ứng
Muốn tạo nên một từ trờng phần ứng
riêng, ta cho qua chổi than vào phần ứng một
dòng điện một chiều sao cho chiều dòng điện
trong các thanh dẫn giống nh lúc máy làm
việc bình thờng.
Trờng hợp chổi than đặt trên đờng trung
tính hình học (hình 3-3) và không xét đến từ
tr
ờng cực từ chính.
Khi phần ứng có dòng điện thì bản thân
phần ứng là một nam châm điện. Dù máy
quay hay không thì sự phân bố của dòng điện
trong dây quấn vẫn không đổi, nghĩa là dòng
điện ở hai phía của các chổi than luôn luôn

Hình 3-3
Từ trờng phần ứng khi chổi

than ở đờng trung tính hình học
T
rung tính
hình học
N
n
S

thẳng góc với s.t.đ. cực từ gọi là s.t.đ. ngang
trục F
q
và thành phần cùng trục với s.t.đ. cực
từ gọi là s.t.đ. dọc trục F
d
.
Theo hình vẽ 3-4, ta có thể coi nh s.t.đ.

N
Hình 3-4
Từ trờng phần ứng khi chổi than
ông ở đờng trung
tính hình họ
S
A
B

C
D
b
b
F

F
d
F
q
F
Đ

D
iN
A
u
.
.
,

= A/cm (3-4)
trong đó: D là đờng kính ngoài của phần ứng, tính bằng cm.
Trị số A bằng s.t.đ. trên một đơn vị dài (cm) của chu vi phần ứng đợc gọi là phụ
tải đờng của phần ứng. Đó là một tham số quan trọng khi thiết kế máy điện.
Theo định luật toàn dòng điện, nếu lấy mạch vòng đối xứng với điểm giữa của hai
chổi than thì ở một điểm cách gốc một khoảng cách x, s.t.đ. phần ứng sẽ bằng:
F
x
= A.2x (A/đôi cực) (3-5)
Rõ ràng s.t.đ. phần ứng sẽ lớn nhất ở chổi điện, nghĩa là khi
2

=x
. Lúc đó s.t.đ.
phần ứng sẽ bằng:



AAF
u
==
2

B
x
a)
b)
Vì A và i

đều tỷ lệ với I

nên
F

cũng tỷ lệ với I

, nghĩa là khi
dòng điện tải (tức là dòng I

) càng
lớn thì s.t.đ. phần ứng càng lớn.
Sự phân bố s.t.đ. phần ứng trên bề
mặt phần ứng nh ở hình 3-5a.
Nếu bỏ qua từ trở của thép thì
từ trở của mạch từ phần ứng chỉ
còn là hai khe hở không khí nên
từ cảm phần ứng ở dới bề mặt
cực từ bằng:
B
x
=
à
0

q
. Do đó ta có:
F
d
= A. 2b (A/đôi cực) (3-8)
F
q
= A. (
b2


) (A/đôi cực) (3-9)
Tóm lại, từ trờng phần ứng phụ thuộc vào vị trí chổi điện và mức độ tải. Chính
những yếu tố đó quyết định tính chất tác dụng của từ trờng phần ứng lên từ trờng cực
từ chính.
3.2.3. Phản ứng phần ứng trong máy điện một chiều
Khi máy điện làm việc có tải, dòng điện phần ứng sinh ra từ trờng phần ứng. Tác
dụng của từ trờng phần ứng với từ trờng cực từ gọi là phản ứng phần ứng.
Khi xét đến tác dụng của phản ứng ta cần chú ý rằng nếu máy có chiều dòng điện
và cực tính của cực từ nh trong hình 3-3 và 3-4 thì chiều quay của máy phát điện và
của động cơ điện sẽ ngợc nhau và đợc ký hiệu bằng những mũi tên nh trên hình vẽ.

S N
n
m
n
m
n
n m
2
4
m
3
1
n
Sau đây sẽ nghiên cứu hai trờng hợp: chổi than ở trên đờng trung tính hình học
và không ở trên đờng trung tính hình học.
a. Chổi than đặt ở trên đờng trung tính hình học
Sự phân bố của từ thông tổng do từ trờng cực từ chính và từ trờng phần ứng hợp
lại nh ở hình 3-6a. Cũng có thể dùng hình khai triển của nó (hình 3-6b) để phân tích
sự thay đổi của từ thông khe hở khi có phản ứng phần ứng. Trong hình 3-6b đờng 1
chỉ sự phân bố của từ trờng chính, đờng 2 là sự phân bố của từ trờng phần ứng. Khi
mạch từ không bão hoà thì theo nguyên lý xếp chồng, sự phân bố của từ trờng tổng
nh đờng 3, nhận đợc bằng cách cộng từ trờng của cực từ (đờng 1) với từ trờng
của phần ứng (đờng 2) . Nhng khi mạch từ bão hoà thì dùng nguyên lý xếp chồng
không hoàn toàn đúng vì lúc mạch từ bão hoà từ thông không tăng tỷ lệ với s.t.đ. nữa,
nên thực tế sự phân bố từ trờng tổng nh đờng 4.
Từ những phân tích trên, ta có thể rút ra những kết luận sau đây:
a. Khi chổi than ở trên đờng trung tính hình học chỉ có phản ứng phần ứng ngang
trục mà tác dụng của nó là làm méo từ trờng khe hở. Đối với máy phát điện thì ở mỏm
ra cực từ (mỏm cực mà phần ứng đi ra) máy đợc trợ từ, ở mỏm vào của cực từ thì bị
khử từ. Đối với động cơ điện tác dụng sẽ ngợc lại, vì chiều quay ngợc với chiều quay

động cơ) thì phản ứng phần ứng dọc trục có tính chất khử từ (hình 3-4), ngợc lại nếu
xê dịch chổi than ngợc chiều quay của máy phát (thuận chiều quay của động cơ) thì
phản ứng phần ứng dọc trục có tính chất trợ từ.
Trong máy phát điện một chiều, do yêu cầu về đổi chiều, chỉ cho phép quay chổi
than theo chiều quay phần ứng nếu là máy phát, hay ngợc chiều quay phần ứng nếu là
động cơ.
Phản ứng phần ứng dọc trục chỉ ảnh hởng đến trị số của từ trờng tổng chứ không
làm nó biến dạng.

3-3. Từ trờng cực từ phụ

Hiện nay, trong hầu hết các máy điện một chiều (trừ máy có công suất nhỏ hơn 0,5
kW) đều có đặt cực từ phụ. Cực từ phụ đặt giữa hai cực từ chính, trên đờng trung tính
hình học.
Nh đã biết, khi có tải, do có phản ứng phần ứng nên trên đờng trung tính hình
học từ trờng khác không và từ trờng đó cùng chiều với từ trờng cực từ đứng trớc

29
đờng trung tính hình học theo chiều quay
của máy phát (xem hình 3-6). Để cải thiện
đổi chiều, thờng yêu cầu ở khu vực đổi
chiều (khu vực có chổi than, chổi than đặt
ở đờng trung tính hình học) có từ trờng
ngợc chiều với từ trờng phần ứng ở khu
vực đó, vì vậy phải đặt cực từ phụ. Tác
dụng của cực từ phụ là sinh ra một s.t.đ.
để triệt tiêu từ trờng phần ứng ngang trục
đồng thời tạo ra một từ tr
ờng ngợc
chiều với từ trờng phần ứng ở khu vực

đến từ trờng cực từ chính vì trong phạm vi
một bớc cực, tác dụng trợ từ và khử từ của
các cực từ phụ là bằng nhau nên bù trừ cho
nhau. Nếu xê dịch chổi than khỏi đờng
trung tính hình học theo chiều quay của phần
ứng ở chế độ máy phát (hay ngợc chiều
quay ở chế độ động cơ) thì trong phạm vi
một bớc cực, tác dụng khử từ lớn hơn tác
dụng trợ từ của nó, do đó trong trờng hợp
này các cực từ phụ làm cho máy bị khử từ.
Nếu xê dịch chổi than ngợc chiều quay
phần ứng ở chế độ máy phát thì tác dụng
ngợc lại. Nh vậy ảnh hởng của các cực từ
phụ đối với từ trờng cực từ chính nh phản
ứng phần ứng dọc trục của phần ứng. 3

1
2

Để có thể bù đợc ở bất cứ tải nào, dây
quấn bù đợc mắc nối tiếp với dây quấn
phần ứng sao cho s.t.đ. của hai dây quấn đó
ngợc chiều nhau.
Trên hình vẽ khai triển 3-9a, đờng 1
biểu thị sự phân bố s.t.đ. phần ứng ngang
trục F
q
, đờng 2 biểu thị s.t.đ. của dây
quấn bù F
b
. Ta thấy, về cơ bản là bù đợc
trên phạm vi mặt cực, chỉ có ở giữa hai cực
là không bù đợc mà còn một phần (phần
gạch chéo). Nhng ở máy có dây quấn bù
bao giờ cũng có đặt cực từ phụ nên dới tác

Hình 3-9. Các đờng s.t.đ và từ
trờng tổng của máy điện một
chiều có cực từ phụ và dây quấn bù
S