Bài giảng Máy điện - Chương 3: Các vấn đề cơ bản của máy điện quay - Nguyễn Quang Nam

1Phần 1
Bài giảng
Chương 3: Các vấn đề cơ bản
của máy điện quay
TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK 2
nqnam@hcmut.edu.vn
2Phần 1

 Điện áp cảm ứng trong các máy điện quay thông qua sự 
thay đổi của từ thông móc vòng theo thời gian.

 Sự biến thiên của từ thông móc vòng có thể được thực 
hiện bằng cách quay dây quấn cắt ngang từ trường, hoặc 
quay từ trường quét qua dây quấn, hoặc thiết kế mạch từ 
để từ trở thay đổi khi rôto chuyển động.

 Sự thay đổi từ thông móc vòng một cách đều đặn dẫn 
đến điện áp biến thiên theo thời gian được sinh ra.
Khái niệm
3Phần 1

 Bộ dây quấn có điện áp cảm ứng thường được gọi là
dây quấn phần ứng. Nói chung, thuật ngữ này được dùng 
để chỉ dây quấn tải dòng điện AC trong máy điện quay.

 Trong máy điện AC như máy đồng bộ và không đồng bộ, 
dây quấn phần ứng thường nằm trên stato, nên cũng được 
gọi là dây quấn stato.

 Trong máy điện DC, dây quấn phần ứng nằm trên rôto, 
là phần chuyển động trong máy.
Khái niệm (tt)
4Phần 1

 Máy điện đồng bộ và một chiều thường có thêm dây 
quấn thứ hai mang dòng điện DC, được dùng để tạo ra từ
thông chính trong máy.

 Dây quấn này thường được gọi là dây quấn kích từ. Dây 
quấn kích từ nằm trên stato của máy một chiều và trên rôto 
của máy đồng bộ. Do đó, máy đồng bộ cần một hệ thống 
tiếp điểm quay (vành trượt + chổi).

 Từ thông cũng có thể được tạo ra bởi NCVC.
Khái niệm (tt)
5Phần 1

 Trong hầu hết máy điện quay, stato và rôto được chế tạo 
từ thép kỹ thuật điện, và dây quấn được đặt trong rãnh.

 Từ thông biến thiên theo thời gian trong phần ứng có xu 
hướng làm cảm ứng các dòng điện xoáy trong thép. Các 
dòng điện cảm ứng có thể gây ra tổn hao lớn và làm giảm 
mạnh hiệu năng của máy.

 Để khắc phục, phần ứng được chế tạo từ các lá thép 
mỏng cách điện với nhau.
Khái niệm (tt)
6Phần 1

 Trong một số máy, như máy điện từ trở và động cơ 
bước, không có dây quấn trên rôto.

 Sự vận hành của các máy này phụ thuộc vào sự không 
đồng đều của từ trở khe hở khi rôto quay, kết hợp với sự 
thay đổi theo thời gian của dòng điện stato.

 Trong các máy này, cả stato lẫn rôto đều có từ thông 
biến thiên theo thời gian, do đó đều cần được chế tạo từ
các lá thép kỹ thuật điện.
Khái niệm (tt)
7Phần 1

 Máy điện AC truyền thống thuộc một trong hai loại: đồng 
bộ và không đồng bộ.

 Trong máy không đồng bộ, dòng điện rôto được cảm 
ứng bởi sự kết hợp của sự biến thiên theo thời gian của 
dòng điện stato và chuyển động tương đối của rôto so với 
stato.

 Xét máy đồng bộ cơ sở như trong slide tiếp theo, là một 
máy đồng bộ cực lồi, 2 cực.
Giới thiệu về máy điện xoay chiều
8Phần 1

 Phần ứng nằm trên stato, kích từ
nằm trên rôto.

 Dòng điện kích từ đi vào máy 
thông qua các chổi than và vành 
trượt.
Giới thiệu về máy điện xoay chiều (tt)

 Cuộn dây phần ứng gồm N vòng, với các cạnh a và –a 
được đặt gối xứng qua tâm. Rôto quay ở tốc độ không đổi 
nhờ một nguồn cơ học.
Kích
từ
Phần
ứng
9Phần 1

 Giả thiết từ thông trong khe hở phân bố hình sin trong 
không gian (trong thực tế, hình dạng mặt cực có thể được 
thiết kế để tạo ra điều kiện như vậy).

 Điện áp cảm ứng sẽ có dạng hình sin theo thời gian, 
dưới những điều kiện đã giả thiết.

 Cuộn dây hoàn tất 1 chu kỳ sau mỗi vòng quay của máy 
2 cực đang xét. Nghĩa là tần số của nó (tính bằng Hz) bằng 
với tốc độ của rôto (tính bằng vòng/giây).
Giới thiệu về máy điện xoay chiều (tt)
10Phần 1

 Như vậy tần số điện của điện áp phát ra được đồng bộ
với tốc độ cơ học, và là lý do của tên gọi máy “đồng bộ”.

 Rất nhiều máy đồng bộ có nhiều hơn 2 cực. Với các máy 
này, các cuộn dây được nối sao cho các cực luân phiên 
thay đổi. Mỗi cuộn dây nằm dưới 1 đôi cực từ. Như vậy, tần 
số (tính bằng Hz) sẽ gấp p lần tốc độ quay (tính bằng 
vòng/giây).

 Với máy có nhiều đôi cực, có thể tập trung vào một đôi 
cực, vì các hiện tượng được lặp lại ở mỗi đôi cực.
Giới thiệu về máy điện xoay chiều (tt)
11Phần 1

 Khi đó, sẽ thuận tiện hơn khi diễn tả các góc theo đơn vị 
độ điện hay radian điện.

 Như vậy, trong máy có p đôi cực, 360 độ điện hay 2pi 
radian điện tương ứng với 1 đôi cực, do đó

 Và tần số của máy có tốc độ n (vòng/phút – rpm) là
Giới thiệu về máy điện xoay chiều (tt)
me pθθ = (3.1)
60
npf = (3.2)
12Phần 1

 Rôto vừa xét có cấu trúc cực lồi, với dây quấn tập trung. 
Rôto còn có thể được chế tạo với cấu trúc cực ẩn, và dây 
quấn phân bố.

 Cấu trúc cực lồi thích hợp với các máy phát thủy điện, 
nhiều cực, tốc độ thấp. Cấu trúc cực ẩn thích hợp với các 
máy phát tuabin (khí hoặc hơi), có ít cực và tốc độ cao.

 Hầu hết hệ thống điện là hệ thống 3 pha, nên các máy 
phát đồng bộ cũng là các máy phát 3 pha.
Giới thiệu về máy điện xoay chiều (tt)
13Phần 1

 Các cuộn dây phần ứng có thể được nối Y hoặc ∆.

 Khi máy phát đồng bộ cung cấp điện cho tải, dòng điện 
phần ứng tạo ra một sóng từ thông trong khe hở không khí, 
quay ở tốc độ đồng bộ. Từ thông này tương tác với từ thông 
kích từ tạo ra mômen có xu hướng kéo 2 từ thông này thẳng 
hàng với nhau, và ngược chiều quay.

 Động cơ sơ cấp cần tạo ra mômen để duy trì chuyển 
động quay của máy phát.
Giới thiệu về máy điện xoay chiều (tt)
14Phần 1

 Động cơ đồng bộ sẽ có cơ chế hoạt động tương tự, 
nhưng từ thông phần ứng là do hệ dòng điện 3 pha trong 
dây quấn phần ứng tạo ra, quay ở tốc độ đồng bộ.

 Khi động cơ đồng bộ mang tải, mômen tải sẽ làm cho góc 
lệch giữa từ thông phần ứng và từ thông kích từ tăng lên, 
do đó làm tăng mômen điện từ sinh ra, và đưa động cơ trở
về trạng thái cân bằng.

 Tốc độ của động cơ luôn tỷ lệ với tần số nguồn.
Giới thiệu về máy điện xoay chiều (tt)
15Phần 1

 Máy không đồng bộ (KĐB) cũng có dây quấn stato giống 
như máy đồng bộ. Tuy nhiên, dòng điện trong dây quấn rôto 
của máy KĐB là dòng điện AC, được cảm ứng do sự chênh 
lệch tốc độ của rôto và từ trường quay.

 Máy KĐB có thể được xem là một máy biến áp tổng quát 
với công suất điện được chuyển đổi thành công suất cơ 
cùng với sự thay đổi tần số.

 Máy KĐB trước đây rất ít khi được dùng làm máy phát.
Giới thiệu về máy điện xoay chiều (tt)
16Phần 1

 Dây quấn rôto được ngắn mạch, giúp cho dòng điện cảm 
ứng sinh ra khi có hiện ứng biến áp từ dây quấn stato.

 Trong động cơ KĐB rôto lồng sóc, dây quấn rôto được 
tạo thành từ các thanh dẫn nhôm đúc dọc theo rãnh rôto, 
với các thanh dẫn bị ngắn mạch ở hai đầu rôto.

 Cấu trúc rôto lồng sóc là khá rẻ tiền và rất tin cậy, khiến 
cho nó được sử dụng rộng rãi. Rôto của động cơ KĐB luôn 
luôn quay chậm hơn từ trường quay của máy.
Giới thiệu về máy điện xoay chiều (tt)
17Phần 1

 Dây quấn phần ứng của máy 
phát DC nằm trên rôto, được nối 
với mạch ngoài bằng các chổi 
than.

 Dây quấn kích từ nằm trên stato 
và được cung cấp dòng điện DC.
Giới thiệu về máy điện một chiều
Chiều
quay
Chổi
than
Cổ
góp

 Hình trên cho thấy cấu trúc đơn giản hóa của máy phát 
DC 2 cực.
18Phần 1

 Phân bố từ thông trong khe hở thường có dạng bằng 
đầu, chứ không phải hình sin, trong không gian.

 Khi quay cuộn dây, điện áp cảm ứng có dạng sóng theo 
thời gian giống như phân bố từ cảm trong không gian.

 Vì điện áp cảm ứng là dạng xoay chiều, một bộ cổ góp 
được dùng để chỉnh lưu điện áp các cuộn dây, tạo ra điện 
áp DC tại ngõ ra. Cổ góp là một tập các phiến đồng được 
cách điện với nhau, và gắn thành 1 mặt trụ trên trục máy.
Giới thiệu về máy điện một chiều (tt)
19Phần 1

 Dây quấn kích từ tạo ra một từ trường cố định so với 
stato, dây quấn phần ứng cũng tạo ra một từ trường cố định 
trong không gian, phụ thuộc vào thiết kế của máy và vị trí
của các chổi, thường là vuông góc với từ trường kích từ.

 Giống như trong các máy điện đã được khảo sát, mômen 
trong máy được tạo ra do sự tương tác giữa hai từ trường.

 Trong máy phát, mômen ngược chiều quay, còn trong 
động cơ, mômen thuận chiều quay.
Giới thiệu về máy điện một chiều (tt)
20Phần 1

 Hầu hết phần ứng có dây 
quấn rải, được phân tán trong 
các rãnh dọc khe hở. Các cuộn 
dây được nối sao cho từ trường 
tạo thành có cùng số cực như 
dây quấn kích từ.
Sức từ động của dây quấn rải
Trục từ
stato
Cuộn dây
N vòng

 Xét một dây quấn gồm 1 cuộn dây N vòng, với các cạnh 
cách nhau 180 độ điện, như hình trên.
21Phần 1

 Bỏ qua từ trở của lõi thép, có thể thấy cường độ từ 
trường ở một vị trí θa dưới 1 cực sẽ có cùng độ lớn với 
cường độ từ trường ở vị trí θa + pi dưới cực kia, do tính đối 
xứng của mạch từ.

 Sức từ động trên bất kỳ đường sức từ nào cũng là Ni.
Sức từ động của dây quấn rải (tt)
Rôto
Stato
Cơ bản
22Phần 1

 Sức từ động (stđ) phải được phân bố đều như có thể
thấy ở slide vừa rồi. Từ áp rơi trên mỗi khe hở phải bằng 
Ni/2.

 Hình vẽ trên thể hiện dạng khai triển của dây quấn, sức 
từ động có phân bố dạng bước nhảy có độ lớn Ni/2.

 Giả thiết miệng rãnh hẹp, sức từ động sẽ đột ngột thay 
đổi 1 lượng Ni khi chuyển từ phía bên này sang phía bên 
kia của cuộn dây.
Sức từ động của dây quấn rải (tt)
23Phần 1

 Phân tích Fourier cho thấy sức từ động của 1 cuộn dây 
bước đủ như trên bao gồm thành phần cơ bản lẫn các họa 
tần bậc cao.

 Trong máy AC, các cuộn dây được phân bố sao cho các 
họa tần bậc cao được cực tiểu hóa, và sức từ động khe hở
chủ yếu là thành phần cơ bản trong không gian.

 Giả thiết rằng những biện pháp trên đã được thực hiện, 
chúng ta có thể tập trung vào thành phần cơ bản.
Sức từ động của dây quấn rải (tt)
24Phần 1

 Dạng sóng ở slide 21 của dây quấn tập trung 2 cực, bước 
đủ có thể được phân tích thành chuỗi Fourier, với thành 
phần cơ bản là

 với θa được tính từ trục từ của cuộn stato.

 Sức từ động đạt giá trị cực đại dọc theo trục của nó
Sức từ động của dây quấn rải (tt)
( )aag NiF θpi cos2
4
1 





= (3.3)






=
2
4
1
NiF mag pi
(3.4)
25Phần 1

 Bây giờ xét dây quấn rải, gồm nhiều cuộn dây phân bố
trên vài rãnh (hình 4.20a, sách Fitzgerald).

 Xét sức từ động khe hở của pha a, với các cuộn dây 
được bố trí thành 2 lớp, mỗi cuộn dây bước đủ có Nc vòng.

 Sơ đồ khai triển của dây quấn (hình 4.20b, sách 
Fitzgerald) cho thấy dạng sóng sức từ động trong không 
gian, gồm một số bước nhảy với độ cao 2Ncia, với ia là dòng 
điện trong cuộn dây.
Sức từ động của dây quấn rải (tt)
26Phần 1

 Có thể thấy dây quấn rải tạo ra dạng sóng gần với hình 
sin hơn so với dây quấn tập trung.

 Biên độ của thành phần cơ bản sóng sức từ động không 
gian của dây quấn rải nhỏ hơn tổng các thành phần cơ bản 
của từng cuộn dây thành phần, vì trục từ của từng cuộn dây 
không thẳng hàng với trục từ tổng hợp.

 Thành phần cơ bản của sóng sức từ động trong trường 
hợp này sẽ là:
Sức từ động của dây quấn rải (tt)
27Phần 1

 với p là số đôi cực từ, Nph là số vòng dây nối tiếp mỗi 
pha, và hệ số dây quấn kdq (< 1) xét đến sự phân bố của 
các cuộn dây.

 Tích số kdqNph là số vòng dây nối tiếp hiệu dụng mỗi pha 
đối với thành phần cơ bản của sức từ động. Trị đỉnh của 
dạng sóng này là:
Sức từ động của dây quấn rải (tt)
( )aaphdqag pip
Nk
F θ
pi
cos
2
4
1 





= (3.5)
28Phần 1

 Phương trình (3.5) mô tả thành phần cơ bản trong không 
gian của sóng sức từ động tạo bởi dòng điện pha a của 1 
dây quấn rải. Nếu dòng điện pha a (ia) biến thiên hình sin 
theo thời gian, kết quả sẽ là một sóng stđ biến thiên cả theo 
góc lệch so với trục và theo thời gian.

 Dây quấn rôto cũng được phân bố với cùng mục đích.
Sức từ động của dây quấn rải (tt)
a
phdq
ag ip
Nk
F 





=
2
4
1 pi
(3.6)
29Phần 1

 Trong các máy DC, bộ đổi chiều 
đặt ra các ràng buộc đối với dây 
quấn, do đó sóng sức từ động của 
phần ứng xấp xỉ dạng sóng tam giác 
(hình 4.22, sách Fitzgerald).
Sức từ động của dây quấn rải (tt)
Trục từ
phần ứng
Trục từ
kích từ

 Trục từ phần ứng thẳng đứng và vuông góc với trục từ
kích từ. Khi phần ứng quay, các cuộn dây nối với chổi than 
được thay đổi sao cho từ trường phần ứng vẫn thẳng đứng.
30Phần 1

 Trên hình 4.23a (sách Fitzgerald) là sơ đồ khai triển của 
dây quấn, với sóng sức từ động như hình 4.23b.

 Giả thiết miệng rãnh hẹp, sóng stđ bao gồm 1 số bước, 
với chiều cao mỗi bước là 2Ncic, với Nc là số vòng mỗi cuộn, 
và ic là dòng điện trong cuộn dây, giả thiết dây quấn 2 lớp 
bước đủ.

 Sóng stđ đạt cực đại tại trục từ, nằm giữa các cực từ.
Sức từ động của dây quấn rải (tt)
31Phần 1

 Dạng sóng này có thể được xấp xỉ bởi 1 sóng tam giác 
(hình 4.23c), điều này càng đúng trong các máy thực tế, có
số lượng rãnh phần ứng trên mỗi cực là lớn. Sóng răng cưa 
có thể được coi là được tạo ra bởi 1 lớp dòng điện nằm sát 
bề mặt phần ứng.

 Thành phần cơ bản của sóng răng cưa có giá trị bằng 
8/pi2 lần chiều cao (trị đỉnh) của sóng tam giác.
Sức từ động của dây quấn rải (tt)
32Phần 1

 Mặc dù sóng stđ khe hở chỉ phụ thuộc vào sự bố trí của 
dây quấn và sự đối xứng của mạch từ, từ cảm trong khe hở
phụ thuộc vào cả stđ lẫn điều kiện biên của mạch từ.

 Máy DC thường có mạch từ với nhiều hơn 2 cực. Dây 
quấn kích từ tạo ra các cực từ xen kẽ, và dây quấn phần 
ứng cũng được chế tạo cho phù hợp.

 Giả thiết dây quấn và mạch từ đối xứng, mỗi đôi cực từ 
đều giống các đôi cực từ còn lại.
Sức từ động của dây quấn rải (tt)
33Phần 1

 Các điều kiện từ có thể được xác định thông qua việc 
khảo sát một đôi cực từ bất kỳ (360 độ điện).

 Trị đỉnh của sóng stđ tam giác có thể được biểu diễn bởi

 với Ca là tổng số thanh dẫn phần ứng, m là số mạch 
nhánh song song, và ia là dòng điện phần ứng. Như vậy ia/m 
là dòng điện đi trong thanh dẫn.
Sức từ động của dây quấn rải (tt)
a
a
agm ipm
CF 





⋅
=
22
(3.7)
34Phần 1

 Dạng rút gọn hơn của (3.7)

 với Na = Ca/(2m) là số vòng dây nối tiếp của phần ứng.

 Thành phần cơ bản của sóng không gian sẽ có trị đỉnh là
Sức từ động của dây quấn rải (tt)
a
a
agm ip
NF 





=
2
(3.8)
a
a
mag ip
NF 





=
2
8
21 pi
(3.9)
35Phần 1

 Sự vận hành của máy điện được xác định bởi các từ 
trường do các dòng điện trong các dây quấn tạo ra. Sự liên 
hệ giữa từ trường và dòng điện được xem xét dưới đây.

 Trong các máy có khe hở đều (hình 4.25a, sách 
Fitzgerald), có thể dễ dàng xác định cường độ từ trường, 
với giả thiết chúng chỉ hướng kính và có độ lớn không đổi 
dọc theo khe hở.

 Dạng sóng của Hag1 do đó theo sát dạng sóng của Fag1.
Từ trường trong máy điện quay
36Phần 1

 Các công thức tính cường độ từ trường chỉ khác các 
công thức tính sức từ động ở 1 hệ số bổ sung, là chiều dài 
khe hở không khí g.

 Chẳng hạn, Hag1 tính từ Fag1

 Với dây quấn rải, cường độ từ trường cũng dễ dàng tính 
được từ sức từ động.
Từ trường trong máy điện quay (tt)
( )aagag g
Ni
g
F
H θ
pi
cos
2
41
1 





== (3.10)
37Phần 1

 Với các máy có cấu trúc cực lồi, khe hở không khí là cực 
kỳ không đều, dẫn đến phân bố từ trường khe hở phức tạp 
hơn nhiều so với máy có khe hở đều.

 Việc phân tích chi tiết phân bố từ trường sẽ đòi hỏi lời giải 
đầy đủ của bài toán trường. Tuy nhiên, một số giả thiết đơn 
giản hóa và kỹ thuật phân tích có thể giúp rút ra lời giải đủ
chính xác.
Từ trường trong máy điện quay (tt)
38Phần 1

 Để hiểu được lý thuyết và sự vận hành của máy AC 
nhiều pha, cần nghiên cứu bản chất của sóng stđ  ... Phần 1

 Tốc độ đồng bộ tương ứng ns tính bằng vòng/phút có thể 
được biểu diễn theo tần số nguồn điện fe (tính bằng Hz)

 Tổng quát, một từ trường quay với biên độ không đổi sẽ 
được tạo ra bởi một dây quấn q pha, được kích thích từ một 
hệ dòng q pha cân bằng ở tần số fe khi các trục pha tương 
ứng được đặt lệch nhau 2pi/q radian điện trong không gian. 
Biên độ của sóng stđ sẽ bằng q/2 biên độ thành phần.
Từ trường quay trong máy điện AC (tt)
p
f
n es
60
= (3.18)
1Phần 2
Bài giảng
Chương 3: Các vấn đề cơ bản
của máy điện quay
TS. Nguyễn Quang Nam
2013 – 2014, HK 2
nqnam@hcmut.edu.vn
2Phần 2

 Xét máy AC cơ sở có mặt cắt như hình 4.32 (sách 
Fitzgerald). Trên stato và rôto là các cuộn dây tập trung, 
bước đủ, có nhiều vòng dây.

 Giả sử khe hở không khí đủ nhỏ, và dây quấn kích từ tạo 
ra từ thông khe hở hướng kính với từ cảm Bm.

 Nếu khe hở không khí là đều, Bm có thể được tính bởi.
Điện áp cảm ứng
f
ff
m Ip
Nk
g
B 





=
2
4 0
pi
µ (3.19)
3Phần 2

 với g là chiều dài khe hở, kf là hệ số dây quấn kích từ, Nf
là tổng số vòng dây nối tiếp của cuộn kích từ, và If là dòng 
điện kích từ.

 Khi các cực từ rôto thẳng hàng với trục từ của 1 pha 
stato, từ thông móc vòng với dây quấn 1 pha stato là
kdqNphΦp, với Φp là từ thông khe hở dưới 1 cực từ (Wb).

 Giả sử từ cảm khe hở có dạng hình sin
Điện áp cảm ứng (tt)
4Phần 2

 Φp có thể được tính bằng cách lấy tích phân từ cảm dưới 
toàn bộ 1 mặt cực
với θr là góc tính từ trục từ rôto, r là bán kính ở vị trí khe 
hở, và l là chiều dài dọc trục của lõi thép.
Điện áp cảm ứng (tt)
( )
rm pBB θcos= (3.20)
lrB
p mp
2
=Φ (3.21)
5Phần 2

 Khi rôto quay, từ thông móc vòng thay đổi theo cosine 
của góc giữa trục từ của các cuộn stato và rôto. Ở tốc độ 
rôto không đổi ωm, từ thông móc vòng với cuộn dây pha a:
với gốc thời gian được chọn tại thời điểm đỉnh sóng từ cảm 
trùng với trục từ của pha a. Còn
là tốc độ rôto tính bằng radian điện/giây.
Điện áp cảm ứng (tt)
( ) ( )tNktpNk epphdqmpphdqa ωωλ coscos Φ=Φ= (3.22)
me pωω = (3.23)
6Phần 2

 Điện áp cảm ứng trong pha a khi đó

 Điện áp cảm ứng có cực tính sao cho khi cuộn stato bị
ngắn mạch, điện áp cảm ứng sẽ tạo ra dòng điện theo 
chiều chống lại các thay đổi của từ thông móc vòng.

 Số hạng thứ nhất của (3.24) là điện áp biến áp và chỉ có
mặt khi biên độ của từ thông khe hở thay đổi theo thời 
gian. Số hạng thứ hai là điện áp tốc độ.
Điện áp cảm ứng (tt)
( ) ( )tNkt
dt
d
Nk
dt
d
e epphdqee
p
phdq
a
a ωωω
λ
sincos Φ−
Φ
== (3.24)
7Phần 2

 Trong điều kiện xác lập bình thường trong hầu hết các 
máy điện, biên độ của từ thông khe hở là không đổi, do đó
số hạng thứ nhất là bằng 0, và điện áp cảm ứng chỉ là điện 
áp tốc độ (thường được gọi là sức điện động, emf).

 Mặc dù mục tiêu sau cùng là tạo ra điện áp DC, điện áp 
cảm ứng trong phần ứng máy DC vẫn là AC khi các cuộn 
dây cắt ngang từ thông DC của dây quấn kích từ.
Điện áp cảm ứng (tt)
( )tNke epphdqea ωω sinΦ−= (3.25)
8Phần 2

 Xét cuộn dây phần ứng N vòng 
của máy DC cơ sở, 2 cực như hình 
bên. Mặc dù phân bố từ thông khe 
hở khác với hình sin, điện áp cảm 
ứng vẫn có thể được tính với giả
thiết phân bố từ thông hình sin.
Điện áp cảm ứng (tt)
Chiều
quay
Chổi
than
Cổ
góp

 Điện áp AC cảm ứng sẽ có dạng hình sin, và sau khi 
được chỉnh lưu bởi cổ góp, sẽ có dạng đập mạch.
9Phần 2

 Giá trị trung bình, hay DC, của điện áp giữa hai chổi có
thể thu được bằng cách tính trung bình điện áp đập mạch

 Với máy DC, việc biểu diễn điện áp Ea theo tốc độ cơ ωm
(rad/s) hay n (rpm) sẽ thuận tiện hơn. Với máy có p đôi cực
Điện áp cảm ứng (tt)
pea NE Φ= ωpi
2 (3.26)
( )
30
22 nNpNpE pmpa Φ=Φ= ωpi
(3.27)
10Phần 2

 Trong thực tế thì máy không thể chỉ có 1 cuộn dây, 
nhưng (3.27) vẫn có thể dùng để biểu diễn kết quả của dây 
quấn rải, nếu N được coi là tổng số vòng dây nối tiếp giữa 
các cực phần ứng.

 Điện áp thường được biểu diễn theo tổng số thanh dẫn 
tác dụng Ca và số mạch nhánh song song m của phần ứng
Điện áp cảm ứng (tt)
n
m
Cp
m
CpE pampaa Φ











=Φ





=
60
2
ω
pi
(3.28)
11Phần 2

 Sự vận hành của bất kỳ thiết bị điện cơ nằm trong một 
hệ thống điện cơ đều có thể được biểu diễn thông qua các 
pt điện đầu cực, và các dịch chuyển và mômen.

 Sau đây các pt điện áp và mômen sẽ được rút ra thông 
qua 2 cách tiếp cận.

 Cách tiếp cận đầu tiên về bản chất giống như cách tính 
mô men cho hệ có nhiều nguồn kích thích. Máy sẽ được 
xem như 1 phần tử mạch có điện cảm phụ thuộc vị trí.
Mômen trong máy cực ẩn
12Phần 2

 Từ thông móc vòng và đồng năng lượng sẽ được biểu 
diễn theo dòng điện và điện cảm. Từ đó có thể xác định 
mômen và mô hình của hệ.

 Quan điểm thứ hai xem máy là 2 nhóm dây quấn tạo ra 
từ trường trong khe hở. Như vậy có thể rút ra từ thông móc 
vòng và đồng năng lượng là hàm của các đại lượng từ. Từ 
đó có thể xác định điện áp cảm ứng và mômen. Mômen có
thể được xem là xu hướng kéo 2 từ trường thẳng hàng.
Mômen trong máy cực ẩn (tt)
13Phần 2

 Xét máy cơ sở có khe hở đều với 
1 dây quấn trên stato và 1 dây quấn 
trên rôto. Các dây quấn này được 
rải trên các rãnh để stđ của chúng 
xấp xỉ hình sin trong không gian.
Mômen theo quan điểm mạch ghép

 Giả thiết dòng điện chạy theo chiều mũi tên tạo ra từ 
trường trong khe hở theo chiều mũi tên. Như vậy 1 mũi tên 
xác định chiều của dòng điện và từ thông.
14Phần 2

 Stato và rôto là các hình trụ đồng tâm, và bỏ qua ảnh 
hưởng của rãnh. Cũng giả thiết từ trở của lõi thép được bỏ
qua. Xét trường hợp tổng quát của máy có p đôi cực.

 Tự cảm của stato và rôto Lss và Lrr có thể xem như 
không đổi, nhưng hỗ cảm giữa stato và rôto phụ thuộc vào 
góc điện θe giữa trục từ của các dây quấn stato và rôto:

 Lsr là giá trị hỗ cảm cực đại khi hai dây quấn đồng trục.
Mômen theo quan điểm mạch ghép (tt)
( )esrsr LM θcos= (3.29)
15Phần 2

 Từ thông móc vòng stato và rôto:

 Các phương trình điện áp:

 Khi rôto quay, θe cần được xem như 1 biến.
Mômen theo quan điểm mạch ghép (tt)
(3.30)( )ersrsssrsrssss iLiLiMiL θλ cos+=+=
( ) rrressrrrrssrr iLiLiLiM +=+= θλ cos (3.31)
( ) ( )
dt
diL
dt
diL
dt
diLiRv eersrresrssssss
θθθ sincos −++=
( ) ( )
dt
diL
dt
diL
dt
diLiRv eessrsesrrrrrrr
θθθ sincos −++=
(3.32)
(3.33)
16Phần 2

 Các số hạng thứ hai và thứ ba tương tự như trong các 
mạch ghép tĩnh. Số hạng thứ tư do chuyển động cơ học 
sinh ra và tỷ lệ với tốc độ. Đây là các số hạng điện áp tốc 
độ tương ứng với sự trao đổi công suất giữa các hệ điện 
và cơ.

 Có thể xác định mômen điện từ thông qua đồng năng 
lượng:
Mômen theo quan điểm mạch ghép (tt)
( )erssre iipLT θsin−= (3.34)
17Phần 2

 Dấu trừ trong (3.34) có nghĩa mômen tác động theo 
chiều làm cho các từ trường stato và rôto thẳng hàng.

 Các pt (3.32) đến (3.34) là hệ pt liên kết các biến điện 
(điên áp và dòng điện) với các biến cơ (mômen và góc 
quay). Hệ pt này kết hợp với các ràng buộc về điện và cơ 
sẽ xác định hiệu năng của thiết bị và các đặc tính biến đổi.

 Đây là các pt vi phân phi tuyến và rất khó giải, trừ một số 
trường hợp đặc biệt.
Mômen theo quan điểm mạch ghép (tt)
18Phần 2

 Có thể thấy dòng điện trong các 
dây quấn tạo ra từ thông trong khe 
hở, với đường sức khép kín qua lõi 
thép stato và rôto.
Mômen theo quan điểm từ trường
Trục từ
stato
Trục từ
rôto

 Như vậy xuất hiện các cực từ trên cả stato và rôto, với 
trục từ tương ứng đi qua giữa cực từ.

 Mômen được tạo ra do xu hướng tự thẳng hàng của hai 
từ trường thành phần.
19Phần 2

 Mômen tỷ lệ với tích độ lớn của các 
stđ stato và rôto và cũng là hàm của 
góc lệch giữa trục stđ stato và trục stđ 
rôto.
Mômen theo quan điểm từ trường (tt)

 Một phần nhỏ từ thông stato và rôto không vượt qua khe 
hở, và chỉ tự móc vòng với cuộn dây tạo ra nó.

 Chỉ có từ thông tương hỗ, móc vòng với cả hai dây quấn 
mới liên quan đến việc tạo ra mômen.
20Phần 2

 Gọi Fsr là sức từ động tổng hợp trong khe hở. Giả thiết 
chiều dài của khe hở g là rất nhỏ so với bán kính của stato 
hay rôto.

 Với máy có khe hở đều, có thể dễ dàng xác định cường 
độ từ trường, dẫn đến xác định được mật độ đồng năng 
lượng theo Fsr:
Mômen theo quan điểm từ trường (tt)
2
0
4
densitycoenergy Avg. 





=
g
Fsrµ (3.35)
21Phần 2

 Đồng năng lượng tổng:

 Từ giản đồ vectơ ở slide 19, có thể suy ra:

 Chú ý rằng giữ stđ không đổi tương đương với giữ dòng 
điện không đổi.
Mômen theo quan điểm từ trường (tt)
20
2
0
4
lg
4 sr
sr
m Fg
DlD
g
FW piµpiµ =





=′ (3.36)
( )( )srrsrsm FFFFg
DlW δpiµ cos2
4
220 ++=′ (3.37)
22Phần 2

 Có thể rút ra biểu thức mômen từ đạo hàm riêng của 
đồng năng lượng theo góc quay:

 Với máy có p đôi cực:

 Mômen tác động theo chiều làm tăng tốc rôto.
Mômen theo quan điểm từ trường (tt)
( )srrse FFg
DlT δpiµ sin
2
0
−= (3.38)
( ) ( )srrse FFg
DlpT δpiµ sin
2
0
−= (3.39)
23Phần 2

 Khi δsr dương, mômen là âm và máy điện vận hành như 
máy phát. Khi δsr âm, mômen là dương và máy vận hành ở
chế độ động cơ.

 Pt quan trọng này cho thấy mômen tỷ lệ với các giá trị 
đỉnh của các stđ stato và rôto, và với sin của góc điện giữa 
chúng. Dấu trừ có nghĩa các từ trường có xu hướng tự
thẳng hàng với nhau. Mômen tác động lên stato và rôto là
bằng nhau và ngược dấu.
Mômen theo quan điểm từ trường (tt)
24Phần 2

 Ngoài ra, có thể dựa vào giản đồ vectơ để rút ra

 Nếu bỏ qua bão hòa từ:
Mômen theo quan điểm từ trường (tt)
( ) ( )ssrse FFg
DlpT δpiµ sin
2
0
−= (3.40)
( ) ( )rsrre FFg
DlpT δpiµ sin
2
0
−= (3.41)
( ) ( )rrsre FBDlpT δpi sin2−= (3.42)
25Phần 2

 Dạng khác của biểu thức mômen
với Φsr là từ thông tổng dưới 1 cực từ do cả hai dây quấn 
tạo ra.

 Tóm lại, mômen tỷ lệ thuận với tích độ lớn của các từ 
trường tương tác, và với sine của góc điện giữa các trục từ
của các từ trường.
Mômen theo quan điểm từ trường (tt)
( ) ( )rrsre FpT δpi sin2
2 Φ−= (3.43)
26Phần 2

 Các máy điện cũng có thể được chế tạo ở dạng tuyến 
tính, ngoài dạng quay thường gặp.

 Ứng dụng được biết đến nhiều nhất của động cơ tuyến 
tính có lẽ là trong giao thông vận tải. Các ứng dụng này sử
dụng động cơ KĐB tuyến tính, với stato nằm trên phương 
tiện vận tải và rôto đứng yên làm thành đường ray.

 Ngoài việc tạo ra lực đẩy, các dòng điện cảm ứng còn có
thể được dùng để tạo lực nâng.
Máy điện tuyến tính
27Phần 2

 Động cơ tuyến tính cũng được dùng trong các máy công 
cụ và robot, nơi thường có yêu cầu về chuyển động tịnh 
tiến (trong định vị và vận hành tay máy).

 Việc phân tích máy điện tuyến tính khá giống với máy 
điện quay, với lực thay cho mômen, và kích thước dài và
dịch chuyển tịnh tiến thay cho các đại lượng góc.

 Xét dây quấn tuyến tính trong hình 4.36 (sách 
Fitzgerald). Dây quấn có N vòng và dòng điện i chạy qua.
Máy điện tuyến tính (tt)
28Phần 2

 Thay biến vị trí góc θa bởi biến vị trí z, có thể rút ra biểu 
thức thành phần cơ bản của sóng stđ

 Cũng có thể tạo ra dây quấn 3 pha bằng cách đặt lệch 
các dây quấn một khoảng β/3, và kích thích chúng bằng 
các dòng điện 3 pha cân bằng có tần số góc ωe
Máy điện tuyến tính (tt)












= β
pi
pi
z
pg
iNk
H phdqag
2
cos
2
4
1 (3.44)
( ) 





−= t
zFtzF em ωβ
pi
pi
2
cos
2
3
, (3.45)
29Phần 2

 Các đặc tính của máy điện phụ thuộc mạnh vào vật liệu 
từ. Các vật liệu này được dùng để định hình mạch từ, giúp 
đạt được các tính chất cần thiết.

 Các vật liệu từ không phải là lý tưởng. Chúng bị bão hòa 
khi từ thông tăng lên, làm cho độ thẩm từ giảm xuống, kéo 
theo hiệu quả tập trung từ trường.

 Cả mômen lẫn điện áp cảm ứng đều phụ thuộc vào từ
thông móc vòng.
Bão hòa mạch từ
30Phần 2

 Với một giá trị stđ cho trước, từ thông phụ thuộc vào từ
trở của lõi thép và của khe hở. Sự bão hòa do đó có thể
ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính của máy.

 Cụ thể, các máy điện thường được giả thiết có từ trở
của lõi thép không đáng kể. Khi máy thực tế vận hành ở
các mức độ bão hòa khác nhau, có thể dự đoán sai số 
đáng kể.

 Có thể cải thiện bằng cách xem khe hở gia tăng 1 lượng 
để xét đến từ áp trên lõi thép.
Bão hòa mạch từ (tt)
31Phần 2

 Ảnh hưởng của miệng rãnh hay khe thông gió cũng có
thể được xét đến theo cách tương tự. Các kỹ thuật này sau 
cùng cần có sự kiểm định thông qua thực nghiệm.

 Các tính chất bão hòa của máy điện quay thường được 
biểu diễn dưới dạng một đặc tính hở mạch, còn gọi là
đường cong từ hóa hay đường cong bão hòa.

 Hình 4.37 (sách Fitzgerald) cho thấy một đường cong từ
hóa điển hình.
Bão hòa mạch từ (tt)
32Phần 2

 Với máy đồng bộ, đặc tính hở mạch có được bằng cách 
quay máy ở tốc độ không đổi, và đo điện áp phần ứng hở
mạch như là hàm số của dòng điện kích từ.

 Đường thẳng tiếp tuyến với phần thấp của đường cong 
là đặc tính khe hở, ứng với các giá trị từ thông thấp.

 Nếu không có hiệu ứng bão hòa thì đặc tính khe hở và 
đặc tính hở mạch sẽ trùng nhau. Do đó, độ lệch của đường 
cong so với đặc tính khe hở cho biết mức độ bão hòa.
Bão hòa mạch từ (tt)
33Phần 2

 Trong các máy điển hình, tỷ số xét tại điện áp định mức 
giữa stđ tổng và stđ rơi trên khe hở vào khoảng 1,1 – 1,25.

 Với động cơ KĐB, máy sẽ được vận hành rất gần hay tại 
tốc độ đồng bộ, và giá trị dòng điện từ hóa được đo ứng 
với các giá trị điện áp stato khác nhau.

 Vì phân bố từ thông khi có tải thường khác với khi không 
tải, đặc tính bão hòa khi có tải có thể khác với đường cong 
hở mạch.
Bão hòa mạch từ (tt)
34Phần 2

 Tương tự như với cuộn dây máy biến áp, từ thông trong 
các dây quấn máy điện quay có thể được chia thành 2 
thành phần.

 Một thành phần móc vòng với cả hai dây quấn, gọi là từ 
thông tương hỗ, và một thành phần chỉ móc vòng với cuộn 
dây tạo ra từ thông, gọi là từ thông tản.

 Với máy có từ 3 dây quấn trở lên, việc đánh số cần 
đươc chú ý. Ví dụ, xét hình 4.40 (sách Fitzgerald).
Từ thông tản
35Phần 2

 Chỉ xét dây quấn 1, từ thông ϕ123 rõ ràng là từ thông 
tương hỗ móc vòng với cả 3 dây quấn. Tuy nhiên, ϕ12 là từ 
thông tương hỗ đối với dây quấn 2, nhưng là từ thông tản 
đối với dây quấn 3, còn ϕ13 là từ thông tương hỗ đối với 
dây quấn 3, nhưng là từ thông tản đối với dây quấn 2.

 Ta đã thấy, mặc dù từng cuộn dây riêng lẻ tạo ra từ
thông khe hở với họa tần đáng kể, nhưng các cuộn dây có
thể được phân bố để gia tăng thành phần cơ bản và giảm 
thiểu các họa tần.
Từ thông tản (tt)
36Phần 2

 Các họa tần không gian của từ thông khe hở mặc dù nhỏ 
nhưng vẫn tồn tại.

 Trong máy DC, các họa tần này tạo ra các từ thông sinh 
mômen và do đó được coi như từ thông tương hỗ giữa 
stato và rôto.

 Trong máy AC, chúng có thể tạo ra họa tần áp theo thời 
gian, hoặc sóng từ thông quay không đồng bộ. Các hiệu 
ứng thường khó xác định theo một cách nhất định.
Từ thông tản (tt)
37Phần 2

 Dù vậy, các từ thông này được coi là một phần của từ
thông tản của các dây quấn. Có thể nhận diện một số
thành phần của từ thông tản như sau.

 Từ thông tản rãnh: trong các rãnh dây quấn, có một 
lượng từ thông không xuyên qua khe hở.

 Từ thông đầu cuối: các phần đầu cuối của cuộn dây 
cũng tạo ra một lượng từ thông không xuyên qua khe hở.
Từ thông tản (tt)