Giáo trình Máy điện - 60H

Máy phát điện một chiều dùng làm nguồn điện một chiều cho động cơ điện một chiều, 
làm nguồn kích từ cho máy phát điện đồng bộ, dùng trong công nghiệp mạ điện v.v... 
Nhược điểm: Giá thành đắt do sử dụng nhiều kim loại màu, chế tạo và bảo quản cổ góp 
phức tạp. 
5.2.Cấu tạo của máy điện một chiều. 
Những phần chính của máy điện một chiều gồm stato với cực từ, rôto với dây quấn và cố 
góp với chổi điện. Trên hình 4-1 vẽ mặt cắt ngang trục. 
Hình 5-1. Mặt cắt ngang trục máy điện một chiều Hình 5-2. Lá thép lõi rô to 
 5.2.1.Stato 
 Stato còn gọi là phần cảm, gồm lõi thép bằng thép đúc, vừa là mạch từ vừa là vỏ 
máy. Các cực từ chính có dây quấn kích từ (hình 4-l). 
 5.2.2. Rôto 
 Rô to của máy điện một chiều được gọi là phần ứng. gồm lõi thép và dây quấn 
phần ứng. Lõi thép hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0.5 mui, phủ sơn cách 
điện ghép lại. Các lá thép dược dập có lỗ thông gió 
 - 53 - 
và rãnh để đặt dây quấn phần ứng (hình 4- 2)Mỗi phần 
tử của dây quấn, phần ứng có nhiều vòng dây, hai dấu 
với hai phiến góp, hai cạnh tác dụng của phần tử dây 
quấn dặt trong hai rãnh dưới hai cực khác tên. Hình 4-
3a, b vẽ bốn phần tử dây quấn xếp hai lớp. Mỗi phần tử 
chỉ có một vòng các phần tử được nối thành mạch vòng 
khép kín. Ở đây quấn xếp đơn số nhánh song song bằng 
số cực từ. 
 Ngoài dây quấn xếp, ở máy điện một chiều còn kiểu dây quấn sống. Hình 4-4 vẽ 
hai phần tử dây quấn kiểu sóng. Các phần tử được nối thành mạch vòng kín. Ở dây quấn 
sóng đờn chỉ có hai mạch nhánh song song, thường thấy ở máy có công suất nhỏ. 
 - 54 - 
5.2.3. Cổ góp và chổi điện 
 Cổ góp gồm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện, có dạng hình trụ, gần 
ở đầu trục rôto. Hình 4-5a vẽ mặt cắt cổ góp để thấy rõ hình dáng của phiến góp. Các đầu 
dây của phần tử nối với phiến góp. 
 Chổi điện (chổi than) làm bằng than graphit hình 4-5b. Các chổi tỳ cắt lên cổ góp 
nhờ lò xo và giá chơi điện gắn trên bắp máy. 
 a) b) 
 Hình 5.5. a) Cổ góp b) Chổi điện 
5.3. Nguyên lý làm việc cơ bản của máy điện một chiều. 
5.3.1. Nguyên lý làm việc và phương trình điện áp máy phát điện một chiều. 
 Khi động cơ sơ cấp quay phần ứng, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cất từ 
trường của cực từ, cảm ứng các sức điện động. Chiều sđđ xác định theo quy tắc bàn tay 
phải. Như hình 4.6, từ trường hướng từ cực N đến S (từ trên xuống dưới), chiều quay 
phần ứng ngược chiều kim đồng hồ, ở thanh dẫn phía trên, sđđ có chiều từ b đến a. Ở 
thanh dẫn phía dưới, chiều sđđ từ d đến c. Sđđ của phần tử bằng hai lần sđđ của thanh 
dẫn. Nếu nối hai chổi điện A và B với tải, trên tải sẽ cố dòng điện chiều từ A đến B. Điện 
áp của máy phát điện có cực dương Ở chổi A và âm Ở chổi B. 
 Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí của phần 
tử thay đổi, thanh dẫn ở cực S, thanh dc ở cực N, sđđ trong 
thanh dẫn đổi chiều. Nhờ có chổi điện đứng yên, chổi điện 
 - 55 - 
A vẫn nối với phiến góp phía trên, chổi B nối với phiến 
góp phía dưới, nên chiều dòng điện ở mạch ngoài không 
đổi. Ta có máy phát điện một chiều với cực dương ở chổi 
A, cực âm ở chổi B. 
 Nếu máy chỉ cố một phần tử, điện áp đầu cực như hình 4-7a. Để điện áp lớn và ít 
đập mạnh (hình 4-7b), dây quấn phải có nhiều phần tử, nhiều phiến đổi chiều. 
 Ở chế độ máy phát, dòng điện phán ứng, Rư cùng chiều với sđđ phần ứng Eư. 
Phương trình điện áp là: 
 U = Eư - RưIư (4.1) 
 Trong đó: RưIư là điện rơi trong dây quấn phần ứng; Ra là điện trở của đây quấn 
phần ứng; U là điện áp đầu cực máy phát; Eư là sức điện động phần ứng. 
5.3.2.Nguyên lý làm việc và phương trình điện áp của động cơ điện một chiều 
 Hình 4-8 mô tả nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều. Khi cho điện áp 
một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong dây quấn phần ứng có dòng điện tư. Các 
thanh dẫn ab, có có dòng điện nằm trong từ trường, sẽ chịu lực Fđt tác dụng làm cho rôto 
quay. Chiều lực xác định theo quy tắc bàn tay trái. hình 4-8a. 
 Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau, do có 
phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi đảm bảo động cơ có 
chiều quay không đổi (hình 4-8b). 
 - 56 - 
 Hình 5.8. Nguyên lí làm việc của động cơ điện một chiều 
Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sđđ Eư. Chiều sđđ xác định 
theo qui tắc bàn tay phải. Ở động cơ một chiều sđđ Eư ngược chiều với dòng điện Iư , nên 
En còn được gọi là sức phản điện. 
 Phương trình điện áp sẽ là: U = Eư - RưIư (4.2) 
5.4. Sơ đồ dây quấn máy điện một chiều. 
 Dây quấn phần ứng máy điện một chiều thực chất là dây quấn máy điện xoay chiều 
kết hợp với vành đổi chiều để chỉnh lưu sức điện động xoay chiều thành một chiều. Trên 
thực tế dây quấn này hình thành do đấu nối tiếp các bối dây xếp hay sóng theo một thứ tự 
nhất định và làm thành mạch vòng kín, hai đầu vỉa bối dây nối vào hai phiến đổi chiều. 
Để giảm bớt số rãnh so với số phần tử, có thể chế tạo bối dây gồm u = 1 , 2 , 3 . . . phần 
tử. Như vậy khi đặt bối đây vào rãnh để thành dây quấn hai lớp, trong rãnh sẽ có 2u cạnh 
tác dụng nên 1 rãnh thực có thể chia thành u rãnh nguyên tố (hình 5-14), tổng số rãnh 
nguyên tố là Znt = u.Z. 
 Giữa số phấn tử S của dây quấn, số rãnh nguyên tố Znt và số phiến góp G cũng có 
một mối quan hệ nhất định. Vì mỗi phần tử có hai đấu nối với hai phiến góp, đồng thời ở 
 - 57 - 
mỗi phiến góp lại nối hai đầu của hai phấn tử lại với nhau nên số phần tử S phải bằng số 
phiến góp G, ta có : S=G. 
 Do mỗi rãnh nguyên tố đặt hai cạnh tác dụng mà mỗi phần tử cũng có hai cạnh tác 
dụng nên ta có quan hệ: 
 Znt=S=G. 
 Quy luật nối các phần tử để tạo thành dây quấn được xác định bằng bốn loại bước 
dây quấn sau: 
 * Bước dây thứ nhất y1 : là khoảng cách giữa hai cạnh tác dụng của một phấn tử 
do bằng số rãnh nguyên tố (hình 5-15). Đó cũng là khoảng cách của một bước cực như ở 
dây quấn máy điện xoay chiều: 
 Znt
 y1 = 2p ± ε = Số nguyên.
 Khi ε=o ta có dây quấn bước đủ, khi ε 0, với dấu (-) có dây quấn bước ngắn, dấu 
(+) có dây quấn bước dài. 
 Hình 5-9. Các bước dây quấn 
 a) dây quấn xếp: b) dây quấn sóng. 
 * Bước dây quấn thứ 2 y2 : là khoảng cách giữa cạnh tác dụng thứ hai của phần tử 
thứ nhất với cạnh tác dụng thứ nhất của phần tử nối tiếp sau đó tính bàng số rãnh nguyên 
tố. 
 * Bước dây tổng hợp y: là khoảng cách giữa hai cạnh tương ứng của hai phần tử 
liên tiếp nhau đo bằng số rãnh nguyên tố. 
 - 58 - 
 * Bước trên tổ góp yG : là khoảng cách giữa hai phiến góp nối với hai cạnh tác 
dụng của cùng một phần tử đo bằng số phiến góp (hình 5-15). Dây quấn máy điện một 
chiều thường được phân thành các loại sau: 
5.4.1. Dây quấn xếp đơn 
 Khi m = l ta có dây quấn xếp đơn. Khi m = 2 ta có dây quấn xếp phức. 
 Dấu (+) trong biểu thức ứng với cách quấn phải hoặc quấn tiến, dấu (-) ứng với 
cách quấn trái hoặc lùi (h.5.16). 
 Hình 5-10. a) Dây quấn xếp phức tạp quấn phải 
 b)dây quấn xếp đơn quấn trái. 
 Lấy một ví dụ về dây quấn xếp đơn để minh hoạ. 
 Có dây quấn xếp với Z = Znt = S = G =16, 2p=4, yG= +l 
 Znt 16
 Bước đây thứ nhất: yl = 2p ε = 4 = 4 , dây quấn bước đủ.
 yG = +y2 = +l , dây quấn quấn phải. 
 Trình tự nối các phần tử trong rãnh như sau: 
- Thứ tự nối dây : 
 Lớp trên 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 
 Lớp dưới 5 6 7 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4 
 8 
- Vẽ sơ đồ trải 
 - 59 - 
 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 
 N S N S 
 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 1 1 1
 6 0 1 2 3 4 5 
 B1 A2
 A1 B2 
 + - + - 
 A B 
 + - 
 Hình 5-11a. Giản đồ triển khai dây quấn hai lớp. 
 Ta có dây quấn hai lớp. Giản đồ khai triển của dây quấn như hình 5-17a. Lần lượt 
đặt 16 phần tử vào 16 rãnh bắt đầu từ đầu cạnh thứ nhất của phấn tử thứ nhất nối với 
phiến đổi chiều thứ nhất đặt vào rãnh thứ nhất ở lớp trên (nét liền) và cạnh thứ hai của 
phần tử thứ nhất được đặt ở lớp dưới của rãnh số 5 (đường nét đứt) và nối với phiến đổi 
chiều thứ hai rồi tiếp tục sang các phần tử tiếp theo, đến phần tử thứ 16 ta trở về phiến đổi 
chiều số 1 và được một mạch khép kín 16 phần tử với bước cực τ được đặt dưới 4 cực từ 
Bắc Nam xen kẽ nhau. Với chiều quay của phần ứng như trên hình 5-17a, thì chiều sức 
diện động của các phần tử 2, 3, 4 và 10, 11, 12 dưới hai cực N ngược chiều với chiều đi 
vòng còn sức điện động của các phần tử 6, 7, 8 và 14, 15, 16 dưới hai cực S thuận theo 
chiều đi vòng. Các chổi than phải ngắn mạch các phần tử có sức điện động bằng không là 
các phần đổi chiều 1, 2; 5, 6; 9, 10;13, 14, nghĩa là đúng dưới các cực từ. Từ ngoài chổi 
điện nhìn vào có thể biểu thị dây quấn bằng sơ đồ ký hiệu như trên hình 5-17b. 
Từ sơ đồ ký hiệu ta thấy dây quấn xếp tương đương như 4 mạch điện song song ứng với 4 
cực từ. Vì vậy với dây quấn xếp đơn có đôi mạch song song bằng số đôi cực từ: a = p 
 Cùng lập luận như vậy, số đôi mạch nhánh song song của dây quấn xếp phức bằng: 
 a=mp. 
 - 60 - 
 Dây quấn xếp phức khác với dây quấn xếp đơn ở bước trên vành góp, yG =m trong 
đó thường m=2. 
 Hình 5- 11b 
5.4.2. Dây quấn xếp phức tạp 
* Bước dây quấn: 
 Đặc điểm của dây quấn xếp phức tạp là yG = m (m = 2, 3, 4...). Thông thường chỉ 
 dùng m = 2. Trong những máy công suất thật lớn mới dùng m > 2. 
  Khi m = 2 
 - Nếu số rãnh nguyên tố và số phần tử là chẵn thì ta được 2 dây quấn xếp đơn độc lập. 
 - Nếu số rãnh nguyên tố và số phần tử lẻ ta được 2 dây quấn xếp đơn nhưng không độc 
lập mà nối tiếp nhau thành 1 mạch kín. 
 Như vậy có thể coi dây quấn xếp phức tạp gồm m dây quấn xếp đơn làm việc song 
song nhờ chổi than. Và chổi than phải có bề rộng (m lần phiến góp mới có thể lấy điện ra. 
* Ví dụ: Vẽ sơ đồ trải dây quấn phần ứng máy điện một chiều quấn xếp phức tạp biết : 
 Znt = G = S = 24 ; 2p = 4 
- Tính toán : 
 - 61 - 
 Z 24
- Các bước dây quấn y: 6 y2 = y1 - y = 6 - 2 = 4 
 1 2p 4
Th ứ tự nối các phần tử : yG = y = 2 
 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 
 Lớp trên 
 Khép kín 
 Lớp dưới 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 
 Lớp trên 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 2 
 Khép kín 
 Lớp dưới 8 10 12 14 16 18 20 22 24 2 4 6 
 Gi¶n ®å khai triÓn d©y quÊn M§MC 
 Dây quấn xếp phức tạp yG = m = 2; 2p = 4; Znt = S = G = 24. 
 n 
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 
 N S N S 
23 24 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 
 A1 + 
 B1 - A2 + B2 - 
 A + B - 
. 
 - 62 - 
5.4.3. Dây quấn sóng 
5.4.3.1. Dây quấn sóng đơn 
* Đặc điểm 
- Hai đầu của 2 phần tử nối với hai phiến đổi chiều cách xa nhau 2 bước cực 
- Hai phần tử nối tiếp cũng cách xa nhau hình thành một dạng gần giống như làn sóng vì 
vậy nó mang tên là dây quấn sóng 
* Bước quấn 
- Bước dây quấn thứ nhất y1 giống như đối với dây quấn xếp đơn 
- Khi chọn YG trước hết phải yêu cầu sức điện động sinh ra trong hai phần tử nối tiếp 
nhau cùng chiều nhau, như vậy sức điện động mới có thể cộng số học với nhau được. 
Muốn vậy hai phần tử đó phải nằm dưới các cực từ cùng cực tính có vị trí tương đối gần 
giống nhau trong từ trường nghĩa là cách nhau một khoảng hai bước cực. Mặt khác các 
phần tử nối tiếp nhau sau khi quấn vòng quanh bề mặt phần ứng phải trở về bên cạnh 
phần tử đầu tiên để lại tiếp tục nối với các phần tử khác quấn vòng thứ hai. Với số đôi cực 
là p thì muốn cho các phần tử nối tiếp đi một vòng bề mặt phần ứng thì phải có p phần tử 
- Hai phiến đổi chiều nối với hai đầu của một phần tử cách nhau YG phiến. Do đó muốn 
sau khi quấn song phần thứ nhất đến cuối của phần tử cuối cùng phải kề với đầu của phần 
tử đầu tiên thì số phiến đổi chiều mà các phần tử phải vượt qua 
 G 1
 p. Y G 1 Y 
 GG p
- Nếu lấy dấu (- ) ta có dây quấn trái, dấu (+) ta có dây quấn phải. Thường dùng dây quấn 
trái cho đỡ tốn dây đồng. 
- Theo định nghĩa bước dây quấn ta có : 
 G 1
 y = yG 
 p
 Z
 y nt 
 1 2 p 
 y2 = y – y1 
* Vẽ giản đồ khai triển : 
 VD:Vẽ sơ đồ trải dây quấn phần ứng quấn kiểu sóng đơn biết: 
 Znt = S = G = 15 
 2p = 4 
- Tính toán : 
 - 63 - 
 + Bước dây quấn: 
 Z 15
 y1 = nt  = - 3 = 3 (bước ngắn) . y2 = y - y1 = 7 - 3 = 4. 
 2p 4 4
 G 1 15 1
 y = yG = = = 7 (dây quấn trái) 
 p 2
 + thứ tự nối các phần tử: 
 Lớp trên 1 8 15 17 14 6 13 5 12 4 11 3 10 2 9 1 
 Lớp dưới 4 11 3 10 2 9 1 8 15 7 14 6 5 12 
 13 
 n Dây quấn sóng đơn có Znt = S = G = 15; 2p = 4 
 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 
 N S N S 
 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 
 A1 + B1 - A2 + B2 - 
 A + B - 
Dây quấn sóng đơn chỉ có 1 đôi mạch nhánh song song: a = 1. 
Quy luật nối dây của dây quấn sóng đơn là nối tiếp tất cả các phần tử dưới ở các cực có 
 cùng cực tính lại rồi nối với các phần tử ở dới các cực có cực tính khác cho đến hết. 
5.4.3.2. Dây quấn sóng phức tạp 
* Đặc điểm 
- Trong dây quấn sang nếu các phần tử nối tiếp nhau khi quay một vòng quanh bề mặt 
phần ứng không trở về vị trí kế phần tử đầu mà cách 2 hoặc m phần tử thì ta được dây 
quấn sóng phức tạp. Cứ tiếp tục quấn như vậy thì vòng sau cách vòng trứơc 2 hay m phần 
tử cho đến khi kín mạch 
- Nếu còn những phần tử còn thừa lại thì chúng lại nối với nhau theo quy luật trên hợp 
thành 2 hay m mạch kín khác nhau 
 - 64 - 
* Bước quấn: 
- Căn cứ vào cách quấn trên ta có:Ġ 
- Các bước dây quấn khác giống dây quấn sóng đơn 
* Vẽ sơ đồ khai triển 
VD:Vẽ sơ đồ trải dây quấn phần ứng quấn kiểu sóng đơn biết: 
 Znt = S = 18. 
 2p = 4; m = 2; 
- Tính toán : 
+ Bước dây quấn 
 Z 18 2
 y nt  4 
 1 2p 4 4
 G m 18 2
 y y 8 
 G p 2
 y2 = y – y1 = 8 – 4 = 4 
+thứ tự nối các phần tử: Khép kín 
 Lớp trên 2 10 18 8 16 6 14 4 12 2 
 Lớp dưới 6 14 4 12 2 10 18 8 16 Khép kín 
 Lớpíp trtrênªn 1 9 17 7 15 5 13 3 11 1 
 Lớp dưới 5 1 9 17 7 15 
 13 3 11 
 n Dây quấn sóng phức tạp có: m = 2; 2p = 4; Znt = S = 18 
 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 
 N S N S 
 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 2 
 A1 + B1 - A2 + B2 - 
 A + B - 
 - 65 - 
Dây quấn sóng phức tạp gồm m dây quấn sóng đơn hợp lại do đó số đôi mạch nhánh song 
song của dây quấn sóng phức tạp: a = m. 
 Câu hỏi và bài tập : 
 1. Hãy định nghĩa máy điện một chiều? 
 2. Trình bày nguyên lý làm việc của máy phát điện và động cơ điện một chiều? 
 3. Nêu cấu tạo của máy điện một chiều? 
 4.Vẽ sơ đồ trải dây quấn phần ứng máy điện 1 chiều. 
 - 66 - 
 Tài liệu tham khảo 
1.Công nghệ chế tạo Máy điện và Máy biến áp, Nguyễn Đức Sĩ, NXB Giáo dục, Hà Nội 
1995. 
2.Máy điện 1, Vũ Gia Hanh - Trần Khánh Hà - Phan Tử Thụ - Nguyễn Văn Sáu, NXB 
Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 2001. 
3.Máy điện 2, Vũ Gia Hanh - Trần Khánh Hà - Phan Tử Thụ - Nguyễn Văn Sáu, NXB 
Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 2001. 
4.Hướng dẫn sử dụng và sửa chữa Máy biến áp, Động cơ điện, Máy phát điện công suất 
nhỏ, Châu Ngọc Thạch, NXB Giáo dục, Hà Nội 1994. 
5.Tính toán cung cấp và lựa chọn thiết bị, khí cụ điện, Nguyễn Xuân Phú - Nguyễn Công 
Hiền, NXB Giáo dục, Hà Nội 1998. 
6.Kỹ thuật điện, Đặng Văn Đào - Lê Văn Doanh, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 
1999. 
7. Các sách báo và tạp chí về điện. 
 - 67 -