Wirbelstromtheorie und Anwendungen

Wirbelstrom-Definition

Gemäß dem Lenzschen Gesetz erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld in einem leitenden Kreis eine Spannung, die einen Strom induziert, der der Änderung entgegenwirkt. Ähnlich dazu fließen Ströme durch den Querschnitt eines leitenden Körpers, wie zum Beispiel eines Fadens oder einer Platte, wenn sich das Magnetfeld durch diesen Körper ändert.

Diese Ströme werden als Wirbelströme bezeichnet, vergleichbar mit den kleinen Wirbeln, die man in Seen und Ozeanen beobachten kann. Diese Wirbelstromschleifen können sowohl nützlich als auch unerwünscht sein.

Während sie unerwünschte hohe Wärmeverluste in Materialien wie dem Transformatorkern verursachen, finden Wirbelströme Anwendung in verschiedenen industriellen Prozessen wie Induktionsheizung, Metallurgie, Schweißen und Bremsen. Dieser Artikel behandelt die Theorie und Anwendungen des Wirbelstromphänomens.

Wirbelstromverlust im Transformator

Das Magnetfeld im Transformatorkern induziert eine Spannung, was gemäß Faradayschem und Lenzschem Gesetz zu Wirbelströmen führt. Im Kernbereich erzeugt das Magnetfeld B(t) aus dem Wickelstrom i(t) Wirbelströme ieddy.

Die Verluste durch Wirbelströme können wie folgt dargestellt werden:

Dabei ist ke = Konstante, die von der Größe abhängt und umgekehrt proportional zur Leitfähigkeit des Materials,

f = Frequenz der Erregungsquelle,

Bm = Spitzenwert des Magnetfelds und

τ = Dicke des Materials.

Die obige Gleichung zeigt, dass der Wirbelstromverlust von der Flussdichte, der Frequenz und der Dicke des Materials abhängt und umgekehrt proportional zur Leitfähigkeit des Materials ist.

Um die Wirbelstromverluste im Transformator zu reduzieren, besteht der Kern aus gestapelten dünnen Platten, sogenannten Laminierungen. Jede Platte ist isoliert, um die Wirbelströme auf kleine Querschnitte zu beschränken, ihre Pfadlänge zu minimieren und die Verluste zu reduzieren.

Dies wird in der folgenden Abbildung dargestellt:

Um die Leitfähigkeit des Materials zu erhöhen, wird kaltgewalztes, gerichtete Stahl (CRGO) als Transformatorkern verwendet.

Eigenschaften von Wirbelströmen

• Diese werden nur innerhalb leitfähiger Materialien induziert.

• Diese werden durch Defekte wie Risse, Korrosion und Kanten verformt.

• Wirbelströme schwinden mit der Tiefe, wobei die höchste Intensität an der Oberfläche vorhanden ist.

Diese Eigenschaften ermöglichen es, Wirbelströme in der Energie-, Luft- und Raumfahrt- sowie in der Petrochemieindustrie zur Detektion von Metallrissen und -schäden einzusetzen.

Anwendungen von Wirbelströmen

Magnetische Levitation: Es handelt sich um eine abstoßende Art der Levitation, die in modernen Hochgeschwindigkeits-Maglev-Zügen zur reibungslosen Fortbewegung eingesetzt wird. Das sich ändernde magnetische Fluss durch einen supraleitenden Magneten, der auf dem fahrenden Zug platziert ist, erzeugt Wirbelströme auf dem stationären leitenden Blech, über dem der Zug schwebt. Die Wirbelströme interagieren mit dem Magnetfeld und erzeugen Auftriebskräfte.

Hyperthermie-Behandlung bei Krebs: Wirbelstromheizung wird für die Gewebeheizung eingesetzt. Wirbelströme, die in leitenden Rohren durch proximale Drahtwicklungen induziert werden, die an einen Kondensator angeschlossen sind, um einen Resonanzkreis zu bilden, der an eine Hochfrequenzquelle angeschlossen ist.

Wirbelstrombremsen: Die Umwandlung von kinetischer Energie in Wärme durch Wirbelstromverluste findet zahlreiche Anwendungen in der Industrie.

• Bremsen von Zügen.

• Bremsen von Achterbahnen.

• Elektrische Säge oder Bohrmaschine für Notabschaltung.

  
  

Induktionsheizung: In diesem Prozess wird ein leitender Körper elektrisch durch die Induktion von Wirbelströmen mit einem Hochfrequenz-Elektromagneten erwärmt. Sie wird hauptsächlich für Induktionskochplatten, Öfen zum Schmelzen von Metallen, Schweißen und Löten verwendet.

Wirbelstrom-Anpassbare Geschwindigkeitsantriebe: Mit Hilfe eines Regelkreises kann ein wirbelstromgekoppelter Geschwindigkeitsantrieb erreicht werden. Er findet Anwendung in der Metallverarbeitung, Förderbändern, Kunststoffverarbeitung usw.

Metallsuchgeräte: Es detektiert die Anwesenheit von Metallen in Gesteinen, Böden usw. mit Hilfe der Wirbelstrominduktion im Metall, falls vorhanden.

Datenverarbeitungsanwendungen: Wirbelstrom-nicht zerstörende Prüfung wird zur Untersuchung der Zusammensetzung und Härte metallischer Strukturen eingesetzt.