渦電流理論と応用

渦電流の定義

レンツの法則によれば、導体ループが変動する磁場に曝されると、その変化を抑制する電磁誘導電圧が発生します。同様に、フィラメントや板状の導体が磁場の変化に曝されると、材料の断面を通る電流が流れます。

これらの電流は、湖や海で観察される小さな渦巻きのような水の渦から名付けられた渦電流と呼ばれています。これらの渦電流ループは有益な場合もあれば望ましくない場合もあります。

例えばトランスコアなどの材料では高い熱損失を引き起こす一方で、渦電流は誘導加熱、冶金、溶接、ブレーキングなど様々な工業プロセスで応用されています。この記事では渦電流現象の理論と応用について述べています。

トランスでの渦電流損失

トランスコア内の磁場は誘導電圧を生成し、フェラーデーの法則とレンツの法則により渦電流が発生します。コア部分では、ワイヤリング電流i(t)から生成される磁場B(t)が渦電流ieddyを生成します。

渦電流による損失は以下の式で表されます：

ここで、ke = 材料のサイズと反比例して電気抵抗率に依存する定数,

f = 誘導源の周波数,

Bm = 磁場のピーク値,

τ = 材料の厚さ.

上記の式は、渦電流損失が磁束密度、周波数、材料の厚さに依存し、材料の電気抵抗率に反比例することを示しています。

トランスでの渦電流損失を減らすためには、コアは薄いプレート（ラミネーション）を積み重ねて作られます。各プレートは絶縁されており、渦電流を小さな断面積に制限することで、そのパスを最小限に抑え、損失を減少させます。

これは以下の図に示されています：

材料の電気抵抗率を高めるために、トランスコアには冷間圧延粒配向鋼（CRGOグレード鋼）が使用されます。

渦電流の特性

• これらは導体材料内でのみ誘導されます。

• これらは亀裂、腐食、エッジなどの欠陥によって歪められます。

• 渦電流は深さとともに衰減し、表面に最も強度があります。

これらの特性により、渦電流は金属の亀裂や損傷を検出するために、電力、航空宇宙、石油化学産業で使用されます。

渦電流の応用

磁気浮上: これは反発型の浮上であり、現代の高速マグレブ列車で摩擦のない輸送のために応用されています。移動する列車に設置された超伝導磁石によって生成される変動磁束は、静止している導体シート上で渦電流を生成します。渦電流は磁場と相互作用して浮上の力を生成します。

ハイパーサーミア癌治療: 渦電流加熱は組織加熱に使用されます。近接したワイヤリングによって導体チューブに誘導された渦電流は、コンデンサと組み合わせてタンク回路を形成し、ラジオ周波数源に接続されます。

渦電流ブレーキ：渦電流損失による運動エネルギーの熱変換は、産業で多くの応用があります。

• 列車のブレーキ。

• ローラーコースターのブレーキ。

• 電動ノコギリやドリルの緊急停止。

  
  

誘導加熱: このプロセスでは、高周波電磁石によって誘導された渦電流により導体を電気的に加熱します。主に誘導調理、金属の溶解炉、溶接、ブラジングに使用されます。

渦電流可変速度ドライブ: フィードバックコントローラーを使用して渦電流結合速度ドライブを実現できます。これは金属成形、コンベヤー、プラスチック加工などで応用されています。

金属探知機: 岩や土壌中の金属の存在を渦電流誘導によって検出します。

データ処理アプリケーション: 渦電流非破壊検査は金属構造の組成と硬度の調査に使用されます。