Teoria i zastosowania prądów wirowych

Definicja prądów wirowych

Zgodnie z prawem Lenza, gdy zwój przewodzący jest narażony na zmieniające się pole magnetyczne, powstaje w nim napęd elektryczny, który indukuje prąd przeciwstawiający się zmianie. Podobnie, gdy pole magnetyczne zmienia się przez ciało przewodzące, takie jak nitka lub płyta, powoduje to przepływ prądów przez przekroje materiału.

Te prądy otrzymują nazwę prądów wirowych od wirów wody, które są małymi wirami obserwowanymi w jeziorach i oceanach. Te pętle prądów wirowych mogą być zarówno korzystne, jak i niepożądane.

Chociaż powodują one niepożądane wysokie straty cieplne w materiale, takim jak rdzeń transformatora, prądy wirowe znajdują zastosowanie w różnych procesach przemysłowych, takich jak nagrzewanie indukcyjne, metalurgia, spawanie, hamowanie itp. Ten artykuł omawia teorię i zastosowania zjawiska prądów wirowych.

Straty prądów wirowych w transformatorze

Pole magnetyczne wewnątrz rdzenia transformatora indukuje napęd elektryczny, prowadząc do powstania prądów wirowych zgodnie z prawem Faradaya i prawem Lenza. W sekcji rdzenia, pole magnetyczne B(t) z bieżącego prądu i(t) generuje prądy wirowe ieddy.

Straty wynikające z prądów wirowych można zapisać następująco :

Gdzie, ke = stała zależna od rozmiaru i odwrotnie proporcjonalna do oporności materiału,

f = częstotliwość źródła pobudzającego,

Bm = wartość szczytowa pola magnetycznego i

τ = grubość materiału.

Powyższe równanie pokazuje, że straty prądów wirowych zależą od gęstości strumienia, częstotliwości i grubości materiału oraz są odwrotnie proporcjonalne do oporności materiału.

Aby zmniejszyć straty prądów wirowych w transformatorze, rdzeń wykonuje się z ułożonych warstw cienkich płyt, zwanych laminacjami. Każda płyta jest izolowana, aby ograniczyć prądy wirowe do małych przekrojów, minimalizując ich ścieżkę i redukując straty.

To jest przedstawione na poniższym rysunku :

Aby zwiększyć oporność materiału, jako rdzeń transformatora używa się zimnorolowanej stali kierunkowej (CRGO).

Właściwości prądów wirowych

• Są indukowane tylko w materiałach przewodzących.

• Są zniekształcone przez defekty, takie jak pęknięcia, korozja, krawędzie itp.

• Prądy wirowe osłabiają się z głębokością, z najwyższą intensywnością na powierzchni.

Te właściwości pozwalają na wykorzystanie prądów wirowych w przemyśle energetycznym, lotniczym i petrochemicznym do wykrywania pęknięć i uszkodzeń w metalach.

Zastosowania prądów wirowych

Lewitacja magnetyczna: Jest to typ odpychającej levitacji, który znajduje zastosowanie w nowoczesnych szybkich pociągach Maglev, zapewniając transport bez tarcia. Zmieniający się strumień magnetyczny wyprodukowany przez nadprzewodzący magnes umieszczony na poruszającym się pociągu powoduje powstanie prądów wirowych na nieruchomym przewodzącym arkuszu, nad którym pociąg unosi się. Prądy wirowe interakują z polem magnetycznym, tworząc siły levitacji.

Leczenie rakowe hipertermią: Grzanie tkanek przy użyciu grzania prądów wirowych. Prądy wirowe indukowane w przewodzących rurach przez bliskie okręcenia drutu połączone z kondensatorem, tworzący obwód rezonansowy, który jest podłączony do źródła częstotliwości radiowej.

Hamowanie prądów wirowych: Energia kinetyczna przekształcana w ciepło w wyniku strat prądów wirowych znajduje liczne zastosowania w przemyśle.

• Hamowanie pociągów.

• Hamowanie kolejki górskiej.

• Piła elektryczna lub wiertarka do jej awaryjnego wyłączenia.

  
  

Nagrzewanie indukcyjne: Ten proces elektrycznie nagrzewa ciało przewodzące, indukując prądy wirowe za pomocą elektromagnesu o wysokiej częstotliwości. Głównie stosowane jest do gotowania indukcyjnego, pieców do topienia metali, spawania i lutowania.

Regulowane napędy prądów wirowych: Z pomocą regulatora sprzężenia zwrotnego można osiągnąć regulowany napęd prądów wirowych. Znajduje zastosowanie w formowaniu metali, taśmach transportowych, przetwarzaniu tworzyw sztucznych itp.

Detektory metalu: Wykrywają obecność metali w skałach, glebach itp. dzięki indukcji prądów wirowych w metalu, jeśli jest obecny.

Zastosowania w przetwarzaniu danych: Badanie składu i twardości konstrukcji metalowych przy użyciu nietrudniących niszczenia testów prądów wirowych.