Теорія і застосування вихрових струмів
Визначення вихрових струмів
Згідно з законом Ленца, коли провідна петля подається змінному магнітному полю, це генерує електродинамічну силу, яка індукує струм, що протиставляється зміні. Аналогічно, коли магнітне поле змінюється через провідне тіло, наприклад, нитку або пластину, це призводить до появи струму, що пройде через перерізи матеріалу.
Цим струмам надано назву вихрових, на честь водних вихорів, маленьких закручених водоворотів, спостерігаємої у озерах та океанах. Ці вихрові петлі можуть бути як корисними, так і небажаними.
Хоча вони призводять до небажаних високих теплових втрат у матеріалі, таких як серцевина трансформатора, вихрові струми знаходять застосування у різних промислових процесах, таких як індукційне нагрівання, металургія, зварювання, гальмування тощо. Ця стаття присвячена теорії та застосуванням явища вихрових струмів.
Втрата вихрового струму в трансформаторі
Магнітне поле всередині серцевини трансформатора індукує електродинамічну силу, що призводить до появи вихрових струмів згідно з законами Фарадея та Ленца. У перерізі серцевини, магнітне поле B(t) від струму i(t) в обмотках генерує вихрові струми ieddy.
Втрати, пов'язані з вихровими струмами, можна записати наступним чином:
Де ke = константа, що залежить від розміру і обернено пропорційна до опору матеріалу,
f = частота джерела збудження,
Bm = максимальне значення магнітного поля і
τ = товщина матеріалу.
Надане рівняння показує, що втрати вихрового струму залежать від густини потоку, частоти та товщини матеріалу, а також обернено пропорційні опору матеріалу.
Щоб зменшити втрати вихрових струмів у трансформаторі, серцевина виготовляється з насичених тонких пластин, називаних ламінаціями. Кожна плита ізольована, щоб обмежити вихрові струми до малих перерізів, мінімізуючи їх шляхи та зменшуючи втрати.
Це представлено на нижньому рисунку:
Для збільшення опору матеріалу використовується холодновальцовані зерново-орієнтована сталевина (CRGO), як серцевина трансформатора.
Властивості вихрових струмів
Ці струми індукуються лише всередині провідних матеріалів.
Ці струми деформуються дефектами, такими як тріщини, корозія, краї тощо.
Вихрові струми згасають з глибини, з найвищою інтенсивністю на поверхні.
Ці властивості дозволяють використовувати вихрові струми у енергетиці, авіації та нефтегазовій промисловості для виявлення тріщин та пошкоджень металу.
Застосування вихрових струмів
Магнітне підвішення: Це тип відштовхувального підвішення знайшов застосування у сучасних високоскоростних поїздах Maglev для забезпечення безперешкодного транспорту. Змінний магнітний потік, створений надпровідним магнітом, розміщеним на рухомому поїзді, створює вихрові струми на стаціонарному провідному листі, над яким поїзд підвішений. Вихрові струми взаємодіють з магнітним полем, створюючи сили підвішення.
Лікування раку гіпертермією: Нагрівання тканин за допомогою вихрових струмів. Вихрові струми, індуковані в провідних трубках, з'єднаних з контуром, утвореним діодом, який з'єднаний з джерелом радіочастоти.
Гальмування за допомогою вихрових струмів: Кінетична енергія, перетворена в тепло завдяки втратам вихрових струмів, знаходить численні застосування в промисловості.
Гальмування поїздів.
Гальмування американських горок.
Електрична пила або дріль для їх екстренного вимкнення.
Індукційне нагрівання: Цей процес електрично нагріває провідне тіло, індукуючи вихрові струми високою частотою. Він використовується переважно для індукційного готування, пічей для плавлення металів, зварювання та паяння.
Регульовані приводи з вихровими струмами: За допомогою системи зворотного зв'язку можна досягти регульованого приводу з вихровими струмами. Він знаходить застосування у формуванні металу, конвеєрах, обробці пластиків тощо.
Металодетектори: Виявляє наявність металів у скелях, ґрунтах тощо за допомогою індукції вихрових струмів у металі, якщо він присутній.
Застосування в обробці даних: Безрозсудне тестування вихрових струмів використовується для дослідження складу та твердості металевих конструкцій.
