Wirbelstromtheorie und Anwendungen
Was sind Wirbelströme
Gemäß dem Lenzschen Gesetz wird in einem leitenden Kreis, der sich in einem wechselnden Magnetfeld befindet, eine induzierte Spannung erzeugt, die einen Strom in einer Richtung fließen lässt, die der Veränderung entgegenwirkt, die sie verursacht hat. Ähnlich verhält es sich, wenn anstelle eines geschlossenen leitenden Kreises ein leitender Körper, wie zum Beispiel ein Faden oder ein Block magnetischen oder nichtmagnetischen Materials, durch das Wechseln des Magnetfeldes Ströme in seinen Querschnitten in entsprechenden geschlossenen Pfaden fließen lässt.
Diese Ströme werden nach den Wasserwirbeln, kleinen wirbelnden Strudeln, die in Seen und Ozeanen beobachtet werden, als Wirbelströme bezeichnet. Diese Wirbelstromschleifen können sowohl nützlich als auch unerwünscht sein.
Während sie unerwünschte hohe Wärmeverluste im Material, wie z.B. im Transformatorkern, verursachen, finden Wirbelströme Anwendung in verschiedenen industriellen Prozessen wie Induktionsheizung, Metallurgie, Schweißen, Bremsen usw. Dieser Artikel behandelt die Theorie und Anwendungen des Wirbelstromphänomens.
Wirbelstromverluste im Transformator
Das Fluss des Magnetfeldes innerhalb des Transformatorkerns induziert gemäß dem Faradayschen Induktionsgesetz und dem Lenzschen Gesetz eine Spannung im Kern, was zu Wirbelströmen führt, wie in der Abbildung unten dargestellt. Betrachten Sie einen Abschnitt des Transformatorkerns, wie gezeigt. Das Magnetfeld B(t), das durch den Wickelstrom i(t) erzeugt wird, führt zu Wirbelströmen ieddy, die innerhalb des Kerns fließen.
Die Verluste durch Wirbelströme können wie folgt ausgedrückt werden:
Wobei, ke = Konstante, die von der Größe abhängt und umgekehrt proportional zur Leitfähigkeit des Materials,
f = Frequenz der Erregungsquelle,
Bm = Spitzenwert des Magnetfeldes 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 zurückzuführen, wird der Kern durch Stapeln dünner Platten, sogenannter Laminierungen, gebildet, und jede Platte ist isoliert oder vernietet, sodass der Fluss der Wirbelströme auf einen sehr kleinen Querschnitt jeder Platte beschränkt und von den anderen Platten isoliert ist. Dadurch verringert sich der Strompfad auf ein Minimum. Dies ist in der folgenden Abbildung dargestellt:
Um die Leitfähigkeit des Materials zu erhöhen, wird kaltgewalztes, kornorientiertes, CRGO-Stahl als Transformatorkern verwendet.
Eigenschaften von Wirbelströmen
Diese werden nur in leitfähigen Materialien induziert.
Diese werden durch Defekte wie Risse, Korrosion, Kanten usw. verzerrt.
Wirbelströme nehmen mit der Tiefe ab, wobei die höchste Intensität an der Oberfläche vorhanden ist.
Anwendung von Wirbelströmen
Magnetische Levitation: Es handelt sich um eine repulsive Art der Levitation, die in modernen Hochgeschwindigkeits-Maglev-Zügen zur reibungslosen Beförderung eingesetzt wird. Das durch einen supraleitenden Magneten, der auf dem fahrenden Zug platziert ist, erzeugte wechselnde Magnetfeld erzeugt Wirbelströme in der stationären leitenden Platte, über der der Zug schwebt. Die Wirbelströme interagieren mit dem Magnetfeld und erzeugen Hebelkräfte.
Hyperthermie-Behandlung bei Krebs: Wirbelstromheizung für Gewebewärme. Wirbelströme werden in den leitenden Rohren durch proximale Drahtwicklungen induziert, die an einen Kondensator angeschlossen sind, um einen Tankkreis zu bilden, der an eine Hochfrequenzquelle angeschlossen ist.
Wirbelstrombremsen: Die kinetische Energie wird durch Wirbelstromverluste in Wärme umgewandelt, was zahlreiche Anwendungen in der Industrie findet:
Bremsen von Zügen.
Bremsen eines Achterbahnzuges.
Elektrische Säge oder Bohrmaschine für deren Notabschaltung.
Induktive Heizung: Es handelt sich um den Vorgang der elektrischen Erwärmung eines leitenden Körpers durch die Induktion von Wirbelströmen unter Verwendung eines Hochfrequenz-Elektromagneten. Ihre Hauptanwendungen sind induktive Kochplatten, induktive Öfen, die zur Erwärmung von Metallen bis zu ihrem Schmelzpunkt, Schweißen, Löten usw. verwendet werden.
Wirbelstrom-Geschwindigkeitsregler: Mit Hilfe eines Rückkopplungsreglers kann eine Wirbelstrom-gekoppelte Geschwindigkeitsregelung erreicht werden. Sie findet Anwendung in der Metallverarbeitung, Förderbänder, Kunststoffverarbeitung usw.
Metallsuchgeräte: Es detektiert die Anwesenheit von Metallen in Gesteinen, Böden usw. mit Hilfe der Wirbelstrominduktion im Metall, falls vorhanden.
Anwendungen in der Datenverarbeitung: Wirbelstrom-zerstörungsfreie Prüfung wird zur Untersuchung der Zusammensetzung und Härte metallischer Strukturen eingesetzt.
Tachometer- und Näherungssensor-Anwendungen
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