Какие способы уменьшения вредного действия вихревых токов вам известны

Что такое вихревые токи и какие меры принимают для их уменьшения

Что такое вихревые токи и почему их еще называют токами Фуко? Причины возникновения данного явления и способы применения.

В электричестве есть целый ряд явлений, которые нужно знать специалистам. Хоть и не вся информация может пригодиться в повседневной практике, но иногда поможет понять причину какой либо проблемы. Вихревые токи послужили причиной становления некоторых технологических ухищрений при изготовлении электрических машин и даже стали основой для принципа работы некоторых изобретений. Давайте разберемся, что такое вихревые токи Фуко и как они возникают. Содержание:

• Краткое определение
• История открытия
• Вред от вихревых токов
• Как снизить потери
• Применение на практике

Краткое определение

Вихревые токи — это токи, которые протекают в проводниках под воздействием на них переменного магнитного поля. Не обязательно поле должно изменяться, может и тело двигаться в магнитном поле, все равно в нем начнёт течь ток.

Нельзя найти реальную траекторию движения токов для их учёта, ток протекает там, где находит путь с наименьшим сопротивлением. Вихревые токи всегда протекают по замкнутому контуру. Основные условия для его возникновения — нахождение предмета в переменном магнитном поле или его перемещение относительно поля.

История открытия

В 1824 году учёный Д.Ф. Араго проводил эксперимент. Он на одной оси смонтировал медный диск, над ним расположил магнитную стрелку. При вращении магнитной стрелки диск начинал двигаться. Так впервые наблюдали явление вихревых токов. Диск начинал вращаться из-за того, что из-за протекания токов появлялось магнитное поле, которое взаимодействовало со стрелкой. Это назвали, тогда как явление Араго.

Спустя пару лет М. Фарадей, открывший закон электромагнитной индукции, объяснял это явление таким образом: подвижное магнитное поле наводит в диске ток (как в замкнутом контуре) и он взаимодействует с полем стрелки.

Почему второе название — это токи Фуко? Потому что физик Фуко подробно исследовал явление вихревых токов. В ходе своих исследований он сделал великое открытие. Оно заключалось в том, что тела под воздействием вихревых токов нагреваются. С теорией разобрались, теперь мы расскажем о том, где применяются токи Фуко и какие вызывают проблемы.

На видео ниже предоставлено более подробное определение данного явления:

Вред от вихревых токов

Если вы рассматривали конструкцию сетевого трансформатора 50 Гц, наверняка обратили внимание, что его сердечник набран из тонких листов, хотя может показаться что проще было сделать цельную литую конструкцию.

Дело в том, что так борются с вихревыми токами. Фуко установил нагрев тел, в которых они протекают. Так как работа трансформатора и основана на принципах взаимодействия переменных магнитных полей, то вихревые токи неизбежны.

Любой нагрев тел – это выделение энергии в виде тепла. В таком случае будут возникать потери в сердечнике. Чем это опасно? В электроустановке сильный нагрев приводит к разрушению изоляции обмоток и выходу из строя машины. Вихревые токи зависят от магнитных свойств сердечника.

Как снизить потери

Потери энергии в магнитопроводе не приносят пользы, тогда как с ними бороться? Чтобы снизить их величину сердечник набирают из тонких пластин электротехнической стали — это своеобразные меры профилактики для снижения паразитных токов. Такие потери описывает формула, по которой можно произвести расчет:

Как известно: чем меньше сечение проводника, тем больше его сопротивление, а чем больше его сопротивление, тем меньше ток. Пластины изолируют друг от друга окалиной или слоем лака. Сердечники крупных трансформаторов стягиваются изолированной шпилькой. Так снижают потери сердечника, т.е. это и есть основные способы уменьшения токов Фуко.

Какие последствия от влияния этого явления? Магнитное поле, возникающее из-за протекания токов Фуко ослабляет поле, из-за которого они возникли. То есть вихревые токи уменьшают силу электромагнитов. То же самое касается и конструкции деталей электродвигателей и генератора: ротора и статора.

Применение на практике

Теперь о полезных сферах применения токов Фуко. Огромный вклад был внесен в металлургию изобретением индукционных сталеплавильных печей. Они устроены таким образом, что расплавляемую массу металла помещают внутри катушки, через которую протекает ток высокой частоты. Его магнитное поле наводит большие токи внутри металла до его полного плавления.

Примечание автора! Развитие индукционных печей значительно повысило экологичность производства металла и изменило представление о методах плавки. Я работаю на металлургическом комбинате, где десять лет назад запустили новый высокотехнологичный цех с такими установками, а спустя несколько лет после освоения нового оборудования был закрыт классический мартен. Это говорит о продуктивности такого способа нагрева металлов. Также используются вихревые токи для поверхностной закалки металла.

Наглядное применение на практике:

Кроме металлургии они используются на производстве электровакуумных приборов. Проблемой является полное удаление газов перед герметизацией колбы. С помощью токов Фуко электроды лампы разогревают до высоких температур, таким способом деактивируя газ.

В быту вы можете встретить кухонные индукционные плиты, на которых готовят пищу, благодаря как раз применению данного явления. Как видите, вихревые токи имеют свои плюсы и минусы.

Токи Фуко несут и пользу, и вред. В некоторых случаях их влияние влечёт за собой не электрические проблемы. Например, трубопровод, проложенный около кабельных линий, быстрее сгнивает без видимых сторонних причин. В то же время устройства индукционного нагрева довольно показали себя с хорошей стороны, тем более такой прибор для бытового использования можно собрать самому. Надеемся, теперь вы знаете, что такое вихревые токи Фуко, а также какое применение нашлось им на производстве и в быту.

Материалы по теме:

• Как сделать индукционный котел своими руками
• Зависимость сопротивления проводника от температуры
• Правило буравчика простыми словами

Источник

§22. Вихревые токи

Возникновение вихревых токов. Изменяющийся магнитный поток
способен индуцировать э. д. с. не только в проводах или витках катушек, но и в массивных стальных сердечниках, кожухах и других металлических деталях электротехнических установок. Эти э. д. с. являются причиной появлений индуцированных токов, которые действуют в массивных металлических деталях, замыкаясь накоротко в их толще. Такие токи получили название вихревых. Например, при изменении магнитного потока, созданного катушкой 1 (рис. 56, а), в ее стальном сердечнике 2 индуцируются вихревые

Рис. 56. Возникновение вихревых токов

Рис. 57. Устройство сердечников электрических машин и аппаратов из отдельных изолированных стальных листов.

токи, замыкающиеся в плоскости, перпендикулярной силовым линиям магнитного поля. Вихревые токи возникают также в сердечниках 3 якорей и роторов электрических машин при вращении их в магнитном поле (рис. 56, б). Природа вихревых токов такая же, как и токов, индуцированных в обычных проводах или катушках. Благодаря очень малому сопротивлению массивных проводников вихревые токи даже при небольшой индуцированной э. д. с. достигают очень больших значений, вызывая чрезмерное нагревание этих проводников.

Способы уменьшения вредного действия вихревых токов. В электрических машинах и аппаратах вихревые токи обычно нежелательны, так как они вызывают нагрев металлических сердечников, создают потери энергии (так называемые потери от вихревых токов), снижают к. п. д. электрических машин и аппаратов и оказывают согласно правилу Ленца размагничивающее действие. Для уменьшения вредного действия вихревых токов применяют два основных способа.

1. Сердечники электрических машин и аппаратов выполняют из отдельных стальных листов 1 (рис. 57) толщиной 0,35—1,0 мм, изолированных один от другого слоем изоляции 2 (лаковой пленкой, окалиной, образующейся при отжиге листов, и пр.). Благодаря этому преграждается путь распространению вихревых токов и уменьшается поперечное сечение каждого отдельного проводника, через которое протекают эти токи, что приводит к уменьшению силы тока.

2. В состав электротехнической стали, из которой изготовляют сердечники электрических машин и аппаратов, вводят 1—5 % кремния, что обеспечивает повышение ее электрического сопротивления. Благодаря этому достигается снижение силы вихревых токов, протекающих по сердечникам электрических машин и аппаратов.

Потери мощности от вихревых токов пропорциональны квадрату индукции В магнитного поля и квадрату частоты f его изменения. При увеличении индукции и частоты изменения магнитного

Рис. 58. Расплавление металла (а), сварка и пайка (б) металлических деталей с помощью вихревых токов: 1 — тигель с металлом; 2 — высокочастотный индуктор; 3 — сжимающее усилие; 4 — свариваемые трубы; 5 — нагретый металл; 6— пластина из твердого сплава; 7 — резец

Рис. 59. Закалка металлических изделий с помощью вихревых токов: 1-шестерня; 2 – высокочастотный индуктор; 3- нагретый металл; 5 – головка рельса

поля, а также при увеличении частоты вращения роторов и якорей электрических машин эти потери резко возрастают.

Использование вихревых токов. В ряде случаев вихревые токи используют для полезных целей. Например, при помощи вихревых токов расплавляют металлы (рис. 58, а). Для этой цели тигель с металлом помешают в изменяющееся магнитное поле, которое индуцирует вихревые токи, расплавляющие металл. Таким же образом вихревые токи нагревают металлические детали при сварке, наплавке и пайке (рис. 58, б), а также осуществляют поверхностный нагрев, необходимый для закалки металлических изделий (рис. 59). Ввиду того что в этих случаях требуется увеличить тепло, выделяемое вихревыми токами, т. е. получить большие вихревые токи, для индуцирования их используют магнитные поля изменяющиеся с большой скоростью. Такие поля могут быть созданы при помощи специальных индукторов, выполненных в виде одного или нескольких витков, по которым проходят переменные быстро изменяющиеся токи — так называемые токи высокой частоты.

Источник

Используют ли сердечники трансформатора для уменьшения вихревых токов ?

Вихревыми токами называются электротоки, возникающие под воздействием магнитного поля в проводнике и движущиеся по кругу. Они считаются паразитными, так как тратят энергию, в результате чего снижается КПД. Если сердечник монолитный, его сопротивление минимальное, вихревые токи максимальные.

Чтобы уменьшить вихревые токи, необходимо увеличить сопротивление материала, из которого производится сердечник. Для уменьшения вихревых токов используют сердечники трансформаторов, изготовленные из тонких элементов из специальной стали.

Причины снижения КПД трансформатора

Эффективность работы трансформатора не может быть равно 100%, так как энергия теряется при любых условиях.

Потери делятся на 2 вида:

• в меди (намотке);
• в стали (сердечнике).

В обмотке потери энергии создает сопротивление провода, преобразующее электрическую энергию в тепло. В стержне такой же процесс происходит из-за вихревых токов, возникающих под воздействием магнитного поля. Оно равно нулю на внутренних витках первичной обмотки, увеличивается до максимума на внешних, переходит на вторую обмотку и достигает нуля на ее внешних витках.

Справка! Потери напряжения равны квадрату вихревых токов.

Вихревой ток движется по кругу, поэтому не выходит за пределы проводника, создает собственное магнитное поле, которое (по закону Венца) мешает изменению поля, создавшего их. Если стержень цельный, он сильно нагревается, оборудование выходит из строя из-за перегрева изоляции обмоток.

Способы снижения потерь

Потери можно снизить изменением качества стали. Если сердцевина монолитная, в ней много диполей, которые меняют направление из-за присутствия магнитного поля. В процессе изменения возникает трение, вызывающие повышение температуры, то есть, магнитная энергия превращается в тепловую.

Проблема решается набором стержня из пластин электротехнической магнитомягкой стали, покрытых пленкой оксида, лаком или окалиной (в крупном оборудовании используется изолированная шпилька). Толщина этого материала 0,36-0,5 мм, он содержит 1-5% кремния, поэтому хорошо пропускает магнитные волны и снижает их напряженность.

По составу это все равно легированная сталь, но с повышенной хрупкостью, которая растет одновременно с повышением содержания кремния. Некоторые производители добавляют так же алюминий (до 0,5%). Поставляется эта сталь в листах с различной шириной полосы. Толщина 0,1-1 мм.

Важно! Монолитный проводник заменяется другим, обладающим меньшим сечением. Это влечет за собой увеличение сопротивления и снижение вихревых токов. В результате снижается влияние магнитного поля, образующего вихри.

Чтобы уменьшить в трансформаторе вихревые токи и снизить потери в обмотке, увеличивается сечение проводов с целью снизить сопротивление. Чтобы вес и цена не были слишком увеличены, выбирается сечение, не вызывающее нагрева обмоток. Если одновременно меняется сердечник и провода, КПД трансформатора достигает 85-90%.

Разновидности сердечников

Трансформатор – это стержень и обмотка.

Конструктивно сердечники бывают:

• стержневые (2 С-образных стержня, соединенные ярмом в форме П);
• броневые (Ш-образный стержень с обмоткой в центре закрыт ярмом, расположенным на наружной части);
• тороидальные (в форме кольца).

С точки зрения производства, осмотра и ремонта первый вид самый удобный. Стержни трансформаторов собираются из штампованных пластин или металлических лент, наматываемых в виде цилиндра. Цилиндр разрезается на 2 части, разрезы шлифуются. На обе части наматываются обмотки, каждая из которых содержит часть витков другой. Половинки располагаются так, чтобы плотно прилегали разрезы. Конструкция крепится стальной лентой.

С-образный сердечник стоит дорого из-за сложной технологии производства. При малейшей неточности образуются воздушные зазоры, увеличивающие вихревые электротоки. Поэтому самое значительное уменьшение потерь достигается при использовании ленты тороидальным способом. Тора не режется, обмотки наматываются при помощи специального станка. Особенности конструкции делают кольцо самым энергоэффективным.

С-образный и тороидальный сердечник направляет магнитный поток в одно направление, определяющее ориентацию кристаллической структуры металла. Это позволяет использовать более плотные потоки магнитного излучение. Данная особенность дает возможность уменьшить размеры сердечника.

Справка! Для улучшения геометрии катушек трансформаторов секционируются или чередуются намотки.

Ш-образные пластины принято использовать в силовых трансформаторах. В процессе укладки чередуется пространственная ориентация с целью снизить зазоры на стыках. Обмотки выполняются в виде катушек на среднюю ось. Магнитный поток проходит поперек кристаллической структуры металла. Такой стержень пропускает его до наступления насыщенности направлении, которое расположено параллельно по отношению к структуре. Данное свойство позволяет работать при повышенной плотности магнитного потока.

Если стержень собирается встык, на него наматываются обмотки, только потом проводится соединение ярмом. При намотке впереплет стержень называется шихтованным и не теряет ток в месте соединения обмоток. Для производителей первый метод проще, но он увеличивает объем потерь. Потребители предпочитают шихтованные трансформаторы.

Источник