螺線管式電磁系統(tǒng)渦流的產(chǎn)生及對策

引言

導(dǎo)體在非勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動,或者導(dǎo)體處于隨時(shí)間變化的磁場中,或者兩種情形同時(shí)存在,都可以造成磁力線與導(dǎo)體的相對切割,按照麥克斯韋電磁感應(yīng)定律,在導(dǎo)體中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種電流在導(dǎo)體中的分布與導(dǎo)體的表面形狀和磁場的分布相關(guān)聯(lián),其路徑有如水中的漩渦,因此稱為渦流。渦流是由交變磁場在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)循環(huán)電流,即這種回路電流沒有作為能量向外輸出,而是損耗在導(dǎo)體自身中。

在某些場合,渦流可以產(chǎn)生有利的應(yīng)用,如在某些金屬制品結(jié)構(gòu)的無損檢測上,利用渦流作用制成感應(yīng)加熱設(shè)備,用以減少運(yùn)動部件振蕩的阻尼器件等。但是,對于接觸器、電磁鐵等具有螺線管式電磁系統(tǒng)的器件來說,其鐵芯產(chǎn)生的渦流會帶來很多不利影響。

1螺線管式電磁系統(tǒng)渦流的產(chǎn)生及其危害

螺線管式電磁系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示,其結(jié)構(gòu)簡圖相當(dāng)于在圓柱形鐵芯外面繞上線圈,若給線圈通入交變電流,就會產(chǎn)生交變磁場,由于線圈中間的鐵芯在圓周方向上可以等效成一圈圈的閉合電路,其磁通量在不斷發(fā)生變化,所以在導(dǎo)體圓周方向上會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流,電流的方向沿鐵芯的圓周形成一圈圈的漩渦,鐵芯內(nèi)部感應(yīng)出渦流,如圖2所示。

圖1螺線管式電磁系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

圖1鐵芯渦流的產(chǎn)生

通常情況下,磁場變化越快,感應(yīng)電動勢就越大,渦流就越強(qiáng);導(dǎo)體的外周長越長,交變磁場的頻率就越高,渦流就越強(qiáng)。

螺線管式電磁系統(tǒng)鐵芯除了是一種良好的導(dǎo)磁材料外,同時(shí)也是一種導(dǎo)電體。在電磁系統(tǒng)的交變磁力線穿過導(dǎo)體,并在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和回路電流時(shí),就會減小電磁轉(zhuǎn)換效率,消耗電能,帶來能量損耗,并在鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生熱量,如果導(dǎo)體的電阻率小,則產(chǎn)生的熱量就很大,將造成器件整體溫度升高,加速絕緣件老化,導(dǎo)致放電等電氣故障發(fā)生,影響器件正常使用。

渦流還會對工作中的鐵芯產(chǎn)生退磁作用,影響電磁吸力,下面對此做重點(diǎn)分析:

根據(jù)麥克斯韋電磁感應(yīng)原理,變化的電場會產(chǎn)生磁場,也就是說渦流也會產(chǎn)生磁場,只是渦流磁場的方向與線圈電流產(chǎn)生的磁場方向相反。通常線圈通以交變電流時(shí),其磁場并不是均勻的,且磁力線穿越鐵芯的角度是逐漸變化的,但是感應(yīng)的電流方向必然處于與磁力線垂直的平面中,呈環(huán)狀沿鐵芯截面分布。渦流的電場強(qiáng)度Ex與其產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度Hx的關(guān)系可以用麥克斯韋方程式來表達(dá):

式中,rolEx為電場強(qiáng)度,即渦流電場的強(qiáng)度;負(fù)號表示渦流產(chǎn)生的磁場方向與勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場方向相反;μa為鐵芯的平均導(dǎo)磁率;Hx為磁場強(qiáng)度H在x軸上的分量;Bx為磁感應(yīng)強(qiáng)度B在x軸上的分量。

rolEy和Hy、By的關(guān)系以及rolE:和H:、B:的關(guān)系可照式(1)類推。

以線圈電流磁場強(qiáng)度Ha為參照,在鐵芯在中心處(0)的去磁力最強(qiáng),在邊緣處(d/2)去磁力最小,因此,在鐵芯中磁通密度分布是不均勻的,呈現(xiàn)集膚效應(yīng),如圖3所示。

圖2磁場分布圖

可見,由于渦流產(chǎn)生反向磁化作用,鐵芯中心磁場強(qiáng)度變小,邊緣磁場強(qiáng)度變化不大,這樣就在總體上減弱了電磁吸力。渦流的去磁損耗P(功率)可由以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

式中,pc為鐵芯電阻率;f為頻率(脈寬);B為磁感強(qiáng)度增量;L為鐵芯長度:V為鐵芯體積。

上述分析闡述了螺線管式電磁系統(tǒng)中渦流帶來的能量損失及其他危害,應(yīng)采取必要措施加以解決。

2減小渦流的設(shè)計(jì)方法

工程上的發(fā)電機(jī)、電動機(jī)和變壓器等機(jī)電設(shè)備中的鐵芯都不是整塊金屬,而是用許多薄的電阻率大的硅鋼片疊合而成的。這些薄片被分開呈"回"字狀,表面涂有薄層絕緣漆或絕緣的氧化物。磁場穿過薄片的狹窄截面時(shí),渦流被限制在各片中沿一些狹小回路流過,電動勢較小,回路長度大,再由于材料的電阻率大,就可以顯著減小渦流損耗,如圖4所示。

圖4硅鋼片疊合減小鐵芯渦流的原理

渦流損耗的大小與磁場的變化方式、導(dǎo)體的運(yùn)動、導(dǎo)體的幾何形狀、導(dǎo)體的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率等因素有關(guān)。

減小螺線管式電磁系統(tǒng)鐵芯渦流的方法與上述原理相似,可以通過在鐵磁回路開空氣槽的方法減小渦流。通常是在鐵芯縱斷面開槽,如圖5所示,這種方法適用于電磁純鐵、低碳鋼、鐵鎳合金等磁導(dǎo)率較高材料制造的鐵芯。其原理是:由于空氣磁阻很高,與空氣間隙串聯(lián)后整個(gè)磁路的磁阻非常高,這就使得磁場強(qiáng)度產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度大幅降低,在導(dǎo)磁體內(nèi)產(chǎn)生的渦流也隨之下降,渦流損耗就減少了。開空氣槽的缺點(diǎn)是降低了鐵芯強(qiáng)度,若強(qiáng)度下降很多,補(bǔ)救的方法是在開槽處補(bǔ)焊非導(dǎo)磁材料(如銅合金、不銹鋼等),或者在開槽處加非導(dǎo)磁材料金屬板并固定在槽的兩側(cè),同樣可以起到增大鐵芯強(qiáng)度的作用。渦流損耗會隨著開槽寬度的增加迅速降低。實(shí)驗(yàn)表明,槽口寬度與隔磁效果成正比,但大于一定寬度后曲線出現(xiàn)拐點(diǎn),有飽和現(xiàn)象,因此沒必要將槽寬開太大,一般2mm左右就能有效減少渦流。有的文獻(xiàn)將該槽稱為隔磁槽,并將其目的描述為切斷磁路,這種描述是不正確的,磁路是切不斷的,只要電流存在,磁場就存在,而且磁路是閉合的,開空氣槽只能達(dá)到切斷鐵磁回路的目的。

3結(jié)語

對于螺線管式電磁系統(tǒng),減小渦流的有效方法是在鐵芯中開空氣槽,切斷渦流產(chǎn)生的部分鐵磁回路,從而減小渦流的不利影響?？諝獠鄣膶挾扰c減小的渦流損耗量值成正比。對一些開槽后影響機(jī)械強(qiáng)度的鐵芯,可采取在開槽處加入非導(dǎo)磁材料的方法增加其強(qiáng)度,從而達(dá)到減小渦流的同時(shí)滿足機(jī)械強(qiáng)度要求的目的。