引言

導體在非勻強磁場中運動,或者導體處于隨時間變化的磁場中,或者兩種情形同時存在,都可以造成磁力線與導體的相對切割,按照麥克斯韋電磁感應定律,在導體中就會產(chǎn)生感應電動勢,從而產(chǎn)生感應電流。這種電流在導體中的分布與導體的表面形狀和磁場的分布相關聯(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體內產(chǎn)生的內循環(huán)電流,即這種回路電流沒有作為能量向外輸出,而是損耗在導體自身中。

在某些場合,渦流可以產(chǎn)生有利的應用,如在某些金屬制品結構的無損檢測上,利用渦流作用制成感應加熱設備,用以減少運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)典型結構如圖1所示,其結構簡圖相當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,所以在導體圓周方向上會產(chǎn)生感應電動勢和感應電流,電流的方向沿鐵芯的圓周形成一圈圈的漩渦,鐵芯內部感應出渦流,如圖2所示。

圖1螺線管式電磁系統(tǒng)典型結構

圖1鐵芯渦流的產(chǎn)生

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

螺線管式電磁系統(tǒng)鐵芯除了是一種良好的導磁材料外,同時也是一種導電體。在電磁系統(tǒng)的交變磁力線穿過導體,并在導體中產(chǎn)生感應電動勢和回路電流時,就會減小電磁轉換效率,消耗電能,帶來能量損耗,并在鐵芯內部產(chǎn)生熱量,如果導體的電阻率小,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,下面對此做重點分析:

根據(jù)麥克斯韋電磁感應原理,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,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。渦流的電場強度Ex與其產(chǎn)生的磁場強度Hx的關系可以用麥克斯韋方程式來表達:

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

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

以線圈電流磁場強度Ha為參照,在鐵芯在中心處(0)的去磁力最強,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,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,鐵芯中心磁場強度變小,邊緣磁場強度變化不大,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)驗公式計算:

式中,pc為鐵芯電阻率;f為頻率(脈寬);B為磁感強度增量;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,應采取必要措施加以解決。

2減小渦流的設計方法

工程上的發(fā)電機、電動機和變壓器等機電設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,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、導體的運動、導體的幾何形狀、導體的磁導率和電導率等因素有關。

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)后整個磁路的磁阻非常高,這就使得磁場強度產(chǎn)生的磁感應強度大幅降低,在導磁體內產(chǎn)生的渦流也隨之下降,渦流損耗就減少了。開空氣槽的缺點是降低了鐵芯強度,若強度下降很多,補救的方法是在開槽處補焊非導磁材料(如銅合金、不銹鋼等),或者在開槽處加非導磁材料金屬板并固定在槽的兩側,同樣可以起到增大鐵芯強度的作用。渦流損耗會隨著開槽寬度的增加迅速降低。實驗表明,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,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,開空氣槽只能達到切斷鐵磁回路的目的。

3結語

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。空氣槽的寬度與減小的渦流損耗量值成正比。對一些開槽后影響機械強度的鐵芯,可采取在開槽處加入非導磁材料的方法增加其強度,從而達到減小渦流的同時滿足機械強度要求的目的。