Wirbelstromeffekt: Ursachen, Vorteile, Nachteile und Kontrolle des Wirbelstromeffekts

Die Ursachen von Wirbelströmen
Wenn sich der Magnetfluss im Spulenkreis ändert, wird in der Spule eine induzierte elektromotorische Kraft erzeugt, und im Kreis wird auch ein induzierter Strom (induzierte elektromotorische Kraft, die durch die Änderung des durch die Spule fließenden Magnetflusses erzeugt wird) erzeugt. Wenn ein Leiter in ein sich änderndes Magnetfeld gebracht oder relativ zum Magnetfeld bewegt wird, wird der induzierte Strom auch im inneren Teil des Leiters erzeugt, da der innere Teil des Leiters eine geschlossene Schleife bilden kann und sich der durch die Schleife fließende magnetische Fluss ändert Diese Ströme schließen sich automatisch zu einem Wirbel im Leiter zusammen und werden daher Wirbelstrom oder kurz Wirbelstrom genannt.

Die Vor- und Nachteile des Wirbelstromeffekts

Wie in Abbildung (a) dargestellt, sind Wirbelströme aufgrund des geringen Widerstands des Leiters im Allgemeinen groß. Aufgrund der thermischen Wirkung von Strom können Wirbelströme dazu führen, dass sich Leiter erhitzen und Energie verbrauchen, sodass Wirbelströme manchmal schädlich sind. Beispielsweise können durch das Wechselstrommagnetfeld in Transformatoren, Elektromotoren und Generatoren Wirbelströme im Eisenkern erzeugt werden. Wirbelströme erzeugen im Eisenkern Wärme, was zu Verlusten (allgemein als Eisenverluste bekannt) und zur Erzeugung von Wärme in der Ausrüstung führt. Temperaturerhöhungen und Isolationsmaterialien neigen zur Alterung, was die Lebensdauer von Transformatoren, Elektromotoren und Generatoren verkürzt und sogar zu deren Beschädigung führt.
Wirbelströme sind in verschiedenen Motoren und Transformatoren schädlich, können aber auch genutzt werden. Beispielsweise nutzt der Hochfrequenz-Induktionsofen, der üblicherweise in Fabriken zum Schmelzen von Legierungen verwendet wird, Wirbelströme, die in Metallleiterblöcken erzeugt werden, um Metalle zu schmelzen.
Das Messgerät des Elektrikers erfordert einen schnellen Stopp des Zeigerschwenks, damit die Messwerte schnell abgelesen werden können (z. B. Amperemeter, Voltmeter usw.). Um dieses Ziel zu erreichen, sollte die Spule des Amperemeters um den Aluminiumrahmen gewickelt werden. Wenn der gemessene Strom durch die Spule fließt, treibt die Spule den Zeiger und den Aluminiumrahmen an, um sich gemeinsam zu drehen. Wenn sich der Aluminiumrahmen im Magnetfeld dreht, entstehen Wirbelströme. Die Kraft des Magnetfelds auf den Wirbelstrom behindert deren Schwingung, sodass der Zeiger schnell und stabil auf die Leseposition zeigt, was die Anwendung des Wirbelstromeffekts – elektromagnetischer Dämpfungseffekt – darstellt. Elektrische Dämpfung wird häufig auch in elektromagnetischen Bremsen von Elektrolokomotiven eingesetzt.
 

Steuerung zur Reduzierung von Wirbelstromeffekten

Wie in Abbildung (b) oben und hier gezeigt, werden zur Reduzierung von Wirbelstromverlusten in den Eisenkernmaterialien von Geräten wie Elektromotoren, Generatoren, Transformatoren und Wechselstrom-Elektromagneten keine ganzen Eisenkerne verwendet, sondern stattdessen laminiert mit Siliziumstahlblechen, die auf der Oberfläche mit Isolierfarbe beschichtet sind. Dies liegt daran, dass Siliziumstahl 2-5 % Silizium enthält, was den elektrischen Widerstand des Eisenkerns verbessern kann. Darüber hinaus begrenzt die Isolierung zwischen den Eisenblechen die Wirbelströme auf schmale dünne Bleche. Der Schaltungswiderstand ist hoch und die Wirbelströme werden stark reduziert, wodurch das Vorhandensein von Wirbelströmen erheblich reduziert wird.