Вихревые токи и их использование: применение в промышленности — Asutpp

применение в промышленности — Asutpp

Детали из металла у автомобиля или разнообразных электрических устройствах, имеют способность двигаться в магнитном поле и пересекаться с силовыми линиями. Благодаря этому образовывается самоиндукция. Предлагаем рассмотреть аномальные вихревые токи фуко, потоки воздуха, их определение, применение, влияние и как уменьшить потери на вихревые токи в трансформаторе.

Из закона Фарадея следует, что изменение магнитного потока производит индуцированное электрическое поле даже в пустом пространстве.

Если металлическая пластина вставляется в это пространство, индуцированное электрическое поле приводит к появлению электрического тока в металле. Эти индуцированные токи называются вихревые токи.

Фото: Вихревые токи

Токи Фуко – это потоки, индукция которых проводится в проводящих частях разнообразных электрических приборах и машинах, блуждающие токи Фуко особенно опасны для пропуска воды или газов, т.к. их направление невозможно контролировать в принципе.

Если индуцированные встречные токи создаются изменяющимся магнитным полем, то токи вихревые будут перпендикулярны к магнитному полю, и их движение будет производиться по кругу, если данное поле однородно. Эти индуцированные электрические поля очень сильно отличаются от электростатических электрических полей точечных зарядов.

Практическое применение вихревых токов

Вихревые токи полезны в промышленности для рассеивания нежелательной энергии, например у поворотного кронштейна механического баланса, особенно если сила тока очень высокая. Магнит в конце опоры настраивает вихревые токи в металлической пластине, прикрепленной к концу кронштейна, скажем, ansys.

Схема: вихревые токи

Вихревые потоки, как учит физика, могут быть также использованы в качестве эффективного тормозного усилия в двигателях транзитного поезда. Электромагнитные приспособления и механизмы на поезде около рельсов специально настроены для создания вихревых токов. Благодаря движению тока, получается плавный спуск системы и поезд останавливается.

Закрученные токи вредны в измерительных трансформаторах и для человека. Металлический сердечник используется в трансформаторе, чтобы увеличить поток. К сожалению, вихревые токи, полученные в якоре или сердечнике, могут увеличить потери энергии. Построив металлическую сердцевину чередующихся слоев из проводящих и не проводящих энергию, материалов, размер индуцированных петель уменьшается, таким образом, уменьшая потери энергии. Шум, который производит трансформатор при работе, является следствием именно такого конструктивного решения.

Видео: вихревые токи Фуко

Еще один интересный использования вихревой волны – применение их в электросчетчиках или медицине. В нижней части каждого счетчика расположен тонкий алюминиевый диск, который всегда вращается. Это диск движется в магнитном поле, так что там всегда есть вихревых токи, цель которых замедлить движения диска. Благодаря этому датчик работает точно и без перепадов.

Вихри и скин-эффект

В том случае, когда возникают очень сильные вихревые токи (при высокочастотном токе), в телах плотность тока становится значительно меньше, чем на их поверхностях. Это так называемый скин эффект, его методы используются для создания специальных покрытий для проводов и в трубах, которые разрабатываются специально для вихре-токов и тестируются в экстремальных условиях.

Это доказал еще ученый Эккерт, который исследовали ЭДС и трансформаторные установки.

Схема индукционного нагрева

Принципы вихревых токов

Катушка из медной проволоки является распространенным методом для воспроизведения индукции вихревых токов. Переменный ток, проходящий через катушку, создает магнитное поле внутри и вокруг катушки. Магнитные поля образуют линии вокруг провода и соединяются, образуя более крупные петли. Если ток увеличивается в одной петле, магнитное поле будет расширяться через некоторые или все из петель проволоки, которые находятся в непосредственной близости. Это наводит напряжение в соседних петлях гистерезис, и вызывает поток электронов или вихревые токи, в электропроводящем материале. Любой дефект в материале, включая изменения в толщине стенки, трещин, и прочих разрывов, может изменить поток вихревых токов.

Закон Ома

Закон Ома является одним из самых основных формул для определения электрического потока. Напряжение, деленное на сопротивление, Ом, определяет электрический ток, в амперах. Нужно помнить, что формулы для расчета токов не существует, необходимо пользоваться примерами расчета магнитного поля.

Индуктивность

Переменный ток, проходящий через катушку, создает магнитное поле внутри и вокруг катушки. С увеличением тока, катушка индуцирует циркуляцию (вихревых) потоков в проводящем материале, расположенном рядом с катушкой. Амплитуда и фаза вихревых токов будет меняться в зависимости от загрузки катушки и ее сопротивления. Если поверхность или под поверхностью возникнет разрыв в электропроводном материале, поток вихревых токов будет прерван. Для его налаживания и контроля существуют специальные приборы с разной частотой каналов.

Магнитные поля

На фото показано, как вихревые электрические токи образуют магнитное поле в катушке. Катушки, в свою очередь, образуют вихревые токи в электропроводном материале, а также создавают свои собственные магнитные поля.

Магнитное поле вихревых токов

Дефектоскопия

Изменение напряжения на катушке будет влиять на материал, сканирование и исследование вихревых токов позволяет производить прибор для измерения поверхностных и подповерхностных разрывов. Несколько факторов будут влиять на то, какие недостатки могут быть обнаружены:

1. Проводимость материала оказывает значительное воздействие на пути следования вихревых токов;
2. Проницаемость проводящего материала также имеет огромное влияние из-за его способности быть намагниченным. Плоскую поверхность гораздо легче сканировать, чем неровную.
3. Глубина проникновения имеет очень большое значение в контроле вихретоков. Поверхность трещины гораздо легче обнаружить, чем суб-поверхностного дефекта.
4. Это же касается и площади поверхности. Чем меньше площадь – тем быстрее происходит образование вихревых токов.

Обнаружение контура дефектоскопом

Существуют сотни стандартных и специальных зондов, которые производятся для конкретных типов поверхностей и контуров. Края, канавки, контуры, и толщина металла вносят свой вклад в успех или провал испытаний. Катушка, которая расположена слишком близко к поверхности проводящего материала будет иметь наилучшие шансы на обнаружение разрывов. Для сложных контуров катушка вставляется в специальной блок и прикрепляется к арматуре, что позволяет пройти ток через неё и проконтролировать его состояние. Многие устройства требуют специальных формованных изделий зонда и катушки, чтобы приспособиться к неправильной форме детали. Катушка также может иметь специальную (универсальную) форму, чтобы соответствовать конструкции детали.

Уменьшаем вихревые токи

Для того чтобы уменьшить вихревые токи катушек индуктивности нужно увеличить сопротивление в этих механизмах. В частности рекомендуется использовать лицендрат и изолированные провода.

Вихревые токи (токи Фуко): физический смысл, потери, применение

Пример HTML-страницы

В электрических устройствах, приборах, машинах металлические детали способны иногда перемещаться, находясь в магнитном поле. При этом в них индуцируется ЭДС самоиндукции. В результате воздействия ЭДС в толще металлических деталей будут циркулировать вихревые В электрических устройствах, приборах, машинах металлические детали способны иногда перемещаться, находясь в магнитном поле. При этом в них индуцируется ЭДС самоиндукции. В результате воздействия ЭДС в толще металлических деталей будут циркулировать вихревые токи или их еще называют токи Фуко (по фамилии первого исследователя).

В свою очередь, вихревые токи индуцируют собственные магнитные потоки, замыкающиеся в проводнике, которые в соответствии с правилом Ленца препятствуют изменению магнитного потока прибора или устройства, тем самым ослабляя его.

Рассмотрим процесс формирования вихревых токов в металлическом сердечнике, помещенном в магнитное поле катушки, по которой протекает переменный ток. Вокруг катушки формируется переменный магнитный поток, пересекающий сердечник.

В сердечнике также будет индуцироваться ЭДС, вызывающая в нем так называемые вихревые токи, которые нагревают сердечник. Поскольку сопротивление сердечника незначительно, то наводимые индукционные токи могут быть достаточно большими, что приведет к сильному нагреву сердечника.

Первые исследования в области изучения вихревых токов были проведены в 1824 г. французким физиком Д.Ф. Араго, который обнаружил их наличие в медном диске, находящемся на оси под обращающейся магнитной стрелкой.

Под воздействием вихревых токов диск оборачивался.

Первые подробные исследования вихревых токов были проведены французским исследователем Фуко, и впоследствии по его имени они и получили свое название.

Методы уменьшения вихревых токов

Мощность, расходуемая на нагрев электротехнических устройств электромагнитного типа, значительно снижает их КПД. Поэтому с целью уменьшения величины вихревых токов повышают сопротивление магнитопровода.

Для этого сердечники выполняют не сплошными, а набирают из отдельных тонких пластин (толщиной 0,1- 0,5 мм), покрытым слоем изоляционного материала.

Также при изготовлении сердечника в сырье вводят специальные добавки, увеличивающие его сопротивление.

Практическое применение токов Фуко

В некоторых случаях вихревые токи используют в полезных целях. К примеру, создание устройства магнитного тормоза диска электросчетчика. Оборачиваясь, диск пересекает магнитные линии магнита, в толщине диска формируется вихревые токи, которые создают свои магнитные потоки, препятствующие вращению диска, и вызывающие его торможение.

Полезное действие вихревые токи оказывают при индукционной плавке металлов.

Для этого тигель с металлом размещают в магнитное поле, которое своим воздействием индуцирует вихревые токи, расплавляющие металл, при этом тигель остается холодным.

Каковы области применения и возможности вихревых токов?

Типичные области применения вихретокового контроля включают:

Обнаружение трещин

Вихретоковое оборудование для обнаружения трещин можно разделить на высокочастотные приборы для обнаружения поверхностных трещин в черных и цветных материалах и низкочастотные приборы для обнаружения подповерхностных трещин в неметаллических материалах. -черные материалы.

Обнаружение подповерхностных трещин в черных материалах возможно, но только после того, как они были пропитаны магнитным полем для устранения эффектов проницаемости. Это сложно и осуществимо только в автоматизированных системах тестирования труб. Вихретоковый контроль обладает высокой чувствительностью при обнаружении поверхностных трещин. Высокие частоты порядка 2 МГц дают высокое разрешение, но зонды маленькие и для покрытия больших площадей поверхности требуется много времени.

Низкочастотным детекторам трещин требуются датчики большего размера, чтобы обеспечить подходящую индуктивность катушки. Настройка частоты имеет решающее значение и находится в диапазоне от 100 Гц до 100 кГц в зависимости от требуемой глубины проникновения. На подповерхностные поля вихревых токов больше влияют изменения фазы, чем изменения амплитуды, поэтому необходимы схемы измерения фазы.

В прошлом вихретоковые дефектоскопы представляли собой приборы для считывания показаний счетчиков, однако современные дефектоскопы используют ЖК-дисплеи для большей универсальности.

Контроль труб и проволоки

Автоматизированные системы вихретокового контроля были разработаны для контроля труб, прутков и проволоки на скоростях до 3 м/с.

После того, как оператор откалибровал прибор с использованием трубки или проволоки с известными дефектами, автоматически запускается испытательная установка, которая удаляет дефектные детали с производственной линии или маркирует их краской.

Механическое оборудование для обработки испытуемых образцов становится настолько сложным, что фактическое оборудование для вихретоковых испытаний может оказаться незначительной частью. Установки для магнитного насыщения и размагничивания ферротруб и проволоки значительно увеличивают капитальные затраты.

Постоянные тестовые скорости и дифференциальные катушки позволяют модулировать тестовые сигналы со скоростью, а затем фильтровать для удаления шума. К сожалению, при использовании дифференциальных катушек можно без обнаружения пропустить трубы (содержащие последовательные дефекты по всей длине) через вихретоковую систему. Из-за краевых эффектов невозможно обнаружить концы труб. Дефекты выдавливания вдоль центра стержней также не могут быть обнаружены, потому что поле вихревых токов от огибающей катушки имеет нулевую интенсивность в центре сплошного цилиндра.

Проверка труб конденсатора

Этому применению в настоящее время уделяется большое внимание в связи с теплообменниками водо-водяных реакторов.

Утончение трубки является основным дефектом, и путем выбора частоты, известной как f90, сигналы, возникающие в результате утончения на внешней поверхности, могут быть смещены по фазе на 90° по фазе от сигналов, возникающих в результате утончения на внутренней поверхности. Путем записи сигналов X и Y с диаграммы импеданса на двухканальный ленточный самописец можно установить степень утонения при скорости испытания 200-300 мм в секунду.

Серьезную проблему вызывают перегородки, разделяющие трубки конденсатора. Трубки немагнитные, из нержавеющей стали, мельхиора или, в последнее время, из титана. Отражательные пластины сделаны из железа, и сигнала проницаемости достаточно, чтобы скрыть сигналы от утончения между трубкой и отбойной пластиной. Чтобы решить эту проблему, были разработаны приборы, работающие одновременно на двух частотах. Затем отдельные фазы сигнала смешиваются таким образом, чтобы устранить нежелательные эффекты проницаемости.

Проверка обычно проводится с дифференциальными катушками, поскольку они не дрейфуют при изменении температуры. Интерпретация сигнала более сложна, и часто необходимо проводить дополнительные испытания с абсолютными катушками.

Другие недавние разработки включают использование компьютеров для анализа каналов X и Y на наличие сигналов неисправности. После этого осмотр можно будет проводить в режиме реального времени.

Сортировка материалов

Сегрегаторы из черных металлов и электромагнитные сортировочные мосты являются полезными инструментами при сортировке закаленных сталей.

Кондуктометры могут использоваться для сортировки алюминиевых и медных сплавов как по вариациям состава, так и по вариациям твердости.

Особое внимание следует уделить тому, чтобы обнаруживаемая вариация была релевантной. Например, изменение проводимости алюминиевого сплава может быть связано с изменением состава или изменением его твердости. Поскольку поля вихревых токов проникают под поверхность испытуемого материала, этот метод обеспечивает лучшую выборку свойств материала, чем многие другие методы сортировки материалов, и, что более важно, он очень быстрый.

Испытание сварных швов

Простые высокочастотные вихретоковые дефектоскопы уже некоторое время используются для обнаружения трещин в носке в сварных швах из черных металлов. Преимущество метода заключается в том, что он позволяет обнаруживать трещины через слои краски. Недостатки заключаются в высоком уровне шума, вызванного изменением проницаемости сварного шва и шумом отрыва от шероховатых поверхностей крышки.

В последних устройствах эти проблемы в некоторой степени преодолены. Они используются в дополнение к магнитопорошковой инспекции под водой, чтобы отличить сильные ложные признаки от трещин на пальцах ног. В оборудовании используется ЖК-экран с плоскостным дисплеем импеданса и специальным расположением катушек.

Измерение толщины покрытия

Высокое разрешение вихретокового контроля вблизи поверхности делает его полезным для точного измерения покрытий, как металлических, так и лакокрасочных, на металлических подложках.

Пожалуйста, свяжитесь с нами для получения дополнительной информации.

Что такое вихревые токи? — Определение, причины, применение

Ток, возникающий в избыточном проводнике в ответ на изменение магнитного поля, называется вихревым током. Они циркулируют в тесных петлях, крайне параллельных плоскости магнитного поля. Согласно закону Ленца, этот ток закручивается самым простым образом, чтобы генерировать магнитное поле, противодействующее изменению; в избыточном проводнике электроны закручиваются в избыточной плоскости, перпендикулярной магнитному полю. Вихревые токи являются результатом этого явления, открытого физиком Фуко в 1819 году.-1868.

Вихревые токи

Вихревые токи протекают по проводникам подобно завихрениям в потоке и часто образуются в результате реакции на изменяющееся магнитное поле. Они текут по замкнутым петлям, перпендикулярным плоскости магнитного поля, вызванным изменением магнитных полей. Они также известны как течения Фуко.

В 1824 году Франсуа Араго, математик, ученый и астроном, первым наблюдал вихревые токи. Он был первым, кто испытал вращающийся магнетизм, и он понял, что большинство проводящих вещей могут быть намагничены. Затем, 10 лет спустя, Генрих Ленц предложил закон Ленца, но только в 1855 году его предложил французский ученый Леон Фуко.

Вихревые токи были официально открыты Фуко. Он провел несколько опытов и определил, что когда обод медного диска помещается между полюсами магнита, сила, необходимая для его вращения, возрастает (подобно подковообразному магниту). Тепло создавалось в диске в результате наведенных вихревых токов.

Причины вихревых токов

Когда проводник проходит через магнитное поле или когда магнитное поле вокруг неподвижного проводника изменяется, возникают вихревые токи. Таким образом, вихревые токи могут генерироваться в любое время, когда в проводнике изменяется интенсивность или направление магнитного поля.

Из закона Ленца мы знаем, что направление индуцированного тока, например вихревого, будет таким, что создаваемое им магнитное поле противодействует изменению вызвавшего его магнитного поля. Для этого электроны в проводнике закручиваются в плоскости, перпендикулярной магнитному полю. Величина вихревого тока:

• Пропорциональна величине магнитного поля
• Пропорциональна площади контура
• Пропорциональна скорости изменения магнитного потока обратно
• Пропорционально сопротивлению проводника

Вихревые токи противодействуют изменению магнитного поля, которое их создает, что приводит к потерям энергии в проводнике. Они преобразуют энергию в тепло, например кинетическую или электрическую энергию. Чтобы остановить вращение электроинструментов и американских горок, мы используем сопротивление, вызванное противоположными магнитными полями, для создания вихревых токов.

Применение вихревых токов

Вихревые токи имеют следующие применения:

• Тормозной механизм в поездах — Металлические колеса поездов движутся по металлическим рельсам. При торможении металлические колеса поезда подвергаются воздействию магнитного поля, которое индуцирует вихревые токи в колесах. В результате магнитного взаимодействия между приложенным магнитным полем и вихревыми токами, создаваемыми в колесах, поезда замедляются. Это воздействие усиливается по мере того, как колеса начинают быстро вращаться, а по мере замедления поезда тормозная сила уменьшается, что приводит к плавной остановке поезда.
• Демпфирование в гальванометрах- Вихревые токи имеют решающее значение в конструкции апериодических гальванометров. Перед тем, как остановиться, стрелка гальванометра часто колеблется вокруг точки равновесия. Это колебание стрелки приводит к ощутимой задержке записи показаний. Эта задержка может быть устранена путем намотки катушки из немагнитного металлического каркаса. Когда катушка отклоняется, в металлическом каркасе создаются вихревые токи, которые без задержки останавливают иглу. Действие катушки здесь демпфируется. На самом деле некоторые гальванометры состоят из катушек из немагнитных материалов. Вихревые токи, образующиеся в катушке в результате колебаний катушки, имеют тенденцию сопротивляться движению катушки, мгновенно останавливая ее.

• Счетчики электроэнергии в доме- В наших домах механический счетчик вращал маленький блестящий металлический диск благодаря генерируемому электрическому току. Эти токи в счетчиках вызваны изменяющимся магнитным полем.
• Печь на основе индукции — В быстро меняющихся магнитных полях образуются мощные вихревые токи в результате генерируемой большой ЭДС. Вихревые токи генерируют тепло, вызывая повышение температуры. В действительности значительное количество тепла, выделяемого в индукционной печи, поднимает температуру до очень высокого значения. Катушка наводится на металл компонента и помещается в высокочастотное магнитное поле. Полученные температуры достаточно высоки, чтобы расплавить металл. Этот метод часто используется для извлечения металлов из их руд. Индукционные печи используются для создания сплавов.
• Индикаторы скорости в автомобилях — Каждое транспортное средство, которое мы используем для перевозки, оснащено спидометром, который сообщает нам, с какой скоростью движется автомобиль в определенный момент времени. Он имеет магнит, который вращается в зависимости от скорости автомобиля. В барабане создаются вихревые токи, и когда барабан движется в направлении вращающегося магнита, подключенный указатель перемещается по шкале, показывая скорость автомобиля.
• Аттракционы в парках развлечений- Тормозная система аттракционов основана на вихревых токах, что обеспечивает значительно более плавную и бесконтактную остановку.
• Неразрушающий контроль — Вихревые токи используются для выявления дефектов в огромных конструкциях или механизмах, таких как самолеты. Изменение магнитного поля в каком-либо месте, о чем свидетельствует изменение числа индуцированных вихревых токов, будет наблюдаться везде, где имеется неровность поверхности металла.
• Плиты- Индукционные плиты используют эффект нагрева, вызванный преобразованием электрической энергии в тепловую. Над индукционными плитами ставится посуда с металлическим дном. В этих варочных панелях медные змеевики вставляются под керамические пластины. Когда переменный ток подается через катушку, создаваемые колеблющиеся магнитные поля вызывают вихревые токи в металлической пластине посуды, которые нагревают посуду.

Минимизация вихревых токов

Вихревые токи можно уменьшить различными способами, в том числе:

1. Путем ламинирования металлического сердечника: изоляционные материалы разделяют пластины металлического сердечника, и плоскость пластин должна располагаться параллельно магнитному полю, чтобы пересекать пути вихревых токов. Интенсивность вихревых токов уменьшается в результате такой конфигурации. Потери тепла значительно уменьшаются, так как рассеивание электрической энергии в тепло изменяется прямо пропорционально квадрату силы электрического тока.
2. Использование магнитных материалов с плохой электропроводностью или высоким сопротивлением для изготовления сердечника.

Вихревые токи Причина Торможение

Представьте себе токопроводящий металлический лист, проходящий мимо стационарного магнита на американских горках или в тормозной системе поезда. Когда лист выходит за пределы левого края магнита, напряженность магнитного поля увеличивается, вызывая образование вихревых токов на его поверхности против часовой стрелки. Мы знаем, что эти токи, согласно закону Ленца, будут генерировать магнитное поле в направлении, противоположном внешнему магнитному полю, что приводит к магнитному сопротивлению, когда лист отходит от магнитного поля на другом краю магнита.

Сдвиг поля будет в противоположном направлении, в результате чего вихревые токи по часовой стрелке и магнитное поле будут действовать вниз. В результате он будет притягивать к себе внешний магнит, вызывая эффект дарга . Замедляя движущийся лист, эти силы сопротивления обеспечивают тормозное действие в листе. Вместо внешних магнитов часто используются электромагниты. Управление током, протекающим через катушку электромагнита, позволяет легко регулировать величину тормозного действия. Поскольку вихревое торможение является бесконтактным, механический износ отсутствует. Однако для получения эффективных результатов с вихревыми токами проводник должен двигаться. Вихревые токи неэффективны для остановки на малых скоростях, поскольку они не удерживают объекты в исходном положении; в этих условиях используются обычные фрикционные тормоза.

Примеры вопросов

Вопрос 1: Что такое вихревые токи?

Ответ:

В соответствии с законом индукции Фарадея вихревые токи представляют собой небольшие круговые токовые петли, образованные внутри проводника изменяющимся магнитным полем вокруг проводника.

Вопрос 2: Каковы применения вихревых токов?

Ответ:

• Торможение в поездах и аттракционах
• Спидометры
• Индукционные плиты
• Неразрушающий контроль

Вопрос 3: Как возникают вихревые токи?

Ответ:

Вихревые токи возникают внутри проводника, когда он движется через магнитное поле или когда магнитный поток, протекающий через него, постоянно меняется.

Вопрос 4: Как минимизировать вихревые токи?

Ответ:

Вихревые токи можно минимизировать с помощью:

• Ламинирование металлического сердечника позволяет уменьшить вихревые токи.
• Использование магнитных материалов с высоким значением электрического сопротивления.

Вопрос 5: От каких факторов зависит величина вихревых токов?

Ответ:

Величина вихревого тока:

• Пропорциональна величине магнитного поля
• Пропорциональна площади контура
• Пропорционально скорости изменения магнитного потока обратно
• Пропорционально сопротивлению проводника

Вопрос 6: Почему нежелательны вихревые токи?

Ответ:

Когда проводник движется в магнитном поле, возникают вихревые токи.