螺线管式电磁系统涡流的产生及对策

引言

导体在非匀强磁场中运动,或者导体处于随时间变化的磁场中,或者两种情形同时存在,都可以造成磁力线与导体的相对切割,按照麦克斯韦电磁感应定律,在导体中就会产生感应电动势,从而产生感应电流。这种电流在导体中的分布与导体的表面形状和磁场的分布相关联,其路径有如水中的漩涡,因此称为涡流。涡流是由交变磁场在导体内产生的内循环电流,即这种回路电流没有作为能量向外输出,而是损耗在导体自身中。

在某些场合,涡流可以产生有利的应用,如在某些金属制品结构的无损检测上,利用涡流作用制成感应加热设备,用以减少运动部件振荡的阻尼器件等。但是,对于接触器、电磁铁等具有螺线管式电磁系统的器件来说,其铁芯产生的涡流会带来很多不利影响。

1螺线管式电磁系统涡流的产生及其危害

螺线管式电磁系统典型结构如图1所示,其结构简图相当于在圆柱形铁芯外面绕上线圈,若给线圈通入交变电流,就会产生交变磁场,由于线圈中间的铁芯在圆周方向上可以等效成一圈圈的闭合电路,其磁通量在不断发生变化,所以在导体圆周方向上会产生感应电动势和感应电流,电流的方向沿铁芯的圆周形成一圈圈的漩涡,铁芯内部感应出涡流,如图2所示。

图1螺线管式电磁系统典型结构

图1铁芯涡流的产生

通常情况下,磁场变化越快,感应电动势就越大,涡流就越强;导体的外周长越长,交变磁场的频率就越高,涡流就越强。

螺线管式电磁系统铁芯除了是一种良好的导磁材料外,同时也是一种导电体。在电磁系统的交变磁力线穿过导体,并在导体中产生感应电动势和回路电流时,就会减小电磁转换效率,消耗电能,带来能量损耗,并在铁芯内部产生热量,如果导体的电阻率小,则产生的热量就很大,将造成器件整体温度升高,加速绝缘件老化,导致放电等电气故障发生,影响器件正常使用。

涡流还会对工作中的铁芯产生退磁作用,影响电磁吸力,下面对此做重点分析:

根据麦克斯韦电磁感应原理,变化的电场会产生磁场,也就是说涡流也会产生磁场,只是涡流磁场的方向与线圈电流产生的磁场方向相反。通常线圈通以交变电流时,其磁场并不是均匀的,且磁力线穿越铁芯的角度是逐渐变化的,但是感应的电流方向必然处于与磁力线垂直的平面中,呈环状沿铁芯截面分布。涡流的电场强度Ex与其产生的磁场强度Hx的关系可以用麦克斯韦方程式来表达:

式中,rolEx为电场强度,即涡流电场的强度;负号表示涡流产生的磁场方向与励磁电流产生的磁场方向相反;μa为铁芯的平均导磁率;Hx为磁场强度H在x轴上的分量;Bx为磁感应强度B在x轴上的分量。

rolEy和Hy、By的关系以及rolE:和H:、B:的关系可照式(1)类推。

以线圈电流磁场强度Ha为参照,在铁芯在中心处(0)的去磁力最强,在边缘处(d/2)去磁力最小,因此,在铁芯中磁通密度分布是不均匀的,呈现集肤效应,如图3所示。

图2磁场分布图

可见,由于涡流产生反向磁化作用,铁芯中心磁场强度变小,边缘磁场强度变化不大,这样就在总体上减弱了电磁吸力。涡流的去磁损耗P(功率)可由以下经验公式计算:

式中,pc为铁芯电阻率;f为频率(脉宽);B为磁感强度增量;L为铁芯长度:V为铁芯体积。

上述分析阐述了螺线管式电磁系统中涡流带来的能量损失及其他危害,应采取必要措施加以解决。

2减小涡流的设计方法

工程上的发电机、电动机和变压器等机电设备中的铁芯都不是整块金属,而是用许多薄的电阻率大的硅钢片叠合而成的。这些薄片被分开呈"回"字状,表面涂有薄层绝缘漆或绝缘的氧化物。磁场穿过薄片的狭窄截面时,涡流被限制在各片中沿一些狭小回路流过,电动势较小,回路长度大,再由于材料的电阻率大,就可以显著减小涡流损耗,如图4所示。

图4硅钢片叠合减小铁芯涡流的原理

涡流损耗的大小与磁场的变化方式、导体的运动、导体的几何形状、导体的磁导率和电导率等因素有关。

减小螺线管式电磁系统铁芯涡流的方法与上述原理相似,可以通过在铁磁回路开空气槽的方法减小涡流。通常是在铁芯纵断面开槽,如图5所示,这种方法适用于电磁纯铁、低碳钢、铁镍合金等磁导率较高材料制造的铁芯。其原理是:由于空气磁阻很高,与空气间隙串联后整个磁路的磁阻非常高,这就使得磁场强度产生的磁感应强度大幅降低,在导磁体内产生的涡流也随之下降,涡流损耗就减少了。开空气槽的缺点是降低了铁芯强度,若强度下降很多,补救的方法是在开槽处补焊非导磁材料(如铜合金、不锈钢等),或者在开槽处加非导磁材料金属板并固定在槽的两侧,同样可以起到增大铁芯强度的作用。涡流损耗会随着开槽宽度的增加迅速降低。实验表明,槽口宽度与隔磁效果成正比,但大于一定宽度后曲线出现拐点,有饱和现象,因此没必要将槽宽开太大,一般2mm左右就能有效减少涡流。有的文献将该槽称为隔磁槽,并将其目的描述为切断磁路,这种描述是不正确的,磁路是切不断的,只要电流存在,磁场就存在,而且磁路是闭合的,开空气槽只能达到切断铁磁回路的目的。

3结语

对于螺线管式电磁系统,减小涡流的有效方法是在铁芯中开空气槽,切断涡流产生的部分铁磁回路,从而减小涡流的不利影响。空气槽的宽度与减小的涡流损耗量值成正比。对一些开槽后影响机械强度的铁芯,可采取在开槽处加入非导磁材料的方法增加其强度,从而达到减小涡流的同时满足机械强度要求的目的。