Motori s trajnim magnetom koriste se u različitim visokotehnološkim aplikacijama, ali imaju određena ograničenja u dizajnu. Jedan takav primjer je osjetljivost na visoke temperature, što može biti uzrokovano oslobađanjem topline iz tekućih struja, a posebno vrtložnih struja. Verzija 5.3 softvera COMSOL® uključuje funkciju gubitka vrtložnih struja permanentnih magneta za ove motore. Inženjeri mogu koristiti ove rezultate kako bi u potpunosti razumjeli karakteristike motora s trajnim magnetima i odredili načine za optimizaciju njihovih performansi.
Upotreba elektromotora sa trajnim magnetima u uređajima visoke tehnologije.
Ušteda energije zajednički je cilj kojem teže svi proizvođači širom svijeta. Na primjer, uzmite u obzir transportni sektor. Samo prošle godine, Kina je predstavila novi sistem brze podzemne željeznice koji donosi značajne uštede energije. U međuvremenu, najstariji operativni trajekt u Finskoj imao je svoj original dizel motori za nove električne. A na ulicama Londona, poznati brend luksuznih automobila po prvi put je predstavio potpuno električni automobil.
Ovi primjeri pokazuju evoluciju transporta prema zelenijoj budućnosti. Također, ove primjere objedinjuje činjenica da se u tu svrhu koriste motori s trajnim magnetima (PM). Ove vrste motora s magnetima umjesto namotaja u rotoru općenito se koriste u primjenama visoke tehnologije. Najvažnija je njihova upotreba u električnim i hibridnim vozilima.
Električni transport je jedna od primjena motora s trajnim magnetima. Sliku je obezbijedio Mariodo. Dostupno pod licencom Creative Commons 2.0 sa Wikimedia Commons.
PM motori su visoko cijenjeni zbog svoje efikasnosti, ali postoje i neka ograničenja u njihovom dizajnu. Na primjer, trajni magneti su vrlo osjetljivi na visoke temperature. Takve temperature se mogu postići kada struje, posebno vrtložne struje, stvaraju toplinu kada teče. Dok laminiranje čeličnih/gvozdenih delova rotora pomaže da se smanje gubici vrtložnih struja u ovim oblastima, proizvodna ograničenja otežavaju proces. Dakle, zagrijavanje trajnih magneta može biti prilično značajno.
Hajde da pogledamo novo model obuke, dostupan u verziji 5.3 COMSOL Multiphysics®, koji uzima u obzir gubitke vrtložnih struja u motorima sa PM
Modeliranje gubitaka vrtložne struje u motoru s permanentnim magnetom pomoću COMSOL Multiphysics®.
Počnimo s geometrijom našeg modela. U ovom primjeru koristimo 3D model 18-polnog PM motora. Da bismo istovremeno smanjili troškove proračuna i uzeli u obzir svu trodimenzionalnu geometriju modela, modeliraćemo jedan pol koristeći uzdužnu i zrcalnu simetriju.
U nastavku možete vidjeti animaciju cijelog motora koji radi. Prikazuje rotor i gvozdeni stator ( u sivoj boji), namotaj statora (od bakra) i trajni magneti (plavi i crveni u zavisnosti od radijalne magnetizacije).
Dizajn motora s permanentnim magnetom.
Za modeliranje provodnog dijela rotora koristimo čvor Amperovog zakona. Za nevodljive dijelove rotora i statora koristimo čvor očuvanja magnetnog fluksa u odnosu na skalarni magnetni potencijal.
Koristeći ugrađeni fizički interfejs Rotating Machinery, lako je simulirati rotaciju motora. U modelu razmatramo središnji gornji pol, u kojem se rotor nalazi zajedno sa sekcijom zračnog raspora, rotirajući u odnosu na koordinatni sistem statora. Imajte na umu da u ovaj slučaj montaža je potrebna kada je geometrija završena, pošto su rotor i stator dva odvojeni dijelovi dizajni.
Da bismo izračunali i dalje koristili vrijednost gubitaka vrtložnih struja u magnetima tokom vremena, uvodimo dodatnu varijablu. Iako nije potrebna u ovom modelu, varijabla se može koristiti u kasnijoj analizi prijenosa topline kao vremenski prosječni i distribuirani izvor topline. Budući da se toplinski procesi uspostavljaju mnogo duže od promjene smjera vrtložnih struja i gubitaka uzrokovanih njima, potrebno je razdvojiti elektromehaničke i termičke proračune radi veće efikasnosti proračuna.
Analiza rezultata simulacije.
Prema rezultatima simulacije na prvoj slici, možemo vidjeti raspodjelu magnetske indukcije u motoru u stacionarnom Stabilno stanje, drugim riječima, grafikon pokazuje početni uslovi za nestacionarna istraživanja. Struja zavojnice u početnom stanju je nula. Slika desno prikazuje raspodjelu magnetne indukcije nakon što je motor zarotirao jedan sektor. Za bolju jasnoću, možete isključiti područja zraka i zavojnica na slici.
Lijevo: Raspodjela magnetske indukcije u stacionarnom početnom stanju. Desno: Raspodjela magnetske indukcije u motoru nakon okretanja za jedan sektor.
Na donjem grafikonu možemo vidjeti kako se gubici vrtložne struje u magnetima mijenjaju tokom vremena. Animacija na desnoj strani pokazuje promjenu gubitaka vrtložnih struja kada se stator okrene za jedan sektor. Vrtložne struje su prikazane strelicama.
Lijevo: Grafikon gubitka vrtložnih struja u odnosu na vrijeme. Desno: Promjena gustine gubitaka vrtložne struje kada se rotira za jedan sektor.
Navedeni primjeri daju potpuniju sliku karakteristika PM motora, uzimajući u obzir gubitke zbog vrtložnih struja u permanentnim magnetima. Ove informacije će biti korisne u poboljšanju dizajna PM motora, a time i tehnologije u kojoj se koriste.
Postavimo zavojnicu žice u naizmjenično magnetno polje. Zavojnica je zatvorena, dok u kolu nema galvanometra koji bi mogao pokazati prisustvo indukcijske struje u našem kolu. Ali struja se može detektovati, jer će se provodnik zagrijati kada struja prođe kroz njega. Ako, bez promjene ostalih dimenzija zavojnice, povećamo samo debljinu žice od koje je sklop napravljen, tada EMF indukcija($\varepsilon_i\sim \frac(\Delta F)(\Delta t)$) se neće promijeniti, jer će brzina promjene magnetnog fluksa ostati ista. Međutim, otpor zavojnice će se smanjiti ($R\sim \frac(1)(S)$). Kao rezultat, indukcijska struja će se povećati ($I_i$). Snaga koja se oslobađa u obliku topline u kolu je direktno proporcionalna $I_i \varepsilon_i$, pa će se temperatura provodnika povećati. I tako, iskustvo pokazuje da se komad metala, kada se stavi u magnetsko polje, zagrijava, što ukazuje na pojavu indukcijskih struja u masivnim provodnicima kada se magnetski tok promijeni. Takve struje se nazivaju vrtložnim strujama ili Foucaultovim strujama.
Definicija Foucaultovih struja
Definicija
Foucaultove struje zove se volumetrijska indukcija vrtloga električne struje, koji se pojavljuju u provodnicima kada se provodnici stave u naizmjenično magnetsko polje.
Svojstva Foucaultovih struja
Vrtložne struje se po svojoj prirodi ne razlikuju od indukcijskih struja koje se javljaju u žicama.
Smjer i jačina Foucaultovih struja zavise od oblika metalnog vodiča, od smjera naizmjeničnog magnetskog fluksa, svojstava metala i brzine promjene magnetnog fluksa. Raspodjela Foucaultovih struja u metalu može biti vrlo složena.
U provodnicima koji su veliki u smjeru okomitom na smjer indukcijske struje, vrtložne struje mogu biti vrlo velike, što dovodi do značajnog povećanja tjelesne temperature.
Koriste se svojstva vrtložnih struja za zagrijavanje vodiča indukcijske peći za topljenje metala.
Foucaultove struje, kao i druge indukcijske struje, poštuju Lenzovo pravilo, odnosno imaju takav smjer da njihova interakcija s primarnim magnetsko polje usporava kretanje koje je izazvalo indukciju.
Primjeri problema sa rješenjem
Primjer 1
Vježba.Šta je "magnetno smirivanje" koje se koristi u električnim mjernim instrumentima?
Rješenje. Razmotrite sljedeći eksperiment. Na konac ćemo objesiti laganu magnetnu strelicu (slika 1).
Ako je ova strelica prepuštena sama sebi, postavlja se u ravnotežni položaj u smjeru od sjevera prema jugu. Kada odstupi od ravnotežnog položaja, osciliraće dugo ako je trenje u suspenziji malo. Postavimo veliku bakarnu ploču značajne mase ispod strelice na maloj udaljenosti od nje. Slabljenje oscilacija strelice u ovom slučaju će se dogoditi vrlo brzo, čineći jedan ili dva zamaha strelice, ona će zauzeti ravnotežni položaj. Razlog je taj što kada se magnetska igla kreće u bakrenom provodniku, indukuju se Foucaultove struje, čija interakcija sa magnetnim poljem, u skladu sa Lenzovim pravilom, usporava kretanje magneta. Kinetička energija, koji je saopćen magnetnoj igli u trenutku guranja, zbog vrtložnih struja se pretvara u unutrašnju energiju bakra, podižući njegovu temperaturu. Ovaj fenomen se naziva "magnetno smirenje".
Primjer 2
Vježba. Metalni novčić pada između polova elektromagneta. Prvi put kada je magnet isključen, drugi put kada je magnet uključen. U kom slučaju će novčić pasti brže?
Rješenje. Ako postoji magnetsko polje između polova elektromagneta, tada će novčić polako potonuti, kao da se kreće u viskoznoj tekućini, a ne u atmosferski vazduh. Novčić usporavaju sile koje djeluju sa strane magnetskog polja na vrtložne struje inducirane u novčiću kada padne u magnetsko polje. Brzina njegovog kretanja bit će znatno manja nego kada je magnetsko polje isključeno.
Odgovori. Brzina pada je manja kada je magnet uključen.
Namotaj laboratorijskog kontrolnog autotransformatora (LATR) namotan je na željezno jezgro u obliku pravokutnog toroida (sl.). Za zaštitu od Foucaultovih vrtložnih struja, jezgro je izrađeno od tankih željeznih ploča obloženih izolacijskim slojem laka. Takvo jezgro može se napraviti na različite načine:
a) podizanje sa tankih kolutova naslaganih jedan na drugi;
b) motanje tanke dugačke trake širine h;
c) sklapanje od pravougaonih ploča veličine l×h, postavljajući ih duž poluprečnika cilindra.
Eksperimentiraj.
Možete pratiti pojavu Foucaultovih struja koristeći sljedeće postavke. Klatno koje se sastoji od komada metala okačenog na niti između polova elektromagneta, izvađenog iz ravnoteže u odsustvu struje u elektromagnetu, vrši slabu prigušene oscilacije. Kada se struja uključi, oscilacije umiru gotovo trenutno, a kretanje klatna sve dok se ne zaustavi nalikuje kretanju u viskoznom mediju. To se objašnjava činjenicom da Foucaultove struje koje su nastale tijekom kretanja klatna u magnetskom polju imaju takav smjer da sile koje djeluju na njih sa strane magnetskog polja usporavaju kretanje klatna. 
Ako se čvrsti sektor klatna zamijeni češljem s dugim zupcima, tada će pobuđivanje Foucaultovih struja biti vrlo teško. Klatno će oscilirati u magnetskom polju gotovo bez prigušenja. Ovo iskustvo objašnjava zašto jezgra elektromagneta i okviri transformatora nisu napravljeni od čvrstog komada gvožđa, već od mnogih listova koji su postavljeni jedan na drugi. Kao rezultat Foucaultove struje su slabo pobuđeni i štetni efekat džulove toplote koju oni oslobađaju je znatno smanjen.
Teorija.
Toki Foucault- indukcijske struje koje nastaju u masivnim provodnicima
u naizmjeničnom magnetskom polju nazivaju se Foucaultove struje. Nekada imaju korisnu ulogu, a nekada štetnu.
Foucaultove struje igraju korisnu ulogu u rotoru indukcioni motor, koji se pokreće rotirajućim magnetnim poljem, budući da sama implementacija principa rada asinhronog motora zahtijeva pojavu Foucaultovih struja. Budući da su struje provodljivosti, Foucaultove struje rasipaju dio energije u oslobađanje Jouleove topline. Ovaj gubitak energije u rotoru indukcionog motora je beskorisan, ali s tim se morate pomiriti, izbjegavajući samo pretjerano pregrijavanje rotora. Ali istovremeno, u jezgri elektromagneta indukcionog motora, obično napravljenih od feromagneta koji su provodnici, nastaju i Foucaultove struje koje nemaju nikakav značaj za princip rada elektromagneta, ali zagrijavaju ova jezgra, čime se smanjuju njihove performanse. S njima se mora postupati kao sa štetnim faktorom. Borba je u tome što su jezgra napravljena od tankih ploča, međusobno odvojenih slojevima izolatora, a ugrađene su tako da su Foucaultove struje usmjerene preko ploča. Zbog toga se, uz dovoljno malu debljinu ploča, Foucaultove struje ne mogu razviti i imaju neznatnu nasipnu gustinu.
Joule toplina koju oslobađaju Foucaultove struje korisna je u procesu zagrijavanja ili čak topljenja metala kada se pokaže da je povoljnija ili svrsishodnija u odnosu na druge metode grijanja. Ako se metal jako zagrije strujama visoka frekvencija, tada se kao rezultat skin efekta zagrijava samo površinski sloj provodnika.
(b, c) Čvrsti komad metala, koji se nalazi u naizmjeničnom magnetskom polju, otporni je vodič, zbog čega snaga indukcijskih struja u njemu dostiže velike vrijednosti.
Budući da je indukcijski EMF proporcionalan brzini promjene fluksa magnetske indukcije, veličina Foucaultovih struja je veća što se brže mijenja magnetsko polje u koje je provodnik uveden. Stoga je pojavu Foucaultovih struja lakše uočiti ako se u šupljinu solenoida uvede provodnik kroz čiji namotaj prolazi brzo naizmjenična struja, koja također uzrokuje brzo mijenjanje magnetskog polja. U ovom slučaju, Foucaultove struje u masivnim, dobro vodljivim tijelima postižu takvu snagu da je toplina koja se oslobađa dovoljna za zagrijavanje tijela. Ova metoda se široko koristi u vakuumskoj tehnologiji za grijanje unutar evakuiranog uređaja. metalni dijelovi za njihovo otplinjavanje. Ista metoda se koristi za topljenje metala pod vakuumom.
U komadima dovoljno debelim, odnosno imaju velike veličine u pravcu, okomito na smjer indukcijske struje, vrtložne struje zbog male otpornosti mogu biti vrlo velike i izazivaju veoma značajnu toplotu. Ako se, na primjer, stavi unutar zavojnice masivno metalno jezgro i propuštati naizmjeničnu struju kroz zavojnicu, koja mijenja svoj smjer i snagu 100 puta u sekundi, dostižući nulu i ponovo povećavajući, tada će se ovo jezgro jako zagrijati. Ovo zagrijavanje je uzrokovano indukcijskim (vrtložnim) strujama koje proizlaze iz kontinuirane promjene magnetskog fluksa koji prodire u jezgro. Ako je ovo jezgro napravljeno od odvojenih tankih žica, izoliranih jedna od druge slojem laka ili oksida, tada će se otpor jezgre u smjeru okomitom na njegovu os, odnosno otpor vrtložnim strujama, povećati i zagrijavanje će se značajno smanjiti. Ova tehnika - razdvajanje čvrstih komada željeza u tanke slojeve izolovane jedan od drugog - stalno se koristi u svim električne mašine kako bi se smanjilo njihovo zagrijavanje indukcijskim strujama koje nastaju u naizmjeničnom magnetskom polju. S druge strane, Foucaultove struje se ponekad koriste u takozvanim indukcijskim pećima za intenzivno zagrijavanje ili čak topljenje metala.
Transformers.
Međutim, u mnogim slučajevima zagrijavanje uzrokovano Foucaultovim strujama je štetno. Takvi slučajevi uključuju zagrijavanje jezgara transformatora i općenito metalnih jezgara svih vrsta namotaja kroz koje teče naizmjenična struja. Da bi se izbjeglo takvo zagrijavanje, jezgre su napravljene slojevito, odvajajući slojeve jedan od drugog tankim slojem izolacije smještenom okomito na smjer Foucaultovih struja.
Dolazak ferita (magnetnih materijala sa visokim električnim otporom) napravio moguća proizvodnjačvrsta jezgra.
(c) U transformatorima male snage, magnetsko kolo je sastavljeno od ploča P-, š- i O- figurativni oblik (sl. a, b, c). 
Magnetna kola namotana od uske trake od električnog čelika ili od specijalnih legura željeza i nikla, kao što je permaloy, dobila su široku primjenu. Mogu se koristiti za štapne, oklopne, toroidne i trofazne transformatore (d, d, f, g).
Skin efekat.
Foucaultove struje mogu se pojaviti i u samom vodiču kroz koji teče naizmjenična struja. Pojava takvih struja dovodi do posebnog efekta kože (koji se naziva i efekt kože od engleska riječ kožešto znači koža). Ako naizmjenična struja teče kroz cilindrični provodnik, tada će u trenucima porasta struje Foucaultove indukcijske struje biti usmjerene kako je prikazano na slici. 
Ove struje su usmjerene na površini provodnika u smjeru primarne električne struje, a na osi provodnika - prema struji. Kao rezultat toga, struja unutar vodiča će oslabiti, a na površini će se povećati. Tako će zbog pojave Foucaultovih indukcijskih struja struja biti neravnomjerno raspoređena po poprečnom presjeku provodnika.
Kod struja koje se brzo mijenjaju, gustoća struje blizu ose vodiča je praktički jednaka nuli, a sva struja teče duž površine vodiča. Kao rezultat toga, magnetsko polje unutar vodiča postaje nula. Ova pojava uzrokuje povećanje otpora provodnika, jer struja ne teče kroz unutrašnje dijelove vodiča. Budući da su ovi unutrašnji dijelovi beskorisni, radi uštede metala žice za brze naizmjenične struje se prave šuplje. Foucaultove struje također dovode do smanjenja koeficijenta samoindukcije vodiča. To se može ilustrirati na primjeru cilindričnog provodnika.
Zbog skin efekta, nema smisla praviti provodnike u visokofrekventnim kolima čvrstim. Da bi se smanjio otpor, potrebno je povećati njihovu površinu, a ne poprečni presjek, odnosno napraviti cevni provodnici. U električnim pećima se ova okolnost koristi hlađenjem cijevi zavojnice, kroz koju teče visokofrekventna struja, uz pomoć vode koja cirkulira unutar cijevi.
Generatori.
Generatore obično pokreću turbine ili motori sa relativno sporom vodom. unutrašnjim sagorevanjem. Pri radu sa parnim turbinama koje rotiraju frekvencijom 1500 − 3000
okretaja u minuti, koristi se nešto drugačiji dizajn rotora (induktora). Rotor nema izbočine, ali je glatki cilindar vanjska površina od kojih je namotaj položen u žljebove. Pri velikim brzinama to je korisnije, jer izbočine na rotoru stvaraju zračne vrtloge i povećavaju mehaničke gubitke.
Oblik polova na izbočinama rotora je posebno proračunat tako da se EMF inducirana u namotu mijenja tokom vremena prema sinusnom zakonu, odnosno tako da napon i struja koje generiše generator budu sinusoidni.
Stator generatora - njegov fiksni dio - je željezni prsten, u čijim su žljebovima položeni namotaji armature. Da bi se smanjili gubici zbog Foucaultovih struja, ovaj prsten nije napravljen kontinuiranim, već se sastoji od odvojenih tanki listovi gvožđe izolovano jedno od drugog
prijatelju.
MINISTARSTVO PROSVETE I NAUKE
RUSKA FEDERACIJA
SAVEZNA DRŽAVNA BUDŽETSKA OBRAZOVNA USTANOVA VISOKOG STRUČNOG OBRAZOVANJA
"DRŽAVNI UNIVERZITET KURGAN"
Esej na temu "Fizika" Tema: "Foucaultove struje i njihove primjene"
Izvršio: Studentska grupa T-10915 Logunova M.V.
Učitelju Vorontsov B.S.
Kurgan 2016
Uvod 3
1. Foucaultove struje 4
2. Vihorovi i efekt kože 7
3. Praktična primjena Foucaultovih struja 8
4. Izvođenje formula 10
4.1. Jačina vrtložne struje prema Ohmovom zakonu 10
4.2. Formule za proračun gubitaka za Foucaultove struje 10
Zaključak 11
Reference 12
Uvod
Indukcijska struja se može pojaviti ne samo u linearnim kolima, odnosno u vodičima čije su poprečne dimenzije zanemarljive u odnosu na njihovu dužinu. Indukcijska struja se također javlja u masivnim provodnicima. U ovom slučaju, provodnik ne mora biti uključen u zatvoreno kolo. U debljini samog vodiča formira se zatvoreni krug induktivne struje. Takve indukovane struje se nazivaju eddy ili strujeFoucault.
Vrtložne struje ili Foucaultove struje (u čast J. B. L. Foucaulta) su vrtložne indukcijske struje koje nastaju u provodnicima, bilo zbog promjene vremena magnetskog polja u kojem se tijelo nalazi, ili zbog kretanja tijela u magnetno polje, što dovodi do promjene magnetskog toka kroz tijelo ili bilo koji njegov dio.
Veličina Foucaultovih struja je veća, što se brže mijenja magnetni tok.
Toki Foucault
Vrtložne struje prvi je otkrio francuski naučnik D. F. Arago (1786-1853) 1824. godine u bakrenom disku smještenom na osi ispod rotirajuće magnetne igle. Zbog vrtložnih struja disk je došao u rotaciju. Ovaj fenomen, nazvan fenomen Arago, objasnio je nekoliko godina kasnije M. Faraday sa pozicijama zakona koje je otkrio elektromagnetna indukcija: rotirajuće magnetno polje indukuje vrtložne struje u bakrenom disku, koje stupaju u interakciju sa magnetnom iglom. Vrtložna strujanja detaljno je proučavao francuski fizičar Foucault (1819-1868) i dobio ime po njemu. Otkrio je fenomen zagrijavanja metalnih tijela koja se rotiraju u magnetskom polju vrtložnim strujama.
Foucaultove struje nastaju pod utjecajem naizmjenične struje elektromagnetno polje i po svojoj fizičkoj prirodi ne razlikuju se od induktivnih struja koje nastaju u linearnim žicama.
Ali, za razliku od električne struje u žicama, koja teče duž tačno određenih staza, vrtložne struje su zatvorene direktno u provodnoj masi, formirajući konture poput vrtloga. Ovi strujni krugovi djeluju u interakciji s magnetskim tokom koji ih je stvorio. Električni otpor masivnog vodiča je mali, pa Foucaultove struje postižu vrlo veliku silu. Prema Lenzovom pravilu, magnetsko polje vrtložnih struja je usmjereno na takav način da se suprotstavi promjeni magnetskog fluksa koji inducira ove vrtložne struje.
|
Rice. jedan |
Na primjer, ako se bakarna ploča odmakne od ravnotežnog položaja i pusti tako da uđe u prostor između magnetnih traka brzinom υ, tada će se ploča praktično zaustaviti u trenutku kada uđe u magnetsko polje (slika 1).
Usporavanje kretanja povezano je s pobuđivanjem vrtložnih struja u ploči, koje sprječavaju promjenu fluksa vektora magnetske indukcije. Pošto ploča ima konačan otpor, indukcijske struje postepeno nestaju i ploča se polako kreće u magnetskom polju. Ako je elektromagnet isključen, tada će bakrena ploča vršiti uobičajene oscilacije karakteristične za klatno.
Vrtložne struje također dovode do neravnomjerne raspodjele magnetskog fluksa po poprečnom presjeku magnetnog kola. To je zbog činjenice da je u središtu poprečnog presjeka magnetskog kola sila magnetiziranja vrtložnih struja, usmjerena prema glavnom toku, najveća, jer je ovaj dio poprečnog presjeka pokriven najvećim brojem vrtložnim strujnim krugovima. Takvo "pomicanje" toka iz sredine dijela magnetnog kruga izražava se što je frekvencija veća naizmjenična struja i što je veća magnetna permeabilnost feromagneta. Na visokim frekvencijama, strujanje prolazi samo u tankom površinskom sloju jezgre. Ovo uzrokuje smanjenje prividne (prosjek poprečnog presjeka) magnetne permeabilnosti. Fenomen izbacivanja iz feromagneta magnetskog fluksa koji se mijenja velikom frekvencijom sličan je električnom skin efektu i naziva se magnetski skin efekt.
U skladu sa Joule-Lenzovim zakonom, vrtložne struje zagrijavaju provodnike u kojima nastaju. Zbog toga vrtložne struje dovode do gubitaka energije (gubitka vrtložne struje) u magnetnim kolima (u jezgri transformatora i namotaja naizmjenične struje, u magnetnim kolima mašina).
Da bi se smanjili gubici energije zbog vrtložnih struja (i štetnog zagrijavanja magnetnih kola) i smanjio učinak "izmještanja" magnetnog fluksa sa feromagneta, magnetna kola AC strojeva i aparata nisu napravljena od čvrstog komada feromagneta (električni čelik ), ali iz zasebnih ploča izoliranih jedna od druge. Ova podjela na ploče okomite na smjer vrtložnih struja ograničava moguće konture putanja vrtložnih struja, što uvelike smanjuje veličinu ovih struja. Na vrlo visokim frekvencijama, upotreba feromagneta za magnetna kola je nepraktična; u tim slučajevima su napravljeni od magnetodielektrika, u kojima se vrtložne struje praktički ne javljaju zbog vrlo velike otpornosti ovih materijala.
Kada se provodno tijelo kreće u magnetskom polju, inducirane vrtložne struje uzrokuju primjetnu mehaničku interakciju tijela s poljem. Ovaj princip se zasniva, na primer, na kočenju pokretnog sistema u brojilima električne energije, u kojima se aluminijumski disk rotira u polju stalnog magneta. U mašinama naizmjenične struje s rotirajućim poljem, čvrsti metalni rotor je zahvaćen poljem zbog vrtložnih struja koje nastaju u njemu. Interakcija vrtložne struje sa naizmjeničnim magnetskim poljem je u osnovi različitih tipova pumpi za pumpanje rastopljenog metala.
Vrtložne struje se javljaju i u samom vodiču, kroz koji teče naizmjenična struja, što dovodi do neravnomjerne raspodjele struje po poprečnom presjeku provodnika. U trenucima povećanja struje u vodiču, indukcijske vrtložne struje se usmjeravaju duž primarne električne struje blizu površine vodiča, a prema struji u blizini ose vodiča. Kao rezultat toga, struja unutar vodiča će se smanjiti, a na površini će se povećati. Struje visoke frekvencije praktično ulaze tanki sloj na površini provodnika, ali u provodniku nema struje. Ovaj fenomen se naziva električni efekt kože. Kako bi se smanjili gubici energije zbog vrtložnih struja, AC žice velikog presjeka su napravljene od odvojenih niti međusobno izoliranih.
U električnim uređajima, uređajima i mašinama metalni dijelovi se ponekad kreću u magnetskom polju ili se stacionarni metalni dijelovi ukrštaju linije sile promenljivo magnetno polje. U ovim metalnim dijelovima se indukuje.
Pod uticajem ovih e. d.s. u masi protoka metalnog dijela vrtložne struje (Foucaultove struje), koji se zatvaraju u masi, formirajući krugove vrtložnih struja.
Vrtložne struje (također Foucaultove) su električne struje koje nastaju kao rezultat elektromagnetne indukcije u provodljivom mediju (obično u metalu) kada se mijenja magnetni tok koji prodire u njega.
Vrtložne struje stvaraju vlastite magnetne tokove, koji se, zauzvrat, suprotstavljaju magnetskom toku zavojnice i slabe ga. Osim toga, uzrokuju zagrijavanje jezgra, što je gubitak energije.
Neka postoji jezgro metalni materijal. Na ovo jezgro postavljamo zavojnicu kroz koju prolazimo. Oko zavojnice će biti naizmjenična magnetska struja koja prolazi kroz jezgro. U ovom slučaju, indukovana EMF će biti indukovana u jezgru, što, zauzvrat, uzrokuje struje u jezgru, koje se nazivaju vrtložnim strujama. Ove vrtložne struje zagrijavaju jezgro. Budući da je električni otpor jezgre mali, inducirane struje inducirane u jezgrama mogu biti prilično velike, a zagrijavanje jezgre može biti značajno.
Vrtložne struje prvi je otkrio francuski naučnik D.F. Arago (1786 - 1853) 1824. godine u bakrenom disku smještenom na osi ispod rotirajuće magnetne igle. Zbog vrtložnih struja disk je došao u rotaciju. Ovu pojavu, nazvanu Aragov fenomen, nekoliko godina kasnije objasnio je M. Faraday sa stanovišta onoga što je otkrio.
Vrtložna strujanja detaljno je proučavao francuski fizičar Foucault (1819-1868) i dobio ime po njemu. On je fenomen zagrijavanja metalnih tijela koja se rotiraju u magnetskom polju nazvao vrtložnim strujama.
Kao primjer, na slici su prikazane vrtložne struje inducirane u masivnom jezgru smještenom u zavojnici koji cirkulira naizmjeničnom strujom. Izmjenično magnetsko polje inducira struje koje se zatvaraju duž staza koje leže u ravninama okomitim na smjer polja.
Vrtložne struje: a - u masivnom jezgru, b - u lamelarnom jezgru
Načini smanjenja Foucaultovih struja
Snaga koja se troši na zagrijavanje jezgra vrtložnim strujama, beskorisno smanjuje efikasnost tehnički uređaji elektromagnetnog tipa.
Da bi se smanjila snaga vrtložnih struja, povećava se električni otpor magnetskog kruga; za to se jezgre regrutiraju iz zasebnih tankih (0,1-0,5 mm) ploča izoliranih jedna od druge pomoću posebnog laka ili skale.
Magnetna jezgra svih AC mašina i aparata i jezgra mašinskih armatura jednosmerna struja sastavljaju se od ploča izoliranih jedna od druge lakom ili površinskim nevodljivim filmom (fosfatiranim), utisnutim od elektročeličnog lima. Ravnina ploča mora biti paralelna sa smjerom magnetskog fluksa.
Takvom podjelom poprečnog presjeka jezgre magnetskog kola vrtložne struje su značajno oslabljene, jer se smanjuju magnetni tokovi koji povezuju krugove vrtložnih struja, a samim tim i e inducirana ovim fluksovima. d.s., stvarajući vrtložne struje.
U materijal jezgre se također uvode posebni aditivi koji ga također povećavaju.Za povećanje električni otpor feromagnetni električni čelik se priprema sa dodatkom silicijuma.
Jezgra nekih namotaja (bobina) su napravljena od komada žarene željezne žice. Trake gvožđa su postavljene paralelno sa linijama magnetnog fluksa. Vrtložne struje koje teku u ravninama okomitim na smjer magnetskog toka ograničene su izolacijskim brtvama. Za magnetska kola uređaja i uređaja koji rade na visokoj frekvenciji koriste se magnetodielektrici. Da bi se smanjile vrtložne struje u žicama, potonje su napravljene u obliku snopa pojedinačnih jezgara izoliranih jedna od druge.
Primjena Foucaultovih struja
Korisna primjena vrtložnih struja nalazi se u uređaju magnetne disk kočnice električno brojilo. Rotirajući, disk se ukršta. U ravnini diska nastaju vrtložne struje, koje zauzvrat stvaraju vlastite magnetne tokove u obliku cijevi oko vrtložne struje. U interakciji sa glavnim poljem magneta, ovi tokovi usporavaju disk.
U nekim slučajevima, koristeći vrtložne struje, moguće je koristiti tehnološke operacije koje se ne mogu primijeniti bez visokofrekventnih struja. Na primjer, prilikom proizvodnje vakuumskih uređaja i uređaja iz cilindra, potrebno je pažljivo ispumpati zrak i druge plinove. Međutim, u metalne armature, koji se nalazi unutar cilindra, postoje ostaci plina koji se mogu ukloniti tek nakon što se cilindar prokuha. Za potpuno otplinjavanje armature u polje visokofrekventnog generatora postavlja se vakuumski uređaj, koji se kao rezultat djelovanja vrtložnih struja zagrijava na stotine stupnjeva, dok se preostali plin neutralizira.
Pronađene su vrtložne struje korisna aplikacija također za površinsko otvrdnjavanje strujama visoke frekvencije.
Upotreba vrtložnih struja u indukcijskom kaljenju metala