什么是“渦流”，它為什么對(duì)電動(dòng)機(jī)很重要？

電動(dòng)機(jī)和變壓器是常見的工業(yè)設(shè)備。變壓器通常安裝在設(shè)施的主要電源內(nèi)外，并常常被放置在電氣柜中以進(jìn)一步降低電壓。當(dāng)然，電動(dòng)機(jī)幾乎出現(xiàn)在每一種電動(dòng)機(jī)械中。

這兩種設(shè)備有一個(gè)共同的主題：它們基于電磁感應(yīng)的原理工作。電流通過導(dǎo)線圈時(shí)，會(huì)使鐵芯產(chǎn)生磁化，變壓器內(nèi)的磁場則在次級(jí)線圈中產(chǎn)生電流。在電動(dòng)機(jī)中，這一磁場促使設(shè)備中心(轉(zhuǎn)子)旋轉(zhuǎn)。

從理論上講，這一過程是非常理想的，因?yàn)榫€圈的電導(dǎo)性與鐵芯完全絕緣，因此我們不期望在鐵芯中看到任何電流。但在做出這一假設(shè)時(shí)，我們往往忽視了“渦流”的概念。

什么是渦流?

這些固體鐵芯，也叫“鐵磁”芯，因?yàn)殍F在元素周期表的符號(hào)為Fe，當(dāng)交變電流使其磁化時(shí)，鐵芯會(huì)儲(chǔ)存能量。當(dāng)交變波形崩潰并反向時(shí)，儲(chǔ)存的能量會(huì)釋放到兩個(gè)地方。對(duì)于電動(dòng)機(jī)而言，能量被轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng);對(duì)于變壓器而言，能量則轉(zhuǎn)化為次級(jí)線圈電路中的電流。

然而，如果鐵芯有機(jī)會(huì)將儲(chǔ)存的能量釋放到附近的導(dǎo)電金屬上，它肯定會(huì)嘗試這么做。

在附近的鐵磁元素中流動(dòng)的電流被稱為渦流，并且它出現(xiàn)在鐵芯內(nèi)部。磁場的釋放試圖在鐵芯內(nèi)部構(gòu)成一個(gè)小電路，從而導(dǎo)致渦流的產(chǎn)生。渦流也可能出現(xiàn)在變壓器或電動(dòng)機(jī)附近的金屬塊中，這就是為什么即使沒有接線故障，接地也是至關(guān)重要的原因。

為什么渦流是有害的?

當(dāng)渦流在鐵芯內(nèi)部形成小電路時(shí)，會(huì)產(chǎn)生幾種負(fù)面影響。

效率降低

第一個(gè)問題是，它會(huì)消耗更多的能量。整個(gè)電氣系統(tǒng)的效率降低，增加的電力消耗和組件尺寸的增大都會(huì)導(dǎo)致額外的輸入功率需求，以支持負(fù)載和鐵芯中的渦流。一部分磁場用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載，但另一部分則轉(zhuǎn)向渦流，因此需要更大的輸入電流供應(yīng)。

過熱

然而，更重要的是溫度的升高，這是一種累積效應(yīng)，可能對(duì)設(shè)備造成災(zāi)難性影響。如果渦流電路被感應(yīng)產(chǎn)生，電流會(huì)通過鐵的電阻流動(dòng)。鐵的電阻相對(duì)較低，但仍然是銅電阻的7倍以上。這意味著渦流電路中的總電流會(huì)相對(duì)較高，但電阻會(huì)導(dǎo)致能量以熱量的形式散失。

由于設(shè)備并未設(shè)計(jì)用于冷卻轉(zhuǎn)子(或變壓器的鐵芯)，它將繼續(xù)升溫，導(dǎo)致通過線圈的電流不斷增加，以保持負(fù)載運(yùn)行，直到斷路器或保險(xiǎn)絲跳閘，或線圈絕緣層開始過熱并熔化。

層壓：防止渦流的解決方案

解決渦流的問題相對(duì)簡單，但制造起來更為復(fù)雜。

鐵芯的鐵材料首先被切割成許多薄片。這些薄片重新組裝時(shí)會(huì)涂上一層清漆或紙質(zhì)材料，形成每片之間的絕緣屏障。絕緣材料阻止電路的完成。然而，鐵芯中的鐵總量仍與之前相同，因此它仍然能夠儲(chǔ)存磁能。

每片薄層中可能仍會(huì)感應(yīng)出非常小的渦流，但每層的厚度決定了由于渦流而損失的能量多少。實(shí)際上，渦流損失與層厚度的平方成正比，這意味著如果層厚度減少一半，損失將減少到四分之一。究竟多薄才算太薄?制造成本成為限制因素，因此現(xiàn)代鐵芯中的大多數(shù)層厚度介于0.25到0.5毫米之間。

層壓方向與右手法則

在物理學(xué)中，許多自然力遵循“右手法則”，這實(shí)際上只是一個(gè)方便的方法，用于說明電流和磁性等兩個(gè)相關(guān)力量如何在自然中相互影響。

為了了解這對(duì)電動(dòng)機(jī)或變壓器的鐵芯有何影響，可以參考以下示意圖。

首先，來自初級(jí)線圈的電流使鐵芯磁化，鐵芯是變壓器周圍的大型層壓結(jié)構(gòu)。儲(chǔ)存在鐵芯中的能量可以用我的彎曲手指來表示。因此，這種磁能將試圖推動(dòng)電流沿著右手拇指的方向流動(dòng)(因此稱為“右手法則”)。

如您所見，層壓薄片與拇指方向是垂直的。這意味著絕緣層會(huì)阻止電流的流動(dòng)，因?yàn)榇艌?以及拇指的方向)迅速改變方向。

最小化能量損失

我們常常將效率視為可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，但實(shí)際上它遠(yuǎn)不止于此。對(duì)電動(dòng)機(jī)核心和變壓器等組件的精心設(shè)計(jì)可以減少由于熱量造成的能量損失。這不僅對(duì)可持續(xù)發(fā)展有利，同時(shí)也降低了運(yùn)營成本，延長了設(shè)備的使用壽命，并大大減少了停機(jī)時(shí)間，這對(duì)整個(gè)組織而言都是巨大的收益。