Was sind Wirbelströme?

In diesem Leitfaden werden wir alle grundlegenden Faktoren über Wirbelströme untersuchen. Wenn Sie wissen wollen, was sie sind, welche Auswirkungen sie haben und wie nützlich sie sind, dann lesen Sie diesen Leitfaden, um detaillierte Informationen zu erhalten.

Was sind Wirbelströme?

Wirbelströme sind die elektrischen Ströme, die sich durch ein leitendes Objekt bewegen, wenn es schwankenden Bedingungen ausgesetzt ist Magnetfeld. Sie zirkulieren in geschlossenen Schleifen im leitfähigen Material in Ebenen, die im rechten Winkel zum elektromagnetischen Feld liegen.

Sie treten auf, wenn sich das Magnetfeld um einen statischen Leiter ändert oder wenn sich ein Leiter durch das elektromagnetische Feld bewegt. Wirbelströme kann bei einigen Anwendungen nützlich, bei anderen aber auch unerwünscht sein.

Wirbelströme Geschichte

François Arago, Physiker, Mathematiker und zweiter Präsident der Zweiten Französischen Republik, war der erste, der 1824 Wirbelströme entdeckte. Mit dem so genannten Rotationsmagnetismus stellte er fest, dass es möglich war, die meisten leitfähigen Stoffe zu magnetisieren. Diese Erkenntnisse wurden später von Michael Faraday vervollständigt und vertieft.

Emil Lenz formulierte 1834 die Lenzsche Regel. Aber es ist Léon Foucault, ein französischer Wissenschaftler, der für die Entdeckung der Wirbelströme bekannt ist. Der Wissenschaftler stellte 1855 fest, dass die Kraft, die erforderlich ist, um eine Kupferscheibe in Rotation zu versetzen, zunimmt, wenn man ihren Rand zwischen Magnetpolen positioniert. Er stellte auch fest, dass die induzierten Wirbelströme die Scheibe erwärmen.

Wirbelströme und Wirbelverluste

Wirbelstromverluste sind der Verlust von Energie in Form von Wärme, der durch Wirbelströme in leitfähigen Objekten entsteht. Wirbelströme erfahren einen Widerstand, wenn sie durch das Material fließen, was zu einer Wärmeabgabe führt. Dieser Energieverlust kann sich nachteilig auf die Funktion und Effizienz von elektrischen Transformatoren und Geräten auswirken.

Zusammengefasst bezeichnen Wirbelströme die fließenden elektrischen Ströme, die in Leitermaterialien aufgrund wechselnder elektromagnetischer Felder entstehen. Andererseits beschreiben die Wirbelstromverluste die Energieverluste in Form von Wärme, die durch diese Wirbelströme entstehen. Es ist wichtig, die Wirbelstromverluste zu minimieren, um den Betrieb und die Effektivität von elektromagnetischen Geräten zu verbessern.

Wie Wirbelstrom erzeugt wird

Das Phänomen der Wirbelströme ist zurückzuführen auf elektromagnetische Induktion. Wenn man ein Magnetfeld in der Nähe eines leitenden Objekts einführt oder verändert, entsteht ein magnetischer Fluss gebildet, der das Objekt durchdringt.

Der magnetische Fluss, der sich durch das Material bewegt, ändert sich mit den Veränderungen des induzierten elektromagnetischen Feldes. Basierend auf Faradaysches Gesetz der elektromagnetischen InduktionElektrische Ströme werden durch den sich ändernden magnetischen Fluss erzeugt.

Diese induzierten elektrischen Ströme fließen kreisförmig im Inneren des Leitermaterials und werden als Wirbelströme bezeichnet. Die Flussrichtung der Ströme hängt von den Eigenschaften des Leitermaterials und der Richtung des Magnetfeldes ab.

Ursachen von Wirbelströmen

Normalerweise entstehen Wirbelströme, wenn sich das Magnetfeld um einen statischen Leiter ändert oder wenn sich ein Leiter durch ein Magnetfeld bewegt. Daher bilden sich Wirbelströme immer dann, wenn sich die Richtung oder die Intensität des elektromagnetischen Feldes innerhalb eines Leiters ändert.

Hysterese vs. Wirbelströme

Hysterese und Wirbelströme sind zwei unähnliche Phänomene, die mit dem Verhalten von Materialien in fluktuierenden Magnetfeldern zusammenhängen. Diese Magnetfeldschwankungen verursachen Hysterese in ferromagnetischen Materialien und Wirbelströme in leitenden Objekten.

Die magnetischen Verluste infolge der Hysterese werden als Hystereseverluste bezeichnet, während die durch Wirbelströme verursachten Verluste als Wirbelstromverluste bezeichnet werden.

In der nachstehenden Tabelle wird der Hystereseverlust mit dem Wirbelstromverlust verglichen:

Hysterese Verlust	Wirbelstromverlust
Der Hystereseverlust entsteht durch die Umkehrung des Magnetismus in einem ferromagnetischen Material bei wechselndem Magnetfeld.	Wirbelstromverluste entstehen durch die relative Bewegung zwischen dem Magnetfeld und einem Leiter.
Findet nur innerhalb des Kerns eines elektrischen Geräts statt.	Findet innerhalb des Kerns, des Leiters und des Gehäuses des elektrischen Geräts statt.
Tritt in ferromagnetischen Materialien auf	Kommt in leitfähigen Materialien vor.
Zur Verringerung der Hystereseverluste wird kornorientierter Stahl verwendet.	Die Verringerung der Wirbelstromverluste erfolgt durch die Verwendung von Metallschichten für die Konstruktion der Kernbleche.
Berechnet nach der Formel Pb = η * Bmaxn * f * V	Berechnet nach der Formel Pe = Ke * Bmax2 * f2 * t2 * V

 

Wirbelströme Formel und Berechnungen

Sie können die nachstehende Formel verwenden, um die Gesamtverluste infolge von Wirbelströmen zu ermitteln:

P_e = K_e * B_max² * f² * t² * V

Wo,

• P_e steht für Wirbelstromverluste (W)

• K_e bezeichnet die Wirbelstromkonstante.
• B_max bezeichnet die maximale Flussdichte (Wb/m²)
• f steht für die Frequenz der induzierten Spannung (Hz)
• t steht für die Dicke des leitenden Materials (m)
• V bezeichnet das Volumen des Leitermaterials (m³)

Minimierung von Wirbelströmen

 

Die Minimierung von Wirbelstromverlusten trägt entscheidend dazu bei, die Leistung von elektrischen Systemen und Geräten zu verbessern. Hier sind einige Methoden zur Reduzierung von Wirbelstromverlusten:

Laminierter Kern

Die Verwendung von laminierten Kernen, die aus dünnen Blechen aus leitendem Material bestehen, ist eine beliebte Technik zur Reduzierung von Wirbelströmen in Motoren, Transformatoren und anderen elektromagnetischen Geräten. Die dünnen Bleche erzeugen einen größeren elektrischen Widerstand in Richtung des zirkulierenden Stroms und minimieren so die Wirbelstromverluste.

Materialien mit hohem spezifischem Widerstand

Die Verwendung von leitfähigen Materialien mit hohem elektrischem Widerstand trägt ebenfalls zur Minimierung der Wirbelstromverluste bei. Sie ermöglichen eine schnelle und effiziente Ableitung von Wirbelströmen, was die Verluste verringert.

Richtiges Kerndesign

Minimieren Sie die Wirbelströme durch Optimierung des Kerndesigns. So können Sie beispielsweise rechteckige oder toroidale Kerne anstelle von runden Kernen verwenden, um die Wirbelstrompfade zu verringern.

Kontrolle Frequenz

Es besteht eine direkte Proportionalität zwischen der Frequenz des schwankenden Magnetfelds und den Wirbelstromverlusten. Auch wenn es schwierig sein mag, Wirbelströme vollständig zu beseitigen, kann eine Verringerung der Frequenz dazu beitragen, die Verluste bei Hochfrequenzanwendungen zu minimieren.

Weichmagnetische Materialien

Verwendung von weichmagnetischen Werkstoffen mit niedriger Koerzitivfeldstärke und hoher Permeabilität. Diese Materialien weisen tendenziell geringere Wirbelstromverluste auf, wenn sie schwankenden elektromagnetischen Feldern ausgesetzt sind.

Magnetische Abschirmung

Manchmal können magnetische Abschirmungstechniken eingesetzt werden, um die Magnetfelder umzulenken oder einzudämmen. Dadurch wird ihre Wechselwirkung mit benachbarten Leitern verhindert und die Induktion von Wirbelströmen verringert.

Magnetische Beschichtungen

Eine magnetische Beschichtung oder Isolierung der Leiteroberfläche kann die Entstehung von Wirbelströmen verhindern. Die Schicht minimiert die Zirkulation von Wirbelströmen, indem sie ein Hindernis zwischen dem schwankenden Magnetfeld und dem Leitermaterial bildet.

Wirbelstromdämpfung

Diese Methode zur Minimierung von Wirbelstromverlusten funktioniert durch die Kontrolle von Bewegungen oder Schwingungen. Unnötige Vibrationen lassen sich durch die Einführung regulierter Wirbelströme in bestimmten Teilen verringern.

Schädliche Auswirkungen von Wirbelströmen

 

Trotz der vielen Einsatzmöglichkeiten und Vorteile von Wirbelströmen haben sie auch einige gefährliche Auswirkungen. Einige der schädlichen Auswirkungen von Wirbelströmen sind:

Erwärmung von Komponenten

Aufgrund von Wirbelströmen kann es zu einer übermäßigen Erwärmung der Bauteile kommen. Dies ist besonders dann eine Herausforderung, wenn Sie Materialien mit hoher elektrischer Leitfähigkeit oder in Hochfrequenzanwendungen verwenden. Die Erwärmung kann zu Materialverschlechterung, thermischer Belastung und verringerter Lebensdauer der betroffenen Komponenten führen.

Energieverlust

Es besteht die Möglichkeit, dass leitfähige Materialien aufgrund von Wirbelströmen erhebliche Energieverluste erleiden. Dies kann zur Unwirksamkeit von elektrischen Systemen und Geräten führen.

Wirbelströme erzeugen einen Widerstand, wenn sie durch ein leitendes Material fließen, wodurch die elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Folglich kann diese Energieumwandlung die Effizienz von Generatoren, Motoren, Transformatoren und anderen elektrischen Geräten verringern.

Lärm und Vibration

Es besteht auch die Möglichkeit, dass durch Wirbelströme in leitfähigen Stoffen und benachbarten Strukturen hörbare Geräusche und mechanische Schwingungen erzeugt werden. Dies bedeutet, dass das Phänomen negative Auswirkungen auf Anwendungen haben kann, bei denen ein geringes Rauschen und Genauigkeit entscheidend sind, wie bei empfindlichen Audiogeräten oder wissenschaftlichen Instrumenten.

Elektromagnetische Interferenz (EMI)

Elektromagnetische Felder, die aufgrund von Wirbelströmen entstehen, können benachbarte elektronische Geräte und Schaltkreise stören. Die EMI kann zu Unterbrechungen, Ausfällen und Signalverzerrungen in empfindlichen elektronischen Geräten führen. Dies kann zu Datenverfälschung, Kommunikationsfehlern und weiteren Funktionsproblemen führen.

Magnetischer Widerstand

Bei beweglichen leitenden Objekten kann es zu einem durch Wirbelströme verursachten magnetischen Widerstand kommen, der der Bewegung des Leiters entgegenwirkt. Dies kann unerwünscht sein, wenn Sie eine genaue Kontrolle oder Positionierung erreichen wollen, oder in einigen mechanischen Geräten.

Anwendungen von Wirbelströmen

Zu den wichtigsten und gängigsten Anwendungen von Wirbelströmen gehören:

Magnetische Levitation

Das Magnetschweben ist eine abstoßende Form des Schwebens, die in modernen Hochgeschwindigkeitszügen der Magnetschwebebahn eingesetzt wird, um einen reibungslosen Transport zu ermöglichen. Ein supraleitender Magnet, der am Zug angebracht ist, erzeugt einen schwankenden Magnetfluss.

Dies wiederum erzeugt Wirbelströme über der statisch leitenden Platte, auf der der Zug schwebt. Die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld und den Wirbelströmen erzeugt die Schwebekräfte.

Induktionsofen

Induktionsöfen sind im Schmelzsektor üblich, wo man das zu schmelzende Metall in einen schnell wechselnden, hochinduzierten Strom setzt. Dieser Strom erzeugt eine größere Wärmemenge, die das Metall zum Schmelzen bringt. Daher hilft der Induktionsofen bei der Metallgewinnung aus dem Erz.

Induktionsmotor

Wirbelströme spielen eine wichtige Rolle bei der Rotation von Induktionsmotoren. Dies geschieht, wenn das System die induzierten Ströme dem metallischen Rotor aussetzt, der im elektromagnetischen Feld kreist. Infolgedessen sinkt die relative Geschwindigkeit zwischen dem Feld und dem Rotor, so dass sich der Induktionsmotor in Richtung des Magnetfelds dreht.

Tachometer

Der Fahrzeugtachometer besteht aus einem Magneten, der mit Haarsträhnen an der Hauptwelle des Fahrzeugs befestigt ist. Bei jeder Fahrzeugbewegung verschiebt sich der Magnet und zeigt über die Haarsträhnen die Geschwindigkeit des Fahrzeugs an.

Elektrische Bremsen

Wirbelströme spielen eine wichtige Rolle beim Bremsen von Zügen, Achterbahnen und elektrischen Bohrmaschinen oder Sägen für deren Notabschaltung. Die Bremsen setzen die Metallräder einem elektromagnetischen Feld aus, das zu einem Wirbelstrom führt. Durch den Austausch zwischen den erzeugten Wirbelströmen und dem angelegten Feld werden die Räder abgebremst.

Ein schnelleres Durchdrehen der Räder führt zu einem deutlicheren Effekt. Dies bedeutet, dass die Wirbelströme es ermöglichen, eine sich schnell bewegende Maschine abzubremsen, ohne dass es zu Unannehmlichkeiten kommt.

Galvanometer

Eine weitere Anwendung von Wirbelströmen ist in Galvanometern zu finden. Hier werden die Wirbelströme eingesetzt, um der Auslenkung des Galvanometers entgegenzuwirken und sicherzustellen, dass die im Gerät verwendete Spule ein Gleichgewicht erreicht.

Es erleichtert die Bestimmung der Genauigkeit des Galvanometers. Der Grund dafür ist, dass man die Auslenkung normalerweise erst ablesen kann, wenn sich der Prüfvorgang und die verwendete Spule eingependelt haben.

Energiemessgerät

Die Ankerspule in einem Energiezähler besteht aus einer Aluminiumscheibe, die in den gepaarten Hufeisen-Dauermagnetpolen kreist. Die induzierten Wirbelströme erzeugen einen Bremseffekt, und die verbrauchte Leistung steht in direktem Zusammenhang mit der Divergenz.

Metalldetektor

Mit Hilfe der Induktion von Wirbelströmen helfen Metalldetektoren, Metalle in Böden, Felsen usw. aufzuspüren. Sie werden auch von Sicherheitskräften eingesetzt, um Landminen, Sprengstoffe und Waffen aufzuspüren.

Metallseparation

Wirbelströme und magnetische Dämpfung können auch in Recyclingzentren zur Trennung von Metallen und Nichtmetallen eingesetzt werden. Dies gilt für alle Metallarten, nicht nur für ferromagnetische Metalle wie Stahl und Eisen.

Oberflächeninspektion

Viele Techniken zum Auffinden von Diskontinuitäten oder Unregelmäßigkeiten auf Materialoberflächen machen sich das Phänomen der Wirbelströme zunutze. Die Wirbelstromprüfung gehört zu den zerstörungsfreien Prüfverfahren, bei denen das geprüfte Metall nicht beeinträchtigt wird.

Jeder Fehler im Metall, wie z. B. ein oberflächennaher Riss, unterbricht den Wirbelstrom, wodurch sich das elektromagnetische Feld verringert. Diese Veränderung des Magnetfelds lässt sich leicht feststellen.

Schlussfolgerung

Wie Sie sehen können, haben Wirbelströme je nach Anwendungsbereich sowohl Vorteile als auch Einschränkungen. Wenn Sie Fragen oder Anfragen zu diesem interessanten Phänomen haben, wir sind hier, um zu helfen.