Wirbelströme

Wir nennen Wirbelströme die elektrischen Ströme, die in einer leitenden Masse erzeugt werden, entweder durch die zeitliche Änderung eines externen Magnetfelds, das durch dieses Medium fließt (der Fluss des Feldes durch das Medium), oder durch eine Verschiebung dieser Masse in einem Magnetfeld . Sie sind eine Folge der elektromagnetischen Induktion .

Wirbelströme sind verantwortlich für einige der Verluste (bekannt Verluste Wirbelströme ) in den Schaltungen magnetischen von alternativen elektrischen Maschinen und Transformatoren . Dies ist der Grund, warum die Magnetkreise aus laminierten Blechen bestehen, um diese Ströme und die daraus resultierenden Joule- Verluste zu begrenzen , was den Gesamtwirkungsgrad der Transformatoren verbessert.

Historisch

Dieses Phänomen wurde von dem Französisch Physiker entdeckt Léon Foucault in 1851 , von dem es seinen Namen verdankt.

Prinzip

Das variable Magnetfeld über die Zeit ist für das Auftreten einer elektromotorischen Kraft innerhalb des leitenden Mediums verantwortlich. Diese elektromotorische Kraft induziert Ströme in der Masse. Diese Ströme haben zwei Auswirkungen:

sie erzeugen ein Magnetfeld, das der Ursache der Variation des äußeren Feldes entgegenwirkt ( Gesetz von Lenz );
Sie verursachen eine Erwärmung durch den Joule-Effekt der leitenden Masse. Je größer die Geschwindigkeit zwischen dem Induktor und dem leitenden Teil ist.

Wenn die Änderung des Flusses auf eine Verschiebung des Mediums vor einem konstanten Magnetfeld zurückzuführen ist, sind die Wirbelströme für das Auftreten von Laplace-Kräften verantwortlich, die der Verschiebung entgegenwirken, daher der Bremseffekt, der bei den Systemen beobachtet wird, die diese Art von Vorrichtung verwenden .

Der Leistungsverlust pro Masseneinheit (W / kg) aufgrund von Wirbelströmen in einem Material mit spezifischem Widerstand , Dicke und senkrechtem Magnetfeld der Amplitude (magnetische Induktion), das sich über die Zeit sinusförmig mit einer Frequenz ändert, ergibt sich aus der folgenden Beziehung: $\ rho$ $e$ ${\ displaystyle {B _ {\ max}}}$ $f$

{\ displaystyle P = {\ frac {\ pi ^ {2}} {6}} \ times {\ frac {e ^ {2} {B _ {\ max}} ^ {2} f ^ {2}} { k \ rho r}},}

Dabei ist k eine Konstante gleich 1 für ein dünnes Blech und 2 für einen feinen Draht, und r ist die Dichte des Materials (kg / m 3 ).

Für einen Magnetkreis, der aus einem Stapel von Blättern besteht, sollte ein Füllkoeffizient von weniger als 1 hinzugefügt werden: Ein Teil des Volumens des Magnetkreises entspricht dem Harz, das die Platten voneinander isoliert und das nicht berücksichtigt werden darf zur Berechnung von Verlusten.

Anwendungen

Bremsen

Das erste Patent für einen elektromagnetischen Verzögerer wurde 1903 von Steckel angemeldet . Raoul Sarazin führte 1936 die erste praktische Anwendung eines Retarders am Fahrzeug nach dem Prinzip der Wirbelströme durch.

Wirbelstrombremssysteme werden insbesondere bei Lastkraftwagen und Reisebussen unter dem Namen „Retarder“ oder unter dem Handelsnamen Telma eingesetzt .

Sie bestehen aus festen Elektromagneten ( Stator ), die Wirbelströme in leitenden Scheiben ( Rotor ) induzieren, die von den Rädern angetrieben werden. Wenn die Elektromagnete erregt werden, erzeugen die in den Scheiben induzierten Wirbelströme Laplace-Kräfte , die der Bewegung entgegenwirken, wodurch ein Bremsmoment erzeugt wird.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Bremsen, die durch Reibung Energie abführen, arbeitet das elektromagnetische Bremsen berührungslos und daher ohne Belagverschleiß. Diese Bremsen erfordern nur geringe Einstellungen. Obwohl die Bremsenergie in Form von Wärme (durch den Joule-Effekt ) abgeführt bleibt , sind sie weniger hitzeempfindlich. Sie sind daher bei schweren Fahrzeugen obligatorisch, um eine Ausdauerbremsung zu erzeugen, insbesondere in den Bergen oder in Situationen mit häufigem Anhalten. Die Bremsung wird durch die Geschwindigkeit der Scheiben erzeugt und ermöglicht unter keinen Umständen die Immobilisierung eines Fahrzeugs, bis es vollständig zum Stillstand kommt. Deshalb arbeiten sie nur als Ergänzung zu herkömmlichen Bremsen.

Bei Eisenbahnen verwendet der Hochgeschwindigkeitszug ICE 3 der Deutschen Bahn ein Wirbelstrombremssystem als Betriebsbremssystem auf einigen neuen Strecken und als Notbremssystem an anderer Stelle.

Sie können dafür verantwortlich gemacht werden, dass die Energie durch den Joule-Effekt in Form von Wärme und damit in reinem Verlust abgeführt wird, im Gegensatz zum regenerativen Bremsen von Hybridfahrzeugen, die sie als speicherbaren Strom verwenden.

Heizung

Die Induktionserwärmung wird durch die Wirbelströme erzeugt, die in dem zu erwärmenden Teil induziert werden. Diese Art der Heizung ist daher elektrisch leitenden Materialien vorbehalten . Es wird beispielsweise in Induktionskochfeldern oder in der Metallurgie verwendet, wo Induktionsöfen Metallbarren auf ihre Schmelztemperatur erwärmen können .

Löten

Im Fall der Induktionslöten , wird die Elemente verlötet werden in einem starken elektromagnetischen Feld angeordnet , um die Teile sowie das Füllmetall zu erhitzen.

Wirbelstromabscheider

Wirbelströme werden zum Sortieren und Trennen heterogener Schüttgüter verwendet.

Der erste Abscheider wurde 1984 vom Thermodynamiker Hubert Juillet, Erfinder des Verfahrens, im Auftrag der Glasfabrik BSN (heute Owens-Illinois ) in Wingles ( Pas-de-Calais ) für das Recycling von Glas hergestellt, um Nichteisenmetalle (einschließlich Kapseln) von Glas trennen.

Derzeit ist weltweit eine große Anzahl von Abscheidern im Einsatz, hauptsächlich in den Bereichen Recycling und Aufbereitung von Mineralien .

Andere Anwendungen

Wirbelströme werden verwendet für:

Zählen Sie den Stromverbrauch in den alten EFRE- Zählern (Zahnrad).
machen berührungslose Abstandssensoren. Sie bestehen im Allgemeinen aus einer Spule, die mit hoher Frequenz (von 200 kHz bis 2 MHz ) angeregt wird ; Die Nähe eines leitenden Teils verändert seine Impedanz. Die Messung dieser Impedanz ermöglicht es, den Abstand vom gemessenen Teil zu bestimmen.
die zerstörungsfreie Prüfung , beispielsweise zur Erkennung von Rissen in Metallteilen wie Eisenbahnschienen oder Metallteilen von Flugzeugen, die wiederholten Beanspruchungen ausgesetzt sind. Im Falle eines internen Fehlers sind die Wirbelströme unterschiedlich, was zu einer Änderung des induzierten Magnetfelds führt. Ein Beispiel ist die Qualitätskontrolle bei der Herstellung von Klingen für Sportzaunwaffen ;
Anzeige , die Geschwindigkeit eines Fahrzeuges durch Tachometer : ein Magnet an den Ausgang der verbundenen Getriebe und durch ein Rohr aus einem leitenden Metall geht von dem Getriebe an die Zähler , an dem eine Nadel befestigt ist , umgeben ist . Das um seine Achse schwenkbare Rohr wird von einer Spiralfeder gehalten, die dafür verantwortlich ist, die Nadel auf Null zu bringen. Je schneller sich das Rad dreht, desto größer ist die auf die Drehung des Rohrs ausgeübte Kraft und desto weiter bewegt sich die Nadel des Zählers aus ihrer Ausgangsposition.
der Betrieb bestimmten Fahrraddynamo : ein Magnet in Drehung durch die Wirkung der Wirbelströme in der Felge des Rades eingestellt. Dieser Magnet ermöglicht es dann, Energie zu erzeugen, um ein Licht anzutreiben. Im Gegensatz zu herkömmlichen Dynamos wird der Magnet berührungslos angetrieben.

Anmerkungen und Referenzen

Geschichte des Unternehmens Telma auf telma.com, abgerufen am 22. Januar 2017
Wichtige Daten für die elektromagnetische Bremse auf telma.com, abgerufen am 11. Mai 2017
Wirbelströme auf der Website regulator-cetrisa.com
(in) System zur Trennung von Nichteisenmetallen auf der Website www.pacenet.com, abgerufen am 15. Januar 2013
" Ausrüstungsvorschriften der International Fencing Federation " [PDF] , zur International Fencing Federation ,Dezember 2017(abgerufen am 4. Januar 2018 ) , p. 27.
(in) " City Supreme " auf reelight.com (abgerufen am 16. Januar 2019 ) : " Diese revolutionären Fahrradlichter werden von Wirbelströmen angetrieben, die erzeugt werden, wenn sich die Aluminiumfelge neben dem Licht dreht. " .