什么是“涡流”，它为什么对电动机很重要？

电动机和变压器是常见的工业设备。变压器通常安装在设施的主要电源内外，并常常被放置在电气柜中以进一步降低电压。当然，电动机几乎出现在每一种电动机械中。

 

这两种设备有一个共同的主题：它们基于电磁感应的原理工作。电流通过导线圈时，会使铁芯产生磁化，变压器内的磁场则在次级线圈中产生电流。在电动机中，这一磁场促使设备中心(转子)旋转。

从理论上讲，这一过程是非常理想的，因为线圈的电导性与铁芯完全绝缘，因此我们不期望在铁芯中看到任何电流。但在做出这一假设时，我们往往忽视了“涡流”的概念。

 

什么是涡流?

 

这些固体铁芯，也叫“铁磁”芯，因为铁在元素周期表的符号为Fe，当交变电流使其磁化时，铁芯会储存能量。当交变波形崩溃并反向时，储存的能量会释放到两个地方。对于电动机而言，能量被转化为转子的运动;对于变压器而言，能量则转化为次级线圈电路中的电流。

 

然而，如果铁芯有机会将储存的能量释放到附近的导电金属上，它肯定会尝试这么做。

 

在附近的铁磁元素中流动的电流被称为涡流，并且它出现在铁芯内部。磁场的释放试图在铁芯内部构成一个小电路，从而导致涡流的产生。涡流也可能出现在变压器或电动机附近的金属块中，这就是为什么即使没有接线故障，接地也是至关重要的原因。

 

为什么涡流是有害的?

 

当涡流在铁芯内部形成小电路时，会产生几种负面影响。

 

效率降低

 

第一个问题是，它会消耗更多的能量。整个电气系统的效率降低，增加的电力消耗和组件尺寸的增大都会导致额外的输入功率需求，以支持负载和铁芯中的涡流。一部分磁场用于驱动负载，但另一部分则转向涡流，因此需要更大的输入电流供应。

 

过热

 

然而，更重要的是温度的升高，这是一种累积效应，可能对设备造成灾难性影响。如果涡流电路被感应产生，电流会通过铁的电阻流动。铁的电阻相对较低，但仍然是铜电阻的7倍以上。这意味着涡流电路中的总电流会相对较高，但电阻会导致能量以热量的形式散失。

 

由于设备并未设计用于冷却转子(或变压器的铁芯)，它将继续升温，导致通过线圈的电流不断增加，以保持负载运行，直到断路器或保险丝跳闸，或线圈绝缘层开始过热并熔化。

 

层压：防止涡流的解决方案

 

解决涡流的问题相对简单，但制造起来更为复杂。

 

铁芯的铁材料首先被切割成许多薄片。这些薄片重新组装时会涂上一层清漆或纸质材料，形成每片之间的绝缘屏障。绝缘材料阻止电路的完成。然而，铁芯中的铁总量仍与之前相同，因此它仍然能够储存磁能。

 

每片薄层中可能仍会感应出非常小的涡流，但每层的厚度决定了由于涡流而损失的能量多少。实际上，涡流损失与层厚度的平方成正比，这意味着如果层厚度减少一半，损失将减少到四分之一。究竟多薄才算太薄?制造成本成为限制因素，因此现代铁芯中的大多数层厚度介于0.25到0.5毫米之间。

 

 

层压方向与右手法则

 

在物理学中，许多自然力遵循“右手法则”，这实际上只是一个方便的方法，用于说明电流和磁性等两个相关力量如何在自然中相互影响。

 

为了了解这对电动机或变压器的铁芯有何影响，可以参考以下示意图。

 

首先，来自初级线圈的电流使铁芯磁化，铁芯是变压器周围的大型层压结构。储存在铁芯中的能量可以用我的弯曲手指来表示。因此，这种磁能将试图推动电流沿着右手拇指的方向流动(因此称为“右手法则”)。

 

如您所见，层压薄片与拇指方向是垂直的。这意味着绝缘层会阻止电流的流动，因为磁场(以及拇指的方向)迅速改变方向。

 

最小化能量损失

 

我们常常将效率视为可持续发展的目标，但实际上它远不止于此。对电动机核心和变压器等组件的精心设计可以减少由于热量造成的能量损失。这不仅对可持续发展有利，同时也降低了运营成本，延长了设备的使用寿命，并大大减少了停机时间，这对整个组织而言都是巨大的收益。