Virvelstrømmer

Virvelstrømmer kaller vi de elektriske strømningene som dannes i en ledende masse, enten ved variasjon over tid av et eksternt magnetfelt som passerer gjennom dette mediet ( feltets strømning gjennom mediet), eller ved en forskyvning av denne massen i et magnetfelt. . De er en konsekvens av elektromagnetisk induksjon .

Virvelstrømmer er ansvarlige for noen av tapene (kjente tap virvelstrømmer ) i kretsene magnetiske til alternative elektriske maskiner og transformatorer . Dette er grunnen til at magnetkretsene er laget av laminerte ark for å begrense disse strømningene og de resulterende Joule- tapene , noe som forbedrer transformatorens samlede effektivitet.

Historisk

Dette fenomenet ble oppdaget av den franske fysikeren Léon Foucault i 1851 , som den tar navnet fra.

Prinsipp

Det variable magnetfeltet over tid er ansvarlig for utseendet til en elektromotorisk kraft inne i det ledende mediet. Denne elektromotoriske kraften induserer strømmer i massen. Disse strømningene har to effekter:

de lager et magnetfelt som motarbeider årsaken til variasjonen av det ytre feltet ( lov fra Lenz );
de forårsaker oppvarming av Joule-effekten av den ledende massen, jo større jo større er hastigheten mellom induktoren og den ledende delen.

Når variasjonen i strømning skyldes en forskyvning av mediet foran et konstant magnetfelt, er virvelstrømmene ansvarlige for utseendet til Laplace-krefter som motvirker forskyvningen, derav bremsevirkningen som observeres på systemene som bruker denne typen innretning .

Effekten tapt per masseenhet (W / kg) på grunn av virvelstrømmer i et materiale med resistivitet , tykkelse og utsatt vinkelrett på et magnetisk amplitudefelt (magnetisk induksjon) som varierer sinusformet over tid med en frekvens, er gitt av følgende forhold: $\ rho$ $e$ ${\ displaystyle {B _ {\ max}}}$ $f$

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

hvor k er en konstant lik 1 for et tynt ark og 2 for en fin tråd, og r er tettheten til materialet (kg / m 3 ).

For en magnetisk krets bestående av en arkstabel, bør en fyllingskoeffisient på mindre enn 1 legges til: en del av volumet til den magnetiske kretsen tilsvarer harpiksen som isolerer platene fra hverandre og som ikke må tas i betraktning for beregning av tap.

applikasjoner

Bremsing

Det første patentet på en elektromagnetisk retarder ble arkivert av Steckel i 1903 . Raoul Sarazin utførte i 1936 den første praktiske applikasjonen på kjøretøyet til en retarder ved hjelp av prinsippet om virvelstrømmer.

Virvelstrømsbremsesystemer brukes spesielt på tunge lastebiler og busser under navnet "retarder", eller under handelsnavnet Telma .

De består av faste elektromagneter ( stator ) som induserer virvelstrømmer i ledende skiver ( rotor ) drevet av hjulene. Når elektromagnetene får strøm, genererer virvelstrømmene som induseres i platene Laplace-krefter som motsetter bevegelsen, og genererer derfor et bremsemoment.

I motsetning til konvensjonelle bremser som slipper energi ved friksjon, fungerer elektromagnetisk bremsing uten kontakt, og derfor uten slitasje på fôret. Disse bremsene krever liten justering. Selv om bremseenergien forblir spredt i form av varme (av Joule-effekten ), er de mindre følsomme for oppvarming. De er derfor obligatoriske for tunge kjøretøyer for å produsere utholdenhetsbremsing, spesielt på fjellet eller i hyppige stoppsituasjoner. Når bremsene genereres av skivenes hastighet, tillater de ikke under noen omstendigheter et kjøretøy å bli immobilisert før det stopper helt. Dette er grunnen til at de bare fungerer som et supplement til konvensjonelle bremser.

I jernbane bruker høyhastighetstog ICE 3 på Deutsche Bahn et virvelstrømsbremsesystem som driftsbremsesystem på noen nye linjer og som et system med nødbremsing andre steder.

De kan klandres for at energien blir spredt av Joule-effekten i form av varme og derfor i rent tap, i motsetning til regenerativ bremsing av hybridbiler som bruker den som lagringsbar strøm.

Varmeapparat

Induksjonsoppvarming produseres av virvelstrømmene indusert i den delen som skal varmes opp. Denne typen oppvarming er derfor reservert for elektrisk ledende materialer . Den brukes for eksempel i induksjonstopper , eller i metallurgi, der induksjonsovner kan varme metallstenger til smeltetemperaturen .

Lodding

Ved induksjonslodning plasseres elementene som skal loddes i et kraftig elektromagnetisk felt for å varme opp delene så vel som påfyllingsmetallet.

Virvelstrømseparator

Virvelstrømmer brukes til sortering og separering av heterogene bulkmaterialer.

Den første separatoren ble laget i 1984 av termodynamikeren Hubert Juillet, oppfinneren av prosessen, på vegne av glassfabrikken BSN (nå Owens-Illinois ) i Wingles ( Pas-de-Calais ) for resirkulering av glass, for å skille ikke-jernholdige metaller (inkludert kapsler) fra glass.

For tiden er et stort antall separatorer i tjeneste over hele verden, hovedsakelig innen resirkulering og mineralforedling .

Andre applikasjoner

Virvelstrømmer brukes til:

telle strømforbruket i de gamle ERDF- målere (tannhjul);
lage kontaktløse avstandssensorer. De består vanligvis av en spole som er begeistret ved høy frekvens (fra 200 kHz til 2 MHz ); nærheten til en ledende del endrer impedansen; måling av denne impedansen gjør det mulig å bestemme avstanden fra den målte delen;
den ikke-destruktive testen , for eksempel for påvisning av sprekker i metalldeler som jernbaneskinner eller metalldeler av fly som er utsatt for gjentatte belastninger. I tilfelle en intern feil er virvelstrømmene forskjellige, noe som resulterer i en modifisering av det induserte magnetfeltet. Et eksempel er kvalitetskontroll av produksjon av kniver til sportsgjerdevåpen ;
vise hastigheten til et kjøretøy med turteller : en magnet er koblet til utgangen fra girkassen og omgitt av et rør laget av et ledende metall som går fra girkassen til måleren som en nål er festet på. Røret, som svinger rundt sin akse, beholdes av en spiralfjær som er ansvarlig for å bringe nålen til null. Jo raskere hjulet svinger, jo større krefter som utøves på rotasjonen av røret, og jo lenger beveger nålen på telleren seg fra sin opprinnelige posisjon;
betjeningen av visse sykkeldynamoer : en magnet settes i rotasjon av virkningen av virvelstrømmer i felgen på hjulet. Denne magneten gjør det da mulig å generere energi for å drive et lys. I motsetning til tradisjonelle dynamoer drives magneten uten kontakt.

Merknader og referanser

Historie om selskapet Telma , på telma.com, konsultert 22. januar 2017
Nøkkeldatoer elektromagnetisk brems , på telma.com, åpnet 11. mai 2017
Eddy strømmer , på regulator-cetrisa.com nettstedet
(in) System for separering av ikke-jernholdige metaller , på verdensomspennende.espacenet.com-nettsted, åpnet 15. januar 2013
" Utstyrsregler for International Fencing Federation " [PDF] , på International Fencing Federation ,desember 2017(åpnet 4. januar 2018 ) , s. 27.
(in) " City Supreme " på reelight.com (åpnet 16. januar 2019 ) : " Disse revolusjonerende sykkellysene er drevet av Eddy Strømmer generert når aluminiumsfelgen roterer ved siden av lyset. " .