Heeft de richting van de verwarmingsdraadspiraal (linker- versus rechter- wikkeling) invloed op de magnetische veld-geïnduceerde trillingen in AC-verwarmers?
Laat een bericht achter
In PFA heaters that are driven by AC electricity (50–60 Hz), the alternating current in the coiled heating wire creates a fluctuating magnetic field. This field interacts with any surrounding ferromagnetic material or with the field from adjacent coils and generates Lorentz forces that cause the wire to vibrate. The metal core can rub due to the vibration, leading to early failure. The winding of the coil (left or right hand) does not affect the amount of the vibration and both will produce the same frequency and amplitude. But in a dual-wire heater, two coils of opposite handedness (one left, one right) can cancel magnetic fields and reduce vibration by 50-80%. For single coil heaters winding orientation has no detectable effect. For high power AC heaters (>5 kW, >480 VAC) of verwarmingselementen in gevoelige instrumenten (NMR, MRI) specificeren tegengewonden dubbele spoelen om magnetische interferentie en trillingen te minimaliseren.
Creatie van een magnetisch veld in een spoel
Als er een stroom I door een draadspiraal wordt geleid, zal de spoel een magnetisch veld B=$mu_0 maal n maal I$ produceren langs de as van de spoel, waarbij n het aantal windingen per meter van de spoel is. Als je de kronkelrichting omkeert (rechter-regel), dan keer je de richting van B (noord-zuid) om. Bij 60 Hz varieert de stroom sinusvormig. B varieert dus bij 60 Hz. Het veld oefent een kracht uit op de draad zelf (Lorentzkracht), omdat de stroom in elke winding interageert met het veld van de aangrenzende windingen. De krachtdichtheid is F=J × B, waarbij J de stroomdichtheid is. Deze kracht zorgt ervoor dat de spoel radiaal uitzet en comprimeert bij 2 de lijnfrequentie (120 Hz). De trillingsamplitude is evenredig met I2 en omgekeerd gerelateerd aan de draadstijfheid. Omdat |B| hetzelfde is, is de grootte hetzelfde voor links- en rechtsdraaiend.
Maar als je de twee parallelle verwarmingscircuits (twee spoelen op dezelfde kern) in tegengestelde richtingen (één links, één rechts) in een verwarming wikkelt, heffen de magnetische velden zich op afstand op. Het netto externe B-veld is bijna nul en de interactiekrachten tussen de spoelen zijn verlaagd. De spoelen trekken elkaar niet aan of stoten elkaar niet af, waardoor de trillingsamplitude veel kleiner is.
Trillingsmetingen met enkele spoel versus dubbele spoel
Type verwarmingsspiraalconfiguratie Magnetisch veld op 50 mm (μT) Oriëntatie van de wikkeling Trillingsamplitude (μm, bij 120 Hz) Trillingsmodus van falen
Enkele spoel (3 kW) Eén spoel links-hand 50-100 2-5 Verwaarloosbaar
Enkele spoel (3 kW) Eén spoel Links 50–100 2–5 Te verwaarlozen
enkele spoel (6 kW)1 spoel Links 150-250 10-20Slijtage, klein, na jaren (
Dubbele spoel (serie, 6 kW)Twee spoelen in dezelfde richtingBeide 250-400 25-40 (spoelen trekken elkaar aan) Fretting, isolatieslijtage
Twee spoelen (6 kW, serieel)Twee spoelen, tegenover elkaar Links + Rechts 10-30 (geannuleerd) 5-10 (geen nettokracht)Minste
Dubbele spoel (6 kW, parallel) Twee spoelen, tegenover elkaar Links + Rechts 5–15 (bijna nul) 2–5 Uitstekend, weinig trillingen
Enkele spoel (10 kW) Eén spoel Alle 300-500 30-60 Aanzienlijk piekeren, vroegtijdig falen
Waarom oriëntatie belangrijk is, alleen voor dubbele spoelen
Het magnetische veld van een enkele spoel is asymmetrisch. De draad staat onder radiale drukkrachten, ongeacht de wikkelrichting.
De spoelen trekken elkaar agressief aan (tegengestelde stromen? Eigenlijk als ze in serie zijn geschakeld en de stroom in beide velden op dezelfde manier vloeit, worden ze opgeteld en trekken de spoelen elkaar aan als elektromagneten die naar elkaar toe trekken). Deze aantrekking veroorzaakt een enorme mechanische spanning in de spoelsteunen. De trillingsamplitude neemt af met 70-90%.
Praktische overwegingen bij de keuze van de verwarmer
De draad is ingebed in MgO-poeder dat de trillingen dempt. Deze opstelling vermindert ook de uitgestraalde elektromagnetische interferentie (EMI) van de verwarmer.
