電動機和變壓器是常見的工業(yè)設(shè)備。變壓器通常安裝在設(shè)施的主要電源內(nèi)外，并常常被放置在電氣柜中以進一步降低電壓。當然，電動機幾乎出現(xiàn)在每一種電動機械中。

這兩種設(shè)備有一個共同的主題：它們基于電磁感應(yīng)的原理工作。電流通過導(dǎo)線圈時，會使鐵芯產(chǎn)生磁化，變壓器內(nèi)的磁場則在次級線圈中產(chǎn)生電流。在電動機中，這一磁場促使設(shè)備中心(轉(zhuǎn)子)旋轉(zhuǎn)。

從理論上講，這一過程是非常理想的，因為線圈的電導(dǎo)性與鐵芯完全絕緣，因此我們不期望在鐵芯中看到任何電流。但在做出這一假設(shè)時，我們往往忽視了“渦流”的概念。

什么是渦流?

這些固體鐵芯，也叫“鐵磁”芯，因為鐵在元素周期表的符號為Fe，當交變電流使其磁化時，鐵芯會儲存能量。當交變波形崩潰并反向時，儲存的能量會釋放到兩個地方。對于電動機而言，能量被轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的運動;對于變壓器而言，能量則轉(zhuǎn)化為次級線圈電路中的電流。

然而，如果鐵芯有機會將儲存的能量釋放到附近的導(dǎo)電金屬上，它肯定會嘗試這么做。

在附近的鐵磁元素中流動的電流被稱為渦流，并且它出現(xiàn)在鐵芯內(nèi)部。磁場的釋放試圖在鐵芯內(nèi)部構(gòu)成一個小電路，從而導(dǎo)致渦流的產(chǎn)生。渦流也可能出現(xiàn)在變壓器或電動機附近的金屬塊中，這就是為什么即使沒有接線故障，接地也是至關(guān)重要的原因。

為什么渦流是有害的?

當渦流在鐵芯內(nèi)部形成小電路時，會產(chǎn)生幾種負面影響。

效率降低

第一個問題是，它會消耗更多的能量。整個電氣系統(tǒng)的效率降低，增加的電力消耗和組件尺寸的增大都會導(dǎo)致額外的輸入功率需求，以支持負載和鐵芯中的渦流。一部分磁場用于驅(qū)動負載，但另一部分則轉(zhuǎn)向渦流，因此需要更大的輸入電流供應(yīng)。

過熱

然而，更重要的是溫度的升高，這是一種累積效應(yīng)，可能對設(shè)備造成災(zāi)難性影響。如果渦流電路被感應(yīng)產(chǎn)生，電流會通過鐵的電阻流動。鐵的電阻相對較低，但仍然是銅電阻的7倍以上。這意味著渦流電路中的總電流會相對較高，但電阻會導(dǎo)致能量以熱量的形式散失。

由于設(shè)備并未設(shè)計用于冷卻轉(zhuǎn)子(或變壓器的鐵芯)，它將繼續(xù)升溫，導(dǎo)致通過線圈的電流不斷增加，以保持負載運行，直到斷路器或保險絲跳閘，或線圈絕緣層開始過熱并熔化。

層壓：防止渦流的解決方案

解決渦流的問題相對簡單，但制造起來更為復(fù)雜。

鐵芯的鐵材料首先被切割成許多薄片。這些薄片重新組裝時會涂上一層清漆或紙質(zhì)材料，形成每片之間的絕緣屏障。絕緣材料阻止電路的完成。然而，鐵芯中的鐵總量仍與之前相同，因此它仍然能夠儲存磁能。

每片薄層中可能仍會感應(yīng)出非常小的渦流，但每層的厚度決定了由于渦流而損失的能量多少。實際上，渦流損失與層厚度的平方成正比，這意味著如果層厚度減少一半，損失將減少到四分之一。究竟多薄才算太薄?制造成本成為限制因素，因此現(xiàn)代鐵芯中的大多數(shù)層厚度介于0.25到0.5毫米之間。

層壓方向與右手法則

在物理學(xué)中，許多自然力遵循“右手法則”，這實際上只是一個方便的方法，用于說明電流和磁性等兩個相關(guān)力量如何在自然中相互影響。

為了了解這對電動機或變壓器的鐵芯有何影響，可以參考以下示意圖。

首先，來自初級線圈的電流使鐵芯磁化，鐵芯是變壓器周圍的大型層壓結(jié)構(gòu)。儲存在鐵芯中的能量可以用我的彎曲手指來表示。因此，這種磁能將試圖推動電流沿著右手拇指的方向流動(因此稱為“右手法則”)。

如您所見，層壓薄片與拇指方向是垂直的。這意味著絕緣層會阻止電流的流動，因為磁場(以及拇指的方向)迅速改變方向。

最小化能量損失

我們常常將效率視為可持續(xù)發(fā)展的目標，但實際上它遠不止于此。對電動機核心和變壓器等組件的精心設(shè)計可以減少由于熱量造成的能量損失。這不僅對可持續(xù)發(fā)展有利，同時也降低了運營成本，延長了設(shè)備的使用壽命，并大大減少了停機時間，這對整個組織而言都是巨大的收益。