涡流的利用与防治

涡流的利用与防治

---季奎明

物理学是一门非常有趣有用自然科学，它研究的内容十分广泛。

我今天讨论的物理主题是涡流，它在我们日常生活中经常碰到。既有好的方面，也有坏的方面。现在让我们认识它一下，从而利用它，消除不利的影响，让它服务人类！首先让我们了解一下它产生的原因。涡流产生的原因：

当线圈中的电流随时间的变化时，由于电磁感应，附近的另一个线圈中会产生感应电流。实际上这个线圈附近的任何导体中都会产生感应电流。如果用图表示这样的感应电流，看起来就像水中的旋涡，所以据麦克斯韦电磁理论可知，闭合导体周围会产生变化的磁场，变化磁场周围也会产生变化的电场,载流子在电场中形成涡流电流。

一、感应加热

涡流热效应：让大块导体处在变化的磁场中，或者相对于磁场运动时，在导体内部也会产生感应电流。这些感应电流在大块导体内的电流流线呈闭合的旋涡状，被称为涡电流或涡流（eddycurrent）。由于大块金属的电阻很小，因此涡流可达到非常大的强度。利用高频率变化的电磁场在大块导体中产生的涡流热，可以用来冶炼金属，俗称高频感应炉。（章家岩，1995.感应加热涡流及工程设计问题的讨论.《工业加热》，06期.）

在感应炉中，有产生高频电流的大功率电源和产生交变磁场的线圈，线圈的中间放置一个耐火材料（例如陶瓷）制成的坩埚，用来放有待熔化的金属。涡流感应加热的应用很广泛，除了高频感应炉冶炼金属，还用高频塑料热压机过塑，以及把涡流热疗系统用于治疗。

感应加热的优点：1、非接触式加热，热源和受热物件可以不直接接触；

2、加热效率高，速度快，可以减少表面氧化现象；

3、容易控制温度，提高加工精度；

4、可实现局部加热；

5、可实现自动化控制；

6、可减少占地、热辐射、噪声和灰尘。

二、电磁炉

电磁炉采用了磁场感应涡流加热原理，它利用交变电流通过线圈产生交变磁场，当磁场内的磁感线传到含铁质锅的底部时，即会产生无数强大的小涡流，使锅本身自行迅速发热，然后再加热锅内的食物。电磁炉作为厨具市场的一种新型灶具。它打破了传统的明火烹调方式采用磁场感应电流（又称为涡流）的加热原理，电磁炉是通过电子线路板组成部分产生交变磁场、当用含铁质锅具底部放置炉面时，锅具即切割交变磁力线而在锅具底部金属部分产生交变的电流（即涡流），涡流使锅具铁分子高速无规则运动，分子互相碰撞、摩擦二产生热能（故：电磁炉煮食的热源来自于锅具底部而不是电磁炉本身发热传导给锅具，所以热效率要比所有炊具的效率均高出近1倍）使器具本身自行高速发热，用来加热和烹饪食物，从而达到煮食的目的。具有升温快、热效率高、无明火、无烟尘、无有害气体、对周围环境不产生热辐射、体积小巧、安全性好和外观美观等优点，能完成家庭的绝大多数烹饪任务。因此，在电磁炉较普及的一些国家里，人们誉之为“烹饪之神”和“绿色炉具”。

三、涡流探测

涡流金属探测器有一个流过一定频率交变电流的探测线圈，该线圈产生的交变磁场在金属物中激起涡流，隐蔽金属物的等效电阻、电感也会反射到探测线圈中，改变通过探测线圈电流的大小和相位，从而探知金属物。涡流金属探测器可用于探测行李包中的枪支、埋于地表的地雷、金属覆盖膜厚度等等。(林

俊明，1996. 多频涡流检测原理及应用.《无损检测》，01期.)

四、涡流探伤

涡流探伤系统工作原理：由振荡器即交变电压发生器供给检测线圈激励电流，经信号耦合装置在试件及其周围形成一激励磁场，该磁场在试件中感应出涡流，涡流又产生自己涡流磁场，其作用是抵消激励磁场，消弱和抵削的程度视试件材质对涡流影响的各种因素而定。涡流磁场中包含了试件性质的信息，反过来使检测线圈的阻抗发生变化，而检测线圈可检测出试件中涡。流磁场的变化，即检测出有试件性质的信息。将这些信息经放大，相继检波器提取调制信号，滤波器对调制信号滤波，幅度鉴别器对信号幅度判别等处理，就可以获得一定信嗓比有用信号，最后由显示记录器、报警器指示检测结果。

涡流探伤技术特点：

（1）涡流探伤只适用于能导电的材料。影响涡流探伤的而定了因素很多，决定了涡流探伤技术用于的广泛性和多种用途。

（2）涡流探伤特别适用于导电试件的表面和亚表面的检测及薄的、细的导电试件的检测。提高对试件深部伤检测灵敏度及对不同伤形区分的检测能力已是涡流探伤应用中的一项重要课题。

（3）为了区分各种因素对涡流探伤的影响，消除干扰、提高新噪比、分离提取有用信号，必须特别注意信号盘理。这种信号处理工作至今在国内外还在发展之中，如采用多频、多参数信号处理技术，增加数据存储容量和数据结果自动处理的功能，用计算机研究表面线圈阻抗的数字模型，研究各种新型检测线圈，采用综合的新的检测方法等。

（4）涡流探伤不需耦合剂即可实现非接触检测，特别适用于高速状态下及高温金属的自动检测、高温高压状态下的检测。

应用：涡流探伤仪:涡流探伤仪常用于军工\航空\铁路\工矿企业野外或现场使用，是具有多功能、实用性强、高性能/价格比的特点的仪器，集多年制造涡流检测仪之经验，满足各类用户的需要。可广泛应用于各类有色金属、黑色金属管、棒、线、丝、型材的在线、离线探伤。对金属管、棒、线、丝、型材的缺陷，如表面裂纹、暗缝、夹渣和开口裂纹等缺陷均具较高的检测灵敏度。

应用领域：

1、轴承外圈、轴承内圈、齿轮坯、环型金属零件、汽车零部件；

2、铜管、钢管、不锈钢管、焊接管、铝塑管、钢丝、双层管、铜包钢、铝丝金属棒材等生产线在线及离

线上的无损探伤；

3、石油套管、抽油杆、空心轴等无损探伤；

4、冷凝器管、空调器管、汽车油管等检测；

5、适用于各种金属管棒线材的无损探伤。

五、电涡流传感器

电涡流传感器的工作原理是通过对处于检测线圈形成的电磁场中的工件及周围空间区域列出麦克斯韦方程及定解条件，然后进行求解，以确定检测线圈的阻抗特性的变化与被检测工件受影响因素之间的关系。

电涡流传感器采用的是感应电涡流原理，当带有高频电流的线圈靠近被测金属时，线圈上的高频电流所产生的高频电磁场便在金属表面上产生感应电流，电磁学上称之为电涡流。电涡流效应与被测金属间的距离及电导率、磁导率、几何尺寸、电流频率等参数有关。

通过电路可将被测金属相对于传感器探头之间距离的变化转化为电压或电流变化。电涡流传感器就是根据对金属物体的位移、振动等参数的测量。

六、电涡流缓速器

该装置安装在汽车驱动桥与变速箱之间，通过电磁感应原理实现无接触制动。

主要应用于大型客车、城市公交车辆及重型卡车。安装电涡流缓速器可以提高车辆的安全性、经济性、环保性、稳定性和舒适性，具体地，其在于安全性、经济性、和环保性方面的优越性表现如下：

1、安全性

（1）能够承负汽车运行中绝大部分制动负荷，使车轮制动气温大为降低以确保车轮制动器处于良

好工作状态，进而缓解或避免车辆跑偏、传统刹车失灵和爆胎等安全隐患。

（2）能够在一个相当宽的转速范围内提供强劲的制动力矩，而且低速性能良好。车速在10公里/小时的时候，缓速器就能提供缓速制动；车速达到20公里/小时，缓速器就能达到最大的制

动力矩。

2、经济性

（1）由于电涡流缓速器的定子和转子之间没有接触，不存在磨损，因而故障率极低，平时除了做好例行检查，保持清洁以外，其他工作很少，所以维修费用极低。

（2）由于电涡流缓速器能够承担车辆大部分制动力矩，因而能够延长轮制动器的使用寿命，降低用于车辆制动系统的维修费用，提高经济效益。据统计，安装电涡流缓速器的车辆，其车轮

制动器寿命至少可以延长4—7倍，轮胎寿命延长20%。

3、环保性

制动片在摩擦过程中会产生很多粉尘，粉尘中含有因高温作用而发生变异的有害物质，甚至含有致癌物质；此外，制动器频繁维修产生的较多维修废弃物以及汽车制动时发出的尖锐噪音，也都会对环境产生较大污染。电涡流缓速器能够承担车轮制动器大部分的负荷，因而也就能大大减少车轮制动器对换进带来的影响。

最后讲一下涡流的危害：涡流在铁心内流动回事铁心发热，严重时将会把变压器

烧毁。变压器的铁心，当交变电流穿过导线，时穿过铁心的磁通量不断随时间变

化，它在副边产生感应电动势，同时也在铁心中产生感应电动势，从而产生涡流。

这些涡流使铁心大量发热，浪费大量的电能，效率很低。

防范措施：为减少涡流损耗，交流电机、电器中广泛采用表面涂有薄层绝缘漆或

绝缘的氧化物的薄硅钢片叠压制成的铁心，这样涡流被限制在狭窄的薄片之内，

磁通穿过薄片的狭窄截面时，这些回路中的净电动势较小，回路的长度较大，回

路的电阻很大，涡流大为减弱。再由于这种薄片材料的电阻率大（硅钢的涡流损

失只有只有普通钢的1/5至1/4），从而使涡流损失大大降低。

我的想法：

分析了电涡流产生的原理，结合电涡流造成危害的实例，提出：①单芯电缆不得穿金属管

敷设．也不得单独敷设于封闭式金属桥架内或紧贴大的金属体敷设，以避免产生电涡流烧

毁电缆，引起火灾。②三相负荷应尽量平衡，以降低因负荷不平衡产生的电涡流引起的金

属外护套的温升。

物理世界是神秘的，也是诱人的。它引领着我们探索奥妙的未知领域！