Beeinflusst die Ausrichtung der Heizdrahtspule (Links-Wicklung vs. Rechts-Wicklung) die durch das Magnetfeld-induzierte Vibration in Wechselstromheizgeräten?
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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) oder Heizungen in empfindlichen Instrumenten (NMR, MRT) erfordern gegenläufig gewickelte Doppelspulen, um magnetische Interferenzen und Vibrationen zu minimieren.
Erzeugung eines Magnetfeldes in einer Spule
Wenn ein Strom I durch eine Drahtspule geleitet wird, erzeugt die Spule ein Magnetfeld B=$mu_0 mal n mal I$ entlang der Spulenachse, wobei n die Anzahl der Windungen pro Meter der Spule ist. Wenn Sie die Windungsrichtung umkehren (Rechts--Regel), dann kehren Sie die Richtung von B (Norden-Süden) um. Bei 60 Hz variiert der Strom sinusförmig. Somit variiert B bei 60 Hz. Das Feld übt eine Kraft auf den Draht selbst aus (Lorentzkraft), da der Strom in jeder Windung mit dem Feld seiner benachbarten Windungen interagiert. Die Kraftdichte ist F=J × B, wobei J die Stromdichte ist. Diese Kraft führt dazu, dass sich die Spule bei der Netzfrequenz (120 Hz) radial ausdehnt und zusammendrückt. Die Schwingungsamplitude ist proportional zu I2 und umgekehrt proportional zur Drahtsteifigkeit. Weil |B| gleich ist, ist die Größe für Links- und Rechtsaufzug gleich.
Wenn Sie jedoch die beiden parallelen Heizkreise (zwei Spulen auf demselben Kern) in einer Heizung in entgegengesetzte Richtungen (einen links, einen rechts) wickeln, heben sich die Magnetfelder in einiger Entfernung auf. Das Netto-Außenfeld B liegt nahe bei Null und die Wechselwirkungskräfte zwischen den Spulen werden verringert. Die Spulen ziehen sich nicht gegenseitig an bzw. stoßen sich nicht gegenseitig ab, wodurch die Schwingungsamplitude stark reduziert wird.
Einzelspulen- und Doppelspulenschwingungsmessungen
Art der Heizspulenkonfiguration Magnetfeld bei 50 mm (µT) Wicklungsausrichtung Amplitude der Vibration (µm, bei 120 Hz) Vibrationsfehlermodus
Einzelspule (3 kW) Eine Spule links-Hand 50-100 2-5 Vernachlässigbar
Einzelspule (3 kW) Eine Spule Linksseitig 50–100 2–5 Vernachlässigbar
Einzelspule (6 kW)1 Spule Linkshänder 150-250 10-20Abrieb, geringfügig, nach Jahren (
Doppelspule (Reihenschaltung, 6 kW)Zwei Spulen in der gleichen RichtungBeide 250-400 25-40 (Spulen ziehen sich an) Fretting, Isolationsverschleiß
Zwei Spulen (6 kW, seriell)Zwei Spulen, entgegengesetzt Links + Rechts 10-30 (aufgehoben) 5-10 (keine Nettokraft)Am wenigsten
Doppelspule (6 kW, parallel) Zwei Spulen, entgegengesetzt Links + Rechts 5–15 (nahe Null) 2–5 Hervorragend, geringe Vibration
Einzelspule (10 kW) Eine Spule Beliebig 300-500 30-60 Erheblicher Reibverschleiß, früher Ausfall
Warum die Ausrichtung wichtig ist, nur für Doppelspulen
Das Magnetfeld einer einzelnen Spule ist achsensymmetrisch. Unabhängig vom Wickelsinn steht der Draht unter radialen Druckkräften.
Die Spulen ziehen sich gegenseitig aggressiv an (entgegengesetzte Ströme? Eigentlich, wenn sie in Reihe geschaltet sind und der Strom in beiden Feldern auf die gleiche Weise fließt, addieren sie sich und die Spulen ziehen sich an, als würden sich Magnetspulen zusammenziehen). Diese Anziehung erzeugt eine enorme mechanische Belastung in den Spulenträgern. Die Schwingungsamplitude reduziert sich um 70-90 %.
Praktische Überlegungen zur Heizungsauswahl
Der Draht ist in MgO-Pulver eingebettet, das die Vibration dämpft. Diese Anordnung verringert auch die von der Heizung abgestrahlten elektromagnetischen Störungen (EMI).
