Wirbelstrom

Befindet sich ein ausgedehnter elektrischer Leiter in einem sich zeitlich ändernden Magnetfeld oder bewegt sich ein solcher Leiter in einem Magnetfeld, wenn sich also der magnetische Fluss durch diesen Leiter ändert, dann wird in diesem Leiter eine Spannung induziert. Solch eine Spannung erzeugt einen Wirbelstrom. Man nennt sie Wirbelströme, weil die Induktionsstromlinien wie Wirbel in sich geschlossen sind. Wirbelströme erzeugen gemäß der Lenzschen Regel ein ihrer Ursache, also dem ursprünglichen Magnetfeld, entgegengesetztes Magnetfeld.

Ist der Querschnitt des Leiters sehr groß, also der elektrische Widerstand gering, werden unter Umständen so große Wirbelströme induziert, dass sie den Leiter erwärmen und somit zusätzliche Verluste verursachen. Diese Verluste sind dem Quadrat der Frequenz proportional. Die auftretenden Wirbelströme verursachen auch im Leiter selbst ein magnetisches Feld. Dadurch verteilt sich der Strom über den Querschnitt des Leiters ungleichmäßig. Der Strom wird sozusagen aus der Mitte des Leiters verdrängt. Dieses Phänomen nennt man Skineffekt oder Hauteffekt und ist bei hohen Frequenzen und großen Querschnitten besonders ausgeprägt.

Anwendungen des Wirbelstromprinzips

Eine der wichtigsten Anwendungen des Wirbelstromprinzips erfolgt in Drehstrom-Asynchronmotoren, deren Rotor ein Metallkäfig ist. In diesem Metallkäfig entstehen Wirbelströme, die durch das magnetische Drehfeld der Stator-Spulen induziert werden. Die Verkopplung des Stator-Drehfeldes mit dem Käfigläufer-Feld führt zur Drehbewegung des Rotors. Die am meisten verbreitete Anwendung des Wirbelstromprinzips ist die Schirmwirkung metallischer Gehäuse gegen elektrische und magnetische Wechselfelder. Beim Auftreffen dieser Felder werden im Gehäuse Wirbelströme induziert, deren eigenes Feld die auftreffenden teilweise kompensiert. Weitere Anwendungen sind die Wirbelstrombremse bei Bahnfahrzeugen, die Wirbelstromdämpfung in Rastertunnelmikroskopen oder die induktive Erhitzung von Metall (z.B. in Schmelzöfen, Induktionskochfelder) und die Wirbelstromprüfung bei der zerstörungsfreien Materialprüfung und Materialcharakterisierung (zum Beispiel Abtrennung von Aluminium beim Müllrecycling). Ferner haben auch einfache kleine Motoren einen Wirbelstrom-Antrieb, wie die aus Aluminium bestehende Drehscheibe in Stromzählern nach dem Ferraris-Prinzip. Darüberhinaus werden Wirbelstromaufnehmer in der Schwingungstechnik verwendet.

Wirbelstrom als verlustbehaftete Begleiterscheinung

Häufig ist der Wirbelstrom eine unerwünschte Begleiterscheinung, die zu Verlusten bei gleichzeitiger starker Erwärmung führen. Aus diesem Grund werden die Magnetkerne von Transformatoren und Elektromotoren nicht massiv gebaut, sondern aus einzelnen dünnen (einige Zehntelmillimeter), von einander elektrisch isolierten Blechen zusammengesetzt ("geblecht"). Die Orientierung der Blechpakete wird dabei so gewählt, dass die magnetischen Feldlinien nicht behindert werden, die Wirbelstrombahnen jedoch einen möglichst hohen Widerstand besitzen. Die Bleche in den Magnetkernen sorgen auch für das typische "Transformatorbrummen".

Weichmagnetische Werkstoffe werden also anwendungsbezogen (z.B. abhängig von der Arbeitsfrequenz) auch nach dem spezifischen elektrischen Widerstand ausgewählt, um die Wirbelströme zu minimieren. Blech für Großtransformatoren besteht z.B. aus 3% Silizium-Eisen (ρ = 0,4 Ω · mm²/m) statt aus Reineisen (ρ = 0,13 Ω · mm²/m). Eine andere Gegenmaßnahme ist die Verwendung von gesinterten/gepressten weichmagnetischen Pulverwerkstoffen (Ferriten), bei denen die Pulverkörner einzeln isoliert sind. Hierbei bestimmt dann außer der Leitfähigkeit des Werkstoffes selbst, auch die Korngröße des Pulvers wesentlich das Auftreten von Wirbelströmen. Speziell Drosseln werden mit Pulverkernen verschiedener Legierungen und Korngrößen aufgebaut.

Weblinks

Arbeit über Wirbelströme in Flüssigkeiten und Metallen

Elektrischer Strom

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Anwendungen des Wirbelstromprinzips

Wirbelstrom als verlustbehaftete Begleiterscheinung

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