Czy orientacja cewki drutu grzejnego (uzwojenie-lewe i prawe-) wpływa na pole magnetyczne-indukowane w grzejnikach prądu przemiennego?

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) lub grzejniki w czułych instrumentach (NMR, MRI) wymagają podwójnych cewek przeciwbieżnych, aby zminimalizować zakłócenia magnetyczne i wibracje.

Wytwarzanie pola magnetycznego w cewce
Jeśli przez cewkę z drutu przepłynie prąd I, cewka wytworzy pole magnetyczne B=$mu_0 razy n razy I$ wzdłuż osi cewki, gdzie n to liczba zwojów na metr cewki. Jeśli odwrócisz kierunek nawijania (reguła- prawej ręki), wówczas odwrócisz kierunek B (północ-południe). Przy 60 Hz prąd zmienia się sinusoidalnie. Zatem B zmienia się przy 60 Hz. Pole wywiera siłę na sam drut (siła Lorentza), ponieważ prąd w każdym zwoju oddziałuje z polem sąsiednich zwojów. Gęstość siły wynosi F=J × B, gdzie J to gęstość prądu. Siła ta powoduje, że cewka rozszerza się i ściska promieniowo przy częstotliwości linii 2 (120 Hz). Amplituda drgań jest proporcjonalna do I2 i odwrotnie proporcjonalna do sztywności drutu. Ponieważ |B| jest taka sama, wielkość jest taka sama dla uzwojenia lewego i prawego.

Jeśli jednak nawiniesz dwa równoległe obwody grzewcze (dwie cewki na tym samym rdzeniu) w przeciwnych kierunkach (jeden w lewo, jeden w prawo) w grzejniku, pola magnetyczne znoszą się na odległość. Zewnętrzne pole B netto jest bliskie zeru, a siły interakcji pomiędzy cewkami są obniżone. Cewki nie przyciągają się/odpychają, stąd amplituda drgań jest znacznie zmniejszona.

Pomiary drgań pojedynczej i podwójnej cewki
Typ konfiguracji cewki nagrzewnicy Pole magnetyczne przy 50 mm (µT) Orientacja uzwojenia Amplituda wibracji (µm, przy 120 Hz) Tryb wibracji awarii
Pojedyncza cewka (3 kW) Jedna cewka lewa-50-100 2-5 Nieistotna
Pojedyncza cewka (3 kW) Jedna cewka Lewa 50–100 2–5 Pomijalne
pojedyncza cewka (6 kW) 1 cewka Lewa 150-250 10-20Ścieranie, niewielkie, po latach (
Podwójna cewka (szeregowo, 6 kW) Dwie cewki w tym samym kierunku Obie 250-400 25-40 (cewki przyciągają) Frezowanie, zużycie izolacji
Dwie cewki (6 kW, szeregowo) Dwie cewki, przeciwne Lewa + Prawa 10-30 (anulowane) 5-10 (brak mocy netto) Najmniej
Podwójna cewka (6 kW, równolegle) Dwie cewki, przeciwne Lewa + Prawa 5–15 (blisko zera) 2–5 Doskonała, niski poziom wibracji
Pojedyncza cewka (10 kW) Jedna cewka Dowolna 300-500 30-60 Znaczne powstawanie korozji, wczesna awaria
Dlaczego orientacja jest ważna, tylko w przypadku cewek podwójnych
Pole magnetyczne pojedynczej cewki jest osiowosymetryczne. Na drut działają promieniowe siły ściskające, niezależnie od kierunku nawinięcia.

Cewki agresywnie przyciągają się nawzajem (przeciwne prądy? Właściwie, jeśli są połączone szeregowo z prądem płynącym w ten sam sposób w obu polach, sumują się, a cewki przyciągają się jak solenoidy ciągnące się razem). Przyciąganie to powoduje ogromne naprężenia mechaniczne we wspornikach cewek. Amplituda drgań zmniejsza się o 70-90%.

Praktyczne uwagi dotyczące wyboru grzejnika
Drut zatopiony jest w proszku MgO, który tłumi drgania. Takie rozwiązanie zmniejsza również emitowane zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) z grzejnika.