Ovlivňuje orientace cívky topného drátu (vlevo-vs. pravé-navíjení) vibrace indukované magnetickým polem- u střídavých ohřívačů?

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 V AC) nebo ohřívače v citlivých přístrojích (NMR, MRI) specifikují protivinuté duální cívky pro minimalizaci magnetické interference a vibrací.

Vytvoření magnetického pole v cívce
Pokud cívkou drátu prochází proud I, cívka vytvoří magnetické pole B=$mu_0 krát n krát I$ podél osy cívky, kde n je počet závitů na metr cívky. Pokud obrátíte směr vinutí (pravidlo pravé-ruky), pak obrátíte směr B (sever-jih). Při 60 Hz se proud mění sinusově. B se tedy mění při 60 Hz. Pole působí silou na samotný drát (Lorentzova síla), protože proud v každém závitu interaguje s polem jeho sousedních závitů. Hustota síly je F=J × B, kde J je hustota proudu. Tato síla způsobuje, že se cívka roztahuje a stlačuje radiálně při 2 frekvenci linky (120 Hz). Amplituda vibrací je úměrná I2 a nepřímo souvisí s tuhostí drátu. Protože |B| je stejná, velikost je stejná pro levé a pravé vinutí.

Ale pokud navinete dva paralelní topné okruhy (dvě cívky na stejném jádru) v opačných směrech (jeden vlevo, jeden vpravo) v ohřívači, magnetická pole se na dálku vyruší. Čisté vnější pole B se blíží nule a interakční síly mezi cívkami jsou sníženy. Cívky se vzájemně nepřitahují/odpuzují, a proto je amplituda vibrací mnohem nižší.

Měření vibrací s jednou cívkou vs. se dvěma cívkami
Typ konfigurace topné cívky Magnetické pole při 50 mm (µT) Orientace vinutí Amplituda vibrací (µm, při 120 Hz) Způsob poruchy vibrací
Jedna cívka (3 kW) Jedna cívka vlevo-ruka 50-100 2-5 Zanedbatelné
Jedna cívka (3 kW) Jedna cívka Levá 50–100 2–5 Zanedbatelné
jednoduchá cívka (6kw)1 cívka Levá ruka 150-250 10-20Oděrka, drobná, po letech (
Dvojitá cívka (série, 6 kW)Dvě cívky ve stejném směruObě 250-400 25-40 (cívky se přitahují) Dráždění, opotřebení izolace
Dvě cívky (6 kw, sériová) Dvě cívky, naproti Levá + Pravá 10-30 (zrušeno) 5-10 (žádná čistá síla) Nejméně
Dvě cívky (6 kW, paralelní) Dvě cívky, protilehlé Levá + Pravá 5–15 (téměř nula) 2–5 Vynikající, nízké vibrace
Jedna cívka (10 kW) Jedna cívka Libovolná 300-500 30-60 Značné rozčilování, brzké selhání
Proč je orientace důležitá, pouze pro duální cívky
Magnetické pole jediné cívky je osově symetrické. Drát je vystaven radiálním tlakovým silám, bez ohledu na smysl vinutí.

Cívky se agresivně přitahují (opačné proudy? Ve skutečnosti, pokud jsou zapojeny v sérii s proudem tekoucím stejným způsobem v obou polích, se sčítají a cívky se přitahují jako solenoidy, které se táhnou k sobě). Tato přitažlivost vytváří obrovské mechanické napětí v podpěrách cívky. Amplituda vibrací se sníží o 70-90%.

Praktické úvahy pro výběr ohřívače
Drát je uložen v prášku MgO, který tlumí vibrace. Toto uspořádání také snižuje vyzařované elektromagnetické rušení (EMI) z ohřívače.