L'orientamento della bobina del filo riscaldante (avvolgimento a sinistra-o a destra-destra) influisce sulle vibrazioni indotte dal campo magnetico-nei riscaldatori CA?

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 VCA) o i riscaldatori in strumenti sensibili (NMR, MRI) specificano doppie bobine controavvolte per ridurre al minimo le interferenze magnetiche e le vibrazioni.

Creazione di un campo magnetico in una bobina
Se una corrente I viene fatta passare attraverso una bobina di filo, la bobina produrrà un campo magnetico B=$mu_0 volte n volte I$ lungo l'asse della bobina, dove n è il numero di spire per metro della bobina. Se inverti la direzione dell'avvolgimento (regola della mano destra-), allora inverti la direzione di B (nord-sud). A 60 Hz la corrente varia sinusoidalmente. Quindi B varia a 60 Hz. Il campo esercita una forza sul filo stesso (forza di Lorentz) perché la corrente in ogni spira interagisce con il campo delle spire vicine. La densità di forza è F=J × B dove J è la densità di corrente. Questa forza fa espandere e comprimere la bobina radialmente a 2 la frequenza di linea (120 Hz). L'ampiezza della vibrazione è proporzionale a I2 e inversamente proporzionale alla rigidità del filo. Perché |B| è lo stesso, la grandezza è la stessa per l'avvolgimento a sinistra e a destra.

Ma se si avvolgono i due circuiti di riscaldamento paralleli (due bobine sullo stesso nucleo) in direzioni opposte (uno a sinistra, l'altro a destra) in un riscaldatore, i campi magnetici si annullano a distanza. Il campo B esterno netto è prossimo allo zero e le forze di interazione tra le bobine sono ridotte. Le bobine non si attraggono/respingono a vicenda, quindi l'ampiezza della vibrazione è molto ridotta.

Misurazioni delle vibrazioni a bobina singola e doppia bobina
Tipo di configurazione della bobina del riscaldatore Campo magnetico a 50 mm (μT) Orientamento dell'avvolgimento Ampiezza della vibrazione (μm, a 120 Hz) Modalità di guasto della vibrazione
Bobina singola (3 kW) Una bobina sinistra-mano 50-100 2-5 Trascurabile
Bobina singola (3 kW) Una bobina Sinistra 50–100 2–5 Trascurabile
bobina singola (6 kW)1 bobina Mano sinistra 150-250 10-20Abrasione, lieve, dopo anni (
Doppia bobina (serie, 6 kW)Due bobine nella stessa direzioneEntrambe 250-400 25-40 (le bobine si attraggono) Sfregamento, usura dell'isolamento
Due bobine (6 kw, seriale)Due bobine, opposte Sinistra + Destra 10-30 (annullato) 5-10 (nessuna forza netta)Minimo
Doppia bobina (6 kW, parallelo) Due bobine, opposte Sinistra + Destra 5–15 (vicino allo zero) 2–5 Eccellente, vibrazioni ridotte
Bobina singola (10 kW) Una bobina Qualsiasi 300-500 30-60 Sfregamento significativo, guasto precoce
Perché l'orientamento è importante, solo per le doppie bobine
Il campo magnetico di una singola bobina è assialsimmetrico. Il filo è sottoposto a forze di compressione radiali, indipendentemente dal senso di avvolgimento.

Le bobine si attraggono in modo aggressivo l'una con l'altra (correnti opposte? In realtà se collegate in serie con la corrente che scorre allo stesso modo in entrambi i campi si sommano e le bobine si attraggono come solenoidi che si uniscono). Questa attrazione produce un tremendo stress meccanico nei supporti delle bobine. L'ampiezza della vibrazione si riduce del 70-90%.

Considerazioni pratiche per la scelta del riscaldatore
Il filo è immerso nella polvere di MgO che smorza le vibrazioni. Questa disposizione riduce anche le interferenze elettromagnetiche irradiate (EMI) dal riscaldatore.