Ориентацията на бобината на нагревателния проводник (лява-срещу дясно-навиване на ръка) влияе ли върху индуцираната-магнитно поле вибрация в AC нагревателите?

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) или нагреватели в чувствителни инструменти (NMR, MRI) определят двойно навити намотки, за да минимизират магнитните смущения и вибрациите.

Създаване на магнитно поле в намотка
Ако ток I премине през намотка от тел, намотката ще произведе магнитно поле B=$mu_0 пъти n пъти I$ по оста на намотката, където n е броят навивки на метър от намотката. Ако обърнете посоката на навиване (правило за дясна-ръка), тогава ще обърнете посоката на B (север-юг). При 60 Hz токът варира синусоидално. Така B варира при 60 Hz. Полето упражнява сила върху самия проводник (сила на Лоренц), тъй като токът във всеки завой взаимодейства с полето на съседните му завои. Плътността на силата е F=J × B, където J е плътността на тока. Тази сила кара бобината да се разширява и компресира радиално при 2 честота на линията (120 Hz). Амплитудата на вибрациите е пропорционална на I2 и обратно пропорционална на твърдостта на проводника. Тъй като |B| е една и съща, величината е една и съща за лявата и дясната намотка.

Но ако навиете двете паралелни нагревателни вериги (две намотки на едно и също ядро) в противоположни посоки (една наляво, една дясна) в нагревател, магнитните полета се компенсират от разстояние. Нетното външно B поле е близо до нула и силите на взаимодействие между намотките са намалени. Намотките не се привличат/отблъскват една друга, поради което амплитудата на вибрациите е много намалена.

Измервания на вибрации с единична намотка срещу двойна намотка
Тип на нагревателната намотка Конфигурация Магнитно поле при 50 mm (µT) Ориентация на намотката Амплитуда на вибрациите (µm, при 120 Hz) Вибрация Режим на повреда
Единична намотка (3 kW) Една намотка отляво-ръка 50-100 2-5 Незначително
Единична намотка (3 kW) Една намотка Лява страна 50–100 2–5 Незначително
единична намотка (6kw)1 намотка лява ръка 150-250 10-20Абразия, незначителна, след години (
Двойна намотка (серия, 6 kW) Две намотки в една и съща посока И двете 250-400 25-40 (намотките се привличат) Изтръпване, износване на изолацията
Две намотки (6 kw, серийни) Две намотки, срещуположни Лява + Дясна 10-30 (отменено) 5-10 (без нетна сила) Най-малко
Двойна намотка (6 kW, паралелна) Две намотки, противоположни лява + дясна 5–15 (близо до нула) 2–5 Отлична, ниска вибрация
Единична намотка (10 kW) Една намотка Всякакви 300-500 30-60 Значително раздразнение, ранен отказ
Защо ориентацията е важна, само за двойни бобини
Магнитното поле на единична намотка е осесиметрично. Жицата е подложена на радиални натискни сили, независимо от смисъла на навиване.

Намотките агресивно се привличат една друга (противоположни токове? Всъщност, ако са свързани последователно с ток, протичащ по същия начин в двете полета, се добавят и намотките се привличат като соленоиди, които се дърпат заедно). Това привличане създава огромно механично напрежение в опорите на бобината. Амплитудата на вибрациите намалява със 70-90%.

Практически съображения за избор на нагревател
Жицата е вградена в MgO прах, който потиска вибрациите. Това разположение също така намалява излъчваните електромагнитни смущения (EMI) от нагревателя.