Eddy Current là gì? Hướng dẫn phương pháp kiểm tra dòng điện xoáy

Lê Hồng Phong

Dòng điện xoáy có nguy cơ làm giảm hiệu suất thiết bị và gây tổn thất năng lượng nhưng đây lại là cơ sở để xác định những “khuyết tật” ở vật liệu dẫn điện. Trong bài viết này chúng tôi sẽ hướng dẫn bạn phương pháp kiểm tra dòng điện xoáy đơn giản nhất.

Định nghĩa dòng điện xoáy

Dòng điện xoáy (hay còn gọi là dòng điện xoáy, dòng điện Foucault) là hiện tượng dòng điện được tạo ra khi một vật dẫn điện được đặt trong một từ trường biến đổi theo thời gian hoặc chuyển động trong một từ trường cố định – theo định luật cảm ứng điện từ Faraday.

Dòng điện xoáy giống như các dòng xoáy, chảy thành vòng khép kín, vuông góc với mặt phẳng của từ trường. Độ lớn của dòng điện xoáy tỉ lệ thuận với độ lớn của từ trường, diện tích của vòng dây, tốc độ biến thiên của từ thông và tỉ lệ nghịch với điện trở suất của dây dẫn.

Lực Lorentz hay lực điện tương đối tính tác dụng lên các hạt tích điện có thể chuyển động tự do trong dây dẫn là nguyên nhân vật lý của dòng điện Foucault.

Theo định luật Lenz, dòng điện Foucault luôn nghịch với nguyên nhân tạo ra dòng điện này, bằng cách tạo ra cảm ứng từ với một từ thông ngược có khả năng chống lại sự biến thiên của từ thông đã tạo ra dòng điện xoáy; hoặc tương tác với từ trường gây ra lực cơ học luôn ngược chiều chuyển động của dây dẫn. Sau này, các nhà khoa học áp dụng nguyên lý hoạt động của dòng điện xoáy để nghiên cứu các phương pháp dừng quay các dụng cụ, phương tiện chạy bằng điện, trong đó có tàu lượn siêu tốc hay thử nghiệm vật liệu không phá hủy,…

Tác dụng của dòng điện xoáy

Khi suất điện động cảm ứng xuất hiện khi dây dẫn chuyển động trong từ trường cố định hoặc nằm trong vùng từ trường thay đổi thì các electron tự do trong dây dẫn chịu tác dụng của lực Lorentz và bắt đầu chuyển động, tạo thành dòng điện kín. Các dòng điện này gây ra hiệu ứng Joule – sinh nhiệt trong vật liệu, ảnh hưởng tiêu cực đến thiết bị và năng lượng điện:

• Mất năng lượng: Dòng điện xoáy làm nóng lõi từ, làm giảm hiệu suất thiết bị trong máy biến áp, động cơ điện, cuộn cảm, v.v.
• Nhiễu tín hiệu: Dòng điện xoáy có thể tạo ra dòng điện cảm ứng không mong muốn gây nhiễu cho hệ thốngMạch điện tử.
• Ăn mòn bên trong: Nhiệt sinh ra bởi dòng điện xoáy nếu không được kiểm soát có thể gây ra sự ăn mòn vật liệu theo thời gian.

Tuy nhiên, Eddy hiện tại không chỉ có hại. Lợi ích của dòng điện này được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như:

• Sưởi ấm cảm ứng: Dòng điện xoáy tạo ra đủ nhiệt để làm nóng chảy kim loại nhanh chóng trong lò nung cảm ứng, lò luyện kim hoặc lò sưởi tần số cao.
• Phanh điện từ: Dòng điện xoáy tạo ra lực hãm bằng cách tạo ra phản lực mô-men xoắn khi kim loại chuyển động trong từ trường nên được dùng để tạo ra lực hãm trong tàu điện, tàu lượn siêu tốc hay ô tô tập thể dục…
• Kiểm tra không phá hủy (NDT): Kỹ thuật kiểm tra dòng điện xoáy dùng để phát hiện các vết nứt, ăn mòn hoặc khuyết tật cơ học trong vật liệu dẫn điện.
• Máy phát điện: Sử dụng dòng điện xoáy tạo ra tín hiệu điện để phản ánh các chuyển động cơ học.
• Cảm biến hiện tại Không tiếp xúc: Sử dụng cảm ứng điện từ để đo dòng điện mà không làm đứt mạch.
• Thuộc về y học: Công thái học sử dụng dòng điện Foucault để xác định bệnh tim thiếu máu cục bộ.
• Máy dò kim loại: Dòng điện Foucault được sử dụng để thăm dò chất lượng của các thiết bị kim loại, chẳng hạn như ống trao đổi nhiệt.

Vì vậy, việc kiểm tra dòng điện xoáy đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn, chất lượng của vật liệu, linh kiện trong các ngành công nghiệp.

Hướng dẫn phương pháp kiểm tra dòng điện xoáy

Kiểm tra dòng điện xoáy là phương pháp kiểm tra vật liệu không phá hủy bằng cảm ứng điện từ để xác định các khuyết tật của vật liệu dẫn điện (thường là thép, nhôm và đồng) hoặc lớp phủ dẫn điện, hợp kim, mối hàn, dây điện, v.v., bao gồm:

• Phát hiện các vết nứt, bất thường hoặc khuyết tật gần bề mặt của vật liệu dẫn điện.
• Đo vật liệu và độ dày lớp phủ.
• Kiểm tra mức độ ăn mòn của các mối hàn, đường ống…
• Kiểm tra vật liệu được xử lý nhiệt bằng cách kiểm tra độ dẫn nhiệt

Đối với thử nghiệm dòng điện xoáy cơ bản, cần chuẩn bị ba yếu tố quan trọng: nguồn điện xoay chiều, đầu dò và vôn kế hoặc ampe kế.

Quy trình kiểm tra đường xoáy được thực hiện như sau:

Bước 1: Chọn đầu dò

Việc lựa chọn thiết kế và tần số đầu dò phụ thuộc vào các yếu tố như vật liệu được thử nghiệm, độ sâu thâm nhập mong muốn và kích thước của các khuyết tật cần phát hiện.

Có 4 loại đầu dò phổ biến:

• Đầu dò bề mặt: Thường được sử dụng để kiểm tra độ dẫn điện, cung cấp phép đo vật liệu khối, loại này bị hạn chế ở khả năng phát hiện các khuyết tật nhỏ khi diện tích lấy mẫu lớn.
• Đầu dò lỗ bu lông: Được thiết kế để sử dụng với máy quét lỗ bu lông, cung cấp phạm vi bao phủ tốt hơn và tỷ lệ phát hiện lỗi cao hơn nhờ dải tần số rộng.
• Đầu dò ống chỉ: Các vật liệu rỗng (chẳng hạn như ống) có thể được đưa vào để kiểm tra từ trong ra ngoài, cho phép quét toàn bộ đối tượng thử nghiệm ở tốc độ cao chỉ trong một lần quét. Nhờ sự phân bố từ trường đồng đều trên đối tượng thử nghiệm nên loại này cực kỳ nhạy cảm với các khuyết tật.
• Đầu dò siêu âm: Được thiết kế đặc biệt để kiểm tra tính toàn vẹn của các tài sản hình trụ như ống trao đổi nhiệt, ống tạo hơi nước, đảm bảo đủ phạm vi bao phủ để phát hiện ngay cả những điểm gián đoạn nhỏ nhất trong vật liệu, chẳng hạn như vết nứt, ăn mòn hoặc thành mỏng.

Bước 2: Tạo dòng điện xoáy

Đặt đầu dò gần vật liệu thử và đặt dòng điện xoay chiều vào đầu dò. Phương pháp này có thể tạo ra dòng điện xoáy nhân tạo bên trong vật liệu.

Bước 3: Tương tác với các khiếm khuyết

Dòng điện xoáy có mức độ tương tác khác nhau với các loại khuyết tật khác nhau, bao gồm các vết nứt, lỗ rỗng và sự không nhất quán của vật liệu. Những tương tác này gây ra những thay đổi trong dòng điện xoáy, có thể được phát hiện và phân tích.

Bước 4: Phản hồi dòng điện xoáy

Cuộn dây phát hiện – thường nằm bên trong đầu dò để đo sự thay đổi của dòng điện xoáy cảm ứng. Những thay đổi về độ dẫn điện hoặc từ thông của vật liệu gây ra bởi khuyết tật kéo theo những thay đổi trong phản ứng dòng điện xoáy.

Bước 5: Phân tích dữ liệu

Dữ liệu thu thập từ cuộn dây đầu dò được xử lý bằng thiết bị và phần mềm chuyên dụng, sau đó được các kỹ thuật viên chuyên nghiệp giải thích thông qua báo cáo tình trạng của vật liệu được thử nghiệm.

Trong trường hợp phát hiện dòng điện xoáy trong các thiết bị điện, điện tử, một số giải pháp sẽ được áp dụng để hạn chế tác động tiêu cực của dòng điện này:

• Phân lớp lõi từ: Thay vì sử dụng khối vật liệu liền mạch, các tấm thép kỹ thuật cách điện mỏng có thể được nối lại với nhau, giúp phân chia dòng điện xoáy và hạn chế tổn thất.
• Sử dụng vật liệu từ tính có điện trở suất cao: Đối với cuộn cảm và máy biến áp tần số cao, có thể sử dụng Ferrite có từ tính mạnh nhưng độ dẫn điện kém.
• Giảm tốc độ thay đổi từ trường: Thay đổi thiết kế mạch điều khiển để hạn chế sự dao động mạnh của dòng điện hoặc từ trường.
• Thiết kế hình học tối ưu: DĐể điều khiển quỹ đạo dòng điện xoáy, có thể sử dụng các thiết kế hình học cho hHình dạng lõi từ, cuộn dây và đường dẫn từ.

Lợi ích của phương pháp kiểm tra dòng điện xoáy

Kiểm tra dòng điện xoáy là một phương pháp linh hoạt để đánh giá cấu trúc của vật liệu dẫn điện nhằm đảm bảo an toàn và hiệu suất của thiết bị trong quá trình sử dụng.

Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp kiểm tra dòng điện xoáy

Ứng dụng trong công nghiệp và vật liệu

Một số câu hỏi về dòng điện xoáy

Câu hỏi 1: Việc kiểm tra dòng điện xoáy nên được thực hiện thường xuyên như thế nào?

Hồi đáp: Tần suất kiểm tra dòng điện xoáy được khuyến nghị là 3-5 năm một lần đối với ống, đường ống, mối hàn, mối nối, v.v.

Câu hỏi 2: Những loại vật liệu nào có thể được kiểm tra bằng phương pháp kiểm tra dòng điện xoáy?

Hồi đáp: Kiểm tra dòng điện xoáy hiệu quả nhất với các vật liệu dẫn điện như thép, nhôm và đồng. Hiệu quả của phương pháp này có thể khác nhau tùy thuộc vào độ dẫn điện của vật liệu.

Câu 3: Biện pháp nào hiệu quả nhất để giảm dòng điện xoáy trong động cơ?

Hồi đáp: Một trong những cách hiệu quả nhất để giảm dòng điện xoáy trong động cơ là thay lõi đặc bằng các tấm kim loại mỏng cách điện với nhau, có diện tích bề mặt nhỏ hơn và điện trở cao hơn. Điều này có thể làm giảm cường độ dòng điện xoáy và giảm lượng nhiệt Joule sinh ra.