Wirbelstromverluste

Wirbelstromverluste sind Energieverluste, die in leitfähigen Bauteilen durch zeitlich veränderliche Magnetfelder entstehen. Sie gehören zu den Kernverlusten in elektrischen Maschinen wie Transformatoren, Motoren, Drosselspulen und Induktionskernen und äußern sich als Wärmeentwicklung im Material. Die Verluste treten auf, wenn der sich ändernde Magnetfluss Wirbelströme induziert, die durch den elektrischen Widerstand des Materials gekennzeichnet sind.

Ursache ist das Faradaysche Induktionsgesetz: Veränderliche magnetische Flussdichte erzeugt in Querschnitten des Bauteils Ströme, die den magnetischen Fluss zu verringern versuchen (Lenzsche Regel). Die induzierten Ströme erzeugen Hitze durch j^2R-Verluste. In der Praxis sind die Auswirkungen besonders in Bauteilen spürbar, deren Geometrie starke Laminations- oder Wanddurchdringungen erlaubt, z. B. in Zylindermächtigen oder Kernblechen.

Die Größenordnung der Wirbelstromverluste hängt stark von Frequenz, Flussdichte und dem Querschnitt der leitenden Schicht ab. In groben Zügen gilt, dass P proportional zu B^2, f^2 und t^2 ist und invers zu ρ. Eine verbreitete, grobe Näherung für eine dünne Platte im sinusförmigen Feld lautet P_v ≈ (π^2 / 6) · (B_m^2 f^2 t^2 / ρ) pro Volumen, und P ≈ P_v · V. Damit steigt der Verlust mit der Frequenz und dem Feld, während er durch dicke, leitfähige Schichten begünstigt wird.

Gegenmaßnahmen umfassen Laminierung (dünne, voneinander isolierte Bleche), Verwendung von Materialien mit höherer Resistivität oder geeignete Werkstoffe (z. B. gehärtete bzw. glasgekerbte Eisenwerke, Ferrite), sowie Optimierung von Geometrie und Kühlung. Die Minimierung der Wirbelstromverluste ist ein wesentlicher Baustein der Effizienzsteigerung in elektrischen Antrieben und Netzkomponenten.