電動機和變壓器是常見的工業設備。變壓器通常安裝在設施的主要電源內外，并常常被放置在電氣柜中以進一步降低電壓。當然，電動機幾乎出現在每一種電動機械中。

這兩種設備有一個共同的主題：它們基于電磁感應的原理工作。電流通過導線圈時，會使鐵芯產生磁化，變壓器內的磁場則在次級線圈中產生電流。在電動機中，這一磁場促使設備中心(轉子)旋轉。

從理論上講，這一過程是非常理想的，因為線圈的電導性與鐵芯完全絕緣，因此我們不期望在鐵芯中看到任何電流。但在做出這一假設時，我們往往忽視了“渦流”的概念。

什么是渦流?

這些固體鐵芯，也叫“鐵磁”芯，因為鐵在元素周期表的符號為Fe，當交變電流使其磁化時，鐵芯會儲存能量。當交變波形崩潰并反向時，儲存的能量會釋放到兩個地方。對于電動機而言，能量被轉化為轉子的運動;對于變壓器而言，能量則轉化為次級線圈電路中的電流。

然而，如果鐵芯有機會將儲存的能量釋放到附近的導電金屬上，它肯定會嘗試這么做。

在附近的鐵磁元素中流動的電流被稱為渦流，并且它出現在鐵芯內部。磁場的釋放試圖在鐵芯內部構成一個小電路，從而導致渦流的產生。渦流也可能出現在變壓器或電動機附近的金屬塊中，這就是為什么即使沒有接線故障，接地也是至關重要的原因。

為什么渦流是有害的?

當渦流在鐵芯內部形成小電路時，會產生幾種負面影響。

效率降低

第一個問題是，它會消耗更多的能量。整個電氣系統的效率降低，增加的電力消耗和組件尺寸的增大都會導致額外的輸入功率需求，以支持負載和鐵芯中的渦流。一部分磁場用于驅動負載，但另一部分則轉向渦流，因此需要更大的輸入電流供應。

過熱

然而，更重要的是溫度的升高，這是一種累積效應，可能對設備造成災難性影響。如果渦流電路被感應產生，電流會通過鐵的電阻流動。鐵的電阻相對較低，但仍然是銅電阻的7倍以上。這意味著渦流電路中的總電流會相對較高，但電阻會導致能量以熱量的形式散失。

由于設備并未設計用于冷卻轉子(或變壓器的鐵芯)，它將繼續升溫，導致通過線圈的電流不斷增加，以保持負載運行，直到斷路器或保險絲跳閘，或線圈絕緣層開始過熱并熔化。

層壓：防止渦流的解決方案

解決渦流的問題相對簡單，但制造起來更為復雜。

鐵芯的鐵材料首先被切割成許多薄片。這些薄片重新組裝時會涂上一層清漆或紙質材料，形成每片之間的絕緣屏障。絕緣材料阻止電路的完成。然而，鐵芯中的鐵總量仍與之前相同，因此它仍然能夠儲存磁能。

每片薄層中可能仍會感應出非常小的渦流，但每層的厚度決定了由于渦流而損失的能量多少。實際上，渦流損失與層厚度的平方成正比，這意味著如果層厚度減少一半，損失將減少到四分之一。究竟多薄才算太薄?制造成本成為限制因素，因此現代鐵芯中的大多數層厚度介于0.25到0.5毫米之間。

層壓方向與右手法則

在物理學中，許多自然力遵循“右手法則”，這實際上只是一個方便的方法，用于說明電流和磁性等兩個相關力量如何在自然中相互影響。

為了了解這對電動機或變壓器的鐵芯有何影響，可以參考以下示意圖。

首先，來自初級線圈的電流使鐵芯磁化，鐵芯是變壓器周圍的大型層壓結構。儲存在鐵芯中的能量可以用我的彎曲手指來表示。因此，這種磁能將試圖推動電流沿著右手拇指的方向流動(因此稱為“右手法則”)。

如您所見，層壓薄片與拇指方向是垂直的。這意味著絕緣層會阻止電流的流動，因為磁場(以及拇指的方向)迅速改變方向。

最小化能量損失

我們常常將效率視為可持續發展的目標，但實際上它遠不止于此。對電動機核心和變壓器等組件的精心設計可以減少由于熱量造成的能量損失。這不僅對可持續發展有利，同時也降低了運營成本，延長了設備的使用壽命，并大大減少了停機時間，這對整個組織而言都是巨大的收益。