Tecnologia / Guida tecnica
Effetto pelle ed effetto di prossimità negli avvolgimenti: distribuzione della corrente
La resistività del rame come materiale non è l'unico fattore che determina il comportamento degli avvolgimenti in corrente alternata. I campi variabili nel tempo possono modificare la distribuzione della corrente nella sezione trasversale del conduttore. L'effetto pelle riguarda l'interazione con il campo del conduttore stesso, mentre l'effetto di prossimità aggiunge l'influenza dei conduttori e dei campi circostanti.
La distribuzione della corrente può cambiare senza modificare il metallo.
La frequenza, le dimensioni e i campi adiacenti determinano quanto resti utile un'approssimazione a corrente uniforme.
01 / Riferimento uniforme
Un modello di resistenza in DC presuppone una distribuzione di corrente utile.
Per un conduttore uniforme e rettilineo in condizioni stabili, la relazione di resistenza convenzionale utilizza la resistività, la lunghezza e l'area trasversale.
Per un semplice conduttore rettilineo e uniforme in condizioni stazionarie, la consueta relazione della resistenza utilizza resistività, lunghezza e area della sezione trasversale. La sua utilità dipende dalla geometria rappresentata e dalla distribuzione della corrente. L'area fisica del rame e il comportamento effettivo in corrente alternata non sono necessariamente intercambiabili.
La pagina guida alle temperature tratta la variazione della resistenza del materiale con la temperatura. L'effetto pelle e l'effetto di prossimità riguardano un altro meccanismo: la distribuzione elettromagnetica della corrente alternata, anche quando la temperatura di riferimento del materiale viene mantenuta costante.
02 / Meccanismo dell'effetto pelle
La variazione del campo proprio ridistribuisce la corrente.
Una corrente alternata in un conduttore produce un campo magnetico variabile.
Una corrente alternata in un conduttore produce un campo magnetico variabile. Gli effetti elettromagnetici indotti alterano la distribuzione della corrente all'interno del conduttore. Nelle condizioni applicabili, la densità di corrente si concentra maggiormente vicino alla superficie rispetto a un'approssimazione uniforme in corrente continua.
La spiegazione di COMSOL sul modello del conduttore collega questo comportamento alla penetrazione del campo e alle perdite. L'effetto non significa che tutta la corrente occupi improvvisamente una superficie infinitesima o che la regione interna del metallo scompaia. Si tratta di una distribuzione dipendente dalla frequenza con una scala di penetrazione caratteristica.
03 / Scala di profondità
Indica le ipotesi alla base della relazione per la profondità di penetrazione dell'effetto pelle.
Per un buon conduttore, nella tipica approssimazione sinusoidale lineare, la profondità di penetrazione è δ ≈ √(2ρ/(ωμ)), con resistività ρ, frequenza angolare ω e permeabilità magnetica μ.
Per un buon conduttore, nella tipica approssimazione sinusoidale lineare, la profondità di penetrazione è δ ≈ √(2ρ/(ωμ)), con resistività ρ, frequenza angolare ω e permeabilità magnetica μ. La scala dipende dalle proprietà dei materiali e dalla frequenza; non si tratta di un numero fisso per ogni avvolgimento di rame.
Come confronto matematico a ρ e μ invariati, quadruplicare la frequenza dimezza δ. L'effetto significativo di tale variazione su un avvolgimento reale dipende dalle dimensioni del conduttore rispetto a δ. Il confronto non identifica il diametro dei fili elementari MARSTON, lo spettro di frequenza o la resistenza AC misurata.
04 / Meccanismo di prossimità
I campi circostanti creano una diversa distribuzione.
Conduttori vicini percorsi da corrente alternata generano campi che influenzano reciprocamente la distribuzione della corrente.
I conduttori vicini percorsi da corrente alternata generano campi che influenzano reciprocamente la distribuzione della corrente. Questo effetto di prossimità può concentrare la corrente in modo non uniforme attorno a un conduttore, anziché produrre soltanto la distribuzione per effetto pelle approssimativamente simmetrica del conduttore isolato.
Lo studio originale di Cooke e Shatz sull'effetto di prossimità distingue l'effetto aggiuntivo dal riferimento costituito dall'effetto pelle di un filo isolato. Geometria, distanza tra i fili e direzioni delle correnti influenzano tale interazione. Le particolari disposizioni dei fili simulate e i relativi risultati numerici non vengono trasferiti a un avvolgimento di generatore eolico.
05 / Conseguenze delle perdite
Una distribuzione non uniforme della corrente modifica l'integrale del riscaldamento.
Per un modello di conduzione dichiarato, il riscaldamento locale resistivo dipende sia dalla densità di corrente che dalla resistività del materiale.
Per un modello di conduzione dichiarato, il riscaldamento resistivo locale dipende sia dalla densità di corrente sia dalla resistività del materiale. Concentrare la stessa corrente totale in una regione effettiva più piccola può aumentare la dissipazione rispetto a una distribuzione più uniforme. La resistenza AC dipendente dalla frequenza riassume tale effetto entro il confine dichiarato del modello.
Una forma d'onda non sinusoidale contiene diverse componenti di frequenza, quindi un singolo valore di resistenza a bassa frequenza non può necessariamente rappresentare ogni contributo. Anche le perdite elettromagnetiche nell'avvolgimento rimangono distinte dalle perdite nel nucleo magnetico, spiegate nella guida alle perdite nel nucleo.
06 / Ambito di interpretazione
Gli effetti della frequenza non rivelano la struttura di un avvolgimento.
La disposizione dei trefoli e la geometria elettromagnetica sono importanti per un modello dell'avvolgimento, ma una fotografia o l'espressione filo di rame per alte temperature non consentono di determinarle.
La disposizione dei trefoli e la geometria elettromagnetica sono importanti per un modello di avvolgimento, ma una fotografia o l'espressione filo di rame ad alta temperatura non consentono di determinarle. La dipendenza dalla temperatura, l'effetto pelle e l'effetto di prossimità possono coesistere senza che uno costituisca una prova dell'entità di un altro.
Qui non vengono specificati alcuna struttura dei trefoli, costruzione litz, rapporto tra resistenza AC/DC o valore delle perdite negli avvolgimenti per MARSTON. La pagina spiega la fisica della distribuzione della corrente senza fornire indicazioni per il riavvolgimento, la selezione dei conduttori, le misure sul campo o qualsiasi modifica operativa.
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Informazioni generali: COMSOL: modellazione della penetrazione del campo e della profondità di penetrazione. · Cooke e Shatz: studio originale sulla distribuzione della corrente dovuta all'effetto di prossimità. Questi riferimenti spiegano concetti del settore; sono distinti dai documenti MARSTON di prodotto e di progetto applicabili.
Concetti e condizioni fondamentali.
Leggere ogni grandezza insieme al riferimento, alle unità e alle condizioni dichiarate. Una relazione generale non stabilisce un valore specifico di un modello.
| Concetto / grandezza | Significato / relazione | Condizioni / limiti |
|---|---|---|
| Riferimento DC | Resistenza per una geometria e temperatura specificate. | L'approssimazione basata sulla corrente uniforme ha un ambito definito. |
| Effetto pelle | Ridistribuzione della corrente dovuta al campo proprio | Non si tratta di un cambiamento nella composizione del rame. |
| Profondità di penetrazione | δ ≈ √(2ρ/(ωμ)) in m | Approssimazione lineare sinusoidale per un buon conduttore. |
| Effetto di prossimità | Ridistribuzione della corrente dovuta ai campi vicini | La disposizione e le relazioni tra le correnti sono importanti. |
| Rappresentazione della perdita | Distribuzione spaziale del riscaldamento o resistenza in AC applicabile | La frequenza e il limite del modello accompagnano il valore. |
Domande ingegneristiche.
L'effetto pelle è lo stesso del fatto che il rame si riscalda?
No. La ridistribuzione della corrente e la resistività dipendente dalla temperatura sono meccanismi diversi.
All'interno la corrente è esattamente nulla?
In generale, no. La penetrazione del campo e la densità di corrente variano in modo continuo nel modello applicabile.
Quadruplicare la frequenza dimezza la profondità di penetrazione?
Sì, nell'approssimazione dichiarata, con resistività e permeabilità invariate.
L'effetto di prossimità è semplicemente un'altra denominazione per l'effetto skin?
No. Include l'influenza dei conduttori e dei campi circostanti.
Un solo valore di resistenza DC può determinare tutto il riscaldamento dovuto alle armoniche?
Non generalmente quando la resistenza AC dipende dalla frequenza e dalla distribuzione.
L'impiego di filo per alte temperature dimostra una costruzione litz?
No. Non viene attribuita a MARSTON alcuna disposizione effettiva dei fili elementari né alcun risultato relativo alle perdite in AC.
Richiesta tecnica
Discutere la questione tecnica.
La resistività del rame come materiale non è l'unico fattore che determina il comportamento degli avvolgimenti in AC. Condividi il modello e le informazioni operative o di progettazione applicabili per una discussione tecnica.