Yakınlık etkisi (elektromanyetizma) - Proximity effect (electromagnetism)

20kHz'lik bir transformatörün sargılarındaki akım yoğunluğunun büyüklüğü.

Alternatif akım taşıyan bir iletkende , eğer akımlar yakın sarılmış bir tel bobini gibi bir veya daha fazla yakındaki diğer iletkenlerden akıyorsa, birinci iletken içindeki akımın dağılımı daha küçük bölgelerle sınırlandırılacaktır. Ortaya çıkan mevcut kalabalık , yakınlık etkisi olarak adlandırılır . Bu kalabalık, devrenin etkin direncinde frekansla artan bir artış sağlar.

Açıklama

Değişen bir manyetik alan , bir elektrik iletkeni içinde akan bir elektrik akımının elektromanyetik indüksiyon yoluyla dağılımını etkileyecektir . Bir zaman alternatif akım (AC) bir iletkenin içinden akan, etrafındaki ilişkili alternatif manyetik alan oluşturur. Alternatif manyetik alan , bitişik iletkenlerde girdap akımlarına neden olarak , içlerinden geçen akımın genel dağılımını değiştirir. Sonuç, akımın, aynı yönde akım taşıyan yakındaki iletkenlerden en uzak iletken alanlarında yoğunlaşmasıdır.

Yakınlık etkisi, DC akımına karşı direnciyle karşılaştırıldığında, bitişik iletkenlerin AC direncini önemli ölçüde artırabilir . Etki frekansla artar . Daha yüksek frekanslarda, bir iletkenin AC direnci, DC direncinin on katını kolaylıkla aşabilir.

Örnek

Örneğin, aynı alternatif akımı taşıyan iki tel, bir indüktörde veya transformatörde kullanılan bir bobinde olduğu gibi, birbirine paralel uzanıyorsa , bir telin manyetik alanı, bitişik telde uzunlamasına girdap akımları indükleyecektir. telin diğer tele bakan tarafında ana akımla aynı yönde ve telin diğer tele bakan tarafında ters yönde tel boyunca uzun döngüler. Böylece girdap akımı, birinci tele bakan taraftaki ana akımı güçlendirecek ve birinci tele bakan taraftaki ana akıma karşı çıkacaktır. Net etki, telin kesitindeki akımı, diğer telden uzağa bakan tarafta ince bir şerit halinde yeniden dağıtmaktır. Akım telin daha küçük bir alanına yoğunlaştığından direnç artar.

Benzer şekilde, güç kablolarında ve bara çiftlerinde olduğu gibi, zıt yönlerde akan alternatif akımlar taşıyan iki bitişik iletkende , her iletkendeki akım, diğer iletkene bakan tarafta bir şerit halinde yoğunlaşır.

Etkileri

Ek direnç, güç devrelerinde istenmeyen ısıtma üretebilen güç kayıplarını artırır. Yakınlık ve yüzey etkisi , örneğin anahtarlamalı güç kaynaklarında kullanılan yüksek frekanslarda çalışan verimli transformatörlerin ve indüktörlerin tasarımını önemli ölçüde karmaşıklaştırır .

Gelen radyo frekansı ayarlı devreler radyo ekipmanında kullanılan indüktördeki yakınlık ve cilt etkisi kayıpları azaltmak Q faktörünü genişletilmesi, bant genişliği . Bunu en aza indirmek için radyo frekansı indüktörlerinde özel yapı kullanılır. Sargı genellikle tek bir katmanla sınırlıdır ve genellikle iletkenleri ayırmak için dönüşler birbirinden ayrılır. Çok katmanlı bobinlerde, tellerin birbirine paralel uzanmasını önlemek için ardışık katmanlar çapraz bir düzende sarılır; bunlara bazen " sepet örgüsü " veya "petek" bobinler denir . Akım iletkenin yüzeyinde aktığından, yüksek frekanslı bobinler bazen gümüş kaplıdır veya litz telinden yapılmıştır .

Kayıpların tespiti için Dowell yöntemi

Transformatörler için bu tek boyutlu yöntem, tellerin dikdörtgen kesite sahip olduğunu varsayar, ancak aynı kesit alanına sahip kare olarak ele alınarak yaklaşık olarak dairesel tele uygulanabilir.

Sargılar "kısımlara" bölünmüştür, her kısım bir sıfır MMF konumu içeren bir katmanlar grubudur . Ayrı bir birincil ve ikincil sargıya sahip bir transformatör için, her sargı bir kısımdır. Aralıklı (veya kesitli) sargılı bir transformatör için, en içteki ve en dıştaki bölümlerin her biri bir kısımdır, diğer bölümlerin her biri sıfır mmf'nin oluştuğu noktada iki kısma ayrılır.

Bir bölümün toplam direnci ile verilir

Farklı frekanslarda sargı sargısının bir kısmı için AC'nin DC direncine oranı (δ Cilt derinliğidir ). Katman sayısının artmasının, yüksek frekanslarda direnci önemli ölçüde arttırdığı görülebilir.
  • R DC , kısmın DC direncidir
  • Re(·) parantez içindeki ifadenin gerçek kısmıdır
  • kısımda m katman sayısı, bu bir tamsayı olmalıdır
    • Akımın açısal frekansı
    • iletken malzemenin direnci
      • N l katman başına dönüş sayısı
      • bir kare iletkenin genişliği
      • b sarma penceresinin genişliği
      • h kare bir iletkenin yüksekliği

Kare alan türev yöntemi

Bu, yuvarlak telli veya litz telli transformatörler veya her bir sargıda keyfi akım dalga formları ile birden fazla keyfi geometri sargısına sahip indüktörler için kullanılabilir . Her bir telin çapı 2 δ'den az olmalıdır . Ayrıca, çoğu tasarımda olduğu gibi, manyetik alanın telin eksenine dik olduğunu varsayar.

  • Her bir sargıdan dolayı B alanının değerlerini ayrı ayrı bulun. Bu, her bir sargının sabit akım yoğunluğu bölgesi olarak temsil edildiği, bireysel dönüşleri ve litz şeritlerini yok sayan basit bir manyetostatik FEA modeli kullanılarak yapılabilir.
  • Bu alanlardan bir D matrisi üretin . D , geometrinin bir fonksiyonudur ve mevcut dalga biçimlerinden bağımsızdır.
    • j sargısındaki birim akımdan kaynaklanan alandır
    • ⟨,⟩ j , j sargı bölgesi üzerindeki uzamsal ortalamadır
      • j sarımındaki sarım sayısıdır, litz teli için bu, sarım sayısı ve sarımdaki tellerin çarpımıdır.
      • bir dönüşün ortalama uzunluğu
      • tel veya iplik çapı
      • telin direncidir
  • Tüm sargılardaki AC güç kaybı, D kullanılarak bulunabilir ve her sargıdaki anlık akım için ifadeler :
  • Daha sonra bu değer DC kaybı ile birleştirilerek toplam sargı gücü kaybı bulunur,

Yöntem, çoklu sargılara genelleştirilebilir.

Ayrıca bakınız

Dış bağlantılar

Referanslar

  • Terman, FE Radyo Mühendislerinin El Kitabı , McGraw-Hill 1943—elektromanyetik yakınlık ve cilt efektlerinin ayrıntıları
  • Dowell, PL (Ağustos 1966). "Transformatör sargılarında girdap akımlarının etkileri". Elektrik Mühendisleri Enstitüsü Bildirileri . 113 (8): 1387-1394. doi : 10.1049/pie.1966.0236 .
  • Sullivan, Charles (2001). "Çoklu Sargılar, Keyfi Dalga Formları ve İki Boyutlu veya Üç Boyutlu Alan Geometrisi ile Hesaplamalı Olarak Verimli Sargı Kaybı Hesabı" (PDF) . Güç Elektroniğinde IEEE İşlemleri . 16 (1). P. 142. doi : 10.1109/63.903999 .