趨膚效應
關注創建者：TAT 創建時間：2020-07-07
趨膚效應的視頻教程
comsol電磁感應加熱-不同頻率下趨膚效應下網格剖分方法、實現間歇加熱、加熱冷卻，如調節溫度分布
不同頻率，低頻、中頻，極高頻下，如何剖分趨膚深度網格，精確解析電磁損耗 2. 如何通過改變耦合參數，實現加熱后的自然冷卻或間歇性加熱 3. 如何通過改變耦合參數，實現改變電磁熱源的大小 4. 溫度場方程原理講解，如何通過改變材料屬性參數或邊界條件，調整的溫度大小或分布
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Comsol電磁感應加熱仿真
1.參數化建模、趨膚效應網格參數化剖分 2. 電損耗、磁損耗的定義 3. 材料隨溫度的非線性設置 4. 磁性、凈磁金屬感應加熱對比 5. 有功功率、無功功率、加熱效率分析及提取 6. 線圈電感值、電阻值提取 7. 后處理磁場、電流密度、溫度云圖曲線的提取及分析
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趨膚效應的實例教程
01
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趨膚效應
趨膚效應：當導體中有交流電或者交變電磁場時，導體內部的電流分布不均勻，電流集中在導體的“皮膚”部分，也就是說電流集中在導體外表的薄層，越靠近導體表面，電流密度越大，導體內部實際上電流較小。結果使導體的電阻增加，使它的損耗功率也增加。這一現象稱為趨膚效應(skin effect)。頻率越高，趨膚效用越顯著。
原因：如圖1所示，當導體通過高頻電流i時，變化的電流就要在導體內和導體外產生變化的磁場（圖中1-2-3和4-5-6）垂直于電流方向。根據電磁感應定律，高頻磁場在導體內沿長度方向的兩個平面L和N產生感應電動勢。此感應電勢在導體內沿長度方向產生的渦流(a-c-b-a和d-e-f-d)阻止磁通的變化?？梢钥吹綔u流的a-b和e-f邊與主電流O-A方向一致，而b-c邊和d-e邊與O-A相反。這樣的主電流和渦流之和在導體表面加強，越向導線中心越弱，電流趨向于導體表面。
圖1 趨膚效應產生原因
通過Maxwell2D進行趨膚效應仿真，結果如下圖2。
圖2 導體通交流電趨膚效應仿真圖
在直流電路中，均勻導體橫截面上的電流密度是均勻的。仿真結果如下圖3。
圖3 導體通直流電趨膚效應仿真圖
應用：在高頻電路中可以采用空心導線代替實心導線。此外，為了削弱趨膚效應，在高頻電路中也往往使用多股相互絕緣細導線編織成束來代替同樣截面積的粗導線，這種多股線束稱為辮線。在工業應用方面，利用趨膚效應可以對金屬進行表面淬火。
展開 有的朋友說，軟線是多股線、它的表面積大，因為電流的趨膚效應，所以同樣大截面積的電線軟線能過的電流更多。其實這種說法是不正確的，趨膚效應主要表現在高頻電流上，電流頻率越高，趨膚效應越明顯。對于50HZ頻率的交流電來講，趨膚效應帶來的影響幾乎可以忽略不計。
家裝線路，軟線的線頭一定要焊錫處理，這一點很重要！很多師傅在接開關插座的時候習慣性剝開皮，然后稍微擰一下就插入接線孔。最后螺絲一擰進去，線頭全部散開了，本來電線有19根銅絲，實際上只有10根銅絲接觸到螺絲。如果在重負荷的情況下，接頭發熱燒掉是很常見的。如果實在沒條件焊錫，那就把電線剝長一點，然后對折一下再插入接線孔，效果也要好很多。
其他型號電線
家裝軟線和硬線除了常規的以外，還有耐火型和阻燃型。其中阻燃性用英文字母“ZR”表示，耐火用英文字母“NH”表示。比如ZR-BV表示帶阻燃效果的硬線。
阻燃是指當電線被燃燒以后，火焰蔓延一點點距離就會自動熄滅，避免電線著火延然造成更大的危害。
耐火是指電線在火焰燃燒的情況下，依然能保持在一定時間內安全運行。一般A類耐火電纜能在1000度火焰下持續運行1.5小時，B類耐火電纜能在800度火焰下持續運行1.5小時。
阻燃和耐火電線比普通軟線和硬線安全性更好，成本更高，具體可以根據自身需要選擇。還有不管是軟線還是硬線，都必須要穿管敷設，不允許直接埋在墻內。
總結
同樣大截面積的硬線和軟線，它們的安全載流量是一樣的。軟線相對而言施工更方便，是裝修公司的首選。但是因為單股銅絲比較細，在高溫下容易被氧化燒斷，所以還是硬線更耐用！
展開 二、頻域：電感效應和趨膚效應不好做，電感效應要涉及到磁場，趨膚效應文中用了阻抗邊界條件。
第一種模型：使用磁場(mf)，但是將整個域設置為磁場后，線圈入口設置為接地體頂端，而不知道磁場從哪里抽出，即不知道線圈的出口在哪里，放棄；
第二種模型：使用磁場和電場(mef)，在磁絕緣節點下加終端和接地，接地體頂端加激勵，模型邊界(近似無窮遠)加接地，計算此模型進度條易卡住，收斂性跟幾何、剖分都有關系，但計算出來的結果趨勢正確；
第三種模型：嘗試使用文中提及的阻抗邊界條件減少剖分量、增加收斂性，但是阻抗邊界只能加在整個模型的邊界上。于是把接地體做差集扣去，成功的加上了阻抗邊界，但是因為接地體沒了沒法加激勵，放棄。
總結：或許作者是嚴謹起見，這篇博士論文很多數學推導，很多都看不懂，單純復現也許不需要這么深的功底。山寨的垂直接地極沖擊模型較準確，水平和復雜接地體做不出來；山寨的高頻模型只能做到簡單幾何、趨勢正確，其他失敗。
展開 應用障礙一：“趨膚效應”、“鄰近效應”明顯，交流阻抗增大，高轉速時轉換 效率降低。趨膚效應指當導體中有交流電或者交變電磁場時，導體內部的電流分 布不均勻，且電流集中在導體的“皮膚”部分的一種現象。鄰近效應指相互靠近的導 體，通有交變電流時，每一根導體都處于自身電流產生的磁場中，同時還處于其 他導體中電流產生的磁場中，這使得每個導體中電流分布都會受到鄰近導體影響 而不均勻現象?！?em>趨膚效應”、“鄰近效應”都會增加交流阻抗，交流阻抗增大，高 轉速時轉換效率降低。
“趨膚效應”并不影響扁線電機滲透率的快速提升，但工程師也已經有改善 方案：1）提高扁線的寬高比，間接增加扁線的比表面積；2）減小導線尺寸，間 接增加扁線的比表面積，但這同時也會降低槽滿率，需要綜合評估；3）采用多檔 變速箱，降低電機轉速，代表車型為保時捷 Taycan；4）3D 打印銅線，導體尺寸 和橫截面可以任意變化，給了繞組設計極大的自由空間，該方案導致導體內的電 分離結構，所述電分離結構用于限制渦流路徑，因此電流密度被“強制”到剩余的 導體橫截面上，此外借助于 3D 打印可以實現任意連接的幾何形狀，不需要傳統 的繞組接頭焊接工藝，該方案短期內無法實現量產。
應用障礙二：非標準化；不同車企的設計方案不一樣，而定子是電機設計的 核心，定子尺寸定型后，導線的線型、尺寸任意一點發生改變，都需要定制昂貴的 工裝模具，兼容性低，系列化難度高。同一車企或電機企業的設計系列化趨勢初現，以上汽 E2 架構為例，在設計 之初就考慮了共線生產，三款不同功率的電機（150kw，180kw，250kw）適用于 該架構上的所有車型，最大程度上實現模塊化。
展開 而因為交流電網中存在導線自身電感，對地電容，趨膚效應，無功功率等等因素，導致了高壓交流輸電網中的巨大的能量損失。
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形狀
由于趨膚效應和母線的傳熱，母線的形狀會影響其導電性。在大多數情況下，其目標是實現表面積與橫截面面積的較高比率。下面列出了最常見的形狀：
剛性母線（扁平母線）：最常用的是細長形狀的剛性母線，它們通常在制造時根據特定需求進行塑形。
特殊橫截面母線：某些母線采用“U”、“T”或“L”形橫截面，以提供更大的彎曲剛度、增加表面積并提供更多的連接選項。
當頻率過高時，渦流主要集中在工件表面，形成所謂的“趨膚效應”，導致內部加熱不足；當頻率適中時，渦流能夠較為均勻地分布在工件內部，從而獲得理想的加熱效果。為了進一步優化感應加熱過程中的能量利用率，我們通過參數掃描分析，確定了線圈匝數、工件與線圈之間的間隙等因素對加熱效率和溫度均勻性的影響，如圖3所示。
FLW的頻率相關損失來自趨膚效應和鄰近效應。通過選擇橫截面較小（small cross sections）的絞線，可以減少這些效應的影響。
圖3 導體通直流電趨膚效應仿真圖
應用：在高頻電路中可以采用空心導線代替實心導線。此外，為了削弱趨膚效應，在高頻電路中也往往使用多股相互絕緣細導線編織成束來代替同樣截面積的粗導線，這種多股線束稱為辮線。在工業應用方面，利用趨膚效應可以對金屬進行表面淬火。
但在高頻交流電時，由于趨膚效應，電流會集中到金屬表面，頻率越高，電流集中程度越高，也就是電流只會從金屬表面流過。這時金屬表面的粗糙程度會對電流產生較大影響，從而影響電阻等電器特性。同時隨著頻率的升高，電阻，電容電感等特性都會產生非線性變化，加大了電路求解的難度。所以高頻電磁的求解普遍采用場方式。
5.2."
具體展開如下：
缺點①：損耗高
扁線電機不可避免會遭遇“趨膚效應”——當導體中有交流電或者交變電磁場時，導體內部的電流分布不均勻，電流會趨向于集中在導體表面“皮膚”部分。
這一效應帶來的結果是導體的電阻增加，導體的損耗功率也隨之增加。在扁線電機中的具體表現為當頻率越高，扁線繞組的交流銅耗會越高。
二、頻域：電感效應和趨膚效應不好做，電感效應要涉及到磁場，趨膚效應文中用了阻抗邊界條件。
在該頻點(式中沒有包括該參數)以上，ESR 因為高頻交流電流的趨膚效應趨于增大。
許多電容制造商提供ESR 曲線圖表示ESR 與頻率的關系。例如，TDK 為其大多數電容產品提供了ESR 曲線，參考這些與開關頻率對應曲線圖，得到ESR 值。
然而，如果沒有ESR 曲線圖，可以通過電容數據資料中的DF 規格粗略估算ESR。
有的朋友說，軟線是多股線、它的表面積大，因為電流的趨膚效應，所以同樣大截面積的電線軟線能過的電流更多。其實這種說法是不正確的，趨膚效應主要表現在高頻電流上，電流頻率越高，趨膚效應越明顯。對于50HZ頻率的交流電來講，趨膚效應帶來的影響幾乎可以忽略不計。
家裝線路，軟線的線頭一定要焊錫處理，這一點很重要！很多師傅在接開關插座的時候習慣性剝開皮，然后稍微擰一下就插入接線孔。
