Huszárhatás a hajtóművekben
Bőrhatás definíciója
A bőrhatás az áramviselők esetében olyan jelenség, amelynél a váltakozó áram koncentráltan jelenik meg az áramviselő felületén közel, növelve annak hatásos ellenállását.
A bőrhatást úgy definiáljuk, hogy a váltakozó áram egyenletesen elosztódik az áramviselő szerszámkeresztmetszetén, úgy, hogy az áramszűrő sűrűsége legnagyobb az áramviselő belseje között és exponenciálisan csökken a belső részek felé. Ez azt jelenti, hogy az áramviselő belső része kevesebb áramot visz, mint a külső része, ami növeli az áramviselő hatásos ellenállását.
A bőrhatás csökkenti a rendelkezésre álló áramszűrő keretmetszetét, növelve a teljesítmény veszteségeit és az áramviselő hőt. Módosítja az átvitel vonalának impedanciáját, befolyásolva a feszültség- és árameloszlást. Ez a hatás erősödik magasabb frekvenciák, nagyobb áramviselő átmérők és alacsonyabb vezetőképesség mellett.
A bőrhatás nem fordul elő irányított áram (DC) rendszerekben, mert az áram egyenletesen folyik az áramviselő keretmetszetén keresztül. Azonban a váltakozó áram (AC) rendszerekben, különösen a magas frekvenciájú, például rádió- és mikrohullám-rendszerben, a bőrhatás jelentős hatással lehet az átvitel vonalak és más komponensek tervezésére és elemzésére.
A bőrhatás okai
A bőrhatást a váltakozó áram által generált mágneses mező és az áramviselő közötti interakció okozza. A lenti ábrán látható, hogy amikor váltakozó áram folyik egy hengeres formájú áramviselőn, akkor ez mágneses mezőt hoz létre a körülötte és a belsejében. Ennek a mágneses mezőnek a iránya és ereje változik a váltakozó áram frekvenciájának és amplitúdójának függvényében.
A Faraday elektromágneses indukciós törvénye szerint a változó mágneses mező indukál elektrikus mezőt az áramviselőben. Ez az elektrikus mező, természetesen, ellenálló áramot indít el az áramviselőben, amit eddy current-ként ismerünk. Az eddy current-ek cirkulálnak az áramviselőben és ellenállnak az eredeti váltakozó áramnak.
Az eddy current-ek erősebbek az áramviselő belső részén, ahol több mágneses fluxussal kapcsolatba kerülnek az eredeti váltakozó árrammal. Ezért erősebb ellenálló elektrikus mezőt hoznak létre, és csökkentik a netto áramszűrő sűrűséget a belső részben. Ugyanakkor, az áramviselő felülete közelében, ahol kevesebb mágneses fluxussal kapcsolatba kerülnek az eredeti váltakozó árrammal, gyengébbek az eddy current-ek, és ennek megfelelően alacsonyabb az ellenálló elektrikus mező. Tehát a felületen magasabb a netto áramszűrő sűrűség.
Ez a jelenség eredményez egyenletesen elosztott áramot az áramviselő keretmetszetén, ahol több áram folyik a felületen, mint a belső részben. Ez a jelenség ismert a bőrhatás néven az átvitel vonalakban.
A bőrhatás mérése
A bőrhatást a bőrmélység vagy δ (delta) segítségével mérhetjük, ami az a mélység az áramviselő felületén, ahol az áramszűrő sűrűség a felületi értékhez képest kb. 37%-ra csökken. A kisebb bőrmélység jelzi a súlyosabb bőrhatást.
A bőrmélység függ számos tényezőtől, mint:
A váltakozó áram frekvenciája: Magasabb frekvencia gyorsabb változást jelent a mágneses mezőben és erősebb eddy current-eket. Tehát a bőrmélység csökken, ahogy a frekvencia növekszik.
Az áramviselő vezetőképessége: Magasabb vezetőképesség alacsonyabb ellenállást és könnyebb eddy current-eket jelent. Tehát a bőrmélység csökken, ahogy a vezetőképesség növekszik.
Az áramviselő permeabilitása: Magasabb permeabilitás több mágneses fluxussal kapcsolatba kerül, és erősebb eddy current-eket hoz létre. Tehát a bőrmélység csökken, ahogy a permeabilitás növekszik.
Az áramviselő alakja: Különböző alakok különböző geometriai tényezőket tartalmaznak, amelyek befolyásolják a mágneses mező eloszlását és az eddy current-eket. Tehát a bőrmélység különböző alakú áramviselők esetén eltér.
A bőrmélység kiszámítására egy hengeres formájú, kör alakú keretmetszetű áramviselő esetén a következő képletet használjuk:
δ a bőrmélység (méterben)
ω a váltakozó áram szögfrekvenciája (radián per másodperc)
μ az áramviselő permeabilitása (henry per méter)
σ az áramviselő vezetőképessége (siemens per méter)
Például, egy kör alakú keretmetszetű réz áramviselő esetén, 10 MHz frekvencián a bőrmélység:
Ez azt jelenti, hogy ezen a frekvencián csak a 0,066 mm vastagságú réteg az áramviselő felületén viszi a legtöbb áramot.
A bőrhatás csökkentése
A bőrhatások számos problémát okozhatnak az átvitel vonalakban, mint például:
Növekedő teljesítményveszteségek és az áramviselő melegedése, ami csökkenti a rendszer hatékonyságát és megbízhatóságát.
Növekedő impedancia és feszültségcsökkenés az átvitel vonalban, ami befolyásolja a jelminőséget és a teljesítmény-szállítást.
Növekedő elektromágneses interferencia és sugárzás az átvitel vonalból, ami befolyásolhatja a közeli eszközöket és áramköröket.
Ezért kívánatos a bőrhatás minimálisra csökkentése az átvitel vonalakban. Néhány módszer, amelyekkel a bőrhatást csökkenthetjük:
Magasabb vezetőképességű és alacsonyabb permeabilitású áramviselők, mint például réz vagy ezüst, használata, helyett vaskal vagy acél.
Kisebb átmérőjű vagy keretmetszetű áramviselők használata, ami csökkenti a felületi és belső rész áramszűrő sűrűségeinek különbségét.
Szálolt vagy készülék alakú áramviselők használata, helyett egyszerű, homogén áramviselők, ami növeli az áramviselő hatásos felületét, és csökkenti az eddy current-eket. Egy speciális szálolt áramviselő, a litz drót, kifejezetten arra van kialakítva, hogy minimalizálja a bőrhatást, a szálakat oly módon összefonva, hogy minden szál különböző pozíciókat foglaljon el a keretmetszetben a hosszúság során.
Üres vagy rövid áramviselők használata, helyett homogén áramviselők, ami csökkenti az áramviselő súlyát és költségét anélkül, hogy jelentősen befolyásolná a teljesítményét. Az üres rész az áramviselőben nem hordoz sok áramot a bőrhatás miatt, tehát eltávolítható anélkül, hogy befolyásolná az áramfolyamot.
Több párhuzamos áramviselő használata, helyett egyetlen áramviselő, ami növeli az áramviselő hatásos keretmetszetét, és csökkenti az ellenállását. Ez a módszer ismert a bundling vagy transposition néven is.
A váltakozó áram frekvenciájának csökkentése növeli a bőrmélységet, és csökkenti a bőrhatást. Azonban ez bizonyos alkalmazások esetén, amelyek magas frekvenciájú jeleket igényelnek, nem mindig lehetséges.
Összegzés
A bőrhatás olyan jelenség, amely akkor fordul elő az átvitel vonalakban, amikor váltakozó áram folyik az áramviselőn. Ez egyenletesen elosztja az áramot az áramviselő keretmetszetén, ahol több áram folyik a felületen, mint a belső részben. Ez növeli az áramviselő hatásos ellenállását és impedanciáját, és csökkenti a hatékonyságát és teljesítményét.
A bőrhatás függ számos tényezőtől, mint például a frekvencia, a vezetőképesség, a permeabilitás és az áramviselő alakja. Ezt a paramétert, a bőrmélységet, használjuk a bőrhatás mérése céljából, ami a mélység az alapján, ahol az áramszűrő sűrűség 37%-ra csökken a felületi értékről.
A bőrhatást különböző módszerekkel lehet csökkenteni, mint például a magasabb vezetőképességű és alacsonyabb permeabilitású áramviselők, kisebb átmérőjű vagy keretmetszetű, szálolt vagy készülék alakú, üres vagy rövid, több párhuzamos elrendezésű, vagy alacsonyabb frekvenciájú áramviselők használata.
A bőrhatás fontos fogalom az elektrotechnikában, ami befolyásolja az átvitel vonalak és más komponensek, amelyek váltakozó áramot használnak, tervezését és elemzését. Figyelembe kell venni, amikor kiválasztjuk a megfelelő típusú és méretű áramviselőket különböző alkalmazásokhoz és frekvenciákhoz.
