Распределение электромагнитного поля по сечению прямоугольного проводника
РЕФЕРАТ
Выпускная квалификационная работа на тему «Исследование зависимости активного и индуктивного сопротивлений прямолинейного проводника коробчатого сечения от его геометрических размеров и частоты протекающего тока» выполнена на 67 листах формата А4 пояснительной записки и на 6 листах формата А1 графической части.
Целью работы было исследование зависимости изменения коэффициентов поверхностного эффекта проводника прямоугольного сечения от его геометрических размеров и частоты протекающего тока.
СОДЕРЖАНИЕ
стр
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………
1 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПОВЕРХНОСТНЫЙ
ЭФФЕКТ НА ПРИМЕРЕ ПРОВОДНИКА
ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ……………………
1.1 Одномерная аналитическая
1.1.1 Расчет комплексного сопротивле
1.2 Влияние конечных размеров
плоского проводника
сечения на величину его активного сопротивления……………………………..17
2 МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ па
Электромагнитного поля ПО СЕЧЕНИЮ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ПРОВОДНИКА ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ……………………………...20
2.1 Алгоритм расчета активного и индуктивного сопротивления прямолинейного одиночного проводника прямоугольного сечения в 2D постановке в среде ANSYS v 11.0…………………………………………………20
2.2 Электромагнитные процессы в прямолинейном проводнике
прямоугольного поперечного сечения ………………..………………………….55
3 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ АКТИВНОГО И
ИНДУКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ……………………
Заключение……………………………………………………
список использованных источников………………………………74
ВВЕДЕНИЕ
Скин-эффект (от англ. skin — кожа, оболочка), поверхностный эффект, затухание электромагнитных волн по мере их проникновения в глубь проводящей среды, в результате которого, например, переменный ток по сечению проводника или переменный магнитный поток по сечению магнитопровода распределяются не равномерно, а преимущественно в поверхностном слое. Скин-эффект обусловлен тем, что при распространении электромагнитной волны в проводящей среде возникают вихревые токи в результате чего часть электромагнитной энергии преобразуется в теплоту. Это и приводит к уменьшению напряженностей электрического и магнитного полей и плотности тока, т. е. к затуханию волны.
Чем выше частота электромагни
В случае плоской синусоидальной волны, распространяющейся вдоль оси х в хорошо проводящей, однородной, линейной среде (токами смещения по сравнению с токами проводимости можно пренебречь), амплитуды напряжённостей электрического и магнитного полей затухают по экспоненциальному закону:
где
α - коэффициент затухания, μ - магнитная проницаемость проводника, μ0 - магнитная постоянная, σ – удельная проводимость проводника. На глубине x = α амплитуда волны уменьшается в е раз. Это расстояние называется глубиной проникновения или толщиной скин-слоя. В идеальный проводник (с бесконечно большой проводимостью) электромагнитная волна вовсе не проникает, она полностью от него отражается. Чем меньше расстояние, которое проходит волна, по сравнению с x, тем слабее проявляется скин-эффект.
Скин-эффект часто нежелателен. В проводах переменный ток при сильном скин-эффекте протекает главным образом по поверхностному слою; при этом сечение провода не используется полностью, сопротивление провода и потери мощности в нём при данном токе возрастают. В ферромагнитных пластинах или лентах магнитопроводов трансформаторов, электрических машин и других устройств переменный магнитный поток при сильном скин-эффекте проходит главным образом по их поверхностному слою; вследствие этого ухудшается использование сечения магнитопровода, возрастают намагничивающий ток и потери в стали. «Вредное» влияние скин-эффекта ослабляют уменьшением толщины пластин или ленты, а при достаточно высоких частотах — применением магнитопроводов из магнитодиэлектриков.
Выпускная работа бакалавра выполнялась в соответствии и в рамках проекта № 2.1.2/4159 по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010)».
1 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПОВЕРХНОСТНЫЙ ЭФФЕКТ НА ПРИМЕРЕ ПРОВОДНИКА ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ
1.1. Одномерная аналитическая
На рисунке 1.1 изображен проводник прямоугольного сечения, обтекаемый током I. Поле в проводнике удовлетворяет уравнению Гельмгольца [1].
Рисунок 1.1 Прямоугольный проводник
Внутри проводника существуют электромагнитное поле и ток проводимости. За пределами проводника (удельная проводимость ) ток проводимости отсутствует, но электрическое и магнитное поля существуют. Так как внутреннее и внешнее электромагнитные поля взаимосвязаны, то при решении задачи о расчете поля внутри проводника необходимо знать законы распределения поля и за ее пределами.
Таким образом, при строгом подходе нужно решать задачу о расчете поля во всем пространстве — внутри и за пределами проводника.
Так как эта задача очень сложна для точного аналитического решения, сформулируем такие условия и допущения, при которых задачу о поверхностном эффекте в проводнике можно будет решить приближенно с хорошей точностью. Сначала рассмотрим поле в круглом проводнике (рисунок 1.2).
Рисунок 1.2 Распределение магнитных линий в круглом проводнике
Магнитные линии представляют собой концентрические окружности. В данном примере поток, обусловленный током в проводе, разделяется на две составляющие - внутренний и внешний. Это свойство круглого проводника используется в инженерной практике при определении внутренней индуктивности провода. Как видно из рисунка 1.3, при квадратном сечении провода такое четкое разграничение потоков сделать нельзя, так как контур сечения уже не является силовой линией.
Рисунок 1.3 Распределение магнитных линий в квадратном проводнике
Определим, какое влияние оказывает геометрия проводника на распределение поля в ее объеме. Из рисунка 1.4 следует, что по мере увеличения относительных размеров силовые линии внутри проводника начинают принимать очертания, приближающиеся к форме внешнего контура проводника. Если же отношение (рисунок 1.5), то практически во всем объеме проводника вектор магнитной напряженности становится направленным вдоль большей боковой поверхности проводника, т. е. в сторону координаты . Если теперь пренебречь краевыми эффектами, то для проводника при возможно решение задачи в системе координат (x, y, z) в предположении, что
Рисунок 1.4 Распределение магнитных линий в прямоугольном проводнике
Рисунок 1.5 Распределение магнитных линий в прямоугольном проводнике при
Рисунок 1.6 Прямоугольный проводник
Поставим задачу: рассчитать распределение поля и в объеме прямоугольного проводника (рисунок 1.6) и вычислить ее комплексное сопротивление синусоидальному току, если проводник обтекается током I с частотой ω. Параметры среды: μ, γ. Принятое допущение приводит к уравнению Гельмгольца (индекс х в дальнейшем опустим) относительно вектора электрической напряженности
, (1.1)
где
Решением уравнения (1.1) является совокупность экспоненциальных функций
,
.
Запишем общее решение для , используя второе уравнение Максвелла . Поскольку в рассматриваемом случае , то
.
С учётом (1.2)
.
Далее отыщем постоянные интегрирования С1 и С2. Поскольку исследуемое поле обладает симметрией следовательно, из (1.2) имеем
Очевидно, что последнее равенство справедливо, если С1 = С2 = С/2.
Тогда с учетом условия симметрии выражения (1.2) и (1.5) будут иметь вид соответственно
,
. (1.7)
Постоянная интегрирования С пропорциональна заданному в проводнике току I.
Выделим некоторый участок (рисунок 1.7).
Рисунок 1.7 Выделение малого участка из прямоугольного проводника
Тогда
.
Учтем далее, что и, подставив (1.6) в (1.7), получим
Отсюда находим
.
В итоге окончательное решение для имеет вид:
.
Подстановка (1.9) в (1.7) с учетом (1.1) позволяет получить решение для магнитной напряженности:
. (1.11)
Таким образом, (1.10) и (1.11) есть окончательные выражения для электрической и магнитной напряженностей и в объеме проводника.
Рисунок 1.8 Распределение плотности тока в объеме проводника
Интерес представляет качественный анализ распределения плотности тока в объеме проводника (рисунок 1.8). В соответствии с законом Ома для плотности тока в проводнике имеем
Картина распределения очевидно, будет зависеть от коэффициента распространения
Если на низких частотах параметр мал , то при малом аргументе , , и тогда
Таким образом при этих условиях ток равномерно распределяется по проводнику и поверхностный эффект не проявляется. По мере роста частоты картина изменяется, поскольку с ростом параметра увеличивается неравномерность распределения тока по сечению проводника.
Рисунок 1.9 График функции H(z)
Из графика на рисунке 1.9 видно, что при переходе через начало координат функция H(z) меняет знак. Кроме того, на поверхности проводника , что соответствует закону полного тока. При т. е. при слабо выраженном поверхностном эффекте H(z) изменяется практически по линейному закону. С ростом начинает проявляться поверхностный эффект.
1.1.1 Расчет комплексного сопротивления прямоугольного проводника
Для расчета сопротивления проводника синусоидальному току воспользуемся известной формулой, непосредственно вытекающей из теоремы Пойнтинга:
. (1.12)
Возьмем кусок проводника длиной l (рисунок 1.12) и условимся, что замкнутая поверхность, охватывающая этот проводник, состоит из следующих частей:
Рисунок 1.10 Прямоугольный проводник
Так как на поверхностях Sт и , то потоки энергии поступают в проводник только через боковые вертикальные поверхности слева и справа, а в силу осевой симметрии они одинаковы. Это значит, что
Поскольку в любой плоскости X0Y П=const (как и в плоской волне), то интеграл справа обращается в произведение и тогда
. (1.13)
Подставив (1.10), (1.11) в (1.13) с учетом, что , получим
. (1.14)
Выражение для Z найдем делением (1.14) на квадрат тока
. (1.15)
Рассмотрим (1.15) при малой частоте и ярко выраженном поверхностном эффекте. При («прозрачная» шина) , тогда . Таким образом, (очевидна аналогия постоянному току). Если , то с большой точностью можно считать, что . Следовательно, при ярко выраженном эффекте
Но так как , то активное сопротивление проводника синусоидальному току при ярко выраженном поверхностном эффекте становится равным .
Таким образом, эффективное сечение проводника определяется не ее геометрическими размерами, а удвоенным значением глубины проникновения волны .
1.2 Влияние конечных размеров
плоского проводника
В реальных проводниках прямоугольного поперечного сечения существует краевой эффект, усиливающий значения плотности тока в углах проводника. При этом величина активного сопротивления такого проводника будет больше той, что рассчитана по однородной модели. Для учета этого увеличения необходимо применение двухмерной модели электромагнитного поля. Это возможно сделать только численным моделированием. В [2] численным моделированием распределения плотности тока по сечению прямоугольного проводника получена представленная на рисунке 1.11 зависимость коэффициента поверхностного эффекта . Расчет сделан в двумерной постановке. Величина эквивалентного радиуса изделия, и параметр можно представить как
Из графиков видно, что с уменьшением увеличивается коэффициент , т.е. растет активное сопротивление переменному току за счет усиления краевого эффекта. Коэффициент повышается также при увеличении параметра .
Рисунок 1.11 Зависимость коэффициента поверхностного эффекта изделия прямоугольного сечения от относительной ширины и параметра
На рисунке 1.11 приведен также график /, соответствующий зависимости коэффициента полученной при решении одномерной задачи по толщине плоского изделия. Он совпадает с зависимостью при отношении ширины к толщине изделия .
Кроме этого, приводится график II, соответствующий функции коэффициента , полученного при решении одномерной модели при ярко выраженном поверхностном эффекте и рекомендованного в [2] для изделий с различной формой поперечного сечения. На рисунке 1.11 заштрихована область , в пределах которой универсальная зависимость II , может применяться для расчета активного сопротивления проводника прямоугольного сечения.
Результаты этой модели будут нами использованы для тестирования результатов расчета коэффициента , полученного в программе ANSYS.
2 МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ па
Электромагнитного поля ПО СЕЧЕНИЮ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ПРОВОДНИКА ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ
2.1 Алгоритм расчета активного
и индуктивного сопротивления
прямолинейного одиночного
Рисунок 2.1 Рабочее окно ANSYS Multiphysics Utility Menu
Во вкладке ANSYS Main Menu выбираем параметр Preferences. В появившемся диалоговом окне Preferences for GUI Filtering отмечаем галочкой параметр Magnetic-Nodal (Рисунок 2.2).
Рисунок 2.2 Диалоговое окно Preferences for GUI Filtering
Первым делом нужно задаться материалами и их свойствами. Во вкладке ANSYS Main Menu выбираем параметр Preprocessor - Element Types – Add/Edit/Delete. Появляется диалоговое окно Element Types (Рисунок 2.3).
Рисунок 2.3 Диалоговое окно Element Types
В диалоговом окне Element Types выбираем параметр Add… В появившемся диалоговом окне Library of Element Types выбираем Vect Quad 8nod53 нажимаем Apply, выбираем Vect Quad 8nod53 нажимаем Apply, выбираем 2D Inf Quad 110 нажимаем Ok (Рисунок 2.4).
Рисунок 2.4 Диалоговое окно Library of Element Types
В диалоговом окне Element Types выбираем параметр Options… (Рисунок 2.5).
Рисунок 2.5 Диалоговое окно Element Types
Для каждого элемента задаем свои параметры. Для Type 1 во вкладке Element degree(s) of freedom K1 выбираем AZ VOLT. Для Type 2 во вкладке Element degree(s) of freedom K1 выбираем AZ. Для Type 3 во вкладке Element degrees of freedom K1 выбираем AZ, во вкладке Element behavior K3 выбираем 8-Noded Quad (Рисунок 2.6).
Рисунок 2.6 Диалоговое окно Element type options
Во вкладке ANSYS Main Menu выбираем параметр Preprocessor - Material Props – Material Models. Появляется диалоговое окно Define Material Models Behavior (Рисунок 2.7).
Рисунок 2.7 Диалоговое окно Define Material Models Behavior
В окне Material Models Available выбираем параметр Electromagnetics – Relative Permeability – Constant и задаем величину 1.0 во вкладке MURX. Выбираем параметр Electromagnetics – Resistivity – Constant и задаем величину 2.0e-08 во вкладке RSVX. В строке меню выбираем команду Material – New Model. Для второго материала в окне Material Models Available выбираем параметр Electromagnetics – Relative Permeability – Constant и задаем величину 1.0 во вкладке MURX. После чего закрываем диалоговое окно Define Material Models Behavior (Рисунок 2.8).
Рисунок 2.8 Диалоговое окно Define Material Models Behavior
После чего переходим к построению самой модели. Во вкладке ANSYS Main Menu выбираем параметр Preprocessor - Modeling – Create – Areas – Rectangle – By Dimensions. В диалоговом окне Create Rectangle by Dimensions вносим соответствующие данные (Рисунок 2.9).
Рисунок 2.9 Диалоговое окно Create Rectangle by Dimensions
Во вкладке ANSYS Main Menu выбираем параметр Preprocessor - Modeling – Create – Areas – Circle – By Dimensions. В диалоговом окне Circular Area by Dimensions вносим соответствующие данные (Рисунок 2.10).
Рисунок 2.10 Диалоговое окно Circular Area by Dimensions
Нажимаем Apply, вносим соответствующие данные (Рисунок 2.11).
Рисунок 2.11 Диалоговое окно Circular Area by Dimensions
В строке меню выбираем команду PlotCtrls – Numbering. В диалоговом окне Plot Numbering Control выбираем параметр LINE Line numbers (Рисунок 2.12).
Рисунок 2.12 Диалоговое окно Plot Numbering Control
Во вкладке ANSYS Main Menu выбираем параметр Preprocessor - Modeling – Operate – Booleans – Overlap – Areas и в диалоговом окне Overlap Areas нажимаем Pick All (Рисунок 2.13).
Рисунок 2.13 Диалоговое окно Overlap Areas
Геометрия проводника и его окружающего пространства построена (Рисунок 2.14).
Рисунок 2.14 Рабочее окно ANSYS Multiphysics Utility Menu
Далее накладываем сетку на построенную модель. Во вкладке ANSYS Main Menu выбираем параметр Preprocessor - Meshing– Size Ctrls – Manual Size – Lines – Piced Lines. Далее мышью выбираем линии L1, L2, L3, L4 и нажимаем Apply в диалоговом окне Element Size on Picked (Рисунок 2.15).
Рисунок 2.15 Диалоговое окно Element Size on Picked
В появившемся диалоговом окне Element Size on Picked Lines, во вкладке NDIV No. of elements divisions вводим 20 и нажимаем Apply (Рисунок 2.16).
Рисунок 2.16 Диалоговое окно Element Size on Picked Lines
Мышью выбираем линии L13, L14 и нажимаем Apply в диалоговом окне Element Size on Picked. В появившемся диалоговом окне Element Size on Picked Lines, во вкладке NDIV No. of elements divisions вводим 50 и нажимаем Apply. Мышью выбираем линии L5, L8 и нажимаем Apply в диалоговом окне Element Size on Picked. В появившемся диалоговом окне Element Size on Picked Lines, во вкладке NDIV No. of elements divisions вводим 60 и нажимаем Apply. Мышью выбираем линии L11, L12 и нажимаем Apply в диалоговом окне Element Size on Picked. В появившемся диалоговом окне Element Size on Picked Lines, во вкладке NDIV No. of elements divisions вводим 1 и нажимаем Apply.
Во вкладке ANSYS Main Menu выбираем параметр Preprocessor - Meshing – Mesh Attributes – Picked Areas выделяем область проводника мышью и нажимаем Apply в диалоговом окне Area Attributes (Рисунок 2.17).
Рисунок 2.17 Диалоговое окно Area Attributes
В диалоговом окне Area Attributes во вкладке MAT Material number выбираем параметр 1, а во вкладке TYPE Element type number выбираем параметр 1 PLANE53 и нажимаем Apply (Рисунок 2.18).
Рисунок 2.18 Диалоговое окно Area Attributes
Выделяем область воздуха мышью и нажимаем Apply в диалоговом окне Area Attributes. В диалоговом окне Area Attributes во вкладке MAT Material number выбираем параметр 2, а во вкладке TYPE Element type number выбираем параметр 2 PLANE53 и нажимаем Apply. Выделяем область бесконечности мышью и нажимаем Apply в диалоговом окне Area Attributes. В диалоговом окне Area Attributes во вкладке MAT Material number выбираем параметр 2, а во вкладке TYPE Element type number выбираем параметр 3 INFIN110 и нажимаем Ok.
Во вкладке ANSYS Main Menu выбираем параметр Preprocessor - Meshing – Mesh Tool. В появившемся диалоговом окне MeshTool нажимаем Mesh (Рисунок 2.19).
Рисунок 2.19 Диалоговое окно MeshTool
Мышью выбираем область проводника и нажимаем Apply в диалоговом окне Mesh Areas (Рисунок 2.20).
Рисунок 2.20 Диалоговое окно Mesh Areas
Таким образом получаем наложенную сетку только на наш проводник (Рисунок 2.21).
Рисунок 2.21 Рабочее окно ANSYS Multiphysics Utility Menu
В строке меню выбираем команду Plot – Lines. Мышью выбираем область воздуха и нажимаем Apply в диалоговом окне Mesh Areas (Рисунок 2.20). Получаем наложенную сетку уже на проводник и на воздух. В строке меню выбираем команду Plot – Lines. Мышью выбираем область бесконечности и нажимаем Ok в диалоговом окне Mesh Areas (Рисунок 2.20). Получаем наложенную сетку на проводник, воздух и бесконечность (Рисунок 2.22).
Рисунок 2.22 Рабочее окно ANSYS Multiphysics Utility Menu
Далее нужно задаться граничными условиями. Во вкладке ANSYS Main Menu выбираем параметр Preprocessor - Loads – Analysis Type – New Analysis. В появившемся диалоговом окне New Analysis нажимаем Harmonic (Рисунок 2.23).
Рисунок 2.23 Диалоговое окно New Analysis
Во вкладке ANSYS Main Menu выбираем параметр Preprocessor - Loads – Analysis Type – Analysis Options. В появившемся диалоговом окне Harmonic Analysis выбираем соответствующие параметры и нажимаем Ok (Рисунок 2.24).
Рисунок 2.24 Диалоговое окно Harmonic Analyis
В появившемся диалоговом окне Full Harmonic Analysis, во вкладке [EQSLV] Equation solver выбираем параметр Sparse solver (Рисунок 2.25).
Рисунок 2.25 Диалоговое окно Full Harmonic Analysis
Во вкладке ANSYS Main Menu выбираем параметр Preprocessor - Loads – Load Step Opts – Time/Frequens – Freq and Substps. В появившемся диалоговом окне Harmonic Frequency and Subctep Options во вкладке [HARFRQ] Harmonic freq range выбираем 50; 50 (Рисунок 2.26).
Рисунок 2.26 Диалоговое окно Harmonic Frequency and Subctep Options
В строке меню выбираем команду Select – Entities. В появившемся диалоговом окне Select Entities выбираем соответствующие параметры и нажимаем соответственно Apply – Sele Belo – Replot (Рисунок 2.27).
Рисунок 2.27 Диалоговое окно Select Entities
В строке меню выбираем команду Plot – Nodes и получаем проводник состоящий из узлов (Рисунок 2.28).
Рисунок 2.28 Рабочее окно ANSYS Multiphysics Utility Menu
Во вкладке ANSYS Main Menu выбираем параметр Preprocessor - Coupling/Ceqn – Couple DOFs. В появившемся окне Define Coupled DOFs выбираем параметр Box, затем секущей рамкой выделяем весь проводник и нажимаем Ok (Рисунок 2.29).
Рисунок 2.29 Рабочее окно ANSYS Multiphysics Utility Menu
В появившемся диалоговом окне Define Coupled DOFs выбираем соответствующие параметры (Рисунок 2.30).
Рисунок 2.30 Диалоговое окно Define Coupled DOFs
Получаем следующий вид предста
Рисунок 2.31 Рабочее окно ANSYS Multiphysics Utility Menu
Во вкладке ANSYS Main Menu выбираем параметр Preprocessor - Loads – Define Loads – Apply – Electric – Exication – Impressed Curr – On Nodes. После щелкаем в любой точке и в диалоговом окне Apply AMPS on Nodes нажимаем Ok (Рисунок 2.32).
Рисунок 2.32 Диалоговое окно Apply AMPS on Nodes
В появившемся диалоговом окне Apply AMPS on nodes выбираем соответствующие параметры (Рисунок 2.33).
Рисунок 2.33 Диалоговое окно Apply AMPS on nodes
В строке меню выбираем команду Select – Everything, затем в строке меню выбираем команду Plot – Nodes (Рисунок 2.34).
Рисунок 2.34 Рабочее окно ANSYS Multiphysics Utility Menu
Далее меняем систему координат. В строке меню выбираем команду WorkPlane – Change Active CS to – Global Cylindrical. Далее в строке меню выбираем Select – Entities и в диалоговом окне Select Entities выбираем соответствующие параметры, нажимаем Apply и Replot (Рисунок 2.35).
Рисунок 2.35 Диалоговое окно Select Entities
Во вкладке ANSYS Main Menu выбираем параметр Preprocessor - Loads – Define Loads – Apply – Electric – Magnetic – Flag – Infinite Surf – On Nodes. Затем секущей рамкой выделяем границу и в диалоговом окне Apply INF on Nodesщелкаем нажимаем Ok (Рисунок 2.36).

- Распределенные системы indoor systems
- Распределительная логистика предприятия (на примере ЗАО «Траст»)
- Распространение зикризма
- Рассветное месторождение
- Расследование грабежей и разбоев с проникновением в жилище
- Расследование изнасилований
- Расследование карманных краж
- Рама и подвеска автомобиля КамАЗ
- Ранжирование ХОО
- Раскрой и пошив зимнего пальто
- Раскрытие особенностей малого и среднего бизнеса в регионе Казахстана
- Раскрытие преступлений по горячим следам
- Распорядительные документы администраций сельских поселений
- Распределение налогов в бюджетной системе