工程电磁场导论第六1章.ppt
在时变情况下，电磁波不能深入到导体内部，交变电流主要集中在导体表面附近，这种现象称为集肤效应。,1.良导体的电的集肤效应,工程问题,下 页,上 页,讨论平面波从自由空间垂直穿入具有平表面的半无限大导电媒质的情况。,设,导电媒质中正弦电磁波一般解为,无反射波,设计高频电磁器件时必须考虑集肤效应的影响，如工程上常用多股绝缘编织线代替单根粗导线以削弱集肤效应的影响,下 页,上 页,实际应用,给钢制品进行高频淬火。,2.良导体的交流阻抗计算,时变场中，导体的集肤效应使导体的实际载流面积减小，因而导体的高频电阻大于低频和直流电阻。,例,计算半无限大导电媒质交流阻抗。,解法1,从电磁能量的观点出发计算,下 页,上 页,设,单位面积阻抗,下 页,上 页,结论,虽然导体在x方向伸展到无限远，但实际有效厚度只有d，这也是透入深度的另一物理意义。,等效电阻和等效电感都是频率的函数，随频率增高电阻增大，电感减小。,解法2,从电路的观点出发计算,计算圆柱导体的交流参数（设透入深度）,看成平面波对半无限大平面导体入射的问题,下 页,上 页,例,解,h,单位长度交流阻抗,单位长度直流电阻,交值流电阻的比值,若,3.邻近效应（Proximate Effect）,通有交变电流的导体彼此放的靠近时，则每一导体不仅处于本身的电磁场中，同时还处于其他载流导体的电磁场中，使每一导体的电流分布与导体单独存在时不同，这种相互影响称为邻近效应。频率越高，导体靠得越近，邻近效应愈显著。邻近效应与集肤效应共存，它会使导体的电流分布更不均匀。,下 页,上 页,涡流（Eddy Current）,当导体置于交变的磁场中，与磁场正交的曲面上将产生闭合的感应电流，即涡流。其特点：,工程应用：叠片铁芯（电机、变压器、电抗器等）、电磁屏蔽、电磁炉等都有涡流的问题。,4.磁的集肤效应涡流及涡流损耗,下 页,上 页,热效应,去磁效应,涡流是自由电子的定向运动，与传导电流有相同的热效应，产生涡流损耗。,涡流产生的磁场力图抵消原磁场的变化。,滞后效应,涡流影响使空间磁场的变化落后于场源的变化。,涡流场分布,以变压器铁芯叠片为例，研究薄导板中的涡流场分布。,假设：,下 页,上 页,，场量仅是 x 的函数；,，E,J 分布在平行于xoy 的平面，且仅有 y分量；,磁场为正弦函数，呈 y 轴对称，且 x=0时，,故,当 x=0 时,看成平面波问题,由对称条件,下 页,上 页,结论,去磁效应的结果使薄板中心处磁场最小，也称磁的集肤效应，工程上用Bz/B0曲线表示材料的集肤程度；,以电工钢片为例，设,下 页,上 页,下 页,上 页,电流密度的方向在板的左右两侧反向形成涡流，涡流表面密度大，中心为零，产生的磁场造成板中磁场分布不均匀。,当 时,集肤效应严重，若频率不变，必须减小钢片厚度，,若取,涡流损耗（Eddy Loss）,涡流在导板中引起的损耗称涡流损耗，它不仅引起能量损耗，而且造成温升影响电气设备的正常工作。由焦耳定律计算体积V中的涡流损耗为,下 页,上 页,涡流损耗 若要减少 Pe,必须减小（采用硅钢），减小 a（采用叠片），提高 但要考虑磁滞损耗。,研究涡流问题具有实际意义（高频淬火、涡流的热效应、磁悬浮、电磁振动、电磁屏蔽等）。,结论,5.电磁兼容简介,电磁兼容是在有限空间、时间、频谱资源条件下，各种用电设备（生物）可以共存，不致于引起降级的一门科学。即电磁干扰与抗电磁干扰问题。,雷电、太阳黑子、磁暴、沙暴、地球磁场等。,电磁干扰源,人为干扰源,自然干扰源,荧光灯、高压汞灯、放电管等产生的放电噪音；,身着化纤衣物、脚穿与地绝缘的鞋子的人运动时，会积累一定静电荷，当人接触金属后会放电；,各种无线电广播、电视台、雷达站、通信设备等工作时，都要辐射强能量的电磁波。,继电器接触开断、核磁共振检测,电气化铁道、有轨无轨电车上的受电弓与电网线间的放电和电力电子器件整流后的电流谐波分量（0.1150 kHz）；,高压传输线绝缘子的电晕放电；高压传输线中电流与电压的谐波分量；高压传输线之间的邻近效应；,下 页,上 页,抗电磁干扰的两个主要措施：接地、电磁屏蔽。,接 地,在金属体与大地之间建立低阻抗电路。如设备外壳接地，建筑体安装避雷针等，使雷电、过电流、漏电流等直接引入大地。,系统内部带电体接参考点（不一定与大地相连）。如每一楼层的参考点，仪器的“机壳接地”、高压带电操作等。以保证设备、系统内部的电磁兼容。,下 页,上 页,保护接地,工作接地,应当避免屏蔽的谐振现象 当电磁波频率与屏蔽体固有频率相等时，发生谐振，使屏蔽效能急剧下降，甚至加强原电磁场。,磁屏蔽 在低频或恒定磁场中，利用磁通总是走磁阻小的路径的原理，采用有一定厚度的铁磁材料。,电磁屏蔽,电屏蔽 在任何频率下，利用电力线总是走电阻小的路径的原理，采用金属屏蔽材料，且接地。,在高频下，利用电磁波在良导体中很快衰减的原理，选择透入深度d 小且具有一定厚度（h2d）的金属（非铁磁）材料。,下 页,上 页,双层铜皮屏蔽室门,下 页,返 回,双层铜皮屏蔽室门,下 页,上 页,返 回,屏 蔽 室,下 页,上 页,返 回,屏蔽实验控制室,下 页,上 页,返 回,屏蔽室接地器,上 页,返 回,
