第六章工程問題

1、第第 五五 章章準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)下午 10:17:13 在時(shí)變情況下，電磁波不能深入到導(dǎo)體內(nèi)部，交變電流在時(shí)變情況下，電磁波不能深入到導(dǎo)體內(nèi)部，交變電流主要集中在導(dǎo)體表面附近，這種現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。主要集中在導(dǎo)體表面附近，這種現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。1.1.良導(dǎo)體的電的集膚效應(yīng)良導(dǎo)體的電的集膚效應(yīng) 工程問題工程問題xjxyeeEJ0E下 頁(yè)上 頁(yè) 討論平面波從自由空間垂直穿入具有平表面的半無限大討論平面波從自由空間垂直穿入具有平表面的半無限大導(dǎo)電媒質(zhì)的情況。導(dǎo)電媒質(zhì)的情況。設(shè)設(shè)yeEE x00導(dǎo)電媒質(zhì)中正弦電磁波一般解為導(dǎo)電媒質(zhì)中正弦電磁波一般解為ykxykxyyeeEeEE)(0y xE無

2、反射波無反射波第第 五五 章章準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)下午 10:17:13設(shè)計(jì)高頻電磁器件時(shí)必須考慮集膚效應(yīng)的設(shè)計(jì)高頻電磁器件時(shí)必須考慮集膚效應(yīng)的影響，如工程上常用多股絕緣編織線代替影響，如工程上常用多股絕緣編織線代替單根粗導(dǎo)線以削弱單根粗導(dǎo)線以削弱集膚效應(yīng)的影響集膚效應(yīng)的影響下 頁(yè)上 頁(yè)實(shí)際實(shí)際應(yīng)用應(yīng)用給鋼制品進(jìn)行高頻淬火。給鋼制品進(jìn)行高頻淬火。2.2.良導(dǎo)體的交流阻抗計(jì)算良導(dǎo)體的交流阻抗計(jì)算 時(shí)變場(chǎng)中，導(dǎo)體的集膚效應(yīng)使導(dǎo)體的實(shí)際載流面積減小，時(shí)變場(chǎng)中，導(dǎo)體的集膚效應(yīng)使導(dǎo)體的實(shí)際載流面積減小，因而導(dǎo)體的高頻電阻大于低頻和直流電阻。因而導(dǎo)體的高頻電阻大于低頻和直流電阻。例例計(jì)算半無限大導(dǎo)電媒

3、質(zhì)交流阻抗。計(jì)算半無限大導(dǎo)電媒質(zhì)交流阻抗。解法解法1 1SHEdIZS)(1*2 從電磁能量的觀點(diǎn)出發(fā)計(jì)算從電磁能量的觀點(diǎn)出發(fā)計(jì)算第第 五五 章章準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)下午 10:17:13下 頁(yè)上 頁(yè)ykxyyeeEE)(設(shè)設(shè)zkxzzeeHH)(ABCCOzBCzABzOAzOABCzdlHdlHdlHdlHIdlHlHzzkxzeelIH)(ykxyeeZlIE)(0SHEdIZS)(1*20201()xI IZ dSIll0Zlh單位面積阻抗單位面積阻抗00045ZZ210j dj1第第 五五 章章準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)下午 10:17:13下 頁(yè)上 頁(yè) dXR1 dL1結(jié)論結(jié)論雖

4、然導(dǎo)體在雖然導(dǎo)體在x方向伸展到無限遠(yuǎn)，但實(shí)際有效厚方向伸展到無限遠(yuǎn)，但實(shí)際有效厚度只有度只有d，這也是透入深度的另一物理意義。這也是透入深度的另一物理意義。等效電阻和等效電感都是頻率的函數(shù)，隨頻率等效電阻和等效電感都是頻率的函數(shù)，隨頻率增高電阻增大，電感減小。增高電阻增大，電感減小。解法解法2 2 從電路的觀點(diǎn)出發(fā)計(jì)算從電路的觀點(diǎn)出發(fā)計(jì)算IUZkxyeEJ0EdSeEIkx000dxleEkxklE0hEyeEUxx00k0ddjjkZ1210第第 五五 章章準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)下午 10:17:13計(jì)算圓柱導(dǎo)體的交流參數(shù)（設(shè)透入深度計(jì)算圓柱導(dǎo)體的交流參數(shù)（設(shè)透入深度 ） ad 看成平面波

5、對(duì)半無限大平面看成平面波對(duì)半無限大平面導(dǎo)體入射的問題導(dǎo)體入射的問題 ad al2下 頁(yè)上 頁(yè)例例解解h002ZahZlhZ單位長(zhǎng)度交流阻抗單位長(zhǎng)度交流阻抗)(21dajZ單位長(zhǎng)度直流電阻單位長(zhǎng)度直流電阻21aRD交值流電阻的比值交值流電阻的比值2daada2RRDA211若若Hzf S/m. mma8710310852262第第 五五 章章準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)下午 10:17:133. 鄰近效應(yīng)鄰近效應(yīng)（ Proximate Effect ） 通有交變電流的導(dǎo)體彼此放的靠近時(shí)，則每一導(dǎo)體不僅處通有交變電流的導(dǎo)體彼此放的靠近時(shí)，則每一導(dǎo)體不僅處于本身的電磁場(chǎng)中，同時(shí)還處于其他載流導(dǎo)體的電磁場(chǎng)

6、中，使于本身的電磁場(chǎng)中，同時(shí)還處于其他載流導(dǎo)體的電磁場(chǎng)中，使每一導(dǎo)體的電流分布與導(dǎo)體單獨(dú)存在時(shí)不同，這種相互影響稱每一導(dǎo)體的電流分布與導(dǎo)體單獨(dú)存在時(shí)不同，這種相互影響稱為鄰近效應(yīng)。為鄰近效應(yīng)。頻率越高，導(dǎo)體靠得越近，鄰近效應(yīng)愈顯著。鄰頻率越高，導(dǎo)體靠得越近，鄰近效應(yīng)愈顯著。鄰近效應(yīng)與集膚效應(yīng)共存，它會(huì)使導(dǎo)體的電流分布更不均勻。近效應(yīng)與集膚效應(yīng)共存，它會(huì)使導(dǎo)體的電流分布更不均勻。下 頁(yè)上 頁(yè)第第 五五 章章準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)下午 10:17:13 渦流渦流（Eddy Current ） 當(dāng)導(dǎo)體置于交變的磁場(chǎng)中，與磁場(chǎng)當(dāng)導(dǎo)體置于交變的磁場(chǎng)中，與磁場(chǎng)正交的曲面上將產(chǎn)生閉合的感應(yīng)電流，正交的曲面

7、上將產(chǎn)生閉合的感應(yīng)電流，即渦流即渦流。其特點(diǎn)：其特點(diǎn)： 工程應(yīng)用：疊片鐵芯（電機(jī)、變壓器、電抗器等）、電工程應(yīng)用：疊片鐵芯（電機(jī)、變壓器、電抗器等）、電磁屏蔽、電磁爐等都有渦流的問題。磁屏蔽、電磁爐等都有渦流的問題。4.4.磁的集膚效應(yīng)磁的集膚效應(yīng)渦流及渦流損耗渦流及渦流損耗下 頁(yè)上 頁(yè)熱效應(yīng)熱效應(yīng)去磁效應(yīng)去磁效應(yīng)渦流是自由電子的定向運(yùn)渦流是自由電子的定向運(yùn)動(dòng)，與傳導(dǎo)電流有相同的熱效應(yīng)，產(chǎn)生渦流損耗。動(dòng)，與傳導(dǎo)電流有相同的熱效應(yīng)，產(chǎn)生渦流損耗。渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)力圖抵消原磁場(chǎng)的變化。渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)力圖抵消原磁場(chǎng)的變化。滯后效應(yīng)滯后效應(yīng)渦流影響使空間磁場(chǎng)的變化落后于場(chǎng)源的變化。渦流影響使空間磁場(chǎng)的變

8、化落后于場(chǎng)源的變化。第第 五五 章章準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)下午 10:17:13 渦流場(chǎng)分布渦流場(chǎng)分布以變壓器鐵芯疊片為例，研究薄導(dǎo)板中的渦流場(chǎng)分布。以變壓器鐵芯疊片為例，研究薄導(dǎo)板中的渦流場(chǎng)分布。假設(shè)：假設(shè)：下 頁(yè)上 頁(yè) ，場(chǎng)量?jī)H是，場(chǎng)量?jī)H是 x 的函數(shù)；的函數(shù)；ah, l ，E,J 分布在平行于分布在平行于xoy 的的平面，且僅有平面，且僅有 y分量；分量；zzB eB 0 BBz 磁場(chǎng)為正弦函數(shù)，呈磁場(chǎng)為正弦函數(shù)，呈 y 軸對(duì)稱，且軸對(duì)稱，且 x = 0時(shí)，時(shí)，第第 五五 章章準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)下午 10:17:13故故當(dāng)當(dāng) x = 0 時(shí)時(shí)/2)0(0BHHzZzkxzkxzz

9、eeHeHH)(看成平面波問題看成平面波問題由對(duì)稱條件由對(duì)稱條件 ) 2/() 2/(aHaHzzkazkazkazkazeHeHeHeH2222zzHH)(2)(kxchHeeeHHzzkxkxzz/ )(0kxchBHZ)(0kxchBBz)(2)(00kxshHZeeHeHZEzzkxzkxzy下 頁(yè)上 頁(yè)第第 五五 章章準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)下午 10:17:13)()()(00kxshEkxshBkxEy)(0kxshJJydjj2jk)1 ()1 (結(jié)論結(jié)論去磁效應(yīng)的結(jié)果使薄板中心處磁場(chǎng)去磁效應(yīng)的結(jié)果使薄板中心處磁場(chǎng)最小，也稱磁的集膚效應(yīng)，工程上最小，也稱磁的集膚效應(yīng)，工程上用用

10、Bz/B0曲線表示材料的集膚程度；曲線表示材料的集膚程度；)21()2()2(0dajchakchBaBz以電工鋼片為例，設(shè)以電工鋼片為例，設(shè) ms /10100070下 頁(yè)上 頁(yè)xy0a/2B0Jy- -a/2第第 五五 章章準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)下午 10:17:135050013 . 25 . 44 .42 .27 . 0)(Hzf)(mmada/0/ BBz20005 . 05 . 05 . 0下 頁(yè)上 頁(yè)電流密度的方向在板的左右兩側(cè)反向形成渦流，渦流表面電流密度的方向在板的左右兩側(cè)反向形成渦流，渦流表面密度大，中心為零，產(chǎn)生的磁場(chǎng)造成板中磁場(chǎng)分布不均勻。密度大，中心為零，產(chǎn)生的磁場(chǎng)

11、造成板中磁場(chǎng)分布不均勻。 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí), , 集膚效應(yīng)嚴(yán)重，集膚效應(yīng)嚴(yán)重，若頻率不變，必須減小鋼片厚度，若頻率不變，必須減小鋼片厚度，Hzf2000mma5 . 0若取若取mma05.01/0BBz第第 五五 章章準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)下午 10:17:13渦流損耗渦流損耗（Eddy Loss） 渦流在導(dǎo)板中引起的損耗稱渦流損耗，它不僅引起能量損渦流在導(dǎo)板中引起的損耗稱渦流損耗，它不僅引起能量損耗，而且造成溫升影響電氣設(shè)備的正常工作。由焦耳定律計(jì)耗，而且造成溫升影響電氣設(shè)備的正常工作。由焦耳定律計(jì)算體積算體積V中的渦流損耗為中的渦流損耗為KachKaKashKaKalhBVPVzavyecos

12、sin2d1222J下 頁(yè)上 頁(yè) 渦流損耗渦流損耗 若要減少若要減少 Pe , ,必須減必須減小小 （采用硅鋼），減?。ú捎霉桎摚?，減小 a（采用疊片），提高（采用疊片），提高 但要考但要考慮磁滯損耗。慮磁滯損耗。，1, aPe 研究渦流問題具有實(shí)際意義（高頻淬火、渦流的熱效應(yīng)、研究渦流問題具有實(shí)際意義（高頻淬火、渦流的熱效應(yīng)、磁懸浮、電磁振動(dòng)、電磁屏蔽等）。磁懸浮、電磁振動(dòng)、電磁屏蔽等）。 結(jié)論結(jié)論第第 五五 章章準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)下午 10:17:135.5.電磁兼容簡(jiǎn)介電磁兼容簡(jiǎn)介 電磁兼容電磁兼容是在有限空間、時(shí)間、頻譜資源條件下，各是在有限空間、時(shí)間、頻譜資源條件下，各種用電設(shè)

13、備（生物）可以共存，不致于引起降級(jí)的一門科學(xué)。種用電設(shè)備（生物）可以共存，不致于引起降級(jí)的一門科學(xué)。即電磁干擾與抗電磁干擾問題。即電磁干擾與抗電磁干擾問題。雷電、太陽(yáng)黑子、磁暴、沙暴、地球磁場(chǎng)等。電磁干擾源人為干擾人為干擾源源自然干擾源自然干擾源核電脈沖核電脈沖 通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)靜電放電靜電放電氣體放電燈氣體放電燈電牽引系統(tǒng)電牽引系統(tǒng)電力傳輸系統(tǒng)電力傳輸系統(tǒng)熒光燈、高壓汞燈、放電管等產(chǎn)生的放電噪音；身著化纖衣物、腳穿與地絕緣的鞋子的人運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)積累一定靜電荷，當(dāng)人接觸金屬后會(huì)放電；各種無線電廣播、電視臺(tái)、雷達(dá)站、通信設(shè)備等工作時(shí)，都要輻射強(qiáng)能量的電磁波。繼電器接觸開斷、核磁共振檢測(cè)電氣化鐵道、

14、有軌無軌電車上的受電弓與電網(wǎng)線間的放電和電力電子器件整流后的電流諧波分量（0.1150 kHz） ；高壓傳輸線絕緣子的電暈放電；高壓傳輸線中電流與電壓的諧波分量；高壓傳輸線之間的鄰近效應(yīng) ；下 頁(yè)上 頁(yè)第第 五五 章章準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)下午 10:17:13抗電磁干擾的兩個(gè)主要措施：接地、電磁屏蔽。抗電磁干擾的兩個(gè)主要措施：接地、電磁屏蔽。接接 地地 在金屬體與大地之間建立低阻抗電路。在金屬體與大地之間建立低阻抗電路。 如設(shè)備外殼接如設(shè)備外殼接地，建筑體安裝避雷針等，使雷電、過電流、漏電流等直地，建筑體安裝避雷針等，使雷電、過電流、漏電流等直接引入大地。接引入大地。 系統(tǒng)內(nèi)部帶電體接參考

15、點(diǎn)（不一定與大地相連）。如每系統(tǒng)內(nèi)部帶電體接參考點(diǎn)（不一定與大地相連）。如每一樓層的參考點(diǎn)，儀器的一樓層的參考點(diǎn)，儀器的“機(jī)殼接地機(jī)殼接地” ” 、高壓帶電操作等。、高壓帶電操作等。以保證設(shè)備、系統(tǒng)內(nèi)部的電磁兼容。以保證設(shè)備、系統(tǒng)內(nèi)部的電磁兼容。下 頁(yè)上 頁(yè)保護(hù)接地保護(hù)接地 工作接地工作接地 第第 五五 章章準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)下午 10:17:13 應(yīng)當(dāng)避免屏蔽的諧振現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)避免屏蔽的諧振現(xiàn)象 當(dāng)電磁波頻率與屏蔽體固有當(dāng)電磁波頻率與屏蔽體固有頻率相等時(shí)，發(fā)生諧振，頻率相等時(shí)，發(fā)生諧振， 使屏蔽效能急劇下降，甚至加強(qiáng)使屏蔽效能急劇下降，甚至加強(qiáng)原電磁場(chǎng)。原電磁場(chǎng)。磁屏蔽磁屏蔽 在低頻或恒定磁場(chǎng)中，利用磁通總是走磁阻小的在低頻或恒定磁場(chǎng)中，利用磁通總是走磁阻小的路徑的原理，采用有一定厚度的鐵磁材料。路徑的原理，采用有一定厚度的鐵磁材料。電磁屏蔽電磁屏蔽電屏蔽電屏蔽 在任何頻率下，利用電力線總是走電阻小的路在任何頻率下，利用電力線總是走電阻小的路徑的原理，采用金屬屏蔽材料，且接地。徑的原理，采用金屬屏蔽材料，且接地。 在高頻下，利用電磁波在良導(dǎo)體中很快衰減的原理，在高頻下，利用電磁波在良導(dǎo)體中很快衰減的原理， 選擇透入深度選擇透入深度d 小且具有一定厚度（小且具有一定厚度（h 2 d）的金屬（非鐵