1. Efecto piel
El efecto piel también se conoce como efecto superficie.
Cuando fluye corriente continua a través de un conductor, la densidad de corriente en todos los puntos de la sección transversal del conductor es igual.
Sin embargo, cuando fluye corriente alterna a través de un conductor, la densidad de corriente en la sección transversal del conductor es más baja en el centro y más alta en la superficie.
Cuando la frecuencia de la corriente es lo suficientemente alta, es posible que el centro del conductor no tenga corriente y toda la corriente se concentre en la capa superficial del conductor.
Este fenómeno se conoce como efecto superficial de la corriente de alta frecuencia y el efecto superficial de la corriente de alta frecuencia en un conductor cilíndrico se muestra en la Figura 1.
Fig. 1 Efecto cutáneo de la corriente de alta frecuencia.
La razón del efecto piel es que cuando la corriente alterna fluye a través de un conductor, produce simultáneamente un campo magnético alrededor del conductor.
Este campo magnético genera una fuerza electromotriz autoinducida en el conductor, que tiene una dirección opuesta a la fuerza electromotriz original.
La fuerza electromotriz autoinducida es más fuerte en el centro del conductor cilíndrico y más débil en la superficie.
La cancelación de la fuerza electromotriz original por la fuerza electromotriz autoinducida da como resultado una densidad de corriente superficial máxima y una densidad de corriente central mínima para la corriente de alta frecuencia, creando el efecto piel.
Debido al efecto piel, la densidad de corriente en la sección transversal del conductor disminuye exponencialmente desde la superficie hacia el centro.
La densidad de corriente I x a una distancia x de la superficie viene dada por la Ecuación 1.
Dónde,
- EU 0 – densidad de corriente superficial (máxima)
- C-velocidad de la luz
- μ – Permeabilidad del material conductor
- ρ – Resistividad del material conductor
- f – Frecuencia actual
En ingeniería, la profundidad desde la superficie del conductor hasta el punto donde la amplitud de I x cae a 1/e de I0 (donde e=2,718, por lo que 1/e ≈ 36,79%) se llama profundidad de penetración de corriente, denotada por δ . Se puede calcular usando la Ecuación 2.
Como se muestra en la ecuación anterior, la profundidad de penetración actual δ está relacionada con ρ, μ y f. Cuando ρ aumenta y μ, f disminuye, δ aumentará. Los cálculos teóricos muestran que dentro de la capa de profundidad de penetración actual de δ, el calor generado por la corriente representa el 86,5% del calor total generado por la corriente.
La ecuación 2 también muestra que cuando la frecuencia actual f permanece constante, se pueden lograr diferentes profundidades de penetración de corriente siempre que ρ y μ cambien. Los materiales tienen diferentes ρ y μ a diferentes temperaturas, lo que resulta en diferentes profundidades de penetración de corriente a diferentes temperaturas.
Fig. 2 La relación entre la permeabilidad magnética, la resistividad eléctrica del acero y la temperatura de calentamiento.
La Figura 2 muestra la relación entre la permeabilidad magnética μ y la resistividad eléctrica ρ del acero y la temperatura de calentamiento.
Se puede observar que la resistividad eléctrica del acero aumenta al aumentar la temperatura de calentamiento. A 800-900°C, la resistividad de varios tipos de acero es básicamente la misma, alrededor de 10-4 Ω·cm. La permeabilidad magnética μ permanece básicamente sin cambios por debajo del punto de transformación magnética A2 o del punto de transformación ferrita-austenita, pero cae bruscamente cuando excede A2 o se transforma en austenita.
Sustituyendo los valores de ρ y μ a temperatura ambiente o 800-900°C en la Ecuación 2, se puede obtener la siguiente expresión simplificada:
A 20ºC,
A 800 ℃,
La profundidad de penetración actual a 20 °C se denomina generalmente "profundidad de penetración actual en estado frío", mientras que la profundidad de penetración actual a 800 °C, denominada δ800, se denomina "profundidad de penetración actual en estado caliente". " .
2. Efecto proximidad
La distribución de la corriente alterna dentro de un conductor está influenciada por la corriente alterna en los conductores cercanos, un fenómeno conocido como efecto de proximidad.
En aplicaciones prácticas, el efecto de proximidad se manifiesta principalmente en dos situaciones.
(1) Cuando dos conductores paralelos transportan corrientes alternas iguales en direcciones opuestas, la corriente se concentra en la capa superficial interna de los dos conductores y el campo magnético se fortalece entre los dos conductores, mientras que el campo magnético en el lado exterior del Los conductores están debilitados. La Figura 3a muestra el caso de corrientes opuestas.
Figura 3 Manifestación del efecto proximidad en un autobús rectangular.
a – Corrientes opuestas
b – Corrientes en la misma dirección
(2) Cuando dos conductores paralelos transportan corrientes alternas iguales en la misma dirección, la corriente se concentra en la capa superficial exterior de los dos conductores y el campo magnético entre los dos conductores es más débil, mientras que el campo magnético en el lado exterior de los conductores es más débil reforzado debido a la superposición mutua. La Figura 3b muestra el caso de corrientes en la misma dirección.
Fig. 4 Rendimiento del efecto de proximidad en calentamiento por inducción
- Conductor de tubo redondo monopolo A para calefacción de placa plana
- Conductor de tubo cuadrado unipolar b para calefacción de placa plana
- c – calentamiento de piezas cilíndricas sólidas cuando la holgura del inductor del cilindro es igual
- d – calentamiento de piezas cilíndricas sólidas cuando la holgura del inductor del cilindro no es igual
El efecto de proximidad también se manifiesta entre la bobina de inducción y la pieza que se está calentando, como se muestra en la Figura 4 para el efecto de proximidad durante el calentamiento por inducción.
La Figura 4a muestra la corriente parásita en forma de arco en una placa plana calentada por un alambre tubular circular unipolar, correspondiente a la distribución de corriente en el alambre tubular circular;
La figura 4b muestra la capa recta de corrientes parásitas sobre la placa plana calentada por un alambre tubular cuadrado unipolar;
La Figura 4c muestra las capas de corriente par y corriente parásita en una parte cilíndrica sólida calentada por una bobina circular, con espacios iguales entre la bobina y la parte en todas las ubicaciones;
La Figura 4d muestra las capas de corriente desigual y corrientes de Foucault debido a espacios desiguales entre la parte cilíndrica y la bobina circular, con capas de corriente y corrientes de Foucault más gruesas en lugares con espacios más pequeños y capas más delgadas en lugares con espacios más grandes.
3. Efecto anillo
Cuando la corriente de alta frecuencia fluye a través de un conductor circular en forma de anillo, la densidad de corriente máxima se distribuye en el lado interior del conductor en forma de anillo, un fenómeno conocido como efecto piel. El efecto piel es esencialmente el efecto de proximidad de un inductor de anillo circular.
La figura 5 muestra un diagrama esquemático del efecto piel sobre un anillo circular.
Fig.5 Diagrama esquemático del efecto anillo.
Usando el principio del efecto piel, podemos explicar la diferencia significativa en la eficiencia de calentamiento cuando usamos el mismo inductor circular para calentar la superficie exterior de una pieza cilíndrica y la superficie interior de una pieza cilíndrica con un orificio pasante, como se muestra en la Figura 6.
La figura 6 muestra el uso de un inductor circular para calentar una pieza cilíndrica y una pieza cilíndrica con un orificio pasante por separado. La eficiencia de calentamiento de las dos piezas de trabajo es significativamente diferente debido al efecto piel.
Fig. 6 Calentamiento de piezas cilíndricas y piezas de orificio redondo con inductores anulares
b1 – ancho de calentamiento de la superficie cilíndrica
b2 – ancho de calentamiento de la superficie interior del agujero
la Liberación; φ- flujo magnético
Al calentar la superficie exterior de una pieza cilíndrica, el calentamiento es intenso y la temperatura aumenta rápidamente, lo que da como resultado un área de calentamiento más amplia de b1. Por otro lado, cuando se calienta la superficie interior de una pieza cilíndrica con un orificio pasante, el calentamiento es suave y la temperatura aumenta lentamente, lo que da como resultado un área de calentamiento de b2 más estrecha. En la figura se puede observar que b1 ≥ b2, aunque las brechas en ambos casos son iguales a a.
Debido al efecto piel, la corriente de alta frecuencia se concentra en el lado interior del inductor. Al calentar la superficie interior de una pieza cilíndrica, el espacio real entre la pieza y el inductor es mucho mayor, lo que da como resultado una intensidad de corriente parásita significativamente menor en la superficie interior del orificio pasante en comparación con la superficie exterior de la pieza cilíndrica. . Esto conduce a un calentamiento más suave de la superficie interior del orificio pasante.
4. Efecto de ranura del núcleo magnético
Cuando se coloca un conductor de cobre rectangular en la ranura de un núcleo magnético, la corriente de alta frecuencia fluye sólo a través de la capa superficial del conductor en la abertura del núcleo magnético. Este fenómeno se conoce como efecto de ranura del núcleo magnético, como se muestra en la Figura 7.
Fig. 7 efecto de muesca del conductor magnético
H – intensidad del campo magnético; Corriente I de alta frecuencia
El núcleo magnético tiene alta permeabilidad magnética y baja resistencia magnética. El flujo magnético generado por el conductor portador de corriente se concentrará a través del núcleo magnético en el fondo de la ranura.
Aunque el conductor en la parte inferior de la ranura tiene la conexión de flujo magnético más grande, también genera una gran cantidad de fuerza electromotriz autoinducida.
Asimismo, el conductor en la abertura del intersticio genera la fuerza electromotriz autoinducida más pequeña. Como resultado, la corriente de alta frecuencia se ve obligada a fluir a través de esta área.
Fig. 8 Distribución efectiva de corriente de bobina, imán conductor e inductor
Imán 1 conductor
Bobina inductora efectiva 2
3 cadenas
Al utilizar el efecto de hendidura del núcleo magnético, podemos dirigir la corriente de alta frecuencia a la superficie exterior del inductor circular, mejorando así la eficiencia de calentamiento de la superficie interior del orificio pasante. Los giros efectivos del inductor, el núcleo magnético y la distribución de corriente se muestran en la Figura 8.
