1. Efeito de pele
O efeito de pele também é conhecido como efeito de superfície.
Quando a corrente contínua flui através de um condutor, a densidade de corrente em todos os pontos da seção transversal do condutor é igual.
No entanto, quando a corrente alternada flui através de um condutor, a densidade de corrente na seção transversal do condutor é menor no meio e maior na superfície.
Quando a frequência da corrente é suficientemente alta, o centro do condutor pode não ter corrente e toda a corrente está concentrada na camada superficial do condutor.
Este fenômeno é conhecido como efeito de superfície da corrente de alta frequência, e o efeito pelicular da corrente de alta frequência em um condutor cilíndrico é mostrado na Figura 1.
Fig. 1 efeito pelicular da corrente de alta frequência
A razão para o efeito pelicular é que, quando a corrente alternada flui através de um condutor, ela produz simultaneamente um campo magnético ao redor do condutor.
Este campo magnético gera uma força eletromotriz auto-induzida no condutor, que tem direção oposta à força eletromotriz original.
A força eletromotriz auto-induzida é mais forte no centro do condutor cilíndrico e mais fraca na superfície.
O cancelamento da força eletromotriz original pela força eletromotriz auto-induzida resulta na densidade máxima de corrente de superfície e na densidade mínima de corrente central para corrente de alta frequência, criando o efeito de pele.
Devido ao efeito pelicular, a densidade de corrente na seção transversal do condutor diminui exponencialmente da superfície para o centro.
A densidade de corrente Ix a uma distância x da superfície é dado pela Equação 1.
Onde,
- EU0 – densidade de corrente superficial (máxima)
- C – velocidade da luz
- μ – Permeabilidade do material condutor
- ρ – Resistividade do material condutor
- f – Frequência atual
Na engenharia, a profundidade da superfície do condutor até o ponto onde a amplitude de Ix cai para 1/e de I0 (onde e=2,718, então 1/e ≈ 36,79%) é chamada de profundidade de penetração atual, denotada por δ. Pode ser calculado usando a Equação 2.
Conforme mostrado na equação acima, a profundidade de penetração atual δ está relacionada a ρ, μ e f. Quando ρ aumenta e μ, f diminui, δ aumentará. Cálculos teóricos mostram que dentro da atual camada de profundidade de penetração de δ, o calor gerado pela corrente representa 86,5% do calor total gerado pela corrente.
A Equação 2 também mostra que quando a frequência atual f permanece constante, diferentes profundidades de penetração de corrente podem ser alcançadas, desde que ρ e μ mudem. Os materiais têm ρ e μ diferentes em temperaturas diferentes, resultando em diferentes profundidades de penetração de corrente em diferentes temperaturas.
Fig. 2 A relação entre a permeabilidade magnética, resistividade elétrica do aço e temperatura de aquecimento.
A Figura 2 mostra a relação entre a permeabilidade magnética μ e a resistividade elétrica ρ do aço e a temperatura de aquecimento.
Pode-se observar que a resistividade elétrica do aço aumenta com o aumento da temperatura de aquecimento. A 800-900°C, a resistividade de vários tipos de aço é basicamente igual, em torno de 10-4 Ω·cm. A permeabilidade magnética μ permanece basicamente inalterada abaixo do ponto de transformação magnética A2 ou do ponto de transformação ferrita-austenita, mas cai drasticamente quando excede A2 ou se transforma em austenita.
Substituindo os valores de ρ e μ à temperatura ambiente ou 800-900°C na Equação 2, a seguinte expressão simplificada pode ser obtida:
A 20ºC,
A 800 ℃,
A profundidade de penetração da corrente a 20°C é geralmente referida como “profundidade de penetração da corrente no estado frio”, enquanto a profundidade de penetração da corrente a 800°C, denotada como δ800, é referida como “profundidade de penetração da corrente no estado quente”. .
2. Efeito de proximidade
A distribuição da corrente alternada dentro de um condutor é influenciada pela corrente alternada nos condutores próximos, fenômeno conhecido como efeito de proximidade.
Em aplicações práticas, o efeito de proximidade manifesta-se principalmente em duas situações.
(1) Quando dois condutores paralelos transportam correntes alternadas iguais em direções opostas, a corrente é concentrada na camada superficial interna dos dois condutores, e o campo magnético é fortalecido entre os dois condutores, enquanto o campo magnético no lado externo do condutores está enfraquecido. A Figura 3a mostra o caso de correntes opostas.
Figura 3 Manifestação do efeito de proximidade em um barramento retangular.
a – Correntes Opostas
b – Correntes na Mesma Direção
(2) Quando dois condutores paralelos transportam correntes alternadas iguais na mesma direção, a corrente está concentrada na camada superficial externa dos dois condutores, e o campo magnético entre os dois condutores é mais fraco, enquanto o campo magnético no lado externo de os condutores são reforçados devido à superposição mútua. A Figura 3b mostra o caso de correntes no mesmo sentido.
Fig. 4 desempenho do efeito de proximidade no aquecimento por indução
- condutor de tubo redondo a-monopolo para aquecimento de placa plana
- condutor de tubo quadrado b-unipolar para aquecimento de placa plana
- c – aquecimento de peças cilíndricas sólidas quando a folga do indutor do cilindro é igual
- d – aquecimento de peças cilíndricas sólidas quando a folga do indutor do cilindro não é igual
O efeito de proximidade também se manifesta entre a bobina de indução e a peça que está sendo aquecida, conforme mostrado na Figura 4 para efeito de proximidade durante o aquecimento por indução.
A Figura 4a mostra a corrente parasita em forma de arco em uma placa plana aquecida por um fio tubular circular unipolar, correspondendo à distribuição de corrente no fio tubular circular;
A Figura 4b mostra a camada reta de correntes parasitas na placa plana aquecida por um fio tubular quadrado unipolar;
A Figura 4c mostra as camadas de corrente par e de corrente parasita em uma peça cilíndrica sólida aquecida por uma bobina circular, com intervalos iguais entre a bobina e a peça em todos os locais;
A Figura 4d mostra as camadas desiguais de corrente e corrente parasita devido a lacunas desiguais entre a peça cilíndrica e a bobina circular, com correntes mais espessas e camadas de corrente parasita em locais com lacunas menores e camadas mais finas em locais com lacunas maiores.
3. Efeito de anel
Quando a corrente de alta frequência flui através de um condutor circular em forma de anel, a densidade máxima de corrente é distribuída no lado interno do condutor em forma de anel, um fenômeno conhecido como efeito pelicular. O efeito pelicular é essencialmente o efeito de proximidade de um indutor de anel circular.
A Figura 5 mostra um diagrama esquemático do efeito pele em um anel circular.
Fig. 5 Diagrama esquemático do efeito anel
Utilizando o princípio do efeito pelicular, podemos explicar a diferença significativa na eficiência de aquecimento ao usar o mesmo indutor circular para aquecer a superfície externa de uma peça cilíndrica e a superfície interna de uma peça cilíndrica com furo passante, conforme mostrado na Figura 6.
A Figura 6 mostra o uso de um indutor circular para aquecer uma peça cilíndrica e uma peça cilíndrica com furo passante separadamente. A eficiência de aquecimento das duas peças de trabalho é significativamente diferente devido ao efeito pelicular.
Fig. 6 aquecimento de peças cilíndricas e peças de furo redondo com indutores de anel
b1 – largura de aquecimento da superfície cilíndrica
b2 – largura de aquecimento da superfície interna do furo
a – liberação; φ- Fluxo magnético
Ao aquecer a superfície externa de uma peça cilíndrica, o aquecimento é intenso e a temperatura aumenta rapidamente, resultando em uma área de aquecimento mais ampla de b1. Por outro lado, ao aquecer a superfície interna de uma peça cilíndrica com furo passante, o aquecimento é suave e a temperatura aumenta lentamente, resultando em uma área de aquecimento mais estreita de b2. Pela figura pode-se observar que b1 ≥ b2, embora as lacunas em ambos os casos sejam iguais a a.
Devido ao efeito pelicular, a corrente de alta frequência está concentrada no lado interno do indutor. Ao aquecer a superfície interna de uma peça cilíndrica, a verdadeira lacuna entre a peça e o indutor é muito maior do que a, resultando em uma intensidade de corrente parasita significativamente menor na superfície interna do furo passante em comparação com a superfície externa da peça cilíndrica . Isto leva a um aquecimento mais suave da superfície interna do furo passante.
4. Efeito slot do núcleo magnético
Quando um condutor retangular de cobre é colocado na fenda de um núcleo magnético, a corrente de alta frequência flui apenas através da camada superficial do condutor na abertura do núcleo magnético. Este fenômeno é conhecido como efeito slot do núcleo magnético, conforme mostrado na Figura 7.
Fig. 7 efeito de entalhe do condutor magnético
H – intensidade do campo magnético; I-corrente de alta frequência
O núcleo magnético possui alta permeabilidade magnética e baixa resistência magnética. O fluxo magnético gerado pelo condutor que transporta corrente será concentrado através do núcleo magnético na parte inferior da ranhura.
Embora o condutor na parte inferior da ranhura tenha a maior ligação de fluxo magnético, ele também gera uma grande quantidade de força eletromotriz auto-induzida.
Da mesma forma, o condutor na abertura da fenda gera a menor força eletromotriz auto-induzida. Como resultado, a corrente de alta frequência é forçada a fluir através desta área.
Fig. 8 bobina efetiva, ímã condutor e distribuição de corrente do indutor
Ímã 1 condutor
Bobina 2 efetiva do indutor
3 correntes
Ao utilizar o efeito de fenda do núcleo magnético, podemos direcionar a corrente de alta frequência para a superfície externa do indutor circular, melhorando assim a eficiência de aquecimento da superfície interna do orifício passante. As voltas efetivas do indutor, do núcleo magnético e a distribuição de corrente são mostradas na Figura 8.
