工程电磁场导论第六1章.ppt

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1、第第 五五 章章准静态电磁场准静态电磁场 在时变情况下，电磁波不能深入到导体内部，交变电流在时变情况下，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。主要集中在导体表面附近，这种现象称为集肤效应。1.1.良导体的电的集肤效应良导体的电的集肤效应 工程问题工程问题下 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。导电媒质的情况。设设导电媒质中正弦电磁波一般解为导电媒质中正弦电磁波一般解为无反射波无反射波第第 五五 章章准静态电磁场准静态电磁场设计高频电磁器件时必须考虑集肤效应的设计高频电

2、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单根粗导线以削弱集肤效应的影响集肤效应的影响下 页上 页实际应用给钢制品进行高频淬火。给钢制品进行高频淬火。2.2.良导体的交流阻抗计算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，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。因而导体的高频电阻大于低频和直流电阻。例例计算半无限大导电媒质交流阻抗。计算半无限大导电媒质交流阻抗。解法解法1 1 从电磁能量的观点出发计算从电磁能量的观点出发计算第第 五五 章章准静态电

3、磁场准静态电磁场下 页上 页设设ABC单位面积阻抗单位面积阻抗第第 五五 章章准静态电磁场准静态电磁场下 页上 页结论虽然导体在虽然导体在x方向伸展到无限远，但实际有效厚方向伸展到无限远，但实际有效厚度只有度只有d，这也是透入深度的另一物理意义。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。高电阻增大，电感减小。解法解法2 2 从电路的观点出发计算从电路的观点出发计算第第 五五 章章准静态电磁场准静态电磁场计算圆柱导体的交流参数（设透入深度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看成

4、平面波对半无限大平面导体入射的问题导体入射的问题 下 页上 页例例解解h单位长度交流阻抗单位长度交流阻抗单位长度直流电阻单位长度直流电阻交值流电阻的比值交值流电阻的比值若若第第 五五 章章准静态电磁场准静态电磁场3.邻近效应邻近效应（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。为邻

5、近效应。频率越高，导体靠得越近，邻近效应愈显著。邻频率越高，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。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 页第第 五五 章章准静态电磁场准静态电磁场 涡流涡流（Eddy Current）当导体置于交变的磁场中，与磁场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，正交的曲面上将产生闭合的感应电流，即涡流即涡流。其特点：其特点：工程应用：叠片铁芯（电机、变压器、电抗器等）、电工程应用：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。磁屏蔽、电磁炉等都有涡流的问

6、题。4.4.磁的集肤效应磁的集肤效应涡流及涡流损耗涡流及涡流损耗下 页上 页热效应热效应去磁效应去磁效应涡流是自由电子的定向运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。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。涡流产生的磁场力图抵消原磁场的变化。滞后效应滞后效应涡流影响使空间磁场的变化落后于场源的变化。涡流影响使空间磁场的变化落后于场源的变化。第第 五五 章章准静态电磁场准静态电磁场 涡流场分布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。以变压器铁芯叠片为例，研究薄导板中的涡流场分布。假设：假设：下 页上 页 ，场量仅

7、是，场量仅是 x 的函数；的函数；，E,J 分布在平行于分布在平行于xoy 的的平面，且仅有平面，且仅有 y分量；分量；磁场为正弦函数，呈磁场为正弦函数，呈 y 轴对称，且轴对称，且 x=0时，时，第第 五五 章章准静态电磁场准静态电磁场故故当当 x=0 时时看成平面波问题看成平面波问题由对称条件由对称条件 下 页上 页第第 五五 章章准静态电磁场准静态电磁场结论去磁效应的结果使薄板中心处磁场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，工程上最小，也称磁的集肤效应，工程上用用Bz/B0曲线表示材料的集肤程度；曲线表示材料的集肤程度；以电工钢片为例，设以电工钢片为例，设 下 页上 页x

8、y0a/2B0Jy-a/2第第 五五 章章准静态电磁场准静态电磁场下 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。密度大，中心为零，产生的磁场造成板中磁场分布不均匀。当当 时时,集肤效应严重，集肤效应严重，若频率不变，必须减小钢片厚度，若频率不变，必须减小钢片厚度，若取若取第第 五五 章章准静态电磁场准静态电磁场涡流损耗涡流损耗（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

9、常工作。由焦耳定律计耗，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算体积V中的涡流损耗为中的涡流损耗为下 页上 页 涡流损耗涡流损耗 若要减少若要减少 Pe ,必须减小必须减小 （采用硅钢），减小（采用硅钢），减小 a（采用叠片），提高（采用叠片），提高 但要考虑但要考虑磁滞损耗。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、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）。磁悬浮、电磁振动、电磁屏蔽等）。结论第第 五五 章章准静态电磁场准静态电磁场5.5.电磁兼容简介电磁兼容简介 电磁兼容电磁兼容是在有限空间、时间、频谱资源条件下，各

10、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。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。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核电脉冲 通信系统静电放电气体放电灯电牵引系统电力传输系统荧光灯、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

11、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 页第第 五五 章章准静态电磁场准静态电磁场抗电磁干扰的两个主要措施：接地、抗电磁干扰的两个主要措施：接地、电磁屏蔽电磁屏蔽。接接 地地 在金属体与大地之间建立低阻抗电路。在金属体与大地之间建立低阻抗电路。如设备外壳接如设备外壳接地，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。接引入大地。系统内部带电体接参考点（不一定与大地相连）。如每系统内部带电体接参考点（不一定与大

12、地相连）。如每一楼层的参考点，仪器的一楼层的参考点，仪器的“机壳接地机壳接地”、高压带电操作等。、高压带电操作等。以保证设备、系统内部的电磁兼容。以保证设备、系统内部的电磁兼容。下 页上 页保护接地保护接地 工作接地工作接地 第第 五五 章章准静态电磁场准静态电磁场 应当避免屏蔽的谐振现象应当避免屏蔽的谐振现象 当电磁波频率与屏蔽体固有当电磁波频率与屏蔽体固有频率相等时，发生谐振，频率相等时，发生谐振，使屏蔽效能急剧下降，甚至加强使屏蔽效能急剧下降，甚至加强原电磁场。原电磁场。磁屏蔽磁屏蔽 在低频或恒定磁场中，利用磁通总是走磁阻小的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

13、定厚度的铁磁材料。路径的原理，采用有一定厚度的铁磁材料。电磁屏蔽电磁屏蔽电屏蔽电屏蔽 在任何频率下，利用电力线总是走电阻小的路在任何频率下，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。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，在高频下，利用电磁波在良导体中很快衰减的原理，选选择透入深度择透入深度d 小且具有一定厚度（小且具有一定厚度（h 2 d）的金属（非铁磁）的金属（非铁磁）材料。材料。下 页上 页第第 五五 章章准静态电磁场准静态电磁场双层铜皮屏蔽室门下 页返 回第第 五五 章章准静态电磁场准静态电磁场双层铜皮屏蔽室门下 页上 页返 回第第 五五 章章准静态电磁场准静态电磁场屏 蔽 室下 页上 页返 回第第 五五 章章准静态电磁场准静态电磁场屏蔽实验控制室下 页上 页返 回第第 五五 章章准静态电磁场准静态电磁场屏蔽室接地器上 页返 回