关于“不锈钢损耗会更大”:
我用顶楼的模型仿了一下,在10kHz频率和2mm厚度下,不锈钢的损耗确实会比铝大很多。下面图里蓝线是铝的结果,红线是不锈钢的结果。不锈钢的损耗大概是铝的3倍。
我还仿了铝和不锈钢在不同频率下的损耗。对于300度的开口铝管,在4.3kHz的时候两种材料的损耗相同,低频的时候不锈钢的损耗要低许多倍,高频的时候则是要高许多倍。
关于“用外部无源导体提高效率”,对于这种“在线圈外面加导体”的情况,我还想不到有啥办法能实现这一点。
之前听说,有人在做手持磁阻炮的时候,出于机械结构上的考虑,想用钣金/铣削加工的铝材,放在线圈旁边。其具体形式类似于“把线圈放在一张平铝板的旁边”,或者是“在线圈外面套半圆形的铝管”。
关于这种结构中,半圆形铝管/铝板上的涡流损耗,有一种说法是:因为半根铝管是“不闭合”的,因此不会有显著的涡流损耗。
这种说法是错误的。
下图中是一个ansys maxwell仿真模型。图中线圈是橙色,材料为铜。线圈外面套了一根铝管,铝管所包围的角度(pipeAng)从20度(铝条)扫描到360度(闭合的铝管)。仿真中,线圈和铝管保持相对静止,线圈通高频交流电(单音信号)。
在10kHz时,仿真的损耗如下图:
图中,横坐标是铝管所包围的角度(pipeAng),纵坐标是电阻损耗功率。绿色线是线圈的电阻损耗功率,红色线是铝管上的涡流带来的电阻损耗功率。
可以看出,完全闭合的铝管,损耗是最大的。但是不闭合的铝管,损耗也没有急剧下降。pipeAng从360度降到340度,损耗大概只下降了三分之一。在不闭合之后,损耗和pipeAng基本呈线性关系,比如200度时的损耗大概就是100度时的2倍。
这里的涡流损耗还是相当可观的。因此,不能在线圈外面放大片的金属,即使不闭合也不行。如果一定要放,可以考虑放不锈钢。和铜铝比,它的电阻率极高,涡流损耗就小很多。
这里的涡流损耗是因为,线圈磁场有垂直于导体的分量,如下图:
其中,大号的黑色箭头表示线圈原本的磁场方向,它在红色圆圈的区域内会“穿过”铝管,有较大的垂直于铝管的分量。这个垂直分量会在导体中产生感应电流,换成平的金属片会比较容易思考,如下图:
其中,磁场方向向右,并且强度在随时间增加。根据中学物理知识,可以知道,此时会有如图所示的感应电流。显而易见的是,这个电流的流动,并不需要这个金属片的两端(绿线表示的部分)闭合。因此,在线圈外面套铝管,即使开槽也没太大用,比如下面是不同包围角度的铝管上的电流强度和方向,另外附上一张60度时的电流方向图:
可以看到,铝管闭合时的电流最大,但不闭合时,依然有显著的电流。这个电流在线圈的前后方形成两个“环”。据此也可以解释为什么“闭合到不闭合”的过程中,损耗会减小三分之一,因为这个环形电流需要在上图中的z方向上额外走一些距离,因此它所面对的电阻要更大一些,损耗也就更小。
另外附上一张pipeAng=300度时,不同频率下的损耗:
仿真文件:
非常好的分析,符合损耗正比于磁压强乘以趋肤深度乘以面积乘以频率的定性判断。但是有两点我认为存在漏洞。...
关于“不锈钢损耗会更大”:
我用顶楼的模型仿了一下,在10kHz频率和2mm厚度下,不锈钢的损耗确实会比铝大很多。下面图里蓝线是铝的结果,红线是不锈钢的结果。不锈钢的损耗大概是铝的3倍。
我还仿了铝和不锈钢在不同频率下的损耗。对于300度的开口铝管,在4.3kHz的时候两种材料的损耗相同,低频的时候不锈钢的损耗要低许多倍,高频的时候则是要高许多倍。
关于“用外部无源导体提高效率”,对于这种“在线圈外面加导体”的情况,我还想不到有啥办法能实现这一点。
是的,当频率进入低频之后,趋肤深度继续增加,当趋肤深度远远大于厚度的时候,反而是趋肤深度大,内外磁压...
这就不是在线圈“外面”加金属,而是在线圈“前后”加金属了
类似的结构我之前仿过。当时是想用在“紧密的多级磁阻炮”上。具体做法是给弹丸后方的线圈通一个相对小的反向电流。当时也考虑过用弹丸前方线圈导通时,在后方线圈上产生的感应电流作为这个“小的反向电流”。不过因为静磁仿真的结果就不好,也就没有继续研究下去了。
当时的结论是,对于很“短”的弹丸,比如钢珠,额外加一个带反向电流的线圈,能在总损耗功率相同的情况下,在特定位置上,略微提升一点电磁力,这个电磁力比不加反向电流的时候的最大电磁力更大,提升幅度在10%级别……这个提升比较小,从整个系统的角度考虑,属于是得不偿失的:把这种做法所需要的额外元件换成等重的电容,系统性能应该会更好
对于线圈外面套铝管时的涡流损耗的问题,我也分析了一下。在趋近于匀加速的磁阻炮中,弹丸所受到的磁通密度...
放电频率的影响远小于磁场产生相对移动速度的影响?
高频和高速是等效的。
从金属管的视角来看,它只关心磁感应强度随时间的变化,即B(t),它无法分辨这个B(t)是由一个“位置固定,电流变化”的源产生的,还是由一个“电流固定,位置变化”的源产生的,抑或是由“位置电流都在变”的源产生的。
这些源产生的磁场是平等的——只要它在金属管处的B(t)是一样的,那么其带来的损耗也是一样的。
那么解决办法是:选择电阻率高的材料、管开槽、降低管厚度、增大管直径、只在磁场移动速度较低时使用金属管等
选择电阻率高的材料。这个很可能用处不大,乃至是有害的,参见1楼和2楼
管开槽。这个用处不大,参见顶楼
降低管厚度、增大管直径、只在磁场移动速度较低时使用金属管。这些操作与“用金属管的目标”不匹配,用金属管一般是为了给线圈提供机械支撑,且保持结构紧凑。这个目标要求管不能太薄,离线圈不能太远,而且所有地方都要有金属管。
那多线圈一起工作会不会比单线圈产生的涡流回路长呢?所提到的解决办法,可以几个配合使用,可能达到1+1...
那多线圈一起工作会不会比单线圈产生的涡流回路长呢?
电流不变的话,回路越长,电阻越大,损耗越大 (P=I^2*R)
线圈和外部金属组成的系统是“线性”的,满足叠加定理。即多个线圈在金属上产生的涡流幅度及分布,等于单个线圈产生的涡流的和(简单叠加)。多个线圈的涡流只在少部分地方会抵消,大部分地方是彼此没有影响的。所以用多个线圈没有帮助。
所提到的解决办法,可以几个配合使用,可能达到1+1>2的效果。
我的经验是,工程中绝大部分改进的效果都是1+1<2的,比如改进A可以令效果提升a,改进B提升b,则同时应用改进A和B,提升小于a+b。
”开槽“的pipeAng可以大些嘛,比如只需要半圆即可。
意义不大,损耗依然很大,参见顶楼
为了给线圈提供机械支撑,金属管离线圈确实是不能太远,但考虑到磁场主要分布在线圈表面,随距离衰减得比较快,增大一点管径可能得到比较高的收益。
所以还是用塑料提供机械支撑吧。“增大一点管径”只要金属线圈之间的缝隙没有小到可以用胶水粘的程度,那总之还是得用一个塑料件做转接。从工艺难度和成本上说,有没有塑料件区别很大,但是小缝+小塑料件和大缝+大塑料件区别很小。所以不如用一个巨大的缝,大到不用考虑涡流的程度,然后用塑料给线圈提供支撑。
时段 | 个数 |
---|---|
{{f.startingTime}}点 - {{f.endTime}}点 | {{f.fileCount}} |
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。