Säröytyneen virran aiheuttamat häviöt sekä lämmön jakautuminen kuristimessa

Abstract

Markkinoiden kiristyvän kilpailun ja hintapaineen vuoksi kuristimien tarkempi mitoittaminen suunnitteluvaiheessa on entistä tärkeämpää. Tässä työssä tarkastellaan folio- ja lankakäämisten rautasydämisten kuristimien häviö- ja lämpölaskentaa. Kuristimen häviö- ja lämpölaskenta liittyvät tiiviisti toisiinsa, joten niiden tutkiminen yhdessä on kannattavaa. Häviöiden määrä vaikuttaa kuristimen lämpötilaan ja kuristimen lämpötila puolestaan kuristimen häviöiden määrään materiaalien resistiivisyyksien lämpötilariippuvuuden vuoksi.

Sydämen häviölaskenta voidaan jakaa kolmeen häviötyyppiin, joita kutsutaan hystereesihäviöiksi, klassisiksi pyörrevirtahäviöiksi ja lisähäviöiksi. Häviötyyppien riippuvuudet magnetointitaajuudesta ja magneettivuon tiheydestä ovat erilaiset johtuen häviöiden erilaisista syntymekanismeista. Samasta syystä häviöt ovat toisistaan riippumattomia ja voidaan laskea erikseen. Sydämen kokonaishäviöt saadaan summaamalla eri häviötyypit.

Käämin häviöiden suuruuteen vaikuttaa johdinmateriaalin lisäksi johtimen muoto, käämin muoto ja etäisyys sydämestä. Tässä työssä lasketaan häviöt foliokäämeille sekä poikkileikkaukseltaan pyöreällä ja suorakaiteen muotoisella langalla käämityille käämeille. Käämin häviöt koostuvat niin ikään useammasta komponentista. Käämissä syntyy johtimen resistiivisyyden vuoksi häviöitä tasavirrallakin. Tasavirtahäviöiden lisäksi häviöitä synnyttäviä ilmiöitä ovat virranahto, läheisyysvaikutus ja ulkoisen magneettikentän aiheuttamat pyörrevirtahäviöt. Kuristimien tapauksessa käämin kokema ulkoinen magneettikenttä on sydämen ilmaväleissä pullistuva magneettikenttä.

Kuristimen jatkuvuustilan lämpölaskennassa käytetään hyväksi häviölaskennan mukaan kuristimessa lämmöksi generoituvaa tehoa. Jatkuvuustilassa kuristimessa generoituva lämpö siirtyy kuristimesta ulos yhtä nopeasti kuin uutta lämpöä generoituu. Lämmön kulkeutumista kuristimen sisällä sekä kuristimen ja ympäristön välillä mallinnetaan lämpöresistanssiverkon avulla. Lämpöresistanssiverkon avulla voidaan mallintaa vain kuristimen loppulämpötiloja. Lämpöresistanssiverkon muodostamista varten työssä määritetään lämpöresistanssit konvektiolle, lämmönjohtumiselle ja lämpösäteilylle.