表皮深度 — CAE术语解说
表皮深度
老师,在表皮效应的讨论中出现了"表皮深度"这个概念,这是什么意思?
表皮深度(皮肤深度)$\delta$ 是表示交流电流从导体表面浸透到多深的量。用公式表示为 $\delta = \sqrt{2 / (\omega \mu \sigma)}$,频率 $\omega$ 越高越薄。
频率越高就越薄,具体会是什么数值呢?
以铜为例,商用周波数50Hz时表皮深度约为9.4mm。但在1MHz时约为0.07mm,也就是70μm。到了GHz级别时就只有1μm以下了。这就是为什么高频电路设计中导体表面处理那么重要。
哇,差这么大!那么在电磁场解析时切割网格的时候,是不是必须在表皮深度内放置足够的单元素?
完全正确。在涡电流解析中,表皮深度内至少要放3到5层网格,这是铁律。频率越高,δ就越薄,所以表面附近需要极度细密的网格,计算成本会爆炸性增长。
哎呀,数MHz的解析的话网格会变得非常复杂…有什么对策吗?
有一个办法叫表面阻抗边界条件。与其在导体内部划分网格来求解,不如在表面赋予解析的阻抗,用这种方式近似电流分布。当δ远小于导体厚度时,这个方法效果非常好,可以让网格数量下降好几个数量级。
原来如此,利用表皮深度的数值来确定网格策略,这是关键啊。我先从频率和材料出发手算一下 $\delta$,然后再制定网格方案。
正确,解析前估算 $\delta$ 是最基础的工作。只需要用计算器就能算出来,如果跳过这一步的话,很容易花好几个小时去划分错误的网格,那就太浪费了。
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