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交流電流による導線の表皮効果解析事例

導体内を流れる交流電流が表皮に集中する現象

表皮効果は導線内を流れる交流電流が導線の表皮に集中する現象で、電流密度が導線の表面で高く、表面から離れると低くなります。
交流が流れている導線中では、その電流による磁場が変化するので、その磁場の変化を打ち消すような電流を流そうとする起電力が生じます。交流が流れている導線中では、その電流による磁場が変化するので、レンツの法則により、その磁場の変化を打ち消すような電流を流そうとする起電力が生じます。
その起電力による渦電流が導線中の中心部では交流電流の逆向きになるので、中心ほど電流は流れにくくなります。したがって、交流電流の周波数が高くなるほど電流は表面へ集中します。

この現象を磁界解析ソフトウェアF-MAGで評価解析しました。

今回はコイル断面の2次元解析を行い、表皮効果を確認しました。
コイルの断面には以下の荷重を設定し、 2ケース解析しました。

・ 1000V/10Hz
・ 1000V/100kHz

解析モデル (全体)

解析モデル (コイルの断面拡大図)

解析モデル (コイルの断面拡大図)

物性値

導線:

比透磁率:1/電気伝導率:2.0e+005 (S/m)

空気:

比透磁率:1/電気伝導率:0 (S/m)

導線への印加電圧

1000 (V)

導線に流れる電流の周波数

(1) f = 10Hz
(2) f = 100kHz

導線断面の磁束密度分布 (単位:T)



周波数:10Hz
 

周波数:100kHz
導線に流れる電流の周波数が高くなるほど、中心付近の磁束密度が小さくなっているのがわかります。

導線断面の電流密度分布 (単位:A/m2)



周波数:10Hz
 

周波数:100kHz
導線に流れる電流の周波数が高くなるほど、中心付近の電流密度が小さくなっているのがわかります。

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