Inductancia de bobina plana (espiral) cerca de una superficie sólida de cobre

Estoy trabajando en un sistema de levitación electromagnética, que consta de un inductor en espiral plano (planar) colocado sobre una superficie sólida de cobre. La bobina plana es paralela a la superficie de cobre. (Considere que tanto la bobina como la superficie son 100 % de cobre puro, y que la superficie es infinita en área y profundidad).

Sé cómo calcular la inductancia de un inductor en espiral en el espacio libre. De hecho, hay varias calculadoras en línea, como esta .

Mi pregunta es sobre el cambio de inductancia cuando la bobina se acerca a la superficie de cobre. Mi pensamiento es considerar la superficie de cobre como un "secundario en cortocircuito" en un transformador sin núcleo. Esto implicaría que la inductancia del primario es en realidad la inductancia de fuga efectiva basada en la geometría del sistema. Supongo que si el primario (la bobina en espiral) se acercara infinitesimalmente al secundario (superficie de cobre), la inductancia de fuga sería cero. A medida que la bobina se aleja de la superficie de cobre, la inductancia de fuga aumentaría (hasta la inductancia total de la bobina en el espacio libre, a una distancia infinita de la superficie de cobre de abajo). Creo que probablemente esté bien considerar las resistencias como insignificantes (efectivamente cero).

Busco dos cosas:

  1. Orientación en mi pensamiento, confirmación de que estoy en el camino correcto, o corrección si no.
  2. Una fórmula que puedo aplicar para calcular [el cambio en] la inductancia de la bobina cuando se coloca a diferentes distancias de la superficie de cobre. (Las distancias típicas serían del orden de 1 mm para una bobina de 25 mm de diámetro, FWIW).

Me doy cuenta de que en realidad podría construir este sistema de alguna forma y medir la inductancia, y tal vez incluso derivar empíricamente una fórmula. Pero prefiero modelarlo primero si es posible.

La corriente de Foucault debe estar en el modelo. la pérdida en el campo cercano es alta debido a la corriente de Foucault.
La corriente de Foucault es la única razón por la que levita... la corriente en el "secundario en cortocircuito" es la corriente de Foucault, y se supone que la inductancia del secundario en cortocircuito es insignificantemente baja. ¿Me estoy perdiendo de algo?
"secundario en cortocircuito" en un transformador sin núcleo "Creo que esto no es cierto. No soy un experto en este campo, pero con mi conocimiento, el transformador ayuda a guiar el flujo magnético, pero no tenemos eso, y la fuga de flujo puede ' t ser modelo con un modelo simple.La resistencia cero tampoco es buena para este caso en realidad.La pérdida con cobre externo cerca de la bobina WPT es alta.
Piénsalo de esta manera. Si tanto la bobina como la superficie fueran superconductoras (realmente resistencia cero) y la bobina estuviera conectada en paralelo con un capacitor sin pérdidas, persistiría una corriente alterna dentro del sistema y la bobina flotaría a una distancia constante sin entrada de energía continua.
Un transformador sin núcleo ciertamente puede tener un secundario en cortocircuito. Además, no es el caso de que los transformadores sin núcleo tengan pérdidas inherentes. La inductancia de fuga no es pérdida, es simplemente una inductancia que no contribuye a la transferencia de energía del primario al secundario; la energía simplemente se devuelve al lado primario.

Respuestas (1)

Tiene razón en que la inductancia idealmente sería cero a una distancia cero.

Puede intentar modelar esto desde los primeros principios utilizando la ley de Biot-Savart y una geometría simplificada, pero creo que un enfoque FEA sería más rápido y probablemente más preciso. Los parásitos (resistencia y capacitancia distribuida) pueden resultar importantes, según la frecuencia que se utilice. Estamos midiendo el desplazamiento usando este método, pero en nuestro caso la resistencia es cero y la frecuencia es CC, por lo que es más fácil.

Todavía no estoy seguro acerca de las frecuencias de conducción, pero supongo que estarán entre 10 de kHz y unos pocos MHz. Supongo que las frecuencias altas podrán proporcionar más poder de levitación para bobinas de menor inductancia, pero, por supuesto, el efecto de la piel también dará como resultado resistencias más altas ... ¿Por FEA supongo que te refieres a "Análisis de elementos finitos"? ¿Conoces algún paquete gratuito que pueda hacer esto? He usado FEMM un poco pero no estoy seguro de cómo usarlo para calcular la inductancia en un elemento en un sistema como este.
Aquí hay una lista decente. Probé uno de estos y lo encontré bastante horrible. Las simulaciones que usamos fueron hechas en MathCAD (no por mí) desde los primeros principios. Me inclinaría a buscar una versión de prueba de un programa comercial que no sea demasiado limitante.
@KevinH.Patterson Puede modelar esto perfectamente con la herramienta gratuita FEMM. Elija "problema magnético" y "disposición axisimétrica" ​​y la frecuencia de elección en la configuración del proyecto.
FEMM también puede mostrar la inductancia L. Puede dibujar una línea desde el centro hasta la bobina e integrar la densidad de flujo a lo largo de esa línea para obtener el flujo total, que es L*I. No estoy 100% seguro, pero creo que FEMM también puede mostrar L directamente.
Gracias por los consejos, @StefanWyss