Skineffekt auf Nickelbgeschichtetem Leiter

[Finger]

Moin,

ich grübel gerade über einen Problem. Angenommen, ich habe einen Starrleiter aus Kupfer, dieser sei mit Nickel beschichtet (Konkret 50qmm mit 27% Nickel aussen). Da soll Strom drüber mit 10-30Khz. Bei Reinkupfer ist eine Abschätzung der durch den Skineffekt verursachten Verlust auf dem Leiter ja leicht abzuschätzen. Aber wie sieht das bei der Beschichtung aus? Wie verteilt sich der Strom an der Grenzschicht?

[Stefan]

Was bedeutet 27% Nickel außen? 27% vom Durchmesser?
Das Problem könnte man mit einer FEM-Simulation lösen. Zwei Zylinder mit korrekten Materialeigenschaften und dann Stromdichte oder Oberflächenstrom simulieren.

[Finger]

Soweit ich die Datenblätter verstehe sind damit 27% des Querschnitts gemeint, der als Nickelbeschichtung ausgeführt ist. Ich versuche mich hier an einer Verlustwärmeabschätzung...

[zauberkopf]

boaar...
Ich habe mal früher sowas berechnet.
Geholfen hatte mir der Artikel hier :
https://de.wikipedia.org/wiki/Skin-Effekt

Spule ? Dann treten noch andere effekte auf.

[zauberkopf]

Mist.. ich habe die Excelliste von damals(tm) nicht mehr gefunden.
Meine idee zum vorgehen, : Berechne mal, den skinneffekt bei Nickel.
Nickel ist ein schlechterer Leiter und dringt daher tiefer ein.
Aber nicht so schlecht, wie ne Menschliche Haut. (Das habe ich damals(tm) versucht zu berechnen)
Mein Bauchgefühl sagt : Das Kupfer sieht keine HF. Ist aber ein prima Wärmeleiter !

[Finger]

Wenn ich das für einen 50qmm-Leiter bereche ist die Nickelschicht 0,5mm dick, die Eindringtiefe bei 18kHz beträgt auch 0,5mm. Dann ist der Strom aber auf 1/e abgesunken. Das heißt, ein Teil geht dann doch ins Kupfer. Hm.. mit dem Reststrom könnte ich dann im Kupfer weiterrechnen *grübel*

[MarkK]

So in etwa musst du es glaube ich machen. Grundsätzlich gilt: dein kombinierter Leiter ist auf jeden Fall niederohmiger als der reine Nickelleiter oder der reine Kupferleiter.

Was hast du überhaupt vor, dass 20kHz über 50qmm Leitungen geschickt wird? IGOR-Induktionswärmer?

[zauberkopf]

Beachte aber auch den https://de.wikipedia.org/wiki/Proximity ... rotechnik)
Der macht die sache dann noch spassiger.

Ich hoffe, ich bin nicht zu demotivierend..

[Nello]

Was spricht dagegen, es einfach auszuprobieren? Nimm einen Meter von dem alten Draht, Wärmefoto, Strom drauf, Wärmefoto, Delta T mal Oberfläche mal Zeit, heissa.

[zauberkopf]

Da ist ein Igor Test..
Wenn test, dann würde ich ne Spule aus reinkupfer und dann aus dem Material wickeln und dann die Güte messen ...
Dafür brauchts dann nur einen NanoVNA für 50PFennig..

Oh ich sehe.. das ganze hat das Potential einer "Barometer Frage"...

[Hauspapa]

Nickel ist ferromagnetisch. Ich meine das war für die Eindringtiefe schädlich.

Zahlen hab ich nicht.

Viel Erfolg
Hauspapa

[E_Tobi]

FEMM kann das.
20kHz, ~50.3mm² Querschnitt rein Kupfer, Plot des Betrages der Stromdichte (edit: exemplarisch bei 1A):

Graph entlang der roten Linie mit Legende (edit: Sorry, rote Linie fehlt, verläuft aber genau wie im nächsten Bild unten einmal durch den Querschnitt von links nach rechts.):

Der Stromkreis (also hier ein exemplarischer Meter des 50mm²) hat 0.00156274+I*0.107074 Ohm.

Nochmal das selbe, nur mit 0.5mm Nickel rundum:

Nochmal der Graph entlang der Linie:

....mit jetzt 0.0846946+I*0.145093 Ohm.

Hätte ich nicht gedacht dass der Effekt so groß sein kann. ich dachte erst ich hätte irgendwo beim Setup der Simulation einen Wurm eingebaut, deswegen der Gegentest mit nur der geänderten Materialdefinition für den Mantel Nickel <-> Kupfer, bei dem aber auch rauskommt was man rechnerisch erwarten würde...


Nochmal ein Edit:
Ich hab noch ein wenig rumprobiert, Hauspapa hat recht - je höher das µr der Beschichtung, desto ausgeprägter der Effekt dass der Innenleiter kaum noch am Stromtragen beteiligt ist.
Die Stufige Form des Stromdichteverlaufs im Fall Nickelbeschichtung ist übrigens nur ein Artefakt der Zerlegung in die finiten Elemente, das kann man noch feiner gestalten falls nötig.

[TDI]

Beachte aber auch den https://de.wikipedia.org/wiki/Proximity ... rotechnik)

Der schoss mir auch durch den Kopf. Der Skineffekt findet in seiner gedachten Form wohl nur auf runden Leitern statt.
Ich hatte mal die Idee, eine MagLoop-Antenne, die aus Flachmaterial gebaut wurde, in Betrieb mit einer Wärmebildkamera zu untersuchen.
Da müsste eigentlich sichtbar werden, wie sehr der heizende Strom tatsächlich auf die äußeren Kanten verdrängt wird...

[zauberkopf]

FEMM kann das.

Erzähl mal mehr..

Ich hatte mal die Idee, eine MagLoop-Antenne, die aus Flachmaterial gebaut wurde, in Betrieb mit einer Wärmebildkamera zu untersuchen.

Ah.. die sogenannte SAL-Loop..
Auf den ersten Blick geniale Konstruktion..

Da müsste eigentlich sichtbar werden, wie sehr der heizende Strom tatsächlich auf die äußeren Kanten verdrängt wird...

Tja.. das könnte echt mal interessant werden.
Weil, ALU oder Kupfer.. ziemlich gut wärme leitet.

Übrigens, ich bin gedanklich weg von den Magloops.
Weil ich denke, das es einfacher und effektiver ist, bei einer ähnlich kleinen Bauform auf stark verkürzte Dipole zu setzen.
Ich habe da was in der Pipeline.
Mir kam aber ein toller Job dazwischen, und noch anderer Krams.
Oder anders gesagt.. mein Hirn ist abends fritte.
Die ersten versuche zeigten aber, das zwischen Theorie und Realität gar nicht mal so viel unterschied lag.

l

[nero]

Hätte ich nicht gedacht dass der Effekt so groß sein kann.

Doch. Du weißt das sogar. Nur anders herum.
Bißchen Silber ums Kupfer bringt doch auch richtig was.

[zauberkopf]

hä ? hab ich da was verpasst ?
Okay.. wenn man total oxidiertes Kupfer nimmt.. vs Silber.

Ich hatte für mein Projekt das mal berechnet. Die Güte ist bei Silber (volleiter) nur unwesentlich höher, die verluste geringer geworden.
Ich habe aber dennoch mittlerweile hier ne Rolle versilbertes Kupfer liegen, weil die versuchsspule jetzt schon ziemlich "alt" ausschaut.

[Sterne]

Wenn ich das für einen 50qmm-Leiter bereche ist die Nickelschicht 0,5mm dick, die Eindringtiefe bei 18kHz beträgt auch 0,5mm. Dann ist der Strom aber auf 1/e abgesunken. Das heißt, ein Teil geht dann doch ins Kupfer. Hm.. mit dem Reststrom könnte ich dann im Kupfer weiterrechnen *grübel*

Genauso würde ich das auch machen. Außenleiter mit entsprechende Fläche trägt grob 63% des Stroms und der "Kupferinnenleiter" hat den Rest am Hals.
Aber Nickel mit riesigen magnetischen Permeabilität sollte doch eher bei "kleinen" Frequenzen helfen. Wohingegen ja tolle Leitfähigkeit das Einhornpuder der HF-Junkies ist.
Ich bin verwirrt. Was ist denn das für ein Zauberkabel?

[Nello]

Ich bin verwirrt. Was ist denn das für ein Zauberkabel?

Das riecht nach Militär, oder? Ich hatte doch mal spaßeshalber bei der Bundesmarine angefragt, was in diesem Torus am Turm von U-Booten drin ist. Wobei natürlich rein gar nichts rauskam. Aber ich wette, solches Zeug ist da drin. Bestimmt. Ganz bestimmt.

[E_Tobi]

FEMM kann das.

Erzähl mal mehr..

FEMM nutze ich gerne für Trafos, da springen oft sehr wertvolle Erkenntnisse bezüglich effektiver Stromverteilung in den Leitern raus dabei, was teure Iterationsschritte spart. Ich bin in der Regel >100kHz und mit größeren Luftspalten unterwegs, da passieren spannende Dinge.
Auch die Auslegung von resonanten Konstrukten mit spezifisch gesteuerten parasitären Elementen geht ganz gut, die Ergebnisse sind immer recht konsistent.

Hier gehts zum Download, alles kostenneutral:

https://www.femm.info/wiki/HomePage

(Edit: Im Vergleich zu Kaufprodukten ist man halt auf zwei Dimensionen limitiert, und muss sein Problem entweder auf einen Rotationskörper oder ein in der Länge statisches Problem herunterbrechen....Alternative wäre zum Beispiel OpenFoam, aber dazu konnte ich mich bisher nicht durchringen....)

[zauberkopf]

FEMM nutze ich gerne für Trafos, da springen oft sehr wertvolle Erkenntnisse bezüglich effektiver Stromverteilung in den Leitern raus dabei, was teure Iterationsschritte spart. Ich bin in der Regel >100kHz und mit größeren Luftspalten unterwegs, da passieren spannende Dinge.

Oh... das klingt interessant. Erzähl mal mehr..

Auch die Auslegung von resonanten Konstrukten mit spezifisch gesteuerten parasitären Elementen geht ganz gut, die Ergebnisse sind immer recht konsistent.

Die neugier wird größer...

(Edit: Im Vergleich zu Kaufprodukten ist man halt auf zwei Dimensionen limitiert, und muss sein Problem entweder auf einen Rotationskörper oder ein in der Länge statisches Problem herunterbrechen....Alternative wäre zum Beispiel OpenFoam, aber dazu konnte ich mich bisher nicht durchringen....)

d.h. also Antennen wie Magloop oder stark verkürzte dipole werden da schwieriger.
z.B. die von TDI angesprochene SAL-Loop
https://www.qrpforum.de/forum/index.php ... ubeispiel/

[Till]

Nickel ummanteltes Kupfer …
Da bleiben ja eigentlich nur Anwendung übrig, in denen entweder hohe Temperaturen, oder gute korrosionsbeständigkeit gefordert sind. - oder hat Nickel noch andere interessante Vorteile?

[zauberkopf]

Man kann Chrom drauf galvanisieren..
Auch kein schlechtes Material zur Kontaktierung.

[Finger]

Es geht um hohe Temperaturen in einer Induktionsanwendung Konkret müssen da wohl 120kW in ein Werkstück gebracht werden mit 2x60kW-Generatoren. Ziel sind etwa 500°C im Werkstück, interessant ist, welche Verluste im Leiter noch dazukommen werden.

[sukram]

Bei dem Querschnitt und Eindringtiefe kann man doch auch gleich Rohr verwenden, oder?

[Finger]

Das hätte verschiedene Nachteile. Zum einen muss das häufig bewegt erden und zum anderen muss man sich dann um Isolierung und Spannungsfestigkeit selber kümmern. Ein Rohr in der erforderlichen Eigenschaft wäre eine Sonderanfertigung. Zumal es kein Kühlmedium gibt.

[zauberkopf]

Ein Rohr in der erforderlichen Eigenschaft wäre eine Sonderanfertigung. Zumal es kein Kühlmedium gibt.

hmm...
Ich verstehe aber noch nicht so richtig warum nickel aussen ?
Kontaktierung ?

Und wenn ich Sonderanfertigung lese.. also mein ehemaliger Nachbar arbeitet bei einem Galvanisierbetrieb.
Spule wickeln, dem Galvaniseur übergeben... und sich dann freuen..
Aber ich vermute start, das es die Strippe die Du suchst auch schon fertig gibt : Versilbertes Kupfer.

Und mir fällt noch was ein. Wenn ich das Isolierung lese :
Frag mal Eike.. Es gibt HF-Kabel haben meistens einen versilberten Schirm, können gut leistung, und sind isoliert..
Wie gut die Isolierung Temperatur ab kann.. keine Ahnung.. aber wird bei Nickel ja auch ein Thema sein.

Nur .. bei 60 - 120 KW.. kann ich absolut keine Empfehlung geben.

[Finger]

Macht nix, ich bin da gut im Thema. Alleine das Kabel dafür kostet pro Trommel soviel wie ein kleiner Sportwagen. Und da geht eine Menge in so eine Anlage. 1000V Spannungsfestigkeit kommt noch dazu bei mindesten 600°C. Da gehen nur Nickelbeschichtete Leiter, alles andere ist dafür absolut untauglich und geht nur mit aktiver Kühlung. Die wäre hier ein KO-Kriterium. Diese Kabel haben immer die Nickelbeschichtung aussen. Normalerweise würde man Reinnickelleiter für sowas nehmen, aber das geht nicht wegen der Ummagnetisierungsverluste. In jeder Beziehung kratzen solche Projekte am Rand des physikalisch machbaren, Haltbarkeit und Kosten stehen dem diametral gegenüber. Das ist mein Job Und am besten weiß ich vorher, ob das alles eine gute Idee ist..

[MatthiasK]

Nickel hat eine Curie-Temperatur von ca. 370°C. Wenn warme Leiter nicht weiter stören, ginge das doch.

[zauberkopf]

Ja.. bei den Parametern wird die sache wirklich interessant !

Vielleicht kann Dir dieser Link hier helfen :
https://hamwaves.com/qoil/en/index.html#input

Das dumme ist, den Recher müsste man für Deine Strippe anpassen..
Aber ggf lässt sich mit der Spulengeometrie noch was rausholen.

[Finger]

Von Spule hatte ich noch garnicht gesprochen um es nicht zu kompliziert zu machen. Da kämen dann auch noch die Verseilung hinzu, die macht gerne Frequenzabhängige Hotspots in solchen Kabeln

[zauberkopf]

Also bei meinen verkürzten Dipolen ist das das A und O sozusagen.
Wobei mir gerade einfällt.. die Isolierung habe ich gar nicht beachtet..
Bei mir sind dann auch die Windungskapazitäten auch noch ein Faktor.

[E_Tobi]

Nickel hat eine Curie-Temperatur von ca. 370°C.

Stimmt, das lässt sich aber auch nachbilden... Spannendes Thema.

Finger, kannst du die Konfiguration der Spule - Abmessungen, Windungszahl - und den zu heizenden Körper - Geometrie, Material - ein wenig beschreiben? Ich denke damit liese auch die Stromverteilung und auch die Verlustleistung im Kabel Recht schön in femm nachbilden, sofern das ganze entweder rechteckig oder zylinderförmig ist...