Теплові втрати анізотропного електропровідного трансформатора
DOI:
https://doi.org/10.31861/sisiot2025.1.01005Ключові слова:
анізотропія, електропровідність, трансформатор, теплові втрати, компоненти інфокомунікаційної системиАнотація
У статті розглянуто конструкцію анізотропного електропровідного трансформатора як інноваційного компонента інфокомунікаційних пристроїв, що функціонують на основі використання властивостей матеріалів з анізотропією електропровідності. Запропоновано теоретичну модель такого трансформатора, побудовану з урахуванням особливостей розподілу електричного поля, напрямків струму та орієнтації кристалографічних осей у провідному анізотропному середовищі. Проведено комплексне дослідження теплових втрат трансформатора в трьох характерних режимах роботи: холостого ходу, короткого замикання та оптимального навантаження. Для кількісної оцінки втрат використано чисельні методи розрахунку, що враховують взаємодію струмів з анізотропним середовищем. Особливу увагу приділено впливу орієнтації анізотропії електропровідності на розподіл струмів та величину теплових втрат. Представлено еквівалентні електричні схеми кожного з режимів роботи та виведено відповідні аналітичні вирази для опору, струму й потужності, які враховують як геометричні параметри пристрою, так і електрофізичні характеристики обраного матеріалу. На відміну від класичних трансформаторів із магнітним осердям, у яких виникають втрати, пов’язані з гістерезисом та вихровими струмами в феромагнітних матеріалах, анізотропний електропровідний трансформатор функціонує без магнітного осердя, що дозволяє уникнути втрат, зумовлених перемагнічуванням. Такий підхід відкриває нові перспективи для створення високочастотних, енергоефективних та компактних компонентів, придатних для інтеграції в мікроелектроніку, сенсорні системи та телекомунікаційне обладнання. Як потенційно придатні матеріали для виготовлення анізотропних електропровідних трансформаторів запропоновано низку діамагнітних і парамагнітних кристалів із вираженою електропровідною анізотропією. Серед них розглянуто монокристали бісмуту (Bi), телуру (Te), сполуки типу кадмій-стибій (CdSb), цинк-стибій (ZnSb), а також штучно-структуровані матеріали з інженерно заданою анізотропією. Показано, що такі матеріали забезпечують ефективне електричне перетворення енергії без застосування магнітних елементів, з високим коефіцієнтом трансформації та низькими втратами. Проведено чисельні розрахунки теплових втрат в таких трансформаторах для різних частот (від 50 рад/с до 50×106 рад/с) і різних рівнів напруги (від 12 В до 220 В) на прикладі бісмуту (Bi) та сполуки кадмій-стибію, легованої сріблом (CdSb:Ag). Результати показали значне зростання втрат зі збільшенням частоти, що необхідно враховувати під час проєктування високочастотних пристроїв. Описано фізичні механізми виникнення втрат у різних режимах та вплив параметрів матеріалу на їхню величину. Запропоновані підходи та отримані результати можуть бути використані для оптимізації геометричних розмірів і параметрів анізотропних матеріалів з метою підвищення ефективності анізотропних електропровідних трансформаторів. Такі пристрої мають потенціал застосування як узгоджувальні елементи, перетворювачі сигналів або енергетичні ланки у складі сучасної телекомунікаційної апаратури, особливо в умовах мініатюризації.
Завантажити
Посилання
A. Ashcheulov, M. Derevianchuk, and D. Lavreniuk, “The phenomenon of electroohmic transformation,” Phys. Chem. Solid State, vol. 21, no. 4, pp. 743–748, 2020, doi: 10.15330/pcss.21.4.743-748.
A. Ashcheulov, M. Derevianchuk, and D. Lavreniuk, “The method of turbulent transformation of energy,” Eng. Rep., e12620, 2023, doi: 10.1002/eng2.12620.
A. A. Ashcheulov, M. Ya. Derevianchuk, D. O. Lavreniuk, O. S. Verenko, and I. S. Romaniuk, “Anisotropic electroohmic transformer,” Metrology and Instruments, no. 5, pp. 27–32, 2020, doi: 10.33955/2307-2180(5)2020.27-32. (in Ukrainian)
N. I. Lebovka, Yu. Yu. Tarasevich, N. V. Vygornitskii, A. V. Eserkepov, and R. K. Akhunzhanov, “Anisotropy in electrical conductivity of films of aligned intersecting conducting rods,” Phys. Rev. E, vol. 98, no. 1, p. 012104, 2022, doi: 10.1103/PhysRevE.98.012104.
C. Hu et al., “Highly aligned Ni-decorated GO–CNT nanostructures in epoxy with enhanced thermal and electrical properties,” Polymers, vol. 14, no. 13, p. 2583, 2022, doi: 10.3390/polym14132583.
Q. Li, Ed., Anisotropic Nanomaterials: Preparation, Properties, and Applications. Springer, 2021.
Yu. M. Poplavko, S. O. Voronov, and Yu. I. Yakimenko, Physical Materials Science. Conductors and Magnetics. NTUU “KPI”, 2011. (in Ukrainian)
Yu. M. Poplavko, O. V. Borisov, I. P. Golubeva, and Yu. V. Didenko, Magnetics in Electronics. Igor Sikorsky KPI, 2021. (in Ukrainian)
J. F. Nye, Physical Properties of Crystals: Their Representation by Tensors and Matrices. Oxford Univ. Press, 1985.
M. A. Razumova and V. M. Khotyayintsev, Fundamentals of Vector and Tensor Analysis. Kyiv University Publishing Center, 2011. (in Ukrainian)
L. I. Anatychuk, Thermoelectricity, Vol. 1: Physics of Thermoelectricity. Institute of Thermoelectricity, 1998.
M. O. Ostashevskyi and O. Yu. Yurieva, Eds., Electrical Machines and Transformers. FOP Panov A. M., 2017. (in Ukrainian)
Vinnytsia National Technical University (VNTU), Experimental Studies of Electrical Machines. Part IV: Transformers. VNTU, 2008. (in Ukrainian)
L. I. Anatychuk, Thermoelectricity, Vol. 2: Thermoelectric Power Converters. Institute of Thermoelectricity, 2005.
A. A. Ashcheulov, Physico-Chemical Fundamentals of Technology of Optical, Anisotropic Thermoelectric, and Opto-Thermoelectric Materials Based on Cadmium Antimonide [Doctoral dissertation]. Chernivtsi, 1994. (in Ukrainian)
C. R. Hammond, “The elements,” in CRC Handbook of Chemistry and Physics, 81st ed., D. R. Lide, Ed. CRC Press, 2004.
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Безпека інфокомунікаційних систем та Інтернету речей
Ця робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International License.
