趋肤效应 变压器线圈AC系数参考

DC DC Power 技术交流 Q 群 147591992 集肤效应 Criss Chang 趋肤效应 又叫集肤效应 当高频电流通过导体时 将集中在导体表面流通 这种现 象只与电流的频率有关 同电压没关系 为了解决此问题将导线改为细丝多股制成 将导线改为多股细丝是为了增大导体的表面积 集肤效应只跟电流的频率有关 比如 收音机的磁棒天线就是用多股的细纱线绕制 就是为了增强接收信号的能力 当交变电流通过导线时 电流密度在导线横截面上的分布是不均匀的 并随着电流变 化频率的升高 电流将越来越集中于导线的表面附近 导线内部的电流却越来越小的现象 称为趋肤效应 引起趋肤效应的原因就是涡流 涡流 i 的方向在导体内部总与电流 I 变化趋势相反 阻碍 I 变化 在导体表面附近 却与 I 变化趋势相同 交变电流不易在导体内部流动 而易于在导体表面附近流动 形成 趋肤效应 集肤效应又叫趋肤效应 当交变电流通过导体时 电流将集中在导体表面流过 这种现象叫集肤效应 是 电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时 会聚集于总导体表层 而非平均分布于整个导体的截面积中 频率越高 趋肤效用越显著 因为当导线流过交变电流时 在导线内部将产生与电流方向相反的电动势 由于导线中心较导线表 面的 磁链大 在导线中心处产生的电动势就比在导线表面附近处产生的电动势大 这样作用的结果 电 流在 表面流动 中心则无电流 这种由导线本身电流产生之磁场使导线电流在表面流动 集肤效应是电磁学 涡流学 涡旋电流 的术语 这种现象是由通电铁磁性材料 靠近未通电的铁磁性材料 在未通电的铁磁性材料表面产生方向相反的磁场 有了磁场就会产生切割磁力线的电流 这个电流就是所谓的涡旋电流 这个现象就是集肤效应 在高频电路中可以采用空心导线代替实心导线 此外 为了削弱趋肤效应 在高频电路中也往往使用多股 相互绝缘细导线编织成束来代替同样截面积的粗导线 这种多股线束称为辫线 在工业应用方面 利用趋 肤效应可以对金属进行表面淬火 考虑到交流电的集肤效应 为了有效地利用导体材料和便于散热 发电厂的大电流母线常做成槽形或菱形 母线 另外 在高压输配电线路中 利用钢芯铝绞线代替铝绞线 这样既节省了铝导线 又增加了导线 的机械强度 这些都是利用了集肤效应这个原理 集肤效应是在讯号线里 最基本的失真作用过程之一 也有可能是最容意被忽略误解的 与一般讯号线的夸 大宣传所言 集肤效应并不会改变所有的高濒讯号 并且不会造成任何相关动能的损失 正好相反 集肤效应 确实会因传导体的不同成分 在传递高濒讯号时 会有不连贯的现象 同样地 在陈旧的线束传导体上 集肤效 应助长讯号电流在多条线束上的交互跳动 而对于声音造成刺耳的记号 亦称为 集肤效应 交变电流通过导体时 由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀 愈近导体表面电流密度越大 这种现象称 趋肤效应 趋肤效应使导体的有效电阻增加 频率越高 趋肤效应越显著 当频率很高的电流通过导线时 可以 认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过 这等效于导线的截面减小 电阻增大 既然导线的中心部分几乎没有电流通过 就可以把这中心部分除去以节约材料 因此 在高频电路中可以采用空心导线代替实心导线 此外 为了削弱趋肤效应 在高 频电路中也往往使用多股相互绝缘细导线编织成束来代替同样截面积的粗导线 这种多股线束称为辫线 在工业应用方面 利 用趋肤效应可以对金属进行表面淬火 集肤效应 就是电流通过导线时会在导体产生磁场 由于磁场作用是电流集中的导体的表面通过 这种现象主要表现在 60khz 以上的频率 低于这个频率只要导体的截面积不是太大都不会表现的太明显 因此 在高频电路中可以采用空心导线代替实心导线 此外 为了削弱趋肤效应 在高频电路中也往往使用多股相互绝缘 细导线编织成束来代替同样截面积的粗导线 这种多股线束称为辫线 DC DC Power 技术交流 Q 群 147591992 载流导线要产生磁场 首先研究单根导线磁场 载流导线总是两条线 假设电流得回流线相距非常远 回 流线磁场不会对单根载流导线得磁场产生影响 如果流过导线得电流是直流或低频电流 i 在导线内和导线得周围将 产生磁场 b 磁场从导体中心向径向方向扩展开来 在导 体中心点 磁场包围得电流为零 磁场也为零 由中心点 向径向外延伸时 包围得电流逐渐加大 磁场也加强 当 达到导体表面时 包围了全部电流 磁场也最强 h i d d 为导线直径 在导体外面 包围得电流不变 离开导线中心越远 磁场也越弱 得沿导线长度得横截面 低频电流在整个截面上均匀 分布 当导体通过高频电流 i 时 变化得电流就要在导体内和导体 外产生变化得磁场垂直于电流方向 根据电磁感应定律 高频磁场在导体内沿长度方向得两个平面 l 和 n 产生感应电势 此感应电势在导体内整个长度方向产生得涡流阻止磁通得变化 这样主电流和涡流之和在 导线表面加强 越向导线中心越弱 电流趋向于导体表面 这就是集肤效应 在微波频率时 导体的电流密度将不会是平均分布于整个导体内部 而是在表面附近有较大的电流密度 在导体中心部分的电流密度是最小的 我们称这种现象为 集肤效应 因为电流密度集中于表面处 高频时的导体电流密度分布情形 大致如 所示 由表面向中心处的电流密度逐渐减小 在此引进 一个临界深度 critical depth 的大小 此深度的电流密度大小恰好为表面电流密度大小的 1 e 倍 1 其中 f 为频率 为导磁率 H m 为电阻率 mho m 由 1 可知 当频率愈高时 临界深度将会愈小 结果造成等效阻值上升 因此在高频时 电阻大 小随着频率而变的情形 就必须加以考虑进去 传输电流会集中于导体表面 这样减小了导电线有效导电 面积 根据电阻计算公式 传导导体电阻会变大 从而造成传导导体上压降变大 既传导线上的消耗增加 布线时 数据信号 以脉冲形式出现在电路上的 其高次谐波份量是保证信号的正确性起到决定因 素 同样的宽铜铂会对高速率的数据信号产生集肤效应 分布电容 电感变大 这样会导致信号变坏 所以数字信号线不宜走的太宽 集肤效应又叫趋肤效应集肤效应又叫趋肤效应 DC DC Power 技术交流 Q 群 147591992 当交变电流通过导体时 由于感应作用 在导线内部将产生与电流方向相反的电动势 由于导 线中心较导线表面的磁链大 在导线中心处产生的电动势就比在导线表面附近处产生的电动势 大 这样作用的结果 导体各部分的电流密度不均匀 导体内部电流密度小 导体表面电流密度大 这种由导线本身电流产生之磁场使导线电流在表面流动 中心则无电流的现象叫集肤效应 电 流或电压以频率较高的电子在导体中传导时 会聚集于总导体表层 而非平均分布于整个导体的截 面积中 趋肤效应使导体的有效电阻增加趋肤效应使导体的有效电阻增加 当频率很高的电流通过导线时 可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过 这等效 于导线的截面减小 电阻增大 交流电的频率越高 趋肤效应越显著 频率高到一定程度 可以认 为电流完全从导体表面流过 既然导线的中心部分几乎没有电流通过 就可以把这中心部分除去 以节约材料 因此 在高频电路中可以采用空心导线代替实心导线 此外 为了削弱趋肤效应 在高频电路中也往往使用多股相互绝缘细导线编织成束来代替 同样截面积的粗导线 这种多股线束称为辫线 因此在高频交流电路中 必须考虑趋肤效应的影 响 例如收音机磁性天线上的线圈用多股互相绝缘的导线绕制 电视室外天线不用金属棒而用直径 较粗的金属管制作 都是为了增加导体的表面积 克服趋肤效应带来的不利影响的实例 在工业应 用方面 利用趋肤效应可以对金属进行表面淬火 考虑到交流电的集肤效应 为了有效地利用导体材料和便于散热 发电厂的大电流母线常 做成槽形或菱形母线 另外 在高压输配电线路中 利用钢芯铝绞线代替铝绞线 这样既节省 了铝导线 又增加了导线的机械强度 这些都是利用了集肤效应这个原理 产生趋肤效应的原因产生趋肤效应的原因 由于感抗的作用 导体内部比表面具有更大的电感 L 因此对交流电的阻碍作用大 使得电流密集 于导体表面 趋肤效应使得导体的有效横截面减小 因而导体对交流电的有效电阻比对直流电的电 阻大 集肤效应是在讯号线里 最基本的失真作用过程之一 也有可能是最容意被忽略误解的 与一 般讯号线的夸大宣传所言 集肤效应并不会改变所有的高濒讯号 并且不会造成任何相关动能的损 失 正好相反 集肤效应确实会因传导体的不同成分 在传递高濒讯号时 会有不连贯的现象 同 样地 在陈旧的线束传导体上 集肤效应助长讯号电流在多条线束上的交互跳动 而对于声音造成 刺耳的记号 集肤效应是电磁学集肤效应是电磁学 涡流学 涡旋电流 的术语涡流学 涡旋电流 的术语 这种现象是由通电铁磁性材料靠近未通电的铁磁性材料 在未通电的铁磁性材料表面 产生方向相反的磁场 有了磁场就会产生切割磁力线的电流 这个电流就是所谓的涡旋电流 这个现象就是集肤效应 涡流效应涡流效应 闭合铁芯 或一大块导体 处于交变磁场中 交变的磁通量使闭合铁芯 或一大块导 体 中产生感应电流 形成涡电流 假如铁芯 或导体 是纯铁 纯金属 的 则由于电 阻很小 产生的涡电流很大 电流的热效应可以是铁 或金属 的温度达到很高的 甚至 是铁 或金属 的熔点 使铁熔化 电子在导体内总是沿着阻力最小的路线流动 在导体表面及近表层的结构元与导体表面基本平 行 电子在其间换位流动阻力较小 而在导体内部结构元呈上下 左右 前后空间排列 电子 DC DC Power 技术交流 Q 群 147591992 在其间定向流动要受到五个方向的阻力 而在表面只有三个方向的阻力 可见电子在导体表 层附近运行的阻力要比在内部小得多 这样就导致了电流的集肤效应 其二 当电子在导线内移动时 在其运动的垂直方向伴生着磁场 右手定则 其它电子在磁 场的作用下向逐步向周边发散移动 于是移向了导线的表层附近 形成了电流的集肤效应 其三 当然还有温度的影响 在导体内部 电阻产生的热不易散发 温度较高 价和电子运转 的速率高 线路不是很扁平 这样就导致了电子通路相对窄小 电阻就高 在导体的表面 散 热快 温度低 价和电子运转的速率低 线路扁平 这样就导致了电子通路相对宽大 而故导 体表面电阻小 外来电子运行较快 这也是电流集肤的原因之一 集肤效应和邻近效应还有导体周围的金属涡流损耗是交流电阻产生的集肤效应和邻近效应还有导体周围的金属涡流损耗是交流电阻产生的 三大因素 三大因素 当以直梳信号加在导线上时 在导体内电子的运动 将以均匀的分布通过导体的截面 积 惟当所加信号为一交流信号时 情况即有所不同 导线的每个电子 运动所产生的磁 场的变化 因扩张与缩陷 都会影响被其包围在内的电子 这 种现象称为自感应 sel Dinduction 在导体中心的磁通密度甚大 以致中心部份的电子运动 严重受阻 将会阻 碍破围电子的运动 当信号频率增高时 对中心部份电流的阻力会增强 因而使中心部份的 电流减少 而绝大部份的电子 都将沿导线肤表流动 是为集肤效应 skin effect 当信号 频率高至 100MHz 以上时 在中心部份运动的电子甚少 似巳可将导线的中心部份除去 而在传导效果上 亦不致会有显著的影响 由是可知 当信号频率升高时 导体的有效截 面积会减少 且因导线的电阻与其截面积成反比 则电阻将因信号频率升高而增加 亦即 集肤效应将使导线的电阻增加 是为交流电阻 在高频信号下由於集肤效应的影响 导线中的电流密度 自表面向其中心以指数模式下降 一般取其降至表面密度的 38 之处的深度 称之为集肤厚度 skindepth 以 d 表之 在实际应用上 设若导线直径大於 2d 时 相对而言 则导线的中心部份 已无传导功 能 定义 定义 导体中电流密度减小到导体截面表层电流密度的导体中电流密度减小到导体截面表层电流密度的 1 e e 为自然底数为自然底数 e 2 71828183 处的深度 处的深度 也称为标准集肤深度 标准趋肤深度 计算公式 计算公式 f 式中 式中 导体材料在某一温度时的电阻率 导体材料在某一温度时的电阻率 m DC DC Power 技术交流 Q 群 147591992 f 导体中电流的频率 导体中电流的频率 Hz 导体材料的磁导率 导体材料的磁导率 H m 对于非磁性材料 如 铜 对于非磁性材料 如 铜 0 真空中磁导率 真空中磁导率 受温度的影响主要体现在受温度的影响主要体现在 受温度的影响 受温度的影响 以上公式是通过电磁场理论推导 可以查看电磁理论相关资料 以上公式是通过电磁场理论推导 可以查看电磁理论相关资料 感应加热表面淬火及感应加热设备感应加热表面淬火及感应加热设备 感应加热表面淬火 是使工件表面产生一定的感应电流 迅速加热零件表面 然 后迅速淬火的一种金属热处理方法 感应加热设备 即对工件进行感应加热 以进行 表面淬火的设备 感应加热的原理 工件放到感应器内 感应器一般是同入中频或高频交流电 500 300000Hz 的空心铜管 产生交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流 这种 感应电流在工件的分布是不均匀的 在表面强 而在内部很弱 到心部接近于 0 利 用这个集肤效应 可使工件表面迅速加热 在几秒钟内表面温度上升到 800 1000 C 而心部温度升高很小 感应加热频率的选择 根据热处理及加热深度的要求选择频率 频率越高加热的 深度越浅 高频加热的深度为 0 5 2 5mm 一般用于中小型零件的加热 如小模数齿轮及中 小轴类零件等 中频加热深度为 2 10mm 一般用于直径大的轴类和大中模数的齿轮加热 工频加热淬硬层深度为 10 20mm 一般用于较大尺寸零件的透热 大直径零件 直径 300mm 以上 如轧辊等 的表面淬火 感应加热表面淬火具有表面质量好 脆性小 淬火表面不易氧化脱碳 变形小等 优点 所以感应加热设备在金属表面热处理中得到了广泛应用 感应加热设备是产生特定频率感应电流 进行感应加热及表面淬火处理的设备 趋肤深度 针对 电磁场在导电材料媒质中的传播的分析 主要考虑有耗媒质中前向行波的传播 随着波在有耗媒质中的传播 波的振幅将减弱 从等式 中我们可以看得出 等式右边的第一项中的前行波的振幅减小 经过一段距离以后 振幅将减小 1 e 或 37 DC DC Power 技术交流 Q 群 147591992 从传输线的角度上看 传输线上 我们关注于四个参数 单位长度电容 一般情况下 我们将传输线作为理想导体 任何的电流和电荷必须只存在于导体的表面 非理想导体的电导率是一个有限值 当用良好的导体进行信号传输时 电流经过导体内部 在导体内部产磁通和部分电流 形 成单位长度的内电感 同时内部的电流也产生了每单位长度的电阻 在实心圆导线的的分布参数 在简单的推导这些参数时 认为在直流的情况下 电流在实心导体横截面上是均匀分布的 趋肤深度与频率 磁导率和电导率相关 随着频率的增加 趋肤深度将减小 铜的趋肤深度表 f 60HZ 8 5 mm 1KHZ 2 09 mm 10KHZ 0 66 mm 100KHZ 0 21 mm 1MHZ 2 6 mil 10MHZ 0 82 mil 100MHZ 0 26 mil 1GHZ 0 0823 mil 当激励源的频率升高时 电流趋向于沿导线外侧分布 这称为趋肤效应 当趋肤效应明显时 可以认为电流均匀分布在导线表 面厚度为的一个环状区域内 浅谈铜导线的趋肤深度和阻抗 研究表明 导线中电流密度从导线表面到中心按指数规律下降 导线有效截面减少而电阻加大 损耗 加大 为便于计算和比较 工程上定义从表面到电流密度下降到表面电流密度的 0 368 即 1 e 的厚度为 趋肤深度或穿透深度 即认为表面下深度为 的厚度导体流过导线的全部电流 而