PDF《集肤效应、邻近效应、边缘效应、涡流损耗！》

集肤效应、邻近效应、边缘效应、涡流损耗!

一、集肤效应 1.

1 集肤效应的原理 集肤效应也称趋肤效应,图1.1 表示了集肤效应的产生过程.图中给出的 是载流导体纵向的剖面图,当导体流过电流(如图中箭头方向)时,由右手螺 旋法则可知,产生的感应磁动势为逆时针方向,产生进入和离开剖面的磁力 线.如果导体中的电流增加,则由于电磁感应效应,导体中产生如图所示方向 的涡流.由图可知:涡流的方向加大了导体表面的电流,抵消了中心线电流, 这样作用的结果是电流向导体表面聚集,故称为集肤效应.在此引进一个集肤 深度〈skin depth〉的概念,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: 一般用集肤深度Δ来表示集肤效应,其表达式为: 其中:γ为导体的电导率,μ为导体的磁导率,f 为工作频率. 图1.1.集肤效应产生过程示意图 图1.2.高频导体电路密度分布图 高频时的导体电流密度分布情形,大致如图 1.2 所示,由表面向中心处的 电流密度逐渐减小. 由上图及式 1.1 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. 1.2 影响及应用 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频讯 号,并且不会造成任何相关动能的损失.正好相反,集肤效应会因传导体的不同 成分,在传递高频讯号时有不连贯的现象.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,对于声音造成刺耳的记号.

二、临近效应 图2.1 表示了邻近效应的产生过程.A、B 两导体流过相同方向的电流 IA 和IB,当电流按图中箭头方向突增时,导体 A 产生的突变磁通ΦA-B 在导体 B 中产生涡流,使其下表面的电流增大,上表面的电流减少.同样导体 B 产生的 突变磁通ΦB-A 在导体 A 中产生涡流,使其上表面的电流增大,下表面的电流 减少.这个现象就是导体之间的邻近效应. 当流过导体的电流相同,导体之间的距离一定时,如果导体之间的相对面 积不同,邻近效应使得导体有效截面面积不同.研究表明:导体的相对面积越大 则导体有效截面越大,损耗相对较小. 图2.1.临近效应产生过程示意图 图2.2.临近效应示意图 图2.3. 一轴对称模型在频率为 20KHz 时电流密度的分布图 临近效应与集肤效应是共存的.集肤效应是电流主要集中在导体表面附 近,但是沿着导体圆周的电流分布还是均匀的.如果另一根载有反向交流电流 的圆柱导体与其相邻,其结果使电流不再对称地分布在导体中,而是比较集中 在两导体相对的内侧,形成这种分布的原因可以从电磁场的观点来理解.电源 能量主要通过两线之间的空间以电磁波的形式传送给负载,导线内部的电流密 度分布与空间的电磁波分布密切相关,两线相对内侧处电磁波能量密度大,传 入导线的功率大,故电流密度也较大.如果两导线载有相同方向的交变电流, 则情况相反,在两线相对外侧处的电流密度大.