为什么没有用于高频线圈应用的非导电芯线

电器工程 电感器 高频 趋肤效应 利兹线
2022-01-18 19:38:39

背景

推导出了众所周知的趋肤效应公式,并且仅适用于固体导体。常用的“趋肤深度”仅适用于这些情况。正是出于这个原因,在某些应用中使用了管子,因为这些管子在足够高的频率下比相同直径的线材更轻巧。

在 1MHz 时,铜线的趋肤深度为 65µm,这意味着直径为 1mm 的导线中只有 40% 的体积承载了 95% 的电流,其中 >35% 的电流在外部 20%。

从趋肤深度公式可知,较低电导率材料(例如铝)的趋肤深度远大于较高电导率材料(例如铜)的趋肤深度。正如公式预测的那样,趋肤深度与电导率的平方根成反比。如果我们将此推向其逻辑结果,那么对于导电管(具有绝缘芯)来说,趋肤深度应该大于等效实心导体的趋肤深度。

作为另一种直觉,薄壁绝缘芯导体的表面积几乎是实心导体的两倍。所以它应该在足够高的频率下渐近接近电阻的一半。

实际上,从 HB Dwight 在 1922 年的这篇论文中可以看出(可能的付费墙),壁厚为其直径的 20% 的管子的电阻频率增加比实心管的两倍多。金属丝。

管道和电线中的集肤效应

从上面的曲线可以看出,t=200µm 和 d=1mm 的管子,由于实际趋肤深度的增加,应该比实心 d=1mm 导线的阻抗增加不到 50%(请注意,曲线被标准化 wrt \$ F / R_{dc} \$,所以解释有点棘手)。

使用单独绝缘的绞线可以观察到类似的效果(尽管没有那么显着)。

应用

在中频应用中,例如开关电源,通常使用多股绝缘线利兹线,它可以减少由于趋肤效应引起的损耗,但在较高频率(~1MHz)下效果会越来越差,因为邻近效应和各股的电容耦合。

如果在非导电芯的外围嵌入多根单独的股线,可能会获得更多收益(特别是在邻近效应方面)。

我在理论上错过了什么吗?

如果不是,为什么不将绝缘芯线(围绕芯线的管或绞线)用于高频电感器应用?

附录

正如 John Birckhead 的回答所指出的,扁平线具有基本相同的优点,而没有任何缺点(例如,填充因子)。但这让我问:

为什么这些应用不使用绝缘芯扁平线?它应该具有与扁平线相同的优势,在足够高的频率下具有近一半的电阻。可能的收益无关紧要吗?

4个回答

不,您在理论上是正确的,但是与使用扁平线相比,您的方法会导致不必要的体积增加,这既更容易制造,又为集肤效应和体积效率的优势提供了类似的优势。

利兹线的维基百科条目包含直接回答您的问题“为什么不使用空心管?”:

降低电阻的一种技术是通过用空心铜管代替导线,将更多的导电材料放置在电流所在的表面附近。与具有相同横截面积的实心线相比,管的较大表面积以小得多的电阻传导电流。大功率无线电发射器的槽线圈通常由铜管制成,外部镀银,以降低电阻。然而,管材不灵活,需要特殊工具才能弯曲和成型。

这篇文章继续描述了为什么利兹线提供了一种替代解决方案。

感应加热(工业)通常使用空心铜管作为感应器。

当您运行 1000 kW 或更高功率时,您最好相信铜损需要最小化。

此外,空心芯用于水冷。

有时铜被称为“空心棒”。它有矩形或圆形。订购“轧机”以获得所需的空心棒材和厚度的情况并不少见。

图片来自 luvata dot com

在此处输入图像描述

确实有用于非常高频应用的绝缘芯线的变体。它被称为波导。它是用于传导射频的空心管。我的理解是信号在导电壳内部而不是外部传播,但是只需要与集肤效应一样厚的导电壳的想法就在那里。

不过电感用处不大。