趋肤效应

时间:2010-06-23来源:网络

由于大多数电流在导体表面附近的一个薄的管道中流动,可以想象这个导体的视在电阻会大大增加。增加的大小是趋肤深度的函数。导体的视在电阻与电流流经的深度成反比。上式表明,趋肤深度与频率的平方根成反比。综合这些因素,导体的AC电阻与频率的平方根成正比增长。

趋肤深度是材料的一个属性,随导体材料的整体导电率的不同而变化。它不是导体形状的函数。图4.13绘出了铜的趋肤深度与频率的函数曲线。图4.13中的第二条曲线给出了AWG24图形铜导线的电阻相对于频率的变化。当频率足够低时,趋肤深度等于或大于导线的半径,我们只考虑导线的总DC阻抗(电流分布在整个导体内)。当趋肤深度小于导线半径时,每个英寸的电阻与频率的平方根成正比增长。下式给出了趋肤深度在有限范围内的电阻。

其中,D=线路直径,IN
RAC=AC阻抗,Ω/IN
PR=相对电阻系数(相对于铜)铜=1.00
F=频率,HZ

在实践中,运用上式存在的问题是,低频时得出的电阻值为零。我们知道,直流时导线电阻是一个非零值。下式试图将AC和DC电阻模型合并到一个公式中。对于该复合模型,没有一个封闭型的解:下式仅仅是一个有用的近似。

这一方程工更好地模拟了物理现实:低频时电阻保持常数,高频时电阻随频率的平方根成正比增长。电阻开始增长时的频率,等于趋肤深度开始小于导体厚度时的频率。对于圆形导体临界深度等于导体半径。对于扁平的矩形导体,例如印刷电路板走线,临界深度为导体厚度的一半。

对于方形导体,采用上两式时,用方形导体的周长替代πD,以英寸为单位。

表4.1列出了各种导体中趋肤效应开始起作用的频率。

如果趋肤效应是一种表面化现象,那么增大表面面积应该对趋肤效应有所帮助。LITZ电缆正是这样做的。一段LITZ电缆多股导线构成,每股导线彼此之间都是绝缘的,以特定的绞合方式编织到一起。这一绞合保证了每股导线都受一同样大小的磁力作用,使得每股导线中流过的电流相等。多股导线使总表面积增大,降低了趋肤效应的电阻。LITZ电缆用于巨型超导电电磁线圈以及频率可达1MHZ的电机转子中。超过这个频率,使每股导线中的电流保持均衡就变得几乎不可能了。

2、趋肤效应区的频率响应

用式()替代式()中的R,可以预测出工作在趋肤效应区的传输线的衰减和相移。

以DB为单位的传输损耗与电阻成正比,式()。电阻与频率的平方根成正比。所以衰减的分贝数必然与频率的平方根成正比。这一结果清楚地显示在RG-174/U衰减曲线中,见图4.14。

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