集膚效應與鄰近效應教案課件

集膚效應與鄰近效應集膚效應與鄰近效應1第三章線圈小結。線圈電容多層線圈變壓器的漏感集膚效應和鄰近效應內(nèi)容提要第1頁/共21頁第三章線圈小結。線圈電容多層線圈變壓器的漏感集膚效應和鄰23.1集膚效應與鄰近效應一、集膚效應

如果流過導線的電流是直流或低頻電流I，在導線內(nèi)和導線的周圍將產(chǎn)生磁場B，磁場從導體中心向徑向方向擴展開來。在導體中心點，磁場包圍的電流為零，磁場也為零；由中心點向徑向外延伸時，包圍的電流逐漸加大，磁場也加強，當達到導體表面時，包圍了全部電流，磁場也最強（H=I/πd－d為導線直徑）。在導體外面，包圍的電流不變，離開導線中心越遠，磁場也越弱。第2頁/共21頁3.1集膚效應與鄰近效應一、集膚效應第2頁/共21頁33.1集膚效應與鄰近效應當導體通過高頻電流i時，變化的電流就要在導體內(nèi)和導體外產(chǎn)生變化的磁場(圖6-2中1－2－3和4－5－6)垂直于電流方向。根據(jù)電磁感應定律，高頻磁場在導體內(nèi)沿長度方向的兩個平面L和N產(chǎn)生感應電勢。此感應電勢在導體內(nèi)整個長度方向產(chǎn)生的渦流（a－b－c－a和d－e－f－d）阻止磁通的變化?？梢钥吹綔u流的a－b和e－f邊與主電流O－A方向一致，而b－c邊和d－e邊與O－A相反。這樣主電流和渦流之和在導線表面加強，越向?qū)Ь€中心越弱，電流趨向于導體表面。這就是集膚效應。第3頁/共21頁3.1集膚效應與鄰近效應當導體通過高頻電流i時，變化的電43.1集膚效應與鄰近效應單根導體的集膚效應等效電路：A點表示導線表面，B點表示導線的中心。當直流或低頻電流流過時，電感不起作用或作用很小。電路電阻電流總和等于導線總電流。但如果導線流過高頻電流，由于分布電感作用，外部電感阻擋了外加電壓的大部分，只是在接近表面的電阻才流過較大電流，由于分布電感降壓，表面壓降最大，由表面到中心壓降逐漸減少，由表面到中心電流也愈來愈小，甚至沒有電流，也沒有磁場。第4頁/共21頁3.1集膚效應與鄰近效應單根導體的集膚效應等效電路：A點表53.1集膚效應與鄰近效應二、集膚深度研究表明，導線中電流密度從導線表面到中心按指數(shù)規(guī)律下降。導線有效截面減少而電阻加大，損耗加大。為便于計算和比較，工程上定義從表面到電流密度下降到表面電流密度的0.368（即1/e）的厚度為趨膚深度或穿透深度Δ，即認為表面下深度為Δ的厚度導體流過導線的全部電流，而在Δ層以外的導體完全不流過電流。銅導線溫度20℃、不同頻率下的穿透深度：第5頁/共21頁3.1集膚效應與鄰近效應二、集膚深度研究表明，導線中電流密63.1集膚效應與鄰近效應對于圓導線，直流電阻Rdc反比于導線截面積。因集膚效應使導線的有效截面積減少，交流電阻Rac增加。雖Rac/Rdc隨直徑增加而增加，但交流電阻Rac實際上隨直徑的增加而減少。因為銅線直徑增加，直流電阻反比于，而交流電阻反比于d，直流電阻減少快于交流電阻的結果。較大銅線尺寸使得銅損耗小于磁芯損耗。大直徑的導線因交流電阻引起的交流損耗大，經(jīng)常用截面之和等于單導線的多根較細導線并聯(lián)。第6頁/共21頁3.1集膚效應與鄰近效應對于圓導線，直流電阻73.1集膚效應與鄰近效應三、鄰近效應當回流導體靠近時，兩根導線的場向量將相加。在兩導體相鄰之間，磁場方向相同而加強；兩導線之外側，磁場相反而抵銷，磁場很弱，或為零。在導體內(nèi)部，由兩導體外側向內(nèi)逐漸加強，到達導體的內(nèi)表面時磁場最強。第7頁/共21頁3.1集膚效應與鄰近效應三、鄰近效應當回流導體靠近時，兩根83.1集膚效應與鄰近效應如果兩導體相距w很近，鄰近效應使得電流在相鄰內(nèi)側表面流通，磁場集中在兩導線間，導線的外側，既沒有電流，也沒有磁場－合成磁場為零，沒有磁場地方不存儲能量，能量主要存儲在導線之間。如果寬度b>>w，單位長度上的電感為：第8頁/共21頁3.1集膚效應與鄰近效應如果兩導體相距w很近，鄰近效應使93.1集膚效應與鄰近效應為減少分布電感，圖(a)最好，圖(b)次之，圖(c)最差。因此，在布置印刷電路板導線時，流過高頻電流的導線與回流導線上下層最好。平行靠近放置在同一層最差，即使導線很寬，實際上僅在導線靠近的邊緣有高頻電流流通，損耗很大，而且層的厚度不應當超過穿透深度。第9頁/共21頁3.1集膚效應與鄰近效應為減少分布電感，圖(a)最好，圖(103.1集膚效應與鄰近效應對于多層線圈，流過導體表面的渦流將隨線圈的層數(shù)呈指數(shù)遞增。第10頁/共21頁3.1集膚效應與鄰近效應對于多層線圈，流過導體表面的113.2變壓器的漏感在實際變壓器中，如果初級磁通不全部匝鏈次級就產(chǎn)生了漏感。圖中為一雙層繞組的變壓器，由于鄰近效應的影響，在兩層線圈之間會存儲一部分磁場能量，初級側的磁通不能完全匝鏈次級。這部分漏磁是漏感形成的主要因素。漏感與初級匝數(shù)N的平方成正比，與窗口的寬度l成反比。因此減少匝數(shù)，選取大的窗口寬度可減少漏感。還應當看到，線圈之間的間隔越小，漏感也越小。第11頁/共21頁3.2變壓器的漏感在實際變壓器中，如果初級磁通不全部匝鏈次123.2變壓器的漏感對于反激變壓器，由于高磁阻的氣隙存在，初級線圈產(chǎn)生的磁通除了大部分經(jīng)過磁芯和串聯(lián)氣隙－端面磁通和邊緣磁通外，還有一部分磁通只經(jīng)過部分磁芯磁路的散磁。這部分散磁如果沒能匝鏈次級線圈，也將產(chǎn)生漏感。第12頁/共21頁3.2變壓器的漏感對于反激變壓器，由于高磁阻的氣隙存在，133.2變壓器的漏感二、減小漏感的方法----線圈交錯繞制如果是多層線圈，同理可作出更多層線圈的磁場分布圖。為了減少漏感，可將初級和次級都分段。但是，線圈分得太多，繞制工藝復雜，線圈間間隔比例加大，充填系數(shù)降低，同時初級與次級之間的屏蔽困難。在輸出與輸入電壓都比較低的情況下，又要求漏感非常小，如驅(qū)動變壓器，可以采用雙線并繞，同時采用窗口寬高比較大的磁芯第13頁/共21頁3.2變壓器的漏感二、減小漏感的方法----線圈交錯繞制第143.3多層線圈在高頻變壓器中，全部電流高頻分量將在初級與次級直接面對的里層的內(nèi)表面和相鄰的外表面流動。因此兩層線圈并聯(lián)并不能擴大電流。為了擴大電流，通常有幾種選擇：加大線圈窗口高度窗口寬一倍，因此,磁場強度小一倍，則單位體積存儲的能量小4倍。由于寬度增加，也許體積增加一倍，總能量實際減少一半，漏感也減少一半。線圈寬度增加的不利后果是增加了線圈之間的電容。第14頁/共21頁3.3多層線圈在高頻變壓器中，全部電流高頻分量將在初級與次153.3多層線圈2.交錯繞組交錯可以減小渦流損耗，降低漏感。3.并聯(lián)準則并聯(lián)的所有導線必須在窗口中經(jīng)過相同的場。為了達到平均分配電流，應將導線絞成螺旋形或麻花形，使得每根導線在其長度方向感應相同的電壓第15頁/共21頁3.3多層線圈2.交錯第15頁/共21頁163.3多層線圈由于鄰近效應，高頻變壓器中不工作的線圈將產(chǎn)生被動損耗。為了避免被動損耗，應避免中心抽頭。如果采用了中心抽頭，同時導通的一半初級和次級應當安排在相互接近的地方。而另一半安排在一起。這樣在不導通時，導通邊合成磁場在無源區(qū)為零，不產(chǎn)生渦流。第16頁/共21頁3.3多層線圈由于鄰近效應，高頻變壓器中不工作的線圈將產(chǎn)生173.4線圈電容一、變壓器繞組中的電場分布第17頁/共21頁3.4線圈電容一、變壓器繞組中的電場分布第17頁/共21頁183.4線圈電容第18頁/共21頁3.4線圈電容第18頁/共21頁193.4線圈電容第19頁/共21頁3.4線圈電容第19頁/共21頁203.4線圈電容第20頁/共21頁3.4線圈電容第20頁/共21頁21感謝您的觀看！第21頁/共21頁感謝您的觀看！第21頁/共21頁22集膚效應與鄰近效應集膚效應與鄰近效應23第三章線圈小結。線圈電容多層線圈變壓器的漏感集膚效應和鄰近效應內(nèi)容提要第1頁/共21頁第三章線圈小結。線圈電容多層線圈變壓器的漏感集膚效應和鄰243.1集膚效應與鄰近效應一、集膚效應

如果流過導線的電流是直流或低頻電流I，在導線內(nèi)和導線的周圍將產(chǎn)生磁場B，磁場從導體中心向徑向方向擴展開來。在導體中心點，磁場包圍的電流為零，磁場也為零；由中心點向徑向外延伸時，包圍的電流逐漸加大，磁場也加強，當達到導體表面時，包圍了全部電流，磁場也最強（H=I/πd－d為導線直徑）。在導體外面，包圍的電流不變，離開導線中心越遠，磁場也越弱。第2頁/共21頁3.1集膚效應與鄰近效應一、集膚效應第2頁/共21頁253.1集膚效應與鄰近效應當導體通過高頻電流i時，變化的電流就要在導體內(nèi)和導體外產(chǎn)生變化的磁場(圖6-2中1－2－3和4－5－6)垂直于電流方向。根據(jù)電磁感應定律，高頻磁場在導體內(nèi)沿長度方向的兩個平面L和N產(chǎn)生感應電勢。此感應電勢在導體內(nèi)整個長度方向產(chǎn)生的渦流（a－b－c－a和d－e－f－d）阻止磁通的變化?？梢钥吹綔u流的a－b和e－f邊與主電流O－A方向一致，而b－c邊和d－e邊與O－A相反。這樣主電流和渦流之和在導線表面加強，越向?qū)Ь€中心越弱，電流趨向于導體表面。這就是集膚效應。第3頁/共21頁3.1集膚效應與鄰近效應當導體通過高頻電流i時，變化的電263.1集膚效應與鄰近效應單根導體的集膚效應等效電路：A點表示導線表面，B點表示導線的中心。當直流或低頻電流流過時，電感不起作用或作用很小。電路電阻電流總和等于導線總電流。但如果導線流過高頻電流，由于分布電感作用，外部電感阻擋了外加電壓的大部分，只是在接近表面的電阻才流過較大電流，由于分布電感降壓，表面壓降最大，由表面到中心壓降逐漸減少，由表面到中心電流也愈來愈小，甚至沒有電流，也沒有磁場。第4頁/共21頁3.1集膚效應與鄰近效應單根導體的集膚效應等效電路：A點表273.1集膚效應與鄰近效應二、集膚深度研究表明，導線中電流密度從導線表面到中心按指數(shù)規(guī)律下降。導線有效截面減少而電阻加大，損耗加大。為便于計算和比較，工程上定義從表面到電流密度下降到表面電流密度的0.368（即1/e）的厚度為趨膚深度或穿透深度Δ，即認為表面下深度為Δ的厚度導體流過導線的全部電流，而在Δ層以外的導體完全不流過電流。銅導線溫度20℃、不同頻率下的穿透深度：第5頁/共21頁3.1集膚效應與鄰近效應二、集膚深度研究表明，導線中電流密283.1集膚效應與鄰近效應對于圓導線，直流電阻Rdc反比于導線截面積。因集膚效應使導線的有效截面積減少，交流電阻Rac增加。雖Rac/Rdc隨直徑增加而增加，但交流電阻Rac實際上隨直徑的增加而減少。因為銅線直徑增加，直流電阻反比于，而交流電阻反比于d，直流電阻減少快于交流電阻的結果。較大銅線尺寸使得銅損耗小于磁芯損耗。大直徑的導線因交流電阻引起的交流損耗大，經(jīng)常用截面之和等于單導線的多根較細導線并聯(lián)。第6頁/共21頁3.1集膚效應與鄰近效應對于圓導線，直流電阻293.1集膚效應與鄰近效應三、鄰近效應當回流導體靠近時，兩根導線的場向量將相加。在兩導體相鄰之間，磁場方向相同而加強；兩導線之外側，磁場相反而抵銷，磁場很弱，或為零。在導體內(nèi)部，由兩導體外側向內(nèi)逐漸加強，到達導體的內(nèi)表面時磁場最強。第7頁/共21頁3.1集膚效應與鄰近效應三、鄰近效應當回流導體靠近時，兩根303.1集膚效應與鄰近效應如果兩導體相距w很近，鄰近效應使得電流在相鄰內(nèi)側表面流通，磁場集中在兩導線間，導線的外側，既沒有電流，也沒有磁場－合成磁場為零，沒有磁場地方不存儲能量，能量主要存儲在導線之間。如果寬度b>>w，單位長度上的電感為：第8頁/共21頁3.1集膚效應與鄰近效應如果兩導體相距w很近，鄰近效應使313.1集膚效應與鄰近效應為減少分布電感，圖(a)最好，圖(b)次之，圖(c)最差。因此，在布置印刷電路板導線時，流過高頻電流的導線與回流導線上下層最好。平行靠近放置在同一層最差，即使導線很寬，實際上僅在導線靠近的邊緣有高頻電流流通，損耗很大，而且層的厚度不應當超過穿透深度。第9頁/共21頁3.1集膚效應與鄰近效應為減少分布電感，圖(a)最好，圖(323.1集膚效應與鄰近效應對于多層線圈，流過導體表面的渦流將隨線圈的層數(shù)呈指數(shù)遞增。第10頁/共21頁3.1集膚效應與鄰近效應對于多層線圈，流過導體表面的333.2變壓器的漏感在實際變壓器中，如果初級磁通不全部匝鏈次級就產(chǎn)生了漏感。圖中為一雙層繞組的變壓器，由于鄰近效應的影響，在兩層線圈之間會存儲一部分磁場能量，初級側的磁通不能完全匝鏈次級。這部分漏磁是漏感形成的主要因素。漏感與初級匝數(shù)N的平方成正比，與窗口的寬度l成反比。因此減少匝數(shù)，選取大的窗口寬度可減少漏感。還應當看到，線圈之間的間隔越小，漏感也越小。第11頁/共21頁3.2變壓器的漏感在實際變壓器中，如果初級磁通不全部匝鏈次343.2變壓器的漏感對于反激變壓器，由于高磁阻的氣隙存在，初級線圈產(chǎn)生的磁通除了大部分經(jīng)過磁芯和串聯(lián)氣隙－端面磁通和邊緣磁通外，還有一部分磁通只經(jīng)過部分磁芯磁路的散磁。這部分散磁如果沒能匝鏈次級線圈，也將產(chǎn)生漏感。第12頁/共21頁3.2變壓器的漏感對于反激變壓器，由于高磁阻的氣隙存在，353.2變壓器的漏感二、減小漏感的方法----線圈交錯繞制如果是多層線圈，同理可作出更多層線圈的磁場分布圖。為了減少漏感，可將初級和次級都分段。但是，線圈分得太多，繞制工藝復雜，線圈間間隔比例加大，充填系數(shù)降低，同時初級與次級之間的屏蔽困難。在輸出與輸入電壓都比較低的情況下，又要求漏感非常小，如驅(qū)動變壓器，可以采用雙線并繞，同時采用窗口寬高比較大的磁芯第13頁/共21頁3.2變壓器的漏感二、減小漏感的方法----線圈交錯繞制第363.3多層線圈在高頻變壓器中，全部電流高頻分量將在初級與次級直接面對的里層的內(nèi)表面和相鄰的外表面流動。因此兩層線圈并聯(lián)并不能擴大電流。為了擴大電流，通常有幾種選擇：加大線圈