1、集肤效应与邻近效应第三章第三章 线圈线圈小结。线圈电容多层线圈变压器的漏感集肤效应和邻近效应内内容容提提要要第1页/共21页3.1 集肤效应与邻近效应集肤效应与邻近效应一、集肤效应 如果流过导线的电流是直流或低频电流I，在导线内和导线的周围将产生磁场B，磁场从导体中心向径向方向扩展开来。在导体中心点，磁场包围的电流为零，磁场也为零；由中心点向径向外延伸时，包围的电流逐渐加大，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/dd 为导线直径）。在导体外面，包围的电流不变，离开导线中心越远，磁场也越弱。第2页/共21页3.1 集肤效应与邻近效应集肤效应与邻近效应当导体通过高频电流
2、i 时，变化的电流就要在导体内和导体外产生变化的磁场(图6-2 中123 和456)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的两个平面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的涡流（abca 和defd）阻止磁通的变化。可以看到涡流的ab和ef 边与主电流OA 方向一致，而bc 边和de 边与OA相反。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。第3页/共21页3.1 集肤效应与邻近效应集肤效应与邻近效应单根导体的集肤效应等效电路：A点表示导线表面，B 点表示导线的中心。当直流或低频电流流过时，电感不起作用或作
3、用很小。电路电阻电流总和等于导线总电流。但如果导线流过高频电流，由于分布电感作用，外部电感阻挡了外加电压的大部分，只是在接近表面的电阻才流过较大电流，由于分布电感降压，表面压降最大，由表面到中心压降逐渐减少，由表面到中心电流也愈来愈小，甚至没有电流，也没有磁场。第4页/共21页3.1 集肤效应与邻近效应集肤效应与邻近效应二、集肤深度研究表明，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，而在层以外
4、的导体完全不流过电流。铜导线温度20、不同频率下的穿透深度：第5页/共21页3.1 集肤效应与邻近效应集肤效应与邻近效应 对于圆导线，直流电阻Rdc 反比于导线截面积。因集肤效应使导线的有效截面积减少，交流电阻Rac 增加。虽Rac/Rdc 随直径增加而增加，但交流电阻Rac 实际上随直径的增加而减少。因为铜线直径增加，直流电阻反比于 ，而交流电阻反比于d，直流电阻减少快于交流电阻的结果。较大铜线尺寸使得铜损耗小于磁芯损耗。大直径的导线因交流电阻引起的交流损耗大，经常用截面之和等于单导线的多根较细导线并联。2d第6页/共21页3.1 集肤效应与邻近效应集肤效应与邻近效应三、邻近效应当回流导体靠
5、近时，两根导线的场向量将相加。在两导体相邻之间，磁场方向相同而加强；两导线之外侧，磁场相反而抵销，磁场很弱，或为零。在导体内部，由两导体外侧向内逐渐加强，到达导体的内表面时磁场最强。第7页/共21页3.1 集肤效应与邻近效应集肤效应与邻近效应如果两导体相距w 很近，邻近效应使得电流在相邻内侧表面流通，磁场集中在两导线间，导线的外侧，既没有电流，也没有磁场合成磁场为零，没有磁场地方不存储能量，能量主要存储在导线之间。如果宽度bw，单位长度上的电感为：第8页/共21页3.1 集肤效应与邻近效应集肤效应与邻近效应为减少分布电感，图(a)最好，图(b)次之，图(c)最差。因此，在布置印刷电路板导线时，
6、流过高频电流的导线与回流导线上下层最好。平行靠近放置在同一层最差，即使导线很宽，实际上仅在导线靠近的边缘有高频电流流通，损耗很大，而且层的厚度不应当超过穿透深度。第9页/共21页3.1 集肤效应与邻近效应集肤效应与邻近效应 对于多层线圈，流过导体表面的涡流将随线圈的层数呈指数递增。第10页/共21页3.2 变压器的漏感变压器的漏感在实际变压器中，如果初级磁通不全部匝链次级就产生了漏感。图中为一双层绕组的 变压器，由于邻近效应的影响，在两层线圈之间会存储一部分磁场能量，初级侧的磁通不能完全匝链次级。这部分漏磁是漏感形成的主要因素。漏感与初级匝数N 的平方成正比，与窗口的宽度l 成反比。因此减少匝
7、数，选取大的窗口宽度可减少漏感。还应当看到，线圈之间的间隔越小，漏感也越小。第11页/共21页3.2 变压器的漏感变压器的漏感对于反激变压器，由于高磁阻的气隙存在，初级线圈产生的磁通除了大部分经过磁芯和串联气隙端面磁通和边缘磁通外，还有一部分磁通只经过部分磁芯磁路的散磁。这部分散磁如果没能匝链次级线圈，也将产生漏感。第12页/共21页3.2 变压器的漏感变压器的漏感二、减小漏感的方法-线圈交错绕制如果是多层线圈，同理可作出更多层线圈的磁场分布图。为了减少漏感，可将初级和次级都分段。但是，线圈分得太多，绕制工艺复杂，线圈间间隔比例加大，充填系数降低，同时初级与次级之间的屏蔽困难。在输出与输入电压
8、都比较低的情况下，又要求漏感非常小，如驱动变压器，可以采用双线并绕，同时采用窗口 宽高比较大的磁芯第13页/共21页3.3 多层线圈多层线圈在高频变压器中，全部电流高频分量将在初级与次级直接面对的里层的内表面和相邻的外表面流动。因此两层线圈并联并不能扩大电流。为了扩大电流，通常有几种选择：1.加大线圈窗口高度 窗口宽一倍，因此,磁场强度小一倍，则单位体积存 储的能量小4 倍。由于宽度增加，也许体积增加一倍，总能量实际减少一半，漏感也减少一半。线圈宽度增加的不利后果是增加了线圈之间的电容。第14页/共21页3.3 多层线圈多层线圈2.交错绕组交错可以减小涡流损耗，降低漏感。3.并联准则 并联的所
9、有导线必须在窗口中经过相同的场。为了达到平均分配电流，应将导线绞成螺旋形或麻花形，使得每根导线在其长度方向感应相同的电压第15页/共21页3.3 多层线圈多层线圈由于邻近效应，高频变压器中不工作的线圈将产生被动损耗。为了避免被动损耗，应避免中心抽头。如果采用了中心抽头，同时导通的一半初级和次级应当安排在相互接近的地方。而另一半安排在一起。这样在不导通时，导通边合成磁场在无源区为零，不产生涡流。第16页/共21页3.4 线圈电容线圈电容一、变压器绕组中的电场分布第17页/共21页3.4 线圈电容线圈电容第18页/共21页3.4 线圈电容线圈电容第19页/共21页3.4 线圈电容线圈电容第20页/共21页感谢您的观看！第21页/共21页
