趨膚效應&鄰近效應

趨膚效應&鄰近效應的圖1


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趨膚效應


趨膚效應:當導體中有交流電或者交變電磁場時,導體內部的電流分布不均勻,電流集中在導體的“皮膚”部分,也就是說電流集中在導體外表的薄層,越靠近導體表面,電流密度越大,導體內部實際上電流較小。結果使導體的電阻增加,使它的損耗功率也增加。這一現象稱為趨膚效應(skin effect)。頻率越高,趨膚效用越顯著。

原因:如圖1所示,當導體通過高頻電流i時,變化的電流就要在導體內和導體外產生變化的磁場(圖中1-2-3和4-5-6)垂直于電流方向。根據電磁感應定律,高頻磁場在導體內沿長度方向的兩個平面L和N產生感應電動勢。此感應電勢在導體內沿長度方向產生的渦流(a-c-b-a和d-e-f-d)阻止磁通的變化。可以看到渦流的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。這樣的主電流和渦流之和在導體表面加強,越向導線中心越弱,電流趨向于導體表面。

趨膚效應&鄰近效應的圖2

圖1  趨膚效應產生原因

通過Maxwell2D進行趨膚效應仿真,結果如下圖2。

趨膚效應&鄰近效應的圖3

圖2  導體通交流電趨膚效應仿真圖

在直流電路中,均勻導體橫截面上的電流密度是均勻的。仿真結果如下圖3。

趨膚效應&鄰近效應的圖4

圖3  導體通直流電趨膚效應仿真圖 

應用:在高頻電路中可以采用空心導線代替實心導線。此外,為了削弱趨膚效應,在高頻電路中也往往使用多股相互絕緣細導線編織成束來代替同樣截面積的粗導線,這種多股線束稱為辮線。在工業應用方面,利用趨膚效應可以對金屬進行表面淬火。考慮到交流電的集膚效應,為了有效地利用導體材料和便于散熱,發電廠的大電流母線常做成槽形或菱形母線;另外,在高壓輸配電線路中,利用鋼芯鋁絞線代替鋁絞線,這樣既節省了鋁導線,又增加了導線的機械強度,這些都是利用了集膚效應這個原理。

02



鄰近效應


鄰近效應: 當高頻電流在兩導體中彼此反向流動或在一個往復導體中流動時,電流會集中于導體鄰近側流動的一種特殊的物理現象。

原因:如圖4,雙線傳輸線的兩根導線分別通過方向相反的交流電流時,各自產生的交變磁場相互在相鄰的另一根導線上產生渦流。這種由相鄰導線上的電流在本導線激發的渦流與本導線原有的工作電流疊加,使導體中的實際電流分布向截面中接近相鄰導線的一側(內側)集中。

趨膚效應&鄰近效應的圖5

圖4  兩反向電流導線之間磁場分布

分別對相鄰導線通反向交變電流和相鄰導線通同向交變電流進行仿真,結果見下圖5和圖6。

趨膚效應&鄰近效應的圖6

圖5  相鄰導線通反向交變電流

趨膚效應&鄰近效應的圖7

圖6  相鄰導線通同向交變電流

趨膚效應與鄰近效應在傳輸線中往往是孿生現象,其結果都是使導體的有效電阻增加,工作衰減增大。

趨膚效應&鄰近效應的圖8

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