高频感应电源集肤效应与穿透深度

高频感应电源集肤效应与穿透深度

一、集肤效应

等截面的导电体通过直流电流时, 导体截面中的电流分布是均匀的, 电流密度是相等的。

当等截面的导电体通过高频交变电流时, 导体截面上的电流分布将出现不均匀状态, 电流只在导体表面层流过, 表层的电流密度最大, 导体深层电流密度较小, 这种高频交变电流的趋表现象, 则被称为电流的集肤效应 。

当导体通过交变电流时,导体表面出现电流挤聚现象,电流密度很大,而导体深处几乎不流过电流 。 这种由导体本身电流产生的磁场,使导体电流在表面集中流动的现象,被称为集肤效应。在高频感应用时,由于电流的集肤效应特性, 使导体有效截面积得不到充分利用 。 在产品设计中, 应根据不同的工作频率, 合理地选用载流导体的尺寸, 或采用多根导体并联,既满足载电流强度的要求,又提高.导体的有数利用率。

二、穿透深度

高频交变电流通过导体时,由于集肤效应的影响.电流只在导体表面展通过，表面层的深度与导体的性质和电流频率的高低有关,通常将此表面展的深度或厚度称之为穿透深度,用符号∆表示。

穿透深度的定义是:交流正弦电流通过导体时,电流密度从导体表面向导体中心处逐渐衰减,当导体某一处深度的电流密度为其表面电流密度的e

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时,该深度就定义为电流的穿透深度∆。

穿透深度∆由下式确定：

()cm f μ

πρ

=

∆ （1-1） r μμμο=

式中f ——交变电源频率，Hz

ομ——真空磁导率，ομ=4π*10-9（H/cm); r μ——相对磁导率；

ρ——导体的电阻率,Ω.cm 。

式1-2中可进一步简化为：

)(5035

cm f

r μρ

=∆ （1-2） 从式(2-17)可知,穿透深度4与导体电阻率lo 的平方根成正比,与电流频率f 及导体的相对磁导率µr 的平方根成反比。电流频率越高, 穿透深度越小,集肤效应越明显。另外导体通过的电流频率相同,电流波形不同,穿透深度不同, 正弦波电流的穿透深度比方波电流的穿透深度大。 在同频率条件下, 正弦波电流穿透深度大约是方波电流穿透深度的 1. 3

倍 。 铜导体在正弦波和方波同频率下的穿透深度及相关参数见表2-1。

2-1 铜导体在正弦波和方波同频率下的穿透深度及相关参数

注：1.表中d/为导线的几何厚度（线径）与穿透深度之比，称为等效导体厚度系数，反

映导体使用程度，d/∆越大，说明导体实际的利用率越低。

2.K 为高频感应电流下导体呈现的交流阻抗R HF 与直流电阻R DC 之比，称为高频电流电阻增加系数，随着电流频率的提高而增大。

电阻是表征导体物质对电流呈现阻力或衡量导体传导能力的物理量，在直流状态下,导体的电阻表示为

R DC =R=S

L

ρ

（1-3） 式中ρ——导体的电阻率，Ω.cm

S ——导体的截面积，cm 2

L ——导体的长度，cm 。

对于特定的导体,即电阻率、长度、截面积一定时,直流电阻R DC 在恒定温度下是不变的,而在交变电流作用下,由于集肤效应、圆形效应、邻近效应的影响,导体的电阻.R HF 增大,增加的倍数K=要器。从表2-1可以看出,同一规格的导体,频率越高,增加的倍数K 越大;不同规格的导体,电阻增加的系数K 是不同的,在相同频率下,线径粗的比线径细的电阻增加的系数K 大。电阻大意味着在电流强度一定的条件下,耗损大,发热厉害,使感应加热电源的热效率下降,感应器的温升高。还可看出,同频率下正弦波比方波穿透深度要大,有利于提高效率。

本文摘至《现代高频感应加热电源工程设计与应用》