电流集肤效应的原理应用

当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的“皮肤”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导线内部实际上电流较小，这一现象称为趋肤效应，又称集肤效应。

二、相关术语

电阻率：电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量，符号ρ，国际单位制Ω·m。

电阻温度系数：表示电阻当温度改变1度时，电阻值的相对变化，符号k，单位为ppm/℃（即10E（-6）/℃），简称TCR。

电导率：电导率是用来描述物质中电荷流动难易程度的参数。在公式中，电导率用希腊字母γ来表示。电导率的标准单位是西门子/米（简写做S/m），为电阻率的倒数。

导电率：IACS电导率百分值为IACS体积电导率百分值或IACS质量电导率百分值，其值为国际退火铜标准规定的电阻率（不管是体积和质量的）对相同单位试样电阻率之比乘以100%。如铜体积电阻率推导的IACS电导率公式：%IACS= (0.017241/P)*100%,P电试样体积电阻率。

磁导率：表征磁介质磁性的物理量。表示在空间或在磁芯空间中的线圈流过电流后、产生磁通的阻力、或者是其在磁场中导通磁力线的能力、其公式μ=B/H 、其中H=磁场强度、B=磁感应强度，常用符号μ表示，μ为介质的磁导率，或称绝对磁导率。铜的磁导率μ=1。磁场强度：为了描述磁场源的特性,也为了方便数学推导,引入一个与介质无关的物理量H,H=B/u0-M,式中,u0为真空磁导率,M为介质磁化强度.这个物理量,就是磁场强度.磁场强度的单位是安/米（A/m）。

磁感应强度：磁感应强度是一个基本物理量,较容易理解,就是垂直穿过单位面积的磁力线的数量.磁感应强度可通过仪器直接测量.磁感应强度也称磁通密度,或简称磁密.常用B表示.其单位是韦伯/平方米（Wb/m2）或特斯拉（T）。

趋肤深度：由于趋肤效应，交变电流沿导线表面开始能达到的径向深度，单位mm，符号δ，公式为δ=1/sqrt(1/2*w*γ*μ)

δ——穿透深度（mm）

ω——角频率，ω=2πf（rad/s），f为频率

μ——磁导率（H/m）

γ——电导率（S/m）

当所选材料为铜时，趋肤深度近似计算公式δ=66.1/ sqrt（f）

集肤效应系数：

电流I流过导体，在I的垂直平面形成交变磁场，交变磁场在导体内部产生感应电动势，感应电动势在导体内部形成涡流电流i，涡流i的方向在导体内部总与电流I的变化趋势相反，阻碍I变化，涡流i的方向在导体表面总与I的变化趋势相同，加强I变化。在导体内部，等效电阻变大，而导体表面的等效电阻变小，交变电流趋于在导体表面流动，形成趋肤效应。

趋肤效应还可用电磁波向导体中透入的过程加以说明。电磁波向导体内部透入时，因为能量损失而逐渐衰减。当波幅衰减为表面波幅的倍的深度称为交变电磁场对导体的透入深度。以平面电磁波对半无限大导体的透入为例，透入深度为方程式中ω为角频率,γ为导体的电导率，μ为磁导率。可见透入深度的大小与这三个量成反比。趋肤效应是否显著也可以由导体尺寸与其中电磁波波长的比较来判断。如果导体的厚度较导体中这一波长大，趋肤效应就显著。

四、缺点

1、趋肤效应对于高频电流的传输影响甚大。对于传输高频电流的导线，通常采用下述方法改善其传输性能：利用互相绝缘的多根细导线代替单根实心导线；表面镀银或镀金，降低表面电阻，可以改善导线的交流电阻；空心导线，其导电效果与实心导线基本相当，但是，可以节省材料。

2、对传输工频大电流不利。为了传输更大的电流，对于大电流传输，通常导体截面积较大，远离表面的中心处，电流密度还是会明显减小，因此，传输交流大电流的导体，通常制作成截面积为长方形，而不是圆形或正方形，并且，一般不能太厚，对于50Hz的工频交流电，导体为铜，其趋肤深度约8mm，这样，对于厚度大于16mm的铜排，其中心层电流密度已经非常小了，因此，用于传输工频电流的铜排的厚度一般小于12mm。

五、应用

案例1-感应线圈

感应线圈是用一圈或数圈的铜管来做，一般采用水冷的方式对线圈进行冷却。

当铜管导体处在一个高频交变电场中，根据法拉第电磁感应定律，将在金属导体内产生感应电动势，由于导体的电阻很小，从而产生强大的感应电流。根据楞次定律，交变磁场将使导体中电流趋向导体表面流通，引起集肤效应，舜间电流的密度与频率成正比，频率越高，感应电流密度集中于导体的表面，即集肤效应就越严重，有效的导电面积减少，电阻增大，从而使导体迅速升温。

案例2-淬火机

淬火是指利用高频电流(30K-1000KHZ)使工件表面局部进行加热、冷却，获得表面硬化层的热处理方法。这种方法只是对工件一定深度的表面强化，而心部基本上保持处理前的组织和性能，因而可获得高强度，高耐磨性和高韧性的综合。又因是局部加热，所以能显著减少淬火变形，降减能耗。正是因为高频淬火拥有上述这些特点，因而在机械加工行业中广泛被采用。

工件放到感应器内，感应器一般是输入中频或高频交流电(1000-300000Hz或更高)的空心铜管。产生交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流，这种感应电流在工件的分布是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，到心部接近于0，利用这个集肤效应，可使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温度上升到800-1000ºC，而心部温度升高很小。

案例3-空心导体

高频电路中可用空心铜导线代替实心铜导线以节约铜材。架空输电线中心部分改用抗拉强度大的钢丝。虽然其电阻率大一些，但是并不影响输电性能，又可增大输电线的抗拉强度。