交變電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí),電流在導(dǎo)線橫截面上的分布是不均勻的,導(dǎo)體表面的電流密度大于中心的密度,且交變電流的頻率越高,這種趨勢(shì)越明顯,該現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)(skin effiect),趨膚效應(yīng)也稱集膚效應(yīng)。
趨膚效應(yīng)( skin effect),在“GB/T 2900.1-2008 電工術(shù)語(yǔ) 基本術(shù)語(yǔ)”中定義如下:
由于導(dǎo)體中交流電流的作用,靠近導(dǎo)體表面處的電流密度大于導(dǎo)體內(nèi)部電流密度的現(xiàn)象。
注1:隨著電流頻率的提高,趨膚效應(yīng)使導(dǎo)體的電阻增大,電感減??;
注2:在更一般的情況下,任何隨時(shí)間變化的電流都產(chǎn)生趨膚效應(yīng)。
與趨膚效應(yīng)同時(shí)存在的還有鄰近效應(yīng),變頻器輸出含有豐富的高次諧波,高次諧波電流將在電機(jī)的繞組中產(chǎn)生鄰近效應(yīng)和趨膚效應(yīng)及在鐵芯中產(chǎn)生的諧波渦流損耗和諧波磁滯損耗不可忽視。
趨膚效應(yīng)實(shí)際上是渦流的體現(xiàn),渦流是電磁感應(yīng)的一種體現(xiàn)方式,但是,某些文獻(xiàn)簡(jiǎn)單的認(rèn)為,由于電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí),導(dǎo)體中心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大,因電磁感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大,根據(jù)楞次定理,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將阻礙電流的變化,這種說(shuō)法是錯(cuò)誤的。
以截面為圓形的長(zhǎng)直導(dǎo)線為例,其磁場(chǎng)分布如下圖1所示。
圖1、截面積為圓形的長(zhǎng)直導(dǎo)線內(nèi)部磁場(chǎng)分布圖
根據(jù)安培環(huán)路定理,磁場(chǎng)強(qiáng)度H沿閉合回路的線積分等于閉合回路包含的電流的代數(shù)和,與閉合回路之外的電流無(wú)關(guān)。均勻材質(zhì)的導(dǎo)體中,磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比,選閉合回路為圖中所述的各條磁力線,可知,越靠近導(dǎo)體中心,磁力線包圍的電流越小,在導(dǎo)體軸線上,磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。
實(shí)際上,趨膚效應(yīng)是渦流效應(yīng)的結(jié)果,如圖2所示:
圖2、渦流與趨膚效應(yīng)
如圖,電流I流過(guò)導(dǎo)體,在I的垂直平面形成交變磁場(chǎng),交變磁場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在導(dǎo)體內(nèi)部形成渦流電流i,渦流i的方向在導(dǎo)體內(nèi)部總與電流I的變化趨勢(shì)相反,阻礙I變化,渦流i的方向在導(dǎo)體表面總與I的變化趨勢(shì)相同,加強(qiáng)I變化。在導(dǎo)體內(nèi)部,等效電阻變大,而導(dǎo)體表面的等效電阻變小,交變電流趨于在導(dǎo)體表面流動(dòng),形成趨膚效應(yīng)。
趨膚效應(yīng)使導(dǎo)線通過(guò)交變電流的有效截面積減小了,導(dǎo)線的電阻增大了。
趨膚效應(yīng)下導(dǎo)體的等效電阻變化了,這個(gè)等效電阻,稱為交流電阻,交流電阻與電流的頻率有關(guān),頻率越高,交流電阻越大。
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
式中:
μ-導(dǎo)線材料的磁導(dǎo)率;
ρ-材料的電阻率;
k-材料電導(dǎo)率(或電阻率)溫度系數(shù);
可見趨膚深度與頻率的開方成反比,與電阻率的開方成正比。下表是20℃時(shí)銅的的趨膚深度表。
表1、20℃時(shí),銅的趨膚深度表:
頻率(Hz) | 60 | 1,000 | 3,000 | 5,000 | 10,000 | 20,000 | 50,000 | 100,000 |
趨膚深度(mm) | 8.5 | 2.09 | 1.206 | 0.935 | 0.661 | 0.467 | 0.296 | 0.209 |
傳輸交流電流時(shí),由于趨膚效應(yīng)的影響,導(dǎo)致導(dǎo)線的等效電阻增加,損耗增大。
1、趨膚效應(yīng)對(duì)于高頻電流的傳輸影響甚大。對(duì)于傳輸高頻電流的導(dǎo)線,通常采用下述方法改善其傳輸性能:
a、既然趨膚效應(yīng)使電流趨于表面流動(dòng),那么,相同截面積的導(dǎo)線,表面積越大,等效電阻越小,因此,利用互相絕緣的多根細(xì)導(dǎo)線代替單根實(shí)心導(dǎo)線,可以改善降低導(dǎo)線的交流電阻。
b、既然趨膚效應(yīng)使電流趨于表面流動(dòng),那么,將其表面鍍銀或鍍金,降低表面電阻,可以改善導(dǎo)線的交流電阻。
c、既然趨膚效應(yīng)使電流趨于表面流動(dòng),那么,將其制作成空心導(dǎo)線,其導(dǎo)電效果與實(shí)心導(dǎo)線基本相當(dāng),但是,可以節(jié)省材料。
2、對(duì)傳輸工頻大電流不利
為了傳輸更大的電流,對(duì)于大電流傳輸,通常導(dǎo)體截面積較大,遠(yuǎn)離表面的中心處,電流密度還是會(huì)明顯減小,因此,傳輸交流大電流的導(dǎo)體,通常制作成截面積為長(zhǎng)方形,而不是圓形或正方形,并且,一般不能太厚,對(duì)于50Hz的工頻交流電,導(dǎo)體為銅,其趨膚深度約8mm,這樣,對(duì)于厚度大于16mm的銅排,其中心層電流密度已經(jīng)非常小了,因此,用于傳輸工頻電流的銅排的厚度一般小于12mm。
電流流過(guò)導(dǎo)體,產(chǎn)生熱量,趨膚效應(yīng)使電流趨于表面流動(dòng)的特性,可應(yīng)用于金屬表面熱處理,通常稱表面淬火。表面淬火的過(guò)程如下:
在一個(gè)感應(yīng)線圈中通以高頻交流電,線圈內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生頻率相同的高頻交變磁場(chǎng),或?qū)⒔饘賹?dǎo)體置于交變磁場(chǎng)中,只要交變磁場(chǎng)足夠大,頻率足夠高,趨膚效應(yīng)將導(dǎo)致導(dǎo)體表面溫度迅速上升至淬火溫度,之后迅速冷卻金屬導(dǎo)體,可使表面硬度增大。而導(dǎo)體內(nèi)部的溫度還遠(yuǎn)低于淬火溫度,在迅速冷卻后仍保持韌性。
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