何谓趋肤效应
从字面上我们不难发现,“趋肤”就是趋向于肌肤,肤可以理解为表面,即趋向于表面的效应。具体为:

 

 

当交变电流通过导体时,导体内部实际并没有任何电流,电流集中在临近导体外表的一薄层,这一现象我们称之为趋肤效应,也叫集肤效应。


趋肤效应的影响
那么趋肤效应是好是坏呢?在长直导体的截面上,恒定的电流时均匀分布的;而对于交变电流,导体中会出现自感电动势来阻止电流的通过。这个电动势的大小正比于导体单位时间内所切割的磁通量。我们以截面为圆形的导体为例,愈靠近导体中心的地方,受到外面磁力线产生的自感电动势愈大;愈靠近表面处则不受其内部磁力线消长的影响,自感电动势较小。这就导致了趋近导体表面处电流密度较大。


由于自感电动势会随着频率的增大而增加,趋肤效应随频率的变化也越为显著。当频率很高的电流流过导线时,可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过,也就是说导线的有效截面积减小,从而等效电阻增大,增大了线损,也降低了材料的有效利用率。


趋肤效应细说
在计算导线的电阻和电感时,我们假设电流是均匀分布在截面上的,而这一假设仅仅在导体内电流变化率 di/dt 为零时才成立;或者说,导线流过直流时,能保证电流密度是均匀的,只要电流变化率很小,我们都可以认为电流分布是均匀的。


但在高频电路中,电流变化率是较大的,不均匀分布的状态较为严重。高频电流在导线中产生的磁场在导线的中心区域产生最大的感应电动势,由于感应电动势在闭合电路中产生感应电流,所以在导线中心的感应电流最大。因为感应电流总是在减小原有电流的流过,迫使原有电流只能靠近导线外表面处。趋肤效应使得导线型传输线在高频时效率很低,信号衰减很大。
如下图所示:

 

 

当导体通过高频电流时,变化的电流就要在导体内和导体外产生变化的磁场,如图中的 1-2-3 和 4-5-6。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 产生感应电动势。这个感应电动势在导体内沿长度方向产生的涡流,如图 a-b-c-a 和 d-e-f-d,来阻止磁通的变化。我们可以看到,涡流的 a-b 和 e-f 边与主电流 O-A 的方向一致,而 b-c 和 d-e 边与之相反。这样的主电流和涡流之和在导体表面加强,越向导线中心越弱,电流趋于导体的表面,此乃趋肤效应。


趋肤深度
我们定义从导体表面到电流密度下降到导体表面电流密度的 0.368(即 1/e)的厚度为趋肤深度或者穿透深度Δ。即认为导体表面下深度为Δ的厚度导体流过全部电流,而在Δ外的导体不流过电流(在不规则导体中,趋肤深度以最窄边为准)。

 

 

Δ与频率和导线物理参数的关系为Δ=√(2K/ωμγ)


其中,μ为导体材料的磁导率;γ=1/ρ为材料的电导率;K 为材料电导率的温度系数;


如:铜的μ=μo=4π*10∧-7H/m;20℃时,ρ=0.01724×10-6 Ω/m,电阻率温度系数为 1/234.5(1/℃),Κ=(1+(T-20)/234.5),T 为导线温度。


下面给出几种导体的趋肤深度Δ

 

降低趋肤效应的方法


现在看来,趋附效应是不利的,那么如何来降低其带来的影响呢?


由于趋肤效应的存在,使得导线的有效截面积减小,导线对于交流电流的电阻大于导线电阻(指对直流的电阻),只有导线的趋肤效应面积和本身截面积相等时,导线的交流电阻最小,此时有:


Sf=S,Rac=Rdc


其中,Sf 为交流趋肤效应面积;S 为导线截面积;Rac 为交流电阻;Rdc 为直流电阻。


所以,降低趋肤效应电阻的最直接方法时改变导线截面积的形状,尽量使得趋肤效应面积和导线的截面积相等。


这里我们需要注意,在计算圆导线和扁导线的交流电阻时,设定趋肤深度条件为小于圆线半径或扁线窄边高度的 1/2,在趋肤深度大于此设定时,计算趋肤效应电阻是没有意义的!


根据上述理念,下面介绍了三种措施:


①用多股细线并联来代替单根导线;


②使用带状导线;


③利用管和金属箔,具体如下图