電流集膚效應(yīng)的原理應(yīng)用

1、.一、 定義當(dāng)導(dǎo)體中有交流電或者交變電磁場(chǎng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部的電流分布不均勻，電流集中在導(dǎo)體的“皮膚”部分，也就是說(shuō)電流集中在導(dǎo)體外表的薄層，越靠近導(dǎo)體表面，電流密度越大，導(dǎo)線內(nèi)部實(shí)際上電流較小，這一現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)，又稱集膚效應(yīng)。二、 相關(guān)術(shù)語(yǔ)電阻率：電阻率是用來(lái)表示各種物質(zhì)電阻特性的物理量，符號(hào)，國(guó)際單位制m。電阻溫度系數(shù)：表示電阻當(dāng)溫度改變1度時(shí)，電阻值的相對(duì)變化，符號(hào)k，單位為ppm/（即10E（-6）/），簡(jiǎn)稱TCR。電導(dǎo)率：電導(dǎo)率是用來(lái)描述物質(zhì)中電荷流動(dòng)難易程度的參數(shù)。在公式中，電導(dǎo)率用希臘字母來(lái)表示。電導(dǎo)率的標(biāo)準(zhǔn)單位是西門子/米（簡(jiǎn)寫做S/m），為電阻率的倒數(shù)。導(dǎo)電率：IACS電導(dǎo)率百

2、分值為IACS體積電導(dǎo)率百分值或IACS質(zhì)量電導(dǎo)率百分值，其值為國(guó)際退火銅標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電阻率（不管是體積和質(zhì)量的）對(duì)相同單位試樣電阻率之比乘以100%。如銅體積電阻率推導(dǎo)的IACS電導(dǎo)率公式：%IACS= (0.017241/P)*100%,P電試樣體積電阻率。磁導(dǎo)率：表征磁介質(zhì)磁性的物理量。表示在空間或在磁芯空間中的線圈流過(guò)電流后、產(chǎn)生磁通的阻力、或者是其在磁場(chǎng)中導(dǎo)通磁力線的能力、其公式=B/H 、其中H=磁場(chǎng)強(qiáng)度、B=磁感應(yīng)強(qiáng)度，常用符號(hào)表示，為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，或稱絕對(duì)磁導(dǎo)率。銅的磁導(dǎo)率=1。磁場(chǎng)強(qiáng)度：為了描述磁場(chǎng)源的特性,也為了方便數(shù)學(xué)推導(dǎo),引入一個(gè)與介質(zhì)無(wú)關(guān)的物理量H,H=B/u0-M,式

3、中,u0為真空磁導(dǎo)率,M為介質(zhì)磁化強(qiáng)度.這個(gè)物理量,就是磁場(chǎng)強(qiáng)度.磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位是安/米（A/m）。磁感應(yīng)強(qiáng)度：磁感應(yīng)強(qiáng)度是一個(gè)基本物理量,較容易理解,就是垂直穿過(guò)單位面積的磁力線的數(shù)量.磁感應(yīng)強(qiáng)度可通過(guò)儀器直接測(cè)量.磁感應(yīng)強(qiáng)度也稱磁通密度,或簡(jiǎn)稱磁密.常用B表示.其單位是韋伯/平方米（Wb/m2）或特斯拉（T）。趨膚深度：由于趨膚效應(yīng)，交變電流沿導(dǎo)線表面開始能達(dá)到的徑向深度，單位mm，符號(hào)，公式為=1/sqrt(1/2*w*) 穿透深度（mm）角頻率，=2f（rad/s），f為頻率磁導(dǎo)率（H/m）電導(dǎo)率（S/m）當(dāng)所選材料為銅時(shí)，趨膚深度近似計(jì)算公式=66.1/ sqrt （f）集膚效應(yīng)系數(shù)

4、：三、 原理電流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)還可用電磁波向?qū)w中透入的過(guò)程加以說(shuō)明。電磁波向?qū)w內(nèi)部透入時(shí)，因?yàn)槟芰繐p失而逐漸衰減。當(dāng)波幅衰減為表面波幅的倍的深度稱為交變電磁場(chǎng)對(duì)導(dǎo)體的透入深度。以平面電磁波對(duì)半無(wú)限大導(dǎo)體的透入為例，透入深度為方程式中為角頻率,為導(dǎo)體的電導(dǎo)率，為磁導(dǎo)率。可見透入深度的

5、大小與這三個(gè)量成反比。趨膚效應(yīng)是否顯著也可以由導(dǎo)體尺寸與其中電磁波波長(zhǎng)的比較來(lái)判斷。如果導(dǎo)體的厚度較導(dǎo)體中這一波長(zhǎng)大，趨膚效應(yīng)就顯著。四、 缺點(diǎn)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：利用互相絕緣的多根細(xì)導(dǎo)線代替單根實(shí)心導(dǎo)線；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；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，

6、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。五、 應(yīng)用案例1-感應(yīng)線圈感應(yīng)線圈是用一圈或數(shù)圈的銅管來(lái)做，一般采用水冷的方式對(duì)線圈進(jìn)行冷卻。當(dāng)銅管導(dǎo)體處在一個(gè)高頻交變電場(chǎng)中，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，將在金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于導(dǎo)體的電阻很小，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)電流。根據(jù)楞次定律，交變磁場(chǎng)將使導(dǎo)體中電流趨向?qū)w表面流通，引起集膚效應(yīng)，舜間電流的密度與頻率成正比，頻率越高，感應(yīng)電流密度集中于導(dǎo)體的表面，即集膚效應(yīng)就越嚴(yán)重，有效的導(dǎo)電面積減少，電阻增大，從

7、而使導(dǎo)體迅速升溫。案例2-淬火機(jī)淬火是指利用高頻電流(30K-1000KHZ)使工件表面局部進(jìn)行加熱、冷卻，獲得表面硬化層的熱處理方法。這種方法只是對(duì)工件一定深度的表面強(qiáng)化，而心部基本上保持處理前的組織和性能，因而可獲得高強(qiáng)度，高耐磨性和高韌性的綜合。又因是局部加熱，所以能顯著減少淬火變形，降減能耗。正是因?yàn)楦哳l淬火擁有上述這些特點(diǎn)，因而在機(jī)械加工行業(yè)中廣泛被采用。工件放到感應(yīng)器內(nèi)，感應(yīng)器一般是輸入中頻或高頻交流電(1000-300000Hz或更高)的空心銅管。產(chǎn)生交變磁場(chǎng)在工件中產(chǎn)生出同頻率的感應(yīng)電流，這種感應(yīng)電流在工件的分布是不均勻的，在表面強(qiáng)，而在內(nèi)部很弱，到心部接近于0，利用這個(gè)集膚效應(yīng)，可使工件表面迅速加熱，在幾秒鐘內(nèi)表面溫度