干貨丨膜包線如何通過選材實現(xiàn)降損效果?
2024-12-06 16:07:02 來源:電子變壓器與電感網(wǎng) 作者:丘水林 點擊:1325
當高頻交流電通過導體時,由于電磁感應(yīng)的作用,導體中心的電流產(chǎn)生的磁場會在中心區(qū)域感應(yīng)出電動勢,產(chǎn)生渦流,這些渦流的方向與原電流相反,迫使電流往導體表面集中,從而形成趨膚效應(yīng)。
膜包線,圖片來源:驊鷹
當雙線傳輸線的兩根導線分別通過方向相反的交流電流時,各自產(chǎn)生的交變磁場相互在相鄰的另一根導線上產(chǎn)生渦流。這種由相鄰導線上的電流在本導線激發(fā)的渦流與本導線原有的工作電流疊加,使導體中的實際電流分布向截面中接近相鄰導線的一側(cè)集中,這就是鄰近效應(yīng)。
兩者正是高頻渦流損耗的來源。
高頻工作環(huán)境下,膜包線不能單純認為股數(shù)越多越好。因為高頻時,雖然膜包線股數(shù)增多使得單根導體股徑變小,趨膚效應(yīng)會得到改善,但同時膜包線內(nèi)部鄰近效應(yīng)會增強。在一些超高頻(如 GHz 級別)的電子設(shè)備中,如小型通信基站的電感元件,如果膜包線股數(shù)過多,膜包線內(nèi)部鄰近效應(yīng)導致的損耗可能會抵消趨膚效應(yīng)改善帶來的益處。所以需要仔細評估膜包線的工作頻率與股數(shù)之間的平衡關(guān)系。
對于低頻工作環(huán)境,膜包線股數(shù)對趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響相對較小。但也要考慮其他因素,如膜包線成本和機械強度等。如果在一些低頻但對成本敏感的應(yīng)用場景,如普通低頻變壓器,就沒有必要選擇股數(shù)過多的膜包線,避免不必要的成本增加。
高頻渦流損耗機理與效應(yīng)
對變壓器、電感而言:
趨膚效應(yīng)導致電流密度分布不均勻,從而引起損耗增加;
鄰近效應(yīng)引起進入導體磁通被抵消,從而引起磁通下降。
尤其是在電感中,鄰近效應(yīng)是主要的損耗來源。
膜包線的誕生和應(yīng)用正是基于這一原理,同時其選型也受此制約。
沒有絞的多股并聯(lián)導線
以沒有絞合的兩根線為例,其首尾是相通的,施加外部磁場時,閉合回路中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢EMF,進而產(chǎn)生同方向的電流(紅色部分),疊加原來的電流,會導致整個閉合回路出現(xiàn)不均流(I1<I2),從而帶來損耗增加。
所以沒有絞合的多股膜包線是起不到降低損耗的效果的,哪怕股數(shù)再多也是。為了避免這個問題,膜包絞合線應(yīng)用而生。
有絞的多股并聯(lián)導線
絞合后,感應(yīng)電動勢相互抵消,在整個閉合回路中沒有感應(yīng)電動勢,也就沒有渦流,從而實現(xiàn)均流效果降低損耗。
這就是多股絞線的基本原理,通過絞合讓電流均勻分布于每根導體。
所以,對于膜包線或者利茲線而言,影響其性能的主要就是股徑、股數(shù)、絞距和絞制方式。
尤其是股徑和股數(shù),是膜包線最核心的兩個參數(shù)。
那么,在選用過程中,膜包線股數(shù)是越多越好嗎?答案是也不一定!
膜包線股徑大小直接影響電流承載能力。較小的股徑在高頻下能有效減輕趨膚效應(yīng),但如果股徑過小,可能無法滿足所需的電流承載要求。例如在功率較大的電機繞組中,如果選用的股徑過小的膜包線,可能會因為電流過載而發(fā)熱,甚至損壞絕緣層。
膜包線股徑和股數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的。在確定股徑時,要結(jié)合股數(shù)一起考慮。當膜包線股數(shù)增加時,膜包線股徑相應(yīng)減小,需要評估這種變化對整體性能的綜合影響,包括渦流損耗、機械強度等多個方面。
膜包線,圖片來源:驊鷹
膜包線絞距對絞合線的性能有重要影響。合適的絞距能夠更好地抵消感應(yīng)電動勢,實現(xiàn)均流效果。如果膜包線絞距過大,可能無法有效抵消感應(yīng)電動勢,導致渦流損耗增加;膜包線絞距過小,則可能會使絞合線過于緊密,影響其柔韌性和散熱性能。比如在一些需要頻繁彎曲的線路連接中,絞距過小的膜包線可能容易斷裂。
不同的絞制方式(如正規(guī)絞合、復(fù)合絞合等)也會影響膜包線的性能。正規(guī)絞合結(jié)構(gòu)簡單,性能穩(wěn)定,適用于大多數(shù)常規(guī)應(yīng)用;復(fù)合絞合則可以通過不同的組合方式來滿足特殊的性能要求,如抗干擾能力強等,但膜包線成本可能相對較高。在選用時要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和性能要求來選擇膜包線合適的絞制方式。
膜包線,圖片來源:驊鷹
在高頻下,對每一根導體而言,由于單根導體股徑變小,所以趨膚效應(yīng)得到了很明顯的改善。
但這時候,其他導體的磁場都會作用于這個導體,會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。
多股絞線渦流損耗機理
對于多股絞線的每一股而言,絞合后其他導體的電流會對其產(chǎn)生內(nèi)部鄰近效應(yīng),且股數(shù)越多,內(nèi)部鄰近效應(yīng)越強。
多股絞線渦流分布比較
雖然趨膚效應(yīng)降低了,但內(nèi)部鄰近效應(yīng)增大,無法起到降損效果。所以在選用過程中,具體要怎么去平衡,就需要綜合考慮產(chǎn)品的頻率和股數(shù)、股徑之間的關(guān)系。
膜包壓方線,圖片來源:驊鷹
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