利兹线技术基础.doc

外部邻近效应
相邻导体或其她电气元件中交变磁场影响也能够引发电流偏移效应。

与趋肤效应引发涡流不一样, 外部邻近效应并不以导体为中心旋转对称。这是因为交变磁场是由外部电流产生, 所以其方向在导体任何位置几乎是一样。这里涡流也会引发电阻损耗, 从而造成欧姆电阻显著上升。产生这些涡流所必需能量是由外部电流引发磁场所提供。因为涡流和产生它磁场之间干扰, 在任何其她相邻导体中也会引发额外高频损耗。 

内部邻近效应
利兹线内单股线交变磁场将会在邻近单股线中产生涡流, 从而引发损耗。因为这些磁场由内部单股线产生, 所以称之为内部邻近效应, 形式上类似于趋肤效应, 其电流偏移见下图。频率增加造成利兹线电气损耗增加, 在一些情况下甚至超出相同直流电阻实心导体损耗。
比如, 下图显示了邻近单股线之间电流非均匀分布（电流密度从蓝色到红色递减）。

这一效应表明利兹线存在最好频率范围以使其电气损耗低于实心导体。超出此范围, 使用多股单线利兹线会有负面影响。
所以, 在考虑导体高频损耗时趋肤效应和邻近效应是最关键原因, 其中内部和外部邻近效应组合影响占主导作用。对于指定工作频率, 在大多数情况下只有利兹线结构能够帮助降低损耗。这时利兹线结构参数, 如单线股数、 单线直径、 绞合步数、 绞距和绞向都必需依据具体应用来确定。同时要注意, 每股单线都在利兹线截面积上占有自己固定位置。本文中由漆包单线绞合而成利兹线被称为高频（HF）利兹线。

单线直径和频率范围关系
高频利兹线设计和结构及其产生电气性能取决于很多原因。采取不一样设计方案能够取得相近性能参数, 但需要依据经验来正确定义利兹线结构, 以确保产品能够被经济和稳定地生产。所以, 对于每个特定应用, 正确选择单线直径是非常关键考虑原因。
下面表格列出了单线直径和频率范围推荐关系。

频率范围[kHz]
单线标称直径[mm]
从
到
从
到
0.06
1
0.400
0.254
1
10
0.254
0.200
10
20
0.200
0.127
20
50
0.127
0.102
50
100
0.102
0.079
100
200
0.079
0.063
200
350
0.063
0.050
350
850
0.050
0.040
850
1400
0.040
0.030
1400
3000
0.030
0.020

高频利兹线损耗计算
高频损耗由多种损耗原因累积影响, 以及利兹线应用工作条件所决定。所以无法用一个简单公式进行计算, 必需依靠对应用深入了解和部分额外工具。
交流电阻/直流电阻比率
伴随频率增加, 电流越来越沿着导体表面流动。相对于直流电阻RDC, 测量到交流电阻RAC将上升。伴随电阻值增大, 欧姆损耗将增加, 在高频下甚至能够超出直流损耗。
RAC/RDC-因子是交流电阻与直流电阻比值(RAC/RDC ≥ 1), 也是利兹线高频性能一个指标。在给定利兹线结构大多数情况下, RAC/RDC因子可被正确地测量或计算。依据对应频率范围, 其经典值通常为1-12。除了正确选择单线直径外, 利兹线结构设计也有着相同关键地位。
下图是含有相同导体截面积五种不一样利兹线结构在不一样频率下RAC/RDC曲线。图表显示, 伴随频率增加, 交流电阻和高频损耗也将增加。频率为1 MHz时, 单线线径为50 µm利兹线结构效果最好。不过1.29RAC/RDC因子仍显著高于1.0最优值。
在这种情况下, 首选改善可能是选择较小单线直径以及优化绞合结构。

线圈品质因数
品质因数衡量一个振荡电气或机械系统损耗自由度。比如, 较高品质因子表示谐振能量损耗速率较小, 振动衰减得比较慢。一个装有高品质轴承单摆在空气中运动, 其品质因子较高, 而浸在油中运动单摆品质因子则较低。
(1) 维基百科定义
一个电子谐振电路由空气线圈 (电感 L)、 电容 (C) 和欧姆电阻 (R)组成。品质因数测量是谐振总能量与其能量损耗之间关系。
高品质系统一个关键条件是使用高品质因数线圈(线圈品质因数QCoil)。
线圈基础损耗原因是其电阻RL,Coil, 电阻将受到趋肤效应和邻近效应影响并随频率增加而增大。
其中:
QCoil  = ~f * L / RL,Coil (f) 

其中

f = 频率 [Hz]  

L = 线圈电感 [nH]

RL,Coil = 线圈电阻 [Ohm]  

以单层平面线圈为例:

 L = Lplanar  = (21,5 * N2 * 2a) / (1 + 2,72 * w/2a)   

其中

w = 绕组宽度 [cm]

a = 平均半径 [cm]

N = 匝数    
 不一样影响原因相互干扰, 使得线圈品质因数改变趋势受到频率影响。
这些原因包含:
频率 f: 线圈品质因数伴随频率上升而增加, 因为高频损耗增加, 抵达某个点时再次减小。经过利兹线结构（单线股数、 标称直径、 绞距）调整来增加品质因数是可行。

电感 L:线圈品质因数伴随电感增加（比如伴随匝数N增加）而增大。不过在较高频率下, 增加线圈电阻损耗RL,Coil会带来负面影响而减弱这一效应。线圈固有电容伴随匝数增加而增大。
电阻 RL,Coil:线圈电阻损耗受导体总截面ACu影响。RL,Coil减小最初会造成品质因数增大。但在较高频率时, 因为高频损耗增大, 品质因数快速降低。经过利兹线结构（单线股数、 标称直径、 绞距）调整来增加品质因数是可行。
经过测量3种不一样结构匝数为12睿智绞线平面线圈, 利兹线和线圈结构对品质因数影响以下面图表所表示。
经过减小绞距(图表上红线, SL=10mm), 能在整个频率范围之内增加线圈品质因数(相比蓝色实线, 绞距SL=26mm)。假如只需要在选定频率范围内增加线圈品质因数(如本例中150 kHz以内范围), 即便是长绞距结构仅经过使用更多绕组匝数 (本例中从12 增加到17)来增加电感 L就能够达成目。所以在选定频率范围内品质因数增加, 但在更高频率时品质因数快速下降 (请比较蓝色虚线与红色实线)。