交变电流通过导线时,电流在导线横截面上的分布是不均匀的,导体表面的电流密度大于中心的密度,且交变电流的频率越高,这种趋势越明显,该现象称为趋肤效应(skin effiect),趋肤效应也称集肤效应。
趋肤效应( skin effect),在“GB/T 2900.1-2008 电工术语 基本术语”中定义如下:
由于导体中交流电流的作用,靠近导体表面处的电流密度大于导体内部电流密度的现象。
注1:随着电流频率的提高,趋肤效应使导体的电阻增大,电感减小;
注2:在更一般的情况下,任何随时间变化的电流都产生趋肤效应。
与趋肤效应同时存在的还有邻近效应,变频器输出含有丰富的高次谐波,高次谐波电流将在电机的绕组中产生邻近效应和趋肤效应及在铁芯中产生的谐波涡流损耗和谐波磁滞损耗不可忽视。
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一趋肤效应原理

趋肤效应实际上是涡流的体现,涡流是电磁感应的一种体现方式,但是,某些文献简单的认为,由于电流流过导体时,导体中心处的磁感应强度大,因电磁感应产生的感应电动势大,根据楞次定理,感应电动势将阻碍电流的变化,这种说法是错误的。
以截面为圆形的长直导线为例,其磁场分布如下图1所示。
图1、截面积为圆形的长直导线内部磁场分布图
根据安培环路定理,磁场强度H沿闭合回路的线积分等于闭合回路包含的电流的代数和,与闭合回路之外的电流无关。均匀材质的导体中,磁感应强度B与磁场强度成正比,选闭合回路为图中所述的各条磁力线,可知,越靠近导体中心,磁力线包围的电流越小,在导体轴线上,磁感应强度为零。
实际上,趋肤效应是涡流效应的结果,如图2所示:
图2、涡流与趋肤效应
如图,电流I流过导体,在I的垂直平面形成交变磁场,交变磁场在导体内部产生感应电动势,感应电动势在导体内部形成涡流电流i,涡流i的方向在导体内部总与电流I的变化趋势相反,阻碍I变化,涡流i的方向在导体表面总与I的变化趋势相同,加强I变化。在导体内部,等效电阻变大,而导体表面的等效电阻变小,交变电流趋于在导体表面流动,形成趋肤效应。
趋肤效应使导线通过交变电流的有效截面积减小了,导线的电阻增大了。
趋肤效应下导体的等效电阻变化了,这个等效电阻,称为交流电阻,交流电阻与电流的频率有关,频率越高,交流电阻越大。

二趋肤深度

定义从表面到电流密度下降到表面电流密度的0.368(即1/e)的厚度为趋肤深度或穿透深度Δ
式中:
μ-导线材料的磁导率;
ρ-材料的电阻率;
k-材料电导率(或电阻率)温度系数;
可见趋肤深度与频率的开方成反比,与电阻率的开方成正比。下表是20℃时铜的的趋肤深度表。
表1、20℃时,铜的趋肤深度表:

频率(Hz)601,0003,0005,00010,00020,00050,000100,000
趋肤深度(mm)8.52.091.2060.9350.6610.4670.2960.209

三趋肤效应的不利

传输交流电流时,由于趋肤效应的影响,导致导线的等效电阻增加,损耗增大。
1、趋肤效应对于高频电流的传输影响甚大。对于传输高频电流的导线,通常采用下述方法改善其传输性能:
a、既然趋肤效应使电流趋于表面流动,那么,相同截面积的导线,表面积越大,等效电阻越小,因此,利用互相绝缘的多根细导线代替单根实心导线,可以改善降低导线的交流电阻。
b、既然趋肤效应使电流趋于表面流动,那么,将其表面镀银或镀金,降低表面电阻,可以改善导线的交流电阻。
c、既然趋肤效应使电流趋于表面流动,那么,将其制作成空心导线,其导电效果与实心导线基本相当,但是,可以节省材料。
2、对传输工频大电流不利
为了传输更大的电流,对于大电流传输,通常导体截面积较大,远离表面的中心处,电流密度还是会明显减小,因此,传输交流大电流的导体,通常制作成截面积为长方形,而不是圆形或正方形,并且,一般不能太厚,对于50Hz的工频交流电,导体为铜,其趋肤深度约8mm,这样,对于厚度大于16mm的铜排,其中心层电流密度已经非常小了,因此,用于传输工频电流的铜排的厚度一般小于12mm。

四趋肤效应的应用

电流流过导体,产生热量,趋肤效应使电流趋于表面流动的特性,可应用于金属表面热处理,通常称表面淬火。表面淬火的过程如下:
在一个感应线圈中通以高频交流电,线圈内部会产生频率相同的高频交变磁场,或将金属导体置于交变磁场中,只要交变磁场足够大,频率足够高,趋肤效应将导致导体表面温度迅速上升至淬火温度,之后迅速冷却金属导体,可使表面硬度增大。而导体内部的温度还远低于淬火温度,在迅速冷却后仍保持韧性。