利茲線技術(shù)基礎(chǔ)

1、外部鄰近效應(yīng)相鄰導(dǎo)體或其他電氣元件中交變磁場(chǎng)的影響也可以引起電流偏移的效應(yīng)。與趨膚效應(yīng)引起的渦流不同，外部鄰近效應(yīng)并不以導(dǎo)體為中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)。這是因?yàn)榻蛔兇艌?chǎng)是由外部電流產(chǎn)生的，所以其方向在導(dǎo)體任何位置幾乎是一樣的。這里的渦流也會(huì)引起電阻損耗，從而導(dǎo)致歐姆電阻明顯上升。產(chǎn)生這些渦流所必需的能量是由外部電流引起的磁場(chǎng)所提供的。由于渦流和產(chǎn)生它的磁場(chǎng)之間的干擾，在任何其他相鄰的導(dǎo)體中也會(huì)引起額外的高頻損耗。 內(nèi)部鄰近效應(yīng)利茲線內(nèi)單股線的交變磁場(chǎng)將會(huì)在鄰近的單股線中產(chǎn)生渦流，從而引起損耗。因?yàn)檫@些磁場(chǎng)由內(nèi)部的單股線產(chǎn)生，所以稱(chēng)之為內(nèi)部鄰近效應(yīng)，形式上類(lèi)似于趨膚效應(yīng)，其電流偏移見(jiàn)下圖。頻率的增

2、加導(dǎo)致利茲線的電氣損耗增加，在某些情況下甚至超過(guò)相同直流電阻的實(shí)心導(dǎo)體的損耗。 例如，下圖顯示了鄰近單股線之間電流的非均勻分布（電流密度從藍(lán)色到紅色遞減）。    這一效應(yīng)表明利茲線存在最佳的頻率范圍以使其電氣損耗低于實(shí)心導(dǎo)體。超出此范圍，使用多股單線的利茲線會(huì)有負(fù)面影響。 因此，在考慮導(dǎo)體的高頻損耗時(shí)趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)是最重要的因素，其中內(nèi)部和外部鄰近效應(yīng)的組合影響占主導(dǎo)作用。對(duì)于指定的工作頻率，在大多數(shù)情況下只有利茲線結(jié)構(gòu)可以幫助減少損耗。這時(shí)利茲線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如單線股數(shù)、單線直徑、絞合步數(shù)、絞距和絞向都必須根據(jù)具體的應(yīng)用來(lái)確認(rèn)。同時(shí)要注意，每股單線都在利茲線

3、截面積上占有自己固定的位置。本文中由漆包單線絞合而成的利茲線被稱(chēng)為高頻（HF）利茲線。  單線直徑和頻率范圍的關(guān)系高頻利茲線的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)生的電氣性能取決于許多因素。采用不同的設(shè)計(jì)方案可以獲得相近的性能參數(shù)，但需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)正確定義利茲線的結(jié)構(gòu)，以保證產(chǎn)品可以被經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定地生產(chǎn)。因此，對(duì)于每個(gè)特定的應(yīng)用，正確選擇單線直徑是非常重要的考慮因素。 下面的表格列出了單線直徑和頻率范圍的推薦關(guān)系。   頻率范圍kHz單線標(biāo)稱(chēng)直徑mm從到從到0.0610.4000.2541100.2540.20010200.2000.12720500.1270.102501000.10

4、20.0791002000.0790.0632003500.0630.0503508500.0500.04085014000.0400.030140030000.0300.020高頻利茲線損耗的計(jì)算高頻損耗由各種損耗因素的累積影響，以及利茲線應(yīng)用的工作條件所決定。因此無(wú)法用一個(gè)簡(jiǎn)單的公式進(jìn)行計(jì)算，必須依靠對(duì)應(yīng)用的深入理解和一些額外的工具。 交流電阻/直流電阻比率隨著頻率的增加，電流越來(lái)越沿著導(dǎo)體表面流動(dòng)。相對(duì)于直流電阻RDC，測(cè)量到的交流電阻RAC將上升。隨著電阻值增大，歐姆損耗將增加，在高頻下甚至可以超過(guò)直流損耗。RAC/RDC-因子是交流電阻與直流電阻的比值(RAC/RDC 1)，也是利茲

5、線高頻性能的一個(gè)指標(biāo)。在給定利茲線結(jié)構(gòu)的大多數(shù)情況下，RAC/RDC因子可被準(zhǔn)確地測(cè)量或計(jì)算。根據(jù)相應(yīng)的頻率范圍，其典型值一般為1-12。除了正確選擇單線直徑外，利茲線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有著同等重要的地位。 下圖是具有相同的導(dǎo)體截面積的五種不同利茲線結(jié)構(gòu)在不同頻率下的RAC/RDC曲線。圖表顯示，隨著頻率的增加，交流電阻和高頻損耗也將增加。頻率為1 MHz時(shí)，單線線徑為50 µm的利茲線結(jié)構(gòu)效果最佳。不過(guò)1.29的RAC/RDC因子仍明顯高于1.0的最優(yōu)值。在這種情況下，首選的改進(jìn)可能是選擇較小的單線直徑以及優(yōu)化的絞合結(jié)構(gòu)。  線圈品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)衡量一個(gè)振蕩的電氣或機(jī)械系統(tǒng)的損耗

6、的自由度。例如，較高的品質(zhì)因子表示諧振能量損耗的速率較小，振動(dòng)衰減得比較慢。一個(gè)裝有高品質(zhì)軸承的單擺在空氣中運(yùn)動(dòng)，其品質(zhì)因子較高，而浸在油中運(yùn)動(dòng)的單擺的品質(zhì)因子則較低。 (1) 維基百科定義 一個(gè)電子諧振電路由空氣線圈 (電感 L)、電容 (C) 和歐姆電阻 (R)組成。品質(zhì)因數(shù)測(cè)量的是諧振總能量與其能量損耗之間的關(guān)系。高品質(zhì)系統(tǒng)的一個(gè)重要條件是使用高品質(zhì)因數(shù)的線圈(線圈品質(zhì)因數(shù)QCoil)。線圈的基本損耗因素是其電阻RL,Coil，電阻將受到趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響并隨頻率的增加而增大。 其中:QCoil  = f * L / RL,Coil (f) 

7、 其中f = 頻率 Hz   L = 線圈電感 nH RL,Coil = 線圈電阻 Ohm    以單層平面線圈為例：                                     

8、;             L = Lplanar  = (21,5 * N2 * 2a) / (1 + 2,72 * w/2a)   其中w = 繞組寬度 cm a = 平均半徑 cm N = 匝數(shù)      不同影響因素的相互干擾，使得線圈品質(zhì)因數(shù)的變化趨勢(shì)受到頻率影響。這些因素包括： 頻率 f: 線圈的品質(zhì)因數(shù)隨著頻率的上升而增加，由于高頻損耗增加，到達(dá)某個(gè)點(diǎn)時(shí)再次減小。通過(guò)利茲線

9、結(jié)構(gòu)（單線股數(shù)、標(biāo)稱(chēng)直徑、絞距）的調(diào)整來(lái)增加品質(zhì)因數(shù)是可行的。 電感 L:線圈品質(zhì)因數(shù)隨著電感的增加（例如隨著匝數(shù)N的增加）而增大。不過(guò)在較高的頻率下，增加的線圈電阻損耗RL,Coil會(huì)帶來(lái)負(fù)面影響而削弱這一效應(yīng)。線圈的固有電容隨著匝數(shù)的增加而增大。電阻 RL,Coil:線圈的電阻損耗受導(dǎo)體總截面ACu的影響。RL,Coil的減小最初會(huì)導(dǎo)致品質(zhì)因數(shù)增大。但在較高頻率時(shí)，由于高頻損耗的增大，品質(zhì)因數(shù)迅速降低。通過(guò)利茲線結(jié)構(gòu)（單線股數(shù)、標(biāo)稱(chēng)直徑、絞距）的調(diào)整來(lái)增加品質(zhì)因數(shù)是可行的。通過(guò)測(cè)量3種不同結(jié)構(gòu)的匝數(shù)為12的睿智絞線平面線圈，利茲線和線圈的結(jié)構(gòu)對(duì)品質(zhì)因數(shù)的影響如下面圖表所示。 通過(guò)減小絞距(圖表上的紅線，SL=10mm)，能在整個(gè)頻率范圍之內(nèi)增加線圈品質(zhì)因數(shù)(相比藍(lán)色實(shí)線，絞距SL=26mm)。如果只需要在選