Почему нет проводника с сердечником для высокочастотных катушек?

12

Фон

Обычно известны формулы скин-эффекта, которые применяются только к твердым проводникам. Обычно используемая «глубина кожи» применяется только в этих случаях. Именно по этой причине в некоторых областях применения используются трубки, так как они намного более экономичны, чем провода такого же диаметра на достаточно высокой частоте.

При частоте 1 МГц глубина медного провода составляет 65 мкм, что означает, что только 40% объема провода диаметром 1 мм пропускает 95% тока, при этом> 35% его составляет 20%.

Из формул глубины скин-слоя известно, что материал с более низкой проводимостью (например, алюминий) имеет толщину оболочки, которая значительно больше, чем глубина с более высокой проводимостью (например, медь). Как и предсказывает формула, глубина скин-слоя обратно пропорциональна квадратному корню из проводимости. Если мы отнесем это к его логическим последствиям, то это должно быть в том случае, если для проводящей трубки (с изоляционным сердечником) глубина оболочки должна быть больше, чем для эквивалентного сплошного проводника.

В качестве альтернативы интуитивно понятный тонкостенный проводник с изолированным сердечником будет иметь почти удвоенную площадь поверхности твердого проводника. Поэтому он должен асимптотически приближаться почти к половине сопротивления на достаточно высокой частоте.

В действительности, как можно видеть в этой статье из HB Dwight в 1922 г. (возможно, платная стена ) , увеличение сопротивления по отношению к частоте для трубы с толщиной стенки 20% ее диаметра более чем в два раза ниже, чем для твердого тела. провод.

Из приведенных выше кривых видно, что трубка с t = 200 мкм и d = 1 мм из-за увеличенной фактической глубины оболочки должна иметь менее 50% увеличения полного сопротивления, чем сплошная проволока d = 1 мм (обратите внимание, что кривые нормализованы относительно , поэтому интерпретация немного сложна). $F / R_{dc}$

Подобные эффекты (хотя и не такие существенные) можно наблюдать с индивидуально изолированным многожильным проводом.

заявка

В среднечастотных приложениях, таких как, например, импульсные источники питания, обычно используется Litz Wire - многожильный изолированный провод, который уменьшает потери из-за скин-эффекта, но становится все менее и менее эффективным на более высоких частотах (~ 1 МГц) из-за эффект близости и емкостная связь отдельных жил.

Вероятно, можно получить больше выигрышей (особенно в отношении эффектов близости), если бы было несколько отдельных нитей, встроенных по периферии непроводящего сердечника.

Вопрос

Я что-то пропустил в теории?

Если нет, то почему изолированный провод с сердечником (трубки или жилы вокруг сердечника) не используется в промышленных масштабах для применения в высокочастотных индукторах?

добавление

Как указывает ответ Джона Биркхеда, плоский провод в основном имеет те же преимущества, но не имеет недостатков (например, коэффициент заполнения). Но это заставляет меня спросить:

Почему плоский провод с изолированным сердечником не используется для этих целей? Он должен иметь такое же преимущество плоского провода с почти половиной сопротивления на достаточно высоких частотах. Возможные выгоды несущественны?

— Эдгар Браун
источник

1

Комментарии не для расширенного обсуждения; этот разговор был перенесен в чат . Любые сделанные выводы следует отредактировать обратно в вопрос и / или любой ответ (ы).

— Дэйв Твид

1

Мне нужно будет прочитать это дальше, но я нашел этот набор страниц на Litz Wire . Просто записка.

— Джон

9

Нет, вы правы в теории, но ваш подход приводит к ненужному увеличению громкости по сравнению с использованием плоской проволоки, которая одновременно проще в изготовлении и обеспечивает аналогичное преимущество для скин-эффекта и преимущество объемной эффективности.

— Джон Биркхед
источник

2

Я никогда не видел, чтобы плоский провод использовался в радиочастотных применениях, трансформаторах или индукторах, в то время как провода Литца довольно распространены. Не могли бы вы расширить свой ответ, чтобы указать на них и как он сравнивается?

— Эдгар Браун

1

См. Mouser.com/pdfdocs/bourns_ic046_flatwire_inductor_appnote.pdf

— Джон Биркхед,

2

На ваш вопрос, провод Litz также имеет низкую объемную эффективность для сильноточных применений из-за изоляции и того, как провода пересекаются в катушке. Также сложно завершить при высоких токах, чтобы получить равномерное распределение тока. Это полезно при малых токах, когда вы не ограничены в пространстве, потому что плоский провод сложно обмотать.

— Джон Биркхед

1

Если моя интуиция верна, плоский провод с непроводящим сердечником будет иметь меньший импеданс на более высоких частотах, чем плоский провод (и его должно быть относительно легко построить путем сплющивания тонкой заполненной изоляцией трубки). Таким образом, хотя это указывает в правильном направлении и отвечает основному аспекту вопроса, он не решает его полностью. Прибыль незначительна или пространство приложения отсутствует?

— Эдгар Браун

3

Прежде всего, спасибо за действительно интересный и хорошо сформулированный вопрос (близкий моему сердцу парень-магнетик). Проще сплющить провод до глубины скин-слоя - разница будет лишь незначительной, потому что между двумя слоями есть изоляция, как если бы в вашем сценарии была изоляция в центре предлагаемого проводника, и вы можете получить такой же крест секция с более широкой плоской проволокой. Было бы интересно узнать, сколько будет получено какое-либо преимущество - оно «чувствует», что емкость между обмотками может быть меньше.

— Джон Биркхед

6

Запись в Википедии для Litz Wire содержит прямой ответ на ваш вопрос «Почему вместо этого не используются полые трубки?»:

Один из методов уменьшения сопротивления - это размещение большего количества проводящего материала вблизи поверхности, на которой течет ток, путем замены провода на полую медную трубку. Большая площадь поверхности трубки проводит ток с гораздо меньшим сопротивлением, чем у сплошного провода с такой же площадью поперечного сечения. Катушки резервуаров радиопередатчиков высокой мощности часто изготавливаются из медных трубок, покрытых серебром снаружи, для уменьшения сопротивления. Однако трубки не являются гибкими и требуют специальных инструментов для изгиба и формы.

Далее в статье описывается, почему Litz Wire предлагает альтернативное решение.

— JS.
источник

5

Индукционный нагрев (промышленный) обычно использует полые медные трубки для индуктивности.

Когда вы работаете с мощностью 1000 кВт или выше, вам лучше полагать, что потери в меди необходимо минимизировать.

Дополнительно полый сердечник используется для водяного охлаждения.

Иногда котел называют «полым прутом». Он бывает прямоугольным или круглым. Нередко заказывают «пробную фрезу», чтобы получить желаемую пустотелую заготовку и толщину.

Изображение из Luvata Dot Com

— Марла
источник

1

На какой частоте это нормально работает?

— Эдгар Браун

1

@EdgarBrown. .Индукционные нагреватели используются от 50 Гц до нескольких мегагерц. В основном ниже 50 кГц, хотя.

— Марла

-2

Действительно, есть вариант с изолированным сердечником для очень высокочастотных применений. Это называется волновод. Это полая трубка, используемая для проведения RF. Я понимаю, что сигнал распространяется внутри проводящей оболочки, а не снаружи, но идея о том, чтобы проводящая оболочка была настолько толстой, насколько требует кожный эффект, существует.

Не так много пользы для индукторов, хотя.

— elchambro
источник

5

Волновод - это совсем другое. ВЧ движется в самом воздухе и «отражается» изнутри (для упрощения), а не фактически

— движется

2

@mbrig: разница не так велика, как вы думаете. Также при использовании сплошного провода на высоких частотах большая часть энергии течет в поле вокруг проводника, а не внутри проводника. Ср Пойнтинг вектор .

— Творог