Litz絞合線理論基礎

1、Litz絞合線理論基礎Litz絕緣絞合線，源于德語“Litzendraht”, 簡稱 Litz線，是 20 世紀初起源于德國的一種產(chǎn)品。電源變換電路設計者經(jīng)常面臨提高轉(zhuǎn)換效率的問題。當試圖提高電源變換器的效率時，降低電源變換器磁性元件的損耗是一個重要的措施。開關式電源磁性元件的損耗歸咎于磁性材料和構成變壓器繞組的電導體。鐵氧體 ( 鐵磁性氧化物 ) 是最常用的磁芯材料，具有特征損耗 ; 渦流使剩磁和磁滯損耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。而對整個電源變壓器來說，最主要的是繞組導體產(chǎn)生的損耗。若直流電流過導體，電流將在導體截面上均勻分布。產(chǎn)生的損耗為直流損耗，直流損耗是導體電導，導體橫截面和長度的函數(shù)。當交流電通過

2、導體時，導體處在交變磁場中，將在導體中產(chǎn)生感應電動勢，導致渦流和有關的能量損耗。導體中渦流的流動產(chǎn)生熱，所耗之能為電流的平方乘以電阻。渦流損耗可以看成是導體電阻的增加，其值比直流電阻值要大。渦流的數(shù)值 ( 電阻的增加 ) 隨頻率和導線直徑的增加而增加。Litz線，意為編織線，是具有膜絕緣的細徑結(jié)構，即沿其直徑均勻編織或絞合的線。渦流損耗幾乎在各種情況下，渦流在導體中引起的損耗是鄰近效應和趨膚效應組合的結(jié)果。趨膚效應是由與導體中與交變電流相關的交變磁場在導體中產(chǎn)生的渦流引起的。磁場環(huán)繞導體，從而在導體中感應出渦流。產(chǎn)生的第二種現(xiàn)象是電流在導體橫截面上分布的變化，這與電流在射頻時的“趨膚效應”有關

3、。固體導體電流的趨膚效應是電流集中于周邊薄層上。該效應是由于流線的內(nèi)外分布所致。假設固體導體是由若干平行元素組成，由較多元素包圍的內(nèi)部那些元素有較高的電抗，從而降低了中心的電流密度，增加了導線表面的電流密度。趨膚效應隨頻率和導線直徑增加而更加明顯。在適當條件下，電流幾乎完全集中在導體的外表層，而導體中心的電流實際上降低為零。趨膚效應是,/的函數(shù)， , 是導線直徑，是有效膚深。有效膚深是導電材料的特性，是電流密度從導線表面的數(shù)值降低的度量。,? 時，有效膚深是 0.218mm。 12AWG (2.00mm)銅導線的 d/ 是 9.4, 即由于趨膚效應電阻增加約 180%。在同樣條件下， 26AW

4、G(0.400mm)導體 d/ =1.9 ，我們發(fā)現(xiàn)趨膚效應的電阻增量可以忽略。鄰近效應是由于繞組的幾何形狀造成的導體中的雜散交變磁場產(chǎn)生的渦流損耗。由于鄰近效應所造成的渦流損耗可使繞組電阻比其直流電阻增加若干倍。一般說來，漏磁取決于繞組的幾何形狀以及與其鄰近繞組的幾何形狀。因為繞組的幾何形狀千差萬別，鄰近效應的渦流損耗的理論處理非常繁鎖且經(jīng)常是不實用的。如同趨膚效應，評價鄰近效應產(chǎn)生的潛在的渦流損耗,/亦是有用的。當,/ 小于 , 時，例如在低頻或細線徑時，鄰近效應很小，可以忽略。在高頻或粗線徑時， ,/ 大于 , ，可能有分布損耗。由于鄰近效應產(chǎn)生的渦流損耗，在適當?shù)臈l件下可能成為繞組中總

5、損耗的主要組成部分。降低鄰近效應的渦流損耗的有效辦法是減少導線直徑。這無疑將增加直流電阻。如同對趨膚效應的分析，解決鄰近效應的辦法是使用細徑平行絞合線。Litz線如果上述元素用平行的絕緣線束取而代之，則上述模擬可以變?yōu)楝F(xiàn)實。為獲得滿意的結(jié)果，僅僅把導線分成若干股是不夠的。這些細線必須以最少絞距精密絞合和編織在一起，這樣使它們能相對于切割導線的磁場連續(xù)相交。該磁場可以認為是由兩部分組成的，導線中的電流( 趨膚效應 ) 產(chǎn)生的同心磁場和繞組中所有其它繞線的電流 ( 鄰近效應 ) 引起的垂直磁碭。這樣的絞合線在電纜中等距離占據(jù)相應的位置 ; 這些位置從中心向外邊緣均勻分布。這將防止在平行線上的非均勻

6、電流分布。同樣，垂直磁場感應的渦流也可以通過將整束線均勻絞合而降低，使導線與所加磁場相交。每半圈絞合產(chǎn)生的感應電動勢將被另半圈產(chǎn)生的感應電動勢所抵消。在一個典型的使用 Litz 線的線包中最小絞合數(shù)應為 10，以防止由于鄰近效應產(chǎn)生的循環(huán)渦流。多股線的均勻交叉是不可能通過簡單絞合操作而實現(xiàn)的。因此，這些電纜是把數(shù)股預先絞合好的多股線再絞合在一起。例如，一根 , 線的電纜可能由 , 股預先絞合好的 , 線電纜再絞合在一起，也可能由 , 股預先絞合好的 , 線電纜再絞合在一起。由于低電能損耗和勿須清洗的直焊性，聚氨酯絕緣線是最常使用的電纜芯線。線規(guī)通常為 , 至 , ，股數(shù)少至 , 多至 , 。

7、Litz 線通常有單層、雙層和三層聚四氟乙烯或尼龍護套，單層尼龍編物纏繞護套以及不帶護套的等幾種。Litz線的使用Litz線對開關式電源里的高頻電源變壓器有潛在的應用前景。這些電源經(jīng)常使用粗導線，輸出大電流。根據(jù)以上理論，粗導體的高頻的組合在理論上則需要高頻Litz線。為評價高頻變壓器中Litz線繞組的有效性最直接的方法是在不同的繞組中保持圈數(shù)相同，用Litz線和其它導線相比較。最大功率輸出出現(xiàn)在d/最大的繞組中。這一簡單的計算可以證明任何繞組中渦流損耗的的降低。為幫助設計人員使用Litz線，如下幾點應預注意:, 、當使用鐵氧體或其它高頻磁性材料時， Litz 線極有可能降低渦流損耗。, 、計算比例 ,/ ，若其值大于 , 則考慮使用 Litz 線。, 、在磁性元件的設計中，若磁通量有不能忽視的散射，例如，磁路中有較大的空氣間隙或變壓器藕