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變壓器中的銅損

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變壓器中的銅損

    設(shè)計電源適配器在選擇繞線尺寸時，都是以電流密度為500圓密耳每安培為前提的，并且假設(shè)銅損的計算公式為 。其中，R為所選導(dǎo)線的直流電阻，通過導(dǎo)線的長度和每英寸的阻抗值（導(dǎo)線規(guī)格表可以查得）可以計算得到。Irms為電流有效值，根據(jù)電流波形可以計算出來。
    由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響，繞組損耗往往比大許多。
    當(dāng)變化的磁場穿過線圈時會產(chǎn)生渦流，集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)都是由渦流產(chǎn)生的。集膚效應(yīng)對應(yīng)的渦流是由導(dǎo)線自身電流所產(chǎn)生的磁場導(dǎo)致的，而鄰近效應(yīng)對應(yīng)的渦流是相鄰的導(dǎo)線或者導(dǎo)線層的電流所產(chǎn)生的磁場導(dǎo)致的。
    由于集膚效應(yīng)的影響，電流流過導(dǎo)體時趨向于集中在導(dǎo)體表面。集膚深度或者說環(huán)形導(dǎo)電面積與頻率的平方根成反比。因此，頻率越高，導(dǎo)線損失的導(dǎo)電面積越大，從而交流電阻也越大，銅損越多。
    低頻時集膚效應(yīng)帶來的導(dǎo)線阻抗并不明顯，例如，當(dāng)頻率為25kHz時，導(dǎo)線集膚深度為17.9密耳。
    但是，在傳統(tǒng)的開關(guān)電源中電流波形都為矩形波，按傅里葉展開其高頻分量很大。因此，即使頻率較低，如25kH，由高頻諧波產(chǎn)生的交流電阻也很大，這種情況下還是必須考慮集膚效應(yīng)的。
    相鄰導(dǎo)線或者線圈層與層之間的鄰近效應(yīng)產(chǎn)生的銅損有可能比集膚效應(yīng)大得多。多層繞組的鄰近效應(yīng)損耗是相當(dāng)大的，一部分原因是感應(yīng)的渦流迫使凈電流只流經(jīng)導(dǎo)線截面的一小部分，增加了交流損耗。較為重要的原因是渦流比原來流經(jīng)導(dǎo)線或者線圈層的凈電流的幅值有可能大好幾倍。在下面的章節(jié)將做定量分析。


集膚效應(yīng)
集膚效應(yīng)早已被人熟知，1915年就有人推導(dǎo)出了集膚深度與頻率之間的關(guān)系式從所示圓形導(dǎo)線的截面圖可以看出受渦流的影響電流只流經(jīng)導(dǎo)線表面極薄的一部分。主電流的流通方向為OA，如果沒有集膚效應(yīng)的影響，電流將分布均勻地流過導(dǎo)線。
現(xiàn)在所有沿OA方向的電流都已被垂直于OA軸的磁力線包圍。設(shè)想有一束電流流經(jīng)OA軸，根據(jù)弗萊明右手定則，這部分電流產(chǎn)生的磁通線方向如圖中箭頭所示，從1到2到3再返回到1。
假設(shè)X和Y為導(dǎo)線內(nèi)的兩個水平環(huán)路，它們位于導(dǎo)線的直徑面上，并且延伸至導(dǎo)線的整個長度。兩條環(huán)路對稱分布在導(dǎo)線軸的兩側(cè)。磁通線從X環(huán)路穿出（圖中用“·“表示），從Y軸穿進(jìn)（圖中用“x”表示）。

圓形導(dǎo)線的渦流導(dǎo)致集膚效應(yīng)--導(dǎo)線中心沒有電流，并且英規(guī)電源適配器電流趨向于集中在導(dǎo)體表面。流經(jīng)導(dǎo)線的電流產(chǎn)生的磁場感應(yīng)出如ahed和ch環(huán)的電動勢，這些電動勢在其環(huán)路周圍產(chǎn)生渦流，并且這些渦流與流經(jīng)環(huán)內(nèi)側(cè)（d和d）的主電流反方向，而與流經(jīng)環(huán)外側(cè)（b和由h）的主電流同方向。因此，電流在導(dǎo)線內(nèi)部被抵消，并集中到導(dǎo)線表面。
根據(jù)法拉第定律，當(dāng)一個變化的磁場穿過某區(qū)域時，將會在包圍該區(qū)域的閉合導(dǎo)線上產(chǎn)生感應(yīng)電流。根據(jù)楞次定律，閉合回路中感應(yīng)電流的方向，總是使得它所激發(fā)的磁場來阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。
因此，在環(huán)路X和環(huán)路Y中都將產(chǎn)生感應(yīng)電流，其流向如圖所示。根據(jù)右手定則，X環(huán)路中的電流方向為順時針方向，即d-c-b-a-d。這個方向的電流產(chǎn)生的磁場從環(huán)路的中心進(jìn)入平面，與沿OA軸方向主電流產(chǎn)生的磁場方向相反。Y環(huán)路情況類似，渦流方向為逆時針方向，即e-f-g-h-e。產(chǎn)生的磁場從環(huán)路的中間穿出平面，與沿OA軸方向主電流產(chǎn)生的磁場方向相反。
注意，沿dc和ef的渦流與沿OA軸電流的方向相反，且有抵消主電流的趨勢；而沿b和gh（繞線外表層）的渦流與沿OA軸主電流的方向相同，有增強(qiáng)主電流的趨勢。
因此凈電流（渦流和主電流之和）在繞線中心相互抵消，在繞線外表面被增強(qiáng)。所以，高頻時繞線流過電流的實際面積小于導(dǎo)線總面積，交流阻抗大于直流阻抗。交流阻抗大小由集膚深度決定。

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| 發(fā)布時間：2019.04.28    來源：電源適配器廠家
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