交變電流通過導(dǎo)線時(shí)，電流在導(dǎo)線橫截面上的分布是不均勻的，導(dǎo)體表面的電流密度大于中心的密度，且交變電流的頻率越高，這種趨勢(shì)越明顯，該現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)(skin effiect)，趨膚效應(yīng)也稱集膚效應(yīng)。

　　趨膚效應(yīng)（ skin effect），在“GB/T 2900.1-2008　電工術(shù)語　基本術(shù)語”中定義如下：

　　由于導(dǎo)體中交流電流的作用，靠近導(dǎo)體表面處的電流密度大于導(dǎo)體內(nèi)部電流密度的現(xiàn)象。

　　注1：隨著電流頻率的提高，趨膚效應(yīng)使導(dǎo)體的電阻增大，電感減?。?/p>

　　注2：在更一般的情況下，任何隨時(shí)間變化的電流都產(chǎn)生趨膚效應(yīng)。

　　與趨膚效應(yīng)同時(shí)存在的還有鄰近效應(yīng)，變頻器輸出含有豐富的高次諧波，高次諧波電流將在電機(jī)的繞組中產(chǎn)生鄰近效應(yīng)和趨膚效應(yīng)及在鐵芯中產(chǎn)生的諧波渦流損耗和諧波磁滯損耗不可忽視。

　　鄰近效應(yīng)的原理以及相關(guān)研究>>>

一趨膚效應(yīng)原理

　　趨膚效應(yīng)實(shí)際上是渦流的體現(xiàn)，渦流是電磁感應(yīng)的一種體現(xiàn)方式，但是，某些文獻(xiàn)簡單的認(rèn)為，由于電流流過導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體中心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大，因電磁感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大，根據(jù)楞次定理，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將阻礙電流的變化，這種說法是錯(cuò)誤的。

　　以截面為圓形的長直導(dǎo)線為例，其磁場分布如下圖1所示。

圖1、截面積為圓形的長直導(dǎo)線內(nèi)部磁場分布圖

　　根據(jù)安培環(huán)路定理，磁場強(qiáng)度H沿閉合回路的線積分等于閉合回路包含的電流的代數(shù)和，與閉合回路之外的電流無關(guān)。均勻材質(zhì)的導(dǎo)體中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場強(qiáng)度成正比，選閉合回路為圖中所述的各條磁力線，可知，越靠近導(dǎo)體中心，磁力線包圍的電流越小，在導(dǎo)體軸線上，磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。

　　實(shí)際上，趨膚效應(yīng)是渦流效應(yīng)的結(jié)果，如圖2所示：

圖2、渦流與趨膚效應(yīng)

　　如圖，電流I流過導(dǎo)體，在I的垂直平面形成交變磁場，交變磁場在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在導(dǎo)體內(nèi)部形成渦流電流i，渦流i的方向在導(dǎo)體內(nèi)部總與電流I的變化趨勢(shì)相反，阻礙I變化，渦流i的方向在導(dǎo)體表面總與I的變化趨勢(shì)相同，加強(qiáng)I變化。在導(dǎo)體內(nèi)部，等效電阻變大，而導(dǎo)體表面的等效電阻變小，交變電流趨于在導(dǎo)體表面流動(dòng)，形成趨膚效應(yīng)。
　　趨膚效應(yīng)使導(dǎo)線通過交變電流的有效截面積減小了，導(dǎo)線的電阻增大了。

　　趨膚效應(yīng)下導(dǎo)體的等效電阻變化了，這個(gè)等效電阻，稱為交流電阻，交流電阻與電流的頻率有關(guān)，頻率越高，交流電阻越大。

二趨膚深度

　　定義從表面到電流密度下降到表面電流密度的0.368（即1/e）的厚度為趨膚深度或穿透深度Δ

　　式中：

　　μ－導(dǎo)線材料的磁導(dǎo)率；

　　ρ－材料的電阻率；

　　k－材料電導(dǎo)率（或電阻率）溫度系數(shù)；

　　可見趨膚深度與頻率的開方成反比，與電阻率的開方成正比。下表是20℃時(shí)銅的的趨膚深度表。

表1、20℃時(shí)，銅的趨膚深度表：

頻率(Hz)	60	1,000	3,000	5,000	10,000	20,000	50,000	100,000
趨膚深度(mm)	8.5	2.09	1.206	0.935	0.661	0.467	0.296	0.209

三趨膚效應(yīng)的不利

　　傳輸交流電流時(shí)，由于趨膚效應(yīng)的影響，導(dǎo)致導(dǎo)線的等效電阻增加，損耗增大。
1、趨膚效應(yīng)對(duì)于高頻電流的傳輸影響甚大。對(duì)于傳輸高頻電流的導(dǎo)線，通常采用下述方法改善其傳輸性能：
　　a、既然趨膚效應(yīng)使電流趨于表面流動(dòng)，那么，相同截面積的導(dǎo)線，表面積越大，等效電阻越小，因此，利用互相絕緣的多根細(xì)導(dǎo)線代替單根實(shí)心導(dǎo)線，可以改善降低導(dǎo)線的交流電阻。
　　b、既然趨膚效應(yīng)使電流趨于表面流動(dòng)，那么，將其表面鍍銀或鍍金，降低表面電阻，可以改善導(dǎo)線的交流電阻。
　　c、既然趨膚效應(yīng)使電流趨于表面流動(dòng)，那么，將其制作成空心導(dǎo)線，其導(dǎo)電效果與實(shí)心導(dǎo)線基本相當(dāng)，但是，可以節(jié)省材料。
2、對(duì)傳輸工頻大電流不利
　　為了傳輸更大的電流，對(duì)于大電流傳輸，通常導(dǎo)體截面積較大，遠(yuǎn)離表面的中心處，電流密度還是會(huì)明顯減小，因此，傳輸交流大電流的導(dǎo)體，通常制作成截面積為長方形，而不是圓形或正方形，并且，一般不能太厚，對(duì)于50Hz的工頻交流電，導(dǎo)體為銅，其趨膚深度約8mm，這樣，對(duì)于厚度大于16mm的銅排，其中心層電流密度已經(jīng)非常小了，因此，用于傳輸工頻電流的銅排的厚度一般小于12mm。

四趨膚效應(yīng)的應(yīng)用

　　電流流過導(dǎo)體，產(chǎn)生熱量，趨膚效應(yīng)使電流趨于表面流動(dòng)的特性，可應(yīng)用于金屬表面熱處理，通常稱表面淬火。表面淬火的過程如下：

　　在一個(gè)感應(yīng)線圈中通以高頻交流電，線圈內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生頻率相同的高頻交變磁場，或?qū)⒔饘賹?dǎo)體置于交變磁場中，只要交變磁場足夠大，頻率足夠高，趨膚效應(yīng)將導(dǎo)致導(dǎo)體表面溫度迅速上升至淬火溫度，之后迅速冷卻金屬導(dǎo)體，可使表面硬度增大。而導(dǎo)體內(nèi)部的溫度還遠(yuǎn)低于淬火溫度，在迅速冷卻后仍保持韌性。

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