1、集膚效應(yīng)

1.1 集膚效應(yīng)的原理

     集膚效應(yīng)也稱趨膚效應(yīng)，圖1.1表示了集膚效應(yīng)的產(chǎn)生過程。圖中給出的是載流導(dǎo)體縱向的剖面圖，當(dāng)導(dǎo)體流過電流（如圖中箭頭方向）時，由右手螺旋法則可知，產(chǎn)生的感應(yīng)磁動勢為逆時針方向，產(chǎn)生進入和離開剖面的磁力線。如果導(dǎo)體中的電流增加，則由于電磁感應(yīng)效應(yīng)，導(dǎo)體中產(chǎn)生如圖所示方向的渦流。由圖可知：渦流的方向加大了導(dǎo)體表面的電流，抵消了中心線電流，這樣作用的結(jié)果是電流向?qū)w表面聚集，故稱為集膚效應(yīng)。在此引進一個集膚深度〈skin depth〉的概念，此深度的電流密度大小恰好為表面電流密度大小的1/e倍

圖1.1 集膚效應(yīng)的產(chǎn)生過程

1.2影響及應(yīng)用

     在高頻電路中可以采用空心導(dǎo)線代替實心導(dǎo)線。此外，為了削弱趨膚效應(yīng)，在高頻電路中也往往使用多股相互絕緣細導(dǎo)線編織成束來代替同樣截面積的粗導(dǎo)線，這種多股線束稱為辮線。在工業(yè)應(yīng)用方面，利用趨膚效應(yīng)可以對金屬進行表面淬火。

     考慮到交流電的集膚效應(yīng)，為了有效地利用導(dǎo)體材料和便于散熱，發(fā)電廠的大電流母線常做成槽形或菱形母線；另外，在高壓輸配電線路中，利用鋼芯鋁絞線代替鋁絞線，這樣既節(jié)省了鋁導(dǎo)線，又增加了導(dǎo)線的機械強度，這些都是利用了集膚效應(yīng)這個原理。

      集膚效應(yīng)是在訊號線里最基本的失真作用過程之一，也有可能是最容意被忽略誤解的。與一般訊號線的夸大宣傳所言,集膚效應(yīng)并不會改變所有的高頻訊號,并且不會造成任何相關(guān)動能的損失。正好相反，集膚效應(yīng)會因傳導(dǎo)體的不同成分，在傳遞高頻訊號時有不連貫的現(xiàn)象。同樣地，在陳舊的線束傳導(dǎo)體上，集膚效應(yīng)助長訊號電流在多條線束上的交互跳動，對于聲音造成刺耳的記號。

2、臨近效應(yīng)

     下圖1.2表示了鄰近效應(yīng)的產(chǎn)生過程。A、B兩導(dǎo)體流過相同方向的電流IA和IB，當(dāng)電流按圖中箭頭方向突增時，導(dǎo)體A產(chǎn)生的突變磁通ΦA-B在導(dǎo)體B中產(chǎn)生渦流，使其下表面的電流增大，上表面的電流減少。同樣導(dǎo)體B產(chǎn)生的突變磁通ΦB-A在導(dǎo)體A中產(chǎn)生渦流，使其上表面的電流增大，下表面的電流減少。這個現(xiàn)象就是導(dǎo)體之間的鄰近效應(yīng)。

圖1.2 鄰近效應(yīng)的產(chǎn)生過程

     當(dāng)流過導(dǎo)體的電流相同，導(dǎo)體之間的距離一定時，如果導(dǎo)體之間的相對面積不同，鄰近效應(yīng)使得導(dǎo)體有效截面面積不同。研究表明:導(dǎo)體的相對面積越大則導(dǎo)體有效截面越大，損耗相對較小。 

     臨近效應(yīng)與集膚效應(yīng)是共存的。集膚效應(yīng)是電流主要集中在導(dǎo)體表面附近，但是沿著導(dǎo)體圓周的電流分布還是均勻的。如果另一根載有反向交流電流的圓柱導(dǎo)體與其相鄰，其結(jié)果使電流不再對稱地分布在導(dǎo)體中，而是比較集中在兩導(dǎo)體相對的內(nèi)側(cè)，形成這種分布的原因可以從電磁場的觀點來理解。電源能量主要通過兩線之間的空間以電磁波的形式傳送給負載，導(dǎo)線內(nèi)部的電流密度分布與空間的電磁波分布密切相關(guān)，兩線相對內(nèi)側(cè)處電磁波能量密度大，傳入導(dǎo)線的功率大，故電流密度也較大。如果兩導(dǎo)線載有相同方向的交變電流，則情況相反，在兩線相對外側(cè)處的電流密度大。

3、導(dǎo)體的邊緣效應(yīng)

     有人提出了計算兩繞組變壓器繞組交流電阻的方法，此方法先將圓導(dǎo)體轉(zhuǎn)化為方形，并作如下假設(shè):①磁場被假定為一維變量，垂直于導(dǎo)體的分量被忽略，并且總磁場強度在每個導(dǎo)體層中為常量;②繞組被假定為無限長片狀導(dǎo)體的一部分，電流密度沿每層導(dǎo)體截面是常數(shù)，導(dǎo)體邊緣效應(yīng)被忽略;③假定磁芯不存在，線圈在整個磁芯寬度方向上均勻分布;④流過繞組的電壓和電流均為正弦波，且線圈無開路。

     后來的研究者們對此方法提出了一些修正。事實上，導(dǎo)體的邊緣效應(yīng)對磁性元件的損耗和漏感等有較大的影響。繞組的邊緣效應(yīng)會造成由上述假定所限定的一維繞組損耗計算方法所不能計算的額外損耗。在不同的工作頻率下，繞組之間距離不同，造成的交流電阻和漏感不同，對于一個指定的頻率，存在一個最佳的距離使得繞組交流電阻最小;繞組在磁芯窗口中的位置對繞組參數(shù)也有一定的影響;對于高頻變壓器，原副邊繞組的寬度與繞組損耗和能量的存儲也有很大關(guān)系:原副邊繞組寬度相同時高頻變壓器可以獲得最小的交流電阻和漏感。有關(guān)學(xué)者對這種邊緣效應(yīng)進行了詳細的研究，使用二維有限元仿真軟件，通過對磁場分布和電流分布進行分析證明了繞組邊緣效應(yīng)對繞組損耗和漏感的影響。