为什么没有用于高频线圈应用的不导电芯线

背景

推导了众所周知的集肤效应公式，该公式仅适用于固体导体。常用的“皮肤深度”仅在这些情况下适用。出于这个原因，在某些应用中使用了管，因为在足够高的频率下，它们比相同直径的线材具有更高的重量效率。

在1MHz时，铜线的趋肤深度为65μm，这意味着直径为1mm的线中只有40％的体积承载着95％的电流，而外部的20％承载着35％以上的电流。

从趋肤深度公式可知，电导率较低的材料（例如铝）的趋肤深度比电导率较高的材料（例如铜）大得多。如公式所预测，趋肤深度与电导率的平方根成反比。如果我们将其推论到其逻辑上，那么对于导电管（具有绝缘芯），集肤深度应大于等效的实心导体。

作为一种直觉，薄壁绝缘芯线导体的表面积几乎是实心导体的两倍。因此，它应该在足够高的频率下渐近接近电阻的一半。

实际上，从1922年HB Dwight的论文（可能是付费墙）可以看出，壁厚为其直径的20％的管的电阻wrt频率的增加比实心管的电阻低两倍。线。

从上面的曲线可以看出，由于实际趋肤深度的增加，t = 200µm和d = 1mm的管的阻抗增加量应小于实心d = 1mm导线的阻抗增加量的50％（请注意，曲线归一化为wrt $F / R_{dc}$，因此解释有些棘手）。

使用单独绝缘的绞合线可以观察到类似的效果（尽管不那么明显）。

应用

在中频应用中，例如开关电源，通常使用多股绝缘线Litz Wire，这种多股绝缘线可减少由于趋肤效应而造成的损耗，但由于高频（〜1MHz）而变得越来越不起作用。邻近效应和各个股的电容耦合。

如果在不导电的铁心周围有多条独立的绞合线，可能会获得更多的收益（特别是在邻近效应方面）。

题

我错过了理论上的东西吗？

如果不是，为什么不将绝缘芯线（管或芯线绕线）用于高频电感器应用呢？

附录

正如约翰·伯克黑德（John Birckhead）的答案所指出的那样，扁线具有基本相同的优点，而没有缺点（例如填充系数）。但这导致我问：

为什么不将绝缘芯扁线用于这些应用？它应该具有与扁平线相同的优点，即在足够高的频率下电阻接近一半。可能的收益无关紧要吗？

不，理论上您是正确的，但是与使用扁线相比，您的方法会导致不必要的体积增加，这不仅易于制造，而且集肤效果和体积效率也相似。

维基百科上有关Litz wire的条目直接回答了您的问题“为什么不使用空心管呢？”：

一种降低电阻的技术是通过用空心铜管代替导线，将更多的导电材料放置在电流所在的表面附近。管的较大表面积以比具有相同横截面面积的实心电线更少的电阻传导电流。大功率无线电发射器的储能线圈通常由铜管制成，在外部镀银，以减小电阻。但是，油管不灵活，需要特殊的工具才能弯曲和成形。

文章继续描述了为什么Litz wire提供了替代解决方案。

感应加热（工业）通常使用空心铜管作为感应器。

当您以1000 kW或更高的功率运行时，最好相信铜损需要最小化。

另外，中空芯用于水冷却。

有时铜被称为“空心棒”。它有矩形或圆形。订购“轧机”以获得所需的空心棒和厚度并不少见。

图片来自luvata dot com

绝缘芯线的确存在一种变体，适用于非常高频率的应用。它称为波导。这是用于传导射频的空心管。我的理解是，信号在传导外壳的内部而不是外部传播，但是只需要像集肤效应所要求的那样厚的传导外壳就可以了。

虽然对于电感器并没有太多用处。