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利兹线技术基础

外部邻近效应

相邻导体或其他电气元件中交变磁场的影响也可以引起电流偏移的效应。

与趋肤效应引起的涡流不同，外部邻近效应并不以导体为中心旋转对称。这是因为交变磁场是由外部电流产生的，所以其方向在导体任何位置几乎是一样的。这里的涡流也会引起电阻损耗，从而导致欧姆电阻明显上升。产生这些涡流所必需的能量是由外部电流引起的磁场所提供的。由于涡流和产生它的磁场之间的干扰，在任何其他相邻的导体中也会引起额外的高频损耗。?

内部邻近效应

利兹线内单股线的交变磁场将会在邻近的单股线中产生涡流，从而引起损耗。因为这些磁场由内部的单股线产生，所以称之为内部邻近效应，形式上类似于趋肤效应，其电流偏移见下图。频率的增加导致利兹线的电气损耗增加，在某些情况下甚至超过相同直流电阻的实心导体的损耗。

例如，下图显示了邻近单股线之间电流的非均匀分布（电流密度从蓝色到红色递减）。

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这一效应表明利兹线存在最佳的频率范围以使其电气损耗低于实心导体。超出此范围，使用多股单线的利兹线会有负面影响。

因此，在考虑导体的高频损耗时趋肤效应和邻近效应是最重要的因素，其中内部和外部邻近效应的组合影响占主导作用。对于指定的工作频率，在大多数情况下只有利兹线结构可以帮助减少损耗。这时利兹线的结构参数，如单线股数、单线直径、绞合步数、绞距和绞向都必须根据具体的应用来确认。同时要注意，每股单线都在利兹线截面积上占有自己固定的位置。本文中由漆包单线绞合而成的利兹线被称为高频（HF）利兹线。

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单线直径和频率范围的关系

高频利兹线的设计和结构及其产生的电气性能取决于许多因素。采用不同的设计方案可以获得相近的性能参数，但需要根据经验来正确定义利兹线的结构，以保证产品可以被经济和稳定地生产。因此，对于每个特定的应用，正确选择单线直径是非常重要的考虑因素。

下面的表格列出了单线直径和频率范围的推荐关系。

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频率范围[kHz]

单线标称直径[mm]

线圈品质因数

品质因数衡量一个振荡的电气或机械系统的损耗的自由度。例如，较高的品质因子表示谐振能量损耗的速率较小，振动衰减得比较慢。一个装有高品质轴承的单摆在空气中运动，其品质因子较高，而浸在油中运动的单摆的品质因子则较低。

(1)维基百科定义

一个电子谐振电路由空气线圈(电感L)、电容(C)?和欧姆电阻(R)组成。品质因数测量的是谐振总能量与其能量损耗之间的关系。

高品质系统的一个重要条件是使用高品质因数的线圈(线圈品质因数QCoil)。

线圈的基本损耗因素是其电阻RL,Coil，电阻将受到趋肤效应和邻近效应的影响并随频率的增加而增大。

其中:

QCoil?=?~f*L/RL,Coil(f)?

其中

f=频率[Hz]??

L=线圈电感[nH]

RL,Coil=线圈电阻[Ohm]??

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以单层平面线圈为例：

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?L=Lplanar?=(21,5*N2*2a)/(1+2,72*w/2a)??

其中

w=绕组宽度[cm]

a=平均半径[cm]

N=匝数????

?不同影响因素的相互干扰，使得线圈品质因数的变化趋势受到频率影响。

这些因素包括：

频率f:?线圈的品质因数随着频率的上升而增加，由于高频损耗增加，到达某个点时再次减小。通过利兹线结构（单线股数、标称直径、绞距）的调整来增加品质因数是可行的。

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电感L:线圈品质因数随着电感的增加（例如随着匝数N的增加）而增大。不过在较高的频率下，增加的线圈电阻损耗RL,Coil会带来负面影响而削弱这一效应。线圈的固有电容随着匝数的增加而增大。

电阻RL,Coil:线圈的电阻损耗受导体总截面ACu的影响。RL,Coil的减小最初会导致品质因数增大。但在较高频率时，由于高频损耗的增大，品质因数迅速降低。通过利兹线结构（单线股数、标称直径、绞距）的调整来增加品质因数是可行的。

通过测量3种不同结构的匝数为12的睿智绞线平面线圈，利兹线和线圈的结构对品质因数的影响如下面图表所示。

通过减小绞距(图表上的红线，SL=10mm)，能在整个频率范围之内增加线圈品质因数(相比蓝色实线，绞距SL=26mm)。如果只需要在选定的频率范围内增加线圈品质因数(如本例中150kHz以内的范围)，即便是长绞距的结构仅通过使用更多绕组匝数(本例中从12增加到17)来增加电感L就可以达到目的。因此在选定的频率范围内品质因数增加，但在更高频率时品质因数快速下降?(请比较蓝色虚线与红色实线)。

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