Почему нет проводника с сердечником для высокочастотных катушек?

Фон

Обычно известны формулы скин-эффекта, которые применяются только к твердым проводникам. Обычно используемая «глубина кожи» применяется только в этих случаях. Именно по этой причине в некоторых областях применения используются трубки, так как они намного более экономичны, чем провода такого же диаметра на достаточно высокой частоте.

При частоте 1 МГц глубина медного провода составляет 65 мкм, что означает, что только 40% объема провода диаметром 1 мм пропускает 95% тока, при этом> 35% его составляет 20%.

Из формул глубины скин-слоя известно, что материал с более низкой проводимостью (например, алюминий) имеет толщину оболочки, которая значительно больше, чем глубина с более высокой проводимостью (например, медь). Как и предсказывает формула, глубина скин-слоя обратно пропорциональна квадратному корню из проводимости. Если мы отнесем это к его логическим последствиям, то это должно быть в том случае, если для проводящей трубки (с изоляционным сердечником) глубина оболочки должна быть больше, чем для эквивалентного сплошного проводника.

В качестве альтернативы интуитивно понятный тонкостенный проводник с изолированным сердечником будет иметь почти удвоенную площадь поверхности твердого проводника. Поэтому он должен асимптотически приближаться почти к половине сопротивления на достаточно высокой частоте.

В действительности, как можно видеть в этой статье из HB Dwight в 1922 г. (возможно, платная стена ) , увеличение сопротивления по отношению к частоте для трубы с толщиной стенки 20% ее диаметра более чем в два раза ниже, чем для твердого тела. провод.

Из приведенных выше кривых видно, что трубка с t = 200 мкм и d = 1 мм из-за увеличенной фактической глубины оболочки должна иметь менее 50% увеличения полного сопротивления, чем сплошная проволока d = 1 мм (обратите внимание, что кривые нормализованы относительно , поэтому интерпретация немного сложна).$F / R_{dc}$

Подобные эффекты (хотя и не такие существенные) можно наблюдать с индивидуально изолированным многожильным проводом.

заявка

В среднечастотных приложениях, таких как, например, импульсные источники питания, обычно используется Litz Wire - многожильный изолированный провод, который уменьшает потери из-за скин-эффекта, но становится все менее и менее эффективным на более высоких частотах (~ 1 МГц) из-за эффект близости и емкостная связь отдельных жил.

Вероятно, можно получить больше выигрышей (особенно в отношении эффектов близости), если бы было несколько отдельных нитей, встроенных по периферии непроводящего сердечника.

Вопрос

Я что-то пропустил в теории?

Если нет, то почему изолированный провод с сердечником (трубки или жилы вокруг сердечника) не используется в промышленных масштабах для применения в высокочастотных индукторах?

добавление

Как указывает ответ Джона Биркхеда, плоский провод в основном имеет те же преимущества, но не имеет недостатков (например, коэффициент заполнения). Но это заставляет меня спросить:

Почему плоский провод с изолированным сердечником не используется для этих целей? Он должен иметь такое же преимущество плоского провода с почти половиной сопротивления на достаточно высоких частотах. Возможные выгоды несущественны?

Нет, вы правы в теории, но ваш подход приводит к ненужному увеличению громкости по сравнению с использованием плоской проволоки, которая одновременно проще в изготовлении и обеспечивает аналогичное преимущество для скин-эффекта и преимущество объемной эффективности.

Запись в Википедии для Litz Wire содержит прямой ответ на ваш вопрос «Почему вместо этого не используются полые трубки?»:

Один из методов уменьшения сопротивления - это размещение большего количества проводящего материала вблизи поверхности, на которой течет ток, путем замены провода на полую медную трубку. Большая площадь поверхности трубки проводит ток с гораздо меньшим сопротивлением, чем у сплошного провода с такой же площадью поперечного сечения. Катушки резервуаров радиопередатчиков высокой мощности часто изготавливаются из медных трубок, покрытых серебром снаружи, для уменьшения сопротивления. Однако трубки не являются гибкими и требуют специальных инструментов для изгиба и формы.

Далее в статье описывается, почему Litz Wire предлагает альтернативное решение.

Индукционный нагрев (промышленный) обычно использует полые медные трубки для индуктивности.

Когда вы работаете с мощностью 1000 кВт или выше, вам лучше полагать, что потери в меди необходимо минимизировать.

Дополнительно полый сердечник используется для водяного охлаждения.

Иногда котел называют «полым прутом». Он бывает прямоугольным или круглым. Нередко заказывают «пробную фрезу», чтобы получить желаемую пустотелую заготовку и толщину.

Изображение из Luvata Dot Com

Действительно, есть вариант с изолированным сердечником для очень высокочастотных применений. Это называется волновод. Это полая трубка, используемая для проведения RF. Я понимаю, что сигнал распространяется внутри проводящей оболочки, а не снаружи, но идея о том, чтобы проводящая оболочка была настолько толстой, насколько требует кожный эффект, существует.

Не так много пользы для индукторов, хотя.