Warum gibt es keinen nicht leitenden Kerndraht für Hochfrequenzspulenanwendungen?

Hintergrund

Die allgemein bekannten Skineffekt Formeln abgeleitet und gelten nur für massiven Leiter. Die üblicherweise verwendete "Hauttiefe" gilt nur in diesen Fällen. Aus diesem Grund werden in einigen Anwendungen Rohre verwendet, da diese bei einer ausreichend hohen Frequenz viel leichter sind als Drähte mit gleichem Durchmesser.

Bei 1 MHz beträgt die Hauttiefe des Kupferdrahtes 65 um, was bedeutet, dass nur 40% des Volumens eines Drahtes mit 1 mm Durchmesser 95% des Stroms führen, wovon> 35% im Außenbereich 20%.

Aus den Hauttiefenformeln ist bekannt, dass ein Material mit geringerer Leitfähigkeit (z. B. Aluminium) eine Hauttiefe aufweist, die erheblich größer ist als eine höhere Leitfähigkeit (z. B. Kupfer). Wie die Formel vorhersagt, ist die Hauttiefe umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Leitfähigkeit. Wenn wir dies zu seinen logischen Konsequenzen führen, sollte es der Fall sein, dass für ein leitendes Rohr (das einen Isolationskern hat) die Hauttiefe größer sein sollte als für einen äquivalenten festen Leiter.

Als alternative Intuition hätte ein dünnwandiger Leiter mit isoliertem Kern fast die doppelte Oberfläche eines festen Leiters. Es sollte sich also asymptotisch fast der Hälfte des Widerstands mit einer ausreichend hohen Frequenz nähern.

Wie aus dieser Veröffentlichung von HB Dwight aus dem Jahr 1922 (mögliche Paywall) hervorgeht , ist der Anstieg des Widerstands in Bezug auf die Frequenz für ein Rohr, dessen Wandstärke 20% seines Durchmessers beträgt, um mehr als den Faktor zwei niedriger als für einen Feststoff Draht.

Aus den obigen Kurven ist ersichtlich, dass eine Röhre mit t = 200 um und d = 1 mm aufgrund der erhöhten tatsächlichen Hauttiefe weniger als 50% der Impedanzerhöhung aufweisen sollte als ein fester Draht mit d = 1 mm (beachten Sie, dass die Die Kurven werden in Bezug auf $F / R_{dc}$ normalisiert , daher ist die Interpretation etwas schwierig.

Ähnliche (wenn auch nicht so dramatische) Effekte können bei einzeln isolierten Litzen beobachtet werden.

Anwendung

Bei Mittelfrequenz - Anwendungen, wie beispielsweise Schaltnetzteile, ist es üblich , zu verwenden Litzendraht ein vieladrige isolierter Draht , die die Verluste durch Skineffekt reduziert , aber immer weniger wirksam bei höheren Frequenzen (~ 1 MHz) wegen der Proximity-Effekt und die kapazitive Kopplung der einzelnen Stränge.

Wahrscheinlich könnten mehr Gewinne (insbesondere in Bezug auf Näherungseffekte) erzielt werden, wenn mehrere einzelne Stränge um den Umfang eines nichtleitenden Kerns eingebettet wären.

Frage

Habe ich etwas in der Theorie verpasst?

Wenn nicht, warum wird der isolierte Kerndraht (entweder Rohre oder Litzen um einen Kern herum) nicht kommerziell für Hochfrequenzinduktoranwendungen genutzt?

Nachtrag

Wie John Birckhead antwortet, hat Flachdraht grundsätzlich die gleichen Vorteile und keine der Nachteile (z. B. Füllfaktor). Das veranlasst mich aber zu fragen:

Warum wird für diese Anwendungen kein isolierter Flachdraht verwendet? Es sollte den gleichen Vorteil eines Flachdrahts mit fast dem halben Widerstand bei ausreichend hohen Frequenzen haben. Sind die möglichen Gewinne unwichtig?

Nein, Sie haben in der Theorie Recht, aber Ihr Ansatz führt zu einer unnötigen Volumensteigerung im Vergleich zur Verwendung von Flachdraht, der sowohl einfacher herzustellen ist als auch einen ähnlichen Vorteil für den Hauteffekt und den Vorteil der volumetrischen Effizienz bietet.

Der Wikipedia-Eintrag für Litzendraht enthält eine direkte Antwort auf Ihre Frage "Warum werden stattdessen keine Hohlrohre verwendet?":

Eine Technik zur Verringerung des Widerstands besteht darin, mehr leitfähiges Material in der Nähe der Oberfläche zu platzieren, an der der Strom fließt, indem der Draht durch eine hohle Kupferröhre ersetzt wird. Die größere Oberfläche der Röhre leitet den Strom mit viel geringerem Widerstand als ein massiver Draht mit der gleichen Querschnittsfläche. Die Tankspulen von Hochleistungs-Funksendern bestehen häufig aus Kupferrohren, die außen versilbert sind, um den Widerstand zu verringern. Schläuche sind jedoch nicht flexibel und erfordern spezielle Werkzeuge zum Biegen und Formen.

Der Artikel beschreibt weiter, warum Litzendraht eine alternative Lösung bietet.

Induktionserwärmung (industriell) verwendet üblicherweise hohle Kupferrohre für den Induktor.

Bei einer Leistung von 1000 kW oder mehr sollte der Kupferverlust auf ein Minimum reduziert werden.

Zusätzlich dient der Hohlkern zur Wasserkühlung.

Manchmal wird das Kupfer "Hohlstab" genannt. Es kommt in rechteckig oder rund. Es ist nicht ungewöhnlich, einen "Mühlenlauf" zu bestellen, um den gewünschten Hohlstab und die gewünschte Dicke zu erhalten.

Bild von der luvata Punkt-COM

Es gibt in der Tat eine Variante des isolierten Kerndrahtes für Anwendungen mit sehr hohen Frequenzen. Man nennt es einen Wellenleiter. Es ist eine hohle Röhre, die zum Leiten von HF verwendet wird. Ich bin der Ansicht, dass das Signal eher im Inneren der leitenden Hülle als im Äußeren übertragen wird, aber die Idee, nur die leitende Hülle zu benötigen, die so dick ist, wie es der Hauteffekt vorschreibt, ist da.

Für Induktivitäten allerdings nicht viel.