I 利兹线特点: 结构参数的主要影响

利兹线性能取决于其电气、机械、耐热和化学特性。耐热和化学特性要求可通过选择合适的绝缘材料实现,而电气和机械特性则主要取决于绞合结构参数的选择。 

 

下表概括了利兹线结构参数对其最重要的电气和机械特性的影响。

 

利兹线结构参数对其性能的主要影响因素

 

 

结构参数
导体材料

标称直径

Ø sw

单线股数

n ED

绞合次数

每次绞合的绞距

SL

每次绞合的绞向

SR

漆膜厚度

利兹线特性

电气性能

 利兹线导体总截面积AConductor、利兹线直流电阻RDC

XXX

 高频电阻RAC

 射频RF损耗

XXXX

 电流密度J = I/Aconductor,litz

XX

 利兹线填充系数 Aconductor,litz/Atot,litz

XXXXX
 击穿电压UBDVX

机械性能

(Aconductor,litz = 常数)

 外径OD Litze;

 利兹线总截面积 Atot,litz

XXXXXXX
 尺寸稳定性XXXXX
 柔韧性XXXX
 抗弯折性能XXXX
 最大抗张强度X
 表面结构、圆度XXXXX

表 1

 

 

一方面,你可以看到每项利兹线特性都会受某些结构参数的影响。另一方面,结构参数的每个变化也将影响多项利兹线特性。 

下表显示了与典型高频线圈相关的利兹线特性的概况: 

 

影响高频线圈的主要参数 

 

        参数结构 

 单线标称直径

 ØSW

 单线股数 

 nSW

 绞合次数

每次绞合绞距

 SL  

 每次绞合绞向  

 SR

绞线特性

电气性能利兹线导体总截面积AConductor,Litz、直流电阻RDCXX   

高频电阻RAC;

射频RF损耗

X XX 
机械性能利兹线外径ODLitz、利兹线总截面积Atot,LitzXXXXX
柔韧性 XXXX 

表 2 

 

在每一种应用中,经常会存在一些相互冲突的要求,需要益利素勒和客户予以周全地解决。依靠益利素勒在利兹线设计和结构方面的专业知识,并根据客户对产品性能的要求,最终可以使成品在性能、工艺和成本方面得到最佳的组合。    

 

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II 单线标称直径的选择

正确选择单线标称直径是利兹线设计中最重要环节之一,因为这将直接影响利兹线RF射频性能(请参考交流电阻/直流电阻比率),同时也影响所有机械特性。

(参考表 2)

单线直径和工作频率以及趋肤深度之间的关系请参考表格(参考表中的近似值). 

总体而言:

工作频率越高,所需的单线标称直径越小。考虑到利兹线内部子束直径ODBundle与趋肤深度δ间相互的影响,作为简化处理,最大单线直径应小于等于δ的三分之一:     

ØED ≤ δ/3 

例如:  f = 200 kHz, δ ≈ 0,172 mm, ØED ≈ 0,063 mm;

对于导体总截面积相同的各种利兹线之间机械性能的差异,基本上可以认为:  

 

单线标称直径越小 

  •      利兹线越柔软
  •      最小弯曲半径越小
  •      柔韧性越高
  •      利兹线总外径越大
  •      利兹线填充系数越小
  •      单线成本越高

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III 绞合结构的选择

当利兹线的单线股数已确定,就可以选择具体的利兹线结构。股数较少(一般< 60)的细线可以用一步绞合,股数较多和较粗的利兹线则需要用多步绞合。

绞合结构由绞距SL、绞向SR、股数和绞合步数所确定。合理选择绞合参数可以确保最优的电气、机械和工艺方面的利兹线特性

 

 

股数和绞合步数

导体总截面积、电阻或电流密度等参数决定了所需的单线股数,然后可以分解成若干束数和绞合步数。考虑到这些因数,可以通过选择第一步绞合的束数以获得最佳的高频性能。并且每一束的单线数量通常小于六十。 

最后一步绞合通常有4种基本的绞合结构:3束、4束、5束和同心7束绞合结构。 

 

         "5束结构"         "7束结构"

 

3、4和5束结构

这些结构具有良好的绞合性能,单线在利兹线截面上分布均匀,可以优先用于需要优良高频性能的场合。其中,5束绞合结构的束数较多,导致其圆度最佳,所以这种结构相对最优。

 

7束结构

这一同心结构也被称为“1+6束”,同时具备高柔韧性以及良好的尺寸稳定性和圆度。由于其中一束线始终位于中间,因此这种结构不太适用于要求最佳高频性能的场合。为了弥补最后的绞合步骤中线束的长度差异,中间线束的绞向与外围线束的绞向相反。因此中间线束的绞向总是代表最后绞合步骤的绞向。

 

根据绞合的步骤以及电气和机械的要求,如前所述的这些基本结构可以互相结合。特殊结构也是可以提供的。

 

绞距和绞向的选择: 

绞距决定了线束的紧密度和高频性能。单步绞合紧密度可以用绞合系数VF来衡量。它等于绞距SL和线束外径的比值并通常(如果没有特殊要求)在15-20mm之间:

 

绞合系数 VF = SL/ODBundle 

 

例: VF = 5,0mm / 0,3mm = 16,7 

根据绞向SR,在前面的绞合步骤中通常选择较高的绞合系数VF。 

对于绞距SL和绞向SR的选择,基本上可以认为:

 

  •  绞距越小, 

           - 绞合结构越紧密和坚硬,尺寸稳定性越高 
           - 线束外径越大

  •  如果想要获得最佳的高频性能,需对所有绞合步骤中的绞距作最优的选择和组合
  •  对于复杂的利兹线结构,如果需要较高的机械柔韧性,优先为每步绞合选择相反的绞向
  • 绞距应该小于线圈的最小绕组直径

 

  

270 x 0,071 mm利兹线的不同结构

利兹线结构

绞向

SR

绞距

SL [mm]

绞合系数

VF

特点
 270 x 0,071 mm(54 x 0,071 mm) x 3S,S20;26≈ 15

良好的高频性能,较粗糙的外形

三边的利兹线剖面

((30 x 0,071 mm) x 3) x 3S,S,S20;26;26≈ 20

良好的高频性能,

绞合紧密

((18 x 0,071 mm) x 3) x 5S,S,S20;26;26≈ 20

良好的高频性能,绞合紧密,

利兹线表面光滑,外形均匀

((18 x 0,071 mm) x 3) x 5S,S,Z20;20;26≈ 15细密的利兹线结构和表面
(39 x 0,071 mm) x 7; concen.S+Z,S20+20;24< 13

利兹线外形具有非常好的圆度和尺寸稳定性、柔韧性很高

表 3 

 

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IV 例:层绕高频利兹线圈

在多数情况下,高频线圈采用匝数较少的层绕方式绕制。通常这些利兹线会用天然丝或尼龙丝包覆,以使线材在一定的绕线张力下仍能在线圈骨架上保持圆形,这样才能实现准确的分层绕线。在某些场合也可以使用无包覆层的利兹线(普通利兹线) ,这时特别需要注意的是选择紧密和尺寸稳定的结构。然而利兹线会不可避免地发生小的椭圆变形,因此需要适当地减少线圈总外径来作为补偿。所以在线圈最大外径一定的情况下,有包覆层的利兹线比无包覆层的利兹线具有更高的导体截面积。

 

例子

我们以一个30匝的工作频率为200 kHz的层绕利兹线圈结构的简单选择过程来举例,假定绕组截面的有效尺寸宽度 x 长度 = 25,8 mm x 8,0 mm

 

绕组结构

根据不同的绕线技术,层式绕组的结构可以是每层匝数相等或者交错。
在预选时,可以大致按照每层匝数相同的情况来计算。这样绕组可以排列成3层,每层10匝。利兹线最大外径的计算值为25,8 mm/10 = 2,58 mm.

 

单线直径

工作频率越高,单线越细。同时,随着标称直径ØSW的减小,不但单线成本会增加,而且绞合工序的成本也会因更复杂的绞合结构而增加。考虑到子束的直径与趋肤深度δ之间的相互影响,大致可以把ØSW ≤ δ/3作为单线直径选择的规则。在实践中,这是在频率特性和成本之间获得折衷的做法。根据不同的应用和技术要求,相应的变动也是允许和正常的。
在本例中,第一步选择单线标称直径ØSW = 0,063mm就已足够(请参考上述第二节中的例子)。

 

绞合结构

利兹线总外径的选择取决于绕线过程中绞合线材的尺寸稳定性。考虑到这一因素,利兹线最大计算外径(如上所述为Ø2,58 mm)实际选用的经验值对于有包覆层的利兹线应减少10% (Ø2,32 mm),而对于无包覆层的利兹线应减少15-20% (Ø2,19 mm)。无包覆层的利兹线应绞合得更紧密些,这意味着每步绞合时使用更小的绞距。优先考虑5束或4束绞合结构。

下面表格显示了工作频率在50、125和200 kHz时,有包覆层和无包覆层的利兹线结构的对比。

  

高频线圈的利兹线设计,以绕组截面: b x h = 25,8 mm x 8,0 mm为例  

经验方法
频率 [kHz]50125200
总匝数 Nw,tot 303030
绕组层数 NL 333
每层匝数 NW,L 101010

利兹线外径

 (grade 1)

ODLitz [mm]

无包覆层2,192,192,2
有包覆层2,322,322,32

单线标称直径

ØED [mm]

0,1000,0800,063

利兹线填充系数

FillLitz [%]

无包覆层48,246,546,1
有包覆层47,045,444,9

绕组截面填充系数

 FillWin [%]

无包覆层25,925,624,9
有包覆层29,128,027,2

利兹线结构

无包覆层

225 x 0,100 mm

5x(45x0,100mm)

350 x 0,080 mm

5x(5x(14x0,080mm)

550 x 0,063 mm

5x(5x(22x0,063mm))

有包覆层

225 x 0,100 mm

5x(51x0,100mm)

350 x 0,080 mm

5x(4x(19x0,080mm))

600 x 0,063 mm

5x(5x(24x0,063mm))

 表 4

 

 在本例中,可以看到对于层式绕组

  • 相比普通利兹线,有包覆层的利兹线导体填充系数较小,因而无包覆层利兹线的单线股数可以更多,导体截面积会更大。

  • 绕组截面的导体填充系数通常在25-30%的范围内,相比无包覆层的普通利兹线,有包覆层利兹线的填充系数更高,因为其导体总截面积更大。 

  • 单线数小于60的5束绞合结构可以使利兹线更对称。 

 

如果线圈可以自由绕制而不必要采用层式绕组,则有可能使用非常柔软的利兹线。在这种情况下,线圈绕组彼此紧贴,中间的空隙被尽可能地填充,绕组截面的导体填充系数可以进一步地增加。或者也可以使用定型利兹线。不管怎样,所选利兹线结构的导体截面积在任何情况下都必须与应用所需的载流量一致。

 

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V 对照: 根据Charles R. Sullivan的方法预选

美国达特茅斯赛耶工程学院的Charles R. Sullivan在他的研究"利兹线简化设计方法"中提出了射频线圈利兹线的简化预选方法。

所使用的参数包括趋肤深度、工作频率、绕组截面匝数、绕组截面宽度及其所需的计算常数K。用该方法可以选取多种合适的利兹线结构,包含单线标称直径、第一步绞合的最大单线股数和多步绞合的束数。 

预选通过以下步骤来完成:  

(1):

根据导体电阻率ρ、工作频率f和磁导率µo计算趋肤深度δ。

δ = √(ρ/(π*f*µo))

 

(2):

根据线圈结构确定绕组截面有效宽度b和所需的绕组匝数NW,tot。如果需要也可以选择有空隙的结构。

 

(3):

根据几种单线的标称直径ØSW计算总单线股数ne的近似值。每种单线的实际股数与计算值之间可能有±25%的偏差。 

ne = k*δ2*b/NW,tot

 

(4):

单线标称直径和单线股数的选择完成后,根据绕组匝数与绕线截面的匹配来确定单线直径/股数的最佳组合。在这里假定绕组截面导体填充系数为25-30%。关于利兹线电阻和载流量的要求必须要明确。采用更粗单线的其它结构也是可行的。

(5):

趋肤深度和子束直径之间的相互影响需要被考虑在内:第一步绞合的最大单线股数n1,max取决于受频率影响的趋肤深度δ和选定的标称单线直径ØSW

n1,max = 4*δ2/ ØSW 2

 

(6):

根据(3)计算得出的总单线股数需要分解成若干子束并通过若干绞合步骤来完成。其间可以采用3束、4束和5束绞合结构的组合。 
在这里对绞合结构的绞距或绞向不作推荐,留待利兹线制造商确定。

表5比较了分别按照益利素勒经验算法和Ch. R. Sullivan方法选择的利兹线结构。对比采用层式绕组线圈,绕组截面为25,8 mm x 8 mm,工作频率分别为50、125和200 kHz。

 

设计方法比较,以绕组截面b x h 25,8 mm x 8,0 mm为例

 益利素勒经验方法Ch. R. Sullivan的方法
频率 [kHz]5012520050125200
总匝数 NW,tot303030303030
绕组层数 NL 333333
 每层匝数 NW,L101010101010

利兹线外径

(grade 1)

ODLitz [mm]

2,192,192,201,901,671,79

利兹线标称直径

  ØSW [mm]

0,1000,0800,0630,1000,0630,050

利兹线填充系数

 FillLitz [%]

48,246,546,14744,844,6

绕组截面填充系数

FillWin [%]

25,925,624,919,417,216,4
典型利兹线结构

225 x 0,100 mm

5x(45x0,100 mm)

360 x 0,080 mm

5x(4x(18x0,080 mm))

550 x 0,063 mm

5x(5x(22x0,063 mm))

170 x 0,100 mm

5x(35x0,100 mm)

375 x 0,063 mm

5x(5x(15x0,063 mm))

575 x 0,050 mm

5x(5x(23x0,050 mm))

表 5

 

表格显示了用经验方法选择的利兹线结构与用Sullivan方法选择的结果十分接近,两者都包含了一些共同的基本建议:  

  • 用经验法选择的单线总股数都在Sullivan建议的范围内。
  • 3束、4束或5束绞合结构的组合应用是益利素勒典型利兹线设计的重要组成部分(参考表5)。
  • 第一步绞合时子束中的单线与绞合结构是相互独立并没有关联的,益利素勒通常选择每束不超过60股的单线(参考表5)。
  • 为降低成本而采用比较粗的单线(ØED ≤ δ/3)来设计结构是可行的(参考表5),Sullivan推荐的相应子束内单线股数为36至64之间。
  • 除降低成本以外,采用这些结构还可以增加利兹线和绕组截面的填充系数(参考表5)。
  • 通过细心选择绞距和绞向,可以为每个特殊应用选定最优的产品。

 

综上所述,益利素勒使用的高频利兹线设计通常都涵盖了理论和实践两方面的要求。

 

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缩写词 

 

AConductor,Litz

=利兹线总导体截面积
Ages,Litz=利兹线总截面积
ODLitz=利兹线外径
ODBundle=子束外径
nsw=单线股数
Øsw=单线标称直径
VF=绞合系数
SL =绞距(绞合长度)
SR=绞向
RDC=直流电阻
RAC=交流电阻
f=频率
ρ=导体电阻率
µO=真空磁导率
δ=趋肤深度
J=电流密度
UBDV=击穿电压
b=绕组截面宽度
h=绕组截面高度
NW,tot=绕组总匝数
NL=绕组层数
NW,L =每层匝数
FillLitz=利兹线导体填充系数
FillWin=绕组截面导体填充系数
ne=推荐总单线股数
n1,max=每一步绞合时子束包含的单线股数
k=Ch. R. Sullivan常数

 

 

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