Litz 線有助於在更高頻率至MHz範圍內減少因集膚效應 ( skin effect ) 和鄰近效應 ( proximity effect ) 而引起的損失。Litz 導體由多股絕緣銅線編織/扭曲在一起製成。以下將介紹一個全新的 CST Studio Suite 功能，以便準確地建模和模擬 Litz 線。
簡介
在低頻 ( LF ) 應用中，作為導體繞組的 Litz 線的使用率正在增加，因為它具有在高頻率下 ( 高達 MHz 的範圍 ) 傳輸交流電流 ( AC ) 的多重優點，但在固體導體中的集膚效應和鄰近效應會是一個重大問題。Litz 導體由多股絕緣銅線編織/扭曲在一起，以使流動的電流均勻並減少損耗。在 LF 應用中，Litz 線主要用於變壓器和電感器。現在，它們的使用範圍正在擴展到更廣泛的應用，例如電機中的繞組和一般的線圈。
模擬 Litz 線很重要，這樣可以精確計算由於集膚效應和鄰近效應造成的損耗。然而，在幾何建模和模擬時間方面，標示出 Litz 線導體中的每股絲線的方法可能非常繁瑣，因此需要另一種方法。在 CST Studio Suite 中，我們使用了一種有效的導線方法來表示導體的絲線，從而縮短了建模和模擬時間。
在本文中，我們專注於使用 CST Studio Suite LF 求解器模擬 Litz 線，並增加了簡化建模的功能。我們將使用一個範例來展示 Litz 線的結果。
Litz線中的物理效應
當交流電在實心導線中以高頻率流動時，導體內部的電流會重新分佈。電流密度在導體的外表面最大，並向導體的內軸呈指數遞減。這種重新分佈稱為集膚效應。集膚深度 ( skin depth ) δ 的表達式在公式(1)中給出，其效果在圖1中顯示。圖1中的外部紅色截面承載最大的電流量，而中央的藍色部分承載最小的電流量，這是由於導體整個截面內的電流流動重新分佈。因此，集膚深度δ是電流密度在表面值的 1/e 的深度。
這將使導體的電阻增加，因為電流流動的橫截面積減少，因此導致熱損失增加。在這種情況下使用 Litz 線可以幫助減輕集膚效應，但並不能完全消除它；因此必須將其考慮在內。
在使用 Litz 線時需要考慮的另一個重要問題是由於導線密集排列導致的鄰近效應。鄰近效應同樣會導致導體內部電流的重新分布，增加交流電阻，進而導致熱損失增加。圖2顯示了鄰近效應如何影響具有五個匝的線圈中的電流分布。圖2 (a) 展示了完整的線圈，而圖2 (b) 展示了截面中的電流分布。通過使用適當的捻距 ( lay length ) 和扭轉次數將導線束扭轉成一束，可以幫助減少由於鄰近效應而造成的損失，但並不能完全消除它們。因此我們也必須考慮其存在。
在 CST Studio Suite 中模擬 Litz 線
先前討論過的損耗可以通過在 CST Studio Suite 中有效地模擬 Litz 線來計算。我們添加了一個新功能，允許用戶在不必建模每一股 Litz 線的情況下，獲得對集膚損耗和鄰近損耗的良好近似值。
導體可以使用 CST Studio Suite 中的 Coil 功能來模擬，例如 Coil Segment ，其中使用橫截面剖面和開放路徑來創建開放線圈段。這個功能將在未來版本中擴展到封閉迴路線圈。
這項功能允許您設置 Litz 線的各種參數，如電流、電導率、股數、股徑以及導線的延長因子 ( 考慮股線的扭曲和編織長度 ) 。與建模的線圈的幾何形狀有關的其他參數會根據線圈的幾何尺寸和先前列出的參數自動計算。這些包括填充因子、 ( 有效的 ) 導體面積、線圈體積、線圈截面積、線圈的幾何長度和直流電阻。
一旦模型正確設置，必須使用 CST Studio Suite 中的 LF 頻域 MQS 求解器來求解。為模型設置特定的頻率，以計算這些頻率下的損耗。
設置範例
在本節中，我們使用了一個簡單的 Litz 線導體範例，該導體包裹在一個鐵氧體 C 型磁心上，如圖3所示。
鐵氧體磁心的相對磁導率 ( relative magnetic permeability ) 設置為 200，並且具有色散磁性 ( dispersive magnetic properties ) ，如圖 4 所示。這允許我們計算隨著 C 型磁心中頻率而定的磁損耗，但由於這部份超出了本文的範圍，不在此處進一步討論。
線圈使用 ” Coil Segment ” 選項定義，因此默認為開放式線圈環。為了使線圈中的電流無散度 ( divergence-free ) ，必須使用完美電導體 ( perfect electric conductor, PEC ) 或使用模型的邊界來封閉線圈。在此案例中，如圖3所示，使用 PEC 材料來封閉迴路。這不影響模型中的損耗，但稍後可以將 PEC 材料更改為更現實的材料，以代表兩個線端之間的電子連接器。一旦創建了線圈，就可以在對話框中定義屬性，如圖5所示。表1提供了本例中使用的 Litz 線圈的更多細節。
這裡指定的電流振幅可以是 RMS ( Root Mean Square ) 或峰值，具體取決於在求解器窗口中的選擇。
一般來說，Litz 導體中的股數可以從十幾股到數千股不等。股徑必須不包括絕緣層厚度，軟體根據線圈的幾何截面積計算填充因子和導體面積。通常來說，選擇的最大股徑是在最高工作頻率下使用的導線材料的集膚深度的兩倍。然而，這並不總是能消除集膚損耗，因為真實的電源通常包含更高的雜訊諧波 ( noise harmonics )，具體須取決於應用。長度延伸 ( length extension ) 是 Litz 線 ( 扭曲前 ) 的實際總長度與測量的最終長度 ( 扭曲後 ) 的比率。這種方法假設束層級的電流是均勻的。大多數工業上繞製的 Litz 線都以優化的方式將股線絞合在一起，以使電流盡可能均勻。
該模型在50 Hz至200 MHz的頻率範圍內求解，每個頻率點的結果可以在導航樹狀圖中找到，如圖6 ( a ) 所示。我們關注的主要結果，即集膚損耗和鄰近損耗，可以在 1D Results/LF Solver/Losses 下找到。在此例中，鐵氧體C型磁心的損耗也可用。圖6 ( b ) 、6 ( c ) 和6 ( d ) 分別顯示了集膚損耗、鄰近損耗和總損耗。
在圖6(b)中，我們看到集膚損耗在整個頻率範圍內相對恆定，除了在100 MHz左右略有下降。這種相對恆定的值是可預期的，因為股徑是根據表1選擇的，在100 MHz的頻率之前，股徑低於2δ ( 兩倍集膚深度 ) 。
在圖6(c)中，我們看到隨著頻率的增加，鄰近損耗如預期增加。由於選擇的股徑，鄰近損耗的幅度相較於集膚效應來說很大。
圖6(d)顯示了總損耗，包括以對數作為縱軸表示的鐵氧體C型磁心損耗，使得整個寬頻範圍的值都可見。圖例顯示了50 Hz時每種損耗的值，這是模擬的最低頻率。斜率主要由磁心損耗決定，但交流電流損耗的影響仍然顯著，尤其是鄰近損耗。
圖7(a)展示了在100 MHz時完整模型中的磁損耗密度，而圖7(b)則顯示了僅在線圈中的損耗密度，主要由鄰近效應主導。儘管鐵氧體磁心中的損耗要高得多，但由於橫截面積較小，線圈中的損耗密度實際上更高。
在非Litz線圈的損耗比較
如果在CST Studio Suite中使用相同模型但不使用Litz線進行評估，並使用Coil Segment進行計算，那麼比較這些損耗是不合理的，因為類似大小的導線不會考慮集膚效應和鄰近效應。程式只會計算導體的歐姆直流損耗，因此無法提供相同條件下的比較。以上方法推導出的結果是，非Litz線導體中的交流損耗會比使用Litz線的情況顯得更小，這是不正確的結論。
結論
Litz線在低頻 ( LF ) 交流應用的高頻範圍內越來越受歡迎，目的是減少功率損耗。本文簡要概述了CST Studio Suite中新的Litz線功能，旨在更有效地計算集膚和鄰近損耗，這些損耗在高頻率下變得相當顯著。文中概述了這些應用中出現的損耗類型，並提出了一個簡單的案例，展示了如何在CST Studio Suite中設置帶有Litz線的模型。討論了以上結果，並展示了計算導體中交流損失的重要性。
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原文轉載來自Bilquis Mohamodhosen – Using the Litz Wire Feature in CST Studio Suite
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