Magnetisk fältskärmning: principer och material. Relativ magnetisk permeabilitet för material

2024 Författare: Angel Austin | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-17 05:42

Elektromagnetiska skärmar används ofta inom industrin. De tjänar till att eliminera de skadliga effekterna av vissa delar av en elektrisk enhet på andra, för att skydda personal och utrustning från effekterna av yttre fält som uppstår under driften av andra enheter. "Släckningen" av det externa magnetfältet är nödvändigt för att skapa laboratorier avsedda för justering och testning av mycket känslig utrustning. Det krävs också inom medicin och de vetenskapsområden där mätning av fält med ultralåg induktion utförs; för att skydda information under dess överföring via kablar.

Methods

Magnetisk fältskärmning är en uppsättning sätt att minska styrkan hos ett konstant eller alternerande fält i ett visst område i rymden. Ett magnetfält kan, till skillnad från ett elektriskt fält, inte försvagas helt.

Inom industrin har ströfält från transformatorer, permanentmagneter, högströmsinstallationer och kretsar störst miljöpåverkan. De kan helt störa den normala driften av intilliggande apparater.

Mest använda 2skyddsmetod:

• Användningen av skärmar gjorda av supraledande eller ferromagnetiska material. Detta är effektivt i närvaro av ett konstant eller lågfrekvent magnetfält.
• Kompensationsmetod (virvelströmsdämpning). Virvelströmmar är elektriska bulkströmmar som uppstår i en ledare när det magnetiska flödet ändras. Den här metoden visar de bästa resultaten för högfrekventa fält.

Principles

Principerna för att avskärma det magnetiska fältet är baserade på mönstren för utbredning av magnetfältet i rymden. Följaktligen, för var och en av metoderna som anges ovan, är de följande:

1. Om du placerar en induktor i ett hölje av en ferromagnet, kommer induktionslinjerna för det externa magnetfältet att passera längs väggarna på skyddsskärmen, eftersom den har mindre magnetiskt motstånd jämfört med utrymmet inuti den.. De kraftlinjer som induceras av själva spolen kommer också nästan alla att stängas mot höljets väggar. För bästa skydd i detta fall är det nödvändigt att välja ferromagnetiska material som har en hög magnetisk permeabilitet. I praktiken används oftast järnlegeringar. För att öka skärmens tillförlitlighet görs den tjockväggig eller prefabricerad av flera höljen. Nackdelarna med denna design är dess tunga vikt, skrymmande och försämring av skärmningen i närvaro av sömmar och skärningar i höljets väggar.



2. I den andra metoden, försvagningen av det externa magnetfältetuppstår som ett resultat av påläggandet av ett annat fält på det, inducerat av ringvirvelströmmar. Dess riktning är motsatt till induktionslinjerna för det första fältet. När frekvensen ökar kommer dämpningen att bli mer uttalad. I detta fall används plattor i form av en ring av ledare med låg resistivitet för avskärmning. Cylinderformade lådor av koppar eller aluminium används oftast som skärmhöljen.

nyckelfunktioner

Det finns tre huvudegenskaper för att beskriva skärmningsprocessen:

• Ekvivalent magnetfälts penetrationsdjup. Så låt oss fortsätta. Denna siffra används för skärmningseffekten av virvelströmmar. Ju mindre dess värde, desto högre ström flyter i ytskikten av skyddshöljet. Följaktligen, desto större magnetfält som induceras av det, vilket förskjuter det yttre. Det ekvivalenta djupet bestäms av formeln nedan. I denna formel är ρ och Μ_r resistiviteten och den relativa magnetiska permeabiliteten för skärmmaterialet respektive (måttenheterna för det första värdet är Ohm∙m); f är fältets frekvens, mätt i MHz.



• Skärmningseffektivitet e - förhållandet mellan magnetfältets styrka i det avskärmade utrymmet i frånvaro och närvaro av skölden. Detta värde är ju högre, desto större är skärmens tjocklek och den magnetiska permeabiliteten hos dess material. Magnetisk permeabilitet är en indikator som kännetecknar hur många gånger induktionen i ett ämneannorlunda än det i ett vakuum.
• Reduktion av magnetfältstyrka och virvelströmstäthet på ett djup x från ytan på skyddshöljet. Indikatorn beräknas med hjälp av formeln nedan. Här är A₀ värdet på skärmens yta, x₀ är det djup vid vilket intensiteten eller strömtätheten minskar e gånger.

Skärmdesigner

Skyddskåpor för avskärmning av magnetfältet kan tillverkas i olika utföranden:

• ark och massivt;
• i form av ihåliga rör och höljen med cylindrisk eller rektangulär sektion;
• enkellager och flerlager, med luftsp alt.

Eftersom beräkningen av antalet lager är ganska komplicerad, väljs detta värde oftast från referensböcker, enligt skärmningseffektivitetskurvor som erhölls experimentellt. Skärningar och sömmar i lådor får endast göras längs med virvelströmmar. Annars kommer skärmningseffekten att minska.

I praktiken är det svårt att få en hög skärmningsfaktor, då det alltid är nödvändigt att göra hål för kabelgenomföring, ventilation och underhåll av installationer. För spolar är sömlösa höljen gjorda med plåtextruderingsmetoden, och botten av den cylindriska skärmen fungerar som ett avtagbart lock.

Dessutom, när konstruktionselementen kommer i kontakt, bildas sprickor på grund av ytojämnheter. För att eliminera dem, användmekaniska klämmor eller packningar gjorda av ledande material. De finns i olika storlekar och med olika egenskaper.

Virvelströmmar är strömmar som är mycket mindre cirkulerande, men de kan förhindra penetration av ett magnetfält genom skärmen. I närvaro av ett stort antal hål i höljet sker minskningen av skärmningskoefficienten enligt ett logaritmiskt beroende. Dess minsta värde observeras med tekniska hål av stor storlek. Därför rekommenderas det att designa flera små hål istället för ett stort. Om det är nödvändigt att använda standardiserade hål (för kabelingång och andra behov) används transcendentala vågledare.

I ett magnetostatiskt fält skapat av elektriska likströmmar är skärmens uppgift att shunta fältlinjerna. Skyddselementet installeras så nära källan som möjligt. Jordning krävs inte. Skärmningseffektiviteten beror på den magnetiska permeabiliteten och tjockleken på skärmmaterialet. Som det senare används stål, permalloy och magnetiska legeringar med hög magnetisk permeabilitet.

Skärmning av kabeldragningar utförs huvudsakligen på två sätt - med hjälp av kablar med skärmade eller skyddade tvinnade par och läggning av ledningar i aluminiumboxar (eller insatser).

Supraledande skärmar

Funktionen av supraledande magnetiska skärmar är baserad på Meissner-effekten. Detta fenomen består i att en kropp i ett magnetfält går in i ett supraledande tillstånd. Samtidigt är det magnetiskahöljets permeabilitet blir lika med noll, det vill säga det passerar inte magnetfältet. Den är helt kompenserad i volymen av den givna kroppen.

Fördelen med sådana element är att de är mycket effektivare, skyddet från ett externt magnetfält beror inte på frekvensen, och kompensationseffekten kan pågå under en godtyckligt lång tid. Men i praktiken är Meissner-effekten inte komplett, eftersom det i riktiga skärmar gjorda av supraledande material alltid finns strukturella inhomogeniteter som leder till magnetisk flödesfångning. Denna effekt är ett allvarligt problem för skapandet av höljen för att avskärma magnetfältet. Magnetfältets dämpningskoefficient är ju större desto högre är materialets kemiska renhet. I experiment noterades det bästa resultatet för bly.

Andra nackdelar med supraledande magnetfältsskärmande material är:

• hög kostnad;
• närvaro av kvarvarande magnetfält;
• uppträdande av supraledningstillstånd endast vid låga temperaturer;
• oförmåga att fungera i höga magnetfält.

Materials

Oftast används skärmar av kolstål för att skydda mot ett magnetfält, eftersom de är mycket anpassningsbara för svetsning, lödning, billiga och kännetecknas av god korrosionsbeständighet. Förutom dem, material som:

• teknisk aluminiumfolie;
• mjuk magnetisk legering av järn, aluminium och kisel (alsifer);
• koppar;
• konduktivt belagt glas;
• zinc;
• transformatorstål;
• ledande emaljer och lacker;
• mässing;
• metalliserade tyger.

Strukturellt sett kan de tillverkas i form av lakan, nät och folie. Plåtmaterial ger bättre skydd, och nätmaterial är bekvämare att montera - de kan sammanfogas genom punktsvetsning i steg om 10-15 mm. För att säkerställa korrosionsbeständighet är gallren lackade.

Rekommendationer för materialval

När du väljer material för skyddsskärmar, vägleds följande rekommendationer:

• I svaga fält används legeringar med hög magnetisk permeabilitet. Den mest tekniskt avancerade är permalloy, som lämpar sig väl för tryck och skärning. Den magnetiska fältstyrkan som krävs för dess fullständiga avmagnetisering, såväl som den elektriska resistiviteten, beror huvudsakligen på procentandelen nickel. Genom mängden av detta element särskiljs permalloys med låg nickel (upp till 50 %) och hög nickel (upp till 80 %).
• För att minska energiförlusterna i ett alternerande magnetfält placeras höljen antingen från en bra ledare eller från en isolator.
• För en fältfrekvens på mer än 10 MHz, silver- eller kopparfilmsbeläggningar med en tjocklek på 0,1 mm eller mer (skärmar gjorda av foliebelagda getinaker och andra isoleringsmaterial), såväl som koppar, aluminium och mässing, ger bra effekt. För att skydda koppar från oxidation är den belagd med silver.
• Tjocklekmaterial beror på frekvensen f. Ju lägre f, desto större måste tjockleken vara för att uppnå samma skärmningseffekt. Vid höga frekvenser, för tillverkning av höljen av vilket material som helst, är en tjocklek på 0,5-1,5 mm tillräcklig.
• För fält med högt f används inte ferromagneter, eftersom de har hög resistans och leder till stora energiförluster. Andra starkt ledande material än stål bör inte heller användas för att skärma permanenta magnetfält.
• För skydd över ett brett spektrum är flerskiktsmaterial (stålplåt med ett mycket ledande metallskikt) den optimala lösningen.

De allmänna urvalsreglerna är följande:

• Höga frekvenser är mycket ledande material.
• Låga frekvenser är material med hög magnetisk permeabilitet. Avskärmning i det här fallet är en av de svåraste uppgifterna, eftersom det gör designen av skyddsskärmen tyngre och mer komplicerad.

Folieband

Folieskyddstejp används för följande ändamål:

• Skärmar elektromagnetisk bredbandsstörning. Oftast används de för dörrar och väggar i elskåp med enheter, samt för att bilda en skärm runt enskilda element (magneter, reläer) och kablar.
• Avlägsnande av statisk laddning som ackumuleras på enheter som innehåller halvledare och katodstrålerör, såväl som i enheter som används för att mata in/mata ut information fråndator.
• Som en komponent i jordkretsar.
• För att minska elektrostatisk interaktion mellan transformatorlindningar.

Strukturellt är de baserade på ett ledande limmaterial (akrylharts) och folie (med en korrugerad eller slät yta) gjorda av följande typer av metall:

• aluminium;
• koppar;
• förtennad koppar (för lödning och bättre rostskydd).

Polymermaterial

I de enheter där, tillsammans med avskärmning av magnetfältet, skydd mot mekanisk skada och stötdämpning krävs, används polymera material. De är gjorda i form av kuddar av polyuretanskum täckta med en polyesterfilm, baserad på ett akryllim.

I tillverkningen av monitorer med flytande kristaller används akryltätningar gjorda av ledande tyg. I lagret av akryllim finns en tredimensionell ledande matris gjord av ledande partiklar. Tack vare sin elasticitet absorberar detta material också effektivt mekanisk påfrestning.

kompensationsmetod

Principen för kompensationsskärmningsmetoden är att på konstgjord väg skapa ett magnetfält som är riktat motsatt det yttre fältet. Detta uppnås vanligtvis med ett Helmholtz-spolsystem. Den består av 2 identiska tunna spolar placerade koaxiellt på ett avstånd av deras radie. Elektricitet passerar genom dem. Magnetfältet som induceras av spolarna är mycket enhetligt.

Skärmburkproduceras också av plasma. Detta fenomen tas med i beräkningen i fördelningen av magnetfältet i rymden.

Kabelskärmning

Magnetiskt fältskydd är viktigt när du lägger kablar. Elektriska strömmar som induceras i dem kan orsakas av införandet av hushållsapparater i rummet (luftkonditioneringsapparater, lysrör, telefoner), såväl som hissar i gruvor. Dessa faktorer har ett särskilt stort inflytande på digitala kommunikationssystem som arbetar på protokoll med ett brett frekvensband. Detta beror på den lilla skillnaden mellan kraften hos den användbara signalen och bruset i den övre delen av spektrumet. Dessutom påverkar den elektromagnetiska energin som avges av kabelsystem negativt hälsan för personal som arbetar i lokalerna.

Cross-talk förekommer mellan par av trådar på grund av närvaron av kapacitiv och induktiv koppling mellan dem. Den elektromagnetiska energin hos kablarna reflekteras också på grund av inhomogeniteterna i deras vågimpedans och försvagas i form av värmeförluster. Som ett resultat av dämpningen sjunker signaleffekten i slutet av långa linjer hundratals gånger.

För närvarande tillämpas tre metoder för att skärma kabeldragningar inom elindustrin:

• Användning av helmetalllådor (stål eller aluminium) eller installation av metallinsatser i plast. När fältfrekvensen ökar, minskar skärmningsförmågan hos aluminium. Nackdelen är också den höga kostnaden för lådor. För långa kabeldragningar finnsproblemet med att säkerställa elektrisk kontakt mellan enskilda element och deras jordning för att säkerställa nollpotentialen för lådan.
• Använd skärmade kablar. Denna metod ger maxim alt skydd eftersom manteln omger själva kabeln.
• Vakuumavsättning av metall på PVC-kanalen. Denna metod är ineffektiv vid frekvenser upp till 200 MHz. "Släckningen" av magnetfältet är tio gånger mindre jämfört med att lägga kabeln i metallboxar på grund av den höga resistiviteten.

Typer av kablar

Det finns 2 typer av skärmade kablar:

• Med en gemensam skärm. Den är placerad runt oskyddade tvinnade ledare. Nackdelen med sådana kablar är att det finns stor överhörning (5-10 gånger mer än skärmade par), speciellt mellan par med samma vridningssteg.
• Kablar med skärmade tvinnade par. Alla par är individuellt skärmade. På grund av deras högre kostnad används de oftast i nätverk med stränga säkerhetskrav och i rum med en svår elektromagnetisk miljö. Användningen av sådana kablar i parallell läggning gör det möjligt att minska avståndet mellan dem. Detta minskar kostnaderna jämfört med delad routing.

Twisted-pair skärmad kabel är ett isolerat par ledare (deras antal är vanligtvis från 2 till 8). Denna design minskar överhörning.mellan ledare. Oskärmade par har inga jordningskrav, de har mer flexibilitet, mindre tvärgående dimensioner och enkel installation. Det skärmade paret ger skydd mot elektromagnetiska störningar och högkvalitativ dataöverföring över nätverk.

Informationssystem använder också tvåskiktsskärmning, som består av skydd av tvinnade par i form av en metalliserad plasttejp eller folie, och en vanlig metallfläta. För effektivt skydd mot magnetfältet måste sådana kabelsystem vara ordentligt jordade.