Magnetisk feltafskærmning: principper og materialer. Relativ magnetisk permeabilitet af materialer

2024 Forfatter: Angel Austin | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-17 05:21

Elektromagnetiske skærme er meget udbredt i industrien. De tjener til at eliminere de skadelige virkninger af nogle elementer i en elektrisk enhed på andre for at beskytte personale og udstyr mod virkningerne af eksterne felter, der opstår under driften af andre enheder. "Slukningen" af det eksterne magnetfelt er nødvendig i skabelsen af laboratorier beregnet til justering og test af meget følsomt udstyr. Det er også påkrævet inden for medicin og de videnskabsområder, hvor måling af felter med ultralav induktion udføres; for at beskytte information under dens transmission over kabler.

Metodes

Magnetisk feltafskærmning er et sæt måder at reducere styrken af et konstant eller vekslende felt i et bestemt område af rummet. Et magnetfelt kan i modsætning til et elektrisk felt ikke svækkes fuldstændigt.

I industrien har herreløse felter fra transformere, permanente magneter, højstrømsinstallationer og kredsløb den største miljøpåvirkning. De kan fuldstændig forstyrre den normale drift af tilstødende apparater.

Mest brugte 2beskyttelsesmetode:

• Brugen af skærme lavet af superledende eller ferromagnetiske materialer. Dette er effektivt ved tilstedeværelse af et konstant eller lavfrekvent magnetfelt.
• Kompensationsmetode (hvirvelstrømsdæmpning). Hvirvelstrømme er elektriske bulkstrømme, der opstår i en leder, når den magnetiske flux ændres. Denne metode viser de bedste resultater for højfrekvente felter.

Principles

Principperne for afskærmning af magnetfeltet er baseret på mønstrene for udbredelse af magnetfeltet i rummet. Følgelig er de for hver af de ovenfor anførte metoder som følger:

1. Hvis du placerer en induktor i et hus lavet af en ferromagnet, så vil induktionslinjerne af det eksterne magnetfelt passere langs væggene på den beskyttende skærm, da den har mindre magnetisk modstand sammenlignet med rummet inde i den. De kraftlinjer, der induceres af selve spolen, vil også næsten alle være lukket til husets vægge. For den bedste beskyttelse i dette tilfælde er det nødvendigt at vælge ferromagnetiske materialer, der har en høj magnetisk permeabilitet. I praksis bruges jernlegeringer oftest. For at øge skærmens pålidelighed er den lavet tykvægget eller præfabrikeret af flere hylstre. Ulemperne ved dette design er dets tunge vægt, omfang og forringelse af afskærmningen ved tilstedeværelse af sømme og snit i væggene af huset.



2. I den anden metode, svækkelsen af det eksterne magnetfeltopstår som et resultat af pålæggelse af et andet felt på det, induceret af ringhvirvelstrømme. Dens retning er modsat linjerne for induktion af det første felt. Efterhånden som frekvensen stiger, vil dæmpningen være mere udt alt. I dette tilfælde bruges plader i form af en ring af ledere med lav resistivitet til afskærmning. Cylinderformede kasser lavet af kobber eller aluminium bruges oftest som skærmhuse.

Nøglefunktioner

Der er 3 hovedkarakteristika til at beskrive afskærmningsprocessen:

• Ekvivalent magnetfelts penetrationsdybde. Så lad os fortsætte. Dette tal bruges til screeningseffekten af hvirvelstrømme. Jo mindre værdien er, desto højere strøm flyder strømmen i overfladelagene af det beskyttende hus. Følgelig, jo større er magnetfeltet induceret af det, som fortrænger det ydre. Den ækvivalente dybde bestemmes af formlen nedenfor. I denne formel er ρ og Μ_r henholdsvis resistiviteten og den relative magnetiske permeabilitet af skærmmaterialet (måleenhederne for den første værdi er Ohm∙m); f er feltets frekvens, målt i MHz.



• Afskærmningseffektivitet e - forholdet mellem magnetfeltstyrken i det afskærmede rum i fravær og tilstedeværelse af skjoldet. Denne værdi er jo højere, jo større er skærmens tykkelse og dens materiales magnetiske permeabilitet. Magnetisk permeabilitet er en indikator, der karakteriserer, hvor mange gange induktionen i et stofanderledes end i et vakuum.
• Reduktion af magnetisk feltstyrke og hvirvelstrømstæthed i en dybde x fra overfladen af det beskyttende hus. Indikatoren beregnes ved hjælp af formlen nedenfor. Her er A₀ værdien på skærmens overflade, x₀ er den dybde, hvor intensiteten eller strømtætheden falder e gange.

Skærmdesign

Beskyttelsesdæksler til afskærmning af magnetfeltet kan laves i forskellige designs:

• ark og massivt;
• i form af hule rør og hylstre med en cylindrisk eller rektangulær sektion;
• enkelt- og flerlags, med en luftsp alte.

Da beregningen af antallet af lag er ret kompliceret, vælges denne værdi oftest fra opslagsbøger i henhold til kurver for afskærmningseffektivitet, som blev opnået eksperimentelt. Udskæringer og sømme i kasser må kun laves langs linjer med hvirvelstrømme. Ellers vil afskærmningseffekten blive reduceret.

I praksis er det svært at opnå en høj skærmningsfaktor, da det altid er nødvendigt at lave huller til kabelgennemføring, ventilation og vedligeholdelse af installationer. Til spoler fremstilles sømløse huse ved hjælp af arkekstruderingsmetoden, og bunden af den cylindriske skærm tjener som et aftageligt låg.

Derudover, når de strukturelle elementer kommer i kontakt, dannes der revner på grund af overfladeujævnheder. For at fjerne dem, brugmekaniske klemmer eller pakninger lavet af ledende materialer. De fås i forskellige størrelser og med forskellige egenskaber.

Hvirvelstrømme er strømme, der er meget mindre cirkulerende, men de er i stand til at forhindre indtrængning af et magnetfelt gennem skærmen. I nærvær af et stort antal huller i foringsrøret sker faldet i afskærmningskoefficienten i henhold til en logaritmisk afhængighed. Dens mindste værdi observeres med teknologiske huller af stor størrelse. Derfor anbefales det at designe flere små huller frem for et stort. Hvis det er nødvendigt at bruge standardiserede huller (til kabelindføring og andre behov), så bruges transcendentale bølgeledere.

I et magnetostatisk felt skabt af jævnstrøm, er skærmens opgave at shunte feltlinjerne. Beskyttelseselementet installeres så tæt på kilden som muligt. Jording er ikke påkrævet. Afskærmningseffektiviteten afhænger af den magnetiske permeabilitet og tykkelsen af afskærmningsmaterialet. Som sidstnævnte anvendes stål, permalloy og magnetiske legeringer med høj magnetisk permeabilitet.

Afskærmning af kabelruter udføres hovedsageligt på to måder - ved hjælp af kabler med skærmet eller beskyttet snoet par og lægning af ledninger i aluminiumskasser (eller indsatser).

Superledende skærme

Betjening af superledende magnetiske skærme er baseret på Meissner-effekten. Dette fænomen består i, at et legeme i et magnetfelt går i en superledende tilstand. Samtidig er det magnetiskepermeabiliteten af huset bliver lig med nul, det vil sige, at det ikke passerer magnetfeltet. Det er fuldt ud kompenseret i volumen af den givne krop.

Fordelen ved sådanne elementer er, at de er meget mere effektive, beskyttelse mod et eksternt magnetfelt afhænger ikke af frekvensen, og kompensationseffekten kan vare i vilkårligt lang tid. Men i praksis er Meissner-effekten ikke komplet, da der i rigtige skærme lavet af superledende materialer altid er strukturelle inhomogeniteter, der fører til magnetisk fluxfangning. Denne effekt er et alvorligt problem for skabelsen af hylstre for at afskærme magnetfeltet. Magnetfeltets dæmpningskoefficient er jo større, jo højere er materialets kemiske renhed. I eksperimenter blev den bedste ydeevne noteret for bly.

Andre ulemper ved superledende magnetfeltafskærmningsmaterialer er:

• høj pris;
• tilstedeværelse af resterende magnetfelt;
• tilsynekomst af superledningstilstand kun ved lave temperaturer;
• manglende evne til at fungere i høje magnetiske felter.

Materials

Oftest bruges kulstofstålskærme til at beskytte mod et magnetfelt, da de er meget tilpasningsdygtige til svejsning, lodning, billige og karakteriseret ved god korrosionsbestandighed. Ud over dem, materialer som:

• teknisk aluminiumsfolie;
• blød magnetisk legering af jern, aluminium og silicium (alsifer);
• kobber;
• ledende belagt glas;
• zink;
• transformerstål;
• ledende emaljer og lakker;
• messing;
• metalliserede stoffer.

Strukturelt kan de laves i form af plader, net og folie. Pladematerialer giver bedre beskyttelse, og netmaterialer er mere bekvemme at samle - de kan samles ved punktsvejsning i intervaller på 10-15 mm. For at sikre korrosionsbestandighed er gitrene lakeret.

Anbefalinger til materialevalg

Når du vælger et materiale til beskyttelsesskærme, er følgende anbefalinger vejledt:

• I svage felter anvendes legeringer med høj magnetisk permeabilitet. Den mest teknologisk avancerede er permalloy, som egner sig godt til pres og skæring. Den magnetiske feltstyrke, der kræves for dens fuldstændige afmagnetisering, såvel som den elektriske resistivitet, afhænger hovedsageligt af procentdelen af nikkel. Ved mængden af dette grundstof skelnes lav-nikkel (op til 50 %) og høj nikkel (op til 80 %) permalloys.
• For at reducere energitab i et vekslende magnetfelt placeres foringsrør enten fra en god leder eller fra en isolator.
• For en feltfrekvens på mere end 10 MHz, sølv- eller kobberfilmbelægninger med en tykkelse på 0,1 mm eller mere (skærme lavet af foliebelagte getinaks og andre isoleringsmaterialer), samt kobber, aluminium og messing, giver en god effekt. For at beskytte kobber mod oxidation er det belagt med sølv.
• Tykkelsemateriale afhænger af frekvensen f. Jo lavere f, jo større skal tykkelsen være for at opnå samme afskærmningseffekt. Ved høje frekvenser er en tykkelse på 0,5-1,5 mm tilstrækkelig til fremstilling af hylstre af ethvert materiale.
• For felter med højt f anvendes ikke ferromagneter, da de har høj modstand og fører til store energitab. Andre stærkt ledende materialer end stål bør heller ikke bruges til at afskærme permanente magnetiske felter.
• Til beskyttelse over et bredt område er flerlagsmaterialer (stålplader med et stærkt ledende metallag) den optimale løsning.

De generelle udvælgelsesregler er som følger:

• Høje frekvenser er stærkt ledende materialer.
• Lave frekvenser er materialer med høj magnetisk permeabilitet. Screening er i dette tilfælde en af de sværeste opgaver, da det gør designet af beskyttelsesskærmen tungere og mere kompliceret.

Foliebånd

Folieafskærmningsbånd bruges til følgende formål:

• Afskærmning af elektromagnetisk bredbåndsinterferens. Oftest bruges de til døre og vægge i elektriske skabe med enheder, samt til at danne en skærm omkring individuelle elementer (magneter, relæer) og kabler.
• Fjernelse af statisk ladning, der akkumuleres på enheder, der indeholder halvledere og katodestrålerør, samt i enheder, der bruges til at input/output information fracomputer.
• Som en komponent i jordkredsløb.
• For at reducere elektrostatisk interaktion mellem transformerviklinger.

Strukturelt er de baseret på et ledende klæbende materiale (akrylharpiks) og folie (med en bølget eller glat overflade) lavet af følgende typer metal:

• aluminium;
• kobber;
• fortinnet kobber (til lodning og bedre korrosionsbeskyttelse).

Polymermaterialer

I de enheder, hvor der sammen med afskærmningen af magnetfeltet, beskyttelse mod mekanisk beskadigelse og stødabsorbering er påkrævet, anvendes polymermaterialer. De er lavet i form af polyurethanskumpuder dækket med en polyesterfilm, baseret på en akrylklæber.

I produktionen af flydende krystalmonitorer anvendes akrylforseglinger fremstillet af ledende stof. I laget af akrylklæber er en tredimensionel ledende matrix lavet af ledende partikler. På grund af dets elasticitet absorberer dette materiale også effektivt mekanisk belastning.

Kompensationsmetode

Princippet for kompensationsafskærmningsmetoden er kunstigt at skabe et magnetfelt, der er rettet modsat det eksterne felt. Dette opnås norm alt med et Helmholtz spolesystem. Den består af 2 identiske tynde spoler placeret koaksi alt i en afstand af deres radius. Elektricitet føres gennem dem. Det magnetiske felt induceret af spolerne er meget ensartet.

Afskærmningsdåseogså produceret af plasma. Dette fænomen tages i betragtning i fordelingen af magnetfeltet i rummet.

Kabelafskærmning

Magnetisk feltbeskyttelse er vigtig, når du lægger kabler. Elektriske strømme induceret i dem kan være forårsaget af inddragelse af husholdningsapparater i rummet (klimaanlæg, fluorescerende lamper, telefoner) samt elevatorer i miner. Disse faktorer har særlig stor indflydelse på digitale kommunikationssystemer, der fungerer på protokoller med et bredt frekvensbånd. Dette skyldes den lille forskel mellem effekten af det nyttige signal og støjen i den øverste del af spektret. Derudover har den elektromagnetiske energi, der udsendes af kabelsystemer, en negativ indvirkning på sundheden for personale, der arbejder i lokalerne.

Cross-talk forekommer mellem par af ledninger på grund af tilstedeværelsen af kapacitiv og induktiv kobling mellem dem. Kablernes elektromagnetiske energi reflekteres også på grund af deres bølgeimpedans inhomogeniteter og svækkes i form af varmetab. Som et resultat af dæmpning falder signaleffekten for enden af lange linjer hundredvis af gange.

I øjeblikket praktiseres 3 metoder til afskærmning af kabelruter i den elektriske industri:

• Brugen af helmetalkasser (stål eller aluminium) eller installation af metalindsatser i plastik. Efterhånden som feltfrekvensen stiger, falder afskærmningsevnen af aluminium. Ulempen er også de høje omkostninger ved kasser. Til lange kabeltræk er derproblemet med at sikre den elektriske kontakt mellem de enkelte elementer og deres jording for at sikre boksens nulpotentiale.
• Brug skærmede kabler. Denne metode giver maksimal beskyttelse, da kappen omgiver selve kablet.
• Vakuumaflejring af metal på PVC-kanalen. Denne metode er ineffektiv ved frekvenser op til 200 MHz. Magnetfeltets "slukning" er ti gange mindre sammenlignet med at lægge kablet i metalkasser på grund af den høje resistivitet.

Typer af kabler

Der er 2 typer skærmede kabler:

• Med en fælles skærm. Den er placeret omkring ubeskyttede strandede ledere. Ulempen ved sådanne kabler er, at der er stor krydstale (5-10 gange mere end skærmede par), især mellem par med samme twistpitch.
• Kabler med skærmede snoede par. Alle par er individuelt afskærmet. På grund af deres højere omkostninger bruges de oftest i netværk med strenge sikkerhedskrav og i rum med et vanskeligt elektromagnetisk miljø. Brugen af sådanne kabler i parallel lægning gør det muligt at reducere afstanden mellem dem. Dette reducerer omkostningerne sammenlignet med opdelt routing.

Twisted-pair skærmet kabel er et isoleret par ledere (deres antal er norm alt fra 2 til 8). Dette design reducerer krydstale.mellem ledere. Uafskærmede par har ingen jordingskrav, de har mere fleksibilitet, mindre tværgående dimensioner og nem installation. Det afskærmede par giver beskyttelse mod elektromagnetisk interferens og højkvalitets datatransmission over netværk.

Informationssystemer bruger også to-lags afskærmning, som består af beskyttelse af snoede par i form af et metalliseret plastikbånd eller -folie og en almindelig metalfletning. For effektiv beskyttelse mod magnetfeltet skal sådanne kabelsystemer jordes korrekt.