Magnetisk feltskjerming: prinsipper og materialer. Relativ magnetisk permeabilitet av materialer

2024 Forfatter: Angel Austin | [email protected]. Sist endret: 2023-12-17 05:37

Elektromagnetiske skjermer er mye brukt i industrien. De tjener til å eliminere de skadelige effektene av noen elementer i en elektrisk enhet på andre, for å beskytte personell og utstyr mot effekten av eksterne felt som oppstår under driften av andre enheter. "Slukkingen" av det eksterne magnetfeltet er nødvendig for å lage laboratorier beregnet for justering og testing av svært sensitivt utstyr. Det kreves også i medisin og de vitenskapsområdene der måling av felt med ultralav induksjon utføres; for å beskytte informasjon under overføring over kabler.

Methods

Magnetisk feltskjerming er et sett med måter å redusere styrken til et konstant eller vekslende felt i et bestemt område av rommet. Et magnetfelt, i motsetning til et elektrisk felt, kan ikke svekkes fullstendig.

I industrien er det streiffelt fra transformatorer, permanente magneter, høystrømsinstallasjoner og kretser som har størst miljøpåvirkning. De kan fullstendig forstyrre normal drift av naboapparater.

Mest brukte 2beskyttelsesmetode:

• Bruk av skjermer laget av superledende eller ferromagnetiske materialer. Dette er effektivt i nærvær av et konstant eller lavfrekvent magnetfelt.
• Kompensasjonsmetode (virvelstrømdemping). Virvelstrømmer er elektriske bulkstrømmer som oppstår i en leder når den magnetiske fluksen endres. Denne metoden viser de beste resultatene for høyfrekvente felt.

Principles

Prinsippene for å skjerme magnetfeltet er basert på mønstrene for forplantning av magnetfeltet i rommet. Følgelig, for hver av metodene oppført ovenfor, er de som følger:

1. Hvis du plasserer en induktor i et hus laget av en ferromagnet, vil induksjonslinjene til det eksterne magnetfeltet passere langs veggene til beskyttelsesskjermen, siden den har mindre magnetisk motstand sammenlignet med plassen inne i den. De kraftlinjene som induseres av selve spolen vil også nesten alle være lukket til veggene i foringsrøret. For best beskyttelse i dette tilfellet er det nødvendig å velge ferromagnetiske materialer som har høy magnetisk permeabilitet. I praksis brukes jernlegeringer oftest. For å øke påliteligheten til skjermen er den laget tykkvegget eller prefabrikkert av flere foringsrør. Ulempene med denne utformingen er dens tunge vekt, voluminøse og forringelse av skjermingen i nærvær av sømmer og kutt i veggene til foringsrøret.



2. I den andre metoden, svekkelse av det eksterne magnetfeltetoppstår som et resultat av pålegging av et annet felt på det, indusert av ringvirvelstrømmer. Retningen er motsatt av induksjonslinjene til det første feltet. Ettersom frekvensen øker, vil dempningen bli mer utt alt. I dette tilfellet brukes plater i form av en ring av ledere med lav resistivitet for skjerming. Sylinderformede bokser laget av kobber eller aluminium brukes oftest som skjermhus.

Nøkkelfunksjoner

Det er 3 hovedegenskaper for å beskrive skjermingsprosessen:

• Ekvivalent magnetfelts penetrasjonsdybde. Så la oss fortsette. Denne figuren brukes for skjermingseffekten av virvelstrømmer. Jo mindre verdien er, desto høyere er strømmen som flyter i overflatelagene til det beskyttende foringsrøret. Følgelig, jo større magnetfelt indusert av det, som fortrenger det ytre. Ekvivalent dybde bestemmes av formelen nedenfor. I denne formelen er ρ og Μ_r resistiviteten og den relative magnetiske permeabiliteten til skjermmaterialet, henholdsvis (måleenhetene for den første verdien er Ohm∙m); f er frekvensen til feltet, målt i MHz.



• Skjermingseffektivitet e - forholdet mellom magnetfeltstyrken i det skjermede rommet i fravær og tilstedeværelse av skjoldet. Denne verdien er jo høyere, jo større er tykkelsen på skjermen og den magnetiske permeabiliteten til materialet. Magnetisk permeabilitet er en indikator som karakteriserer hvor mange ganger induksjonen i et stoffforskjellig fra det i et vakuum.
• Reduksjon av magnetisk feltstyrke og virvelstrømtetthet i en dybde x fra overflaten av det beskyttende dekselet. Indikatoren beregnes ved hjelp av formelen nedenfor. Her er A₀ verdien på skjermoverflaten, x₀ er dybden der intensiteten eller strømtettheten avtar e ganger.

Skjermdesign

Beskyttelsesdeksler for skjerming av magnetfeltet kan lages i ulike utførelser:

• ark og massivt;
• i form av hule rør og foringsrør med sylindrisk eller rektangulær seksjon;
• enkeltlags og flerlags, med luftsp alte.

Siden beregningen av antall lag er ganske komplisert, er denne verdien oftest valgt fra oppslagsverk, i henhold til kurver for skjermingseffektivitet som ble oppnådd eksperimentelt. Kutt og sømmer i bokser er tillatt å gjøres bare langs linjer med virvelstrømmer. Ellers vil skjermingseffekten reduseres.

I praksis er det vanskelig å oppnå høy skjermingsfaktor, da det alltid er nødvendig å lage hull for kabelinnføring, ventilasjon og vedlikehold av installasjoner. For spoler er sømløse foringsrør laget ved bruk av arkekstruderingsmetoden, og bunnen av den sylindriske skjermen fungerer som et avtagbart deksel.

I tillegg, når konstruksjonselementene kommer i kontakt, dannes det sprekker på grunn av overflateujevnheter. For å eliminere dem, brukmekaniske klemmer eller pakninger laget av ledende materialer. De er tilgjengelige i forskjellige størrelser og med forskjellige egenskaper.

Virvelstrømmer er strømmer som er mye mindre sirkulerende, men de er i stand til å hindre inntrengning av et magnetfelt gjennom skjermen. I nærvær av et stort antall hull i foringsrøret, skjer reduksjonen i skjermingskoeffisienten i henhold til en logaritmisk avhengighet. Dens minste verdi er observert med teknologiske hull av stor størrelse. Derfor anbefales det å designe flere små hull i stedet for ett stort. Hvis det er nødvendig å bruke standardiserte hull (for kabelinnføring og andre behov), så brukes transcendentale bølgeledere.

I et magnetostatisk felt skapt av elektriske likestrømmer, er skjermens jobb å shunte feltlinjene. Beskyttelseselementet er installert så nær kilden som mulig. Jording er ikke nødvendig. Skjermingseffektiviteten avhenger av den magnetiske permeabiliteten og tykkelsen på skjermmaterialet. Som sistnevnte brukes stål, permalloy og magnetiske legeringer med høy magnetisk permeabilitet.

Skjerming av kabeltraséer utføres hovedsakelig på to måter - ved bruk av kabler med skjermet eller beskyttet tvunnet par og legging av rør i aluminiumsbokser (eller innsatser).

Superledende skjermer

Operasjonen til superledende magnetiske skjermer er basert på Meissner-effekten. Dette fenomenet består i at et legeme i et magnetfelt går inn i en superledende tilstand. Samtidig er det magnetiskepermeabiliteten til foringsrøret blir lik null, det vil si at den ikke passerer magnetfeltet. Det er fullt kompensert i volumet til den gitte kroppen.

Fordelen med slike elementer er at de er mye mer effektive, beskyttelse mot et eksternt magnetfelt er ikke avhengig av frekvens, og kompensasjonseffekten kan vare i vilkårlig lang tid. Men i praksis er Meissner-effekten ikke komplett, siden i ekte skjermer laget av superledende materialer er det alltid strukturelle inhomogeniteter som fører til magnetisk fluksfangst. Denne effekten er et alvorlig problem for dannelsen av foringsrør for å skjerme magnetfeltet. Dempningskoeffisienten for magnetisk felt er jo større, jo høyere er materialets kjemiske renhet. I eksperimenter ble den beste ytelsen notert for bly.

Andre ulemper med superledende magnetiske feltskjermingsmaterialer er:

• høy kostnad;
• tilstedeværelse av gjenværende magnetfelt;
• opptreden av tilstanden for superledning kun ved lave temperaturer;
• manglende evne til å fungere i høye magnetiske felt.

Materials

Oftest brukes karbonstålskjermer for å beskytte mot et magnetfelt, da de er svært tilpasningsdyktige for sveising, lodding, rimelige og kjennetegnes av god korrosjonsbestandighet. I tillegg til dem, materialer som:

• teknisk aluminiumsfolie;
• myk magnetisk legering av jern, aluminium og silisium (alsifer);
• copper;
• ledende belagt glass;
• zinc;
• transformatorstål;
• ledende emaljer og lakker;
• brass;
• metalliserte stoffer.

Strukturelt kan de lages i form av ark, nett og folie. Platematerialer gir bedre beskyttelse, og nettingmaterialer er mer praktiske å montere - de kan settes sammen ved punktsveising i trinn på 10-15 mm. For å sikre korrosjonsbestandighet er gitteret lakkert.

Anbefalinger for materialvalg

Når du velger et materiale for beskyttelsesskjermer, veiledes følgende anbefalinger:

• I svake felt brukes legeringer med høy magnetisk permeabilitet. Den mest teknologisk avanserte er permalloy, som egner seg godt til press og kutting. Den magnetiske feltstyrken som kreves for dens fullstendige avmagnetisering, så vel som den elektriske resistiviteten, avhenger hovedsakelig av prosentandelen nikkel. Med mengden av dette elementet skilles permalloys med lavt nikkel (opptil 50 %) og høyt nikkel (opptil 80 %).
• For å redusere energitap i et vekslende magnetfelt, plasseres foringsrør enten fra en god leder eller fra en isolator.
• For en feltfrekvens på mer enn 10 MHz, sølv- eller kobberfilmbelegg med en tykkelse på 0,1 mm eller mer (skjermer laget av foliebelagte getinaker og andre isolasjonsmaterialer), samt kobber, aluminium og messing, gir god effekt. For å beskytte kobber mot oksidasjon er det belagt med sølv.
• Tykkelsemateriale avhenger av frekvensen f. Jo lavere f, jo større må tykkelsen være for å oppnå samme skjermingseffekt. Ved høye frekvenser, for fremstilling av foringsrør fra ethvert materiale, er en tykkelse på 0,5-1,5 mm tilstrekkelig.
• For felt med høy f brukes ikke ferromagneter, siden de har høy motstand og fører til store energitap. Andre sterkt ledende materialer enn stål bør heller ikke brukes til å skjerme permanente magnetiske felt.
• For beskyttelse over et bredt område er flerlagsmaterialer (stålplater med et svært ledende metalllag) den optimale løsningen.

De generelle valgreglene er som følger:

• Høye frekvenser er svært ledende materialer.
• Lavfrekvenser er materialer med høy magnetisk permeabilitet. Skjerming i dette tilfellet er en av de vanskeligste oppgavene, siden det gjør utformingen av beskyttelsesskjermen tyngre og mer komplisert.

Foliebånd

Foliebeskyttende tape brukes til følgende formål:

• Skjermer elektromagnetisk bredbåndsinterferens. Oftest brukes de til dører og vegger til elektriske skap med enheter, samt for å danne en skjerm rundt individuelle elementer (magneter, releer) og kabler.
• Fjerning av statisk ladning som akkumuleres på enheter som inneholder halvledere og katodestrålerør, samt i enheter som brukes til å legge inn / sende ut informasjon fradatamaskin.
• Som en komponent i jordingskretser.
• For å redusere elektrostatisk interaksjon mellom transformatorviklinger.

Strukturelt sett er de basert på et ledende klebemateriale (akrylharpiks) og folie (med korrugert eller glatt overflate) laget av følgende metalltyper:

• aluminium;
• copper;
• tinnet kobber (for lodding og bedre korrosjonsbeskyttelse).

Polymermaterialer

I de enhetene hvor det sammen med skjerming av magnetfeltet, beskyttelse mot mekanisk skade og støtdemping er nødvendig, brukes polymermaterialer. De er laget i form av polyuretanskumputer dekket med en polyesterfilm, basert på et akryllim.

Ved produksjon av flytende krystallmonitorer brukes akryltetninger laget av ledende stoff. I laget av akryllim er en tredimensjonal ledende matrise laget av ledende partikler. På grunn av sin elastisitet absorberer dette materialet også effektivt mekanisk påkjenning.

kompensasjonsmetode

Prinsippet for kompensasjonsskjermingsmetoden er å kunstig skape et magnetfelt som er rettet motsatt av det ytre feltet. Dette oppnås vanligvis med et Helmholtz spolesystem. Den består av 2 identiske tynne spoler plassert koaksi alt i en avstand fra deres radius. Elektrisitet føres gjennom dem. Magnetfeltet indusert av spolene er svært jevnt.

Shielding canogså produsert av plasma. Dette fenomenet tas i betraktning i fordelingen av magnetfeltet i rommet.

Kabelskjerming

Magnetisk feltbeskyttelse er viktig når du legger kabler. Elektriske strømmer indusert i dem kan være forårsaket av inkludering av husholdningsapparater i rommet (klimaanlegg, fluorescerende lamper, telefoner), samt heiser i gruver. Disse faktorene har særlig stor innflytelse på digitale kommunikasjonssystemer som opererer på protokoller med et bredt frekvensbånd. Dette skyldes den lille forskjellen mellom kraften til nyttesignalet og støyen i den øvre delen av spekteret. I tillegg påvirker den elektromagnetiske energien som sendes ut av kabelsystemer helsen til personell som arbeider i lokalene.

Cross-talk oppstår mellom par av ledninger på grunn av tilstedeværelsen av kapasitiv og induktiv kobling mellom dem. Den elektromagnetiske energien til kablene reflekteres også på grunn av inhomogeniteten til deres bølgeimpedans og svekkes i form av varmetap. Som et resultat av demping, synker signaleffekten på slutten av lange linjer hundrevis av ganger.

For tiden praktiseres 3 metoder for å skjerme kabelruter i den elektriske industrien:

• Bruk av helmetallbokser (stål eller aluminium) eller montering av metallinnsatser i plast. Når feltfrekvensen øker, reduseres skjermingsevnen til aluminium. Ulempen er også den høye kostnaden for bokser. For lange kabeltrekk er detproblemet med å sikre elektrisk kontakt mellom individuelle elementer og deres jording for å sikre nullpotensialet til boksen.
• Bruk skjermede kabler. Denne metoden gir maksimal beskyttelse ettersom kappen omgir selve kabelen.
• Vakuumavsetning av metall på PVC-kanalen. Denne metoden er ineffektiv ved frekvenser opp til 200 MHz. "Slukkingen" av magnetfeltet er ti ganger mindre sammenlignet med å legge kabelen i metallbokser på grunn av den høye resistiviteten.

Typer av kabler

Det finnes 2 typer skjermede kabler:

• Med felles skjerm. Den er plassert rundt ubeskyttede strandede ledere. Ulempen med slike kabler er at det er stor krysstale (5-10 ganger mer enn skjermede par), spesielt mellom par med samme vridningsstigning.
• Kabler med skjermede tvunnede par. Alle parene er individuelt skjermet. På grunn av deres høyere pris brukes de oftest i nettverk med strenge sikkerhetskrav og i rom med et vanskelig elektromagnetisk miljø. Bruken av slike kabler i parallell legging gjør det mulig å redusere avstanden mellom dem. Dette reduserer kostnadene sammenlignet med delt ruting.

Twisted-pair skjermet kabel er et isolert par ledere (deres antall er vanligvis fra 2 til 8). Denne designen reduserer krysstale.mellom ledere. Uskjermede par har ingen jordingskrav, de har mer fleksibilitet, mindre tverrgående dimensjoner og enkel installasjon. Det skjermede paret gir beskyttelse mot elektromagnetisk interferens og høykvalitets dataoverføring over nettverk.

Informasjonssystemer bruker også to-lags skjerming, som består av beskyttelse av tvunnet par i form av en metallisert plasttape eller folie, og en vanlig metallflett. For effektiv beskyttelse mot magnetfeltet må slike kabelsystemer være skikkelig jordet.