Magnetinio lauko ekranavimas: principai ir medžiagos. Santykinis magnetinis medžiagų laidumas

2024 Autorius: Angel Austin | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-17 05:34

Elektromagnetiniai ekranai plačiai naudojami pramonėje. Jie padeda pašalinti žalingą kai kurių elektros prietaiso elementų poveikį kitiems, apsaugoti darbuotojus ir įrangą nuo išorinių laukų, atsirandančių veikiant kitiems prietaisams, poveikio. Išorinio magnetinio lauko „gesinimas“būtinas kuriant laboratorijas, skirtas itin jautriai įrangai reguliuoti ir tikrinti. Jis taip pat reikalingas medicinoje ir tose mokslo srityse, kuriose matuojami laukai su itin maža indukcija; apsaugoti informaciją perduodant ją kabeliais.

Metodai

Magnetinio lauko ekranavimas – tai rinkinys būdų, kaip sumažinti pastovaus arba kintamo lauko stiprumą tam tikroje erdvės srityje. Magnetinis laukas, skirtingai nei elektrinis laukas, negali būti visiškai susilpnintas.

Pramonėje didžiausią poveikį aplinkai daro transformatorių, nuolatinių magnetų, didelės srovės įrenginių ir grandinių klaidžiojantys laukai. Jie gali visiškai sutrikdyti normalų gretimų prietaisų veikimą.

Dažniausiai naudojamas 2apsaugos metodas:

• Ekranų, pagamintų iš superlaidžių arba feromagnetinių medžiagų, naudojimas. Tai veiksminga esant pastoviam arba žemo dažnio magnetiniam laukui.
• Kompensavimo metodas (sūkurinės srovės slopinimas). Sūkurinės srovės yra didžioji elektros srovė, kuri atsiranda laidininke, kai keičiasi magnetinis srautas. Šis metodas rodo geriausius aukšto dažnio laukų rezultatus.

Principai

Magnetinio lauko ekranavimo principai pagrįsti magnetinio lauko sklidimo erdvėje modeliais. Atitinkamai, kiekvienas iš aukščiau išvardytų metodų yra toks:

1. Jei įdėsite induktorių į korpusą, pagamintą iš feromagneto, išorinio magnetinio lauko indukcijos linijos eis išilgai apsauginio ekrano sienelių, nes jis turi mažesnę magnetinę varžą, palyginti su erdve jame.. Tos jėgos linijos, kurias sukelia pati ritė, taip pat beveik visos bus uždarytos prie korpuso sienelių. Siekiant geriausios apsaugos šiuo atveju, būtina pasirinkti feromagnetines medžiagas, kurios turi didelį magnetinį laidumą. Praktikoje dažniausiai naudojami geležies lydiniai. Siekiant padidinti ekrano patikimumą, jis gaminamas storasienis arba surenkamas iš kelių korpusų. Šios konstrukcijos trūkumai yra didelis svoris, stambumas ir ekranavimo pablogėjimas, kai korpuso sienelėse yra siūlių ir įpjovimų.



2. Antrojo metodo atveju išorinio magnetinio lauko susilpnėjimasatsiranda dėl kito lauko, kurį sukelia žiedinės sūkurinės srovės, uždėjimas. Jo kryptis yra priešinga pirmojo lauko indukcijos linijoms. Didėjant dažniui, susilpnėjimas bus ryškesnis. Šiuo atveju ekranavimui naudojamos mažos varžos laidininkų žiedo formos plokštės. Cilindro formos dėžutės, pagamintos iš vario arba aliuminio, dažniausiai naudojamos kaip ekrano korpusai.

Pagrindinės funkcijos

Ekranavimo procesą apibūdina 3 pagrindinės charakteristikos:

• Ekvivalentiškas magnetinio lauko įsiskverbimo gylis. Taigi tęskime. Šis skaičius naudojamas sūkurinių srovių ekrano efektui nustatyti. Kuo mažesnė jo vertė, tuo didesnė srovė teka apsauginio korpuso paviršiniuose sluoksniuose. Atitinkamai, kuo didesnis jo sukeltas magnetinis laukas, kuris išstumia išorinį. Lygiavertis gylis nustatomas pagal toliau pateiktą formulę. Šioje formulėje ρ ir Μ_r yra atitinkamai ekrano medžiagos savitoji varža ir santykinis magnetinis pralaidumas (pirmosios vertės matavimo vienetai yra Ohm∙m); f yra lauko dažnis, matuojamas MHz.



• Ekranavimo efektyvumas e – magnetinio lauko stiprumo santykis ekranuotoje erdvėje, kai ekrano nėra arba jis yra. Kuo ši vertė didesnė, tuo didesnis ekrano storis ir jo medžiagos magnetinis pralaidumas. Magnetinis pralaidumas yra rodiklis, apibūdinantis medžiagos indukcijąkitaip nei vakuume.
• Magnetinio lauko stiprumo ir sūkurinės srovės tankio sumažinimas x gylyje nuo apsauginio korpuso paviršiaus. Rodiklis apskaičiuojamas pagal toliau pateiktą formulę. Čia A₀ yra reikšmė ekrano paviršiuje, x₀ yra gylis, kuriame intensyvumas arba srovės tankis sumažėja e kartų.

Ekrano dizainas

Apsauginiai dangteliai, skirti apsaugoti nuo magnetinio lauko, gali būti įvairių konstrukcijų:

• lapas ir masyvus;
• tuščiavidurių vamzdžių ir korpusų su cilindrine arba stačiakampe dalimi;
• vieno sluoksnio ir kelių sluoksnių, su oro tarpu.

Kadangi sluoksnių skaičiaus skaičiavimas yra gana sudėtingas, ši reikšmė dažniausiai pasirenkama iš žinynų, pagal ekranavimo efektyvumo kreives, gautas eksperimentiškai. Pjūvius ir siūles dėžėse leidžiama daryti tik pagal sūkurinių srovių linijas. Priešingu atveju ekranavimo efektas bus sumažintas.

Praktiškai sunku gauti aukštą ekranavimo koeficientą, nes visada reikia padaryti skylutes kabelių įvedimui, vėdinimui ir įrenginių priežiūrai. Ritėms besiūliai apvalkalai gaminami naudojant lakštų ekstruzijos metodą, o cilindrinio ekrano apačia yra nuimamas dangtelis.

Be to, kai liečiasi konstrukciniai elementai, dėl paviršiaus nelygumų susidaro įtrūkimai. Norėdami juos pašalinti, naudokitemechaniniai spaustukai arba tarpikliai, pagaminti iš laidžių medžiagų. Jie yra skirtingų dydžių ir skirtingų savybių.

Sūkurinės srovės yra srovės, kurios cirkuliuoja daug mažiau, tačiau jos gali neleisti magnetiniam laukui prasiskverbti per ekraną. Esant daugybei skylių korpuse, ekranavimo koeficientas sumažėja pagal logaritminę priklausomybę. Mažiausia jo vertė pastebima esant didelėms technologinėms skylėms. Todėl rekomenduojama suprojektuoti keletą mažų skylių, o ne vieną didelę. Jei reikia naudoti standartizuotas skylutes (kabelio įvedimui ir kitiems poreikiams), tada naudojami transcendentiniai bangolaidžiai.

Magneostatiniame lauke, kurį sukuria tiesioginės elektros srovės, ekrano užduotis yra šuntuoti lauko linijas. Apsauginis elementas montuojamas kuo arčiau š altinio. Įžeminimas nereikalingas. Ekranavimo efektyvumas priklauso nuo magnetinio pralaidumo ir ekrano medžiagos storio. Pastarasis yra naudojamas plienas, permalijas ir magnetiniai lydiniai su dideliu magnetiniu pralaidumu.

Kabelių trasų ekranavimas daugiausia atliekamas dviem būdais – naudojant kabelius su ekranuota arba apsaugota vytos poros ir vamzdžių klojimą aliuminio dėžėse (arba įdėkluose).

Superlaidūs ekranai

Superlaidžių magnetinių ekranų veikimas pagrįstas Meisnerio efektu. Šis reiškinys susideda iš to, kad kūnas magnetiniame lauke pereina į superlaidžią būseną. Tuo pačiu metu magnetiniskorpuso pralaidumas tampa lygus nuliui, tai yra, jis nepraleidžia magnetinio lauko. Jis visiškai kompensuojamas nurodyto kūno tūryje.

Tokių elementų privalumas yra tas, kad jie yra daug efektyvesni, apsauga nuo išorinio magnetinio lauko nepriklauso nuo dažnio, o kompensavimo efektas gali tęstis savavališkai ilgai. Tačiau praktiškai Meissnerio efektas nėra baigtas, nes tikruose ekranuose, pagamintuose iš superlaidžių medžiagų, visada yra struktūrinių nehomogeniškumo, dėl kurio atsiranda magnetinio srauto gaudymas. Šis efektas yra rimta problema kuriant korpusus, siekiant apsaugoti magnetinį lauką. Kuo didesnis magnetinio lauko silpnėjimo koeficientas, tuo didesnis medžiagos cheminis grynumas. Eksperimentuose geriausias švino našumas buvo pastebėtas.

Kiti superlaidžių magnetinio lauko ekranavimo medžiagų trūkumai yra šie:

• didelė kaina;
• liekamojo magnetinio lauko buvimas;
• superlaidumo būsenos atsiradimas tik esant žemai temperatūrai;
• nesugebėjimas veikti esant dideliems magnetiniams laukams.

Medžiagos

Dažniausiai anglinio plieno ekranai naudojami apsaugai nuo magnetinio lauko, nes jie puikiai pritaikomi suvirinimui, litavimui, yra nebrangūs ir pasižymi geru atsparumu korozijai. Be jų, tokios medžiagos kaip:

• techninė aliuminio folija;
• minkštas magnetinis geležies, aliuminio ir silicio lydinys (alsifer);
• varis;
• laidus padengtas stiklas;
• cinkas;
• transformatorinis plienas;
• laidūs emaliai ir lakai;
• žalvaris;
• metalizuoti audiniai.

Struktūriškai jie gali būti pagaminti iš lakštų, tinklelių ir folijos. Lakštinės medžiagos užtikrina geresnę apsaugą, o tinklinės medžiagos yra patogesnės surinkti – jas galima sujungti taškiniu suvirinimu 10-15 mm žingsniais. Siekiant užtikrinti atsparumą korozijai, tinkleliai yra lakuojami.

Rekomendacijos dėl medžiagos pasirinkimo

Renkantis apsauginių ekranų medžiagą, vadovaujamasi šiomis rekomendacijomis:

• Silpnuose laukuose naudojami lydiniai su dideliu magnetiniu pralaidumu. Technologiškai pažangiausias yra permalloy, kuris puikiai tinka spaudimui ir pjovimui. Magnetinio lauko stipris, reikalingas visiškam jo išmagnetinimui, taip pat elektrinė savitoji varža daugiausia priklauso nuo nikelio procento. Pagal šio elemento kiekį išskiriami mažai nikelio (iki 50 %) ir daug nikelio turintys (iki 80 %) permaliodai.
• Siekiant sumažinti energijos nuostolius kintamajame magnetiniame lauke, korpusai dedami iš gero laidininko arba iš izoliatoriaus.
• Jei lauko dažnis didesnis nei 10 MHz, sidabro arba vario plėvelės dangos, kurių storis 0,1 mm ar didesnis (ekranai, pagaminti iš folija dengtų getinakų ir kitų izoliacinių medžiagų), taip pat varis, aliuminis ir žalvaris, suteikia gerą efektą. Siekiant apsaugoti varį nuo oksidacijos, jis padengtas sidabru.
• Storismedžiaga priklauso nuo dažnio f. Kuo mažesnis f, tuo didesnis storis turi būti, kad būtų pasiektas toks pat ekranavimo efektas. Esant dideliam dažniui, gaminant korpusus iš bet kokios medžiagos, pakanka 0,5–1,5 mm storio.
• Laukuose su dideliu f feromagnetai nenaudojami, nes jie turi didelį atsparumą ir sukelia didelius energijos nuostolius. Labai laidžios medžiagos, išskyrus plieną, taip pat neturėtų būti naudojamos nuolatiniams magnetiniams laukams apsaugoti.
• Norint apsaugoti platų f diapazoną, daugiasluoksnės medžiagos (plieno lakštai su labai laidžiu metalo sluoksniu) yra optimalus sprendimas.

Bendrosios atrankos taisyklės yra tokios:

• Aukštieji dažniai yra labai laidžios medžiagos.
• Žemi dažniai yra medžiagos, turinčios didelį magnetinį laidumą. Atranka šiuo atveju yra viena iš sunkiausių užduočių, nes apsauginio ekrano dizainas tampa sunkesnis ir sudėtingesnis.

Folijinės juostos

Folijos apsauginės juostos naudojamos šiems tikslams:

• Plačiajuosčio ryšio elektromagnetinių trukdžių ekranavimas. Dažniausiai jie naudojami elektros spintų su prietaisais durims ir sienoms, taip pat ekrano formavimui aplink atskirus elementus (solenoidus, reles) ir kabelius.
• Pašalinamas statinis krūvis, kuris kaupiasi įrenginiuose, kuriuose yra puslaidininkių ir katodinių spindulių vamzdžių, taip pat įrenginiuose, naudojamuose informacijai įvesti / išvestikompiuteris.
• Kaip įžeminimo grandinių komponentas.
• Siekiant sumažinti elektrostatinę sąveiką tarp transformatoriaus apvijų.

Struktūriškai jie yra pagaminti iš laidžios lipnios medžiagos (akrilo dervos) ir folijos (su gofruotu arba lygiu paviršiumi), pagamintos iš šių tipų metalų:

• aliuminis;
• varis;
• alavuotas varis (litavimui ir geresnei antikorozinei apsaugai).

Polimerinės medžiagos

Tuose įrenginiuose, kuriuose kartu su magnetinio lauko ekranavimu reikalinga apsauga nuo mechaninių pažeidimų ir smūgio sugerties, naudojamos polimerinės medžiagos. Jie pagaminti iš poliuretano putplasčio trinkelių, padengtų poliesterio plėvele, akrilo klijų pagrindu.

Skystųjų kristalų monitorių gamyboje naudojami akriliniai sandarikliai, pagaminti iš laidžios medžiagos. Akrilinių klijų sluoksnyje yra trimatė laidžioji matrica, sudaryta iš laidžių dalelių. Dėl savo elastingumo ši medžiaga taip pat efektyviai sugeria mechaninį įtempimą.

Kompensavimo metodas

Kompensacinio ekranavimo metodo principas yra dirbtinai sukurti magnetinį lauką, nukreiptą prieš išorinį lauką. Paprastai tai pasiekiama naudojant Helmholtz ritės sistemą. Jį sudaro 2 identiškos plonos ritės, išdėstytos bendraašiu atstumu nuo jų spindulio. Per juos tiekiama elektra. Ričių sukeltas magnetinis laukas yra labai vienodas.

Ekranavimo skardinėtaip pat gamina plazma. Į šį reiškinį atsižvelgiama paskirstant magnetinį lauką erdvėje.

Kabelio ekranavimas

Klojant laidus būtina magnetinio lauko apsauga. Juose sukeltas elektros sroves gali sukelti patalpoje esantys buitiniai prietaisai (kondicionieriai, liuminescencinės lempos, telefonai), taip pat kasyklose esantys liftai. Šie veiksniai ypač didelę įtaką turi skaitmeninių ryšių sistemoms, veikiančioms plačios dažnių juostos protokolais. Taip yra dėl nedidelio skirtumo tarp naudingo signalo galios ir triukšmo viršutinėje spektro dalyje. Be to, kabelių sistemų skleidžiama elektromagnetinė energija neigiamai veikia patalpose dirbančio personalo sveikatą.

Kryžminis pokalbis vyksta tarp laidų porų, nes tarp jų yra talpinė ir indukcinė jungtis. Kabelių elektromagnetinė energija taip pat atsispindi dėl jų banginės varžos nehomogeniškumo ir susilpnėja šilumos nuostolių pavidalu. Dėl slopinimo signalo galia ilgų linijų pabaigoje sumažėja šimtus kartų.

Šiuo metu elektros pramonėje naudojami 3 kabelių trasų ekranavimo būdai:

• Visiškai metalinių dėžių (plieninių arba aliuminio) naudojimas arba metalinių įdėklų montavimas į plastikines. Didėjant lauko dažniui, aliuminio ekranavimo gebėjimas mažėja. Trūkumas taip pat yra didelė dėžių kaina. Ilgiems kabeliams yraatskirų elementų elektrinio kontakto ir jų įžeminimo užtikrinimo, kad būtų užtikrintas nulinis dėžutės potencialas, problema.
• Naudokite ekranuotus laidus. Šis metodas užtikrina maksimalią apsaugą, nes apvalkalas supa patį kabelį.
• Vakuuminis metalo nusodinimas ant PVC kanalo. Šis metodas yra neveiksmingas esant dažniams iki 200 MHz. Magnetinio lauko „gesinimas“yra dešimt kartų mažesnis, palyginti su kabelio klojimu metalinėse dėžėse dėl didelės varžos.

Kabelių tipai

Yra 2 tipų ekranuoti kabeliai:

• Su bendru ekranu. Jis yra aplink neapsaugotus suvytusius laidininkus. Tokių kabelių trūkumas yra tas, kad yra didelis skersinis perdavimas (5–10 kartų daugiau nei ekranuotų porų), ypač tarp porų su vienodu sukimo žingsniu.
• Kabeliai su ekranuotomis vytos poros. Visos poros yra atskirai ekranuotos. Dėl didesnių sąnaudų jie dažniausiai naudojami tinkluose, kuriems taikomi griežti saugos reikalavimai, ir patalpose su sudėtinga elektromagnetine aplinka. Naudojant tokius kabelius lygiagrečiai, galima sumažinti atstumą tarp jų. Tai sumažina išlaidas, palyginti su išskaidytu maršrutu.

Vytos poros ekranuotas kabelis yra izoliuota laidų pora (jų skaičius paprastai yra nuo 2 iki 8). Šis dizainas sumažina skerspjūvį.tarp laidininkų. Neekranuotos poros nekelia įžeminimo reikalavimų, turi daugiau lankstumo, mažesnių skersinių matmenų ir lengvo montavimo. Ekranuota pora užtikrina apsaugą nuo elektromagnetinių trukdžių ir aukštos kokybės duomenų perdavimą tinklais.

Informacinėse sistemose taip pat naudojamas dviejų sluoksnių ekranavimas, kurį sudaro susuktų porų apsauga metalizuotos plastikinės juostos arba folijos pavidalu ir įprastos metalinės juostos. Norint veiksmingai apsaugoti nuo magnetinio lauko, tokios kabelių sistemos turi būti tinkamai įžemintos.