对于许多人而言,低频磁场干扰是一种最难对付的干扰,这种干扰是由直流电流或交流电流产生的。例如,由于炼钢的感应炉中有数万安培的电流,会在周围产生很强的磁场,这个强磁场会使控制系统中的磁敏感器件失灵,最常见的磁敏感设备是彩色CRT显示器。在磁场的作用下,显示器屏幕上的图象会发生抖动、图象颜色会失真,导致显示质量严重降低,甚至无法使用。低频磁场往往随距离的衰减很快,因此在很多场合,将磁敏感器件远离磁场源是一个减小磁场干扰的十分有效的措施。但当空间的限制而无法采取这个措施时,屏蔽是一个十分有效的措施。但要注意的是,低频磁场屏蔽与与射频屏蔽是完全不同的,射频屏蔽可以用铍铜复合材料、银、锡或铝等材料,但这些材料对磁场没有任何屏蔽作用。只有高导磁率的铁磁合金能屏蔽磁场。
1.基本原理
根据电磁屏蔽的基本原理,低频磁场由于其频率低,趋肤效应很小,吸收损耗很小,并且由于其波阻抗很低,反射损耗也很小,因此单纯靠吸收和反射很难获得需要的屏蔽效能。对这种低频磁场,要通过使用高导磁率材料提供磁旁路来实现屏蔽,如图1所示。由于屏蔽材料的导磁率很高,因此为磁场提供了一条磁阻很低的通路,因此空间的磁场会集中在屏蔽材料中,从而使敏感器件免受磁场干扰。
图1 高导磁率材料提供了磁旁路,起到屏蔽作用
从这个机理上看,显然屏蔽体分流的磁场分量越多,则屏蔽效能越高。根据这个原理,我们可以用电路的的计算方法来计算磁屏蔽效果。用两个并联的电阻分别表示屏蔽材料的磁阻和空间的磁阻,用电路分析的方法来计算磁场的分流,由此可以计算屏蔽效果。
计算屏蔽效果 |
|
H i = H 0 Rs / ( Rs + R0) |
式中: H i = 屏蔽体内的磁场强度 H 0 = 屏蔽体外的磁场强度 Rs = 屏蔽体的磁阻 R0 = 空气的磁阻 |
磁阻的计算公式 | |
磁阻 = S / (m A) |
式中: S = 磁路长度 m = m 0 m r m r = 屏蔽材料的相对磁导率 A = 磁通流过的面积 |
因此圆形管子的磁阻为 |
Rs = p b /( m 0 m r 2t L) |
为了简单,设截面为正方形, 管子内空气的磁阻为: |
屏蔽效能为: |
R0 = 2 b /( m 0 2b L) |
SE = H 0 / H i |
对于高导磁率屏蔽材料,Rs < < R0 ,因此,屏蔽效能为: |
SE = R0 / Rs = 2 m r t / p b |
从公式中可以看出,屏蔽材料的导磁率越高、越厚,则屏蔽效能越高。另外,b越小,屏蔽效能越高,这意味着,屏蔽体距离所保护的空间越近,则效果越好。
2.基本概念
磁场强度 ( H ): | 单位是奥斯特,与磁场源的强度和距离有关 |
磁通密度 ( B ): | 单位是高斯,度量穿过每平方厘米的磁力线数量,与源的方向有关 |
磁导率 ( m ): | 表征材料为磁力线提供通路的能力, m = B / H |
饱和强度 : | 在饱和强度下,材料不能再通过多余的磁力线 |
磁阻 ( R ): | 表征材料对通过磁通的阻碍特性,定义为:R = L / m A,L是磁通路径长度(cm),A截面面积(cm2) |
3.屏蔽材料
如前所述,磁屏蔽需要高导磁率材料,满足这种要求的材料是铁镍合金,这种材料具有很高的磁导率。一种常用的合金的化学成分如表1所示。这种材料在正确热处理的条件下,起始磁导率(直流,磁通密度为40高斯)可达到60,000,最高磁导率可达到400,000。
表1 | |||||
成分 |
Ni |
Mo |
Mn |
Si |
Fe |
数量(%) |
80 |
4.2 |
0.5 |
0.35 |
其余 |
磁导率并不是固定不变的,它会随外加磁场、频率等变化。磁导率随频率的变化如图2所示。从图中可以看出,不同厚度的材料的频率特性也不一样,较厚的材料磁导率随频率下降更快一些。
图2 磁导率与频率关系
磁导率还与外加磁场强度有关,当外加磁场强度较低时,磁导率随外加磁场的增加而升高,当外加磁场强度超过一定值时,磁导率急剧下降,这时称材料发生了饱和,典型高导磁率材料的磁导率随外加磁场的变化如图3所示。材料一旦发生饱和,就失去了磁屏蔽作用。材料的磁导率越高,越容易饱和。因此,在很强的磁场中,磁导率很高的材料可能并没有良好的屏蔽效能。在选材料时,关键一点是选择同时具有适当饱和特性和足够磁导率的材料。表2给出了一些常用合金的的磁特性。
表2 | |||
材料 |
饱和强度(高斯) |
磁导率 最高 起始 |
|
铁磁合金(80%镍) |
8,000 |
400,000 |
60,000 |
铁磁合金(48%镍) |
15,000 |
150,000 |
12,000 |
硅钢 |
20,000 |
5,000 |
3,000 |
碳钢 |
22,000 |
3,000 |
1,000 |
图3 常用高磁导率的磁导率与外加磁场的关系
4.注意事项
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