低频磁场干扰是由直流电流或交流电流产生,会在周围产生很强磁场,这个强磁场会使控制系统中磁敏感器件失灵,最常见磁敏感设备是彩色CRT显示器。在磁场作用下,显示器屏幕上图象会发生抖动、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十分有效措施。但当空间限制而无法采取这个措施时,屏蔽是一个十分有效措施。
1.基本原理
根据电磁屏蔽基本原理,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。由于屏蔽材料导磁率很高,因此为磁场提供了一条磁阻很低通路,因此空间磁场会集中在屏蔽材料中,从而使敏感器件免受磁场干扰。
从这个机理上看,显然屏蔽体分流磁场分量越多,则屏蔽效能越高。根据这个原理,我们可以用电路计算方法来计算磁屏蔽效果。用两个并联电阻分别表示屏蔽材料磁阻和空间磁阻,用电路分析方法来计算磁场分流,由此可以计算屏蔽效果。
计算屏蔽效果公式
H I = H 0 Rs / ( Rs R0)
式中:
H I = 屏蔽体内磁场强度
H 0 = 屏蔽体外磁场强度
Rs = 屏蔽体磁阻
R0 = 空气磁阻
磁阻计算公式
磁阻 = S / (m A)
式中:
S = 磁路长度
m = m 0 m r
m r = 屏蔽材料相对磁导率
A = 磁通流过面积
因此圆形管子磁阻为
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磁力线数量,与源方向有关
磁导率 ( m ): 表征材料为磁力线提供通路能力, m = B / H
饱和强度: 在饱和强度下,材料不能再通过多余磁力线
磁阻 ( R ): 表征材料对通过磁通阻碍特性,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,满足这种要求材料是铁镍合金,这种材料具有很高磁导率。一种常用合金化学成分如表1所示。这种材料在正确热处理条件下,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,它会随外加磁场、频率等变化。磁导率随频率变化如图2所示。从图中可以看出,不同厚度材料频率特性也不一样,较厚材料磁导率随频率下降更快一些。
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,典型高导磁率材料磁导率随外加磁场变化。材料一旦发生饱和,就失去了磁屏蔽作用。材料磁导率越高,越容易饱和。因此,在很强磁场中,磁导率很高材料可能并没有良好屏蔽效能。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材料。表2给出了一些常用合金磁特性。
表2
材料 铁磁合金(80%镍) 铁磁合金(48%镍) 硅钢 碳钢
磁导率 8,000 15,000 20,000 22,000
最高 400,000 150,000 5,000 3,000
起始 60,000 12,000 3,000 1,000
4.注意事项
高导磁率材料在机械冲击的条件下会极大地损失磁性,导致屏蔽效能下降。因此,屏蔽体在经过机械加工后,如敲击、焊接、折弯、钻孔等,必须经过热处理以恢复磁性。热处理要在特定条件下进行,一般要在干燥氢气炉中以一定的速率加热到1177° C,保持4个小时,然后以一定的速率降温到室温。由于热处理的条件极其严格,因此最好是委托材料厂家进行屏蔽体的加工,在工件完成后,进行热处理。如果,用户一定要自己加工,记住要按照材料厂家提出的条件对屏蔽体进行热处理,以获得最佳屏蔽效能,最理想的方法是将工件寄到厂家进行热处理。
在对拼接处进行焊接时,要使用屏蔽材料母料做焊接填充料,这样可以保证焊缝处的高导磁率。如果屏蔽效能要求较低,也可以采用点焊或铆接的方式固定,但要注意拼接处的屏蔽材料要有一定的重叠,以保证磁通路上较小磁阻。
当需要屏蔽的磁场很强时,仅用单层屏蔽材料,不是达不到屏蔽要求,就是会发生饱和。这时,一种方法是增加材料的厚度。但更有效的方法是使用组合屏蔽,将一个屏蔽体放在另一个屏蔽体内,它们之间留有气隙。气隙内可以填充任何非导磁率材料做支撑,如铝。组合屏蔽的屏蔽效能比单个屏蔽体高得多,因此组合屏蔽能够将磁场衰减到很低的程度。