Ekranowanie pola magnetycznego: zasady i materiały. Względna przenikalność magnetyczna materiałów

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 05:38

Ekrany elektromagnetyczne są szeroko stosowane w przemyśle. Służą eliminowaniu szkodliwego wpływu niektórych elementów urządzenia elektrycznego na inne, ochronie personelu i sprzętu przed działaniem pól zewnętrznych, które występują podczas pracy innych urządzeń. „Głodzenie” zewnętrznego pola magnetycznego jest niezbędne w tworzeniu laboratoriów przeznaczonych do regulacji i testowania bardzo czułych urządzeń. Jest również wymagany w medycynie i tych dziedzinach nauki, w których prowadzi się pomiary pól o ultraniskiej indukcji; do ochrony informacji podczas ich transmisji przez kable.

Metody

Ekranowanie pola magnetycznego to zestaw sposobów na zmniejszenie natężenia pola stałego lub zmiennego w określonym obszarze przestrzeni. Pole magnetyczne, w przeciwieństwie do pola elektrycznego, nie może być całkowicie osłabione.

W przemyśle pola błądzące z transformatorów, magnesów trwałych, instalacji i obwodów wysokoprądowych mają największy wpływ na środowisko. Mogą całkowicie zakłócić normalną pracę sąsiednich urządzeń.

Najczęściej używane 2metoda ochrony:

• Zastosowanie ekranów wykonanych z materiałów nadprzewodzących lub ferromagnetycznych. Jest to skuteczne w obecności pola magnetycznego o stałej lub niskiej częstotliwości.
• Metoda kompensacji (tłumienie prądów wirowych). Prądy wirowe to masowe prądy elektryczne, które występują w przewodniku, gdy zmienia się strumień magnetyczny. Ta metoda pokazuje najlepsze wyniki dla pól o wysokiej częstotliwości.

Zasady

Zasady ekranowania pola magnetycznego opierają się na wzorcach propagacji pola magnetycznego w przestrzeni. W związku z tym dla każdej z wymienionych powyżej metod są one następujące:

1. Jeśli umieścisz cewkę indukcyjną w obudowie wykonanej z ferromagnesu, to linie indukcji zewnętrznego pola magnetycznego przejdą wzdłuż ścianek ekranu ochronnego, ponieważ ma on mniejszy opór magnetyczny w porównaniu z przestrzenią wewnątrz niego. Linie siły, które są indukowane przez samą cewkę, również prawie wszystkie będą zamknięte na ściankach obudowy. Dla najlepszej ochrony w tym przypadku należy wybrać materiały ferromagnetyczne, które mają wysoką przenikalność magnetyczną. W praktyce najczęściej stosuje się stopy żelaza. W celu zwiększenia niezawodności ekranu wykonuje się go grubościennym lub prefabrykowanym z kilku osłon. Wadami tej konstrukcji są duża waga, masywność i pogorszenie ekranowania w przypadku szwów i nacięć w ściankach obudowy.



2. W drugiej metodzie osłabienie zewnętrznego pola magnetycznegopowstaje w wyniku nałożenia na nią innego pola, indukowanego przez prądy wirowe pierścieniowe. Jej kierunek jest przeciwny do linii indukcji pierwszego pola. Wraz ze wzrostem częstotliwości tłumienie będzie bardziej wyraźne. W tym przypadku do ekranowania stosuje się płytki w postaci pierścienia przewodników o niskiej rezystywności. Jako obudowy ekranu najczęściej stosuje się skrzynki w kształcie walca wykonane z miedzi lub aluminium.

Kluczowe funkcje

Istnieją 3 główne cechy opisujące proces ekranowania:

• Równoważna głębokość penetracji pola magnetycznego. Więc kontynuujmy. Liczba ta jest wykorzystywana do ekranowania prądów wirowych. Im mniejsza jego wartość, tym większy prąd płynący w warstwach powierzchniowych obudowy ochronnej. W związku z tym większe jest indukowane przez nią pole magnetyczne, które wypiera pole zewnętrzne. Równoważną głębokość określa poniższy wzór. We wzorze ρ i Μ_r oznaczają odpowiednio oporność i względną przenikalność magnetyczną materiału ekranu (jednostki miary pierwszej wartości to Ohm∙m); f to częstotliwość pola mierzona w MHz.



• Sprawność ekranowania e - stosunek natężenia pola magnetycznego w przestrzeni ekranowanej w przypadku braku i obecności ekranu. Wartość ta jest tym większa, im większa jest grubość ekranu i przepuszczalność magnetyczna jego materiału. Przepuszczalność magnetyczna jest wskaźnikiem charakteryzującym ile razy indukcja w substancjiróżni się od tego w próżni.
• Redukcja natężenia pola magnetycznego i gęstości prądu wirowego na głębokości x od powierzchni obudowy ochronnej. Wskaźnik jest obliczany według poniższego wzoru. Tutaj A₀ to wartość na powierzchni ekranu, x₀ to głębokość, na której intensywność lub gęstość prądu zmniejsza się e razy.

Projekty ekranów

Osłony ochronne do ekranowania pola magnetycznego mogą być wykonane w różnych wersjach:

• arkusz i masywny;
• w postaci pustych rur i osłon o przekroju cylindrycznym lub prostokątnym;
• jednowarstwowe i wielowarstwowe, ze szczeliną powietrzną.

Ponieważ obliczenie liczby warstw jest dość skomplikowane, wartość ta jest najczęściej wybierana z podręczników, zgodnie z krzywymi skuteczności ekranowania uzyskanymi eksperymentalnie. Cięcia i szwy w pudłach można wykonywać tylko wzdłuż linii prądów wirowych. W przeciwnym razie efekt ekranowania zostanie zmniejszony.

W praktyce trudno jest uzyskać wysoki współczynnik ekranowania, ponieważ zawsze konieczne jest wykonanie otworów w celu wprowadzenia kabli, wentylacji i konserwacji instalacji. W przypadku kręgów obudowy bezszwowe wykonywane są metodą wyciskania blachy, a spód sita cylindrycznego służy jako zdejmowana osłona.

Ponadto, gdy elementy konstrukcyjne wchodzą w kontakt, powstają pęknięcia z powodu nierówności powierzchni. Aby je wyeliminować, użyjmechaniczne zaciski lub uszczelki wykonane z materiałów przewodzących. Są dostępne w różnych rozmiarach io różnych właściwościach.

Prądy wirowe to prądy, które krążą znacznie słabiej, ale są w stanie zapobiec przenikaniu pola magnetycznego przez ekran. W obecności dużej liczby otworów w obudowie spadek współczynnika ekranowania następuje zgodnie z zależnością logarytmiczną. Jej najmniejszą wartość obserwuje się przy otworach technologicznych o dużych rozmiarach. Dlatego zaleca się zaprojektowanie kilku małych otworów zamiast jednego dużego. Jeśli konieczne jest użycie znormalizowanych otworów (do wprowadzania kabli i innych potrzeb), stosuje się falowody transcendentalne.

W polu magnetostatycznym wytworzonym przez stałe prądy elektryczne zadaniem ekranu jest bocznikowanie linii pola. Element ochronny jest zainstalowany jak najbliżej źródła. Uziemienie nie jest wymagane. Skuteczność ekranowania zależy od przenikalności magnetycznej i grubości materiału ekranu. Jako te ostatnie stosuje się stale, permalloy i stopy magnetyczne o wysokiej przenikalności magnetycznej.

Ekranowanie tras kablowych odbywa się głównie dwoma metodami - za pomocą kabli z ekranowaną lub zabezpieczoną skrętką oraz układanie rur w puszkach (lub wkładkach) aluminiowych.

Ekrany nadprzewodzące

Działanie nadprzewodzących ekranów magnetycznych opiera się na efekcie Meissnera. Zjawisko to polega na tym, że ciało w polu magnetycznym przechodzi w stan nadprzewodnictwa. W tym samym czasie magnetycznyprzepuszczalność obudowy staje się równa zeru, to znaczy nie przechodzi przez pole magnetyczne. Jest w pełni skompensowany w objętości danego ciała.

Zaletą takich elementów jest to, że są znacznie wydajniejsze, ochrona przed zewnętrznym polem magnetycznym nie zależy od częstotliwości, a efekt kompensacji może trwać dowolnie długo. Jednak w praktyce efekt Meissnera nie jest kompletny, ponieważ w rzeczywistych ekranach wykonanych z materiałów nadprzewodzących zawsze występują strukturalne niejednorodności, które prowadzą do wychwytywania strumienia magnetycznego. Efekt ten jest poważnym problemem przy tworzeniu obudów w celu ekranowania pola magnetycznego. Współczynnik tłumienia pola magnetycznego jest tym większy, im wyższa chemiczna czystość materiału. W eksperymentach najlepsze wyniki odnotowano dla ołowiu.

Inne wady materiałów do ekranowania nadprzewodzących pól magnetycznych to:

• wysoki koszt;
• obecność szczątkowego pola magnetycznego;
• występowanie stanu nadprzewodnictwa tylko w niskich temperaturach;
• niemożność działania w silnych polach magnetycznych.

Materiały

Najczęściej do ochrony przed polem magnetycznym stosuje się ekrany ze stali węglowej, ponieważ są wysoce przystosowalne do spawania, lutowania, niedrogie i charakteryzują się dobrą odpornością na korozję. Oprócz nich materiały takie jak:

• techniczna folia aluminiowa;
• Miękki stop magnetyczny żelaza, aluminium i krzemu (alsifer);
• miedź;
• szkło powlekane przewodzące;
• cynk;
• stal transformatorowa;
• przewodzące emalie i lakiery;
• mosiądz;
• tkaniny metalizowane.

Konstrukcyjnie mogą być wykonane w postaci arkuszy, siatek i folii. Materiały w postaci arkuszy zapewniają lepszą ochronę, a materiały siatkowe są wygodniejsze w montażu – można je łączyć ze sobą przez zgrzewanie punktowe w odstępach co 10-15 mm. Aby zapewnić odporność na korozję, kratki są lakierowane.

Zalecenia dotyczące doboru materiałów

Wybierając materiał na ekrany ochronne, należy kierować się następującymi zaleceniami:

• W słabych polach stosuje się stopy o wysokiej przenikalności magnetycznej. Najbardziej zaawansowany technologicznie jest permalloy, który dobrze nadaje się do prasowania i cięcia. Siła pola magnetycznego wymagana do jego całkowitego rozmagnesowania, a także rezystywność elektryczna, zależą głównie od zawartości procentowej niklu. Pod względem ilości tego pierwiastka wyróżnia się permaloje o niskiej zawartości niklu (do 50%) i wysokiej zawartości niklu (do 80%).
• Aby zmniejszyć straty energii w zmiennym polu magnetycznym, obudowy są umieszczane albo z dobrego przewodnika, albo z izolatora.
• W przypadku częstotliwości pola powyżej 10 MHz, srebrne lub miedziane powłoki filmowe o grubości 0,1 mm lub większej (ekrany wykonane z pokrytych folią getinaków i innych materiałów izolacyjnych), a także z miedzi, aluminium i mosiądz, dają dobry efekt. Aby chronić miedź przed utlenianiem, pokryto ją srebrem.
• Grubośćmateriał zależy od częstotliwości f. Im niższa wartość f, tym większa musi być grubość, aby osiągnąć ten sam efekt ekranowania. Przy wysokich częstotliwościach do produkcji obudów z dowolnego materiału wystarcza grubość 0,5-1,5 mm.
• W przypadku pól o wysokiej f ferromagnesy nie są używane, ponieważ mają dużą rezystancję i prowadzą do dużych strat energii. Materiały o wysokiej przewodności inne niż stal również nie powinny być używane do ekranowania trwałych pól magnetycznych.
• Dla ochrony w szerokim zakresie f, optymalnym rozwiązaniem są materiały wielowarstwowe (blachy stalowe z wysoce przewodzącą warstwą metalu).

Ogólne zasady wyboru są następujące:

• Wysokie częstotliwości to materiały wysoce przewodzące.
• Niskie częstotliwości to materiały o wysokiej przenikalności magnetycznej. Przesiewanie w tym przypadku jest jednym z najtrudniejszych zadań, ponieważ sprawia, że konstrukcja ekranu ochronnego jest cięższa i bardziej skomplikowana.

Taśmy foliowe

Taśmy ekranujące z folii są używane do następujących celów:

• Osłanianie szerokopasmowych zakłóceń elektromagnetycznych. Najczęściej stosuje się je na drzwi i ściany szafek elektrycznych z urządzeniami, a także do formowania ekranu wokół poszczególnych elementów (elektromagnesów, przekaźników) oraz kabli.
• Usuwanie ładunków elektrostatycznych, które gromadzą się na urządzeniach zawierających półprzewodniki i lampy katodowe, a także na urządzeniach używanych do wprowadzania/wyprowadzania informacji zkomputer.
• Jako składnik obwodów uziemiających.
• Aby zmniejszyć oddziaływanie elektrostatyczne między uzwojeniami transformatora.

Strukturalnie są one oparte na przewodzącym materiale klejącym (żywica akrylowa) i folii (z pofałdowaną lub gładką powierzchnią) wykonanych z następujących rodzajów metalu:

• aluminium;
• miedź;
• miedź cynowana (do lutowania i lepszej ochrony antykorozyjnej).

Materiały polimerowe

W tych urządzeniach, gdzie oprócz ekranowania pola magnetycznego wymagane jest zabezpieczenie przed uszkodzeniami mechanicznymi oraz amortyzacja, stosowane są materiały polimerowe. Wykonane są w postaci podkładek z pianki poliuretanowej pokrytych folią poliestrową, na bazie kleju akrylowego.

W produkcji monitorów ciekłokrystalicznych stosuje się akrylowe uszczelki wykonane z przewodzącej tkaniny. W warstwie kleju akrylowego znajduje się trójwymiarowa przewodząca matryca wykonana z przewodzących cząstek. Ze względu na swoją elastyczność materiał ten skutecznie pochłania również naprężenia mechaniczne.

Metoda kompensacji

Zasadą metody ekranowania kompensacyjnego jest sztuczne wytworzenie pola magnetycznego skierowanego przeciwnie do pola zewnętrznego. Zwykle osiąga się to za pomocą systemu cewek Helmholtza. Składa się z 2 identycznych cienkich cewek umieszczonych współosiowo w odległości od ich promienia. Przepływa przez nie energia elektryczna. Pole magnetyczne indukowane przez cewki jest wysoce równomierne.

Puszka ekranującarównież wytwarzany przez plazmę. Zjawisko to jest uwzględniane w rozkładzie pola magnetycznego w przestrzeni.

Ekran kabli

Ochrona pola magnetycznego jest niezbędna podczas układania kabli. Indukowane w nich prądy elektryczne mogą być spowodowane włączeniem do pomieszczenia urządzeń AGD (klimatyzatory, świetlówki, telefony), a także wind w kopalniach. Czynniki te mają szczególnie duży wpływ na systemy komunikacji cyfrowej działające na protokołach o szerokim paśmie częstotliwości. Wynika to z niewielkiej różnicy między mocą sygnału użytecznego a szumem w górnej części widma. Ponadto energia elektromagnetyczna emitowana przez systemy kablowe niekorzystnie wpływa na zdrowie personelu pracującego w obiekcie.

Cross-talk występuje między parami przewodów ze względu na obecność między nimi sprzężenia pojemnościowego i indukcyjnego. Energia elektromagnetyczna kabli jest również odbijana z powodu niejednorodności ich impedancji falowej i jest osłabiana w postaci strat ciepła. W wyniku tłumienia moc sygnału na końcu długich linii spada setki razy.

Obecnie w branży elektrycznej praktykowane są 3 metody ekranowania tras kablowych:

• Zastosowanie skrzynek całkowicie metalowych (stalowych lub aluminiowych) lub montaż wkładek metalowych w plastikowych. Wraz ze wzrostem częstotliwości pola zmniejsza się zdolność ekranowania aluminium. Wadą jest również wysoki koszt pudełek. W przypadku długich tras kablowych jestproblem zapewnienia kontaktu elektrycznego poszczególnych elementów i ich uziemienia w celu zapewnienia zerowego potencjału puszki.
• Używaj kabli ekranowanych. Ta metoda zapewnia maksymalną ochronę, ponieważ osłona otacza sam kabel.
• Próżniowe osadzanie metalu na kanale PVC. Ta metoda jest nieskuteczna przy częstotliwościach do 200 MHz. „Wygaszenie” pola magnetycznego jest dziesięciokrotnie mniejsze w porównaniu do układania kabla w metalowych skrzynkach ze względu na wysoką rezystywność.

Rodzaje kabli

Istnieją 2 rodzaje kabli ekranowanych:

• Z wspólnym ekranem. Znajduje się wokół niezabezpieczonych przewodów linkowych. Wadą takich kabli jest duży przesłuch (5-10 razy większy niż w przypadku par ekranowanych), zwłaszcza pomiędzy parami o tym samym skoku skrętu.
• Kable z ekranowanymi parami skręconymi. Wszystkie pary są indywidualnie ekranowane. Ze względu na wyższy koszt najczęściej stosowane są w sieciach o rygorystycznych wymogach bezpieczeństwa oraz w pomieszczeniach o trudnym środowisku elektromagnetycznym. Zastosowanie takich kabli w układaniu równoległym umożliwia zmniejszenie odległości między nimi. Zmniejsza to koszty w porównaniu z routingiem dzielonym.

Skrętka ekranowana to izolowana para żył (ich liczba wynosi zwykle od 2 do 8). Taka konstrukcja zmniejsza przesłuchy.między przewodami. Pary nieekranowane nie wymagają uziemienia, mają większą elastyczność, mniejsze wymiary poprzeczne i łatwość instalacji. Ekranowana para zapewnia ochronę przed zakłóceniami elektromagnetycznymi i wysokiej jakości transmisję danych w sieci.

Systemy informatyczne wykorzystują również ekranowanie dwuwarstwowe, które składa się z ochrony par skręconych w postaci metalizowanej taśmy lub folii z tworzywa sztucznego oraz wspólnego oplotu metalowego. Aby zapewnić skuteczną ochronę przed polem magnetycznym, takie systemy kablowe muszą być odpowiednio uziemione.