Magnetfeldabschirmung: Prinzipien und Materialien. Relative magnetische Permeabilität von Materialien

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 05:21

Elektromagnetische Abschirmungen sind in der Industrie weit verbreitet. Sie dienen dazu, die schädlichen Auswirkungen einiger Elemente eines elektrischen Geräts auf andere zu beseitigen, um Personal und Geräte vor den Auswirkungen externer Felder zu schützen, die beim Betrieb anderer Geräte auftreten. Das „Löschen“des externen Magnetfelds ist bei der Schaffung von Labors erforderlich, die zum Einstellen und Testen hochempfindlicher Geräte bestimmt sind. Es wird auch in der Medizin und denjenigen Bereichen der Naturwissenschaften benötigt, in denen die Messung von Feldern mit ultraniedriger Induktion durchgeführt wird; Informationen während ihrer Übertragung über Kabel zu schützen.

Methoden

Magnetfeldabschirmung ist eine Reihe von Möglichkeiten, die Stärke eines konstanten oder wechselnden Feldes in einem bestimmten Bereich des Weltraums zu reduzieren. Ein magnetisches Feld kann im Gegensatz zu einem elektrischen Feld nicht vollständig abgeschwächt werden.

In der Industrie haben Streufelder von Transformatoren, Permanentmagneten, Hochstromanlagen und Stromkreisen die größte Umweltbelastung. Sie können den normalen Betrieb benachbarter Geräte vollständig stören.

Am häufigsten verwendet 2Schutzmethode:

• Die Verwendung von Schirmen aus supraleitenden oder ferromagnetischen Materialien. Dies ist in Gegenwart eines konstanten oder niederfrequenten Magnetfelds wirksam.
• Kompensationsverfahren (Wirbelstromdämpfung). Wirbelströme sind elektrische Massenströme, die in einem Leiter auftreten, wenn sich der magnetische Fluss ändert. Diese Methode zeigt die besten Ergebnisse für hochfrequente Felder.

Prinzipien

Die Prinzipien der Magnetfeldabschirmung basieren auf den Ausbreitungsmustern des Magnetfelds im Raum. Dementsprechend lauten sie für jede der oben aufgeführten Methoden wie folgt:

1. Wenn Sie einen Induktor in ein Gehäuse aus Ferromagneten einbauen, verlaufen die Induktionslinien des äußeren Magnetfelds an den Wänden des Schutzschirms, da dieser im Vergleich zum Raum darin einen geringeren magnetischen Widerstand hat. Die Kraftlinien, die durch die Spule selbst induziert werden, werden ebenfalls fast alle zu den Wänden des Gehäuses geschlossen. Für den besten Schutz in diesem Fall ist es notwendig, ferromagnetische Materialien zu wählen, die eine hohe magnetische Permeabilität haben. In der Praxis werden am häufigsten Eisenlegierungen verwendet. Um die Zuverlässigkeit des Siebs zu erhöhen, wird es dickwandig ausgeführt oder aus mehreren Gehäusen vorgefertigt. Die Nachteile dieser Konstruktion sind das hohe Gewicht, die Sperrigkeit und die Verschlechterung der Abschirmung bei Vorhandensein von Nähten und Schnitten in den Wänden des Gehäuses.



2. Bei der zweiten Methode die Schwächung des äußeren Magnetfeldestritt als Ergebnis der Auferlegung eines anderen Feldes auf, das durch Ringwirbelströme induziert wird. Seine Richtung ist den Induktionslinien des ersten Feldes entgegengesetzt. Mit zunehmender Frequenz wird die Dämpfung ausgeprägter. In diesem Fall werden Platten in Form eines Leiterrings mit niedrigem spezifischem Widerstand zur Abschirmung verwendet. Als Schirmgehäuse werden meist zylinderförmige Kästen aus Kupfer oder Aluminium verwendet.

Hauptmerkmale

Es gibt 3 Hauptmerkmale, um den Abschirmprozess zu beschreiben:

• Eindringtiefe des äquivalenten Magnetfelds. Also machen wir weiter. Dieser Wert wird für die Abschirmwirkung von Wirbelströmen verwendet. Je kleiner sein Wert ist, desto höher fließt der Strom in den Oberflächenschichten des Schutzgehäuses. Dementsprechend größer ist das von ihm induzierte Magnetfeld, das das äußere verdrängt. Die äquivalente Tiefe wird durch die nachstehende Formel bestimmt. In dieser Formel sind ρ und Μ_r der spezifische Widerstand bzw. die relative magnetische Permeabilität des Siebmaterials (die Maßeinheiten des ersten Werts sind Ohm∙m); f ist die Frequenz des Feldes, gemessen in MHz.



• Schirmwirkungsgrad e - das Verhältnis der magnetischen Feldstärke im abgeschirmten Raum bei fehlender und vorhandener Abschirmung. Dieser Wert ist umso höher, je größer die Dicke des Schirms und die magnetische Permeabilität seines Materials ist. Die magnetische Permeabilität ist ein Indikator, der charakterisiert, wie oft die Induktion in einem Stoff istanders als im Vakuum.
• Reduzierung der magnetischen Feldstärke und der Wirbelstromdichte in einer Tiefe x von der Oberfläche des Schutzgehäuses. Der Indikator wird anhand der nachstehenden Formel berechnet. Dabei ist A₀ der Wert auf der Bildschirmoberfläche, x₀ ist die Tiefe, bei der die Intensität bzw. Stromdichte e-mal abnimmt.

Bildschirmdesigns

Schutzhüllen zur Abschirmung des Magnetfeldes können in verschiedenen Ausführungen hergestellt werden:

• Blatt und Massiv;
• in Form von Hohlrohren und Hüllen mit zylindrischem oder rechteckigem Querschnitt;
• einlagig und mehrlagig, mit Luftsp alt.

Da die Berechnung der Lagenzahl recht kompliziert ist, wird dieser Wert meist aus Nachschlagewerken nach experimentell ermittelten Abschirmwirkungskurven gewählt. Schnitte und Nähte in Kartons dürfen nur entlang der Wirbelstromlinien erfolgen. Andernfalls wird die Abschirmwirkung reduziert.

In der Praxis ist es schwierig, einen hohen Abschirmfaktor zu erreichen, da immer Löcher für die Kabeleinführung, Belüftung und Wartung von Installationen gemacht werden müssen. Für Coils werden nahtlose Hüllen im Plattenextrusionsverfahren hergestellt, und der Boden des zylindrischen Siebs dient als abnehmbarer Deckel.

Außerdem kommt es beim Kontakt der Bauteile zu Rissen durch Oberflächenunebenheiten. Um sie zu beseitigen, verwenden Siemechanische Klemmen oder Dichtungen aus leitfähigen Materialien. Sie sind in verschiedenen Größen und mit unterschiedlichen Eigenschaften erhältlich.

Wirbelströme sind Ströme, die viel weniger zirkulieren, aber in der Lage sind, das Eindringen eines Magnetfelds durch den Schirm zu verhindern. Bei Vorhandensein einer großen Anzahl von Löchern im Gehäuse erfolgt die Abnahme des Abschirmungskoeffizienten gemäß einer logarithmischen Abhängigkeit. Sein kleinster Wert wird bei großen technologischen Löchern beobachtet. Daher empfiehlt es sich, statt eines großen Lochs mehrere kleine Löcher zu konstruieren. Wenn es notwendig ist, standardisierte Löcher (für Kabeleinführung und andere Anforderungen) zu verwenden, werden transzendentale Wellenleiter verwendet.

In einem magnetostatischen Feld, das durch elektrische Gleichströme erzeugt wird, besteht die Aufgabe des Schirms darin, die Feldlinien zu überbrücken. Das Schutzelement wird so nah wie möglich an der Quelle installiert. Eine Erdung ist nicht erforderlich. Die Schirmwirkung hängt von der magnetischen Permeabilität und der Dicke des Schirmmaterials ab. Als letztere werden Stähle, Permalloy und magnetische Legierungen mit hoher magnetischer Permeabilität verwendet.

Die Abschirmung von Kabelwegen wird hauptsächlich auf zwei Arten durchgeführt - durch Verwendung von Kabeln mit abgeschirmten oder geschützten Twisted-Pair-Kabeln und durch Verlegung von Kabelkanälen in Aluminiumboxen (oder Einsätzen).

Supraleitende Schirme

Die Wirkungsweise supraleitender Magnetschirme basiert auf dem Meissner-Effekt. Dieses Phänomen besteht darin, dass ein Körper in einem Magnetfeld in einen supraleitenden Zustand übergeht. Gleichzeitig das MagnetischeDie Permeabilität des Gehäuses wird gleich Null, dh es passiert das Magnetfeld nicht. Es wird vollständig im Volumen des gegebenen Körpers kompensiert.

Der Vorteil solcher Elemente ist, dass sie viel effizienter sind, der Schutz vor einem externen Magnetfeld nicht von der Frequenz abhängt und die Kompensationswirkung beliebig lange anh alten kann. In der Praxis ist der Meissner-Effekt jedoch nicht vollständig, da es bei realen Schirmen aus supraleitenden Materialien immer zu strukturellen Inhomogenitäten kommt, die zu magnetischen Flusseinschlüssen führen. Dieser Effekt ist ein ernsthaftes Problem bei der Herstellung von Gehäusen zur Abschirmung des Magnetfelds. Der magnetische Feldschwächungskoeffizient ist umso größer, je höher die chemische Reinheit des Materials ist. In Experimenten wurde die beste Leistung für Blei festgestellt.

Weitere Nachteile von supraleitenden Materialien zur Magnetfeldabschirmung sind:

• hohe Kosten;
• Restmagnetfeld vorhanden;
• Zustand der Supraleitung nur bei tiefen Temperaturen;
• Funktionsunfähigkeit in hohen Magnetfeldern.

Materialien

Am häufigsten werden Kohlenstoffstahlsiebe zum Schutz vor einem Magnetfeld verwendet, da sie sehr gut schweiß- und lötbar sind, kostengünstig sind und sich durch eine gute Korrosionsbeständigkeit auszeichnen. Darüber hinaus Materialien wie:

• technische Aluminiumfolie;
• weichmagnetische Legierung aus Eisen, Aluminium und Silizium (Alsifer);
• Kupfer;
• leitfähig beschichtetes Glas;
• Zink;
• Transformator Stahl;
• leitfähige Lacke und Lacke;
• Messing;
• metallisierte Stoffe.

Strukturell können sie in Form von Platten, Netzen und Folien hergestellt werden. Plattenmaterialien bieten besseren Schutz und Netzmaterialien lassen sich bequemer montieren – sie können durch Punktschweißen in Schritten von 10–15 mm miteinander verbunden werden. Zur Gewährleistung der Korrosionsbeständigkeit sind die Gitter lackiert.

Empfehlungen zur Materialauswahl

Bei der Auswahl eines Materials für Schutzgitter gelten folgende Empfehlungen:

• In schwachen Feldern werden Legierungen mit hoher magnetischer Permeabilität verwendet. Das technologisch fortschrittlichste ist Permalloy, das sich gut zum Drücken und Schneiden eignet. Die für seine vollständige Entmagnetisierung erforderliche Magnetfeldstärke sowie der spezifische elektrische Widerstand hängen hauptsächlich vom Nickelanteil ab. Anhand der Menge dieses Elements werden nickelarme (bis zu 50 %) und nickelreiche (bis zu 80 %) Permalloys unterschieden.
• Um Energieverluste in einem magnetischen Wechselfeld zu reduzieren, werden Gehäuse entweder aus einem guten Leiter oder aus einem Isolator angebracht.
• Bei einer Feldfrequenz von mehr als 10 MHz sind Silber- oder Kupferfolienbeschichtungen ab einer Dicke von 0,1 mm (Schirme aus folienbeschichteten Getinaken und anderen Isoliermaterialien) sowie Kupfer, Aluminium und Messing, geben eine gute Wirkung. Um Kupfer vor Oxidation zu schützen, ist es mit Silber beschichtet.
• DickeMaterial hängt von der Frequenz f ab. Je kleiner f, desto größer muss die Dicke sein, um die gleiche Abschirmwirkung zu erzielen. Bei hohen Frequenzen ist für die Herstellung von Gehäusen aus beliebigen Materialien eine Dicke von 0,5-1,5 mm ausreichend.
• Für Felder mit hohem f werden Ferromagnete nicht verwendet, da sie einen hohen Widerstand haben und zu großen Energieverlusten führen. Auch andere hochleitfähige Materialien als Stahl sollten nicht zur Abschirmung permanenter Magnetfelder verwendet werden.
• Für den Schutz über einen weiten f-Bereich sind Multilayer-Materialien (Stahlbleche mit hochleitfähiger Metallschicht) die optimale Lösung.

Die allgemeinen Auswahlregeln lauten wie folgt:

• Hohe Frequenzen sind hochleitfähige Materialien.
• Niedrige Frequenzen sind Materialien mit hoher magnetischer Permeabilität. Das Abschirmen ist in diesem Fall eine der schwierigsten Aufgaben, da es die Konstruktion des Schutzgitters schwerer und komplizierter macht.

Folienbänder

Folienabschirmbänder werden für folgende Zwecke eingesetzt:

• Abschirmung breitbandiger elektromagnetischer Interferenzen. Am häufigsten werden sie für Türen und Wände von Sch altschränken mit Geräten sowie zum Bilden einer Abschirmung um einzelne Elemente (Magnete, Relais) und Kabel verwendet.
• Entfernung statischer Ladung, die sich auf Geräten ansammelt, die Halbleiter und Kathodenstrahlröhren enth alten, sowie in Geräten, die zur Eingabe / Ausgabe von Informationen verwendet werdencomputer.
• Als Bestandteil von Massekreisen.
• Um die elektrostatische Wechselwirkung zwischen Transformatorwicklungen zu reduzieren.

Strukturell basieren sie auf einem leitfähigen Klebematerial (Acrylharz) und Folie (mit gewellter oder glatter Oberfläche) aus folgenden Metallarten:

• Aluminium;
• Kupfer;
• Kupfer verzinnt (zum Löten und für besseren Korrosionsschutz).

Polymermaterialien

In Geräten, bei denen neben der Abschirmung des Magnetfeldes auch Schutz vor mechanischer Beschädigung und Stoßdämpfung erforderlich sind, kommen polymere Materialien zum Einsatz. Sie werden in Form von Polyurethanschaumpolstern hergestellt, die mit einer Polyesterfolie auf der Basis eines Acrylklebers bedeckt sind.

Bei der Produktion von Flüssigkristallmonitoren werden Acryldichtungen aus leitfähigem Gewebe verwendet. In der Acrylkleberschicht befindet sich eine dreidimensionale leitfähige Matrix aus leitfähigen Partikeln. Aufgrund seiner Elastizität nimmt dieses Material auch mechanische Belastungen effektiv auf.

Kompensationsverfahren

Das Prinzip der Kompensationsabschirmung besteht darin, künstlich ein Magnetfeld zu erzeugen, das dem äußeren Feld entgegengesetzt gerichtet ist. Dies wird üblicherweise mit einem Helmholtz-Spulensystem erreicht. Es besteht aus 2 identischen dünnen Spulen, die koaxial im Abstand ihres Radius angeordnet sind. Durch sie wird Strom geleitet. Das von den Spulen induzierte Magnetfeld ist sehr gleichmäßig.

Abschirmdoseebenfalls durch Plasma erzeugt. Dieses Phänomen wird bei der Verteilung des Magnetfeldes im Raum berücksichtigt.

Kabelschirmung

Magnetfeldschutz ist beim Verlegen von Kabeln unerlässlich. In ihnen induzierte elektrische Ströme können durch den Einbau von Haush altsgeräten im Raum (Klimaanlagen, Leuchtstofflampen, Telefone) sowie durch Aufzüge in Minen verursacht werden. Diese Faktoren haben einen besonders großen Einfluss auf digitale Kommunikationssysteme, die auf Protokollen mit einem breiten Frequenzband arbeiten. Dies liegt an dem geringen Unterschied zwischen der Leistung des Nutzsignals und dem Rauschen im oberen Teil des Spektrums. Darüber hinaus wirkt sich die von Kabelsystemen emittierte elektromagnetische Energie nachteilig auf die Gesundheit des in den Räumlichkeiten arbeitenden Personals aus.

Übersprechen tritt zwischen Adernpaaren aufgrund der kapazitiven und induktiven Kopplung zwischen ihnen auf. Auch die elektromagnetische Energie der Kabel wird aufgrund der Inhomogenitäten ihres Wellenwiderstandes reflektiert und in Form von Wärmeverlusten geschwächt. Durch die Dämpfung sinkt die Signalleistung am Ende langer Leitungen um das Hundertfache.

Aktuell werden in der Elektroindustrie 3 Methoden zur Schirmung von Kabeltrassen praktiziert:

• Die Verwendung von Ganzmetallboxen (Stahl oder Aluminium) oder der Einbau von Metalleinsätzen in Kunststoffboxen. Mit zunehmender Feldfrequenz nimmt die Abschirmfähigkeit von Aluminium ab. Der Nachteil sind auch die hohen Kosten für Boxen. Für lange Kabelwege gibt esdas Problem, die elektrische Kontaktierung einzelner Elemente und deren Erdung sicherzustellen, um das Nullpotential der Box zu gewährleisten.
• Geschirmte Kabel verwenden. Diese Methode bietet maximalen Schutz, da der Mantel das Kabel selbst umgibt.
• Vakuumabscheidung von Metall auf dem PVC-Kanal. Dieses Verfahren ist bei Frequenzen bis zu 200 MHz unwirksam. Das „Auslöschen“des Magnetfeldes ist durch den hohen spezifischen Widerstand zehnmal geringer im Vergleich zur Verlegung des Kabels in Metalldosen.

Kabelarten

Es gibt 2 Arten von geschirmten Kabeln:

• Mit einem gemeinsamen Bildschirm. Es befindet sich um ungeschützte Litzenleiter. Der Nachteil solcher Kabel ist, dass es zu starkem Übersprechen kommt (5-10 Mal mehr als bei geschirmten Paaren), insbesondere zwischen Paaren mit gleichem Verdrillungsabstand.
• Kabel mit geschirmten Twisted Pairs. Alle Paare sind einzeln geschirmt. Aufgrund ihrer höheren Kosten werden sie am häufigsten in Netzwerken mit strengen Sicherheitsanforderungen und in Räumen mit schwieriger elektromagnetischer Umgebung eingesetzt. Die Verwendung solcher Kabel bei paralleler Verlegung ermöglicht es, den Abstand zwischen ihnen zu verringern. Dies reduziert die Kosten im Vergleich zum Split-Routing.

Geschirmtes Twisted-Pair-Kabel ist ein isoliertes Leiterpaar (deren Anzahl normalerweise zwischen 2 und 8 liegt). Dieses Design reduziert das Übersprechen.zwischen Leitern. Ungeschirmte Paare haben keine Erdungsanforderungen, sie haben mehr Flexibilität, kleinere Querabmessungen und eine einfache Installation. Das geschirmte Paar bietet Schutz vor elektromagnetischen Störungen und eine hochwertige Datenübertragung über Netzwerke.

Informationssysteme verwenden auch eine zweischichtige Abschirmung, die aus einem Schutz von verdrillten Paaren in Form eines metallisierten Kunststoffbandes oder einer Folie und einem gemeinsamen Metallgeflecht besteht. Für einen wirksamen Schutz vor dem Magnetfeld müssen solche Kabelsysteme ordnungsgemäß geerdet werden.