Elektromagnetische schermen worden veel gebruikt in de industrie. Ze dienen om de schadelijke effecten van sommige elementen van een elektrisch apparaat op andere te elimineren, om personeel en apparatuur te beschermen tegen de effecten van externe velden die optreden tijdens de werking van andere apparaten. Het "uitdoven" van het externe magnetische veld is noodzakelijk bij het creëren van laboratoria die bedoeld zijn voor het afstellen en testen van zeer gevoelige apparatuur. Het is ook vereist in de geneeskunde en in die wetenschapsgebieden waar de meting van velden met ultralage inductie wordt uitgevoerd; om informatie te beschermen tijdens de overdracht via kabels.
Methoden
Magnetische veldafscherming is een reeks manieren om de sterkte van een constant of wisselend veld in een bepaald gebied van de ruimte te verminderen. Een magnetisch veld kan, in tegenstelling tot een elektrisch veld, niet volledig worden verzwakt.
In de industrie hebben strooivelden van transformatoren, permanente magneten, hoogstroominstallaties en circuits de grootste impact op het milieu. Ze kunnen de normale werking van aangrenzende apparaten volledig verstoren.
Meest gebruikt 2beschermingsmethode:
- Het gebruik van schermen gemaakt van supergeleidende of ferromagnetische materialen. Dit is effectief in de aanwezigheid van een constant of laagfrequent magnetisch veld.
- Compensatiemethode (wervelstroomdemping). Wervelstromen zijn massale elektrische stromen die optreden in een geleider wanneer de magnetische flux verandert. Deze methode geeft de beste resultaten voor hoogfrequente velden.
Principes
De principes van het afschermen van het magnetische veld zijn gebaseerd op de voortplantingspatronen van het magnetische veld in de ruimte. Dienovereenkomstig zijn ze voor elk van de hierboven genoemde methoden als volgt:
- Als je een spoel in een behuizing van een ferromagneet plaatst, zullen de inductielijnen van het externe magnetische veld langs de wanden van het beschermende scherm gaan, omdat het minder magnetische weerstand heeft in vergelijking met de ruimte erin. Die krachtlijnen die door de spoel zelf worden geïnduceerd, zullen ook bijna allemaal gesloten zijn voor de wanden van de behuizing. Voor de beste bescherming in dit geval is het noodzakelijk om ferromagnetische materialen te kiezen die een hoge magnetische permeabiliteit hebben. In de praktijk worden ijzerlegeringen het meest gebruikt. Om de betrouwbaarheid van het scherm te vergroten, wordt het dikwandig gemaakt of geprefabriceerd uit meerdere behuizingen. De nadelen van dit ontwerp zijn het hoge gewicht, de omvang en de verslechtering van de afscherming in de aanwezigheid van naden en sneden in de wanden van de behuizing.
- Bij de tweede methode, de verzwakking van het externe magnetische veldtreedt op als gevolg van het opleggen van een ander veld erop, geïnduceerd door ringwervelstromen. De richting is tegengesteld aan de inductielijnen van het eerste veld. Naarmate de frequentie toeneemt, zal de demping meer uitgesproken zijn. In dit geval worden platen in de vorm van een ring van geleiders met een lage soortelijke weerstand gebruikt voor afscherming. Cilindervormige dozen van koper of aluminium worden meestal gebruikt als schermomhulsels.
Belangrijkste kenmerken
Er zijn 3 hoofdkenmerken om het afschermingsproces te beschrijven:
- Equivalente penetratiediepte van het magnetische veld. Dus laten we doorgaan. Dit cijfer wordt gebruikt voor het afschermende effect van wervelstromen. Hoe kleiner de waarde, hoe hoger de stroom die in de oppervlaktelagen van de beschermende behuizing vloeit. Dienovereenkomstig, hoe groter het magnetische veld dat erdoor wordt geïnduceerd, dat de externe verplaatst. De equivalente diepte wordt bepaald door de onderstaande formule. In deze formule zijn ρ en Μr respectievelijk de soortelijke weerstand en relatieve magnetische permeabiliteit van het schermmateriaal (de meeteenheden van de eerste waarde zijn Ohm∙m); f is de frequentie van het veld, gemeten in MHz.
- Afschermingsefficiëntie e - de verhouding van de magnetische veldsterkte in de afgeschermde ruimte in de afwezigheid en aanwezigheid van het schild. Deze waarde is hoe hoger, hoe groter de dikte van het scherm en de magnetische permeabiliteit van het materiaal. Magnetische permeabiliteit is een indicator die aangeeft hoe vaak de inductie in een stofanders dan dat in een vacuüm.
- Reductie van magnetische veldsterkte en wervelstroomdichtheid op een diepte x vanaf het oppervlak van de beschermende behuizing. De indicator wordt berekend met behulp van de onderstaande formule. Hier is A0 de waarde op het schermoppervlak, x0 is de diepte waarop de intensiteit of stroomdichtheid e keer afneemt.
Schermontwerpen
Beschermkappen voor het afschermen van het magnetische veld kunnen in verschillende uitvoeringen worden gemaakt:
- blad en massief;
- in de vorm van holle buizen en omhulsels met een cilindrische of rechthoekige doorsnede;
- enkellaags en meerlaags, met een luchtspleet.
Omdat de berekening van het aantal lagen nogal ingewikkeld is, wordt deze waarde meestal gekozen uit naslagwerken, volgens afschermingsefficiëntiecurves die experimenteel werden verkregen. Inkepingen en naden in dozen mogen alleen langs de lijnen van wervelstromen worden gemaakt. Anders wordt het afschermende effect verminderd.
In de praktijk is het moeilijk om een hoge afschermingsfactor te verkrijgen, omdat er altijd gaten moeten worden gemaakt voor kabelinvoer, ventilatie en onderhoud van installaties. Voor spoelen worden naadloze omhulsels gemaakt met behulp van de plaatextrusiemethode en de onderkant van het cilindrische scherm dient als een verwijderbare afdekking.
Bovendien ontstaan er scheuren als gevolg van oneffenheden in het oppervlak wanneer de structurele elementen met elkaar in contact komen. Om ze te elimineren, gebruikmechanische klemmen of pakkingen van geleidende materialen. Ze zijn verkrijgbaar in verschillende maten en met verschillende eigenschappen.
Wervelstromen zijn stromen die veel minder circuleren, maar die de penetratie van een magnetisch veld door het scherm kunnen voorkomen. Bij aanwezigheid van een groot aantal gaten in de behuizing vindt de afname van de afschermingscoëfficiënt plaats volgens een logaritmische afhankelijkheid. De kleinste waarde wordt waargenomen met technologische gaten van groot formaat. Daarom wordt aanbevolen om meerdere kleine gaten te ontwerpen in plaats van één grote. Als het nodig is om gestandaardiseerde gaten te gebruiken (voor kabelinvoer en andere behoeften), dan worden transcendentale golfgeleiders gebruikt.
In een magnetostatisch veld dat wordt gecreëerd door directe elektrische stromen, is het de taak van het scherm om de veldlijnen te rangeren. Het beschermingselement wordt zo dicht mogelijk bij de bron geïnstalleerd. Aarding is niet vereist. De effectiviteit van de afscherming hangt af van de magnetische permeabiliteit en de dikte van het afschermingsmateriaal. Als laatste worden staalsoorten, permalloy en magnetische legeringen met een hoge magnetische permeabiliteit gebruikt.
Afscherming van kabelroutes wordt hoofdzakelijk uitgevoerd door twee methoden - het gebruik van kabels met afgeschermde of beschermde getwiste paren en het leggen van leidingen in aluminium dozen (of inzetstukken).
Supergeleidende schermen
De werking van supergeleidende magnetische schermen is gebaseerd op het Meissner-effect. Dit fenomeen bestaat uit het feit dat een lichaam in een magnetisch veld in een supergeleidende toestand gaat. Tegelijkertijd, de magnetischede permeabiliteit van de behuizing wordt gelijk aan nul, dat wil zeggen, het passeert het magnetische veld niet. Het wordt volledig gecompenseerd in het volume van het gegeven lichaam.
Het voordeel van dergelijke elementen is dat ze veel efficiënter zijn, bescherming tegen een extern magnetisch veld is niet afhankelijk van de frequentie en het compensatie-effect kan willekeurig lang aanhouden. In de praktijk is het Meissner-effect echter niet volledig, aangezien er in echte schermen gemaakt van supergeleidende materialen altijd structurele inhomogeniteiten zijn die leiden tot magnetische fluxvangst. Dit effect is een serieus probleem bij het maken van omhulsels om het magnetische veld af te schermen. De verzwakkingscoëfficiënt van het magnetische veld is groter naarmate de chemische zuiverheid van het materiaal hoger is. In experimenten werd de beste prestatie genoteerd voor lood.
Andere nadelen van supergeleidende magnetische veldafschermende materialen zijn:
- hoge kosten;
- aanwezigheid van restmagnetisch veld;
- uiterlijk van de staat van supergeleiding alleen bij lage temperaturen;
- onvermogen om te functioneren in sterke magnetische velden.
Materialen
Meestal worden koolstofstalen schermen gebruikt om te beschermen tegen een magnetisch veld, omdat ze zeer geschikt zijn voor lassen, solderen, goedkoop zijn en worden gekenmerkt door een goede corrosieweerstand. Naast deze materialen, zoals:
- technische aluminiumfolie;
- zachte magnetische legering van ijzer, aluminium en silicium (alsifer);
- koper;
- geleidend gecoat glas;
- zink;
- transformator staal;
- geleidende lakken en vernissen;
- messing;
- gemetalliseerde stoffen.
Structureel kunnen ze worden gemaakt in de vorm van vellen, netten en folie. Plaatmaterialen bieden een betere bescherming en gaasmaterialen zijn gemakkelijker te monteren - ze kunnen worden samengevoegd door puntlassen in stappen van 10-15 mm. Om corrosiebestendigheid te garanderen, zijn de roosters gelakt.
Aanbevelingen voor materiaalkeuze
Bij het kiezen van een materiaal voor beschermende schermen, worden de volgende aanbevelingen geleid:
- In zwakke velden worden legeringen met een hoge magnetische permeabiliteit gebruikt. De meest technologisch geavanceerde is permalloy, dat zich goed leent voor druk en snijden. De magnetische veldsterkte die nodig is voor de volledige demagnetisatie, evenals de elektrische weerstand, hangen voornamelijk af van het percentage nikkel. Door de hoeveelheid van dit element worden laag-nikkel (tot 50%) en hoog-nikkel (tot 80%) permalloys onderscheiden.
- Om energieverliezen in een wisselend magnetisch veld te verminderen, worden omhulsels ofwel van een goede geleider ofwel van een isolator geplaatst.
- Voor een veldfrequentie van meer dan 10 MHz, zilver- of koperfilmcoatings met een dikte van 0,1 mm of meer (schermen gemaakt van met folie beklede getinaks en andere isolatiematerialen), evenals koper, aluminium en messing, geven een goed effect. Om koper te beschermen tegen oxidatie, is het bedekt met zilver.
- Diktemateriaal is afhankelijk van de frequentie f. Hoe lager f, hoe groter de dikte moet zijn om hetzelfde afschermende effect te bereiken. Bij hoge frequenties is voor de vervaardiging van behuizingen van elk materiaal een dikte van 0,5-1,5 mm voldoende.
- Voor velden met hoge f worden geen ferromagneten gebruikt, omdat ze een hoge weerstand hebben en tot grote energieverliezen leiden. Andere sterk geleidende materialen dan staal mogen ook niet worden gebruikt om permanente magnetische velden af te schermen.
- Voor bescherming over een breed f-bereik zijn meerlaagse materialen (staalplaten met een sterk geleidende metaallaag) de optimale oplossing.
De algemene selectieregels zijn als volgt:
- Hoge frequenties zijn sterk geleidende materialen.
- Lage frequenties zijn materialen met een hoge magnetische permeabiliteit. Screening is in dit geval een van de moeilijkste taken, omdat het het ontwerp van het beschermende scherm zwaarder en gecompliceerder maakt.
Folietapes
Folie afschermende tapes worden gebruikt voor de volgende doeleinden:
- Afscherming van breedband elektromagnetische interferentie. Meestal worden ze gebruikt voor deuren en wanden van elektrische kasten met apparaten, maar ook voor het vormen van een scherm rond individuele elementen (solenoïdes, relais) en kabels.
- Verwijderen van statische lading die zich ophoopt op apparaten die halfgeleiders en kathodestraalbuizen bevatten, evenals in apparaten die worden gebruikt voor het invoeren/uitvoeren van informatie vancomputer.
- Als onderdeel van aardingscircuits.
- Om elektrostatische interactie tussen transformatorwikkelingen te verminderen.
Structureel zijn ze gebaseerd op een geleidend kleefmateriaal (acrylhars) en folie (met een gegolfd of glad oppervlak) gemaakt van de volgende soorten metaal:
- aluminium;
- koper;
- vertind koper (voor solderen en betere bescherming tegen corrosie).
Polymeermaterialen
In die apparaten waar, naast de afscherming van het magnetische veld, bescherming tegen mechanische schade en schokabsorptie vereist zijn, worden polymere materialen gebruikt. Ze zijn gemaakt in de vorm van polyurethaanschuimkussentjes bedekt met een polyesterfilm op basis van een acrylkleefstof.
Bij de productie van LCD-monitoren worden acrylafdichtingen van geleidende stof gebruikt. In de laag acrylkleefstof zit een driedimensionale geleidende matrix gemaakt van geleidende deeltjes. Door zijn elasticiteit neemt dit materiaal ook effectief mechanische spanning op.
Compensatiemethode
Het principe van de compensatie-afschermingsmethode is om kunstmatig een magnetisch veld te creëren dat tegengesteld is aan het externe veld. Dit wordt meestal bereikt met een Helmholtz spoelsysteem. Het bestaat uit 2 identieke dunne spoelen die coaxiaal op een afstand van hun straal zijn geplaatst. Elektriciteit wordt door hen geleid. Het door de spoelen geïnduceerde magnetische veld is zeer uniform.
Afscherming kanook geproduceerd door plasma. Met dit fenomeen wordt rekening gehouden bij de verdeling van het magnetische veld in de ruimte.
Kabelafscherming
Magnetische veldbeveiliging is essentieel bij het leggen van kabels. Elektrische stromen die erin worden geïnduceerd, kunnen worden veroorzaakt door het opnemen van huishoudelijke apparaten in de kamer (airconditioners, fluorescentielampen, telefoons), evenals liften in mijnen. Deze factoren hebben een bijzonder grote invloed op digitale communicatiesystemen die werken op protocollen met een brede frequentieband. Dit komt door het kleine verschil tussen de kracht van het bruikbare signaal en de ruis in het bovenste deel van het spectrum. Bovendien heeft de elektromagnetische energie die wordt uitgestraald door kabelsystemen een negatieve invloed op de gezondheid van het personeel dat in de gebouwen werkt.
Overspraak vindt plaats tussen paren draden vanwege de aanwezigheid van capacitieve en inductieve koppeling daartussen. De elektromagnetische energie van de kabels wordt ook gereflecteerd door de inhomogeniteiten van hun golfimpedantie en wordt verzwakt in de vorm van warmteverliezen. Als gevolg van verzwakking da alt het signaalvermogen aan het einde van lange lijnen honderden keren.
Momenteel worden in de elektrische industrie 3 methoden voor het afschermen van kabelroutes toegepast:
- Het gebruik van volledig metalen dozen (staal of aluminium) of de installatie van metalen inzetstukken in plastic dozen. Naarmate de veldfrequentie toeneemt, neemt het afschermend vermogen van aluminium af. Het nadeel is ook de hoge kosten van dozen. Voor lange kabeltrajecten is er:het probleem om het elektrische contact van individuele elementen en hun aarding te verzekeren om het nulpotentiaal van de doos te verzekeren.
- Gebruik afgeschermde kabels. Deze methode biedt maximale bescherming omdat de mantel de kabel zelf omgeeft.
- Vacuümafzetting van metaal op het PVC-kanaal. Deze methode is niet effectief bij frequenties tot 200 MHz. Het "uitdoven" van het magnetische veld is tien keer minder in vergelijking met het leggen van de kabel in metalen dozen vanwege de hoge soortelijke weerstand.
Soorten kabels
Er zijn 2 soorten afgeschermde kabels:
- Met een gemeenschappelijk scherm. Het bevindt zich rond onbeschermde gevlochten geleiders. Het nadeel van dergelijke kabels is dat er grote overspraak is (5-10 keer meer dan afgeschermde paren), vooral tussen paren met dezelfde twist-pitch.
- Kabels met afgeschermde getwiste paren. Alle paren zijn afzonderlijk afgeschermd. Vanwege hun hogere kosten worden ze het meest gebruikt in netwerken met strenge veiligheidseisen en in ruimtes met een moeilijke elektromagnetische omgeving. Het gebruik van dergelijke kabels in parallelle plaatsing maakt het mogelijk om de afstand tussen hen te verkleinen. Dit verlaagt de kosten in vergelijking met gesplitste routering.
Twisted-pair afgeschermde kabel is een geïsoleerd paar geleiders (hun aantal is meestal van 2 tot 8). Dit ontwerp vermindert overspraak.tussen geleiders. Niet-afgeschermde paren hebben geen aardingsvereisten, ze hebben meer flexibiliteit, kleinere dwarsafmetingen en installatiegemak. Het afgeschermde paar biedt bescherming tegen elektromagnetische interferentie en hoogwaardige gegevensoverdracht via netwerken.
Informatiesystemen maken ook gebruik van tweelaagse afscherming, die bestaat uit bescherming van getwiste paren in de vorm van een gemetalliseerde plastic tape of folie, en een gemeenschappelijk metalen vlechtwerk. Voor een effectieve bescherming tegen het magnetische veld moeten dergelijke kabelsystemen goed worden geaard.
