磁屏蔽理論和實踐

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　摘要：在低頻（ＤＣ到100ＫＨｚ）磁屏蔽中，設計低成本屏蔽體的最關(guān)鍵因素是對磁屏蔽的透徹理解。其目的是要達到減少所規(guī)定的磁場，這樣使其對所屏蔽的器件或系統(tǒng)不形成威脅。一旦這一目標被確定，就應考慮會影響到屏蔽體的低成本設計的一些基本設計因素。這些包括：材料的選擇、主要設計參數(shù)和加工工藝……

　　關(guān)鍵詞：電磁屏蔽 材料選擇 設計 生產(chǎn)技術(shù)

　　1、引言

　　在低頻（ＤＣ到100ＫＨｚ）磁屏蔽中，設計低成本屏蔽體的最關(guān)鍵因素是對磁屏蔽的透徹理解。其目的是要達到減少所規(guī)定的磁場，這樣使其對所屏蔽的器件或系統(tǒng)不形成威脅。一旦這一目標被確定，就應考慮會影響到屏蔽體的低成本設計的一些基本設計因素。這些包括：材料的選擇、主要設計參數(shù)和加工工藝。

　　2、材料的選擇對于屏蔽體來說，所選擇的材料的類型對其性能和成本影響極大。

　　在設計屏蔽體時有一點是重要的，就是要深入了解普通使用的不同屏蔽合金的特性。對這些不同性能的理解就可使你選擇合適的材料，去滿足目標要求。

　　磁屏蔽材料要根據(jù)各自的特性進行選擇，特別是磁導率和磁飽和性能。由于在變更低頻磁場方向的效能，所以高磁導率材料（比如含80％的鎳合金Ｍumetal，這是一種高磁導率鐵鎳合金）是經(jīng)常使用的屏蔽材料。這些合金可滿足ＭＩＬ－Ｎ－14411Ｃ部分1和ＡＳＴＭ?。?53－97樣式4的要求。其可得到的相對較薄的厚度為0.002到0.125英寸，并極易被有經(jīng)驗的屏蔽加工者加工出來。

　　在需要于極小空間內(nèi)降低磁場時，典型上使用這些合金。在需要提供比要求更高屏蔽時，或是磁場強度（在較高場強時更為典型）需要具有更高飽和值材料時，這些材料常被選中。

　　在屏蔽目標僅需要稍微減少場強時（減少1～1／4），或是當場強足以使高磁導率屏蔽體飽和時，超低碳鋼（ＵＬＣＳ）可能是最佳的選擇。這些較低成本材料的碳含量典型小于0.01％；與其它鋼相比，其有較高的磁導率和極優(yōu)的飽和性能。這些材料具有較小的柔韌性，并比硅鋼較容易制造，這就允許在大面積屏蔽項目中容易安裝和以同樣的方式加工出小型組件。ＵＬＣＳ可與高磁導率材料一起使用，以為需要高飽和保護和高衰減等級建立最佳的屏蔽體。

　　對于低溫用的屏蔽體，Ｃryoperm　10（為德國Vaccumschmelze GmbHg公司的注冊商標）為一種最佳選擇。與Ｍumetal一樣，Ｃryoperm　10也是一種高磁導率鎳鐵合金，它是經(jīng)特殊加工而成的，以提供在降低溫度時磁導率增加。標準的屏蔽合金（比如Ｍumetal）在低溫時就失去了其大部分磁導率。但是Cryoperm10可在77.3到4.2°Ｋ時的磁導率卻增加10倍。表1示出了最常用的屏蔽材料的磁導率飽和值的比較。

　　由于材料的成本占屏蔽體價格的一半，所以使用較薄的尺寸能滿足所要求的屏蔽特性和結(jié)構(gòu)性能是最好了。厚度為0.002到0.010英寸的箔材是最低成本的選擇。這些箔材能以同等的化學組分和性能特性獲得，并可作為標準的以鎳為基礎(chǔ)的和ＵＬＣＳ材料。

　　設計低成本屏蔽體的最重要的一步，就是對這些典型屏蔽材料特性及其對屏蔽性能影響的了解。一旦合適的材料被選中，其重點要集中于基本的設計考慮，以使其不但性能最佳，而且對成本的影響最小。

　　3、設計考慮大部分屏蔽體用的公式和模型的開發(fā)是基于圓形或無限長的圓柱體幾何形狀的。

　　在實際應用中，所給定屏蔽體的實踐形狀由器件結(jié)構(gòu)和屏蔽體自身的可利用空間所決定。在設計一屏蔽體時，要了解的重要的結(jié)構(gòu)是，要使磁力線旋轉(zhuǎn)90°是困難的。但是，圓形屏蔽體，比如要改變圓柱體或是具有圓形角的盒體的磁力線的方向要比具有方形角的屏蔽體容易一些。類似地，對于包容已進入屏蔽材料的磁力線并改變其方向，圓角要比尖角好一些。保持可提供低磁阻路徑的屏蔽體形狀簡單或磁場運動的"最低磁阻路徑"是很重要的。

　　屏蔽體的尺寸在屏蔽效率和成本方面的重要性極大。屏蔽體的有效半徑越小，其整體性能就越好。但是，設計屏蔽體的目的是使其包絡試圖屏蔽的組件和空間，并應該靠得很近。由于材料占屏蔽體設計的大部分成本，因此較小屏蔽體就可以在較低成本下獲得較優(yōu)的性能。

　　每當有可能，屏蔽體應與所有壁靠近，以避免場泄漏。這種結(jié)構(gòu)（即使是矩形）也是最接近于圓形的，它可以建立一個半閉合的磁路。另外，全部箱體可在所有軸上獲得屏蔽特性，這樣就可以保證最好的屏蔽性能。當特殊的性能和進出口需要時，可移動的蓋板、罩和門均可組合到屏蔽體設計中去。

　　利用蓋板、罩和門時或使用兩塊或多塊板構(gòu)建屏蔽體時，在多塊板間保持磁連續(xù)性和電接觸是很重要的?？赏ㄟ^機械式（利用磨擦組件）或焊接保持磁連續(xù)性。在拐角或過渡連接，使用焊接可獲得最佳性能。維持表面間的連續(xù)性就可以保證磁力線連續(xù)沿其低磁阻路徑前進，這樣可以提高屏蔽效能。在交流場，保持磁連續(xù)性就允許較高的感應電流屏蔽，在直流場，對于適當?shù)拇帕€分路，連續(xù)性也是重要的。

　　如果你不能靠近屏蔽體的一端或兩端，要特別注意開端的長一直徑比。屏蔽體的這種長-直徑比至少應為4：1，以避免"端接效應"和磁力線穿透屏蔽體范圍。經(jīng)驗法則是，屏蔽體需要延伸到器件的外部，這樣可以用與開孔半徑相等部分進行保護。由于增加了屏蔽體的長度同時保持直徑不變，就可以用無限長圓柱體模型進行近似。當圓柱型或矩形屏蔽體需要大的開孔時，垂直于屏蔽體壁的的管可用于由于開孔而引起屏蔽體的磁場強度的減少。管的長度應正比于所屏蔽的開孔的直徑。

　　在設計過程早期就應考慮這些問題，可使這些主要設計參數(shù)對屏蔽體的成本影響較小。但是，這些因素要比材料本身對屏蔽體性能的影響要大。這樣，在設計屏蔽體時，最先保證這些基本參數(shù)通常是需要的。

　　4、生產(chǎn)技術(shù)一種好的屏蔽體設計要涉及到加工過程，其可提供所需要的結(jié)構(gòu)和特性。

　　在過去，大部分磁屏蔽體是用標準的精密片狀金屬加工技術(shù)通過剪切、穿孔、成型和焊接加工出來的?，F(xiàn)在，利用先進的激光切割系統(tǒng)，個別部件的剪切和計算機化的數(shù)字控制沖孔都由一步激光切割技術(shù)所代替。主要的屏蔽元件的一步加工技術(shù)可使加工時 間更快和降低加工成本，而無須高成本的加工方法。特別是對于型材和特殊設備（比如專用切割和系列化），這種過程可為屏蔽設計者提供更大的靈活性。

　　利用母材并使用縫隙和連接點的氬弧焊或疊層縫隙的點焊，就可以組裝多個屏蔽元件。氬弧焊可使組裝的屏蔽體得到最佳化的磁連續(xù)性，它可用于使用高屏蔽性能方面。對于大部分應用，與氬弧焊相比，法蘭和疊層連接的點焊可獲得更高級的磁連續(xù)性。

　　為使典型的屏蔽合金（如Mumetal）達到最佳性能，還要進行特殊的被稱為氫退火的熱處理循環(huán)。一旦所有加工過程完成，就可以進行退火過程。但在退火以后，對屏蔽體進行沖擊和振動試驗，將降低材料的性能。嚴格遵守所規(guī)定的退火周期，不但能保證獲得最佳磁屏蔽性能，而且還可以將未退火材料的磁導率平均提高40倍。

　　5、結(jié)論

　　對所規(guī)定的屏蔽任務的了解有助于最好的材料、結(jié)構(gòu)和加工藝的選擇。這種評價可在最佳成本下保持最好的屏蔽性能。