低频磁场的屏蔽技术

      低频磁场干扰是由直流电流或交流电流产生的。例如,由于炼钢的感应炉中有数万安培的电流,会在周围产生很强的磁场,这个强磁场会使控制系统中的磁敏感器件失灵。最常见的磁敏感设备是彩色CRT显示器。在磁场的作用下,显示器屏幕上的图象会发生抖动、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的衰减很快,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的十分有效的措施。但当空间的限制而无法采取这个措施时,屏蔽是一个十分有效的措施。但要注意的是,低频磁场屏蔽与与射频屏蔽是完全不同的,射频屏蔽可以用铍铜复合材料、银、锡或铝等材料,但这些材料对磁场没有任何屏蔽作用。只有高导磁率的铁磁合金能屏蔽磁场。
  1.基本原理
  根据电磁屏蔽的基本原理,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的屏蔽效能。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,如图1所示。由于屏蔽材料的导磁率很高,因此为磁场提供了一条磁阻很低的通路,因此空间的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,显然屏蔽体分流的磁场分量越多,则屏蔽效能越高。根据这个原理,我们可以用电路的的计算方法来计算磁屏蔽效果。用两个并联的电阻分别表示屏蔽材料的磁阻和空间的磁阻,用电路分析的方法来计算磁场的分流,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 = 屏蔽体内的磁场强度
  H 0 = 屏蔽体外的磁场强度
  Rs = 屏蔽体的磁阻
  R0 = 空气的磁阻
  磁阻的计算公式
  磁阻 = S / (m A)
  式中:
  S = 磁路长度
  m = m 0 m r
  m r = 屏蔽材料的相对磁导率
  A = 磁通流过的面积
  因此圆形管子的磁阻为
  Rs = p b /( m 0 m r 2t L)
  为了简单,设截面为正方形,
  管子内空气的磁阻为: 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,屏蔽材料的导磁率越高、越厚,则屏蔽效能越高。另外,b越小,屏蔽效能越高,这意味着,屏蔽体距离所保护的空间越近,则效果越好。
  2.基本概念
  磁场强度 ( H ): 单位是奥斯特,与磁场源的强度和距离有关
  磁通密度 ( B ): 单位是高斯,度量穿过每平方厘米的磁力线数量,与源的方向有关
  磁导率  ( m ): 表征材料为磁力线提供通路的能力, m = B / H
  饱和强度  : 在饱和强度下,材料不能再通过多余的磁力线
  磁阻  ( R ): 表征材料对通过磁通的阻碍特性,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,满足这种要求的材料是铁镍合金,这种材料具有很高的磁导率。一种常用的合金的化学成分如表1所示。这种材料在正确热处理的条件下,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。 
     磁导率并不是固定不变的,它会随外加磁场、频率等变化。磁导率随频率的变化如图2所示。从图中可以看出,不同厚度的材料的频率特性也不一样,较厚的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,磁导率随外加磁场的增加而升高,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,典型高导磁率材料的磁导率随外加磁场的变化。材料一旦发生饱和,就失去了磁屏蔽作用。材料的磁导率越高,越容易饱和。因此,在很强的磁场中,磁导率很高的材料可能并没有良好的屏蔽效能。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的材料。表2给出了一些常用合金的的磁特性。
材料铁磁合金(80%镍)铁磁合金(48%镍)硅钢碳钢
磁导率8,00015,00020,00022,000
最高400,000150,0005,0003,000
起始60,00012,0003,0001,000

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