Електромагнитните екрани са широко използвани в индустрията. Те служат за премахване на вредното въздействие на някои елементи на електрическото устройство върху други, за защита на персонала и оборудването от въздействието на външни полета, възникващи по време на работа на други устройства. "Загасването" на външното магнитно поле е необходимо при създаването на лаборатории, предназначени за настройка и тестване на високочувствително оборудване. Изисква се и в медицината и онези области на науката, където се извършва измерване на полета със свръхниска индукция; за защита на информацията по време на нейното предаване по кабели.
Методи
Защитата на магнитно поле е набор от начини за намаляване на силата на постоянно или променливо поле в определена област от пространството. Магнитното поле, за разлика от електрическото поле, не може да бъде напълно отслабено.
В индустрията разсеяните полета от трансформатори, постоянни магнити, инсталации и вериги с висок ток имат най-голямо въздействие върху околната среда. Те могат напълно да нарушат нормалната работа на съседните уреди.
Най-използвани 2метод на защита:
- Използването на екрани, изработени от свръхпроводящи или феромагнитни материали. Това е ефективно при наличие на постоянно или нискочестотно магнитно поле.
- Метод на компенсация (затихване на вихровия ток). Вихровите токове са обемни електрически токове, които възникват в проводник при промяна на магнитния поток. Този метод показва най-добрите резултати за високочестотни полета.
Принципи
Принципите за екраниране на магнитното поле се основават на моделите на разпространение на магнитното поле в пространството. Съответно, за всеки от методите, изброени по-горе, те са както следва:
- Ако поставите индуктор в корпус, изработен от феромагнит, тогава линиите на индукция на външното магнитно поле ще преминават по стените на защитния екран, тъй като той има по-малко магнитно съпротивление в сравнение с пространството вътре в него. Тези линии на сила, които се индуцират от самата бобина, също почти всички ще бъдат затворени към стените на корпуса. За най-добра защита в този случай е необходимо да изберете феромагнитни материали, които имат висока магнитна проницаемост. На практика най-често се използват железни сплави. За да се повиши надеждността на екрана, той се прави дебелостенен или сглобяем от няколко корпуса. Недостатъците на този дизайн са неговото голямо тегло, обемност и влошаване на екранирането при наличие на шевове и разрези по стените на корпуса.
- При втория метод, отслабването на външното магнитно полевъзниква в резултат на налагането на друго поле върху него, предизвикано от пръстеновидни вихрови токове. Посоката му е противоположна на линиите на индукция на първото поле. С увеличаване на честотата затихването ще бъде по-изразено. В този случай за екраниране се използват плочи под формата на пръстен от проводници с ниско съпротивление. Кутии с форма на цилиндър, изработени от мед или алуминий, най-често се използват като обвивки на екрана.
Основни характеристики
Има 3 основни характеристики за описание на процеса на екраниране:
- Еквивалентна дълбочина на проникване на магнитно поле. Така че нека продължим. Тази цифра се използва за екраниращия ефект на вихровите токове. Колкото по-малка е неговата стойност, толкова по-висок е токът, протичащ в повърхностните слоеве на защитната обвивка. Съответно, толкова по-голямо е магнитното поле, индуцирано от него, което измества външното. Еквивалентната дълбочина се определя по формулата по-долу. В тази формула ρ и Μr са съответно съпротивлението и относителната магнитна проницаемост на материала на екрана (мерните единици на първата стойност са Ohm∙m); f е честотата на полето, измерена в MHz.
- Ефективност на екранирането e - съотношението на силата на магнитното поле в екранираното пространство при отсъствие и присъствие на екрана. Тази стойност е толкова по-висока, колкото по-голяма е дебелината на екрана и магнитната пропускливост на неговия материал. Магнитната пропускливост е индикатор, характеризиращ колко пъти е индукцията във веществоторазличен от този във вакуум.
- Намаляване на силата на магнитното поле и плътността на вихровия ток на дълбочина x от повърхността на защитния кожух. Индикаторът се изчислява по формулата по-долу. Тук A0 е стойността на повърхността на екрана, x0 е дълбочината, при която интензитетът или плътността на тока намаляват e пъти.
Екранни дизайни
Защитни капаци за екраниране на магнитното поле могат да бъдат изработени в различни дизайни:
- лист и масивен;
- под формата на кухи тръби и корпуси с цилиндрично или правоъгълно сечение;
- еднослойни и многослойни, с въздушна междина.
Тъй като изчисляването на броя на слоевете е доста сложно, тази стойност най-често се избира от справочниците, според кривите на ефективност на екраниране, които са получени експериментално. Разрези и шевове в кутии е позволено да се правят само по линиите на вихровите токове. В противен случай екраниращият ефект ще бъде намален.
На практика е трудно да се получи висок екраниращ фактор, тъй като винаги е необходимо да се правят отвори за вход на кабели, вентилация и поддръжка на инсталациите. За рулони безшевните обвивки се изработват по метода на екструдиране на листове, а долната част на цилиндричния екран служи като подвижен капак.
Освен това, когато структурните елементи влязат в контакт, се образуват пукнатини поради повърхностни неравности. За да ги премахнете, използвайтемеханични скоби или уплътнения, изработени от проводими материали. Предлагат се в различни размери и с различни свойства.
Вихровите токове са токове, които са много по-малко циркулиращи, но са в състояние да предотвратят проникването на магнитно поле през екрана. При наличие на голям брой дупки в корпуса, намаляването на екраниращия коефициент настъпва според логаритмична зависимост. Най-малката му стойност се наблюдава при технологични отвори с голям размер. Ето защо се препоръчва да се проектират няколко малки дупки, а не една голяма. Ако е необходимо да се използват стандартизирани отвори (за вход на кабели и други нужди), тогава се използват трансцендентални вълноводи.
В магнитостатично поле, създадено от постоянен електрически ток, работата на екрана е да шунтира силовите линии. Защитният елемент е инсталиран възможно най-близо до източника. Не се изисква заземяване. Ефективността на екранирането зависи от магнитната пропускливост и дебелината на екраниращия материал. Като последното се използват стомани, пермалой и магнитни сплави с висока магнитна проницаемост.
Екранирането на кабелни трасета се извършва основно по два метода - използване на кабели с екранирана или защитена усукана двойка и полагане на проводници в алуминиеви кутии (или вложки).
Свръхпроводими екрани
Работата на свръхпроводящи магнитни екрани се основава на ефекта на Майснер. Това явление се състои във факта, че едно тяло в магнитно поле преминава в свръхпроводящо състояние. В същото време магнитнотопропускливостта на корпуса става равна на нула, тоест не преминава магнитното поле. То е напълно компенсирано в обема на даденото тяло.
Предимството на такива елементи е, че са много по-ефективни, защитата от външно магнитно поле не зависи от честотата, а ефектът на компенсация може да продължи произволно дълго време. На практика обаче ефектът на Мейснер не е пълен, тъй като в реалните екрани, изработени от свръхпроводящи материали, винаги има структурни нехомогенности, които водят до улавяне на магнитен поток. Този ефект е сериозен проблем за създаването на корпуси с цел екраниране на магнитното поле. Коефициентът на затихване на магнитното поле е толкова по-голям, колкото по-висока е химическата чистота на материала. В експериментите най-доброто представяне е отбелязано за олово.
Други недостатъци на свръхпроводящите материали за екраниране на магнитно поле са:
- висока цена;
- наличие на остатъчно магнитно поле;
- поява на състоянието на свръхпроводимост само при ниски температури;
- неспособност за функциониране във високи магнитни полета.
Материали
Най-често екраните от въглеродна стомана се използват за защита срещу магнитно поле, тъй като са много адаптивни за заваряване, запояване, евтини и се характеризират с добра устойчивост на корозия. В допълнение към тях, материали като:
- техническо алуминиево фолио;
- мека магнитна сплав от желязо, алуминий и силиций (alsifer);
- мед;
- стъкло с проводимо покритие;
- цинк;
- трансформаторна стомана;
- проводими емайли и лакове;
- месинг;
- метализирани тъкани.
Конструктивно те могат да бъдат направени под формата на листове, мрежи и фолио. Листовите материали осигуряват по-добра защита, а мрежестите материали са по-удобни за сглобяване - те могат да бъдат съединени заедно чрез точково заваряване на стъпки от 10-15 mm. За да се осигури устойчивост на корозия, решетките са лакирани.
Препоръки за избор на материал
При избора на материал за защитни екрани се ръководят от следните препоръки:
- В слаби полета се използват сплави с висока магнитна проницаемост. Най-технологичният е пермалой, който се поддава добре на натиск и рязане. Силата на магнитното поле, необходима за пълното му размагнитване, както и електрическото съпротивление зависят основно от процента на никел. По количеството на този елемент се разграничават пермалоите с ниско съдържание на никел (до 50%) и високо никелови (до 80%).
- За да се намалят загубите на енергия в променливо магнитно поле, корпусите се поставят или от добър проводник, или от изолатор.
- За честота на полето над 10 MHz, сребърни или медни филмови покрития с дебелина 0,1 mm или повече (екрани, изработени от покрити с фолио гетинакс и други изолационни материали), както и мед, алуминий и месинг, дават добър ефект. За да предпази медта от окисляване, тя е покрита със сребро.
- Дебелинаматериал зависи от честотата f. Колкото по-малък е f, толкова по-голяма трябва да бъде дебелината, за да се постигне същия екраниращ ефект. При високи честоти, за производството на корпуси от всякакъв материал, е достатъчна дебелина от 0,5-1,5 mm.
- За полета с голямо f не се използват феромагнети, тъй като имат високо съпротивление и водят до големи загуби на енергия. Високопроводими материали, различни от стомана, също не трябва да се използват за екраниране на постоянни магнитни полета.
- За защита в широк диапазон на f, многослойните материали (стоманени листове със силно проводим метален слой) са оптималното решение.
Общите правила за подбор са както следва:
- Високите честоти са силно проводими материали.
- Ниските честоти са материали с висока магнитна пропускливост. Скринингът в този случай е една от най-трудните задачи, тъй като прави дизайна на защитния екран по-тежък и по-сложен.
Ленти от фолио
Лентите от фолио се използват за следните цели:
- Екраниране на широколентови електромагнитни смущения. Най-често се използват за врати и стени на ел. шкафове с устройства, както и за оформяне на екран около отделни елементи (соленоиди, релета) и кабели.
- Премахване на статичен заряд, който се натрупва върху устройства, съдържащи полупроводници и електронно-лъчеви тръби, както и в устройства, използвани за въвеждане/извеждане на информация откомпютър.
- Като компонент на заземяващи вериги.
- За намаляване на електростатичното взаимодействие между намотките на трансформатора.
Структурно те са базирани на проводим лепилен материал (акрилна смола) и фолио (с гофрирана или гладка повърхност), изработени от следните видове метал:
- алуминий;
- мед;
- калайдисана мед (за запояване и по-добра антикорозионна защита).
Полимерни материали
В тези устройства, при които наред с екранирането на магнитното поле се изисква защита срещу механични повреди и поглъщане на удар, се използват полимерни материали. Изработени са под формата на подложки от полиуретанова пяна, покрити с полиестерно фолио, на базата на акрилно лепило.
При производството на монитори с течни кристали се използват акрилни уплътнения от проводяща тъкан. В слоя от акрилно лепило е триизмерна проводяща матрица, изработена от проводими частици. Благодарение на своята еластичност, този материал също така ефективно абсорбира механичното напрежение.
Метод на компенсация
Принципът на компенсационния екраниращ метод е изкуствено създаване на магнитно поле, което е насочено противоположно на външното поле. Това обикновено се постига със система от намотки на Хелмхолц. Състои се от 2 еднакви тънки намотки, разположени коаксиално на разстояние от техния радиус. През тях преминава електричество. Магнитното поле, индуцирано от намотките, е много равномерно.
Екранираща кутиясъщо се произвежда от плазма. Това явление се взема предвид при разпределението на магнитното поле в пространството.
Екраниране на кабела
Защитата от магнитно поле е от съществено значение при полагане на кабели. Електрическите токове, индуцирани в тях, могат да бъдат причинени от включването на домакински уреди в помещението (климатици, луминесцентни лампи, телефони), както и асансьори в мините. Тези фактори оказват особено голямо влияние върху цифровите комуникационни системи, работещи по протоколи с широка честотна лента. Това се дължи на малката разлика между мощността на полезния сигнал и шума в горната част на спектъра. В допълнение, електромагнитната енергия, излъчвана от кабелните системи, влияе неблагоприятно върху здравето на персонала, работещ в помещенията.
Кръстосани разговори възникват между двойки проводници поради наличието на капацитивно и индуктивно свързване между тях. Електромагнитната енергия на кабелите също се отразява поради нееднородността на техния вълнов импеданс и се отслабва под формата на топлинни загуби. В резултат на затихването мощността на сигнала в края на дългите линии спада стотици пъти.
В момента в електрическата индустрия се практикуват 3 метода за екраниране на кабелни трасета:
- Използване на изцяло метални кутии (стомана или алуминий) или монтаж на метални вложки в пластмасови. С увеличаване на честотата на полето екраниращата способност на алуминия намалява. Недостатъкът е и високата цена на кутиите. За дълги кабелни линии имапроблемът за осигуряване на електрически контакт на отделни елементи и тяхното заземяване, за да се осигури нулев потенциал на кутията.
- Използвайте екранирани кабели. Този метод осигурява максимална защита, тъй като обвивката обгражда самия кабел.
- Вакуумно отлагане на метал върху PVC канала. Този метод е неефективен при честоти до 200 MHz. „Загасването” на магнитното поле е десет пъти по-малко в сравнение с полагането на кабела в метални кутии поради високото съпротивление.
Видове кабели
Има 2 вида екранирани кабели:
- С общ екран. Разположен е около незащитени многожилни проводници. Недостатъкът на такива кабели е, че има големи напречни смущения (5-10 пъти повече от екранираните двойки), особено между двойки със същата стъпка на усукване.
- Кабели с екранирани усукани двойки. Всички двойки са индивидуално екранирани. Поради по-високата си цена, те се използват най-често в мрежи със строги изисквания за безопасност и в помещения с трудна електромагнитна среда. Използването на такива кабели при паралелно полагане прави възможно намаляването на разстоянието между тях. Това намалява разходите в сравнение с разделното маршрутизиране.
Екранираният кабел с усукана двойка е изолирана двойка проводници (техният брой обикновено е от 2 до 8). Този дизайн намалява кръстосаните смущения.между проводници. Неекранираните двойки нямат изисквания за заземяване, имат по-голяма гъвкавост, по-малки напречни размери и лесна инсталация. Екранираната двойка осигурява защита срещу електромагнитни смущения и висококачествено предаване на данни през мрежи.
Информационните системи използват и двуслойна екранировка, която се състои от защита на усукани двойки под формата на метализирана пластмасова лента или фолио и обикновена метална оплетка. За ефективна защита срещу магнитното поле, такива кабелни системи трябва да бъдат правилно заземени.
