低频电磁场的屏蔽分析整理.pdf

低频电磁场的屏蔽分析 1 对于许多人而言， 低频磁场干扰是一种最难对付的干扰， 这种干扰是由直流 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。 图 1 高导磁率材料提供了 磁旁路 ，起到 屏蔽作用 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 。 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 。 低频电磁场的屏蔽分析 2 2. 基本 概念 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 。 图 2 磁导 率与 频率 关系 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 如图 3 所示。 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 。 图 3 常用 高磁导 率 的磁导 率与 外加磁场的 关 系 低频电磁场的屏蔽分析 3 4. 注意 事项 高导磁率材料 在机械 冲击 的条件下会 极大地 损失磁 性 ，导致屏 蔽效能 下降。因此 ，屏蔽体 在 经 过 机械加 工后 ，如敲击 、焊接 、折弯 、钻孔 等 ，必须经 过热处 理以 恢复磁性 。热处 理要 在特定 条 件下 进行 ，一般要在干 燥氢气 炉中 以一定