磁屏蔽理论和实践

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　摘要：在低频（ＤＣ到100ＫＨｚ）磁屏蔽中，设计低成本屏蔽体的最关键因素是对磁屏蔽的透彻理解。其目的是要达到减少所规定的磁场，这样使其对所屏蔽的器件或系统不形成威胁。一旦这一目标被确定，就应考虑会影响到屏蔽体的低成本设计的一些基本设计因素。这些包括：材料的选择、主要设计参数和加工工艺……

　　关键词：电磁屏蔽 材料选择 设计 生产技术

　　1、引言

　　在低频（ＤＣ到100ＫＨｚ）磁屏蔽中，设计低成本屏蔽体的最关键因素是对磁屏蔽的透彻理解。其目的是要达到减少所规定的磁场，这样使其对所屏蔽的器件或系统不形成威胁。一旦这一目标被确定，就应考虑会影响到屏蔽体的低成本设计的一些基本设计因素。这些包括：材料的选择、主要设计参数和加工工艺。

　　2、材料的选择对于屏蔽体来说，所选择的材料的类型对其性能和成本影响极大。

　　在设计屏蔽体时有一点是重要的，就是要深入了解普通使用的不同屏蔽合金的特性。对这些不同性能的理解就可使你选择合适的材料，去满足目标要求。

　　磁屏蔽材料要根据各自的特性进行选择，特别是磁导率和磁饱和性能。由于在变更低频磁场方向的效能，所以高磁导率材料（比如含80％的镍合金Ｍumetal，这是一种高磁导率铁镍合金）是经常使用的屏蔽材料。这些合金可满足ＭＩＬ－Ｎ－14411Ｃ部分1和ＡＳＴＭ　Ａ753－97样式4的要求。其可得到的相对较薄的厚度为0.002到0.125英寸，并极易被有经验的屏蔽加工者加工出来。

　　在需要于极小空间内降低磁场时，典型上使用这些合金。在需要提供比要求更高屏蔽时，或是磁场强度（在较高场强时更为典型）需要具有更高饱和值材料时，这些材料常被选中。

　　在屏蔽目标仅需要稍微减少场强时（减少1～1／4），或是当场强足以使高磁导率屏蔽体饱和时，超低碳钢（ＵＬＣＳ）可能是最佳的选择。这些较低成本材料的碳含量典型小于0.01％；与其它钢相比，其有较高的磁导率和极优的饱和性能。这些材料具有较小的柔韧性，并比硅钢较容易制造，这就允许在大面积屏蔽项目中容易安装和以同样的方式加工出小型组件。ＵＬＣＳ可与高磁导率材料一起使用，以为需要高饱和保护和高衰减等级建立最佳的屏蔽体。

　　对于低温用的屏蔽体，Ｃryoperm　10（为德国Vaccumschmelze GmbHg公司的注册商标）为一种最佳选择。与Ｍumetal一样，Ｃryoperm　10也是一种高磁导率镍铁合金，它是经特殊加工而成的，以提供在降低温度时磁导率增加。标准的屏蔽合金（比如Ｍumetal）在低温时就失去了其大部分磁导率。但是Cryoperm10可在77.3到4.2°Ｋ时的磁导率却增加10倍。表1示出了最常用的屏蔽材料的磁导率饱和值的比较。

　　由于材料的成本占屏蔽体价格的一半，所以使用较薄的尺寸能满足所要求的屏蔽特性和结构性能是最好了。厚度为0.002到0.010英寸的箔材是最低成本的选择。这些箔材能以同等的化学组分和性能特性获得，并可作为标准的以镍为基础的和ＵＬＣＳ材料。

　　设计低成本屏蔽体的最重要的一步，就是对这些典型屏蔽材料特性及其对屏蔽性能影响的了解。一旦合适的材料被选中，其重点要集中于基本的设计考虑，以使其不但性能最佳，而且对成本的影响最小。

　　3、设计考虑大部分屏蔽体用的公式和模型的开发是基于圆形或无限长的圆柱体几何形状的。

　　在实际应用中，所给定屏蔽体的实践形状由器件结构和屏蔽体自身的可利用空间所决定。在设计一屏蔽体时，要了解的重要的结构是，要使磁力线旋转90°是困难的。但是，圆形屏蔽体，比如要改变圆柱体或是具有圆形角的盒体的磁力线的方向要比具有方形角的屏蔽体容易一些。类似地，对于包容已进入屏蔽材料的磁力线并改变其方向，圆角要比尖角好一些。保持可提供低磁阻路径的屏蔽体形状简单或磁场运动的"最低磁阻路径"是很重要的。

　　屏蔽体的尺寸在屏蔽效率和成本方面的重要性极大。屏蔽体的有效半径越小，其整体性能就越好。但是，设计屏蔽体的目的是使其包络试图屏蔽的组件和空间，并应该靠得很近。由于材料占屏蔽体设计的大部分成本，因此较小屏蔽体就可以在较低成本下获得较优的性能。

　　每当有可能，屏蔽体应与所有壁靠近，以避免场泄漏。这种结构（即使是矩形）也是最接近于圆形的，它可以建立一个半闭合的磁路。另外，全部箱体可在所有轴上获得屏蔽特性，这样就可以保证最好的屏蔽性能。当特殊的性能和进出口需要时，可移动的盖板、罩和门均可组合到屏蔽体设计中去。

　　利用盖板、罩和门时或使用两块或多块板构建屏蔽体时，在多块板间保持磁连续性和电接触是很重要的。可通过机械式（利用磨擦组件）或焊接保持磁连续性。在拐角或过渡连接，使用焊接可获得最佳性能。维持表面间的连续性就可以保证磁力线连续沿其低磁阻路径前进，这样可以提高屏蔽效能。在交流场，保持磁连续性就允许较高的感应电流屏蔽，在直流场，对于适当的磁力线分路，连续性也是重要的。

　　如果你不能靠近屏蔽体的一端或两端，要特别注意开端的长一直径比。屏蔽体的这种长-直径比至少应为4：1，以避免"端接效应"和磁力线穿透屏蔽体范围。经验法则是，屏蔽体需要延伸到器件的外部，这样可以用与开孔半径相等部分进行保护。由于增加了屏蔽体的长度同时保持直径不变，就可以用无限长圆柱体模型进行近似。当圆柱型或矩形屏蔽体需要大的开孔时，垂直于屏蔽体壁的的管可用于由于开孔而引起屏蔽体的磁场强度的减少。管的长度应正比于所屏蔽的开孔的直径。

　　在设计过程早期就应考虑这些问题，可使这些主要设计参数对屏蔽体的成本影响较小。但是，这些因素要比材料本身对屏蔽体性能的影响要大。这样，在设计屏蔽体时，最先保证这些基本参数通常是需要的。

　　4、生产技术一种好的屏蔽体设计要涉及到加工过程，其可提供所需要的结构和特性。

　　在过去，大部分磁屏蔽体是用标准的精密片状金属加工技术通过剪切、穿孔、成型和焊接加工出来的。现在，利用先进的激光切割系统，个别部件的剪切和计算机化的数字控制冲孔都由一步激光切割技术所代替。主要的屏蔽元件的一步加工技术可使加工时 间更快和降低加工成本，而无须高成本的加工方法。特别是对于型材和特殊设备（比如专用切割和系列化），这种过程可为屏蔽设计者提供更大的灵活性。

　　利用母材并使用缝隙和连接点的氩弧焊或叠层缝隙的点焊，就可以组装多个屏蔽元件。氩弧焊可使组装的屏蔽体得到最佳化的磁连续性，它可用于使用高屏蔽性能方面。对于大部分应用，与氩弧焊相比，法兰和叠层连接的点焊可获得更高级的磁连续性。

　　为使典型的屏蔽合金（如Mumetal）达到最佳性能，还要进行特殊的被称为氢退火的热处理循环。一旦所有加工过程完成，就可以进行退火过程。但在退火以后，对屏蔽体进行冲击和振动试验，将降低材料的性能。严格遵守所规定的退火周期，不但能保证获得最佳磁屏蔽性能，而且还可以将未退火材料的磁导率平均提高40倍。

　　5、结论

　　对所规定的屏蔽任务的了解有助于最好的材料、结构和加工艺的选择。这种评价可在最佳成本下保持最好的屏蔽性能。