Ecranele electromagnetice sunt utilizate pe scară largă în industrie. Acestea servesc la eliminarea efectelor dăunătoare ale unor elemente ale unui dispozitiv electric asupra altora, pentru a proteja personalul și echipamentele de efectele câmpurilor externe care apar în timpul funcționării altor dispozitive. „Stingerea” câmpului magnetic extern este necesară în crearea laboratoarelor destinate reglajului și testării echipamentelor extrem de sensibile. De asemenea, este necesar în medicină și acele domenii ale științei în care se efectuează măsurarea câmpurilor cu inducție ultra-scăzută; pentru a proteja informațiile în timpul transmiterii prin cabluri.
Metode
Ecranarea câmpului magnetic este un set de modalități de a reduce puterea unui câmp constant sau alternativ într-o anumită zonă a spațiului. Un câmp magnetic, spre deosebire de un câmp electric, nu poate fi complet slăbit.
În industrie, câmpurile parazite de la transformatoare, magneți permanenți, instalații și circuite de curent ridicat au cel mai mare impact asupra mediului. Acestea pot perturba complet funcționarea normală a aparatelor din apropiere.
Cel mai folosit 2metoda de protecție:
- Utilizarea ecranelor din materiale supraconductoare sau feromagnetice. Acest lucru este eficient în prezența unui câmp magnetic constant sau de joasă frecvență.
- Metoda de compensare (amortizare cu curenți turbionari). Curenții turbionari sunt curenți electrici în vrac care apar într-un conductor atunci când fluxul magnetic se modifică. Această metodă arată cele mai bune rezultate pentru câmpurile de în altă frecvență.
Principii
Principiile de ecranare a câmpului magnetic se bazează pe modelele de propagare a câmpului magnetic în spațiu. În consecință, pentru fiecare dintre metodele enumerate mai sus, acestea sunt următoarele:
- Dacă plasați un inductor într-o carcasă din feromagnet, atunci liniile de inducție ale câmpului magnetic extern vor trece de-a lungul pereților ecranului de protecție, deoarece are o rezistență magnetică mai mică în comparație cu spațiul din interiorul acestuia.. Acele linii de forță care sunt induse de bobina în sine vor fi aproape toate închise de pereții carcasei. Pentru cea mai bună protecție în acest caz, este necesar să alegeți materiale feromagnetice care au o permeabilitate magnetică ridicată. În practică, aliajele de fier sunt cele mai des folosite. Pentru a crește fiabilitatea ecranului, acesta este realizat cu pereți groși sau prefabricat din mai multe carcase. Dezavantajele acestui design sunt greutatea sa mare, volumul și deteriorarea ecranării în prezența cusăturilor și tăieturilor în pereții carcasei.
- În a doua metodă, slăbirea câmpului magnetic externapare ca urmare a impunerii unui alt câmp asupra acestuia, indus de curenții turbionari inelari. Direcția sa este opusă liniilor de inducție ale primului câmp. Pe măsură ce frecvența crește, atenuarea va fi mai pronunțată. În acest caz, pentru ecranare se folosesc plăci sub formă de inel de conductori cu rezistivitate scăzută. Cutiile în formă de cilindru din cupru sau aluminiu sunt cele mai des folosite ca carcase pentru ecran.
Funcții cheie
Există 3 caracteristici principale pentru a descrie procesul de ecranare:
- Adâncime echivalentă de penetrare a câmpului magnetic. Deci hai sa continuam. Această cifră este utilizată pentru efectul de ecranare al curenților turbionari. Cu cât valoarea sa este mai mică, cu atât este mai mare curentul care curge în straturile de suprafață ale carcasei de protecție. În consecință, cu cât este mai mare câmpul magnetic indus de acesta, care îl înlocuiește pe cel extern. Adâncimea echivalentă este determinată de formula de mai jos. În această formulă, ρ și Μr sunt rezistivitatea și respectiv permeabilitatea magnetică relativă a materialului ecranului (unitățile de măsură ale primei valori sunt Ohm∙m); f este frecvența câmpului, măsurată în MHz.
- Eficiența ecranării e - raportul dintre intensitatea câmpului magnetic în spațiul ecranat în absența și prezența scutului. Această valoare este cu cât este mai mare, cu atât este mai mare grosimea ecranului și permeabilitatea magnetică a materialului său. Permeabilitatea magnetică este un indicator care caracterizează de câte ori este inducția într-o substanțădiferit de cel în vid.
- Reducerea intensității câmpului magnetic și a densității curenților turbionari la o adâncime x față de suprafața carcasei de protecție. Indicatorul se calculează folosind formula de mai jos. Aici A0 este valoarea de pe suprafața ecranului, x0 este adâncimea la care intensitatea sau densitatea curentului scade de e ori.
Design de ecran
Husele de protecție pentru ecranarea câmpului magnetic pot fi realizate în diferite modele:
- foaie și masiv;
- sub formă de tuburi goale și carcase cu secțiune cilindrică sau dreptunghiulară;
- cu un singur strat și cu mai multe straturi, cu un spațiu de aer.
Deoarece calculul numărului de straturi este destul de complicat, această valoare este cel mai adesea aleasă din cărțile de referință, în funcție de curbele de eficiență de ecranare care au fost obținute experimental. Tăieturile și cusăturile în cutii sunt permise numai de-a lungul liniilor curenților turbionari. În caz contrar, efectul de ecranare va fi redus.
În practică, este dificil să se obțină un factor de ecranare ridicat, fiind întotdeauna necesar să se facă orificii pentru intrarea cablurilor, ventilarea și întreținerea instalațiilor. Pentru bobine, carcasele fără sudură sunt realizate folosind metoda de extrudare a foii, iar partea inferioară a ecranului cilindric servește drept capac detașabil.
În plus, atunci când elementele structurale intră în contact, se formează fisuri din cauza neregulilor suprafeței. Pentru a le elimina, utilizațicleme mecanice sau garnituri din materiale conductoare. Sunt disponibile în diferite dimensiuni și cu proprietăți diferite.
Curenții turbionari sunt curenți care circulă mult mai puțin, dar sunt capabili să împiedice pătrunderea unui câmp magnetic prin ecran. În prezența unui număr mare de găuri în carcasă, scăderea coeficientului de ecranare are loc în funcție de o dependență logaritmică. Cea mai mică valoare a sa se observă cu găuri tehnologice de dimensiuni mari. Prin urmare, este recomandat să proiectați mai multe găuri mici, mai degrabă decât una mare. Dacă este necesar să folosiți găuri standardizate (pentru intrarea cablurilor și alte nevoi), atunci se folosesc ghiduri de undă transcendentale.
Într-un câmp magnetostatic creat de curenți electrici continui, sarcina ecranului este de a deriva liniile de câmp. Elementul de protecție este instalat cât mai aproape de sursă. Împământarea nu este necesară. Eficacitatea ecranului depinde de permeabilitatea magnetică și de grosimea materialului de ecranare. Ca acestea din urmă, sunt folosite oțeluri, permalloy și aliaje magnetice cu permeabilitate magnetică ridicată.
Ecranarea traseelor de cabluri se realizează în principal prin două metode - folosind cabluri cu perechi răsucite ecranate sau protejate și așezarea conductelor în cutii (sau inserții) de aluminiu.
Ecrane supraconductoare
Funcționarea ecranelor magnetice supraconductoare se bazează pe efectul Meissner. Acest fenomen constă în faptul că un corp aflat într-un câmp magnetic intră în stare supraconductivă. În același timp, magneticulpermeabilitatea carcasei devine egală cu zero, adică nu trece de câmpul magnetic. Este complet compensat în volumul corpului dat.
Avantajul unor astfel de elemente este că sunt mult mai eficiente, protecția împotriva unui câmp magnetic extern nu depinde de frecvență, iar efectul de compensare poate dura un timp arbitrar îndelungat. Cu toate acestea, în practică, efectul Meissner nu este complet, deoarece în ecranele reale realizate din materiale supraconductoare există întotdeauna neomogenități structurale care duc la captarea fluxului magnetic. Acest efect este o problemă serioasă pentru crearea de carcase pentru a proteja câmpul magnetic. Coeficientul de atenuare a câmpului magnetic este cu atât mai mare, cu atât puritatea chimică a materialului este mai mare. În experimente, cea mai bună performanță a fost observată pentru plumb.
Alte dezavantaje ale materialelor supraconductoare de ecranare a câmpului magnetic sunt:
- cost mare;
- prezența câmpului magnetic rezidual;
- apariția stării de supraconductivitate numai la temperaturi scăzute;
- incapacitate de a funcționa în câmpuri magnetice ridicate.
Materiale
Cel mai des, ecranele din oțel carbon sunt folosite pentru a proteja împotriva unui câmp magnetic, deoarece sunt foarte adaptabile pentru sudare, lipire, ieftine și caracterizate printr-o bună rezistență la coroziune. Pe lângă acestea, materiale precum:
- folie tehnică de aluminiu;
- aliaj magnetic moale de fier, aluminiu și siliciu (alsifer);
- cupru;
- sticlă acoperită conductiv;
- zinc;
- oțel transformator;
- emailuri și lacuri conductoare;
- alama;
- țesături metalizate.
Structural, acestea pot fi realizate sub formă de foi, plase și folie. Materialele din foi oferă o protecție mai bună, iar materialele de plasă sunt mai convenabile de asamblat - pot fi unite împreună prin sudură în puncte în trepte de 10-15 mm. Pentru a asigura rezistența la coroziune, grilajele sunt lăcuite.
Recomandări pentru selecția materialelor
Când alegeți un material pentru ecranele de protecție, sunt ghidate următoarele recomandări:
- În câmpuri slabe se folosesc aliaje cu permeabilitate magnetică ridicată. Cel mai avansat tehnologic este permalloy, care se pretează bine la presiune și tăiere. Intensitatea câmpului magnetic necesară pentru demagnetizarea sa completă, precum și rezistivitatea electrică, depind în principal de procentul de nichel. Prin cantitatea acestui element, se disting permalajele cu conținut scăzut de nichel (până la 50%) și cele cu conținut ridicat de nichel (până la 80%).
- Pentru a reduce pierderile de energie într-un câmp magnetic alternativ, carcasele sunt plasate fie dintr-un conductor bun, fie dintr-un izolator.
- Pentru o frecvență de câmp mai mare de 10 MHz, acoperiri cu peliculă de argint sau cupru cu o grosime de 0,1 mm sau mai mult (ecrane din getinaks acoperite cu folie și alte materiale izolante), precum și cupru, aluminiu și alama, da un efect bun. Pentru a proteja cuprul de oxidare, acesta este acoperit cu argint.
- Grosimematerialul depinde de frecvența f. Cu cât f mai mic, cu atât grosimea trebuie să fie mai mare pentru a obține același efect de ecranare. La frecvențe în alte, pentru fabricarea carcaselor din orice material este suficientă o grosime de 0,5-1,5 mm.
- Pentru câmpurile cu f ridicat, feromagneții nu sunt folosiți, deoarece au rezistență mare și duc la pierderi mari de energie. Materialele foarte conductoare, altele decât oțelul, nu ar trebui folosite pentru a proteja câmpurile magnetice permanente.
- Pentru protecție într-o gamă largă de f, materialele cu mai multe straturi (foi de oțel cu un strat de metal foarte conductiv) sunt soluția optimă.
Regulile generale de selecție sunt următoarele:
- Frecvențele în alte sunt materiale foarte conductoare.
- Frecvențele joase sunt materiale cu permeabilitate magnetică ridicată. Screening-ul în acest caz este una dintre cele mai dificile sarcini, deoarece face designul ecranului de protecție mai greu și mai complicat.
benzi folii
Benzile de protecție cu folie sunt utilizate în următoarele scopuri:
- Ecranarea interferențelor electromagnetice în bandă largă. Cel mai adesea ele sunt folosite pentru ușile și pereții dulapurilor electrice cu dispozitive, precum și pentru formarea unui ecran în jurul elementelor individuale (solenoizi, relee) și cabluri.
- Înlăturarea încărcării statice care se acumulează pe dispozitivele care conțin semiconductori și tuburi catodice, precum și în dispozitivele utilizate pentru a introduce/ieși informații dincomputer.
- Ca componentă a circuitelor de masă.
- Pentru a reduce interacțiunea electrostatică dintre înfășurările transformatorului.
Din punct de vedere structural, se bazează pe un material adeziv conductiv (rășină acrilică) și folie (cu suprafață ondulată sau netedă) din următoarele tipuri de metal:
- aluminiu;
- cupru;
- cupru cositorit (pentru lipire și o protecție mai bună împotriva coroziunii).
Materiale polimerice
În acele dispozitive în care, împreună cu ecranarea câmpului magnetic, sunt necesare protecție împotriva deteriorării mecanice și absorbția șocurilor, se folosesc materiale polimerice. Sunt realizate sub formă de tampoane din spumă poliuretanică acoperite cu o peliculă de poliester, pe bază de adeziv acrilic.
În producția de monitoare cu cristale lichide se folosesc garnituri acrilice din material conductiv. În stratul de adeziv acrilic este o matrice conducătoare tridimensională formată din particule conductoare. Datorită elasticității sale, acest material absoarbe eficient și stresul mecanic.
Metoda de compensare
Principiul metodei de ecranare de compensare este de a crea artificial un câmp magnetic care este îndreptat opus câmpului extern. Acest lucru se realizează de obicei cu un sistem de bobine Helmholtz. Este format din 2 bobine subtiri identice situate coaxial la o distanta de raza lor. Prin ele trece electricitatea. Câmpul magnetic indus de bobine este foarte uniform.
Cutie de ecranareprodusă și de plasmă. Acest fenomen este luat în considerare în distribuția câmpului magnetic în spațiu.
Ecranarea cablului
Protecția câmpului magnetic este esențială la pozarea cablurilor. Curenții electrici induși în ele pot fi cauzați de includerea în încăpere a aparatelor electrocasnice (aparate de aer condiționat, lămpi fluorescente, telefoane), precum și a ascensoarelor din mine. Acești factori au o influență deosebit de mare asupra sistemelor de comunicații digitale care funcționează pe protocoale cu o bandă largă de frecvență. Acest lucru se datorează diferenței mici dintre puterea semnalului util și zgomotul din partea superioară a spectrului. În plus, energia electromagnetică emisă de sistemele de cablu afectează negativ sănătatea personalului care lucrează în incintă.
Conversația apare între perechile de fire din cauza prezenței cuplajului capacitiv și inductiv între ele. Energia electromagnetică a cablurilor se reflectă și din cauza neomogenităților impedanței undelor acestora și este slăbită sub formă de pierderi de căldură. Ca urmare a atenuării, puterea semnalului la sfârșitul liniilor lungi scade de sute de ori.
În prezent, în industria electrică sunt practicate 3 metode de ecranare a traseelor cablurilor:
- Utilizarea cutiilor integral metalice (oțel sau aluminiu) sau instalarea de inserții metalice în cele din plastic. Pe măsură ce frecvența câmpului crește, capacitatea de ecranare a aluminiului scade. Dezavantajul este și costul ridicat al cutiilor. Pentru cabluri lungi existăproblema asigurării contactului electric al elementelor individuale și împământarea acestora pentru a asigura potențialul zero al cutiei.
- Folosiți cabluri ecranate. Această metodă oferă protecție maximă, deoarece mantaua înconjoară cablul în sine.
- Depunerea în vid a metalului pe canalul din PVC. Această metodă este ineficientă la frecvențe de până la 200 MHz. „Stingerea” câmpului magnetic este de zece ori mai mică în comparație cu așezarea cablului în cutii metalice datorită rezistivității ridicate.
Tipuri de cabluri
Există 2 tipuri de cabluri ecranate:
- Cu un ecran comun. Este situat în jurul conductorilor torți neprotejați. Dezavantajul unor astfel de cabluri este că există o diafonie mare (de 5-10 ori mai mult decât perechile ecranate), în special între perechile cu același pas de răsucire.
- Cabluri cu perechi răsucite ecranate. Toate perechile sunt ecranate individual. Datorită costului lor mai mare, sunt utilizate cel mai adesea în rețele cu cerințe stricte de siguranță și în încăperi cu un mediu electromagnetic dificil. Utilizarea unor astfel de cabluri în așezarea paralelă face posibilă reducerea distanței dintre ele. Acest lucru reduce costurile în comparație cu rutarea divizată.
Cablul ecranat cu perechi răsucite este o pereche izolată de conductori (numărul acestora este de obicei de la 2 la 8). Acest design reduce diafonia.între conductoare. Perechile neecranate nu au cerințe de împământare, au mai multă flexibilitate, dimensiuni transversale mai mici și ușurință de instalare. Perechea ecranată oferă protecție împotriva interferențelor electromagnetice și transmiterea de date de în altă calitate prin rețele.
Sistemele de informații folosesc, de asemenea, ecranare cu două straturi, care constă în protecție a perechilor răsucite sub formă de bandă sau folie de plastic metalizat și o împletitură metalică obișnuită. Pentru o protecție eficientă împotriva câmpului magnetic, astfel de sisteme de cabluri trebuie să fie împământate corespunzător.
