Теория магнитного экранирования

СОДЕРЖАНИЕ

                                                                                                                    с.

Введение…………………………………………………………………….4

1 Теория магнитного  экранирования.......…………………………………5

2 Современные методы  расчёта. Программное обеспечение………........12

3 Расчётная часть……………………………………………………….......17

Заключение………………………………………………………………….26

Список использованных источников.……………………………………..27 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Электротехникой называют науку о применении электрической энергии для практических целей.

История развития электротехники – это постепенное, сначала медленное, а затем более быстрое накопление опытных фактов об электромагнитных явлениях, обобщение и анализ их, формулировка основных теоретических  положений и законов и вытекающих из них следствий. Теоретическое осмысление электромагнитных явлений шло одновременно с применением их для нужд практической деятельности человека.

Только с развитием  электротехники появилась возможность  применять в промышленности новые технологические процессы, осуществлять широкую автоматизацию производства, создавать новые высокопроизводительные машины.

С электрическими явлениями  люди были знакомы очень давно, но практическое использование этих явлений началось в начале девятнадцатого века.

Больших достижений в  области электротехники добились такие учёные, как М. В. Ломоносов, основоположник всей русской науки, В. В. Петров, П. Л. Шиллинг, Э. Х. Ленц, Б. С. Якоби, А. Г. Столетов, А. Н. Лодыгин, П. Н. Яблочков, Фарадей, Д. К. Максвелл, основоположник электромагнитной теории.

В настоящее время  электротехника продолжает развиваться, рассматривая новые вопросы. Совершенствование  энергетического оборудования даёт возможность снижать удельные расходы топлива, капитальные затраты на сооружение электростанций и себестоимость электроэнергии. Электрическая энергия, вырабатываемая электростанциями, широко используется в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте, для бытовых нужд.

Теория электромагнитного  поля является той основой, которая позволяет понять принцип работы различных электромагнитных и электрических устройств и спроектировать и рассчитать их на заданные условия работы. Одной из задач расчёта полей является расчёт магнитных экранов.

 

1 ТЕОРИЯ МАГНИТНОГО ЭКРАНИРОВАНИЯ

 

Протекающие в любых электрических цепях токи создают в окружающем пространстве магнитные поля, которые воздействуют на различные элементы приборов и цепей, ухудшая работу устройства, а иногда и вовсе нарушая ее.

Для защиты электроизмерительных приборов от влияния посторонних магнитных полей их системы помещают в массивные замкнутые или почти замкнутые оболочки из ферромагнитного материала. Такие оболочки называют магнитными экранами.

 Поле внутри экрана  оказывается ослабленным по сравнению  с внешним полем.

Существуют следующие виды экранирования:

1) электростатическое  экранирование, основанное на  компенсации внешнего поля полем зарядов, выявившихся на стенках экрана вследствие электростатической индукции. Толщина стенок экрана при электростатическом экранировании, в отличие от экранирования в магнитном и электромагнитном полях, может быть сколько угодно малой;

2) экранирование в  магнитном поле постоянного тока, основанное, грубо говоря, на том, что линии магнитной индукции внешнего поля, стремясь пройти по пути с наименьшим магнитным сопротивлением, сгущаются внутри стенок экрана, почти не проникая в его полость;

3) экранирование в  переменном электромагнитном поле, основанное на том, что электромагнитная  волна, проникающая в стенки  экрана, быстро затухает, расходуя энергию на покрытие потерь, обусловленных вихревыми токами  в стенках экрана.

Электромагнитные экраны представляют собой полые цилиндрические, сферические или прямоугольные  оболочки, внутри которых помещается экранируемое устройство (например, катушка индуктивности, измерительный прибор и так далее).

 

Экранирование может принести пользу в двух случаях. Во - первых, оно может использоваться для подавления излучения источника в небольшом объеме (экраны с внутренним возбуждением электромагнитного поля); это предотвратит распространение помех и их воздействие на близлежащие критичные компоненты схемы. Однако, такое экранирование может привести к тому, что при недостаточно тщательной разработке и размещении шин земли, либо при некорректном подключении, сам экран будет являться источником дополнительных помех, что усугубит проблему.

Во - вторых, экраны могут быть размещены вокруг критичных элементов схемы для предотвращения воздействия помех на них (экраны внешнего электромагнитного поля). В данном случае, экраном может служить металлический кожух или кабель с металлической оплеткой вокруг центрального проводника [2].

Экран, защищая цепи, детали, колебательные контуры от воздействия  внешних полей, оказывает существенное влияние на параметры экранируемых элементов. Из - за перераспределения электромагнитного поля внутри экрана происходят изменения их первичных параметров, в результате чего, например, изменяются магнитные связи, уменьшается первичная индуктивность катушек, увеличивается емкость контуров, возрастает активное сопротивление, что ведет к изменению частоты. Относительные изменения параметров экранируемых элементов можно учесть с помощью коэффициентов

                                                     

                                                      ,                                                           (1)

 

где A_эij – значение i - го параметра j - го экранируемого элемента при наличии экрана;

        A_0ij – значение i - го параметра j - го экранируемого элемента без экрана.

Задаваясь допустимыми пределами изменений параметров и зная размеры экранируемых элементов, можно определить габаритные размеры экрана, материал, из которого он должен быть изготовлен, и условия размещения элементов внутри него.

 Эффективность экранирования определяется структурой электромагнитного поля (магнитные, электрические, плоская волна и так далее), зависящей от конфигурации и расположения источников и конструкции экрана (его конфигурации, толщины, степени герметичности, материала).

Степень влияния конфигурации, расположения источников, конструкции экрана и других факторов на эффективность экранирования изучена не достаточно. Теоретические соотношения были проверены в определенных экспериментальных условиях. В сложных условиях окончательный вывод об эффективности экранирования можно получить только на основании экспериментальных данных.

Наиболее распространен способ оценки эффективности экранирования  с помощью функций экранирования Т и обратного действия R, которые обычно определяются соотношениями

                                                             ,                                                   (2)

                                                             ,                                                   (3)

 

где H, H⁺ ,H^- - составляющие напряженности электромагнитного поля в рассматриваемой точке соответственно при наличии экрана (+) и при отсутствии экрана  (-) и отраженной индуцированной волны.

В этом случае эффективность  экранирования, Дб

 

                                                      .                                                (4)         

 

Если поле внутри замкнутого экрана имеет сложную структуру, то вычисление функций экранирования и обратного действия по формулам (2) и (3) теряет практический смысл [4].

Рассмотрим более подробно магнитное экранирование.

Вокруг витка с постоянным током существует постоянное магнитное поле с напряженностью H₀, зависящее от точки измерения (рисунок 1). Так как любой реальный виток имеет конечное сопротивление, то для поддержания в нем тока необходим источник задающего напряжения, а в пространстве вокруг витка, кроме постоянного магнитного поля, существует еще и постоянное электрическое поле. Внимание сосредоточим на экранировании только магнитного поля.

Рисунок 1 - Поле витка  с постоянным током

 

Окружим виток замкнутым  экраном. Если экран изготовлен из немагнитного материала, то есть из материала, у которого µ = 1 (медь, алюминий), то он не окажет на магнитное поле никакого влияния, то есть эффективность экранирования в установившимся режиме будет равна 1 (рисунок 2).

Если материал изготовлен из материала µ > 1, то он намагнитится, и созданное им вторичное поле, сложившись с первичным, приведет к ослаблению поля вне экрана. То есть силовые линии поля витка, встречая экран, обладающий меньшим магнитным сопротивлением, чем свободное пространство, стремятся пройти по стенкам экрана и в меньшем числе проникают в пространство вне экрана. Такой экран одинаково пригоден для защиты от воздействия магнитного поля и для защиты внешнего пространства от влияния магнитного поля созданного источником внутри экрана.

Рисунок 2 – Экранирование  витка с током 

Помехи из - за воздействия магнитного поля значительно труднее поддаются экранировке, чем помехи, создаваемые электрическим полем, поскольку линии магнитного поля проходят сквозь проводящие материалы. Типичный экран, расположенный вокруг проводника и заземленный на одном его конце, обладает небольшим эффектом подавления магнитно - наведенного напряжения на этот проводник.

Пронизывая  проводник, интенсивность магнитного поля убывает по экспоненциальному закону. Глубина поверхностного слоя материала экрана определяется как глубина проникновения магнитного поля, на которой происходит его ослабление до 37 % (e^–1) по сравнению со значением в воздушной среде.

В таблице 1 приведены  типовые значения глубины поверхностного слоя некоторых материалов для разных частот магнитного поля. Одни материалы более эффективно выполняют роль магнитного экрана на высокой частоте, чем другие. Например, стальной экран, по крайней мере, на порядок более эффективен, чем такой же экран, выполненный из меди или алюминия.

Если необходимо качественное экранирование низкочастотного магнитного поля, то в качестве материала экрана используется металл с высокой магнитной проницаемостью (так называемый µ - металл). К сожалению, при использовании µ - металла возникают некоторые сложности – после насыщения под воздействием очень сильного поля экран из µ - металла теряет свои положительные качества [5].

 

Таблица 1 – Глубина поверхностного слоя некоторых материалов

Частота	Медь, мм	Алюминий, мм	Сталь, мм
60 Гц	8,5	10,9	0,86
100 Гц	6,6	8,5	0,66
1 кГц	2,1	2,7	0,2
10 кГц	0,66	0,84	0,08
100 кГц	0,2	0,3	0,02
1 МГц	0,08	0,08	0,008

 

Достаточно трудно защитить какую - либо схему от воздействия магнитного поля изменением способа экранировки. Поэтому наиболее эффективными решениями экранировки на низких частотах являются уменьшение интенсивности мешающего магнитного излучения, уменьшение области приемного контура и минимизация связи посредством оптимального размещения и конфигурации.

Для защиты от магнитных  полей обычно применяют металлические  листы, которые обеспечивают быстрое затухание поля в материале.

Металлические материалы выбирают из условия:

- достижения  заданной величины ослабления  электромагнитного поля и его  составляющих в рабочем диапазоне  частот при соответствующих ограничениях  размеров экранов и его влияния  на экранируемый объект;

- устойчивости против коррозии и механической прочности;

- технологичности конструкции экрана и получения требуемых его конфигурации и высоко габаритных характеристик.

Первому требованию удовлетворяют практически все  применяемые в настоящее время листовые материалы (сталь, медь, алюминий, латунь), так как при соответствующей их толщине обеспечивают достаточно высокую эффективность экранирования.

Но в различных  диапазонах рабочих частот при одинаковой толщине экрана эффективность экранирования магнитных и немагнитных материалов будет различной. То есть, пока экран работает как магнитостатический, эффективность магнитных материалов значительно выше немагнитных. В электромагнитном режиме в полосе частот, где эффективность экранирования за счет отражения больше эффективности поглощения, немагнитные материалы, обладающие большой проводимостью по сравнению с магнитными, обеспечивают более высокую эффективность.