抗磁場干擾和磁屏蔽材料

1、抗磁場干擾和磁屏蔽材料2007年12月06日01:55 來源：國際電子變壓器作者： 高適編譯1引言20世紀(jì)后期的近30年來，隨著電子技術(shù)，尤其是電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，其系統(tǒng)、裝備和 各種元器件向高頻化、數(shù)字化、集成化、輕小型化、高功率密度和電子線路向低壓化方向發(fā)展已逐步成為事實。為此，這種現(xiàn)代化電子設(shè)備將不可避免地受到比以前的設(shè)備更為嚴(yán)重、復(fù)雜的雜散磁場的不良影響，即我們常說的電磁干擾（EMI ），于是在產(chǎn)品（包括系統(tǒng)與元器件）設(shè)計上就岀現(xiàn)了解決電磁兼容性（EMC ）問題。在此，一個系統(tǒng)需要滿足如下三個原則：1 ）不對其它系統(tǒng)產(chǎn)生干擾；2 ）對其它系統(tǒng)的輻射不敏感；3 ）不對自身產(chǎn)生干擾。E

2、MC系統(tǒng)的基本框圖如圖1所示。圖1 EMC耦合問題的基本分解框圖所以，系統(tǒng)（設(shè)備、元器件）防止干擾的三個途徑為：1 ）抑制源的發(fā)射；2 ）盡可能使耦合路徑無效；3 ）使接受體對發(fā)射不敏感。磁屏蔽設(shè)計是利用后兩個原理。磁場干擾的潛在源頭是永久磁鐵、電磁鐵、載有大電流的電纜、電動機(jī)、變壓器和其它線圈元件等等。磁場產(chǎn)生的干擾影響可以通過磁屏蔽、磁隔離、轉(zhuǎn)換元件等產(chǎn)生的作用來減至最小或消除。因為磁場通過導(dǎo)磁材料比它們在空氣中或其它媒質(zhì)材料中更容易被轉(zhuǎn)移，所以，磁屏蔽”常常用具有高磁導(dǎo)率的磁性材料制作成環(huán)狀的或密閉的元件來轉(zhuǎn)移”掉其鄰近的磁力線而達(dá)到目的。圖2圓柱體內(nèi)部元件屏蔽示圖圖2所示為怎樣使一個圓

3、柱體內(nèi)部的元件對磁場進(jìn)行屏蔽保護(hù)的示意圖。在實際應(yīng)用中，圓柱體上下部的磁場都是向著屏蔽材料轉(zhuǎn)向的。在實際設(shè)計中，需要進(jìn)行磁屏蔽的典型元器件有：變壓器、電動機(jī)、簧片式繼電器、電源、放大 器、真空管、光電倍增管、磁控管、擴(kuò)音器、儀表、揚聲器、記錄磁頭、儀器、電纜、晶體管、 電波濾波器等。設(shè)備或元器件被屏蔽后的抗電磁干擾效果是根據(jù)導(dǎo)致的磁場強(qiáng)度的衰減程度來度量的。在屏蔽前后磁場強(qiáng)度的衰減量或衰減率是材料的磁導(dǎo)率，金屬的厚度和屏蔽罩（盒）的幾何尺寸的函數(shù)。在一般情況下，高磁導(dǎo)率材料是較昂貴的。鑒于這個原因，使用最低磁導(dǎo)率的材料做屏蔽罩而又證明可以達(dá)到要求的磁場衰減率就是合適的材料。但由此也可見，用一層

4、或數(shù)層較高磁導(dǎo)率的金屬做屏蔽罩，將十分可能比用價格較低的低磁導(dǎo)率的、但厚度較厚的材料作屏蔽罩之代價要小一 些。2屏蔽設(shè)計進(jìn)行屏蔽罩設(shè)計時，需要以下一些數(shù)據(jù)：首先，對其能夠衰減多少磁場強(qiáng)度必須測量或估算得出;其次，為了起到良好的屏蔽作用，必須挑選專門的形狀，典型的或相對可以預(yù)測的幾何形狀包括由于常用設(shè)計程序主要用于圓柱狀屏蔽罩的設(shè)計,但它被用于其它形狀如矩形的屏蔽罩設(shè)計時,要用其最長的對角線去替代方程中的直徑尺寸“D'。長的圓柱體和矩形殼體。當(dāng)然還有許多其它形狀如圓錐體、平板或球體通常都會被采用。開始設(shè)計屏蔽罩時，必須確定磁通密度之值（單位，高斯），也必須選擇屏蔽材料的厚度。因為 屏蔽材

5、料的卩與B的分布圖是非線性關(guān)系，工作在屏蔽罩的磁通密度必須使材料達(dá)到其峰值磁 導(dǎo)率，例如坡莫合金和 Mumetal的磁通量應(yīng)在3600高斯左右。屏蔽材料的厚度可以由下式計算確定t=1.25DH/B （英寸）1式中，B是衰減率（由屏蔽前的磁場強(qiáng)度除屏蔽后的磁場強(qiáng)度得到）。鎳含量高的磁性材料之值最小應(yīng)該達(dá)到 80,000。通過對工作在2500至3500高斯左右磁通水平的材料進(jìn)行試驗,容易得到這個數(shù)值。根據(jù)第一個方程式,B值可以計算岀來；同時，如果必須使 B值變得更合適，則可以修改屏蔽罩的直徑。設(shè)計屏蔽罩時包括的一些其它注意事項是:1）對強(qiáng)度很高的磁場可以使用多層材料做的屏蔽罩,最靠近磁場的那一層應(yīng)

6、該是能夠削弱較大磁通量的合金材料如48合金，Magnesill ；第二層應(yīng)采用高磁導(dǎo)率的材料如坡莫合金。如果有可能，應(yīng)該允許磁場發(fā)射源和最靠近它的那一層屏蔽材料之間的空隙最小（1/2 ）。習(xí)慣上，多層屏蔽材料的每層之間是以聚脂薄膜樹脂層進(jìn)行分隔的。2 ）如果屏蔽罩對磁場發(fā)射源或屏蔽目標(biāo)封閉其雜散磁場不能實現(xiàn)，則常?？梢允褂闷桨宀迦胨鼈冎g。如果平板的高度和寬度比發(fā)射源和屏蔽目標(biāo)之間的距離尺寸大得多,則可以實現(xiàn)封閉雜散磁場。3 ）用厚度W 0.006 '的金屬板 封閉”磁場時，一般是用在樣機(jī)的屏蔽，因為它們可以用手工成形（即使需用多層）。如果屏蔽罩要用機(jī)械成形，那么就可以采用較厚的材料進(jìn)

7、行屏蔽。應(yīng)該注意的是任何強(qiáng)力的機(jī)械作業(yè)（如折彎、沖壓、氦弧焊接等）都會使材料產(chǎn)生應(yīng)力，合理的加工方法是在材料加工以后進(jìn)行退火。4 ）一般來說，在低頻（60HZ ）狀態(tài)，屏蔽罩的長度對直徑的比率大于3時，將屏蔽材料的厚度從0.014 "增加到0.050"，屏蔽的效果增強(qiáng)；如果該比率低于3，增加厚度至0.025 "時,則影響磁場衰減的程度較小。3磁屏蔽材料上面已經(jīng)讀到，磁屏蔽的效果是根據(jù)設(shè)備或元器件被屏蔽后所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度的衰減程度來度量的。從磁屏蔽的要求和成本考慮，由spa ng特種金屬公司推介了多種規(guī)格的高效磁屏蔽材料供選用，包括 Mumetal 、坡莫合金 80

8、、48鎳鐵合金、Magnesill 等等。3.1選擇磁屏蔽材料的原則屏蔽材料的磁導(dǎo)率、屏蔽罩的幾何形狀、材料的厚度等都影響磁屏蔽的效果，所以，磁屏蔽材料的選擇，擬掌握以下原則和因素：1 ）要使外部磁場得到最大的衰減，要選用高磁導(dǎo)率卩的材料；2 ）屏蔽的效果也是屏蔽罩材料壁厚對屏蔽罩直徑（在采用矩形屏蔽罩的情況下則為其對角線）的比率（t/D ）的函數(shù)；3 ）如果外部磁場太高，屏蔽材料中的衰減將減小，這是因為外部磁場太高時，屏蔽材料在其中已開始接近于飽和。3.2屏蔽材料的退火經(jīng)冷軋或機(jī)械加工的高磁導(dǎo)率鎳鐵合金的磁性能將弱化。它們被用作屏蔽材料時，其磁導(dǎo)率和對磁場的衰減明顯地受退火溫度及其冷卻速度的

9、影響。因此，鎳鐵合金材料屏蔽磁場的效力可以通過改變熱處理的一個操作過程來控制。通常，退火溫度高一些其磁導(dǎo)率和衰減率也高一些。通過退火可以減小冷加工產(chǎn)生的應(yīng)力和再結(jié)晶成顆粒狀結(jié)構(gòu)。在加熱期間，必須使用保護(hù)氣體以防止損壞材料。最好的保護(hù)氣體是露點低于40 C的干燥氫氣，露點越低越好。干燥氫氣能從合金中驅(qū)除掉碳（。）、氧（O）和硫（S），使材料有光亮、清潔的表面。如果有低露點的惰性氣體也可以使用。建議在11201175C的溫度退火 4小時，以得到最佳的初始磁導(dǎo)率和最大的最高磁導(dǎo)率。退火后的零件必須小心處理，任何應(yīng)力，特別在其超過了屈服點時，都會招致磁性能的損害。退火的冷卻速率對于磁性能的影響也是重要

10、因素。對于每種合金等級，其最佳冷卻速率是不同的。48鎳鐵合金需以每小時100200 C冷卻速率冷卻，直到低于425 C。坡莫合金80和Mumetal軟磁材料對冷卻的速率更敏感些。通常情況是在100300 C的溫度范圍內(nèi)，要以每小時175450 C的速度冷卻。Spang特種金屬公司將在每一批材料的裝箱單上推薦具體的熱處理方法。3.3屏蔽用金屬箔在通常情況下，用金屬材料制造屏蔽罩是不現(xiàn)實，不經(jīng)濟(jì)或不必要的。 可以用薄型金屬箔很簡單地纏繞包圍住受磁場影響的元件來替代屏蔽罩。為了這一目的，Spa ng特種金屬公司提供有箔型坡莫合金80、Mumetal 、48鎳鐵合金和Magnesil軟磁材料。通常，用

11、退火消除了應(yīng)力的金屬箔已呈現(xiàn)岀足夠的屏蔽效力。如果要求其具有最佳磁性能，則接著要做的工作就是熱處理。為適合做成被屏蔽元器外形的屏蔽物，所提供的金屬箔是很容易切割，機(jī)械加工或手工成型的。3.4試驗屏蔽效力a. 大規(guī)格材料（ 0.014 ）ASTM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)346-64磁屏蔽試驗的標(biāo)準(zhǔn)方法，包括了標(biāo)準(zhǔn)的屏蔽試驗程序。通常，這種試驗是采用制作的或成型的屏蔽罩。簡言之，其試驗裝置由兩個直徑為4英尺的Helmholts 線圈組成，它們以等于線圈半徑的距離同軸地分開放置。此線圈用第14 #漆色線制成48匝以串聯(lián)連接成圓柱狀。耦合線圈繞制成面積為50,000 平方厘米的環(huán)形，其包含了連接地線的銅質(zhì)或鋁質(zhì)非磁性

12、薄片。耦合線圈直徑小于試驗樣品線圈直徑的一半并小于Helmholtz 線圈半徑的1/10。為了獲得最高精度，大多試驗在60HZ情況下進(jìn)行。伏特表被用來測量屏蔽物放入前后的耦合線圈上產(chǎn)生的電壓。衰減量“g'直接讀岀，g=E1/E2 ，其中E1是屏蔽物不在其位置上時測得的電壓值；E2是屏蔽物放在合適的位置上時測得的電壓值。屏蔽試驗應(yīng)在雜散磁場最小的地方進(jìn)行，而且與試驗電壓比較，雜散耦合應(yīng)很?。ㄖ辽贋? :100 ）。真空管電壓表應(yīng)與發(fā)生磁場的裝置如示波器等隔離。屏蔽試驗只要提供磁性材料一一金屬平板工作臺、手推車、工具等，且不應(yīng)該放置在試驗線圈附近。屏蔽罩應(yīng)在試驗之前與每次試驗之間去磁，即消

13、除屏蔽罩中剩余的磁場。因為所有高磁導(dǎo)率材料都是力敏材料，所以在處理屏蔽罩時必須進(jìn)行練習(xí)。在試驗期間，屏蔽罩應(yīng)完全保持在相同的磁場之內(nèi)。來自凸出部分的磁場將會導(dǎo)致錯誤的結(jié)果。b. 輕規(guī)格材料（ 0.007 '）磁導(dǎo)率數(shù)據(jù)可以供給以上的要輕規(guī)格材料用于屏蔽的磁特性是由試驗環(huán)狀疊片的磁導(dǎo)率檢驗的 求。3.5性能匯總表a.物理性能b .典型的交流磁性能下列鎳鐵合金材料的交流磁性能是典型值，是經(jīng)過合適的熱處理獲得的。c 典型的直流磁性能以下直流磁性能指標(biāo)同樣是經(jīng)過合適的退火得到的。d .典型的機(jī)械性能這些性能將影響深拉質(zhì)量和彎曲/成型等級。e .標(biāo)稱化學(xué)成份4幾種常用磁屏蔽材料介紹4.1 48鎳

14、鐵合金48鎳鐵合金是采用真空冶煉的具有高磁導(dǎo)率，高磁感應(yīng)強(qiáng)度，低損耗的含48%鎳的鎳鐵合金軟磁材料。在諸如音頻變壓器、儀表變壓器、儀表繼電器和其它多種電子設(shè)備的器件設(shè)計中要求 采用高效磁性材料時，48鎳鐵合金是理想的軟磁材料。48合金用于電動機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子疊片具有極佳的性能，用于磁屏蔽也有很好的效力。48合金制作成變壓器的疊片磁心或帶繞磁心，在被用于直流狀態(tài)或1600HZ 及以下頻率時，通常軋制成0.004英寸（0.1mm）或略厚一些的板材或帶材。對于有特殊使用要求如用于2000KHZ 以上頻率時，48合金將制作成 0.0005 英寸（0.01mm）厚度的極薄材料。48合金具有高于500高斯的

15、相對穩(wěn)定的磁導(dǎo)率，這一性能指標(biāo)可以通過低溫（1300 °F 1400T，700 °C 750 C）退火獲得。4.1.1 48 鎳鐵合金是優(yōu)質(zhì)軟磁材料48合金是在嚴(yán)格控制下采用真空治煉技術(shù)并經(jīng)成批熱處理生產(chǎn)的，故保證了產(chǎn)品性能的一致性 和可重復(fù)性。技術(shù)成熟的窄帶成型機(jī)、氫氣退火爐等成套設(shè)備與技術(shù)推進(jìn)了48合金材料的發(fā)展。48合金可以用于多種有特殊性能要求的磁性器件中。48合金的高質(zhì)量指標(biāo)保證它通過了MIL 1 45208 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的檢驗。Spa ng com公司為優(yōu)化產(chǎn)品的性能和最終取得優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，結(jié)合其30多年以來生產(chǎn)高磁導(dǎo)率磁性材料的經(jīng)驗開發(fā)岀了48合金48合金滿足并超過了

16、 ASTMAT53 85 H型合金的所有指標(biāo)要求，與MIL N 14411C 合成材料同樣優(yōu)良。4.1.2 48 鎳鐵合金的現(xiàn)有類型、規(guī)格、性能為了應(yīng)用的需要，48鎳鐵合金被加工成如下三種應(yīng)用類型：a.用作電感磁心：用于帶繞電感磁心，制作高級的帶繞磁心和變壓器疊片磁心；這類48合金保留了優(yōu)良的特性。b 用于電機(jī)的轉(zhuǎn)子、定子，屬于非定向型材料。這是一類特殊要求的磁性材料。c 用于磁屏蔽的材料：為了形成磁屏蔽結(jié)構(gòu)，需要對材料進(jìn)行拉伸、成型和彎曲等深加工操作 處理。d 現(xiàn)有材料尺寸和規(guī)格e. 典型的磁性能（1）注：（1 ）為適合的退火后的磁性能；（2 ）環(huán)狀疊片磁心；（3 ） 1.25 ” （外徑）

17、X T （內(nèi)徑）X 0.25 ” （高度）環(huán)形磁心f. 熱處理為了獲得所要求的磁性能和電性能，用48鎳鐵合金制造元件需要在保護(hù)氣體的氛圍中進(jìn)行退火，最佳的氣體是游離氧氣，具有 -40 C以下露點的干燥氫氣。建議在 2050 T2150 °F（ 1120 °C 1175 C）的溫度下進(jìn)行 24 小時的退火處理， 并以每小時180 F 360 F （100 C 200 C） 的速度隨爐冷卻，直到 800 F（ 427 C）取岀。g . 48鎳鐵合金的物理特性比重（g/cm3 ）8.2密度(1b/i n3 )0.294電阻率 ohm/cir mil-ft290microhm-cm

18、48電阻溫度系數(shù)/ F( 0930 F)0.002/ C(-20500 C) 0.0036比熱0.12熱導(dǎo)率 BTU/in /ft2/hr/F90cal/cm3/sec/°C0.03居里溫度932 °F( 500 C)融點2600 F( 1427 C)h .典型的機(jī)械性能 冷軋退火抗張強(qiáng)度：ksi13085kg/mm29160延伸率% , in2 "525彈性模量，張力：Psi X10624.024.0Kg/cm21.71.7硬度，RB10068 i.標(biāo)稱化學(xué)成份鎳48%炭0.02%錳0.25%硫0.001%鐵平衡量j .用于電感磁心的 48鎳鐵合金矩形回線磁心材

19、料與應(yīng)用于電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子和磁屏蔽的48鎳鐵合金材料比較，這種經(jīng)特殊加工過的電感磁心材料呈現(xiàn)出更高的磁導(dǎo)率，提高了矩形比，有不平常的飽和磁通密度和更小的磁心損耗。其成熟的產(chǎn)品有7.58 英寸寬的0.0005，0.001，0.002 和0.004 英寸厚度的材料。人們發(fā)現(xiàn)，用于電感磁心的48合金材料可用來制作電流互感器，脈沖變壓器及諸如非接觸式磁電抗器等很多特種器件領(lǐng)域。這類材料具有高于標(biāo)準(zhǔn)變壓器鋼（3%硅鋼）的許多實質(zhì)性優(yōu)點，完全保持了80%鎳鐵合金高級材料的成本優(yōu)勢。事實上，電感磁心的性能指標(biāo)可以做岀一些輕微讓步。與80%鎳合金磁心比較，因電感磁心用的48合金有較高的磁通密度，故其尺寸減小了1

20、/2。這種材料可以使用于有更高性能要求的元器件中。4.2 Mumetal 軟磁合金Mumetal是有著很高磁導(dǎo)率的軟磁合金，其組成成份包括 76%的鎳以及鉻、鐵和銅等添加物。這種合金材料滿足 ANSI/ASTM A753 85 3# 合成材料和 AMS7701 ，MIL specMIL-N-14411C 2#合成材料等技術(shù)規(guī)范的要求。4.2.1 Mumetal的應(yīng)用領(lǐng)域典型的應(yīng)用如下：a. 磁屏蔽b .變壓器磁心疊片c. 繼電器d .濾波器4.2.2 典型的性能a .直流磁性能（經(jīng)過用推薦的方法退火以后）飽和磁通密度8000高斯1奧斯特的矯頑力0.01奧斯特40高斯時的磁導(dǎo)率 8000最大磁導(dǎo)

21、率>250000居里溫度400 Cb 物理性能密度 8.6g/cm30.3051b/in3電阻率 55 microhm cm331 ohm circ mil/ft熱膨脹系數(shù)（20 °C 100 °C）12.5 X10-6/ °C熱導(dǎo)率 0.34W/cm/ Cc .機(jī)械性能冷軋彎曲成型（回火）完全退火抗張強(qiáng)度（K.S.I ）1308575延伸率（% in2"）23040硬度RB1007455e.承諾的性能經(jīng)正確的退火后，在 100高斯磁通密度，直流狀態(tài)下試驗時，用于屏蔽規(guī)格之材料的最小直流磁導(dǎo)率是70000。423 熱處理Mumetal的磁性能是確定

22、的退火狀態(tài)的函數(shù)。因此，在產(chǎn)品制成之后，為了得到最佳磁性能，元件必須經(jīng)過熱處理。在純凈干燥氫氣氛圍中（其露點<-40 C）,以1100 °C1180 C的溫度退火4小時，之后建議在 700300 C溫度范圍內(nèi)以 35 C /分的速率冷卻，此時，所得到的磁 性能是最好的。4.3坡莫合金80坡莫合金80是鎳鐵的合金，它呈現(xiàn)很高的初始的和最大的磁導(dǎo)率，以及在低磁場強(qiáng)度下最小的磁心損耗。這種用真空冶煉的產(chǎn)品在應(yīng)用于以下列舉的磁心和屏蔽材料時，也具有尺寸小和重量輕等優(yōu)點。坡莫合金 80符合ASTM A753-85 4# 合金和MIL-N14411C 1# 合金的指標(biāo)。4.3.1 坡莫合金80的應(yīng)用領(lǐng)域坡莫合金80在呈現(xiàn)低矯頑力的情況下，存在初始的和最大