《工程電磁兼容》課件-第7章

第7章搭接技術(shù)及其應(yīng)用7.1搭接的一般概念7.2搭接的有效性7.3搭接的實施7.4搭接的設(shè)計

7.5搭接質(zhì)量的測試習(xí)題

7.1搭接的一般概念

搭接(bonding)是指兩個金屬物體之間通過機械、化學(xué)或物理方法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)連接,以建立一條穩(wěn)定的低阻抗電氣通路的工藝過程。搭接的目的在于為電流的流動提供一個均勻的結(jié)構(gòu)面和低阻抗通路,以避免在相互連接的兩金屬件間形成電位差,因為這種電位差對所有頻率都可能引起電磁干擾。

良好搭接是減小電磁干擾、實現(xiàn)電磁兼容性所必需的。良好搭接的作用在于:

(1)減少設(shè)備間電位差引起的騷擾。

(2)減少接地電阻,從而降低接地公共阻抗騷擾以及各種地回路騷擾。

(3)實現(xiàn)屏蔽、濾波、接地等技術(shù)的設(shè)計目的。

(4)防止出現(xiàn)雷電放電的危害,保護設(shè)備和人身安全。

(5)防止設(shè)備運行期間的靜電電荷積累,避免靜電放電騷擾。

為了說明良好搭接(goodbonding)的重要性,下面舉一個由不良搭接(poorbonding)導(dǎo)致波電路失效的例子。圖7－1中,干擾源(interferencesource)與敏感設(shè)備(susceptibleequipment)之間接一Π型濾波器(Π-Sectionfilter)。該濾波器是一個低通濾波器,其作用是濾除設(shè)備電源線中的高頻騷擾分量。在高頻情況下,旁路電容器的電抗呈低阻抗,出現(xiàn)在電源線上的干擾信號沿著通路①被旁路至地。因此,干擾信號不會到達敏感設(shè)備,達到了濾波的目的。但是,如果搭接不良,搭接處(join)就會形成搭接阻抗ZB=RB+jωLB,當(dāng)搭接阻抗大到一定值時,將有干擾電流經(jīng)圖中通路②到達敏感設(shè)備,使濾波器起不到隔離干擾的作用。圖7－1不良搭接對電源濾波器性能的影響

搭接方法(bondingmethods)可分為永久性搭接(permanentjoints)和半永久性搭接(semi-permanentjoints)。永久性搭接是利用鉚接(rivet)、熔焊(welding)、釬焊(soldering)、壓接等工藝方法,使兩種金屬物體保持固定連接。永久性搭接在裝置的全壽命期內(nèi)應(yīng)保持固定的安裝位置,不要求拆卸檢查、維修或者作系統(tǒng)更改。永久性搭接在預(yù)定的壽命期內(nèi)應(yīng)具有穩(wěn)定的低阻抗電氣性能。半永久性搭接是利用螺栓、螺釘、夾具等輔助器件使兩種金屬物體保持連接的方法,它有利于裝置的更改、維修和替換部件,有利于測量工作,可以降低系統(tǒng)成本。

搭接類型(bondtypes)為兩種基本類型:直接搭接(thedirectbond)和間接搭接(theindirectbond)。直接搭接是指兩裸金屬或?qū)щ娦院芎玫慕饘偬囟ú课坏谋砻嬷苯咏佑|,牢固地建立一條導(dǎo)電良好的電氣通路。直接搭接的連接電阻的大小取決于搭接金屬的接觸面積、接觸壓力、接觸表面的雜質(zhì)和接觸表面硬度等因數(shù)。實際工程中,有許多情況要求兩種互連的金屬導(dǎo)體在空間位置上分離或者保持相對的運動,顯然這一要求妨礙了直接搭接方式的實現(xiàn)。

此時,就需要采用搭接帶(搭接條,abondstrap)或者其他輔助導(dǎo)體將兩個金屬物體連接起來,這種連接方式稱為間接搭接。間接搭接的連接電阻等于搭接條兩端的連接電阻之和再加上搭接條的電阻。搭接條在高頻時呈現(xiàn)很大的阻抗,所以高頻時多采用直接搭接。設(shè)備需要移動或者抗機械沖擊時,需要間接搭接。熔接、焊接、鍛造、鉚接、拴接等方法都可以實現(xiàn)兩金屬間的裸面接觸。因此,搭接前需要對搭接體表面進行凈化處理,有時還要在搭接體表面鍍銀或金來覆蓋一層良導(dǎo)電層。

7.2搭接的有效性

在直流情況下,我們只關(guān)心搭接的直流電阻。然而,隨著頻率的增大,集膚效應(yīng)使這一電阻變大。同時,搭接處呈現(xiàn)的自感、搭接面之間存在的電容都會對搭接的有效性產(chǎn)生影響。因此,射頻段搭接的有效性(bondingeffectiveness)不完全取決于其直流電阻。當(dāng)搭接長度l遠小于波長,即l?λ時,搭接的高頻等效電路如圖7－2所示。圖7－2搭接的高頻等效電路

圖7－2中搭接電阻取決于搭接條的電阻率、半徑和集膚深度,即

式中,ρ為電阻率(單位為Ω·m);a為半徑(單位為m);δ=(2ρ/ωμ)1/2,為集膚深度(單位為m);l為長度(單位為m)。搭接條的電感LS

是搭接條物理結(jié)構(gòu)的函數(shù),而電容CS是搭接面的面積及搭接面間距的函數(shù)。

通常用搭接條的直流電阻(theDCresistanceofabond)表示搭接質(zhì)量。例如,某些軍事規(guī)范要求直流搭接電阻小于0.1Ω,以預(yù)防沖擊危害。MIL-B-5087-B要求直流搭接電阻小于2.5mΩ。在有閃電、爆炸、火災(zāi)危害傾向的區(qū)域,如果電源線對地短路,允許的電阻取決于最大的故障電流。如果直流電阻大約為0.25~2.5mΩ,通常就能實現(xiàn)良好的射頻搭接(agoodRFbond)。

搭接電阻的基本表達式為

式中,A是搭接條的橫截面面積(單位為m2)。搭接條的射頻電阻遠大于直流電阻。

【例7－1】比較頻率為1MHz時直徑為1.29mm的導(dǎo)線的射頻電阻與其直流電阻。

【解】設(shè)導(dǎo)線的電阻率ρ=1.724Ω·m。當(dāng)頻率f=1MHz時,其集膚深度δ=(2ρ/ωμ)1/2=6.608×10-5m。代入公式(71),計算得其射頻電阻為

計算知此導(dǎo)線的直流電阻為

比較可見1MHz時直徑為1.29mm的導(dǎo)線的射頻電阻約為其直流電阻的5倍。

許多接頭的重要特性是它們有攜帶突發(fā)的大故障電流的能力。在用螺栓實現(xiàn)搭接的地方,對于100A的電流,螺栓的直徑至少為0.65cm;對于200A的電流,螺栓的直徑至少為1.0cm。電動機的啟動電流通?？蛇_幾百安培,如果搭接點的電流容量很小,那么當(dāng)大電流通過此搭接點時,該點將發(fā)熱而成為一個“熱點”,嚴重時可使該點達到白熾的程度,使附近金屬熔化,甚至引燃附近的易燃氣體而造成故障。因此,在搭接時必須考慮搭接點的電流容量。圖7－3給出了對應(yīng)不同故障電流時,搭接電阻的最大允許值及可能引燃易爆氣體的電阻量級。圖7－3對于設(shè)備與結(jié)構(gòu)搭接,故障電流與最大允許電阻的關(guān)系

接頭自身的感抗是感性的。非磁性材料圓橫截面的直搭接條(astraightbondingstrap)的電感表示如下:

式中:l為搭接條長度(單位為cm);d為導(dǎo)線直徑(單位為cm)。

在低頻情況下,矩形橫截面直搭接條(StraightRectangularBar)的電感(設(shè)搭接條的集膚深度遠大于搭接條的厚度,即δ?c)為

式中:b為搭接條的寬度(單位為cm);c為搭接條的厚度(單位為cm);l為搭接條的長度(單位為cm)。

對于接頭長度接近λ/4的頻率,接頭起傳輸線的作用,駐波(standingwaves)存在于接頭上。

為了使接頭的阻抗最小,通常應(yīng)減小設(shè)備外殼到地的間距,或者減小搭接條的長度與寬度的比,以盡可能使搭接條的電容與電感比值高。搭接條的長度最好不要超過其長度的5倍。

在大多數(shù)情況下,搭接電感不要超過0.025μH。

7.3搭接的實施

7.3.1搭接的電化學(xué)腐蝕原理

當(dāng)兩種不同的金屬互相接觸時,會出現(xiàn)一種質(zhì)變,即腐蝕(corrosion)。所謂腐蝕,是指在電化學(xué)序列(theelectrochemicalseries)中,屬于不同組的兩種金屬(見表7－1)在溶液(起電解液作用)存在情況下相互接觸,形成了一個化學(xué)電池,而使金屬逐漸產(chǎn)生原電池腐蝕和電解腐蝕。能起電解液作用的液體有鹽水、鹽霧、雨水(雨水能夠攜帶許多雜質(zhì)而使金屬表面上的各種雜質(zhì)濕潤)、汽油等。

表7－1常見金屬的電化學(xué)序列

(按對腐蝕的靈敏度大小遞減排序)第一組鎂第二組鋁及其合金鋅鎘第三組碳鋼鐵鉛錫及錫鉛焊料第四組鎳鉻不銹鋼第五組銅銀金鉑鈦

腐蝕的程度取決于兩種不同金屬在電化學(xué)序列中的組別和接觸時所處的環(huán)境。適當(dāng)?shù)馗淖冞@兩個因素,可使搭接的腐蝕減小。在電化學(xué)序列中,同一組的兩種金屬接觸時不會發(fā)生明顯的腐蝕現(xiàn)象。如果是不同組的兩種金屬接觸,則在表7－1中,前面組別中的金屬將構(gòu)成一個陽極,而且受到較強的腐蝕;后面組別中的金屬將構(gòu)成一個陰極,相對而言它不受腐蝕。組別相差越遠的兩種金屬接觸時的腐蝕越嚴重。

因此,兩個相接觸的金屬材料,應(yīng)盡量選擇表7－1中同一組別的金屬或者相鄰組別中的金屬。如果需要將第二組金屬(例如鋁)機殼與第四組金屬(例如不銹鋼)框架搭接,可在兩金屬表面間放入一個第三組金屬(例如鍍錫)墊圈,這樣即使保護層損壞,受腐蝕的也將是線圈,而不是鋁殼,因而可以保護機殼。此外,當(dāng)兩種不同金屬搭接時,陰極和陽極的相對面積選擇也是很重要的。陰極越大意味著電子流量越大,因此,陽極處的腐蝕作用越嚴重。減小陰極接觸面積可以使電子流量減小,從而減輕腐蝕。

7.3.2搭接表面的清理和防腐涂覆

為了獲得有效而可靠的搭接,搭接表面必須進行精心處理,其內(nèi)容包括搭接前的表面清理和搭接后的表面防腐處理。

搭接前的表面清理主要清除固體雜質(zhì),如灰塵、碎屑、纖維、污物等,其次是有機化合物,如油脂、潤滑劑、油漆和其他油污等,還要清除表面保護層(finish)和電鍍層,如鋁板表面的氧化鋁層以及金、銀之類的金屬鍍層。

搭接完成后,為了保護搭接體,在接縫表面往往進行附加涂覆(例如涂油漆或者電鍍)。應(yīng)注意的是,若僅對陰極(cathode)材料進行涂覆,會在涂覆不好的地方引起嚴重的腐蝕。因此,當(dāng)不同金屬接觸時,特別應(yīng)對兩種金屬表面(陽極(anode)和陰極表面)都加涂覆,如圖7－4所示。圖7－4不同金屬搭接處的涂覆．

7.3.3搭接的加工方法

兩種金屬材料搭接的加工方法很多,按接合作用原理可分為物理、化學(xué)、機械三類不同的原理。

物理加工方法主要有熔焊和釬焊。熱熔接合是通過氣體燃燒和電弧加熱使兩種金屬熔化并流動,形成連續(xù)的金屬橋的加工工藝,其接合處的電導(dǎo)率高、機械強度好、耐腐蝕,但加工成本高。常用的熔焊加工方法有氣焊、電弧焊、氬弧焊、放熱焊等。釬焊是一種金屬焊接工藝,它把連接的金屬表面加熱到低于熔點的溫度,而后施加填充的金屬焊料和適當(dāng)?shù)暮竸?通過焊料與連接金屬表面的緊密接觸實現(xiàn)接合。

機械加工方法有螺栓連接、鉚接、壓接、卡箍緊固、銷鍵緊固、擰絞連接等。

化學(xué)加工方法主要采用導(dǎo)電黏合劑。它是一種具有兩種成分的銀粉填充的熱固性環(huán)氧樹脂,經(jīng)固化后成為一種導(dǎo)電材料。通常它用于搭接金屬的表面,既使之黏合,又形成導(dǎo)電良好的低電阻通路。黏合劑不僅具有很好的防腐能力,還具有很強的機械強度。有時將它和螺栓結(jié)合使用,效果更佳。

7.4搭接的設(shè)計

搭接技術(shù)是抑制電磁干擾的重要措施之一,因此必須把搭接設(shè)計納入系統(tǒng)設(shè)計中。首先,搭接設(shè)計應(yīng)結(jié)合設(shè)備和系統(tǒng)的整體布局,綜合電磁兼容性設(shè)計的要求和指標,考慮屏蔽、接地、濾波的需要,合理設(shè)計搭接點的布局和配置;其次,搭接設(shè)計應(yīng)滿足搭接的有效性和可靠性要求。

搭接質(zhì)量的有效性和可靠性主要取決于搭接點的連接電阻。影響搭接點連接電阻的主要因素有搭接結(jié)構(gòu)、金屬表面的處理情況、搭接加工方法、環(huán)境條件和通過接頭的電流頻率和幅值等。

表7－2列舉了20種典型搭接結(jié)構(gòu),供讀者參考。

7.5搭接質(zhì)量的測試

關(guān)于搭接質(zhì)量的測試,目前用得最多的是采用四端法直接測量搭接點的直流或者低頻搭接電阻。由圖7－5可知,恒流源在被測搭接點(線、面)上形成電壓降,用高靈敏度的數(shù)字電壓表測出該電壓