低频电磁屏蔽实践

内容摘要： 　　低频电磁屏蔽机理讨论及计算方法推导；低频电磁屏蔽与其它屏蔽的差异比较；实际工作中的注意事项 　　关键词： 　　低频电磁屏蔽，屏蔽体，磁路并联旁路分流，开口设计 　　一．前言 　　许多专业文献在分析低频电磁屏蔽机理的机理时沿用了中高频电磁屏蔽概念和计算方法，致使计算和设计与实际结果偏差很大。有些中高频电磁屏蔽理念被盲目照搬到低频领域，造成误解和错误。 　　相对于静电屏蔽或中高频电磁屏蔽而言，消除或减少低频电磁干扰的难度更大。在设计中高频电磁屏蔽时，要衰减80dB（10-4）是轻而易举的事；但是做一个低频电磁屏蔽时，能够把干扰减少到原来的20%往往就可以满足使用要求，要把干扰减少到原来强度的1%以下是相当困难的。 　　凡是有电源的地方、有用电设备的地方、几百米内有高压电线的地方、几十米内有地下电缆的地方，甚至只有金属管道和金属梁架的地方，都可能有高达数十以至数百毫高斯的低频电磁干扰。低频电磁干扰的强度变化常常无规律可循，短时间内就会有相当大的上下波动；低频电磁干扰的来源往往难以确定，这样就更增加了屏蔽设计的难度。 　　本文重点讨论屏蔽体内体积为40～120m3，屏蔽前磁场强度在0.5～50mGauss p-p(毫高斯峰-峰值) 范围的低频（低于0～200Hz）电磁场屏蔽的实际应用。 　　在本文讨论的情况下，导磁材料可能被电磁干扰的直流分量磁化，但不会饱和；低于0.5mGauss p-p的磁场认为可以忽略不计；其它频率的磁场以直流或中高频磁场泛指。 　　二．低频电磁屏蔽与其它屏蔽的差异比较 　　1． 低频电磁场 　　根据电磁波传输的基本原理，在频率很低的时候，趋肤效应(波从表面进入导电媒质越深，场的幅度就越小，能量就变得越小，这一效应就是趋肤效应。良导体中的电磁波只存在于导体表面,高频电路中，传导电流集中到导线表面附近的现象, 称为“集肤效应”。交变电流通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大。这种现象称“趋肤效应”。趋肤效应使导体的有效电阻增加。频率越高，趋肤效应越显著。当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，电阻增大。既然导线的中心部分几乎没有电流通过，就可以把这中心部分除去以节约材料。因此，在高频电路中可以采用空心导线代替实心导线。此外，为了削弱趋肤效应，在高频电路中也往往使用多股相互绝缘细导线编织成束来代替同样截面积的粗导线，这种多股线束称为辫线。在工业应用方面，利用趋肤效应可以对金属进行表面淬火。)、磁滞损耗(放在交变磁场中的铁磁体，因磁滞现象而产生一些功率损耗，从而使铁磁体发热，这种损耗叫磁滞损耗。铁磁材料在磁化过程中由磁滞现象引起的能量损耗。磁滞指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化强度滞后于磁场强度，它的磁通密度B与磁场强度 H之间呈现磁滞回线关系。经一次循环，每单位体积铁心中的磁滞损耗等于磁滞回线的面积。这部分能量转化为热能，使设备升温，效率降低，这在交流电机一类设备中是不希望的。软磁材料的磁滞回线狭窄，其磁滞损耗相对较小。硅钢片因此而广泛应用于电机、变压器、继电器等设备中。)以及反射损耗(反射损耗是指由于屏蔽的内部反射导致的能量损耗的数量，他随着波阻和屏蔽阻抗的比率而变化)都很小，低频电磁波的能量基本由磁场能量构成。所以这时我们所要屏蔽的应该是电磁波的磁场分量(电磁屏蔽的原理是由金属屏蔽体通过对电磁波的反射和吸收来屏蔽辐射干扰源的远区场，即同时屏蔽场源所产生的电场和磁场分量。由于随着频率的增高，波长变得与屏蔽体上孔缝的尺寸相当，从而导致屏蔽体的孔缝泄漏成为电磁屏蔽最关键的控制要素;用钢制机柜进行屏蔽时，由于能为所有连接面提供一条由一个面至另一个面的高导电路径，所以电流仍保持在机箱外侧。这种导电路径是用特殊的衬垫和在连接表面进行导电涂敷而建立的， 　　导电路径的任何中断都将使屏蔽效能降低，它取决于缝隙或孔洞尺寸与信号波长之间的关系。对于较低频率或较长波长来说，如果只有一个小孔则不会明显降低屏蔽效能；对于高频或较短波长来说，屏蔽效能的下降将是很剧烈的。 　　举一个例子，屏蔽体上如果有一个直径为15mm的孔洞，对于10MHz信号（波长为30m）来说，将仍然能提供60dB屏蔽效能，但对于1GHz信号（波长为30mm）来说，若要保持同样的屏蔽效能，则孔径不能超过0.15mm。直径为15mm的孔对于1GHz信号只能提供20dB衰减。 　　如果不止一个孔洞，而且孔距小于信号半波长时，屏蔽效能将进一步降低。如果高频信号波长时，屏蔽效能将进一步降低。如果高频信号要求足够的衰减，则不应采用为了通风目的的孔洞。 　　图2.2表示RFI/EMI能量是如何通过吸收、反射和传导而耗散的。屏蔽效能及其产生的衰减与频率、源与屏蔽体的距离、屏蔽体的厚度以及屏蔽材料等有关。由于增加了对RFI/EMI能量的反射和吸收的总和，使所传输的电磁能量减小。哪些材料能提供最好的屏蔽效能是一个相当复杂的问题。很明显这种材料必须具有良好的导导性，所以未处理过的塑料是无用的，因为电磁波能直接通过它。当然，可以采用金属。然而，应当记住，不能只考虑导电性，其理由就在于，电磁波不但有电场分量，还有磁场分量。要知道高导磁率和高导电率同样重要，高导磁率的意思就是磁力线的高导通性。钢是一种良导体，而磁导率的量级也会令人满意。它也是相对廉价并能提供很大机械强度的材料，所以有理由利用钢材，廉价的获得满意的屏蔽效能。 应当注意，低频电磁波比高频电磁波有更高的磁场分量。因此，对于非常低的干扰频率，屏蔽材料的导磁率远比高频时更为重要。) 　　屏蔽低频（如工频）电磁干扰的基本原理是磁路并联旁路分流。通过使用导磁材料（如低碳钢、硅钢等）提供磁旁路来降低屏蔽体内部的磁通密度。同时尽量增大涡流损耗，使一部分能量转化为热能消耗掉。 　　导电率高而导磁率低的材料（如铜、铝等）对电磁波的磁场分量几乎没有屏蔽作用。 　　屏蔽材料越厚则磁阻越小、涡流损耗越大，屏蔽效果越好。 　　2． 直流磁场 　　当低频电磁场频率降低至0Hz时，低频电磁场转变为直流磁场。磁化、磁饱和、无磁滞损耗、无涡流损耗(铁磁材料置于交变磁场中时，磁畴相互间不停地摩擦、消耗能量、造成损耗，这种损耗称为磁滞损耗)等等，使直流磁场的屏蔽比低频电磁场屏蔽更加困难。一般选择尽量避开直流磁场干扰源。在条件允许的情况下，也可以用导磁材料把直流磁场干扰源包围，使它发散出来的磁力线在导磁材料内部形成一个闭环回路，减少它对外界的干扰。 　　导磁材料的结构和设备被磁化后也会产生直流磁场，现场实测时经常会发现这种情况，但是一般强度不大于0.5mGauss。 同时这种磁场往往是长期稳定的，对仪器设备的干扰不大，所以有时可以忽略这种直流磁场的影响。 　　3． 中高频电磁场 　　在这个范围里（一般是从1000Hz到1MHz），电磁波的能量比重逐渐由磁场分量向电场分量倾斜，趋肤效应、磁滞损耗还有反射损耗等逐渐显得不可继续忽略了，频率变化的影响也不像在低频范围里那样可以忽略不计了，屏蔽机理也随之逐渐由侧重屏蔽磁场分量转向侧重屏蔽电场分量。 　　4． 高频电磁场 　　高频（1MHz以上）电磁波除了具有低频电磁波的电磁感应特性外，还具有低频电磁波很少具有的折射性和反射性。 　　根据电磁波传输的基本原理，在频率很高的时候，趋肤效应、涡流损耗以及反射损耗和折射损耗都将在屏蔽机理中有充分的表现。高频电磁波的能量基本由电场分量构成。所以这时我们所要屏蔽的是电磁波的电场分量。 　　屏蔽高频电场干扰的基本原理是容抗并联旁路。通过在干扰源与被屏蔽点之间加入一个屏蔽层，并使屏蔽层对地容抗无限小（等效屏蔽层接地），来保护被屏蔽点不受干扰源通过杂散分布电容而耦合过来的干扰。 　　屏蔽材料可以用导电性良好的铝、铜、锡、银等，材料厚度对屏效影响不大。 　　5． 静电屏蔽 　　静电屏蔽比较简单。用金属板（或者箔、网）形成一个屏蔽腔体，腔体与被屏蔽设备的外壳共同接地。 　　静电屏蔽的基本原理是消除电势差，将所有的电荷泄放入地。 　　三．几种低频屏蔽方法综合评估 　　1． 低导磁率材料（如低碳钢板等）屏蔽 　　低碳钢板的导磁率在4,000左右。低碳钢板机械性能好，可焊性好，易加工，价格便宜，购买方便。在不必考虑屏蔽体的厚度和重量时，绝对应该是低频电磁屏蔽材料的首选。 　　2． 高导磁率材料（如硅钢板等）屏蔽 　　热轧硅钢板的导磁率为6,000～8,000，冷轧硅钢板的导磁率为12,000～20,000，选用冷轧硅钢板理论上屏蔽体厚度可以降低为低碳钢板的1/3到1/5。硅钢板价格昂贵，材质硬、脆，延展性差，可焊性可加工性远远不如低碳钢板。在敲击、折弯、开孔和焊接后，如果不进行热处理，导磁率将大大下降。现场施工一般不是焊接而是平铺搭接，但是即便搭接面很宽，因为空气隙的存在，也仍然会使整体的导磁率下降。 　　冷轧硅钢板还有晶向不一致的缺点，即钢板轧制方向上与侧面垂直方向上的导磁率不一样，一般用多层交叉重叠法来解决这个问题。但这又增加了施工难度，增加成本；同时增大空气间隙减少涡流损耗，降低屏蔽效果。 　　综上所述，在低频电磁屏蔽室的设计中，使用硅钢板往往是事倍功半的，一般不建议采用。 　　3． 有源消磁器消磁 　　有源消磁器由探测器、反相消磁线圈和控制器等几部分组成。探测器检测到磁场的三维场强，控制器根据得到的信息产生波形和幅度相同、相位相反的电流，反相消磁线圈产生波形和幅度相同、相位相反的磁场将原来的磁场抵消。 　　有源消磁器安装简便灵活，但因其工作原理所限，在控制上有一定的滞后，调试工作有一定的难度，均匀性和稳定性等方面还有一些问题。 　　四．低频电磁屏蔽设计 　　屏蔽体的材料选择： 　　根据以上的讨论，如无特殊情况，一般选择低碳钢板。 　　因为整体材料的涡流损耗比几层叠加（厚度相同）的涡流损耗要大，所以如无特殊情况不选用薄的多层材料而选用厚的单层材料。