（材料学专业论文）一种新型静磁屏蔽测量装置的设计与静磁屏蔽材料的研究.pdf

摘要 摘要 本论文旨在开发一种新型的静磁场屏蔽效能测量装置及测试方法，为工程测 量磁屏蔽效能提供统一的标准。本论文首先介绍了磁屏蔽的相关理论，分析了静 磁场，工频磁场的屏蔽原理以及影响材料的屏蔽效能的各种因素。对影响材料屏 蔽效能的各种因素如磁导率的大小、磁损耗、磁性材料厚度、磁化强度、辐射距 离、磁场强度等进行了合理的分析，确定了测试装置的尺寸为屏蔽桶长度和厚度 分别为l o o m m l o m m ，感应线圈通过电流可达到i o a 。针对目前静磁场的屏蔽 效能测试方法的不足之处，设计出一种新型的磁屏蔽效能测试方法，并对测试频 率范围、测试布置、测试步骤、测试数据处理进行了论述。根据仿真分析和实验 制造了静磁场屏蔽效能测试装置。并对测试条件、测试位置、测试误差等进行了 分析与改进。 本文利用c s t 仿真软件对屏蔽测量装置和探头进行了建模，通过两种模型 对静磁场源设定、线圈匝数、电流大小，磁场的变化的仿真求解等进行了具体的 仿真，定性的分析了不同尺寸的屏蔽材料放入测试装置后对初始磁场的扰动情 况，利用c s t 的仿真方法对测量位置所产生的测量误差进行了详细的分析，确 定了方案一的测试区域在一定范围内变动时不影响测试结果，方案二的测试区域 则必须固定的测试原则，并对磁屏蔽材料进行了分析与研究。在仿真的基础上总 结出了磁性材料的各种参数对屏蔽效能的影响，给出了选用磁屏蔽材料的原则。 关键词：测试装置；屏蔽效能：测量方法：磁导率 a b s t r a c t - - 一i i i i i；i 二i i iii ： 一一o ! 曼苎鼍! 曼! 詈曼! 鼍曼! 鼍! 曼蔓曼曼曼曼苎皇曼! ! 苎曼 a b s t r a c t t h i sp a p e rs e e k st od e v e l o pa l le f f e c t i v em e t h o dt ot e s tt h em a g n e t i cs h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s sf o re n g i n e e r i n gs u r v e y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et h e o r yo fm a g n e t i c s h i e l d i n g w h i c hi n c l u d e s l i n e - f r e q u e n c ym a g n e t i cf i e l dm a g e t o s t a t i cf i e l d a n a l y z e st h ef a c t o r sw h i c hh a v e i m p a c t so nt h es h i e l d i n gt h e o r y ，t h e r ea r el o t so ff a c t o r s ，w h i c ha r en o to n l yt h e p e r m e a b i l i t ya n da b s o r p t i o nl o s s ，b u ta l s ot h et h i c k n e s so fm a g n e t i cs u b s t a n c e ， i n t e n s i t y o fi n d u c e dm a g n e t i z a t i o n ，c o e r c i v ef o r c e ，d i s t a n c eo fr a d i a t i o ns o u r c e ， i n t e n s i t yo fm a g n e t i cf i e l d w ea n a l y z e dt h et e s t i n gp r i n c i p l e so ft h em a t e r i a ls h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s ，a n d t h e nt h ep r e s e n ts h i e l d i n gt e s tm e t h o d sh a v ea n a l y z e da n dc o m p a r e d b e c a u s eo ft h e i n a d e q u a c yo ft h et e s tm e t h o d sw h i c hi s t os t a t i o n a r ym a g n e t i cf i e l ds h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s t h e t e s t i n g d e v i c ed i m e n s i o nw a sc a l c u l a t e di n c l u d e sl e n g t ha n d t h i c k n e s si s10 0 m m 10 m m ，t h ei n d u c t a n c ec o i lc u r r e n tf l o wi s10 a f o rt h ed e f i c i e n c yo ft e s t i n gm a n n e r ，i ti si m p r o v e m e n tan e wt e s t i n gm a n n e r w ea l s od i s c u s s e dt h et e s t i n g 丹e q u e n c yr a n g e ，t e s t i n gl a y o u t ，t e s tp r o c e d u r e ，t e s td a t a o fp r o c e s s i n ga n ds e t u pt h et e s ts y s t e mo fm e a s u r e m e n tf o rs h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s so f t h em a g n e t i cm a t e r i a l s e t u ps h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s st e s t i n gs y s t e mo fs t a t i o n a r y m a g n e t i cf i e l d ，b e c a u s et h ea i ri sb a dc o n d u c t o ro fm a g n e t i ch y s t e r e s i s ，a n dm a g n e t i c f i e l di sn o n h o m o g e n e o u s ，d i f f e r e n to fp r o b et e s t i n gp o i n tw i l lm a k eb a dr e m o l d i n go f t h em a g n e t i cf i e l da n dm e a s u r e m e n te r r o r ，s ow ee x t r a c tt h er e q u i r e m e n tf o rt e s t i n g p o i n t i nt h i st h e s i st h es h i e l d i n gt e s t i n gd e v i c ea n dt h ep r o b et e s t i n gp o s i t i o na r e s i m u l a t e du s i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r ec s t t h es i m u l a t i o nm o d eo ft h em a g n e t i c s h i e l d i n gt e s t i n gd e v i c ei sr a r e l ys e e np r e v i o u s l y t h i sp a p e rh a st r i e di nt h i sa s p e c t ， w h i c hi si n c l u d et h es e t t i n go fm a g n e t i cs o u r c e s ，t h en u m b e ro ft u m so ft h ec o i l ，t h e m a g n i t u d eo fc u r r e n t ，t h ec h a n g eo ft h em a g n e t i cf i e l d s i m u l a t i o ns o l u t i o n t h e m e a s u r e m e n te r r o rw a sa n a l y s i sb yc s t ，d o u b l em e t h o d sm o d e lw a sc r e a t i o nf o r e m u l a t i o n t h ed i s t i n g u i s h i n go ft h ed o u b l em e t h o d si sn o 1t e s t i n ga r e ah a v ear a n g e 北京工业大学工学硕士学位论文 f o re l e c t i o na n dt h en o 2t e s t i n gp o s i t i o nm u s tb er i g i df i x i n g m o r e o v e r ，t h e r e m o l d i n gs i t u a t i o nb yd i f f e r e n ts i z e so fs h i e l d i n gm a t e r i a l sw h i c hp u ti n t ot h et e s t i n g d e v i c ea r eq u a l i t a t i v ea n a l y z e d ，a n dt h em e a s u r e m e n te r r o r sc a u s e db yt e s t i n ga r e a n a l y z e d o nt h eb a s i so fs i m u l a t i o n ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep a r a m e t e ro fs o f t m a g n e t i s ma n ds h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s sw a sa n a l y z e d t h ep r i n c i p l eo fs e l e c t i o n m a t e r i a lw a sg i v e n k e y w o r d s t e s t i n gd e v i c e ；s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s ；t e s t i n g m e t h o d s ； p e r m e a b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 日期： 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：丝z ：! ：呈 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 随着工业技术的日益发展，各式各样的电器电子产品如直流电机，高压输电 线路，变电站，直流电子电器设备的普及应用，在给人们生活和工作带来便利的 同时，也给人们的生活与工作带来了一定的危害，典型的磁场干扰现象是c r t 显示器在磁场的作用下发生抖动、失真。因此，根据磁场源特点可以将磁场源主 要分为【1 , 2 , 3 】： ( 1 ) 高压输电线路，变电站 在当前广大城乡高压输电线路，变电站等磁场源构成了重要的磁场源。如高 压输电线路与高压电缆；高压输电线路指l l o k v 以上者，高压电缆是指分布在各 个城市市区的；高压升压站和降压站，高压升压站是指发电站，热电站，降压变 电站是指1l o k v 以上的站所。 ( 2 ) 交通运输系统 指电气化铁道，有轨和无轨电车，轻轨地铁及磁悬浮列车等。 ( 3 ) 工业，科教设备 工业，科教设备这些磁场源分布十分广泛，如直流电机，直流电子电器设备， 电解车间等工频设备。 解决磁环境污染问题的方法主要是对敏感器件进行磁屏蔽。所谓磁屏蔽是指 把具有一定磁导率的介质腔体放在磁场中【4 ，5 】，使它们在交界面上的磁场发生突 变，使绝大部分磁场线从罩壳的壁内通过，而罩壳的空腔中，磁场线是很少的， 从而起到屏蔽的作用。 磁屏蔽的概念与射频屏蔽不同，射频屏蔽要使用良导电体，而磁屏蔽要用高 导磁率材料。磁屏蔽还应用在对磁场源的屏蔽上；如对变压器、马达等强磁场源 进行屏蔽。 1 2 磁屏蔽技术的研究现状 我们通常所说的磁屏蔽技术主要分为：屏蔽材料和屏蔽效能测试方法。 1 2 1 屏蔽材料的分类 目前国内外屏蔽材料主要分为6 ，7 1 ： ( 1 ) 结构型屏蔽材料 ( 2 )复合型屏蔽材料，其中复合屏蔽材料又分为：金属系复合型屏蔽材料，金 属氧化物系复合型屏蔽材料，碳系复合型屏蔽材料 ( 3 ) 纤维织物类屏蔽复合材料 针对不同的屏蔽目的，屏蔽又分为三大类：电磁屏蔽、磁场屏蔽、静电屏蔽 1 北京工业大学：i ：掌硕士学位论文 【8 9 】。电磁屏蔽主要是对交变电场和交变磁场的屏蔽，对交变电场的屏蔽主要是 通过降低交变电场对敏感电路的耦合干扰电压。要达到这种目的，可以在干扰源 和敏感电路之间设置导电性好的金属屏蔽体，并将金属屏蔽体接地。交变电场对 敏感电路的耦合干扰电压大小取决于交变电场电压、耦合电容和金属屏蔽体接地 电阻之积。只要设法使金属屏蔽体良好接地，就能使交变电场对敏感电路的耦合 干扰电压变得很小。电场屏蔽以反射为主，因此屏蔽体的厚度不必过大，而以结 构强度为主要考虑因素。对交变磁场的屏蔽有高频和低频之分。低频磁场屏蔽 是利用高磁导率的材料构成低磁阻通路，使大部分磁场被集中在屏蔽体内。屏蔽 体的磁导率越高，厚度越大，磁阻越小，磁场屏蔽的效果越好。当然要与设备的 重量相协调。高频磁场的屏蔽是利用高电导率的材料产生的涡流的反向磁场来抵 消干扰磁场而实现的。 静电屏蔽：为了避免外界电场对仪器设备的影响，或者为了避免电器设备的 电场对外界的影响，用一个空腔导体把外电场遮住，使其内部不受影响，也不使 电器设备对外界产生影响，这就叫做静电屏蔽。 磁场屏蔽：静磁场是稳恒电流或永久磁体产生的磁场。静磁屏蔽是利用高磁 导率u 的铁磁材料做成屏蔽罩以屏蔽外磁场。它与静电屏蔽作用类似而又有不 同。静磁屏蔽的原理可以用磁路的概念来说明，如将铁磁材料做成截面如图1 - 1 的回路【j ， 一叶 、 - 图1 - 1 腔体屏蔽示意图 f i g1 - 1s h i e l d i n gd i a g r a m m a t i ca b r i d g e dg e n e r a lv i e w 则在外磁场中，绝大部份磁场集中在铁磁回路中。这可以把铁磁材料与空腔 中的空气作为并联磁路来分析。因为铁磁材料的磁导率比空气的磁导率要大几千 倍，所以空腔的磁阻比铁磁材料的磁阻大得多，外磁场的磁感应线的绝大部份将 沿着铁磁材料壁内通过，而进入空腔的磁通量极少。这样，被铁磁材料屏蔽的空 腔就基本上没有外磁场，从而达到静磁屏蔽的目的。材料的磁导率愈高，筒壁愈 厚，屏蔽效果就愈显著。因常用磁导率高的铁磁材料如软铁、硅钢、坡莫合金做 屏蔽层，故静磁屏蔽又叫铁磁屏蔽。利用磁性屏蔽材料可以给磁场提供一个低磁 第1 章绪论 阻的磁通路，需要选择怎样的材料，提供什么样的通路，应与被保护位置处的磁 场强度有关，磁场越强，磁通路的磁阻越低，磁导率越高，也就是说磁性材料的 选择与被屏蔽处的磁场有密切的关系，因此在进行磁性屏蔽设计之前，首先需要 进行磁屏蔽材料、厚度、尺寸等选择与设计。磁屏蔽材料与电屏蔽材料不同之 处在于，磁屏蔽材料的磁导率与外界的磁场强度有关，外界磁场强度不同，磁性 材料的磁导率也不同，饱和通量密度也不同，因此在磁场的屏蔽设计中的使用目 的也不同。 1 2 2 磁屏蔽效能测试方法 目前国内外现有的静磁场测试方法，主要是利用屏蔽材料做成屏蔽腔来进行 测试【1 1 , 1 2 。这种测试方法虽然精度较高，但不利于标准化的操作，不利于工程上 的便携化，且每测试一种材料都要进行一系列繁琐的加工程序，不能形成统一的 标准。况且市面上的静磁场屏蔽测试仪器不存在统一的标准。国内外对于静磁场 屏蔽测试尚没有引起太大的重视。前面指出，静电屏蔽的效果是非常好的这是因 为金属导体的电导率要比空气的电导率大十几个数量级，而铁磁物质与空气的磁 导率的差别只有几个数量级，通常约大几千倍所以静磁屏蔽总有些漏磁为了达 到更好的屏蔽效果，可采用多层屏蔽，把漏迸空腔里的残余磁通量一次次地屏蔽 掉所以效果良好的磁屏蔽一般都比较笨重但是，如果要制造绝对的“静磁真 空”，则可以利用超导体的迈斯纳效应即将一块超导体放在外磁场中l l 引，其体 内的磁感应强度b 永远为零超导体是完全抗磁体，具有最理想的静磁屏蔽效果， 但目前还不能普遍应用。 1 3 研究内容及意义 本文主要研究内容是设计出一种新型磁屏蔽性能测试装置及磁场屏蔽性能 测试方法，用于对磁性材料屏蔽性能的测试，通过仿真分析方法来指导测量装置 的设计。 本文主要研究内容包括： l 、从静磁场的基本原理出发，运用静磁场原理，研究磁屏蔽测量装置中重要组 成部分屏蔽桶的磁导率对端口场强大小的影响，包括屏蔽桶外径的大小与端口z 轴场强大小的关系，屏蔽桶内径的大小与端口z 轴场强大小的关系，屏蔽桶厚度 的大小与端口z 轴场强大小的关系，分析不同大小电流下对端口场强大小的影 响。分析屏蔽测试装置长度对端口z 轴场强大小的影响，线圈电流匝数对z 轴磁 场强度的影响以及电线圈中的磁芯磁导率的大小对场强的影响。 2 、为了分析计算磁性材料的屏蔽性能随材料磁导率的变化而产生的变化，运用 3 北京工业大学工学硕士学位论文 数值计算的方法，应用电磁场仿真软件，对不同磁导率情况下所产生的屏蔽效果， 进行模拟，设定相应的边界条件，得出不同材料对静磁场屏蔽性能影响的规律。 3 、在理论分析的基础上，设计和制备出各种内外径尺寸的屏蔽桶，并且用 磁芯和电线圈进行组装，并对组装后的装置进行实际测试比较，通过对测试距离 所产生的误差修正，调整测试距离和测试方法。 第2 章静磁场屏蔽原理与分析 一i 1 1 1 i i l i i i i ! ! 曼曼曼曼! 曼 第2 章静磁场屏蔽原理与分析 磁场屏蔽在电磁工程中有重要的应用，磁场屏蔽主要分为静磁场屏蔽和交变 磁场的屏蔽。这两种磁场的屏蔽效能的计算主要以格林函数方程为基础，此外还 要使用一些基本的定理，如欧姆定律、焦耳定律、电流连续性方程等，本章针对 这两种磁屏蔽原理及技术加以概述【l 3 | 。 2 1 磁屏蔽机理 磁屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制磁场由一个区域对 另一个区域的扩散。具体讲，就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整 个系统的干扰源包围起来，防止干扰磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备 或系统包围起来，防止它们受到外界磁场的影响【l 引。因为屏蔽体对来自导线、 电缆、元部件、电路或系统等外部的干扰电磁场和内部电磁场均起到吸收能量( 涡 流损耗) 、反射能量( 电磁波在屏蔽体上的界面反射) 和抵消能量( 电磁感应在 屏蔽层上产生反向电磁场，可抵消部分干扰电磁波) 的作用，所以屏蔽体具有减 弱干扰的功能。 磁场屏蔽，简单的说就是就是将磁力线阻断或分流【l 引。 对于许多人而言，低频磁场干扰是一种最难对付的干扰，这种干扰主要是由 直流或交流电流产生的。例如，炼钢的感应炉中会产生数万安培的电流，会在周 围产生很强的磁场，这个强磁场会使控制系统中的磁敏感器件失灵，最常见的磁 敏感设备是彩色c r t 显示器。在磁场的作用下，显示器屏幕上的图象会发生抖动、 图象颜色会失真，导致显示质量严重降低，甚至无法使用。低频磁场往往随距离 的衰减很快，因此在很多场合，将磁敏感器件远离磁场源是一个减小磁场干扰的 十分有效的措施。但当空间的限制而无法采取这个措施时，屏蔽是一个十分有效 的措施。但要注意的是，低频磁场屏蔽与射频屏蔽是完全不同的，射频屏蔽可以 用铍铜复合材料、银、锡或铝等材料，但这些材料对磁场没有任何屏蔽作用。只 有高导磁率的铁磁合金能屏蔽磁场u 刚。 2 2 静磁场屏蔽原理 2 2 1 静磁场屏蔽理论 静磁场屏蔽问题首先要解决的是边界计算问题，磁场的概念是基于载流试 验线圈所受磁力建立起来的，这类似于静电场中的情况。稳定电流产生的磁场称 北京下业大学工学硕士学位论文 ! ! ! ! ! 毫! 曼曼! ! ! 曼! ! ! ! ! 曼! 曼! ! ! 量笪! ! ! ! ! 曼! ! ! ! i ! 曼曼! ! ! 曼! 曼曼! ! 皇曼鼍曼! 皇曼! ! ! 苎苎皇! 舅曼苎曼! 皇! 曼 为静磁场，或恒定磁场。在处理存在静磁场的磁介质时，首先要考虑到磁场强度 的大小，对于无限大范围的磁介质，其中存在着传导电流分布，。这个电流产生 磁场鼠，它又引起磁介质的磁化强度。由磁偶极子磁化产生的次级场b ，的场源 是等效体磁化电流厶。于是，总磁场b 。+ e 是由总电流源，+ 厶所产生的，可 得 b ：v x 丝口生d 矿 4 x !r 上式两边取旋度，利用恒等式v v a = v ( v a ) 一v 2 a ，并考虑到函数v 2 ( 1 r ) 的奇异性，有 由式，上式变为 v x b = o ( j + j 。) v x ( 旦一m ) ： o 为了避免计及磁化强度m ，引入新的物理量日满足如下关系 h ：旦一m , u o 矢量函数h 称为磁场强度，其电流源仅为传导电流密度，即 v h = 这就是在磁介质中安培环路定律的微分形式。 在静磁场的情形下，要对边界条件进行计算，在引入磁场强度时，考虑到无 限大媒质，因而避免了等效面磁化电流的出现。这样建立起来的关系式适用于有 限体积媒质的内部或外部的连续空间，对于界面上的点，这些关系式必须加以修 第2 章静磁场屏蔽原理与分析 正。仿照静电学中对e 和d 导出的边界条件，可以类似地引入对b 和h 的边界条 件。如图2 一l 所示，在两线性媒质1 和2 间的界面上，利用式2 一l 、2 - 2 t 1 8 】 v h = j ；4 h d l = i j d s v b = o ；b d s = 0 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 图2 - 1 边界条件推导 f i g2 - 1t e r m i n a lc o n d i t i o nd e d u c e 分别导出磁场的法向量和切向分量的边界条件。 法向分量间的边界条件为 ( b l b 2 ) 刀= ( l h l 一2 h 2 ) = 0 ( 2 3 ) ( vxa l v a 2 ) 玎= 0 ( 2 v 九2 一1 v 矽。1 ) 刀= 0 切向分量间的边界条件为 ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 北京工业大学- t 学硕士学位论文 ! ! ! ! ! ! 皇皇! ! ! ! i ； =|=； i | i i i 毫曼! 曼! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼 ( 日l 一日2 ) 甩：( b l b 2 ) 玎：，( 2 - 6 ) l2 ( i v 爿，一j - - v 爿：) x 2 - - - - 以 l2 ( 2 - 7 ) ( v 。2 - r e 。1 ) 2 = 以 ( 2 - 8 ) 由式看出，b 的法向分量连续，而的法向分量的不连续。由于磁化效应 等效于磁菏分布，的法向分量的不连续性归因于假设的等效面磁荷层。 假定以= 0 ，由式看出，h 的切向分量连续，而b 的切向分量不连续。b 的 切向分量的不连续归因于面磁化电流，已知 b l = z o h l ，( 设l = z o ) b 2 = 脾2 = z o ( h 2 + h i ) m 门= m f 2 + m x 2 = m r 门= j 二3 因此 b 2 ，一b 1 ，= 胁( 日2 ，一日i ，) + o m ， = z o m f = o ，眦 将式( 2 - 3 ) 应用于图2 - 1 所示的界面上，亦可得到上述结果。这就证明了b 的 切向分量等于突变量鳓，。对于式2 6 至2 8 所表达的边界条件已经计及了面磁 化电流的效应，当处理静磁场中磁介质的边值问题时，其边界条件不需要明显地 写出面磁化电流【1 9 】。 2 2 2 磁场与屏蔽体垂直时屏蔽效能的计算 磁屏蔽体与磁场的关系主要分为磁场与屏蔽体垂直和磁场与屏蔽体平行两 部分。对这两部分屏蔽效能的推导在聂士东的论文“低频磁屏蔽膜的制备与性能 研究”文章中做了详细的推导。如图2 2 所示，在一均匀磁场h 0 中放入一根无限 长的空心薄壁屏蔽筒，屏蔽筒内外径分别为a 和b ，屏蔽筒材料的相对磁导率为 ，其推导屏蔽效能公式如下口0 1 。 第2 章静磁场屏蔽原理与分析 图2 - 2 屏蔽体内磁场参量的关系图 f i g 2 2 t h er e l a t i o n s h i po fm a g n e t i cf i e l dp a r a m e t e ri ns h i e l d i n gb a r r e l 2 吣 t + 等 2 2 3 磁场与屏蔽体平行时屏蔽效能的计算 ( 2 - 9 ) 单层空心长直圆柱磁屏蔽体屏蔽效能公式，单层空心长直圆柱磁屏蔽体示 意图如图2 3 所示： x 。 图2 3 电路法分析单层屏蔽体磁屏蔽的原理图 f i g 2 - 3m o n o l a y e rs h i e l d i n gb u l ks c h e m a t i cd i a g r a m 单层磁屏蔽效能的表达式为： ( 1 刳 = 2 吣阿+ ( 1 2 一寺) + 0 三 u o j r r 0 2 “7 ( 2 一名) = 2 0 l g 毕 9 2 0 1 9 + 酢l ( 1 + 2 r o ) ( + 矿 ( 2 - 1 0 ) 一 生f 墨 一一一 ) ：c 培 寺一千 nv广0l 2 g = 叭 e 2 北京工业大学工学硕士学位论文 双层空心长直圆柱磁屏蔽体示意图如图2 - 4 所示，双层磁屏蔽效能的表达式为： 图2 4 电路法分析双层屏蔽体磁屏蔽的原理图 f i g 2 4d o u b l el a y e rs h i e l d i n gb u l ks c h e m a t i cd i a g r a mb yc i r c u i ta n a l y s i s s e = 2 0 1 9 南 = 2 0 l g 华掣阻 由( 2 一1 1 ) 同样可以得到，当磁性材料的相对磁导率u r = 1 ，时( 如非磁性材) 或屏蔽 体厚度，= o 时( 无任何屏蔽体) 的屏蔽效能为零，表明在两极限条件下双层空心长 直圆柱屏蔽体低频磁屏蔽效能计算公式的正确性。对非极限条件下，所选用材料 的磁导率( u ，) 越高，厚度( ，) 越大，则磁阻( r ，) 越小，磁屏蔽效果越好。 2 3 本章小结 ( 1 ) 对静磁场原理进行了系统的分析。推导出了磁场与屏蔽体垂直时屏蔽效 能的计算，磁场与屏蔽体平行时屏蔽效能的计算。并构建了等效电路模型。通过 理论推导找出对非极限条件下，所选用材料的磁导率( “，) 越高，厚度( z ) 越大， 则磁阻( 尺。) 越小，磁屏蔽效果越好。 ( 2 ) 对磁场的边界条件做了一定的推导，法向边界条件符合公式： ( 2 v 九2 一。v 。1 ) 刀= 0 ，切向边界条件符合公式：( v 九：一v 。) 玎= ， ( 3 ) 磁场与屏蔽体垂直时屏蔽效能的计算推导公式： s e = 2 0 1 9 - + 甜 第2 章静磁场屏蔽原理与分析 磁场与屏蔽体平行时屏蔽效能的计算推导公式： s e = 2 0 l g 南惜) = 2 0 - g 地群 第3 章恒定磁场屏蔽测试装置的设计 皇皇皇! ! ! ! ! ! ! 曼! 曼! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼! ! ! 苎i i i 。mmi i i m!詈曼!寰皇曼!曼 第3 章恒定磁场屏蔽测试装置的设计 稳定磁场屏蔽效能主要是依靠磁导率较高的软磁材料对磁路进行阻隔或分 流，从而达到屏蔽的效果。针对屏蔽效能测试装置的设计，主要根据静磁场屏蔽 理论的基础上利用大型仿真软件c s t 进行各种结构参数的仿真以及最优化设计 【2 l ，2 2 】 o 3 1c s t 电磁仿真软件的介绍 3 1 1g s t 电磁工作室t m 介绍 c s t 电磁工作室t m 是专门用于电磁场分析以及静电、静磁和低频器件设计的 全功能软件包。另外，它还可以进行稳态热场分析。c s t 电磁工作室t m 强大的 实体建模前端基于著名的a c i s 建模内核，结构输入过程非常简便。再加上完善 的图形化反馈，极大地简化了对各种器件的定义。在所有的器件建模完成后，会 自动进行一个基于专家系统的全自动网格剖分，然后才开始进行正式的仿真。 c s t 电磁工作室t m 的一个显著特性是采用了基于需求的求解( m e t h o do n d e m a n d t m ) 功能，可以针对不同的问题选择合适的仿真器或合适的网格类型。网 格剖分同时支持基于专家系统的六面体网格和标准的四面体网格。c s t 电磁工作 室t m 中支持六面体网络技术的仿真器都自带全新的理想边界拟合技术( p b a ) 。 与其他传统仿真器相比，仿真精度有数量级的提高。 本软件有五类不同的求解器，各自适用于特定的应用：静电求解器、静磁求 解器、稳恒电流( d c ) 求解器、低频( a c ) 求解器( 准静磁和全波) 、稳态热场 求解器。 所有这些求解器的仿真结果都能以各种不同的方式显示。而且其强大的交互 式用户界面将会帮助您快速获取您所需要的器件特性。 最后一个突出特点是结构建模的全参数化，它使您在定义器件时可以使用变 量。通过与内建优化器和参量扫描工具相结合，c s t 电磁工作室t m 能够胜任所 有电磁器件的分析和设计。 所有处理电磁场问题的工程师都可以使用c s t 电磁工作室t m 。该软件特别适 1 3 合用来快速有效地分析和设计以下器件：驱动装置、高压绝缘子、电磁屏蔽问题、 传感器、变压器等等。c s t 电磁工作室t m 是基于一种通用的三维算法，因此它 事实上能够处理几乎所有的静态场和低频场问题。 本软件基于一种需要将整个计算区域离散化的算法，因此其应用范围只受到 结构的电尺寸限制。目前主流电脑可以仿真近一万个未知量的问题。 3 1 2c s t 电磁工作室t m 的主要功能 3 1 2 1 概要 ( 1 ) 基于w i n d o w s9 8 ，w i n d o w sn t ，w i n d o w s2 0 0 0 和w i n d o w sx p 的图形用户 界面。 ( 2 ) 快速并能有效使用内存饿有限积分( f i ) 算法。 ( 3 ) 理想边界拟合( p b a ) 技术增强了使用六面体网格的求解器的性能。所有求 解器支持六面体网格。 3 1 2 2 结构建模 ( 1 ) 2 1 基于先进的a c i s 内核的参量化实体建模前端，并附带优异的结构可视 化功能。 ( 2 ) 内含多种建模技术，可快速进行结构变换。 可通过s a t ( 女a u t o c a d ) ，a u t o d e s k i n v e n t o r ，i g e s ，v d a f s ，s t e p ，p r o e ，c a t i a c a t i t 5 ，c o v e n t o r w a r e ，m e c a d t r o n 或s t l 格式文件，导入3 dc a d 数据。 ( 3 ) 通过d x f ，g d s i i 和g e r b e rr s 2 7 4 x ，r s 2 7 4 d 格式的文件导入2 dc a d 数据。 ( 4 ) 可导入a g i l e n t 的布线( 1 a y o u t s ) 。 ( 5 ) 可导入s o n n e te m 的布线( 8 5 x ) 。 ( 6 ) 可导入可视化人体模型数据集或其他v o x e l 数据集。 ( 7 ) 通过s a t ，i g e s ，s t e p ，s t l ，d x f ，d r c 或p o v 格式的文件，导出c a d 数据。 ( 8 ) 可对导入的c a d 结构进行事后参数化。 ( 9 ) 材料数据库。 3 1 2 3 静电求解器 ( 1 ) 支持各向同性和各向异性材料。 第3 章恒定磁场屏蔽测试装置的设计 曼曼! 曼! ! 皇! ! ! 曼! 曼! 皇! ! ! 曼寰! ! ! 曼皇! ! ! ! ! ! ! ! 皇! 皂! ! ! ! ! ! 寰! 曼! 曼! 苎曼! 曼苎! ! ! ! 鼍im - -_ i - 曼! 曼! 曼! 曼苎 ( 2 ) 支持的场源：电位、导体电荷( 浮动电位) 、均匀体电荷密度和面电荷密度。 ( 3 ) 可计算力。 ( 4 ) 可计算电容量。 ( 5 ) 支持电、磁、切向、法向、开放和等电位边界条件。 ( 6 ) 支持理想导电面和线。 ( 7 ) 3 d 自适应网格加密。 ( 8 ) 使用内建的参量扫描工具自动进行参量扫描。 ( 9 ) 使用内建的优化器对任意目标自动化进行结构优化。 3 1 2 4 静磁求解器 ( 1 ) 支持各向同性和各向异性材料。 ( 2 ) 支持非线性材料。 ( 3 ) 支持的场源：线圈、永磁体、电流回路和外磁场。 ( 4 ) 可计算力。 ( 5 ) 可计算电感。 ( 6 ) 支持电、磁、切向、法向和开放的边界条件。 ( 7 ) 3 d 自适应网格加密。 ( 8 ) 使用内建的参量扫描工具自动进行参量扫描。 ( 9 ) 使用内建的优化器对任意目标自动化进行结构优化。 3 1 2 5 低频求解器 ( 1 ) 支持各向同性和各向异性材料。 ( 2 ) 支持的场源：线圈、电流回路、电压回路。 ( 3 ) 支持准静磁( 涡旋电流近似) 分析和全波分析。 ( 4 ) 可计算力。 ( 5 ) 支持理想导电面和线。 ( 6 ) 支持电、磁、切向、法向和开放的边界条件。 ( 7 ) 3 d 自适应网格加密。 ( 8 ) 使用内建的参量扫描工具自动进行参量扫描。 ( 9 ) 使用内建的优化器对任意目标自动化进行结构优化。 3 1 2 6 稳恒电流求解器 1 5 北京工业大学工学硕七学位论文 ( 1 ) 支持各向同性和各向异性材料。 ( 2 ) 支持非线性材料。 ( 3 ) 支持的源：电流回路、电位、电流端口。 ( 4 ) 支持电、磁、切向、法向和开放的边界条件。 ( 5 ) 3 d 自适应网格加密。 3 1 2 7 热求解器 ( 1 ) 支持各向同性和各向异性材料。 ( 2 ) 体内传导热交换。 ( 3 ) 对流和表面辐射热交换。 ( 4 ) 热源：固定和浮动温度、加热源、涡流源和稳态欧姆损耗场、从c s t 微波 工作室中导 入的介质损耗功率分布。 ( 5 ) 支持切向热通量( 绝缘隔热) 法向热通量( 固定或浮动温度) 边界条件。 3 1 2 8 结果显示及导出结果的计算 ( 1 ) 3 d 显示源的定义。 ( 2 ) 以x y 坐标显示非线性材料曲线。 ( 3 ) 8 3 显示非线性材料的材料曲线。 ( 4 ) 可在仿真过程中显示中间结果。 ( 5 ) 可将外部二维“数据导入并显示。 ( 6 ) 可拷贝粘贴二维x y 数据集。 ( 7 ) 各种2 d 和3 d 显示方式( 电场、磁场、功率流、表面电流等) 。 ( 8 ) 动态显示场分布。 ( 9 ) 沿任意空间曲线对2 d 和3 d 场求解线积分并显示结果。 ( 1 0 ) 沿任意曲面对3 d 场求解面积分。 ( 1 1 ) 仿真得到的原始结果中通过模板导出用户指定的各类分级结果。此结果可 用于优化目标的定义。 3 1 2 9 导出结果 ( 1 ) 文件格式导出场、曲线等结果。 第3 章恒定磁场屏蔽测试装置的设计 ( 2 ) 可导出结果场图的屏幕拷贝。 3 1 2 1 0 自动操作 ( 1 ) 包括编辑器和调试器，功能强大并兼容v b a ( v i s u a lb a s i cf o ra p p l i c a t i o n s ) 的宏语言。 ( 2 ) 通过o l e 的自动操作可与w i n d o w s 环境( 如m i c r o s o f t o f f i c ，m a t l a b ，a u t o c a d ，m a t h c a d ，w i n d o w ss c r i p t i n gh o s t ，等) 无缝集成。 定义静场源 3 1 3c s t 电磁工作室允许定义的场源类型 3 1 3 1 静磁场 ( 1 ) 电流线圈：s o l v e - - c u r r e n tc o llf r o mc u r v e s ( 2 ) 永磁体：s o l v e - - p e r m a n e n tm a g n e t ( 3 ) 电流回路：s o l v e - - c u r r e n tp a t h f r o mc u r v e ( 4 ) 外磁场：s o l v e - - m a g n e ti cs o u r c ef i e l d ( 5 ) 稳恒电流场：s o l v e - - s t a t i o n a r yc u r r e n tf i e l d 3 1 3 2 静电场 ( 1 ) 物体上的电位：s o l v e - - e l e c t r i cp o t e n t i a l ( 2 ) 法向边界上的电位：s o l v e - - b o u n d a r yc o n d i t i o n s ( 3 ) p e c ( 理想电导体) 上的电荷：s o l v e - 一c h a r g e ( 4 ) 均匀体电荷或面电荷分布：s o l v e - - c h a r g ed i s t r i b u t i o n 3 1 3 3 稳恒电流 ( 1 ) 物体上的电位：s o l v e - - e l e c t r i cp o t e n t i a l ( 2 ) 电流回路：s o l v e - - c u r r e n tp a t h f r o mc u r v e ( 3 ) 电流端口：s o l v e - - c u r r e n tp o r t 3 1 3 4 低频 ( 1 ) 电流线圈：s o l v e - - c u r r e n tc o ilf r o mc u r v e s ( 2 ) 电流回路：s o l v e - + c u r r e n tp a t h f r o mc u r v e 1 7 北京工业大学工学硕士学位论文 i i ( 3 ) 电压回路：s o l v e - - v o l t a g ep a t hf r o mc u r v e 3 2 屏蔽效能的表示 1 屏蔽效能计算基本原理 1 屏蔽效能计算基本原理 根据电磁屏蔽的基本原理，低频磁场由于其频率低，趋肤效应很小，吸收损 耗很小，并且由于其波阻抗很低，反射损耗也很小，因此单纯靠吸收和反射很难 获得需要的屏蔽效能。对这种低频磁场，要通过使用高导磁率材料提供磁旁路来 实现屏蔽，图3 一l 为圆形管道磁场屏蔽示意图。由于屏蔽材料的导磁率很高，因 此为磁场提供了一条磁阻很低的通路，因此空间的磁场会集中在屏蔽材料中，从 而使敏感器件免受干扰。 图3 1 磁场屏蔽不恿图 f i g 3 - im a g n e t i cf i e l ds h i e l d i n ga b r i d g e dg e n e r a lv i e w 从这个机理上看，显然屏蔽体分流的磁场分量越多，则屏蔽效能越高。根据 这个原理，我们可以用电路的的计算方法来计算磁屏蔽效果。用两个并联的电阻 分别表示屏蔽材料的磁阻和空间的磁阻【2 3 ，2 4 ，2 5 1 ，用电路分析的方法来计算磁场的 分流，由此可以计算屏蔽效果。 计算屏蔽效果公式 日。：旦( 3 - 1 ) 尺，+ r o 式中： h ，：屏蔽体内的磁场强度 日。：屏蔽体外的磁场强度 第3 章恒定磁场屏蔽测试装置的设计 r ，：屏蔽体的磁阻 磁阻的计算公式 磁阻：一l u s 式中： 上：磁路长度 ，：屏蔽材料的相对磁导率 s ：磁通流过的面积 因此圆形管子的磁阻为： r ，= p b ( z o ，2 t l ) 式中：b 为屏蔽体到磁场源的距离 ，为屏蔽体磁导率 风为背景磁场 t 为材料的厚度 三为磁路长度 ( 3 - 2 ) 为了简单，