磁屏蔽理论和实践

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1、引言

在低频磁屏蔽中，设计低成本屏蔽体的最关键因素是对磁屏蔽的透彻理解。其目的是要达到削减所规定的磁场，这样使其对所屏蔽的器件或系统不形成威逼。一旦这一目标被确定，就应考虑会影响到屏蔽体的低成本设计的一些基本设计因素。这些包括：材料的挑选、主要设计参数和加工工艺。

2、材料的挑选对于屏蔽体来说，所挑选的材料的类型对其性能和成本影响极大。

在设计屏蔽体时有一点是重要的，就是要深化了解一般使用的不同屏蔽合金的特性。对这些不同性能的理解就可使你挑选合适的材料，去满足目标要求。

磁屏蔽材料要按照各自的特性举行挑选，特殊是磁导率和磁饱和性能。因为在变更低频磁场方向的效能，所以高磁导率材料是常常使用的屏蔽材料。这些合金可满足MIL-N-14411C部分1和ASTMA753-97样式4的要求。其可得到的相对较薄的厚度为0.002到0.125英寸，并极易被有阅历的屏蔽加工者加工出来。

在需要于微小空间内降低磁场时，典型上使用这些合金。在需要提供比要求更高屏蔽时，或是磁场强度需要具有更高饱和值材料时，这些材料常被选中。

在屏蔽目标仅需要略微削减场强时，或是当场强足以使高磁导率屏蔽体饱和时，超低碳钢可能是最佳的挑选。这些较低成本材料的碳含量典型小于0.01%；与其它钢相比，其有较高的磁导率和极优的饱和性能。这些材料具有较小的柔韧性，并比硅钢较简单创造，这就允许在大面积屏蔽项目中简单安装和以同样的方式加工出小型组件。ULCS可与高磁导率材料一起使用，以为需要高饱和庇护和高衰减等级建立最佳的屏蔽体。

对于低温用的屏蔽体，Cryoperm10为一种最佳挑选。与Mumetal一样，Cryoperm10也是一种高磁导率镍铁合金，它是经特别加工而成的，以提供在降低温度时磁导率增强。标准的屏蔽合金在低温时就失去了其大部分磁导率。但是Cryoperm10可在77.3到4.2°K时的磁导率却增强10倍。表1示出了最常用的屏蔽材料的磁导率饱和值的比较。

因为材料的成本占屏蔽体价格的一半，所以使用较薄的尺寸能满足所要求的屏蔽特性和结构性能是最好了。厚度为0.002到0.010英寸的箔材是最低成本的挑选。这些箔材能以同等的化学组分和性能特性获得，并可作为标准的以镍为基础的和ULCS材料。

设计低成本屏蔽体的最重要的一步，就是对这些典型屏蔽材料特性及其对屏蔽性能影响的了解。一旦合适的材料被选中，其重点要集中于基本的设计考虑，以使其不但性能最佳，而且对成本的影响最小。

3、设计考虑大部分屏蔽体用的公式和模型的开发是基于圆形或无限长的圆柱体几何外形的。

在实际应用中，所给定屏蔽体的实践外形由器件结构和屏蔽体自身的可通过空间所打算。在设计一屏蔽体时，要了解的重要的结构是，要使磁力线旋转90°是困难的。但是，圆形屏蔽体，比如要转变圆柱体或是具有圆形角的盒体的磁力线的方向要比具有方形角的屏蔽体简单一些。类似地，对于包涵已进入屏蔽材料的磁力线并转变其方向，圆角要比尖角好一些。保持可提供低磁阻路径的屏蔽体外形容易或磁场运动的最低磁阻路径是很重要的。

屏蔽体的尺寸在屏蔽效率和成本方面的重要性极大。屏蔽体的有效半径越小，其整体性能就越好。但是，设计屏蔽体的目的是使其包络试图屏蔽的组件和空间，并应当靠得很近。因为材料占屏蔽体设计的大部分成本，因此较小屏蔽体就可以在较低成本下获得较优的性能。

每当有可能，屏蔽体应与全部壁逼近，以避开场泄漏。这种结构也是最临近于圆形的，它可以建立一个半闭合的磁路。另外，所有箱体可在全部轴上获得屏蔽特性，这样就可以保证最好的屏蔽性能。当特别的性能和进出口需要时，可移动的盖板、罩和门均可组合到屏蔽体设计中去。

通过盖板、罩和门时或使用两块或多块板构建屏蔽体时，在多块板间保持磁延续性和电接触是很重要的。可利用机械式或焊接保持磁延续性。在拐角或过渡衔接，使用焊接可获得最佳性能。维持表面间的延续性就可以保证磁力线延续沿其低磁阻路径前进，这样可以提升屏蔽效能。在沟通场，保持磁延续性就允许较高的感应电流屏蔽，在直流场，对于适当的磁力线分路，延续性也是重要的。

假如你不能逼近屏蔽体的一端或两端，要特殊注重开端的长向来径比。屏蔽体的这种长-直径比至少应为4：1，以避开端接效应和磁力线穿透屏蔽体范围。阅历法则是，屏蔽体需要延长到器件的外部，这样可以用与开孔半径相等部分举行庇护。因为增强了屏蔽体的长度同时保持直径不变，就可以用无限长圆柱体模型举行近似。当圆柱型或矩形屏蔽体需要大的开孔时，垂直于屏蔽体壁的的管可用于因为开孔而引起屏蔽体的磁场强度的削减。管的长度应正比于所屏蔽的开孔的直径。

在设计过程早期就应考虑这些问题，可使这些主要设计参数对屏蔽体的成本影响较小。但是，这些因素要比材料本身对屏蔽体性能的影响要大。这样，在设计屏蔽体时，最先保证这些基本参数通常是需要的。

4、生产技术一种好的屏蔽体设计要涉及到加工过程，其可提供所需要的结构和特性。

在过去，大部分磁屏蔽体是用标准的精密片状金属加工技术利用剪切、穿孔、成型和焊接加工出来的。现在，通过先进的激光切割系统，个别部件的剪切和计算机化的数字控制冲孔都由一步激光切割技术所代替。主要的屏蔽元件的一步加工技术可使加工时间更快和降低加工成本，而无须高成本的加工办法。特殊是对于型材和特别设备，这种过程可为屏蔽设计者提供更大的灵便性。

通过母材并使用缝隙和衔接点的氩弧焊或叠层缝隙的点焊，就可以组装多个屏蔽元件。氩弧焊可使组装的屏蔽体得到最佳化的磁延续性，它可用于使用高屏蔽性能方面。对于大部分应用，与氩弧焊相比，法兰和叠层衔接的点焊可获得更高级的磁延续性。

为使典型的屏蔽合金达到最