《工程电磁兼容》课件-第7章

第7章搭接技术及其应用7.1搭接的一般概念7.2搭接的有效性7.3搭接的实施7.4搭接的设计

7.5搭接质量的测试习题

7.1搭接的一般概念

搭接(bonding)是指两个金属物体之间通过机械、化学或物理方法实现结构连接,以建立一条稳定的低阻抗电气通路的工艺过程。搭接的目的在于为电流的流动提供一个均匀的结构面和低阻抗通路,以避免在相互连接的两金属件间形成电位差,因为这种电位差对所有频率都可能引起电磁干扰。

良好搭接是减小电磁干扰、实现电磁兼容性所必需的。良好搭接的作用在于:

(1)减少设备间电位差引起的骚扰。

(2)减少接地电阻,从而降低接地公共阻抗骚扰以及各种地回路骚扰。

(3)实现屏蔽、滤波、接地等技术的设计目的。

(4)防止出现雷电放电的危害,保护设备和人身安全。

(5)防止设备运行期间的静电电荷积累,避免静电放电骚扰。

为了说明良好搭接(goodbonding)的重要性,下面举一个由不良搭接(poorbonding)导致波电路失效的例子。图7－1中,干扰源(interferencesource)与敏感设备(susceptibleequipment)之间接一Π型滤波器(Π-Sectionfilter)。该滤波器是一个低通滤波器,其作用是滤除设备电源线中的高频骚扰分量。在高频情况下,旁路电容器的电抗呈低阻抗,出现在电源线上的干扰信号沿着通路①被旁路至地。因此,干扰信号不会到达敏感设备,达到了滤波的目的。但是,如果搭接不良,搭接处(join)就会形成搭接阻抗ZB=RB+jωLB,当搭接阻抗大到一定值时,将有干扰电流经图中通路②到达敏感设备,使滤波器起不到隔离干扰的作用。图7－1不良搭接对电源滤波器性能的影响

搭接方法(bondingmethods)可分为永久性搭接(permanentjoints)和半永久性搭接(semi-permanentjoints)。永久性搭接是利用铆接(rivet)、熔焊(welding)、钎焊(soldering)、压接等工艺方法,使两种金属物体保持固定连接。永久性搭接在装置的全寿命期内应保持固定的安装位置,不要求拆卸检查、维修或者作系统更改。永久性搭接在预定的寿命期内应具有稳定的低阻抗电气性能。半永久性搭接是利用螺栓、螺钉、夹具等辅助器件使两种金属物体保持连接的方法,它有利于装置的更改、维修和替换部件,有利于测量工作,可以降低系统成本。

搭接类型(bondtypes)为两种基本类型:直接搭接(thedirectbond)和间接搭接(theindirectbond)。直接搭接是指两裸金属或导电性很好的金属特定部位的表面直接接触,牢固地建立一条导电良好的电气通路。直接搭接的连接电阻的大小取决于搭接金属的接触面积、接触压力、接触表面的杂质和接触表面硬度等因数。实际工程中,有许多情况要求两种互连的金属导体在空间位置上分离或者保持相对的运动,显然这一要求妨碍了直接搭接方式的实现。

此时,就需要采用搭接带(搭接条,abondstrap)或者其他辅助导体将两个金属物体连接起来,这种连接方式称为间接搭接。间接搭接的连接电阻等于搭接条两端的连接电阻之和再加上搭接条的电阻。搭接条在高频时呈现很大的阻抗,所以高频时多采用直接搭接。设备需要移动或者抗机械冲击时,需要间接搭接。熔接、焊接、锻造、铆接、拴接等方法都可以实现两金属间的裸面接触。因此,搭接前需要对搭接体表面进行净化处理,有时还要在搭接体表面镀银或金来覆盖一层良导电层。

7.2搭接的有效性

在直流情况下,我们只关心搭接的直流电阻。然而,随着频率的增大,集肤效应使这一电阻变大。同时,搭接处呈现的自感、搭接面之间存在的电容都会对搭接的有效性产生影响。因此,射频段搭接的有效性(bondingeffectiveness)不完全取决于其直流电阻。当搭接长度l远小于波长,即l≪λ时,搭接的高频等效电路如图7－2所示。图7－2搭接的高频等效电路

图7－2中搭接电阻取决于搭接条的电阻率、半径和集肤深度,即

式中,ρ为电阻率(单位为Ω·m);a为半径(单位为m);δ=(2ρ/ωμ)1/2,为集肤深度(单位为m);l为长度(单位为m)。搭接条的电感LS

是搭接条物理结构的函数,而电容CS是搭接面的面积及搭接面间距的函数。

通常用搭接条的直流电阻(theDCresistanceofabond)表示搭接质量。例如,某些军事规范要求直流搭接电阻小于0.1Ω,以预防冲击危害。MIL-B-5087-B要求直流搭接电阻小于2.5mΩ。在有闪电、爆炸、火灾危害倾向的区域,如果电源线对地短路,允许的电阻取决于最大的故障电流。如果直流电阻大约为0.25~2.5mΩ,通常就能实现良好的射频搭接(agoodRFbond)。

搭接电阻的基本表达式为

式中,A是搭接条的横截面面积(单位为m2)。搭接条的射频电阻远大于直流电阻。

【例7－1】比较频率为1MHz时直径为1.29mm的导线的射频电阻与其直流电阻。

【解】设导线的电阻率ρ=1.724Ω·m。当频率f=1MHz时,其集肤深度δ=(2ρ/ωμ)1/2=6.608×10-5m。代入公式(71),计算得其射频电阻为

计算知此导线的直流电阻为

比较可见1MHz时直径为1.29mm的导线的射频电阻约为其直流电阻的5倍。

许多接头的重要特性是它们有携带突发的大故障电流的能力。在用螺栓实现搭接的地方,对于100A的电流,螺栓的直径至少为0.65cm;对于200A的电流,螺栓的直径至少为1.0cm。电动机的启动电流通常可达几百安培,如果搭接点的电流容量很小,那么当大电流通过此搭接点时,该点将发热而成为一个“热点”,严重时可使该点达到白炽的程度,使附近金属熔化,甚至引燃附近的易燃气体而造成故障。因此,在搭接时必须考虑搭接点的电流容量。图7－3给出了对应不同故障电流时,搭接电阻的最大允许值及可能引燃易爆气体的电阻量级。图7－3对于设备与结构搭接,故障电流与最大允许电阻的关系

接头自身的感抗是感性的。非磁性材料圆横截面的直搭接条(astraightbondingstrap)的电感表示如下:

式中:l为搭接条长度(单位为cm);d为导线直径(单位为cm)。

在低频情况下,矩形横截面直搭接条(StraightRectangularBar)的电感(设搭接条的集肤深度远大于搭接条的厚度,即δ≫c)为

式中:b为搭接条的宽度(单位为cm);c为搭接条的厚度(单位为cm);l为搭接条的长度(单位为cm)。

对于接头长度接近λ/4的频率,接头起传输线的作用,驻波(standingwaves)存在于接头上。

为了使接头的阻抗最小,通常应减小设备外壳到地的间距,或者减小搭接条的长度与宽度的比,以尽可能使搭接条的电容与电感比值高。搭接条的长度最好不要超过其长度的5倍。

在大多数情况下,搭接电感不要超过0.025μH。

7.3搭接的实施

7.3.1搭接的电化学腐蚀原理

当两种不同的金属互相接触时,会出现一种质变,即腐蚀(corrosion)。所谓腐蚀,是指在电化学序列(theelectrochemicalseries)中,属于不同组的两种金属(见表7－1)在溶液(起电解液作用)存在情况下相互接触,形成了一个化学电池,而使金属逐渐产生原电池腐蚀和电解腐蚀。能起电解液作用的液体有盐水、盐雾、雨水(雨水能够携带许多杂质而使金属表面上的各种杂质湿润)、汽油等。

表7－1常见金属的电化学序列

(按对腐蚀的灵敏度大小递减排序)第一组镁第二组铝及其合金锌镉第三组碳钢铁铅锡及锡铅焊料第四组镍铬不锈钢第五组铜银金铂钛

腐蚀的程度取决于两种不同金属在电化学序列中的组别和接触时所处的环境。适当地改变这两个因素,可使搭接的腐蚀减小。在电化学序列中,同一组的两种金属接触时不会发生明显的腐蚀现象。如果是不同组的两种金属接触,则在表7－1中,前面组别中的金属将构成一个阳极,而且受到较强的腐蚀;后面组别中的金属将构成一个阴极,相对而言它不受腐蚀。组别相差越远的两种金属接触时的腐蚀越严重。

因此,两个相接触的金属材料,应尽量选择表7－1中同一组别的金属或者相邻组别中的金属。如果需要将第二组金属(例如铝)机壳与第四组金属(例如不锈钢)框架搭接,可在两金属表面间放入一个第三组金属(例如镀锡)垫圈,这样即使保护层损坏,受腐蚀的也将是线圈,而不是铝壳,因而可以保护机壳。此外,当两种不同金属搭接时,阴极和阳极的相对面积选择也是很重要的。阴极越大意味着电子流量越大,因此,阳极处的腐蚀作用越严重。减小阴极接触面积可以使电子流量减小,从而减轻腐蚀。

7.3.2搭接表面的清理和防腐涂覆

为了获得有效而可靠的搭接,搭接表面必须进行精心处理,其内容包括搭接前的表面清理和搭接后的表面防腐处理。

搭接前的表面清理主要清除固体杂质,如灰尘、碎屑、纤维、污物等,其次是有机化合物,如油脂、润滑剂、油漆和其他油污等,还要清除表面保护层(finish)和电镀层,如铝板表面的氧化铝层以及金、银之类的金属镀层。

搭接完成后,为了保护搭接体,在接缝表面往往进行附加涂覆(例如涂油漆或者电镀)。应注意的是,若仅对阴极(cathode)材料进行涂覆,会在涂覆不好的地方引起严重的腐蚀。因此,当不同金属接触时,特别应对两种金属表面(阳极(anode)和阴极表面)都加涂覆,如图7－4所示。图7－4不同金属搭接处的涂覆．

7.3.3搭接的加工方法

两种金属材料搭接的加工方法很多,按接合作用原理可分为物理、化学、机械三类不同的原理。

物理加工方法主要有熔焊和钎焊。热熔接合是通过气体燃烧和电弧加热使两种金属熔化并流动,形成连续的金属桥的加工工艺,其接合处的电导率高、机械强度好、耐腐蚀,但加工成本高。常用的熔焊加工方法有气焊、电弧焊、氩弧焊、放热焊等。钎焊是一种金属焊接工艺,它把连接的金属表面加热到低于熔点的温度,而后施加填充的金属焊料和适当的焊剂,通过焊料与连接金属表面的紧密接触实现接合。

机械加工方法有螺栓连接、铆接、压接、卡箍紧固、销键紧固、拧绞连接等。

化学加工方法主要采用导电黏合剂。它是一种具有两种成分的银粉填充的热固性环氧树脂,经固化后成为一种导电材料。通常它用于搭接金属的表面,既使之黏合,又形成导电良好的低电阻通路。黏合剂不仅具有很好的防腐能力,还具有很强的机械强度。有时将它和螺栓结合使用,效果更佳。

7.4搭接的设计

搭接技术是抑制电磁干扰的重要措施之一,因此必须把搭接设计纳入系统设计中。首先,搭接设计应结合设备和系统的整体布局,综合电磁兼容性设计的要求和指标,考虑屏蔽、接地、滤波的需要,合理设计搭接点的布局和配置;其次,搭接设计应满足搭接的有效性和可靠性要求。

搭接质量的有效性和可靠性主要取决于搭接点的连接电阻。影响搭接点连接电阻的主要因素有搭接结构、金属表面的处理情况、搭接加工方法、环境条件和通过接头的电流频率和幅值等。

表7－2列举了20种典型搭接结构,供读者参考。

7.5搭接质量的测试

关于搭接质量的测试,目前用得最多的是采用四端法直接测量搭接点的直流或者低频搭接电阻。由图7－5可知,恒流源在被测搭接点(线、面)上形成电压降,用高灵敏度的数字电压表测出该电压