磁屏蔽理论和实践

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1、磁屏蔽理论和实践 （1）摘要：在低频（DC到10 OKHz ）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。其目的是要达到减少所规定的磁场，这样使其对 所屏蔽的器件或系统不形成威胁。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：材料的选择、主要设计参 数和加工工艺关键词：电磁屏蔽 材料选择设计生产技术1、引言在低频（DC到10 OKHz ）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。其目的是要达到减少所规定的磁场，这样使其 对所屏蔽的器件或系统不形成威胁。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

2、设计因素。这些包括：材料的选择、主要设计 参数和加工工艺。2、材料的选择对于屏蔽体来说，所选择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，就是要深入了解普通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选择合适的材料，去满足目标要求。 磁屏蔽材料要根据各自的特性进行选择，特别是磁导率和磁饱和性能。由于在 变更低频磁场方向的效能，所以高磁导率材料（比如含8 0%的镍合金M umetal, 这是一种高磁导率铁镍合金）是经常使用的屏蔽材料。这些合金可满足 MIL-N-14411C部分1和 ASTM A753 97 样式4的要 求。其可得到的相对较薄的厚度为0 .00

3、2 到 0.125 英寸，并极易被有经验的屏 蔽加工者加工出来。在需要于极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（在较高场强时更为典型）需要具有更高饱 和值材料时，这些材料常被选中。在屏蔽目标仅需要稍微减少场强时（减少11/4），或是当场强 足以使高磁导率屏蔽体饱和时，超低碳钢（ULCS ）可能是最佳的选择。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，并比硅钢较容易制造，这就 允许在大面积屏蔽项目中容易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

4、为需要高饱和保护和高衰减等级建立最佳的屏 蔽体。对于低温用的屏蔽体，C ryoperm 10（为德国 VaccumschmelzeGmbH公司的注册商标）为一种最佳选择。与M umetal 样，C ryoperm 10 也是一种高磁导率镍铁合金，它是经特殊加工而成的，以提供在降低温度时磁 导率增加。标准的屏蔽合金（比如M umetal）在低温时就失去了其大部分磁导 率。但是Cryoperm 10可在77.3到4 .2 K时的磁导率却增加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。饱和磁导率材料（咼斯）卩（最大）卩（40）Amumetal（ 80%镍） 8 ，000 400 ，00

5、60，000Amunickel （48%镍） 15，000 150，000 12，000Cryoperm109，000 250，000 65，000超低碳钢 22 ，000 4，000 1，000由于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 低成本的选择。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

6、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形 状的。在实际应用中，所给定屏蔽体的实践形状由器件结构和屏蔽体自身的可 利用空间所决定。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9 0是困难的。但是，圆形屏蔽体，比如要改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容易一些。类似地，对于包容已 进入屏蔽材料的磁力线并改变其方向，圆角要比尖角好一些。保持可提供低磁 阻路径的屏蔽体形状简单或磁场运动的 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

7、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，并应该靠得很近。由于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，屏蔽体应与所有壁靠近，以避免场泄漏。这种结构（即使是 矩形）也是最接近于圆形的，它可以建立一个半闭合的磁路。另外，全部箱体 可在所有轴上获得屏蔽特性，这样就可以保证最好的屏蔽性能。当特殊的性能 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。利用盖板、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 磁连续性和电接触是很重要的。可通过机械式（利用磨擦组件）或焊接保持磁 连续性。在拐角或过渡连接，使用焊接可

8、获得最佳性能。维持表面间的连续性 就可以保证磁力线连续沿其低磁阻路径前进，这样可以提高屏蔽效能。在交流 场，保持磁连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，连续性也是重要的。如果你不能靠近屏蔽体的一端或两端，要特别注意开端的长一直径比。屏蔽 体的这种长-直径比至少应为4:1，以避免端接效应和磁力线穿透屏蔽体范 围。经验法则是，屏蔽体需要延伸到器件的外部，这样可以用与开孔半径相等 部分进行保护。由于增加了屏蔽体的长度同时保持直径不变，就可以用无限长 圆柱体模型进行近似。当圆柱型或矩形屏蔽体需要大的开孔时，垂直于屏蔽体 壁的的管可用于由于开孔而引起屏蔽体的磁场强度的减少。管

9、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通过剪切、穿孔、 成型和焊接加工出来的。现在，利用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方法。特 别是对于型材和特殊设

10、备（比如专用切割和系列化），这种过程可为屏蔽设计 者提供更大的灵活性。本篇论文是由3C0M文档频道的网友为您在网络上收集整理饼投稿至本站 的，论文版权属原作者，请不要用于商业用途或者抄袭，仅供参考学习之用， 否者后果自负，如果此文侵犯您的合法权益，请联系我们。利用母材并使用缝隙和连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连续性，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，法兰和叠层连接的点焊可获 得更高级的磁连续性。为使典型的屏蔽合金（如 Mumetal）达到最佳性能，还要进行特殊的被称为 氢退火的热处理循环。一旦所有加工过程

11、完成，就可以进行退火过程。但在退 火以后，对屏蔽体进行冲击和振动试验，将降低材料的性能。严格遵守所规定 的退火周期，不但能保证获得最佳磁屏蔽性能，而且还可以将未退火材料的磁 导率平均提高4 0倍。5、结论对所规定的屏蔽任务的了解有助于最好的材料、结构和加工艺的选择。这 种评价可在最佳成本下保持最好的屏蔽性能。磁屏蔽的解决方案GM传感器作为一种灵敏度非常高的磁性传感器，可以预见未来的广 泛应用。但用户极其关心的一个问题是抗磁干扰问题。为解决此问题有多种方案，但最主要的是磁屏蔽，以下是关于磁屏蔽的相关论述。（资料主要来源：The MuShield Company,Inc. 仅供参考，不负相关责任。

12、）如果你要设计自己的磁屏蔽系统，你会发现以下的信息是很有用的。磁屏蔽目的：通常是保护电子线路免于受到诸如永磁体、变压器、电 机、线圈、电缆等产生磁场的干扰，当然屏蔽强的磁干扰源使它免于干扰附近 的元器件功能也是一个重要的应用目的。 磁屏蔽材料参数及材料划分：磁屏蔽 体由磁性材料制成，衡量材料导磁能力的参数是磁导率，通常以数字来表示相 对大小。真空磁导率为 1，屏蔽材料的磁导率从 200 到 350000；磁屏蔽材料的 另一个重要参数是饱和磁化强度。磁屏蔽材料一般分为三类，即高导磁材料、 中导磁材料和高饱和材料。高饱和磁导率材料的磁导率在 80000-350000 之间，经热处理后其饱和 场可达

13、7500Gs中磁导率材料通常和高导材料一起使用，其磁导率值从12500-150000,饱和场15500GS高饱和场的磁导率值为 200-50000，饱和场可达 18000-21000Gs。以下是一些常用量的定义：Gs：磁通密度的单位，相当于每平方厘米面积上有一条磁力线通过。磁通量：由磁场产生的所有磁力线的总和。饱和磁场：即材料磁感应强度渐趋于一恒定值时对应的磁场。B:屏蔽体中的磁通密度，单位 Gs。d:屏蔽体直径（注：当屏蔽体为矩形时指最长边的尺寸）。Ho：外场强度，单位Oa卩：材料磁导率。A:衰减量（相对值）。t ：屏蔽体厚度。磁场强度：屏蔽体中磁场强度估算用下面公式：B=2.5dHo/2t

14、 （Gs）如用厚度为0.060的材料制成直径为1.5 的屏蔽体，在80Gs的磁 场中其内部磁场为 2500Gs。屏蔽体厚度：用以下公式估算：t=Ad/卩（英寸）如用磁导率为80000的材料制成直径为1.5 的屏蔽体，当要求实现 1000/1 的衰减量时，屏蔽体的厚度为t=1000 X 1.5/80000=0.019 厚度设计还应综合考虑性价比的因素，一般屏蔽材料的磁导率应不低 于 80000，否则就要增加厚度以达到同样的屏蔽效果，则会导致费用的增加。当场强很强时，厚度的选取应使材料工作于磁导率最大的场强下。如 当材料的磁导率在场强为2300-2500GS时磁导率最大，则所需厚度为t=1.25d

15、Ho/B （英寸）如直径1.5 ，长度6的屏蔽体置于80Gs的磁场中，所需的厚度是 0.060。磁场衰减率：用下式估算：A=y t/d用此式对上面的数据计算可得到，当材料磁导率为 350000时，其衰减 率为 14000。磁通密度：被屏蔽空间内磁通密度为B=Ho/A（Gs）同样利用以上数据，则被屏蔽空间的磁场为0.0057Gs。更多的设计要点：*开始设计前要正确估算干扰场的大小和频率，其次，正确评价能承受 的干扰场的大小。*用以屏蔽很强的磁场时，可采用多层屏蔽的结构。如果可能，两层屏 蔽体间保留 1/2的间隙。*在屏蔽如真空泵产生的强磁场时，要采用多层屏蔽结构。其中内层用 低磁导率材料，中间层

16、用中磁导率材料，外层用高磁导率材料。*用单层结构屏蔽如CRTs等及其敏感的设备时，应在离设备 5处形 成一个完整的屏蔽体；当型号很大时，只需对关键部分如磁轭等部位进行屏蔽 即可。*对于极低场的要求，通常采用 3 层屏蔽的方式，其中外层屏蔽用高磁 导率材料，在内外屏蔽层间是 Cu层。在Cu层上通以强的交流电流可对内屏蔽 层消磁，同时Cu层还可以屏蔽静磁场的干扰。*对于磁屏蔽结构，在材料厚度允许的时候可采用搭接点焊，交接尺寸 至少 3/8。在直径发生变化或结构拐角的地方，应采用氦弧焊。使用片状材料的要点：在屏蔽小元件时，刚性结构加工应用都不方 便，这时片状材料是一个很好的选择，但要注意以下事项：*为减少磁散射发生，结构中应