磁屏蔽

在低頻(DC到100KHz)磁屏蔽中，設(shè)計(jì)低成本屏蔽體的最關(guān)鍵因素是對(duì)磁屏蔽的透徹理解。其目的是要達(dá)到減少所規(guī)定的磁場(chǎng)，這樣使其對(duì)所屏蔽的器件或系統(tǒng)不形成威脅。一旦這一目標(biāo)被確定，就應(yīng)考慮會(huì)影響到屏蔽體的低成本設(shè)計(jì)的一些基本設(shè)計(jì)因素。這些包括:材料的選擇、主要設(shè)計(jì)參數(shù)和加工工藝。

對(duì)于屏蔽體來說，所選擇的材料的類型對(duì)其性能和成本影響極大。在設(shè)計(jì)屏蔽體時(shí)有一點(diǎn)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。對(duì)這些不同性能的理解就可使你選擇合適的材料，去滿足目標(biāo)要求。 磁屏蔽材料要根據(jù)各自的特性進(jìn)行選擇，特別是磁導(dǎo)率和磁飽和性能。由于在變更低頻磁場(chǎng)方向的效能，所以高磁導(dǎo)率材料(比如含80%的鎳合金Mumetal,這是一種高磁導(dǎo)率鐵鎳合金)是經(jīng)常使用的屏蔽材料。這些合金可滿足MIL-N-14411C部分1和ASTMA753-97樣式4的要求。其可得到的相對(duì)較薄的厚度為0.002到0.125英寸，并極易被有經(jīng)驗(yàn)的屏蔽加工者加工出來。 在需要于極小空間內(nèi)降低磁場(chǎng)時(shí)，典型上使用這些合金。在需要提供比要求更高屏蔽時(shí)，或是磁場(chǎng)強(qiáng)度(在較高場(chǎng)強(qiáng)時(shí)更為典型)需要具有更高飽和值材料時(shí)，這些材料常被選中。 在屏蔽目標(biāo)僅需要稍微減少場(chǎng)強(qiáng)時(shí)(減少1~1/4)，或是當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)足以使高磁導(dǎo)率屏蔽體飽和時(shí)，超低碳鋼(ULCS)可能是最佳的選擇。這些較低成本材料的碳含量典型小于0.01%;與其它鋼相比，其有較高的磁導(dǎo)率和極優(yōu)的飽和性能。這些材料具有較小的柔韌性，并比硅鋼較容易制造，這就允許在大面積屏蔽項(xiàng)目中容易安裝和以同樣的方式加工出小型組件。ULCS可與高磁導(dǎo)率材料一起使用，以為需要高飽和保護(hù)和高衰減等級(jí)建立最佳的屏蔽體。 對(duì)于低溫用的屏蔽體，Cryoperm10(為德國Vaccumschmelze GmbH公司的注冊(cè)商標(biāo))為一種最佳選擇。與Mumetal一樣，Cryoperm10也是一種高磁導(dǎo)率鎳鐵合金，它是經(jīng)特殊加工而成的，以提供在降低溫度時(shí)磁導(dǎo)率增加。標(biāo)準(zhǔn)的屏蔽合金(比如Mumetal)在低溫時(shí)就失去了其大部分磁導(dǎo)率。但是Cryoperm10可在77.3到4.2°K時(shí)的磁導(dǎo)率卻增加10倍。表1示出了最常用的屏蔽材料的磁導(dǎo)率飽和值的比較。 飽和 磁導(dǎo)率 材料 (高斯) μ(最大) μ(40)

Amumetal(80%鎳)

8，000

400，00

60，000

Amunickel(48%鎳)

15，000

150，000

12，000

Cryoperm10

9，000

250，000

65，000

超低碳鋼

22，000

4，000

1，000

表1 由于材料的成本占屏蔽體價(jià)格的一半，所以使用較薄的尺寸能滿足所要求的屏蔽特性和結(jié)構(gòu)性能是最好了。厚度為0.002到0.010英寸的箔材是最低成本的選擇。這些箔材能以同等的化學(xué)組分和性能特性獲得，并可作為標(biāo)準(zhǔn)的以鎳為基礎(chǔ)的和ULCS材料。

設(shè)計(jì)低成本屏蔽體的最重要的一步，就是對(duì)這些典型屏蔽材料特性及其對(duì)屏蔽性能影響的了解。一旦合適的材料被選中，其重點(diǎn)要集中于基本的設(shè)計(jì)考慮，以使其不但性能最佳，而且對(duì)成本的影響最小。

大部分屏蔽體用的公式和模型的開發(fā)是基于圓形或無限長(zhǎng)的圓柱體幾何形狀的。在實(shí)際應(yīng)用中，所給定屏蔽體的實(shí)踐形狀由器件結(jié)構(gòu)和屏蔽體自身的可利用空間所決定。在設(shè)計(jì)一屏蔽體時(shí)，要了解的重要的結(jié)構(gòu)是，要使磁力線旋轉(zhuǎn)90°是困難的。但是，圓形屏蔽體，比如要改變圓柱體或是具有圓形角的盒體的磁力線的方向要比具有方形角的屏蔽體容易一些。類似地，對(duì)于包容已進(jìn)入屏蔽材料的磁力線并改變其方向，圓角要比尖角好一些。保持可提供低磁阻路徑的屏蔽體形狀簡(jiǎn)單或磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的"最低磁阻路徑"是很重要的。

屏蔽體的尺寸在屏蔽效率和成本方面的重要性極大。屏蔽體的有效半徑越小，其整體性能就越好。但是，設(shè)計(jì)屏蔽體的目的是使其包絡(luò)試圖屏蔽的組件和空間，并應(yīng)該靠得很近。由于材料占屏蔽體設(shè)計(jì)的大部分成本，因此較小屏蔽體就可以在較低成本下獲得較優(yōu)的性能。

每當(dāng)有可能，屏蔽體應(yīng)與所有壁靠近，以避免場(chǎng)泄漏。這種結(jié)構(gòu)(即使是矩形)也是最接近于圓形的，它可以建立一個(gè)半閉合的磁路。另外，全部箱體可在所有軸上獲得屏蔽特性，這樣就可以保證最好的屏蔽性能。當(dāng)特殊的性能和進(jìn)出口需要時(shí)，可移動(dòng)的蓋板、罩和門均可組合到屏蔽體設(shè)計(jì)中去。

在利用蓋板、罩和門時(shí)或使用兩塊或多塊板構(gòu)建屏蔽體時(shí)，在多塊板間保持磁連續(xù)性和電接觸是很重要的。可通過機(jī)械式(利用摩擦組件)或焊接保持磁連續(xù)性。在拐角或過渡連接，使用焊接可獲得最佳性能。維持表面間的連續(xù)性就可以保證磁力線連續(xù)沿其低磁阻路徑前進(jìn)，這樣可以提高屏蔽效能。在交流場(chǎng)，保持磁連續(xù)性就允許較高的感應(yīng)電流屏蔽，在直流場(chǎng)，對(duì)于適當(dāng)?shù)拇帕€分路，連續(xù)性也是重要的。

如果你不能靠近屏蔽體的一端或兩端，要特別注意開端的長(zhǎng)一直徑比。屏蔽體的這種長(zhǎng)-直徑比至少應(yīng)為4:1，以避免"端接效應(yīng)"和磁力線穿透屏蔽體范圍。經(jīng)驗(yàn)法則是，屏蔽體需要延伸到器件的外部，這樣可以用與開孔半徑相等部分進(jìn)行保護(hù)。由于增加了屏蔽體的長(zhǎng)度同時(shí)保持直徑不變，就可以用無限長(zhǎng)圓柱體模型進(jìn)行近似。當(dāng)圓柱型或矩形屏蔽體需要大的開孔時(shí)，垂直于屏蔽體壁的的管可用于由于開孔而引起屏蔽體的磁場(chǎng)強(qiáng)度的減少。管的長(zhǎng)度應(yīng)正比于所屏蔽的開孔的直徑。

在設(shè)計(jì)過程早期就應(yīng)考慮這些問題，可使這些主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)屏蔽體的成本影響較小。但是，這些因素要比材料本身對(duì)屏蔽體性能的影響要大。這樣，在設(shè)計(jì)屏蔽體時(shí)，最先保證這些基本參數(shù)通常是需要的。

一種好的屏蔽體設(shè)計(jì)要涉及到加工過程，其可提供所需要的結(jié)構(gòu)和特性。在過去，大部分磁屏蔽體是用標(biāo)準(zhǔn)的精密片狀金屬加工技術(shù)通過剪切、穿孔、成型和焊接加工出來的。而自2012年開始，利用先進(jìn)的激光切割系統(tǒng)，個(gè)別部件的剪切和計(jì)算機(jī)化的數(shù)字控制沖孔都由一步激光切割技術(shù)所代替。主要的屏蔽元件的一步加工技術(shù)可使加工時(shí)間更快和降低加工成本，而無須高成本的加工方法。特別是對(duì)于型材和特殊設(shè)備(比如專用切割和系列化)，這種過程可為屏蔽設(shè)計(jì)者提供更大的靈活性。

利用母材并使用縫隙和連接點(diǎn)的氬弧焊或疊層縫隙的點(diǎn)焊，就可以組裝多個(gè)屏蔽元件。氬弧焊可使組裝的屏蔽體得到最佳化的磁連續(xù)性，它可用于使用高屏蔽性能方面。對(duì)于大部分應(yīng)用，與氬弧焊相比，法蘭和疊層連接的點(diǎn)焊可獲得更高級(jí)的磁連續(xù)性。

為使典型的屏蔽合金(如Mumetal)達(dá)到最佳性能，還要進(jìn)行特殊的被稱為去氫退火的熱處理循環(huán)。一旦所有加工過程完成，就可以進(jìn)行退火過程。但在退火以后，對(duì)屏蔽體進(jìn)行沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)，將降低材料的性能。嚴(yán)格遵守所規(guī)定的退火周期，不但能保證獲得最佳磁屏蔽性能，而且還可以將未退火材料的磁導(dǎo)率平均提高40倍。

對(duì)所規(guī)定的屏蔽任務(wù)的了解有助于最好的材料、結(jié)構(gòu)和加工藝的選擇。這種評(píng)價(jià)可在最佳成本下保持最好的屏蔽性能。

靜磁場(chǎng)是穩(wěn)恒電流或永久磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)。靜磁屏蔽是利用高磁導(dǎo)率μ的鐵磁材料做成屏蔽罩以屏蔽外磁場(chǎng)。它與靜電屏蔽作用類似而又有不同。

靜磁屏蔽的原理可以用磁路的概念來說明。如將鐵磁材料做成截面如上圖的回路，則在外磁場(chǎng)中，絕大部份磁場(chǎng)集中在鐵磁回路中。這可以把鐵磁材料與空腔中的空氣作為并聯(lián)磁路來分析。因?yàn)殍F磁材料的磁導(dǎo)率比空氣的磁導(dǎo)率要大幾千倍，所以空腔的磁阻比鐵磁材料的磁阻大得多，外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)線的絕大部份將沿著鐵磁材料壁內(nèi)通過，而進(jìn)入空腔的磁通量極少。這樣，被鐵磁材料屏蔽的空腔就基本上沒有外磁場(chǎng)，從而達(dá)到靜磁屏蔽的目的。材料的磁導(dǎo)率愈高，筒壁愈厚，屏蔽效果就愈顯著。因常用磁導(dǎo)率高的鐵磁材料如軟鐵、硅鋼、坡莫合金做屏蔽層，故靜磁屏蔽又叫鐵磁屏蔽。

靜磁屏蔽在電子器件中有著廣泛的應(yīng)用。例如變壓器或其他線圈產(chǎn)生的漏磁通會(huì)對(duì)電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生作用，影響示波管或顯像管中電子束的聚焦。為了提高儀器或產(chǎn)品的質(zhì)量，必須將產(chǎn)生漏磁通的部件實(shí)行靜磁屏蔽。在手表中，在機(jī)芯外罩以軟鐵薄殼就可以起防磁作用。

前面指出，靜電屏蔽的效果是非常好的。這是因?yàn)榻饘賹?dǎo)體的電導(dǎo)率要比空氣的電導(dǎo)率大十幾個(gè)數(shù)量級(jí)，而鐵磁物質(zhì)與空氣的磁導(dǎo)率的差別只有幾個(gè)數(shù)量級(jí)，通常約大幾千倍。所以靜磁屏蔽總有些漏磁。為了達(dá)到更好的屏蔽效果，可采用多層屏蔽，把漏進(jìn)空腔里的殘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較笨重。但是，如果要制造絕對(duì)的"靜磁真空"，則可以利用超導(dǎo)體的邁斯納效應(yīng)。即將一塊超導(dǎo)體放在外磁場(chǎng)中，其體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B永遠(yuǎn)為零。超導(dǎo)體是完全抗磁體，具有最理想的靜磁屏蔽效果，但到2013年還不能普遍應(yīng)用。

電磁屏蔽是抑制干擾，增強(qiáng)設(shè)備的可靠性及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段。合理地使用電磁屏蔽，可以抑制外來高頻電磁波的干擾，也可以避免作為干擾源去影響其他設(shè)備。如在收音機(jī)中，用空芯鋁殼罩在線圈外面，使它不受外界時(shí)變場(chǎng)的干擾從而避免雜音。音頻饋線用屏蔽線也是這個(gè)道理。示波管用鐵皮包著，也是為了使雜散電磁場(chǎng)不影響電子射線的掃描。在金屬屏蔽殼內(nèi)部的元件或設(shè)備所產(chǎn)生的高頻電磁波也透不出金屬殼而不致影響外部設(shè)備。

用什么材料作電磁屏蔽呢?因電磁波在良導(dǎo)體中衰減很快，把由導(dǎo)體表面衰減到表面值的1/e(約36.8%)處的厚度稱為趨膚厚度(又稱透入深度)，用d表示，有

d=5030*sqr(σ/(μ*f))

其中μ和σ分別為屏蔽材料的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率。若電視頻率f=100 MHz，對(duì)銅導(dǎo)體(σ=5.8×107/ ·m，μ≈μo=4π×10-7H/m)可求出d=0.00667mm。可見良導(dǎo)體的電磁屏蔽效果顯著。如果是鐵(σ=107/ ·m)則d=0.016mm。如果是鋁(σ=3.54×107/ ·m)則d=0.0085mm。

為了得到有效的屏蔽作用，屏蔽層的厚度必須接近于屏蔽物質(zhì)內(nèi)部的電磁波波長(zhǎng)(λ=2πd)。如在收音機(jī)中，若f=500kHz，則在銅中d=0.094mm(λ=0.59mm)。在鋁中d=0.12mm(λ=0.75mm )。所以在收音機(jī)中用較薄的銅或鋁材料已能得到良好的屏蔽效果。因?yàn)殡娨曨l率更高，透入深度更小些，所需屏蔽層厚度可更薄些，如果考慮機(jī)械強(qiáng)度，要有必要的厚度。在高頻時(shí)，由于鐵磁材料的磁滯損耗和渦流損失較大，從而造成諧振電路品質(zhì)因素Q值的下降，故一般不采用高磁導(dǎo)率的磁屏蔽，而采用高電導(dǎo)率的材料做電磁屏蔽。在電磁材料中，因趨膚電流是渦電流，故電磁屏蔽又叫渦流屏蔽。

機(jī)械手表里的機(jī)芯都是鋼制的。如果手表放在磁鐵附近，鋼制機(jī)芯就會(huì)磁化。特別是當(dāng)游絲磁化后，

表馬上就會(huì)停止不走。因此，手表需要外罩一種能防御磁力，使磁場(chǎng)透不過的物質(zhì)。 有意思的是，能夠遮住外磁場(chǎng)的物質(zhì)，原來就是容易磁化的鐵本身。為了證明這一點(diǎn)，你可把一個(gè)小指南針放在一個(gè)鐵環(huán)里，可以看到小磁針就不會(huì)被環(huán)外的磁鐵吸引了。所以，如果你有一塊用鐵或鋼做外殼的手表，就可以保護(hù)表內(nèi)的鋼制機(jī)件不受磁力影響。即使將表放在強(qiáng)磁場(chǎng)附近，它的精確度一點(diǎn)也不會(huì)降低。至于用金或銀做外殼的金表和銀表，雖然很貴重，但是千萬不能放到磁鐵附近，因?yàn)樗荒芊来拧?可見，用鐵制包皮就能把外面的磁場(chǎng)遮住，使內(nèi)部不受外磁場(chǎng)的影響，放在其中的鐵制品也就不會(huì)被磁化。這種現(xiàn)象在物理學(xué)中稱為磁屏蔽。

例如右圖，是磁屏蔽示意圖。圖中A為一磁導(dǎo)率很大的軟磁材料(如坡莫合金或鐵鋁合金)做成的罩，放在外磁場(chǎng)中。由于罩殼磁導(dǎo)率μ比空氣導(dǎo)磁率μ大得多，所以絕大部分磁場(chǎng)線從罩殼的壁內(nèi)通過，而罩殼內(nèi)的空腔中，磁感線是很少的。這就達(dá)到了磁屏蔽的目的。為了防止外界磁場(chǎng)的干擾，常在示波管、顯像管中電子束聚焦部分的外部加上磁屏蔽罩，就可以起到磁屏蔽的作用。

電子設(shè)備中，有些部件需要防止外界磁場(chǎng)的干擾。為解決這種問題，就要用鐵磁性材料制成一個(gè)罩子，把需防干擾的部件罩在里面，使它和外界磁場(chǎng)隔離，也可以把那些輻射干擾磁場(chǎng)的部件罩起來，使它不能干擾別的部件。這種方法稱為磁屏蔽，如右圖所示。由于用鐵制的屏蔽外殼磁阻很小，它就為外界干擾磁場(chǎng)提供了通暢的磁路，使磁力線都通過鐵殼短路而不再影響被屏蔽在里面的部件。

這種現(xiàn)象也可以用下例說明，如圖所示，把一塊軟鐵放入磁場(chǎng)中，這塊軟鐵由于被磁化而產(chǎn)生了磁場(chǎng)，其方向如右下圖所示，在這塊軟鐵的內(nèi)部，外磁場(chǎng)和被磁化的軟鐵所產(chǎn)生新磁場(chǎng)方向一致，而在鐵塊外部，兩個(gè)磁場(chǎng)方向相反，相互抵消，結(jié)果就使磁力線的分布變成如圖(b)的樣子。屏蔽鐵殼就是利用這種現(xiàn)象，把磁力線都吸引到鐵殼中來，保護(hù)了罩內(nèi)設(shè)備不受外界磁場(chǎng)的干擾，或者是防止了罩內(nèi)的輻射磁場(chǎng)的部件去干擾罩外部件。

在實(shí)踐中，要達(dá)到完全的屏蔽是極不容易的?？傆幸恍┐艌?chǎng)要漏進(jìn)屏蔽罩內(nèi)或者跑出屏蔽罩外。要達(dá)到好的屏蔽效果，必須選用導(dǎo)磁系數(shù)高的材料，如坡莫合金，硅鋼片等，而且不要太薄，屏蔽罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，接縫要盡量少，在制作時(shí)接縫處要緊密，盡量減少氣隙?？傊帘握值拇抛柙叫∑帘涡Ч胶?。如果在低頻交變磁場(chǎng)中，需要進(jìn)行屏蔽時(shí)，例如電源變壓器需要屏蔽時(shí)，都是按以上磁屏蔽的原則處理的。屏蔽要求較高時(shí)，還可以采用多層屏蔽。

但在高頻交變磁場(chǎng)中，屏蔽原理就完全是另一種概念。這時(shí)是利用渦流現(xiàn)象，以導(dǎo)電材料制成屏蔽罩。在高頻干擾磁場(chǎng)中，屏蔽罩中會(huì)產(chǎn)生渦流。由于渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)有抵消外磁場(chǎng)的作用，當(dāng)外磁場(chǎng)的交變頻率越高，產(chǎn)生的渦流現(xiàn)象越嚴(yán)重，從而抵消外界磁場(chǎng)的作用越大。所以在進(jìn)行高頻屏蔽時(shí)，不必用很厚的鐵磁性材料去作屏蔽罩，而是用導(dǎo)電性好的銅片或鋁片來作屏蔽罩，對(duì)要求高的屏蔽罩，常是在銅殼上再鍍一層銀，提高屏蔽罩導(dǎo)電性能，則屏蔽效果就更好。