Elektromagnetni zasloni se pogosto uporabljajo v industriji. Služijo za odpravo škodljivih učinkov nekaterih elementov električne naprave na druge, za zaščito osebja in opreme pred učinki zunanjih polj, ki nastanejo med delovanjem drugih naprav. "Gašenje" zunanjega magnetnega polja je potrebno pri ustvarjanju laboratorijev za prilagajanje in testiranje visoko občutljive opreme. Potreben je tudi v medicini in na tistih področjih znanosti, kjer se izvaja meritev polj z ultra nizko indukcijo; za zaščito informacij med prenosom po kablih.
Metode
Zaščita magnetnega polja je niz načinov za zmanjšanje jakosti konstantnega ali izmeničnega polja na določenem območju prostora. Magnetnega polja za razliko od električnega polja ni mogoče popolnoma oslabiti.
V industriji imajo največje vplive na okolje razpadla polja transformatorjev, trajnih magnetov, visokotokovnih inštalacij in vezij. Lahko popolnoma zmotijo normalno delovanje sosednjih naprav.
Najpogosteje uporabljeno 2način zaščite:
- Uporaba zaslonov iz superprevodnih ali feromagnetnih materialov. To je učinkovito v prisotnosti konstantnega ali nizkofrekvenčnega magnetnega polja.
- Metoda kompenzacije (dušenje vrtinčnega toka). Vrtinski tokovi so električni tokovi, ki nastanejo v prevodniku, ko se magnetni tok spremeni. Ta metoda kaže najboljše rezultate za visokofrekvenčna polja.
Načela
Načela zaščite magnetnega polja temeljijo na vzorcih širjenja magnetnega polja v prostoru. V skladu s tem so za vsako od zgoraj naštetih metod naslednje:
- Če postavite induktor v ohišje iz feromagneta, bodo indukcijske linije zunanjega magnetnega polja potekale vzdolž sten zaščitnega zaslona, saj ima ta manj magnetni upor v primerjavi s prostorom v njem.. Tiste črte sile, ki jih povzroča sama tuljava, bodo skoraj vse zaprte na stene ohišja. Za najboljšo zaščito v tem primeru je treba izbrati feromagnetne materiale, ki imajo visoko magnetno prepustnost. V praksi se najpogosteje uporabljajo železove zlitine. Da bi povečali zanesljivost zaslona, je izdelan debelostensko ali montažno iz več ohišij. Pomanjkljivosti te zasnove so velika teža, obsežnost in poslabšanje zaščite ob prisotnosti šivov in rezov na stenah ohišja.
- Pri drugi metodi je oslabitev zunanjega magnetnega poljanastane kot posledica nalaganja drugega polja nanj, ki ga povzročajo obročni vrtinčni tokovi. Njegova smer je nasprotna indukcijskim linijam prvega polja. Ko se frekvenca poveča, bo slabljenje bolj izrazito. V tem primeru se za zaščito uporabljajo plošče v obliki obroča prevodnikov z nizko upornostjo. Kot ohišja zaslona se najpogosteje uporabljajo škatle v obliki cilindra iz bakra ali aluminija.
Ključne funkcije
Obstajajo 3 glavne značilnosti za opis postopka zaščite:
- Ekvivalentna globina prodora magnetnega polja. Torej nadaljujmo. Ta številka se uporablja za zaslonski učinek vrtinčnih tokov. Manjša kot je njegova vrednost, večji je tok, ki teče v površinskih plasteh zaščitnega ohišja. V skladu s tem večje je magnetno polje, ki ga povzroča, ki izpodriva zunanje. Ekvivalentno globino določi spodnja formula. V tej formuli sta ρ in Μr upornost in relativna magnetna prepustnost materiala zaslona (merske enote prve vrednosti so Ohm∙m); f je frekvenca polja, merjena v MHz.
- Učinkovitost zaščite e - razmerje med jakostjo magnetnega polja v zaščitenem prostoru v odsotnosti in prisotnosti ščita. Ta vrednost je višja, večja je debelina zaslona in magnetna prepustnost njegovega materiala. Magnetna prepustnost je indikator, ki označuje, kolikokrat je indukcija v snovidrugače kot v vakuumu.
- Zmanjšanje jakosti magnetnega polja in gostote vrtinčnih tokov na globini x od površine zaščitnega ohišja. Kazalnik se izračuna po spodnji formuli. Tukaj je A0 vrednost na površini zaslona, x0 je globina, pri kateri se intenzivnost ali gostota toka zmanjša e-krat.
zasloni
Zaščitni pokrovi za zaščito magnetnega polja so lahko izdelani v različnih izvedbah:
- list in masivna;
- v obliki votlih cevi in ohišja s cilindričnim ali pravokotnim prerezom;
- enoslojni in večplastni, z zračno režo.
Ker je izračun števila slojev precej zapleten, je ta vrednost najpogosteje izbrana iz referenčnih knjig, glede na krivulje učinkovitosti zaščite, ki so bile pridobljene eksperimentalno. Rezi in šivi v škatlah so dovoljeni le vzdolž linij vrtinčnih tokov. V nasprotnem primeru se učinek zaščite zmanjša.
V praksi je težko doseči visok zaščitni faktor, saj je vedno potrebno narediti luknje za kabelske vhode, prezračevanje in vzdrževanje instalacij. Za tuljave so brezšivna ohišja izdelana z metodo iztiskanja listov, spodnji del valjastega zaslona pa služi kot odstranljiv pokrov.
Poleg tega ob stiku strukturnih elementov nastanejo razpoke zaradi površinskih nepravilnosti. Če jih želite odpraviti, uporabitemehanske sponke ali tesnila iz prevodnih materialov. Na voljo so v različnih velikostih in z različnimi lastnostmi.
Vrtinski tokovi so tokovi, ki veliko manj krožijo, vendar so sposobni preprečiti prodor magnetnega polja skozi zaslon. Ob prisotnosti velikega števila lukenj v ohišju pride do zmanjšanja zaščitnega koeficienta glede na logaritemsko odvisnost. Njegova najmanjša vrednost je opažena pri tehnoloških luknjah velike velikosti. Zato je priporočljivo oblikovati več majhnih lukenj in ne ene velike. Če je treba uporabiti standardizirane luknje (za kabelske vhode in druge potrebe), se uporabljajo transcendentalni valovodi.
V magnetostatičnem polju, ki ga ustvarjajo enosmerni električni tokovi, je naloga zaslona, da preklopi poljske črte. Zaščitni element je nameščen čim bližje viru. Ozemljitev ni potrebna. Učinkovitost zaščite je odvisna od magnetne prepustnosti in debeline zaščitnega materiala. Kot slednje se uporabljajo jekla, permaloj in magnetne zlitine z visoko magnetno prepustnostjo.
Zaščita kabelskih tras se v glavnem izvaja na dva načina - z uporabo kablov z oklopljenim ali zaščitenim sukanim parom in polaganjem vodov v aluminijaste škatle (ali vložke).
Superprevodni zasloni
Delovanje superprevodnih magnetnih zaslonov temelji na Meissnerjevem učinku. Ta pojav je v tem, da telo v magnetnem polju preide v superprevodno stanje. Hkrati pa magnetnaprepustnost ohišja postane enaka nič, to pomeni, da ne prehaja magnetnega polja. V celoti je kompenzirano v volumnu danega telesa.
Prednost takšnih elementov je, da so veliko bolj učinkoviti, zaščita pred zunanjim magnetnim poljem ni odvisna od frekvence, kompenzacijski učinek pa lahko traja poljubno dolgo. Vendar v praksi Meissnerjev učinek ni popoln, saj v resničnih zaslonih iz superprevodnih materialov vedno obstajajo strukturne nehomogenosti, ki vodijo do ujetja magnetnega toka. Ta učinek je resen problem za ustvarjanje ohišja za zaščito magnetnega polja. Koeficient dušenja magnetnega polja je večji, višja je kemična čistost materiala. V poskusih je bila najboljša učinkovitost opažena za svinec.
Druge pomanjkljivosti materialov za zaščito superprevodnega magnetnega polja so:
- visoki stroški;
- prisotnost preostalega magnetnega polja;
- videz stanja superprevodnosti samo pri nizkih temperaturah;
- nezmožnost delovanja v velikih magnetnih poljih.
Materiali
Najpogosteje se za zaščito pred magnetnim poljem uporabljajo zasloni iz ogljikovega jekla, saj so zelo prilagodljivi za varjenje, spajkanje, poceni in jih odlikuje dobra odpornost proti koroziji. Poleg njih materiali, kot so:
- tehnična aluminijasta folija;
- mehka magnetna zlitina železa, aluminija in silicija (alsifer);
- baker;
- prevodno prevlečeno steklo;
- cink;
- transformatorsko jeklo;
- prevodni emajli in laki;
- medenina;
- metalizirane tkanine.
Strukturno so lahko izdelani v obliki listov, mrež in folije. Ploščati materiali zagotavljajo boljšo zaščito, mrežasti materiali pa so bolj priročni za sestavljanje - jih je mogoče združiti s točkovnim varjenjem v korakih 10-15 mm. Za zagotovitev odpornosti proti koroziji so rešetke lakirane.
Priporočila za izbiro materiala
Pri izbiri materiala za zaščitne zaslone upoštevamo naslednja priporočila:
- V šibkih poljih se uporabljajo zlitine z visoko magnetno prepustnostjo. Tehnološko najbolj napredna je permaloy, ki se dobro poda na pritisk in rezanje. Moč magnetnega polja, potrebna za njegovo popolno demagnetizacijo, kot tudi električna upornost sta odvisni predvsem od odstotka niklja. Po količini tega elementa ločimo permalloje z nizko vsebnostjo niklja (do 50 %) in visoko nikljevo (do 80 %).
- Za zmanjšanje izgub energije v izmeničnem magnetnem polju so ohišja nameščena iz dobrega prevodnika ali iz izolatorja.
- Za frekvenco polja več kot 10 MHz, srebrne ali bakrene filmske prevleke z debelino 0,1 mm ali več (zasloni iz folij prevlečenih getinakov in drugih izolacijskih materialov), pa tudi baker, aluminij in medenina, daje dober učinek. Za zaščito bakra pred oksidacijo je prevlečen s srebrom.
- Debelinamaterial je odvisen od frekvence f. Nižji kot je f, večja mora biti debelina, da dosežemo enak učinek zaščite. Pri visokih frekvencah za izdelavo ohišja iz katerega koli materiala zadostuje debelina 0,5-1,5 mm.
- Za polja z visokim f se feromagneti ne uporabljajo, saj imajo visoko odpornost in vodijo do velikih izgub energije. Za zaščito trajnih magnetnih polj se prav tako ne sme uporabljati visoko prevodnih materialov, razen jekla.
- Za zaščito v širokem razponu f so večslojni materiali (jeklene pločevine z visoko prevodno kovinsko plastjo) optimalna rešitev.
Splošna pravila izbire so naslednja:
- Visoke frekvence so zelo prevodni materiali.
- Nizke frekvence so materiali z visoko magnetno prepustnostjo. Presejanje je v tem primeru ena najtežjih nalog, saj zasnovo zaščitnega zaslona oteži in zakomplicira.
Trakovi iz folije
Foljski zaščitni trakovi se uporabljajo za naslednje namene:
- Zaščita širokopasovnih elektromagnetnih motenj. Najpogosteje se uporabljajo za vrata in stene električnih omaric z napravami, pa tudi za oblikovanje zaslona okoli posameznih elementov (solenoidi, releji) in kablov.
- Odstranitev statičnega naboja, ki se kopiči na napravah, ki vsebujejo polprevodnike in katodne cevi, kot tudi v napravah, ki se uporabljajo za vnos/izhod informacij izračunalnik.
- Kot sestavni del ozemljitvenih tokokrogov.
- Za zmanjšanje elektrostatične interakcije med navitji transformatorja.
Strukturno temeljijo na prevodnem lepilnem materialu (akrilna smola) in foliji (z valovito ali gladko površino) iz naslednjih vrst kovin:
- aluminij;
- baker;
- pločevinasti baker (za spajkanje in boljšo protikorozijsko zaščito).
polimerni materiali
V tistih napravah, kjer je poleg zaščite magnetnega polja potrebna zaščita pred mehanskimi poškodbami in absorpcijo udarcev, se uporabljajo polimerni materiali. Izdelane so v obliki blazinic iz poliuretanske pene, prevlečenih s poliestrsko folijo, na osnovi akrilnega lepila.
Pri proizvodnji monitorjev s tekočimi kristali se uporabljajo akrilna tesnila iz prevodne tkanine. V sloju akrilnega lepila je tridimenzionalna prevodna matrica iz prevodnih delcev. Zaradi svoje elastičnosti ta material učinkovito absorbira tudi mehanske obremenitve.
Način kompenzacije
Načelo metode kompenzacijske zaščite je umetno ustvarjanje magnetnega polja, ki je usmerjeno nasprotno zunanjemu polju. To se običajno doseže s sistemom Helmholtz tuljav. Sestavljen je iz 2 enakih tankih tuljav, ki se nahajata koaksialno na razdalji njunega polmera. Skozi njih poteka električna energija. Magnetno polje, ki ga povzročajo tuljave, je zelo enakomerno.
Zaščitna pločevinkaproizvaja tudi plazma. Ta pojav se upošteva pri porazdelitvi magnetnega polja v prostoru.
zaščita kabla
Zaščita magnetnega polja je nujna pri polaganju kablov. Električne tokove, ki nastanejo v njih, lahko povzroči vključitev gospodinjskih aparatov v prostor (klimatske naprave, fluorescenčne sijalke, telefoni), pa tudi dvigala v rudnikih. Ti dejavniki imajo še posebej velik vpliv na digitalne komunikacijske sisteme, ki delujejo na protokolih s širokim frekvenčnim pasom. To je posledica majhne razlike med močjo uporabnega signala in šumom v zgornjem delu spektra. Poleg tega elektromagnetna energija, ki jo oddajajo kabelski sistemi, negativno vpliva na zdravje osebja, ki dela v prostorih.
Navzkrižni pogovor se pojavi med pari žic zaradi prisotnosti kapacitivne in induktivne sklopke med njimi. Elektromagnetna energija kablov se odraža tudi zaradi nehomogenosti njihove valovne impedance in je oslabljena v obliki toplotnih izgub. Zaradi slabljenja se moč signala na koncu dolgih vrstic stokrat zmanjša.
Trenutno se v električni industriji izvajajo 3 metode zaščite kabelskih poti:
- Uporaba popolnoma kovinskih škatel (jekla ali aluminija) ali vgradnja kovinskih vložkov v plastične. Ko se frekvenca polja poveča, se presejalna sposobnost aluminija zmanjša. Pomanjkljivost je tudi visoka cena škatel. Za dolge kable obstajaproblem zagotavljanja električnega stika posameznih elementov in njihove ozemljitve za zagotovitev ničelnega potenciala škatle.
- Uporabite oklopljene kable. Ta metoda zagotavlja maksimalno zaščito, saj plašč obdaja sam kabel.
- Vakumsko nanašanje kovine na PVC kanal. Ta metoda je neučinkovita pri frekvencah do 200 MHz. Zaradi visoke upornosti je "gašenje" magnetnega polja desetkrat manjše v primerjavi s polaganjem kabla v kovinske škatle.
Vrste kablov
Obstajata 2 vrsti zaščitenih kablov:
- S skupnim zaslonom. Nahaja se okoli nezaščitenih napetih vodnikov. Pomanjkljivost takih kablov je velika preslušavanja (5-10-krat več kot pri zaščitenih parih), zlasti med pari z enakim naklonom zasuka.
- Kabli z oklopljenimi sukanimi pari. Vsi pari so posamično zaščiteni. Zaradi višje cene se najpogosteje uporabljajo v omrežjih s strogimi varnostnimi zahtevami in v prostorih s težkim elektromagnetnim okoljem. Uporaba takšnih kablov pri vzporednem polaganju omogoča zmanjšanje razdalje med njimi. To zmanjša stroške v primerjavi z deljenim usmerjanjem.
Zaščiten kabel z zvitim parom je izoliran par vodnikov (njihovo število je običajno od 2 do 8). Ta zasnova zmanjša preslušavanje.med vodniki. Neoklopljeni pari nimajo zahtev za ozemljitev, imajo večjo fleksibilnost, manjše prečne dimenzije in enostavnejšo namestitev. Zaščiten par zagotavlja zaščito pred elektromagnetnimi motnjami in visokokakovosten prenos podatkov po omrežjih.
Informacijski sistemi uporabljajo tudi dvoslojno zaščito, ki jo sestavljata zaščita zvitih parov v obliki metaliziranega plastičnega traku ali folije ter običajna kovinska pletenica. Za učinkovito zaščito pred magnetnim poljem morajo biti takšni kabelski sistemi ustrezno ozemljeni.
