Elektromagnetski zasloni se široko koriste u industriji. Služe za otklanjanje štetnog djelovanja nekih elemenata električnog uređaja na druge, za zaštitu osoblja i opreme od utjecaja vanjskih polja koja nastaju tijekom rada drugih uređaja. "Gašenje" vanjskog magnetskog polja potrebno je u stvaranju laboratorija namijenjenih za podešavanje i ispitivanje visokoosjetljive opreme. Također je potreban u medicini i onim područjima znanosti u kojima se provodi mjerenje polja s ultra-niskom indukcijom; za zaštitu informacija tijekom prijenosa putem kabela.
Metode
Zaštita magnetskog polja je skup načina za smanjenje jačine konstantnog ili izmjeničnog polja u određenom području prostora. Magnetno polje, za razliku od električnog polja, ne može se potpuno oslabiti.
U industriji, zalutala polja transformatora, trajnih magneta, visokostrujnih instalacija i strujnih krugova imaju najveći utjecaj na okoliš. Oni mogu potpuno poremetiti normalan rad susjednih uređaja.
Najčešće korišteno 2način zaštite:
- Upotreba ekrana od supravodljivih ili feromagnetskih materijala. Ovo je učinkovito u prisutnosti konstantnog ili niskofrekventnog magnetskog polja.
- Metoda kompenzacije (prigušenje vrtložne struje). Vrtložne struje su velike električne struje koje nastaju u vodiču kada se mijenja magnetski tok. Ova metoda pokazuje najbolje rezultate za visokofrekventna polja.
Principi
Načela zaštite magnetskog polja temelje se na obrascima širenja magnetskog polja u prostoru. Prema tome, za svaku od gore navedenih metoda, one su sljedeće:
- Ako induktor postavite u kućište napravljeno od feromagneta, tada će linije indukcije vanjskog magnetskog polja prolaziti duž zidova zaštitnog zaslona, budući da ima manji magnetski otpor u odnosu na prostor unutar njega. One linije sile koje inducira sama zavojnica također će gotovo sve biti zatvorene za stijenke kućišta. Za najbolju zaštitu u ovom slučaju potrebno je odabrati feromagnetne materijale koji imaju visoku magnetsku propusnost. U praksi se najčešće koriste legure željeza. Kako bi se povećala pouzdanost zaslona, izrađuje se debelim stijenkama ili montažnim od nekoliko kućišta. Nedostaci ovog dizajna su njegova velika težina, glomaznost i propadanje zaštite u prisutnosti šavova i rezova na zidovima kućišta.
- U drugoj metodi, slabljenje vanjskog magnetskog poljanastaje kao posljedica nametanja drugog polja na njega, induciranog prstenastim vrtložnim strujama. Njegov je smjer suprotan linijama indukcije prvog polja. Kako se frekvencija povećava, slabljenje će biti izraženije. U ovom slučaju za zaštitu se koriste ploče u obliku prstena vodiča s niskim otporom. Kutije u obliku cilindra od bakra ili aluminija najčešće se koriste kao kućišta zaslona.
Ključne značajke
Postoje 3 glavne karakteristike za opisivanje procesa zaštite:
- Ekvivalentna dubina prodora magnetskog polja. Pa idemo dalje. Ova se slika koristi za efekt screeninga vrtložnih struja. Što je njegova vrijednost manja, to je veća struja koja teče u površinskim slojevima zaštitnog kućišta. Sukladno tome, veće je magnetsko polje koje ga inducira, a koje istiskuje vanjsko. Ekvivalentna dubina određena je formulom u nastavku. U ovoj formuli, ρ i Μr su otpornost i relativna magnetska propusnost materijala zaslona, respektivno (mjerne jedinice prve vrijednosti su Ohm∙m); f je frekvencija polja, mjerena u MHz.
- Učinkovitost zaštite e - omjer jačine magnetskog polja u zaštićenom prostoru u odsutnosti i prisutnosti štita. Ova vrijednost je veća što je veća debljina zaslona i magnetska propusnost njegovog materijala. Magnetska propusnost je pokazatelj koji karakterizira koliko je puta indukcija u tvaridrugačije od onog u vakuumu.
- Smanjenje jakosti magnetskog polja i gustoće vrtložne struje na dubini x od površine zaštitnog kućišta. Pokazatelj se izračunava pomoću formule u nastavku. Ovdje je A0 vrijednost na površini zaslona, x0 je dubina na kojoj se intenzitet ili gustoća struje smanjuje e puta.
Dizajni zaslona
Zaštitne navlake za zaštitu magnetskog polja mogu se izraditi u različitim izvedbama:
- list i masivan;
- u obliku šupljih cijevi i kućišta s cilindričnim ili pravokutnim presjekom;
- jednoslojni i višeslojni, sa zračnim razmakom.
Budući da je izračun broja slojeva prilično kompliciran, ova vrijednost se najčešće bira iz referentnih knjiga, prema krivuljama učinkovitosti zaštite koje su dobivene eksperimentalno. Rezovi i šavovi u kutijama dopušteni su samo duž linija vrtložnih struja. U suprotnom, učinak zaštite će se smanjiti.
U praksi je teško dobiti visok faktor zaštite, jer je uvijek potrebno napraviti rupe za ulaz kabela, ventilaciju i održavanje instalacija. Za zavojnice se bešavna kućišta izrađuju metodom ekstruzije lima, a dno cilindričnog zaslona služi kao poklopac koji se može ukloniti.
Osim toga, kada strukturni elementi dođu u kontakt, nastaju pukotine zbog površinskih nepravilnosti. Da biste ih uklonili, koristitemehaničke stezaljke ili brtve od vodljivih materijala. Dostupne su u različitim veličinama i s različitim svojstvima.
Vrtložne struje su struje koje mnogo manje kruže, ali su u stanju spriječiti prodor magnetskog polja kroz ekran. U prisutnosti velikog broja rupa u kućištu, smanjenje koeficijenta zaštite događa se prema logaritamskoj ovisnosti. Njegova najmanja vrijednost promatra se kod tehnoloških rupa velike veličine. Stoga se preporuča dizajnirati nekoliko malih rupa, a ne jednu veliku. Ako je potrebno koristiti standardizirane rupe (za ulaz kabela i druge potrebe), tada se koriste transcendentalni valovovodi.
U magnetostatičkom polju stvorenom izravnim električnim strujama, zadatak zaslona je da skrene poljske linije. Zaštitni element se postavlja što bliže izvoru. Uzemljenje nije potrebno. Učinkovitost zaštite ovisi o magnetskoj propusnosti i debljini materijala za zaštitu. Kao potonje, koriste se čelici, permalloy i magnetske legure visoke magnetske propusnosti.
Zaštita kabelskih trasa uglavnom se izvodi na dva načina - korištenjem kabela sa oklopljenim ili zaštićenim upletenim parom i polaganjem vodova u aluminijske kutije (ili umetke).
Supervodljivi zasloni
Rad supravodljivih magnetskih ekrana temelji se na Meissnerovom efektu. Taj se fenomen sastoji u činjenici da tijelo u magnetskom polju prelazi u supravodljivo stanje. Istodobno, magnetskapropusnost kućišta postaje jednaka nuli, odnosno ne prolazi magnetsko polje. Potpuno se kompenzira u volumenu danog tijela.
Prednost ovakvih elemenata je što su mnogo učinkovitiji, zaštita od vanjskog magnetskog polja ne ovisi o frekvenciji, a učinak kompenzacije može trajati proizvoljno dugo. Međutim, u praksi Meissnerov efekt nije potpun, budući da u stvarnim zaslonima izrađenim od supravodljivih materijala uvijek postoje strukturne nehomogenosti koje dovode do hvatanja magnetskog toka. Ovaj učinak predstavlja ozbiljan problem za stvaranje kućišta kako bi se zaštitilo magnetsko polje. Koeficijent slabljenja magnetskog polja je veći, što je veća kemijska čistoća materijala. U eksperimentima je najbolja izvedba zabilježena za olovo.
Drugi nedostaci materijala za zaštitu od supravodljivih magnetskih polja su:
- visoka cijena;
- prisutnost preostalog magnetskog polja;
- pojava stanja supravodljivosti samo pri niskim temperaturama;
- nemogućnost funkcioniranja u visokim magnetskim poljima.
Materijal
Najčešće se zasloni od ugljičnog čelika koriste za zaštitu od magnetskog polja, jer su vrlo prilagodljivi za zavarivanje, lemljenje, jeftini i karakterizirani dobrom otpornošću na koroziju. Osim njih, materijali kao što su:
- tehnička aluminijska folija;
- meka magnetska legura željeza, aluminija i silicija (alsifer);
- bakar;
- vodljivo obloženo staklo;
- cink;
- transformatorski čelik;
- provodljivi emajli i lakovi;
- mjed;
- metalizirane tkanine.
Strukturno se mogu izraditi u obliku listova, mreža i folije. Limeni materijali pružaju bolju zaštitu, a mrežasti materijali su prikladniji za sastavljanje - mogu se spojiti točkastim zavarivanjem u koracima od 10-15 mm. Kako bi se osigurala otpornost na koroziju, rešetke su lakirane.
Preporuke za odabir materijala
Prilikom odabira materijala za zaštitne zaslone, vodite se sljedećim preporukama:
- U slabim poljima koriste se legure visoke magnetske propusnosti. Tehnološki najnaprednija je permaloy, koja se dobro podnosi pritisku i rezanju. Jačina magnetskog polja potrebna za njegovu potpunu demagnetizaciju, kao i električni otpor, ovise uglavnom o postotku nikla. Po količini ovog elementa razlikuju se permalloje s niskim udjelom nikla (do 50%) i visokonikalnim (do 80%).
- Da bi se smanjili gubici energije u izmjeničnom magnetskom polju, kućišta se postavljaju ili iz dobrog vodiča ili iz izolatora.
- Za frekvenciju polja veću od 10 MHz, srebrne ili bakrene filmske prevlake debljine 0,1 mm ili više (zasloni izrađeni od folijom obloženog getinaksa i drugih izolacijskih materijala), kao i bakar, aluminij i mjed, daju dobar učinak. Za zaštitu bakra od oksidacije, presvučen je srebrom.
- Debljinamaterijal ovisi o frekvenciji f. Što je niži f, debljina mora biti veća da bi se postigao isti efekt zaštite. Na visokim frekvencijama, za proizvodnju kućišta od bilo kojeg materijala, dovoljna je debljina od 0,5-1,5 mm.
- Za polja s velikim f, feromagneti se ne koriste, jer imaju veliki otpor i dovode do velikih gubitaka energije. Visoko vodljivi materijali osim čelika također se ne smiju koristiti za zaštitu trajnih magnetskih polja.
- Za zaštitu u širokom rasponu f, višeslojni materijali (čelični lim s vrlo vodljivim metalnim slojem) optimalno su rješenje.
Opća pravila odabira su sljedeća:
- Visoke frekvencije su visoko vodljivi materijali.
- Niske frekvencije su materijali s visokom magnetskom propusnošću. Screening u ovom slučaju jedan je od najtežih zadataka, jer dizajn zaštitnog zaslona čini težim i kompliciranijim.
Folijske trake
Folijske zaštitne trake koriste se u sljedeće svrhe:
- Zaštita širokopojasnih elektromagnetskih smetnji. Najčešće se koriste za vrata i zidove električnih ormara s uređajima, kao i za formiranje paravana oko pojedinih elemenata (solenoida, releja) i kabela.
- Uklanjanje statičkog naboja koji se nakuplja na uređajima koji sadrže poluvodiče i katodne cijevi, kao i na uređajima koji se koriste za unos/izlaz informacija izračunalo.
- Kao komponenta uzemljenja.
- Za smanjenje elektrostatičke interakcije između namota transformatora.
Strukturno se temelje na provodljivom ljepljivom materijalu (akrilna smola) i foliji (s valovitom ili glatkom površinom) izrađenoj od sljedećih vrsta metala:
- aluminij;
- bakar;
- pokositreni bakar (za lemljenje i bolju zaštitu od korozije).
Polimerni materijali
U onim uređajima kod kojih je uz zaštitu magnetskog polja potrebna zaštita od mehaničkih oštećenja i apsorpcija udara, koriste se polimerni materijali. Izrađuju se u obliku jastučića od poliuretanske pjene prekrivenih poliesterskim filmom, na bazi akrilnog ljepila.
U proizvodnji monitora s tekućim kristalima koriste se akrilne brtve od vodljive tkanine. U sloju akrilnog ljepila nalazi se trodimenzionalna vodljiva matrica izrađena od vodljivih čestica. Zbog svoje elastičnosti, ovaj materijal također učinkovito apsorbira mehanički stres.
Način kompenzacije
Načelo metode kompenzacijske zaštite je da se umjetno stvori magnetsko polje koje je usmjereno suprotno od vanjskog polja. To se obično postiže sustavom Helmholtz zavojnica. Sastoji se od 2 identične tanke zavojnice smještene koaksijalno na udaljenosti njihovog polumjera. Kroz njih prolazi električna energija. Magnetsko polje inducirano zavojnicama je vrlo ujednačeno.
Zaštitna konzervatakođer proizveden plazmom. Ovaj fenomen se uzima u obzir pri raspodjeli magnetskog polja u prostoru.
Zaštita kabela
Zaštita od magnetnog polja neophodna je kod polaganja kablova. Električne struje inducirane u njima mogu biti uzrokovane uključivanjem kućanskih aparata u prostoriju (klima uređaji, fluorescentne svjetiljke, telefoni), kao i dizala u rudnicima. Ovi čimbenici imaju posebno velik utjecaj na digitalne komunikacijske sustave koji rade na protokolima sa širokim frekvencijskim pojasom. To je zbog male razlike između snage korisnog signala i šuma u gornjem dijelu spektra. Osim toga, elektromagnetska energija koju emitiraju kabelski sustavi negativno utječe na zdravlje osoblja koje radi u prostorijama.
Unakrsni razgovor se javlja između parova žica zbog prisutnosti kapacitivnog i induktivnog spoja između njih. Elektromagnetska energija kabela također se reflektira zbog nehomogenosti njihove valne impedancije i slabi u obliku toplinskih gubitaka. Kao rezultat slabljenja, snaga signala na kraju dugih linija pada stotine puta.
Trenutno se u elektroindustriji prakticiraju 3 metode zaštite kabelskih trasa:
- Upotreba potpuno metalnih kutija (čelik ili aluminij) ili ugradnja metalnih umetaka u plastične. Kako se frekvencija polja povećava, smanjuje se sposobnost prosijavanja aluminija. Nedostatak je i visoka cijena kutija. Za dugačke kablove postojiproblem osiguravanja električnog kontakta pojedinih elemenata i njihovog uzemljenja kako bi se osigurao nulti potencijal kutije.
- Koristite oklopljene kabele. Ova metoda pruža maksimalnu zaštitu jer omotač okružuje sam kabel.
- Vakumsko taloženje metala na PVC kanal. Ova metoda je neučinkovita na frekvencijama do 200 MHz. “Gašenje” magnetskog polja je deset puta manje u odnosu na polaganje kabela u metalne kutije zbog visoke otpornosti.
Vrste kablova
Postoje 2 vrste oklopljenih kablova:
- Sa zajedničkim zaslonom. Nalazi se oko nezaštićenih užetih vodiča. Nedostatak takvih kabela je što postoji veliki preslušavanje (5-10 puta više od zaštićenih parova), posebno između parova s istim korakom uvijanja.
- Kablovi sa oklopljenim upredenim paricama. Svi parovi su pojedinačno zaštićeni. Zbog veće cijene najčešće se koriste u mrežama sa strogim sigurnosnim zahtjevima i u prostorijama s teškim elektromagnetskim okruženjem. Korištenje takvih kabela u paralelnom polaganju omogućuje smanjenje udaljenosti između njih. To smanjuje troškove u usporedbi s podijeljenim usmjeravanjem.
Oklopljeni kabel s upredenom parom je izolirani par vodiča (njihov broj je obično od 2 do 8). Ovaj dizajn smanjuje preslušavanje.između vodiča. Neoklopljeni parovi nemaju zahtjeve za uzemljenjem, imaju veću fleksibilnost, manje poprečne dimenzije i jednostavnost ugradnje. Oklopljeni par pruža zaštitu od elektromagnetskih smetnji i visokokvalitetan prijenos podataka preko mreža.
Informacijski sustavi također koriste dvoslojnu zaštitu koja se sastoji od zaštite upredenih para u obliku metalizirane plastične trake ili folije, te uobičajene metalne pletenice. Za učinkovitu zaštitu od magnetskog polja, takvi kabelski sustavi moraju biti pravilno uzemljeni.
