Часть 1.Тестирование материала для экранирования переменных магнитных полей

4 февраля 2018

В настоящее время существует огромная проблема экранирования магнитных полей (МП), как постоянных, так и переменных. Ряд трансформаторных подстанций, щитовых, сильных постоянных магнитов, различных датчиков требуют экранирования специальными материалами.

Большинство экранирующих материалов (краска, ткань, сетка, пленка) не способны снижать МП даже на незначительную величину из-за другой природы формирования и распространения самого МП. Во многих источниках часто встречается информация о возможности применения ферритов, медных сплошных экранов, специальных аморфных и нанокристаллических сплавов, пермаллоев, но практически нигде не предоставляется информация о самих коэффициентах экранирования магнитных полей.

Сотрудники нашей компании решили на практике проверить свойства ряда материалов (применительно для использования на больших и малых объектах). Пермаллои не рассматриваем из-за снижения их магнитных свойств при механических деформациях. Ферриты применять на практике еще сложнее. Ориентировать нужным образом цилиндр или куб из меди в помещении крайне проблематично. Остаются материалы из аморфных и нанокристаллических сплавов.

Немного об аморфных сплавах. Данные материалы создаются методом быстрого охлаждения (путем распыления расплавленного металла на быстро вращающийся барабан-холодильник) и пропускания фазы кристаллизации материала, за счет чего твердое готовое вещество принимает структуру, очень похожую на лед. Для некоторых сплавов (уже отвердевших), для приобретения ими требуемых магнитных свойств, требуется дополнительная термическая обработка и/или перемагничивание.

В данной части пойдет речь об испытании на практике ряда изделий из аморфных и нанокристаллических сплавов в переменных магнитных полях на уровнях от 500 нТл до 20 мкТл на ряде частот от 16 Гц до 300 кГц.

Работу в постоянных МП мы будем оценивать позже.

Скажем сразу, что мы не являемся профессорами и академиками в области изучения МП, но имеем хорошее представление о природе происхождения и распространения МП и делимся своими наработками в этой сфере.

Ряд производителей предоставляют готовые решения для экранирования переменных МП в виде рулонных материалов шириной 50-65 см в широком ценовом диапазоне. Их изделия имеют свои особенности, которые опишем ниже.

Нами был собран испытательный стенд, который имел в своем составе следующие узлы:

  • Источник питания постоянного тока (для формирования уровня выходного сигнала);
  • Генератор сигнала, совмещенный с осциллографом Rigol DS1074Z-S (для формирования синусоидального сигнала требуемой частоты и его последующего контроля);
  • Усилитель сигнала низкой частоты;
  • Катушка индуктивности;
  • Измерительный прибор NFA1000 (для контроля уровня МП и его направленности)
  • Экранированный ящик (из 5 слоев ленты, изготовленной из аморфных сплавов);
  • Образец тестируемого материала.

За счет изменения уровня выходного напряжения на источнике питания, мы получали различный уровень МП на катушке индуктивности. Генератором сигналов задавали необходимую несущую частоту. Осциллографом контролировали сформированный сигнал. Измерительный прибор помещался напротив сердечника катушки в экранированном коробе. При проведении измерений, тестируемый образец материала (1 и 2 слоя) одевался на короб, создавая преграду для прохождения силовых линий МП.

В процессе тестирования был обнаружен один интересный эффект - дополнительный отжиг аморфного и нанокристаллического сплава практически никак не влиял на увеличение коэффициента экранирования. Главным определяющем критерием на коэффициент экранирования была относительная начальная магнитная проницаемость самого материала. Температурный отжиг в теории повышает начальную магнитную проницаемость до 5-15 раз, что должно повышать экранирующие свойства, но этого не происходит. Причем после отжига, резко повышается хрупкость самого материала, что сильно ограничивает его дальнейшее применение на практике (зачастую невозможно согнуть без излома).

В качестве испытуемых материалов были выбраны МАР 1К (Санкт-Петербург), MCL61 (Германия), ММР-50 (собственное производство). Вместе с МАР 1К мы испытаем исходное сырье, не прошедшее дополнительного отжига (скорее всего МАР 1К проходил дополнительную термическую обработку из-за чего стал очень хрупким) и сравним их характеристики. Так же сравним ММР-50 (не проходит дополнительную термическую обработку) и термообработанный материал и, по возможности, снимем видео обзор.

ММР-50 - оптимальное отношение цена/эксплуатационные характеристики

Муки выбора исходного сырья были очень долгими. С материалом было проведено много различных манипуляций (и температурная обработка, и перемагничивание, и т.д). В итоге сделан тестовый образец, который получил такую номенклатуру и проходит в настоящий момент испытания на предмет определения коэффициента ослабления переменных магнитных полей.

Основной задачей является максимальное подавление МП промышленной частоты (50 Гц) и основных гармоник (100, 150 Гц). Изделие собрано из лент аморфного сплава, имеющих толщину около 30 микрон. Максимальное ослабление достигается при полной изоляции (укрытии) защищаемого объекта или источника МП. Хочется отметить, что ММР-50 практически не работает в сильных полях, имеющих уровень свыше 300 мТл (за счет относительно низкого уровня индукции насыщения). Этим свойством обладают все наши вышеперечисленные аналоги. Для сведения: при решении большинства задач, уровень МП не превышает и 1 мТл.

Для максимально точного определения коэффициента экранирования будем проводить по 3 замера каждой контрольной точки и выводить усредненное значение по ним. Даже малейшая щель между экранированным коробом и образцом дает сильное падение коэффициента ослабления, поэтому и увеличиваем число измерений.

В следующей части обзора представлены графики на конкретных частотах тестирования. На графиках представлены зависимости коэффициента ослабления от уровня внешнего магнитного поля в пределах 500 нТл...20 мкТл. В процессе дополнения данных, будем их размещать и делать по ним заметки.

Для начала приведем зависимость уровня магнитной индукции на частоте 50 Гц от расстояния до излучающей катушки (источника).

Из данного графика можно сделать вывод, что основным средством по уменьшению уровня МП является увеличение расстояния до источника.


Часть 2. Тестирование ММР-50