磁體禁止

把磁導率不同的兩種介質放到磁場中,在它們的交界面上磁場要發生突變,這時磁場強度B的大小和方向都要發生變化,也就是說,引起了磁感線的折射。例如,當磁感線從空氣進入鐵時,磁感線對法線的偏離很大,因此強烈地收縮。如右圖,是磁禁止示意圖。圖中A為一磁導率很大的軟磁材料(如坡莫合金或鐵鋁合金)做成的罩,放在外磁場中。由於罩餓磁導率μ比μ。大得多,所以絕大部分磁場線從罩殼的壁內通過,而罩殼內的空腔中,磁感線是很少的。這就達到了磁禁止的目的。

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研究概況

用途

為了防止外界磁場的干擾,常在示波管、顯像管中電子束聚焦部分的外部加上磁禁止罩,就可以起到磁禁止的作用。
機械手錶里的機芯都是鋼製的。如果手錶放在磁鐵附近,鋼製機芯就會磁化。特別是當遊絲磁化後,表馬上就會停止不走。因此,手錶需要外罩一種能隔絕磁力,使磁場透不過的物質。 有意思的是,能夠遮住外磁場的物質,原來就是容易磁化的鐵本身。為了證明這一點,你可把一個小指南針放在一個鐵環里,可以看到小磁針就不會被環外的磁鐵吸引了。所以,如果你有一塊用鐵或鋼做外殼的手錶,就可以保護表內的鋼製機件不受磁力影響。即使將表放在強磁場附近,它的精確度一點也不會降低。至於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,因為它不能防磁。 可見,用鐵制包皮就能把外面的磁場遮住,使內部不受外磁場的影響,放在其中的鐵製品也就不會被磁化。這種現象在物理學中稱為磁禁止。

理論依據

在低頻(DC到100KHz)磁禁止中,設計低成本禁止體的最關鍵因素是對磁禁止的透徹理解。其目的是要達到減少所規定的磁場,這樣使其對所禁止的器件或系統不形成威脅。一旦這一目標被確定,就應考慮會影響到禁止體的低成本設計的一些基本設計因素。這些包括:材料的選擇、主要設計參數和加工工藝。2 材料的選擇
對於禁止體來說,所選擇的材料的類型對其性能和成本影響極大。在設計禁止體時有一點是重要的,就是要深入了解普通使用的不同禁止合金的特性。對這些不同性能的理解就可使你選擇合適的材料,去滿足目標要求。 磁禁止材料要根據各自的特性進行選擇,特別是磁導率和磁飽和性能。由於在變更低頻磁場方向的效能,所以高磁導率材料(比如含80%的鎳合金Mumetal,這是一種高磁導率鐵鎳合金)是經常使用的禁止材料。這些合金可滿足MIL-N-14411C部分1和ASTMA753-97樣式4的要求。其可得到的相對較薄的厚度為0.002到0.125英寸,並極易被有經驗的禁止加工者加工出來。 在需要於極小空間內降低磁場時,典型上使用這些合金。在需要提供比要求更高禁止時,或是磁場強度(在較高場強時更為典型)需要具有更高飽和值材料時,這些材料常被選中。
在禁止目標僅需要稍微減少場強時(減少1~1/4),或是當場強足以使高磁導率禁止體飽和時,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於0.01%;與其它鋼相比,其有較高的磁導率和極優的飽和性能。這些材料具有較小的柔韌性,並比矽鋼較容易製造,這就允許在大面積禁止項目中容易安裝和以同樣的方式加工出小型組件。ULCS可與高磁導率材料一起使用,以為需要高飽和保護和高衰減等級建立最佳的禁止體。 對於低溫用的禁止體,Cryoperm10(為德國VaccumschmelzeGmbHg公司的註冊商標)為一種最佳選擇。與Mumetal一樣,Cryoperm10也是一種高磁導率鎳鐵合金,它是經特殊加工而成的,以提供在降低溫度時磁導率增加。標準的禁止合金(比如Mumetal)在低溫時就失去了其大部分磁導率。但是Cryoperm10可在77.3到4.2°K時的磁導率卻增加10倍。表1示出了最常用的禁止材料的磁導率飽和值的比較。

生產概況

具體參數

飽和磁導率材料(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由於材料的成本占禁止體價格的一半,所以使用較薄的尺寸能滿足所要求的禁止特性和結構性能是最好了。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組分和性能特性獲得,並可作為標準的以鎳為基礎的和ULCS材料。
設計低成本禁止體的最重要的一步,就是對這些典型禁止材料特性及其對禁止性能影響的了解。一旦合適的材料被選中,其重點要集中於基本的設計考慮,以使其不但性能最佳,而且對成本的影響最小。

設計考慮

大部分禁止體用的公式和模型的開發是基於圓形或無限長的圓柱體幾何形狀的。在實際套用中,所給定禁止體的實踐形狀由器件結構和禁止體自身的可利用空間所決定。在設計一禁止體時,要了解的重要的結構是,要使磁力線旋轉90°是困難的。但是,圓形禁止體,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禁止體容易一些。類似地,對於包容已進入禁止材料的磁力線並改變其方向,圓角要比尖角好一些。保持可提供低磁阻路徑的禁止體形狀簡單或磁場運動的“最低磁阻路徑”是很重要的。
禁止體的尺寸在禁止效率和成本方面的重要性極大。禁止體的有效半徑越小,其整體性能就越好。但是,設計禁止體的目的是使其包絡試圖禁止的組件和空間,並應該靠得很近。由於材料占禁止體設計的大部分成本,因此較小禁止體就可以在較低成本下獲得較優的性能。
每當有可能,禁止體應與所有壁靠近,以避免場泄漏。這種結構(即使是矩形)也是最接近於圓形的,它可以建立一個半閉合的磁路。另外,全部箱體可在所有軸上獲得禁止特性,這樣就可以保證最好的禁止性能。當特殊的性能和進出口需要時,可移動的蓋板、罩和門均可組合到禁止體設計中去。
在利用蓋板、罩和門時或使用兩塊或多塊板構建禁止體時,在多塊板間保持磁連續性和電接觸是很重要的。可通過機械式(利用摩擦組件)或焊接保持磁連續性。在拐角或過渡連線,使用焊接可獲得最佳性能。維持表面間的連續性就可以保證磁力線連續沿其低磁阻路徑前進,這樣可以提高禁止效能。在交流場,保持磁連續性就允許較高的感應電流禁止,在直流場,對於適當的磁力線分路,連續性也是重要的。
如果你不能靠近禁止體的一端或兩端,要特別注意開端的長一直徑比。禁止體的這種長—直徑比至少應為4:1,以避免“端接效應”和磁力線穿透禁止體範圍。經驗法則是,禁止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行保護。由於增加了禁止體的長度同時保持直徑不變,就可以用無限長圓柱體模型進行近似。當圓柱型或矩形禁止體需要大的開孔時,垂直於禁止體壁的的管可用於由於開孔而引起禁止體的磁場強度的減少。管的長度應正比於所禁止的開孔的直徑。
在設計過程早期就應考慮這些問題,可使這些主要設計參數對禁止體的成本影響較小。但是,這些因素要比材料本身對禁止體性能的影響要大。這樣,在設計禁止體時,最先保證這些基本參數通常是需要的。

生產技術

一種好的禁止體設計要涉及到加工過程,其可提供所需要的結構和特性。在過去,大部分磁禁止體是用標準的精密片狀金屬加工技術通過剪下、穿孔、成型和焊接加工出來的。現在,利用先進的雷射切割系統,個別部件的剪下和計算機化的數字控制沖孔都由一步雷射切割技術所代替。主要的禁止元件的一步加工技術可使加工時間更快和降低加工成本,而無須高成本的加工方法。特別是對於型材和特殊設備(比如專用切割和系列化),這種過程可為禁止設計者提供更大的靈活性。
利用母材並使用縫隙和連線點的氬弧焊或疊層縫隙的點焊,就可以組裝多個禁止元件。氬弧焊可使組裝的禁止體得到最佳化的磁連續性,它可用於使用高禁止性能方面。對於大部分套用,與氬弧焊相比,法蘭和疊層連線的點焊可獲得更高級的磁連續性。
為使典型的禁止合金(如Mumetal)達到最佳性能,還要進行特殊的被稱為氫退火的熱處理循環。一旦所有加工過程完成,就可以進行退火過程。但在退火以後,對禁止體進行衝擊和振動試驗,將降低材料的性能。嚴格遵守所規定的退火周期,不但能保證獲得最佳磁禁止性能,而且還可以將未退火材料的磁導率平均提高40倍。

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