多層圓柱形磁屏體磁屏蔽特性研究*

張晚英，施樂(lè)，張杰峰，劉東輝，申鴻哲，胡雪峰

(1.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司衢州供電局，浙江 衢州 324000；3.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司衡陽(yáng)供電局，湖南 衡陽(yáng) 421000)

多層圓柱形磁屏體磁屏蔽特性研究*

張晚英1?，施樂(lè)1，張杰峰1，劉東輝2，申鴻哲1，胡雪峰3

(1.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司衢州供電局，浙江 衢州 324000；3.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司衡陽(yáng)供電局，湖南 衡陽(yáng) 421000)

根據(jù)高磁導(dǎo)率鐵材料和高電導(dǎo)率材料的電磁屏蔽特性，將銅繞組纏繞在鐵芯上，圓柱形屏蔽體殼放入由銅繞組產(chǎn)生的均勻磁場(chǎng)中，利用三維有限元法對(duì)圓柱形屏蔽體殼的磁屏蔽特性進(jìn)行了研究.分析磁屏蔽體厚度、屏蔽體的層數(shù)和激勵(lì)頻率對(duì)磁屏蔽效能的影響，以解決采用高磁導(dǎo)率材料和高電導(dǎo)率材料等不同磁屏蔽材料磁屏蔽體的最佳磁屏蔽方案問(wèn)題.探索提高磁屏蔽效率的新技術(shù)，對(duì)電磁兼容問(wèn)題的解決具有重要理論和實(shí)際意義.

電磁屏蔽效能；磁屏蔽材料；圓柱形屏蔽體；高磁導(dǎo)率材料；高電導(dǎo)率材料； Ansoft有限元

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、個(gè)人電腦、人造衛(wèi)星、超高壓輸電網(wǎng)和其他電磁設(shè)備的大規(guī)模應(yīng)用，引發(fā)了一系列電磁干擾和電磁輻射問(wèn)題，電磁波污染成為威脅人類健康的又一大公害[1].在軍事、醫(yī)療和檢測(cè)方面，都要求有優(yōu)良的電磁屏蔽，有效防止電磁波的干擾，保障國(guó)家和個(gè)人的信息安全.本文運(yùn)用Ansoft Maxwell 3D[2]仿真軟件，分別對(duì)鐵、銅、鋁單層圓柱形屏蔽體[3-5]、鐵/鋁或鐵/銅雙層圓柱屏蔽體以及銅/鐵/鋁三層圓柱屏蔽體進(jìn)行了仿真研究.研究了鐵、銅、鋁單層圓柱形屏蔽體厚度對(duì)低頻磁場(chǎng)磁屏蔽效能的影響[6-8]；然后研究了磁場(chǎng)頻率對(duì)鋁、銅單層圓柱形屏蔽體結(jié)構(gòu)的磁屏蔽效能影響；最后研究了鐵/鋁或鐵/銅雙層圓柱屏蔽體以及銅/鐵/鋁三層圓柱屏蔽體磁屏蔽特性，結(jié)果表明鐵/鋁和鐵/銅組合結(jié)構(gòu)的屏蔽體對(duì)低頻交變磁場(chǎng)的磁屏蔽效能比單層鐵屏蔽體高，銅/鐵/鋁三層圓柱屏蔽體對(duì)低頻交變磁場(chǎng)的磁屏蔽效能比鐵/鋁和鐵/銅組合結(jié)構(gòu)的屏蔽體高，最理想磁屏蔽體結(jié)構(gòu)是銅/鐵/鋁三層屏蔽體結(jié)構(gòu)，其具有最高的磁屏蔽效能.可見(jiàn)組合屏蔽體屏蔽效能大大提高，為電磁屏蔽的研究開(kāi)辟了一個(gè)新的研究方向.

1 磁屏蔽體的工作原理

1.1 高磁導(dǎo)率材料屏蔽的原理

恒定磁場(chǎng)和低頻磁場(chǎng)屏蔽指利用高磁導(dǎo)率材料構(gòu)成低磁阻通路，即將一個(gè)高磁導(dǎo)率屏蔽體外殼放置在干擾磁場(chǎng)中，則空氣介質(zhì)與屏蔽體外殼組成一個(gè)并聯(lián)磁路，如圖1所示.由于空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率接近1，而屏蔽體外殼相對(duì)磁導(dǎo)率最高達(dá)到幾千，所以屏蔽外殼的磁阻Rm比空氣介質(zhì)的磁阻R0小很多，使得磁通密度線主要從屏蔽殼內(nèi)通過(guò)，屏蔽體殼外通過(guò)的磁通密度線很少，以達(dá)到屏蔽磁場(chǎng)的目的.屏蔽體殼越厚，磁導(dǎo)率越高，屏蔽效果越好.為了達(dá)到更好的磁屏蔽效果，可以使用多層屏蔽外殼的方法，把剩余磁通量屏蔽掉，所以屏蔽性能良好的磁屏蔽體一般體積都較大.

圖1 高磁導(dǎo)率材料的屏蔽原理Fig.1 Shielding principle of high permeability material

1.2 高電導(dǎo)率材料屏蔽的原理

交變磁場(chǎng)采用高電導(dǎo)率的良導(dǎo)體進(jìn)行磁場(chǎng)屏蔽，其屏蔽原理為利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象在屏蔽體表面所產(chǎn)生的渦流反向磁場(chǎng)來(lái)達(dá)到屏蔽的目的，即利用渦流反向磁場(chǎng)對(duì)于原騷擾磁場(chǎng)的排斥作用，抑制或抵消屏蔽體外的磁場(chǎng).交變磁場(chǎng)產(chǎn)生的渦流會(huì)在良導(dǎo)體內(nèi)流動(dòng)，并產(chǎn)生損耗從而引起導(dǎo)體發(fā)熱，因而它還有熱效應(yīng)，如圖2所示.渦流電流的大小直接影響屏蔽效果.

圖2 高電導(dǎo)率材料的屏蔽原理Fig.2 Shielding principle of high conductivity material

2 磁屏蔽體的仿真研究

本文利用Ansoft Maxwell 3D建立仿真模型如圖3所示.仿真模型求解器設(shè)置采用渦流求解器(Eddy Current)，邊界條件采用軟件默認(rèn)的Default Boundary Conditions，激勵(lì)源頻率f=50 Hz(即工頻)，線圈電流i=100 A.在圖3所示的仿真模型中，中間的圓柱體為銅線圈(深黑色)，其產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的方向沿圓柱形屏蔽體的軸向.外面圓柱體殼(淺黑色)是封閉磁屏蔽體，根據(jù)建立的磁屏蔽體模型，采用圖3仿真模型圖，磁屏蔽體相應(yīng)地分別為鐵、或鋁、或銅單層結(jié)構(gòu)磁屏蔽體，或鐵/銅、或鐵/鋁雙層結(jié)構(gòu)磁屏蔽體，或銅/鐵/鋁三層結(jié)構(gòu)磁屏蔽體.最外端的長(zhǎng)方體(淺黑色)為有限元軟件里要求設(shè)置的求解域.

圖3 Ansoft Maxwell 3D仿真模型Fig.3 Ansoft Maxwell 3D simulation model

2.1 單層鐵屏蔽體磁屏蔽特性的仿真研究

單層鐵磁屏蔽體的模型剖面圖及結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示，鐵的材料參數(shù)如表1所示.線圈高度為90 mm，線圈內(nèi)半徑為35 mm，線圈厚度為1 mm.屏蔽體的內(nèi)高度固定為94 mm,外高度固定為98.2 mm，內(nèi)半徑固定為40 mm，點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn).改變屏蔽體的側(cè)面厚度t，也即改變屏蔽體外半徑R1，屏蔽體外半徑R1變化范圍為40.05～42.1 mm，也即側(cè)面厚度變化范圍為0.05～2.1 mm.在工頻(50 Hz)條件下，單層鐵屏蔽體外A(0，0，115)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H與屏蔽體外半徑R1關(guān)系曲線如圖5所示.

圖4 模型剖面圖Fig.4 Model profile

圖5 單層鐵屏蔽體A點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度H與 屏蔽體外半徑R1的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between the A point magnetic field strength H of single layer iron shield and R1

由圖5可見(jiàn)，隨著屏蔽體厚度t的增加，A點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度減小.這是因?yàn)樵诠ゎl激勵(lì)下，空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率接近于1，而鐵磁材料屏蔽體相對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率.根據(jù)磁阻公式：Rm=L/(μS)(其中Rm為磁阻，μ為磁導(dǎo)率，S為磁路的橫截面積,L為屏蔽體長(zhǎng)度)，屏蔽體側(cè)面與屏蔽體外空間可以看作并聯(lián)關(guān)系.當(dāng)屏蔽體側(cè)面厚度增加時(shí)，即橫截面積S增加時(shí)，鐵屏蔽體側(cè)面的磁阻減小，大部分磁通流經(jīng)磁阻小的鐵屏蔽體側(cè)面，流經(jīng)屏蔽體外的磁通密度減小，從而達(dá)到磁屏蔽目的.

2.2 單層銅屏蔽體磁屏蔽特性的仿真研究

單層銅磁屏蔽體的結(jié)構(gòu)尺寸也如圖4所示.選擇與單層鐵磁屏蔽體相同的結(jié)構(gòu)尺寸，銅的材料參數(shù)如表1所示.單層銅屏蔽體外A(0，0，115)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H與屏蔽體外半徑R1關(guān)系曲線如圖6(a)所示；磁場(chǎng)強(qiáng)度H隨激勵(lì)頻率f的變化曲線如圖6(b)所示.

由圖6(a)可見(jiàn)，隨著屏蔽體厚度t的增加，A點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度減小，曲線有波動(dòng)，但沒(méi)有看到明顯的曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn).這是因?yàn)槠帘误w的吸收損耗隨屏體厚度增加而增大，由良導(dǎo)體的透入深度計(jì)算式可知，因銅的磁導(dǎo)率很小，銅在工頻時(shí)的透入深度值比較大，因?yàn)榉抡嫠〉暮穸冗€沒(méi)有達(dá)到2d，所以沒(méi)有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，曲線出現(xiàn)波動(dòng)是因?yàn)榉抡嬖囼?yàn)誤差所至.

圖6(b)可見(jiàn)，其它參數(shù)固定，當(dāng)激勵(lì)頻率f增加時(shí)，A點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度減小.低頻時(shí)，由屏蔽體的吸收損耗計(jì)算式可知，激勵(lì)頻率f增加，吸收損耗增加，使得A點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度減小.當(dāng)增加激勵(lì)頻率到一定值，曲線趨向一個(gè)恒定值，即曲線在激勵(lì)頻率f=545 Hz的位置出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，這是因?yàn)榧w效應(yīng)，當(dāng)屏蔽體的厚度t(即：R1=42.1 mm)，電導(dǎo)率σ和磁導(dǎo)率μ不變時(shí)，增加激勵(lì)頻率f，其對(duì)應(yīng)的透入深度d相應(yīng)減少，增加激勵(lì)頻率到一定值，其對(duì)應(yīng)的透入深度d減少到一定值，使得屏蔽體厚度t大于2d時(shí)，再增加激勵(lì)頻率f，磁場(chǎng)強(qiáng)度減小不明顯，即曲線趨向一個(gè)恒定值.

(a) A點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度H與銅磁屏蔽體外半徑R1的關(guān)系曲線

(b) A點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度H與激勵(lì)頻率關(guān)系曲線圖6 單層銅屏蔽體仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of single layer copper shield

2.3 單層鋁屏蔽體磁屏蔽特性的仿真研究

單層鋁磁屏蔽體的結(jié)構(gòu)尺寸也如圖4所示.選擇與單層鐵磁屏蔽體相同的結(jié)構(gòu)尺寸，鋁的材料參數(shù)如表1所示.單層鋁屏蔽體外A(0，0，115)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H與屏蔽體外半徑R1關(guān)系曲線如圖7(a)所示；磁場(chǎng)強(qiáng)度H隨激勵(lì)頻率的變化曲線如圖7(b)所示.由圖7(a)可見(jiàn)隨著屏蔽體厚度t的增加，A點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度也減小，因?yàn)殇X的導(dǎo)磁率與銅的導(dǎo)磁率很接近，所以其原理與銅屏蔽體類似；由圖7(b)可見(jiàn)當(dāng)激勵(lì)頻率f增加時(shí)，A點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度減小，其原理也與銅屏蔽體類似.

(a) A點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度H與屏蔽體外半徑R1的關(guān)系曲線

(b) A點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度H與激勵(lì)頻率關(guān)系曲線圖7 單層鋁屏蔽體仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of single layer aluminum shield

2.4 雙層鐵/鋁組合磁屏蔽體的磁屏蔽特性仿真研究

屏蔽體結(jié)構(gòu)如圖4所示，在厚度均勻的鋁封閉磁屏蔽體殼外同心地套一層厚度均勻的鐵封閉磁屏蔽體殼，組合成鐵/鋁組合屏蔽體，選用表1所示材料參數(shù)，其結(jié)構(gòu)尺寸如表2所示.

表1 屏蔽體材料參數(shù)Tab.1 Parameters of shielding material

表2 仿真模型結(jié)構(gòu)尺寸1Tab.2 Simulation model 1 structure size mm

仿真研究A(0，0，115)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H與激勵(lì)頻率關(guān)系曲線.求解設(shè)置器中將頻率掃描范圍設(shè)置為0.5～2.05 kHz，A點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度H與激勵(lì)頻率關(guān)系曲線如圖8所示，可見(jiàn)頻率增加，A點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度減小，增加激勵(lì)頻率到一定值，曲線趨向一個(gè)恒定值，曲線也出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，其原理與單層銅或鋁相同.

圖8 鐵/鋁組合磁屏蔽體A點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度H與 激勵(lì)頻率關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between A point magnetic field strength H and the excitation frequency of iron / aluminum composite magnetic shield body

2.5 雙層鐵/銅組合磁屏蔽體的磁屏蔽特性仿真研究

屏蔽體結(jié)構(gòu)如圖4所示，在厚度均勻的銅封閉磁屏蔽體殼外同心地套一層厚度均勻的鐵封閉磁屏蔽體殼，組合成鐵/銅組合屏蔽體，其結(jié)構(gòu)尺寸如表3所示，選用表1所示材料參數(shù).

表3 仿真模型結(jié)構(gòu)尺寸2Tab.3 Simulation model 2 structure size mm

仿真研究A(0，0，115)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H與激勵(lì)頻率關(guān)系曲線.求解設(shè)置器中將頻率掃描范圍設(shè)置為0.5～2.05 kHz，A點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度H與激勵(lì)頻率關(guān)系曲線如圖9所示.可見(jiàn)頻率增加，A點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度減小，增加激勵(lì)頻率到一定值，曲線也趨向一個(gè)恒定值，曲線也出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，其原理與單層銅或鋁也相同.

圖9 鐵/銅組合磁屏蔽體A點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度H與 激勵(lì)頻率關(guān)系曲線Fig.9 Relationship between A point magnetic field strength H and excitation frequency of iron / copper composite magnetic shielding body

2.6 三層銅/鐵/鋁組合磁屏蔽體的磁屏蔽特性仿真研究

屏蔽體結(jié)構(gòu)如圖4所示，在厚度均勻的銅封閉磁屏蔽體殼外同心地套一層厚度均勻的鐵封閉磁屏蔽體殼，然后在鐵殼外再同心地套一層厚度均勻的鋁殼，組合成銅/鐵/鋁組合屏蔽體，其結(jié)構(gòu)尺寸如表4所示，銅、鐵、鋁層厚度均為0.7 mm，選用表1所示材料參數(shù).

表4 仿真模型結(jié)構(gòu)尺寸3Tab.4 Simulation model 3 structure size mm

仿真研究A(0，0，115)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H與激勵(lì)頻率關(guān)系曲線.求解設(shè)置器中將頻率掃描范圍設(shè)置為0.5～2.05 kHz，A點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度H與激勵(lì)頻率關(guān)系曲線如圖10所示.可見(jiàn)頻率增加，A點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度減小，增加激勵(lì)頻率到一定值，曲線趨向一個(gè)恒定值，曲線也出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，其原理與單層銅或鋁也相同.

圖10 銅/鐵/鋁三層組合磁屏蔽體A點(diǎn)磁場(chǎng) 強(qiáng)度H與激勵(lì)頻率關(guān)系曲線Fig.10 Relationship between A point magnetic field strength H and excitation frequency of copper / iron /aluminum three layer composite magnetic shield body

2.7 仿真結(jié)果比較

比較圖6～圖10可見(jiàn)，當(dāng)激勵(lì)源頻率f=50 Hz(工頻)，屏蔽體高度為98.2 mm，屏蔽體厚度為2.1 mm時(shí)，單層鐵、鋁、銅圓柱形屏蔽體、鐵/鋁及鐵/銅組合雙層圓柱形屏蔽體和銅/鐵/鋁組合三層圓柱形屏蔽體的仿真結(jié)果如表5所示.

表5 仿真結(jié)果比較Tab.5 Comparison of simulation results

從表5可知，單層鐵圓柱形屏蔽體磁場(chǎng)強(qiáng)度為2.34 A/m，單層銅圓柱形屏蔽體磁場(chǎng)強(qiáng)度為70.55 A/m，單層鋁圓柱形屏蔽體磁場(chǎng)強(qiáng)度為86.14 A/m，雙層鐵/鋁組合圓柱形屏蔽體磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.55 A/m，雙層鐵/銅組合圓柱形屏蔽體磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.41 A/m，三層銅/鐵/鋁組合圓柱形屏蔽體磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.145 A/m，可見(jiàn)三層銅/鐵/鋁組合圓柱形屏蔽體比雙層鐵/鋁組合圓柱形屏蔽體和雙層鐵/銅組合圓柱形屏蔽體軸向的屏蔽效能強(qiáng)；雙層鐵/鋁組合圓柱形屏蔽體和雙層鐵/銅組合圓柱形屏蔽體的屏蔽效能比單層鐵、鋁、銅圓柱形屏蔽體強(qiáng).這是因?yàn)殡p層屏蔽體除了吸收損耗，還存在反射損耗和多次反射損耗，即透射波通過(guò)內(nèi)部衰減后，又碰到屏蔽層的另一側(cè)，在這個(gè)側(cè)面上又進(jìn)行反射和透射,反射波再次通過(guò)內(nèi)部，如此反復(fù)多次的反射，使能量迅速衰減，因而雙層鐵/鋁組合圓柱形屏蔽體和雙層鐵/銅組合圓柱形屏蔽體的屏蔽效果比單層鐵、鋁、銅圓柱形屏蔽體強(qiáng)很多.三層銅/鐵/鋁組合圓柱形屏蔽體有鐵/鋁及鐵/銅兩個(gè)分界面，三層銅/鐵/鋁組合圓柱形屏蔽體軸向的屏蔽效果也超過(guò)雙層鐵/鋁組合圓柱形屏蔽體和雙層鐵/銅組合圓柱形屏蔽體的磁屏蔽效果.

三層磁屏蔽體與雙層磁屏蔽體磁屏蔽效能的差距沒(méi)有雙層磁屏蔽體與單層磁屏蔽體的差距大.這是因?yàn)殡p層磁屏蔽體的分界面存在反射損耗和多次反射損耗，因而雙層磁屏蔽體的磁屏蔽效果不僅僅是單層的磁屏蔽效果的簡(jiǎn)單疊加，雙層磁屏蔽體比單層磁屏蔽體的磁屏蔽效能大很多.三層磁屏蔽體存在鐵/銅和鐵/鋁分界面，而雙層磁屏蔽體也各存在一個(gè)分界面，所以三層磁屏蔽體的磁屏蔽效能近似為二個(gè)雙層磁屏蔽體的磁屏蔽效能的疊加，因而三層磁屏蔽體與雙層磁屏蔽體磁屏蔽效能差距沒(méi)有雙層磁屏蔽體與單層磁屏蔽體磁屏蔽效能的差距大.

3 試驗(yàn)研究

對(duì)磁屏蔽效能的研究源于一項(xiàng)電能表磁屏蔽研究課題，受到電能表尺寸的限制，開(kāi)發(fā)的磁屏蔽體為接近半圓柱體的形狀，如圖11(a)所示.為了測(cè)試屏蔽體的厚度對(duì)屏蔽體屏蔽性能的影響，采用圖11(b)的測(cè)試裝置，框形體上放置施加工頻干擾磁場(chǎng)的線圈，改變屏蔽體的厚度，分別測(cè)得不加屏蔽體，加屏蔽體且屏蔽體厚度分別為1.2 mm,1.5 mm,2.0 mm和2.5 mm時(shí)，羅高夫斯基三相線圈產(chǎn)生的干擾感應(yīng)電流.三相羅高夫斯基測(cè)量線圈處于半圓柱體鐵屏蔽體，線圈之間有分隔板，以防止三相之間的電磁干擾.改變屏蔽體厚度分別得到表6測(cè)量結(jié)果，可見(jiàn)鐵屏蔽體厚度增加，線圈感應(yīng)電流減小，也即增加鐵屏蔽體厚度，磁屏蔽效果增加.但不能使屏蔽體厚度太大，這是因?yàn)殡娔鼙淼某叽缬邢?，如果鐵屏蔽體厚度太大，就會(huì)離羅高夫斯基線圈距離太近，會(huì)干擾線圈中待測(cè)量電流，反而使測(cè)量結(jié)果更加不準(zhǔn)確.所以為了保證屏蔽體離羅高夫斯基線圈有足夠的距離，以至于不干擾待測(cè)量電流，在此前提下才盡可能的增加鐵屏蔽體的厚度.

(a)電能表的屏蔽體

(b)試驗(yàn)測(cè)試裝置圖11 安裝實(shí)體圖Fig.11 Installation entity diagram

屏蔽體厚度/mmA相電流/AB相電流/AC相電流/A00.1010.2730.2471.20.0280.0170.0191.50.0180.0120.0142.00.0170.0100.0112.50.0160.0090.010

4 工程應(yīng)用研究

反射系數(shù)的計(jì)算公式如下[1]：

(1)

可見(jiàn)兩種導(dǎo)磁媒質(zhì)的波阻抗相差越大，則反射系數(shù)越大.而波阻抗計(jì)算公式如下[1]：

(2)

由于銅鋁的磁導(dǎo)率非常接近，因而二者的波阻抗也非常接近，在銅鋁的分界面上電磁波反射系數(shù)較?。欢F銅的磁導(dǎo)率相差很大.因而二者的波阻抗也相差很大，同理鐵鋁的波阻抗也相差很大，鐵銅或鐵鋁分界面上電磁波反射系數(shù)很大，所以本文選擇鐵/鋁及鐵/銅組合雙層圓柱形屏蔽體，而不選擇銅/鋁組合雙層圓柱形屏蔽體.

5 結(jié) 論

仿真研究表明，單層鐵、銅、鋁圓柱形屏蔽體厚度增加，其屏蔽性能增加；單層鋁、銅屏蔽體當(dāng)增加激勵(lì)磁場(chǎng)頻率，其磁屏蔽效能增加.仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在屏蔽體總厚度相同的情況下，在相同的外磁場(chǎng)作用下，銅/鐵/鋁三層組合結(jié)構(gòu)磁屏蔽體比鐵/鋁和鐵/銅雙層組合結(jié)構(gòu)屏蔽體的磁屏蔽效能強(qiáng)，鐵/鋁和鐵/銅雙層組合結(jié)構(gòu)屏蔽體比單層鐵、銅、鋁圓柱形屏蔽體的磁屏蔽效能強(qiáng)很多，也即最理想磁屏蔽體結(jié)構(gòu)是銅/鐵/鋁三層組合磁屏蔽體結(jié)構(gòu).綜合利用高磁導(dǎo)率材料和高電導(dǎo)率材料電磁屏蔽特性互補(bǔ)的特點(diǎn)，靈活選擇磁屏體材料及其厚度，并考慮工藝的實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到最理想的磁屏蔽效果，選擇合適的電磁屏蔽方案，服務(wù)于社會(huì)生活、國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防工業(yè)，對(duì)電磁兼容問(wèn)題的解決具有重要的理論和應(yīng)用意義.

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Research of Magnetic Shielding Efficiency of Ultilayer Cylindrical Shield

ZHANG Wanying1?，SHI Le1，ZHANG Jiefeng1，LIU Donghui2，SHEN Hongzhe1，HU Xuefeng3

(1.College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China；2.Quzhou Power Supply Company of State Grid Zhejiang Electric Power Company，Quzhou 324000，China；3.Hengyang Power Supply Company of State Grid Hunan Electric Power Company，Hengyang 421000，China)

Based on the electromagnetic shielding properties of high permeability ferromagnetic material and high conductivity materials，a three-dimensional finite element method analysis was performed to evaluate the magnetic characteristics of the cylindrical shield immersed in a steady uniform magnetic field generating by the copper coil on the iron core.The effects of the thickness of the magnetic shielding material，the number of layers of the cylindrical shell，and the excitation frequency on the magnetic shielding effectiveness were studied.The problem of optimal magnetic shielding method for different magnetic shielding materials such as the high permeability material and high electrical conductivity material is to be solved.The new technologies are explored to improve the efficiency of the magnetic shielding，which has important theoretical and applied significance in the electromagnetic compatibility problem.

electromagnetic shielding effectiveness；magnetic shielding materials；cylindrical shield；high magnetic permeability material；high conductivity materials；Ansoft finite element

1674-2474(2017)08-0084-07

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.08.013

2017-01-17

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(14jj7030),Natural Science Foundation of Hunan Province(14jj7030)

張晚英(1967-),女,湖南長(zhǎng)沙人,湖南大學(xué)副教授

,E-mail:sheling 9999@163.com

TM153.5

A