低頻脈沖磁場中磁屏蔽體磁飽和效應的試驗研究

潘征 李躍波 熊久良 石立華 閆民華

（1. 軍事科學院 國防工程研究院工程防護研究所，洛陽 471000；

2. 陸軍工程大學 電磁環(huán)境效應與電光工程國家重點實驗室，南京 210007）

引 言

采用導磁性較好的磁性材料制成磁屏蔽體，對低頻脈沖磁場干擾進行屏蔽是常見的防護方法，一般具有良好的屏蔽效果[1-2]. 但由于磁屏蔽材料磁導率的非線性和磁力線的閉合特性，磁屏蔽體的屏蔽效能并不是恒定不變的，其會隨著磁化場特性、材料特性及磁屏蔽體結(jié)構(gòu)特點等因素的改變而變化. 尤其在外界磁場強度較大情況下，磁屏蔽體可能會達到磁飽和狀態(tài)，磁導率將大幅下降，可以預判，屏蔽效能會因此明顯降低. 磁屏蔽體的磁飽和特性同樣與磁化場特點、材料參數(shù)及屏蔽體結(jié)構(gòu)等多種因素有關[3]. 研究磁屏蔽體的磁飽和規(guī)律，確定屏蔽結(jié)構(gòu)特點及其材料電磁參數(shù)對磁飽和現(xiàn)象的影響，對于優(yōu)化磁屏蔽體設計和提高磁屏蔽體的磁屏蔽能力具有重要的實際意義.

目前，關于磁屏蔽體磁飽和現(xiàn)象研究的成果主要見于小型電子元器件、變壓器、電纜以及電磁力發(fā)射、無損探測等方面，涉及到鐵芯、磁軛、小型屏蔽體等組件的磁飽和效應研究，或強磁場環(huán)境中屏蔽材料的局部磁飽和效應研究等.

D. E. Merewether 利用數(shù)值方法分別研究了在不同頻率、不同強度的脈沖場作用下無線大平面、同軸電纜磁屏蔽層在脈沖場作用下可飽和磁屏蔽層對屏蔽效能的影響[4-5]. Leonid Grcev 等利用數(shù)值方法研究考慮磁滯效應的同軸磁屏蔽電纜屏蔽層的磁飽和問題，建立了不同頻率下的磁滯回線模型，比較了不同條件下磁滯效應對電纜屏蔽性能評估的影響[6].Raymond Luebbers 等采用時域有限差分(finitedifference time-domain, FDTD)方法對D. E. Merewether設置的無限大平面問題進行了進一步研究[7]. 總體上，國外可見資料中關于屏蔽體磁飽和效應的相關內(nèi)容較少，且研究內(nèi)容主要集中在無限大可飽和平板、纜線及薄膜材料等方面.

張晚英、聶士東等通過數(shù)值仿真和試驗研究了磁屏蔽體(單層、多層)對單頻磁場的屏蔽性能，比較了多種組合材料的屏蔽效果[8-10]. 呂仁清、吳逸汀等研究了坡莫合金、硅鋼屏蔽罩對單頻穩(wěn)定均勻磁場的屏蔽效能[11-12]，爾延徽等研究了坡莫合金材料磁導率與磁場頻率、磁場強度等參數(shù)的關系[13]. 高成、馬書旺等對低頻脈沖磁場屏蔽性能測試及設計進行了較多研究[14-17]. 廖橋生等研究了電磁炮方面軌道磁飽和及磁屏蔽內(nèi)容[18]. 其他涉及磁飽和及磁屏蔽的研究工作主要在無損探測、小型器件磁屏蔽等方面[19]. 以上研究成果涉及到的屏蔽體主要為小尺寸模型或磁屏蔽材料的局部區(qū)域，對磁屏蔽體性能、磁場耦合規(guī)律、磁飽和效應及其與材質(zhì)參數(shù)、屏蔽體結(jié)構(gòu)特點的關系進行了相關研究.

上述研究成果為屏蔽體的磁飽和效應研究提供了很好的借鑒作用，但所用場源以極低頻和單頻連續(xù)波場源為主，在脈沖磁場方面涉及到的屏蔽體尺寸較小，工況設置較為簡單，磁場主要作用在屏蔽體某一局部位置，不能充分說明磁屏蔽體整體結(jié)構(gòu)對磁飽和效應的影響. 在現(xiàn)有成果中，尚未見到較大型磁屏蔽體在均勻脈沖磁場中磁飽和方面的研究成果.

鑒于上述研究狀況，本文采用效應試驗方法，對磁屏蔽體在低頻脈沖磁場作用下的磁飽和特性進行了研究，證實了常規(guī)工程磁屏蔽體可在低頻脈沖磁場環(huán)境中達到磁飽和狀態(tài)，并分析了磁飽和效應對磁屏蔽體屏蔽效能的影響及磁飽和效應與屏蔽體外形尺寸、殼體厚度及材料磁導率等相關參數(shù)的基本關系，得到了一些有較高工程應用價值的規(guī)律和結(jié)果，可為磁屏蔽體的科學合理設計提供參考.

1 磁飽和現(xiàn)象和磁屏蔽體的磁屏蔽原理

磁飽和是磁性材料的一種物理特性，表現(xiàn)為磁性材料在近乎被完全磁化后，其內(nèi)部的磁通量幾乎不再隨著磁化場增加而增加，即磁感應強度增加很小，磁導率大幅降低. 這種現(xiàn)象若發(fā)生在磁屏蔽腔體上，磁屏蔽體的磁屏蔽性能將會因此下降.

磁飽和效應一般發(fā)生在直流或者低頻磁場環(huán)境中，而且多數(shù)為局部磁飽和現(xiàn)象，這與磁屏蔽機理有關. 按照磁屏蔽機理，磁屏蔽可分為兩種：一種通過磁屏蔽體提供低磁阻通路對磁通進行分流實現(xiàn)磁場屏蔽；另一種通過交變磁場在屏蔽體上形成渦流效應，產(chǎn)生反向抵消磁場來削弱保護區(qū)域磁場而實現(xiàn)屏蔽目的. 由于低頻脈沖磁場包含了大量低頻分量，又兼有一定的高頻成分，因此低頻脈沖磁場屏蔽涉及了兩種磁屏蔽機制. 磁屏蔽原理及磁屏蔽體殼體內(nèi)磁通量分布特點[8]如圖1(Ansys 計算結(jié)果)和圖2所示.

圖1 交變磁場屏蔽原理示意圖[8]Fig. 1 Schematic diagram of alternating magnetic field shielding principle[8]

圖2 屏蔽體內(nèi)部靜磁磁通分布示意圖[8]Fig. 2 Schematic diagram of magnetostatic flux distribution inside the shield[8]

根據(jù)磁屏蔽原理，由理論分析可初步判斷：磁屏蔽體的磁化程度與磁場的強度、低頻成分及屏蔽體尺寸、屏蔽材料磁導率等因素正相關，隨著磁化程度的提高，磁屏蔽體逐漸達到磁飽和狀態(tài).

但考慮到磁力線的閉合傳播特性和一般磁屏蔽體尺寸遠小于低頻磁場波長的情況，磁屏蔽體對于低頻磁場來說為開路磁體，而開路磁體在磁化過程中具有很強的退磁效應，這種效應降低了磁屏蔽體的磁化程度，阻礙磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生. 因此，實際磁屏蔽體的磁飽和過程比較復雜，需要結(jié)合試驗過程進行具體分析.

2 試驗設置

2.1 試驗方法

根據(jù)§1 分析可知，磁屏蔽體的磁屏蔽性能會隨著其自身磁化程度而呈動態(tài)變化，在接近或達到磁飽和狀態(tài)后，磁屏蔽性能將會逐漸下降，因此可從磁屏蔽性能觀察磁屏蔽體的磁飽和過程，這也正是工程應用最為關心的問題.

鑒于此，本文采用模型法進行效應試驗，并以屏蔽體中心點屏蔽效能最大時的磁化場強度作為飽和磁化場強度. 首先依據(jù)工程實際制作磁屏蔽體模型，本文主要以正方體形屏蔽體模型為研究對象，然后測得屏蔽體磁屏蔽性能及其變化規(guī)律，最后綜合分析測試結(jié)果和試驗條件，得到磁飽和效應規(guī)律. 試驗中，以高壓儲能電容對螺線管放電形成試驗所需的磁場環(huán)境，即為雙指數(shù)波形的低頻脈沖磁場，其主頻及能量分布主要在100 kHz 以下頻率，典型波形如圖3 所示. 受試屏蔽體模型置于螺線管中心磁場均勻區(qū)域，磁場垂直輻照到屏蔽體一側(cè)面上. 以模型中心位置為測試場點，對該場點屏蔽前后的脈沖磁場磁感應強度峰值測試結(jié)果進行簡單計算，得到屏蔽體的屏蔽效能. 磁屏蔽效能計算公式為

圖3 雙指數(shù)低頻脈沖磁場典型波形示意圖Fig. 3 Schematic diagram of typical waveform of double exponential low-frequency pulsed magnetic field

磁屏蔽體的磁飽和效應試驗及屏蔽體內(nèi)部中心點屏蔽效能測試過程示意圖如圖4 所示.

圖4 屏蔽體磁飽和效應試驗示意圖Fig. 4 Schematic diagram of shielding magnetic saturation effect test

2.2 模型制作

磁屏蔽體采用工程常用的市售冷軋鋼板、鍍鋅鐵皮和純鐵板制作，以CO2保護焊接方式制作冷軋鋼板和鍍鋅鐵皮屏蔽體模型，為避免加工過程對材料性能的影響，以鉚固方式制作純鐵板屏蔽體模型，模型背對磁場方向一側(cè)開設有測試窗口，以布置測試設備. 試驗所用屏蔽體模型及其基本參數(shù)如表1所示，模型實物如圖5 所示.

表1 屏蔽體試驗模型及其基本參數(shù)Tab. 1 Shield test models and its basic parameters

圖5 磁屏蔽體部分實際模型Fig. 5 Part of the actual test models of the magnetic shield

冷軋鋼板和鍍鋅鐵皮電磁參數(shù)基本一致，純鐵板未進行退火處理. 兩種材料的典型磁化曲線如圖6和圖7 所示. 其中B為材料內(nèi)磁感應強度；H為磁化場強度；μ為相對磁導率；k為無量綱符號，代表數(shù)值1 000，表示磁導率μ為坐標值乘以1 000 后的結(jié)果.

圖6 冷軋鋼板和鍍鋅鐵皮的磁化曲線Fig. 6 Magnetization curve of cold rolled steel sheet and galvanized iron sheet

圖7 純鐵板的磁化曲線Fig. 7 Magnetization curve of pure iron plate

2.3 磁感應強度測試

低頻脈沖磁場分別采用基于電磁感應原理和霍爾效應原理的測試系統(tǒng)進行測試，兩種測試系統(tǒng)結(jié)果可以互相校正，能夠測試直流至1 MHz 的脈沖磁場，測量精度滿足試驗要求，與文獻[20] 相同. 圖8為傳感器實物照片，圖9 為屏蔽體在上升時間300 μs、脈沖寬度1.2 ms 的S1 場源作用下不同位置處的實測脈沖磁場典型波形. 按照由大到小的波形幅值，圖9中各波形依次表示源場、屏蔽體迎波面外表面中心點和屏蔽體內(nèi)部中心點的測試結(jié)果.

圖8 低頻脈沖磁場磁感應強度兩測試系統(tǒng)傳感器實物圖Fig. 8 Prototype of 2 low frequency pulsed magnetic field measuring equipment

圖9 S1 場源作用下屏蔽體不同部位的典型波形Fig. 9 Typical waveforms of different parts of the shield under the action of S1 field source

3 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述試驗設置，本文測得了表1 中各個模型在上升時間為300 μs、脈沖寬度為1.2 ms 的S1 場源作用下中心點位置的脈沖峰值屏蔽效能隨磁化場強度的變化規(guī)律，如圖10 所示.

圖10 屏蔽效能隨磁化場強度變化規(guī)律Fig. 10 The change law of shielding effectiveness with increasing magnetization field intensity

根據(jù)屏蔽體模型參數(shù)和屏蔽效能測試數(shù)據(jù)，結(jié)合理論分析和現(xiàn)有研究成果，可以得到以下規(guī)律.

3.1 磁飽和狀態(tài)下屏蔽效能的變化規(guī)律及其量值特點

由圖10 可以看出，磁屏蔽體的屏蔽效能不是一個恒定值，其隨著磁場強度的增加先增大至一定峰值后逐漸下降，規(guī)律性十分明顯，這與磁性材料磁導率的變化規(guī)律高度吻合，符合理論預期：材料磁導率在一定場強范圍內(nèi)隨著磁場強度的增加而增加，使得屏蔽體的屏蔽性能隨之提高，而后在達到最大值后隨著磁場強度的增加逐漸減小，即磁性材料逐漸進入磁飽和狀態(tài)，同時使屏蔽體屏蔽性能在達到最大值后逐漸減小.

上述特點表明，磁屏蔽體確實達到了磁飽和狀態(tài)，或者是局部磁飽和狀態(tài)，而且這種磁飽和狀態(tài)對其屏蔽性能產(chǎn)生了明顯影響.

從具體量值來看，屏蔽體對低頻脈沖磁場的屏蔽效能較低. 殼體2 mm 厚的G1 和G2 冷軋鋼板模型最大不超過28 dB，殼體0.75 mm 厚的D1 鍍鋅鐵皮模型最大約為12 dB. 屏蔽效能動態(tài)變化范圍很大，D1 磁屏蔽體模型屏蔽效能最大變化幅度接近50%.

3.2 磁飽和效應對耦合場波形的影響

由圖9 可以看出，屏蔽體內(nèi)部中心點位置波形和源場波形差異十分明顯，主要體現(xiàn)在耦合場的脈沖上升時間明顯增加. 但隨著磁飽和狀態(tài)的到來及磁飽和程度的增加，耦合場波形逐漸恢復到源場波形狀態(tài)，主要表現(xiàn)為脈沖上升時間和相對寬度逐漸減小，波形更接近雙指數(shù)波形特征. 這說明飽和泄漏場逐漸增加，這部分場分量受到磁阻通路影響較小，因而能保持更多原有波形特征，在其總量逐漸增加的情況下，逐步對總耦合場波形產(chǎn)生影響，使其更加接近源場波形狀態(tài).

波形變化特點說明了磁飽和前屏蔽腔體內(nèi)部高頻磁場分量很少，磁飽和后高頻磁場分量明顯增加，符合物理規(guī)律和理論預期.

3.3 殼體厚度對磁飽和效應的影響

殼體厚度和磁飽和效應關系的對比分析選取屏蔽效能達到最大值時的磁化場強度來進行. 對于殼體厚度為2 mm 的屏蔽體，如G1 和G2，屏蔽效能在磁化場強度約14 mT 時達到最大；殼體較薄(0.75 mm以下) 的屏蔽體，如G4 和D1，約在4 mT 時達到最大；而厚度為1 mm 的G3 屏蔽體，在8 mT 左右達到最大. 可見屏蔽體殼體厚度越大，使其達到磁飽和狀態(tài)的磁化場強度越高.

由此可見，同種材料情況下，屏蔽體殼體越厚，使其達到磁飽和狀態(tài)的磁化場強度越高，殼體厚度對磁飽和效應產(chǎn)生了明顯影響，這種結(jié)果符合理論預期；但厚度和飽和磁化場強度并不是線性變化關系.

3.4 屏蔽體外形尺寸對磁飽和效應的影響

在本文試驗中，由于場強測點和屏蔽體模型的數(shù)量限制及經(jīng)濟成本等原因，磁飽和效應與屏蔽體尺寸的關系不能僅靠大數(shù)量的測點和模型完成對比分析，本文從屏蔽體屏蔽效能達到最大值以后的變化特點進行分析.

首先結(jié)合本文所用低頻場源和磁場傳播特點，從理論上分析磁飽和效應與屏蔽體尺寸的關系. 屏蔽體尺寸越大，受到磁場輻照面積越大，越易于接收更多的低頻磁通分量，而與磁場平行的四個側(cè)壁為主要磁通路，其更易達到磁飽和狀態(tài).

然后從實際測試結(jié)果分析屏蔽體尺寸對屏蔽體屏蔽效能的影響. G3 和G4 兩種模型的厚度分別為1 mm 和0.5 mm，G3 邊長為1.2 m，G4 邊長為2 m. 從測試結(jié)果來看，G3 晚于G4 達到最大屏蔽效能狀態(tài)，但G3 在達到磁飽和狀態(tài)后，其屏蔽效能隨著磁場強度的增加以較快的速度下降，且總體下降幅度較大，在較高場強下，屏蔽效能略低于G4. 而G4 屏蔽效能總體下降幅度較小，且在磁飽和以后相對穩(wěn)定. 對于D1 來說，其厚度為0.75 mm，外形尺寸與G3 基本相同，屏蔽效能的變化幅度和變化速度相對G4 更為明顯. 從上述分析可以看出，大尺寸屏蔽體中心點磁場強度受到磁飽和后的泄漏場影響較小，而小尺寸屏蔽體更易受到飽和泄漏場的影響，這也反映了磁通主要分布在磁路周圍的特點，與理論結(jié)論一致.

再次，根據(jù)上述分析結(jié)論，對G1 和G2 兩種模型的試驗結(jié)果進行對比分析. 兩者殼體厚度均為2 mm，G1 邊長比G2 邊長大一倍，兩者的屏蔽效能變化曲線在圖10 中的后7 個場強測點內(nèi)出現(xiàn)兩次交叉. 綜合分析可以得出：第一次交叉表明G1 模型首先進入了較深的磁飽和狀態(tài)，受飽和泄漏場的影響，屏蔽效能下降較快，此后屏蔽效能低于G2；第二次交叉表明在G2 隨后進入較深的磁飽和狀態(tài)后，由于其尺寸較小，受到飽和泄漏場影響更大，因此屏蔽效能下降很快，造成G2 屏蔽效能又小于G1 屏蔽效能. 上述情況表明：同等條件下G1 磁飽和程度高于G2，但由于G1 模型尺寸較大，其中心點屏蔽效能受到飽和泄漏場影響較小，因而其屏蔽效能曲線的后半段能夠保持較為平坦的變化趨勢. 而G2 由于尺寸較小，屏蔽效能曲線受到飽和泄漏場影響明顯，呈現(xiàn)快速下降趨勢.

需要注意的是，僅從G1 和G2 屏蔽效能變化曲線的前半段來看，兩者達到最大屏蔽效能狀態(tài)時的場強相同，均約為14 mT. 而根據(jù)上述分析來看，這不符合實際情況，應該是G1 早于G2 達到最大屏蔽效能狀態(tài)，也即是G1 更早達到磁飽和狀態(tài). 造成這種現(xiàn)象的原因是限于試驗條件，場強測點設置密度較小，未能測得G1 和G2 分別達到最大屏蔽效能的確切場強.

上述理論分析結(jié)果和試驗結(jié)果吻合較好，證明了大尺寸屏蔽體更易達到磁飽和狀態(tài).

另外，對比§3.3 和本節(jié)結(jié)果可以看出，對于本文設置的幾種屏蔽體模型，殼體厚度對磁飽和效應的影響要明顯大于外形尺寸的影響.

3.5 磁飽和效應與材料磁導率的關系

由理論分析可知，在相同條件下，屏蔽腔體磁導率越高，在一定條件下屏蔽體屏蔽效能越高，但也越容易達到磁飽和狀態(tài). 本文從屏蔽效能和耦合場波形變化兩方面觀察了磁導率對磁飽和效應的影響，印證了理論分析結(jié)果.

以T1 和G3 兩種模型進行對比分析. T1 最大邊長比G3 大一倍，殼體厚度相同均為1 mm. 從圖6和圖7 可以看出，T1 殼體純鐵板的磁導率變化特點明顯與G3 殼體冷軋鋼板不同，其變化率和最大值更快、更高，這種特點在測試結(jié)果中得到印證. 從圖10可以看出，T1 的屏蔽效能及其變化幅度明顯大于G3，考慮到§3.4 中大尺寸屏蔽體相對容易飽和但中心點屏蔽效能受到磁飽和效應影響較小的結(jié)論，說明T1 進入了更深的磁飽和狀態(tài)，即高磁導率屏蔽體更易達到磁飽和狀態(tài)，其最終屏蔽效能受到磁飽和狀態(tài)影響更為明顯. 從耦合場波形來看，實測的T1內(nèi)部磁場波形寬度經(jīng)歷了更為明顯的由大至小的過程，存在逐漸接近源場波形的趨勢，這也表明T1 經(jīng)歷了程度更高的磁飽和過程.

3.6 飽和磁化場強與殼體厚度、輻照面積量值關系的初步分析

由以上幾節(jié)分析可知，屏蔽體的厚度和外形尺寸均能夠明顯影響磁飽和效應過程，從§3.3 和§3.4 的對比分析可以看出，殼體厚度的影響更大. 對工程應用來說，若能得出能夠指導屏蔽室建設的具體量值關系則更有意義. 為此，根據(jù)以上幾節(jié)研究結(jié)論，對殼體厚度和輻照面積(迎波面面積)與飽和磁化場強度的量值關系進行初步分析.

從D1，G3，G2 三個模型來看，三者外形尺寸相近，厚度分別為0.75 mm，1 mm 和2 mm，其中倍數(shù)關系分別為1.33，2.67 和2，屏蔽體達到最大屏蔽效能的磁化場強度分別為4 mT，8 mT 和14 mT，其中的倍數(shù)關系分別為2，3.5 和1.75.

從G1 和G4 的對比來看，兩者受輻照面積分別為6.25 m2，4 m2，厚度分別為2 mm 和0.5 mm，倍數(shù)為4，最大屏蔽效能對應的磁化場強度分別約為14 mT和4 mT，倍數(shù)為3.5. 若排除輻照面積的影響，飽和磁化場強度的倍數(shù)應大于3.5.

從以上對比可以看出，飽和磁化場強度隨著厚度的增加而增加，增加幅度接近或大于厚度增加幅度.

上述量值關系比較簡單，但還是有一定的工程指導價值. 顯然，若要得到更明確的結(jié)果，需要在場強測點密度、殼體厚度誤差、場強測試誤差及材料的非線性特性等影響因素方面做更細致、深入的工作，目前這些工作作者正在開展中.

4 結(jié) 論

本文根據(jù)試驗結(jié)果，基于磁屏蔽體對低頻脈沖磁場的屏蔽效能及其變化規(guī)律的對比分析，研究了不同條件下磁屏蔽體的磁飽和效應及其影響. 結(jié)合前幾節(jié)的分析結(jié)果，可以得出以下研究結(jié)論和建議：

1)處于磁開路狀態(tài)的磁屏蔽體在低頻脈沖磁場環(huán)境中可以達到磁飽和狀態(tài)，磁飽和狀態(tài)對其屏蔽效能產(chǎn)生了明顯影響，使其屏蔽效能呈現(xiàn)出與屏蔽材料磁導率類似的變化規(guī)律. 在磁飽和效應的影響下，脈沖峰值屏蔽效能量值變化幅度很大，最大接近50%. 磁屏蔽體內(nèi)部耦合場波形特征隨著磁飽和程度的提高逐漸與源場波形一致，這種特點也是磁屏蔽體磁飽和狀態(tài)判斷的重要參考依據(jù).

2) 2 mm 厚和1 mm 厚冷軋鋼板屏蔽體分別在場強約為14 mT 和8 mT 時達到最大屏蔽效能狀態(tài)，即開始進入本文定義的磁飽和狀態(tài)；1 mm 厚未退火純鐵板屏蔽體約在場強8 mT 時開始進入磁飽和狀態(tài)，而厚度為0.75 mm 和0.5 mm 的鍍鋅鐵皮和冷軋鋼板約在場強為4 mT 時開始進入磁飽和狀態(tài).

3)磁飽和效應與磁屏蔽體的材料磁導率、殼體厚度、外形尺寸等多種因素有關，且與磁導率、外形尺寸負相關，與殼體厚度正相關. 其中，屏蔽殼體厚度影響較大，飽和磁化場強度隨著厚度增加而增加的幅度接近或大于厚度增加幅度.

4)由于磁屏蔽體屏蔽性能的非線性特點，低頻脈沖磁場的防護應留夠充分的防護裕量，主要從提高屏蔽殼體厚度和材料磁導率入手，這樣一方面防止出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，另一方面可提高弱磁場下的屏蔽效能.