Les écrans électromagnétiques sont largement utilisés dans l'industrie. Ils servent à éliminer les effets nocifs de certains éléments d'un appareil électrique sur d'autres, à protéger le personnel et l'équipement des effets des champs externes qui se produisent lors du fonctionnement d'autres appareils. L'« extinction » du champ magnétique externe est nécessaire à la création de laboratoires destinés au réglage et aux essais d'équipements très sensibles. Il est également requis en médecine et dans les domaines scientifiques où la mesure des champs à ultra-faible induction est effectuée; pour protéger les informations lors de leur transmission par câbles.
Méthodes
Le blindage de champ magnétique est un ensemble de moyens de réduire la force d'un champ constant ou alternatif dans une certaine zone de l'espace. Un champ magnétique, contrairement à un champ électrique, ne peut pas être complètement affaibli.
Dans l'industrie, les champs parasites des transformateurs, des aimants permanents, des installations et des circuits à courant élevé ont le plus grand impact sur l'environnement. Ils peuvent complètement perturber le fonctionnement normal des appareils voisins.
Les plus utilisés 2méthode de protection:
- L'utilisation d'écrans en matériaux supraconducteurs ou ferromagnétiques. Ceci est efficace en présence d'un champ magnétique constant ou basse fréquence.
- Méthode de compensation (amortissement des courants de Foucault). Les courants de Foucault sont des courants électriques massifs qui se produisent dans un conducteur lorsque le flux magnétique change. Cette méthode donne les meilleurs résultats pour les champs à haute fréquence.
Principes
Les principes de blindage du champ magnétique sont basés sur les schémas de propagation du champ magnétique dans l'espace. En conséquence, pour chacune des méthodes énumérées ci-dessus, elles sont les suivantes:
- Si vous placez un inducteur dans un boîtier constitué d'un ferromagnétique, les lignes d'induction du champ magnétique externe passeront le long des parois de l'écran de protection, car il a moins de résistance magnétique par rapport à l'espace à l'intérieur. Les lignes de force induites par la bobine elle-même seront également presque toutes fermées aux parois du boîtier. Pour la meilleure protection dans ce cas, il est nécessaire de choisir des matériaux ferromagnétiques qui ont une perméabilité magnétique élevée. En pratique, les alliages de fer sont le plus souvent utilisés. Afin d'augmenter la fiabilité de l'écran, celui-ci est réalisé à paroi épaisse ou préfabriqué à partir de plusieurs caissons. Les inconvénients de cette conception sont son poids élevé, son encombrement et la détérioration du blindage en présence de coutures et de coupures dans les parois du boîtier.
- Dans la deuxième méthode, l'affaiblissement du champ magnétique externese produit à la suite de l'imposition d'un autre champ sur celui-ci, induit par les courants de Foucault annulaires. Sa direction est opposée aux lignes d'induction du premier champ. À mesure que la fréquence augmente, l'atténuation sera plus prononcée. Dans ce cas, des plaques en forme d'anneau de conducteurs à faible résistivité sont utilisées pour le blindage. Les boîtiers cylindriques en cuivre ou en aluminium sont le plus souvent utilisés comme boîtiers d'écran.
Caractéristiques principales
Il y a 3 caractéristiques principales pour décrire le processus de blindage:
- Profondeur de pénétration de champ magnétique équivalente. Alors continuons. Ce chiffre est utilisé pour l'effet d'écran des courants de Foucault. Plus sa valeur est faible, plus le courant circulant dans les couches superficielles de l'enveloppe de protection est élevé. En conséquence, plus le champ magnétique induit par celui-ci est important, ce qui déplace celui de l'extérieur. La profondeur équivalente est déterminée par la formule ci-dessous. Dans cette formule, ρ et Μr sont respectivement la résistivité et la perméabilité magnétique relative du matériau de l'écran (les unités de mesure de la première valeur sont Ohm∙m); f est la fréquence du champ, mesurée en MHz.
- Efficacité du blindage e - le rapport de l'intensité du champ magnétique dans l'espace blindé en l'absence et en présence du blindage. Cette valeur est d'autant plus élevée que l'épaisseur de l'écran et la perméabilité magnétique de son matériau sont importantes. La perméabilité magnétique est un indicateur caractérisant combien de fois l'induction dans une substancedifférent de celui dans le vide.
- Réduction de l'intensité du champ magnétique et de la densité des courants de Foucault à une profondeur x de la surface du boîtier de protection. L'indicateur est calculé à l'aide de la formule ci-dessous. Ici A0 est la valeur sur la surface de l'écran, x0 est la profondeur à laquelle l'intensité ou la densité de courant diminue e fois.
Modèles d'écran
Les capots de protection pour le blindage du champ magnétique peuvent être réalisés en différents modèles:
- feuille et massif;
- sous forme de tubes creux et d'enveloppes à section cylindrique ou rectangulaire;
- monocouche et multicouche, avec entrefer.
Le calcul du nombre de couches étant assez compliqué, cette valeur est le plus souvent choisie dans des ouvrages de référence, en fonction de courbes d'efficacité de blindage obtenues expérimentalement. Les coupes et les coutures dans les boîtes ne peuvent être effectuées que le long des lignes de courants de Foucault. Sinon, l'effet de blindage sera réduit.
En pratique, il est difficile d'obtenir un facteur de blindage élevé, car il faut toujours faire des trous pour l'entrée des câbles, la ventilation et la maintenance des installations. Pour les bobines, les enveloppes sans soudure sont fabriquées à l'aide de la méthode d'extrusion de feuilles et le bas de l'écran cylindrique sert de couvercle amovible.
De plus, lorsque les éléments structuraux entrent en contact, des fissures se forment en raison des irrégularités de surface. Pour les éliminer, utilisezpinces mécaniques ou joints en matériaux conducteurs. Ils sont disponibles en différentes tailles et avec différentes propriétés.
Les courants de Foucault sont des courants beaucoup moins circulants, mais ils sont capables d'empêcher la pénétration d'un champ magnétique à travers l'écran. En présence d'un grand nombre de trous dans le boîtier, la diminution du coefficient de blindage se produit selon une dépendance logarithmique. Sa plus petite valeur est observée avec des trous technologiques de grande taille. Par conséquent, il est recommandé de concevoir plusieurs petits trous plutôt qu'un seul grand. S'il est nécessaire d'utiliser des trous normalisés (pour l'entrée de câbles et d'autres besoins), des guides d'ondes transcendantaux sont utilisés.
Dans un champ magnétostatique créé par des courants électriques continus, le rôle de l'écran est de shunter les lignes de champ. L'élément de protection est installé le plus près possible de la source. La mise à la terre n'est pas nécessaire. L'efficacité du blindage dépend de la perméabilité magnétique et de l'épaisseur du matériau du blindage. Pour ces derniers, on utilise des aciers, du permalloy et des alliages magnétiques à haute perméabilité magnétique.
Le blindage des chemins de câbles est principalement réalisé par deux méthodes - en utilisant des câbles à paire torsadée blindée ou protégée et en posant des conduits dans des boîtiers (ou inserts) en aluminium.
Écrans supraconducteurs
Le fonctionnement des écrans magnétiques supraconducteurs est basé sur l'effet Meissner. Ce phénomène consiste dans le fait qu'un corps dans un champ magnétique passe dans un état supraconducteur. En même temps, le magnétiquela perméabilité du boîtier devient égale à zéro, c'est-à-dire qu'elle ne laisse pas passer le champ magnétique. Il est entièrement compensé dans le volume du corps donné.
L'avantage de tels éléments est qu'ils sont beaucoup plus efficaces, la protection contre un champ magnétique externe ne dépend pas de la fréquence et l'effet de compensation peut durer arbitrairement longtemps. Cependant, en pratique, l'effet Meissner n'est pas complet, car dans les écrans réels constitués de matériaux supraconducteurs, il existe toujours des inhomogénéités structurelles qui conduisent à un piégeage du flux magnétique. Cet effet est un problème sérieux pour la création de boîtiers afin de faire écran au champ magnétique. Le coefficient d'atténuation du champ magnétique est d'autant plus grand que la pureté chimique du matériau est élevée. Dans les expériences, les meilleures performances ont été notées pour le plomb.
Les autres inconvénients des matériaux supraconducteurs de protection contre les champs magnétiques sont:
- coût élevé;
- présence de champ magnétique résiduel;
- apparition de l'état de supraconductivité uniquement à basse température;
- incapacité à fonctionner dans des champs magnétiques élevés.
Matériaux
Le plus souvent, les écrans en acier au carbone sont utilisés pour protéger contre un champ magnétique, car ils sont très adaptables pour le soudage, le brasage, peu coûteux et caractérisés par une bonne résistance à la corrosion. En plus d'eux, des matériaux tels que:
- feuille d'aluminium technique;
- alliage magnétique doux de fer, d'aluminium et de silicium (alsifer);
- cuivre;
- verre à couche conductrice;
- zinc;
- transformateur en acier;
- émaux et vernis conducteurs;
- laiton;
- tissus métallisés.
Structurellement, ils peuvent être réalisés sous forme de feuilles, de filets et de feuilles. Les matériaux en feuille offrent une meilleure protection et les matériaux en treillis sont plus pratiques à assembler - ils peuvent être assemblés par soudage par points par incréments de 10 à 15 mm. Pour assurer la résistance à la corrosion, les grilles sont vernies.
Recommandations pour le choix des matériaux
Lors du choix d'un matériau pour les écrans de protection, les recommandations suivantes sont guidées:
- Dans les champs faibles, on utilise des alliages à haute perméabilité magnétique. Le plus avancé technologiquement est le permalloy, qui se prête bien à la pression et à la coupe. L'intensité du champ magnétique nécessaire à sa démagnétisation complète, ainsi que la résistivité électrique, dépendent principalement du pourcentage de nickel. Par la quantité de cet élément, on distingue les permalloys à faible teneur en nickel (jusqu'à 50%) et à haute teneur en nickel (jusqu'à 80%).
- Pour réduire les pertes d'énergie dans un champ magnétique alternatif, les enveloppes sont placées soit à partir d'un bon conducteur, soit à partir d'un isolant.
- Pour une fréquence de champ supérieure à 10 MHz, les revêtements en film d'argent ou de cuivre d'une épaisseur de 0,1 mm ou plus (écrans constitués de getinaks recouverts d'une feuille d'aluminium et d'autres matériaux isolants), ainsi que le cuivre, l'aluminium et laiton, donne un bon effet. Pour protéger le cuivre de l'oxydation, il est recouvert d'argent.
- Épaisseurle matériau dépend de la fréquence f. Plus f est faible, plus l'épaisseur doit être importante pour obtenir le même effet de blindage. Aux hautes fréquences, pour la fabrication de boyaux à partir de n'importe quel matériau, une épaisseur de 0,5 à 1,5 mm est suffisante.
- Pour les champs à f élevé, les ferromagnétiques ne sont pas utilisés, car ils ont une résistance élevée et entraînent de grandes pertes d'énergie. Les matériaux hautement conducteurs autres que l'acier ne doivent pas non plus être utilisés pour protéger les champs magnétiques permanents.
- Pour une protection sur une large gamme de f, les matériaux multicouches (tôles d'acier avec une couche métallique hautement conductrice) sont la solution optimale.
Les règles générales de sélection sont les suivantes:
- Les hautes fréquences sont des matériaux hautement conducteurs.
- Les basses fréquences sont des matériaux à haute perméabilité magnétique. Le criblage dans ce cas est l'une des tâches les plus difficiles, car il rend la conception de l'écran de protection plus lourde et plus compliquée.
Bandes en aluminium
Les rubans de blindage en aluminium sont utilisés aux fins suivantes:
- Protection contre les interférences électromagnétiques à large bande. Le plus souvent, ils sont utilisés pour les portes et les parois des armoires électriques avec des appareils, ainsi que pour former un écran autour d'éléments individuels (solénoïdes, relais) et de câbles.
- Élimination de la charge statique qui s'accumule sur les appareils contenant des semi-conducteurs et des tubes à rayons cathodiques, ainsi que sur les appareils utilisés pour entrer / sortir des informations à partir deordinateur.
- En tant que composant des circuits de masse.
- Pour réduire l'interaction électrostatique entre les enroulements du transformateur.
Sur le plan structurel, ils sont basés sur un matériau adhésif conducteur (résine acrylique) et une feuille (avec une surface ondulée ou lisse) constituée des types de métaux suivants:
- aluminium;
- cuivre;
- cuivre étamé (pour la soudure et une meilleure protection anti-corrosion).
Matériaux polymères
Dans les appareils où, en plus du blindage du champ magnétique, une protection contre les dommages mécaniques et l'absorption des chocs sont nécessaires, des matériaux polymères sont utilisés. Ils sont réalisés sous forme de coussinets en mousse polyuréthane recouverts d'un film polyester, à base d'un adhésif acrylique.
Dans la production d'écrans à cristaux liquides, des joints acryliques en tissu conducteur sont utilisés. Dans la couche d'adhésif acrylique se trouve une matrice conductrice tridimensionnelle constituée de particules conductrices. Grâce à son élasticité, ce matériau absorbe également efficacement les contraintes mécaniques.
Méthode de compensation
Le principe de la méthode de blindage de compensation est de créer artificiellement un champ magnétique dirigé à l'opposé du champ extérieur. Ceci est généralement réalisé avec un système de bobine de Helmholtz. Il se compose de 2 bobines minces identiques situées coaxialement à une distance de leur rayon. L'électricité les traverse. Le champ magnétique induit par les bobines est très uniforme.
Le blindage peutégalement produit par plasma. Ce phénomène est pris en compte dans la distribution du champ magnétique dans l'espace.
Blindage des câbles
La protection contre les champs magnétiques est essentielle lors de la pose de câbles. Les courants électriques qui y sont induits peuvent être causés par l'inclusion d'appareils électroménagers dans la pièce (climatiseurs, lampes fluorescentes, téléphones), ainsi que d'ascenseurs dans les mines. Ces facteurs ont une influence particulièrement grande sur les systèmes de communication numérique fonctionnant sur des protocoles à large bande de fréquence. Ceci est dû à la faible différence entre la puissance du signal utile et le bruit dans la partie supérieure du spectre. De plus, l'énergie électromagnétique émise par les systèmes de câbles nuit à la santé du personnel travaillant dans les locaux.
La diaphonie se produit entre les paires de fils en raison de la présence d'un couplage capacitif et inductif entre eux. L'énergie électromagnétique des câbles est également réfléchie du fait des inhomogénéités de leur impédance d'onde et est affaiblie sous forme de pertes thermiques. En raison de l'atténuation, la puissance du signal à la fin des longues lignes chute des centaines de fois.
Actuellement, 3 méthodes de blindage des chemins de câbles sont pratiquées dans l'industrie électrique:
- L'utilisation de boîtes entièrement métalliques (acier ou aluminium) ou l'installation d'inserts métalliques dans celles en plastique. À mesure que la fréquence du champ augmente, la capacité d'écran de l'aluminium diminue. L'inconvénient est aussi le coût élevé des boîtes. Pour les longs câbles, il y ale problème d'assurer le contact électrique des éléments individuels et leur mise à la terre pour assurer le potentiel zéro de la boîte.
- Utilisez des câbles blindés. Cette méthode offre une protection maximale car la gaine entoure le câble lui-même.
- Dépôt sous vide de métal sur le canal PVC. Cette méthode est inefficace jusqu'à 200 MHz. La « trempe » du champ magnétique est dix fois moindre par rapport à la pose du câble dans des boîtiers métalliques en raison de la résistivité élevée.
Types de câbles
Il existe 2 types de câbles blindés:
- Avec un écran commun. Il est situé autour des conducteurs toronnés non protégés. L'inconvénient de ces câbles est qu'il y a une grande diaphonie (5 à 10 fois plus que les paires blindées), en particulier entre les paires avec le même pas de torsion.
- Câbles à paires torsadées blindées. Toutes les paires sont blindées individuellement. En raison de leur coût plus élevé, ils sont le plus souvent utilisés dans des réseaux soumis à des exigences de sécurité strictes et dans des locaux à environnement électromagnétique difficile. L'utilisation de tels câbles en pose parallèle permet de réduire la distance entre eux. Cela réduit les coûts par rapport au routage fractionné.
Le câble blindé à paire torsadée est une paire de conducteurs isolés (leur nombre est généralement compris entre 2 et 8). Cette conception réduit la diaphonie.entre conducteurs. Les paires non blindées n'ont aucune exigence de mise à la terre, elles ont plus de flexibilité, des dimensions transversales plus petites et une facilité d'installation. La paire blindée offre une protection contre les interférences électromagnétiques et une transmission de données de haute qualité sur les réseaux.
Les systèmes d'information utilisent également un blindage à deux couches, qui consiste en une protection des paires torsadées sous la forme d'un ruban ou d'une feuille de plastique métallisé, et d'une tresse métallique commune. Pour une protection efficace contre le champ magnétique, ces systèmes de câbles doivent être correctement mis à la terre.
