低频脉冲磁场中磁屏蔽体磁饱和效应的试验研究

潘征 李跃波 熊久良 石立华 闫民华

（1. 军事科学院 国防工程研究院工程防护研究所，洛阳 471000；

2. 陆军工程大学 电磁环境效应与电光工程国家重点实验室，南京 210007）

引 言

采用导磁性较好的磁性材料制成磁屏蔽体，对低频脉冲磁场干扰进行屏蔽是常见的防护方法，一般具有良好的屏蔽效果[1-2]. 但由于磁屏蔽材料磁导率的非线性和磁力线的闭合特性，磁屏蔽体的屏蔽效能并不是恒定不变的，其会随着磁化场特性、材料特性及磁屏蔽体结构特点等因素的改变而变化. 尤其在外界磁场强度较大情况下，磁屏蔽体可能会达到磁饱和状态，磁导率将大幅下降，可以预判，屏蔽效能会因此明显降低. 磁屏蔽体的磁饱和特性同样与磁化场特点、材料参数及屏蔽体结构等多种因素有关[3]. 研究磁屏蔽体的磁饱和规律，确定屏蔽结构特点及其材料电磁参数对磁饱和现象的影响，对于优化磁屏蔽体设计和提高磁屏蔽体的磁屏蔽能力具有重要的实际意义.

目前，关于磁屏蔽体磁饱和现象研究的成果主要见于小型电子元器件、变压器、电缆以及电磁力发射、无损探测等方面，涉及到铁芯、磁轭、小型屏蔽体等组件的磁饱和效应研究，或强磁场环境中屏蔽材料的局部磁饱和效应研究等.

D. E. Merewether 利用数值方法分别研究了在不同频率、不同强度的脉冲场作用下无线大平面、同轴电缆磁屏蔽层在脉冲场作用下可饱和磁屏蔽层对屏蔽效能的影响[4-5]. Leonid Grcev 等利用数值方法研究考虑磁滞效应的同轴磁屏蔽电缆屏蔽层的磁饱和问题，建立了不同频率下的磁滞回线模型，比较了不同条件下磁滞效应对电缆屏蔽性能评估的影响[6].Raymond Luebbers 等采用时域有限差分(finitedifference time-domain, FDTD)方法对D. E. Merewether设置的无限大平面问题进行了进一步研究[7]. 总体上，国外可见资料中关于屏蔽体磁饱和效应的相关内容较少，且研究内容主要集中在无限大可饱和平板、缆线及薄膜材料等方面.

张晚英、聂士东等通过数值仿真和试验研究了磁屏蔽体(单层、多层)对单频磁场的屏蔽性能，比较了多种组合材料的屏蔽效果[8-10]. 吕仁清、吴逸汀等研究了坡莫合金、硅钢屏蔽罩对单频稳定均匀磁场的屏蔽效能[11-12]，尔延徽等研究了坡莫合金材料磁导率与磁场频率、磁场强度等参数的关系[13]. 高成、马书旺等对低频脉冲磁场屏蔽性能测试及设计进行了较多研究[14-17]. 廖桥生等研究了电磁炮方面轨道磁饱和及磁屏蔽内容[18]. 其他涉及磁饱和及磁屏蔽的研究工作主要在无损探测、小型器件磁屏蔽等方面[19]. 以上研究成果涉及到的屏蔽体主要为小尺寸模型或磁屏蔽材料的局部区域，对磁屏蔽体性能、磁场耦合规律、磁饱和效应及其与材质参数、屏蔽体结构特点的关系进行了相关研究.

上述研究成果为屏蔽体的磁饱和效应研究提供了很好的借鉴作用，但所用场源以极低频和单频连续波场源为主，在脉冲磁场方面涉及到的屏蔽体尺寸较小，工况设置较为简单，磁场主要作用在屏蔽体某一局部位置，不能充分说明磁屏蔽体整体结构对磁饱和效应的影响. 在现有成果中，尚未见到较大型磁屏蔽体在均匀脉冲磁场中磁饱和方面的研究成果.

鉴于上述研究状况，本文采用效应试验方法，对磁屏蔽体在低频脉冲磁场作用下的磁饱和特性进行了研究，证实了常规工程磁屏蔽体可在低频脉冲磁场环境中达到磁饱和状态，并分析了磁饱和效应对磁屏蔽体屏蔽效能的影响及磁饱和效应与屏蔽体外形尺寸、壳体厚度及材料磁导率等相关参数的基本关系，得到了一些有较高工程应用价值的规律和结果，可为磁屏蔽体的科学合理设计提供参考.

1 磁饱和现象和磁屏蔽体的磁屏蔽原理

磁饱和是磁性材料的一种物理特性，表现为磁性材料在近乎被完全磁化后，其内部的磁通量几乎不再随着磁化场增加而增加，即磁感应强度增加很小，磁导率大幅降低. 这种现象若发生在磁屏蔽腔体上，磁屏蔽体的磁屏蔽性能将会因此下降.

磁饱和效应一般发生在直流或者低频磁场环境中，而且多数为局部磁饱和现象，这与磁屏蔽机理有关. 按照磁屏蔽机理，磁屏蔽可分为两种：一种通过磁屏蔽体提供低磁阻通路对磁通进行分流实现磁场屏蔽；另一种通过交变磁场在屏蔽体上形成涡流效应，产生反向抵消磁场来削弱保护区域磁场而实现屏蔽目的. 由于低频脉冲磁场包含了大量低频分量，又兼有一定的高频成分，因此低频脉冲磁场屏蔽涉及了两种磁屏蔽机制. 磁屏蔽原理及磁屏蔽体壳体内磁通量分布特点[8]如图1(Ansys 计算结果)和图2所示.

图1 交变磁场屏蔽原理示意图[8]Fig. 1 Schematic diagram of alternating magnetic field shielding principle[8]

图2 屏蔽体内部静磁磁通分布示意图[8]Fig. 2 Schematic diagram of magnetostatic flux distribution inside the shield[8]

根据磁屏蔽原理，由理论分析可初步判断：磁屏蔽体的磁化程度与磁场的强度、低频成分及屏蔽体尺寸、屏蔽材料磁导率等因素正相关，随着磁化程度的提高，磁屏蔽体逐渐达到磁饱和状态.

但考虑到磁力线的闭合传播特性和一般磁屏蔽体尺寸远小于低频磁场波长的情况，磁屏蔽体对于低频磁场来说为开路磁体，而开路磁体在磁化过程中具有很强的退磁效应，这种效应降低了磁屏蔽体的磁化程度，阻碍磁饱和现象的产生. 因此，实际磁屏蔽体的磁饱和过程比较复杂，需要结合试验过程进行具体分析.

2 试验设置

2.1 试验方法

根据§1 分析可知，磁屏蔽体的磁屏蔽性能会随着其自身磁化程度而呈动态变化，在接近或达到磁饱和状态后，磁屏蔽性能将会逐渐下降，因此可从磁屏蔽性能观察磁屏蔽体的磁饱和过程，这也正是工程应用最为关心的问题.

鉴于此，本文采用模型法进行效应试验，并以屏蔽体中心点屏蔽效能最大时的磁化场强度作为饱和磁化场强度. 首先依据工程实际制作磁屏蔽体模型，本文主要以正方体形屏蔽体模型为研究对象，然后测得屏蔽体磁屏蔽性能及其变化规律，最后综合分析测试结果和试验条件，得到磁饱和效应规律. 试验中，以高压储能电容对螺线管放电形成试验所需的磁场环境，即为双指数波形的低频脉冲磁场，其主频及能量分布主要在100 kHz 以下频率，典型波形如图3 所示. 受试屏蔽体模型置于螺线管中心磁场均匀区域，磁场垂直辐照到屏蔽体一侧面上. 以模型中心位置为测试场点，对该场点屏蔽前后的脉冲磁场磁感应强度峰值测试结果进行简单计算，得到屏蔽体的屏蔽效能. 磁屏蔽效能计算公式为

图3 双指数低频脉冲磁场典型波形示意图Fig. 3 Schematic diagram of typical waveform of double exponential low-frequency pulsed magnetic field

磁屏蔽体的磁饱和效应试验及屏蔽体内部中心点屏蔽效能测试过程示意图如图4 所示.

图4 屏蔽体磁饱和效应试验示意图Fig. 4 Schematic diagram of shielding magnetic saturation effect test

2.2 模型制作

磁屏蔽体采用工程常用的市售冷轧钢板、镀锌铁皮和纯铁板制作，以CO2保护焊接方式制作冷轧钢板和镀锌铁皮屏蔽体模型，为避免加工过程对材料性能的影响，以铆固方式制作纯铁板屏蔽体模型，模型背对磁场方向一侧开设有测试窗口，以布置测试设备. 试验所用屏蔽体模型及其基本参数如表1所示，模型实物如图5 所示.

表1 屏蔽体试验模型及其基本参数Tab. 1 Shield test models and its basic parameters

图5 磁屏蔽体部分实际模型Fig. 5 Part of the actual test models of the magnetic shield

冷轧钢板和镀锌铁皮电磁参数基本一致，纯铁板未进行退火处理. 两种材料的典型磁化曲线如图6和图7 所示. 其中B为材料内磁感应强度；H为磁化场强度；μ为相对磁导率；k为无量纲符号，代表数值1 000，表示磁导率μ为坐标值乘以1 000 后的结果.

图6 冷轧钢板和镀锌铁皮的磁化曲线Fig. 6 Magnetization curve of cold rolled steel sheet and galvanized iron sheet

图7 纯铁板的磁化曲线Fig. 7 Magnetization curve of pure iron plate

2.3 磁感应强度测试

低频脉冲磁场分别采用基于电磁感应原理和霍尔效应原理的测试系统进行测试，两种测试系统结果可以互相校正，能够测试直流至1 MHz 的脉冲磁场，测量精度满足试验要求，与文献[20] 相同. 图8为传感器实物照片，图9 为屏蔽体在上升时间300 μs、脉冲宽度1.2 ms 的S1 场源作用下不同位置处的实测脉冲磁场典型波形. 按照由大到小的波形幅值，图9中各波形依次表示源场、屏蔽体迎波面外表面中心点和屏蔽体内部中心点的测试结果.

图8 低频脉冲磁场磁感应强度两测试系统传感器实物图Fig. 8 Prototype of 2 low frequency pulsed magnetic field measuring equipment

图9 S1 场源作用下屏蔽体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 试验结果与分析

根据上述试验设置，本文测得了表1 中各个模型在上升时间为300 μs、脉冲宽度为1.2 ms 的S1 场源作用下中心点位置的脉冲峰值屏蔽效能随磁化场强度的变化规律，如图10 所示.

图10 屏蔽效能随磁化场强度变化规律Fig. 10 The change law of shielding effectiveness with increasing magnetization field intensity

根据屏蔽体模型参数和屏蔽效能测试数据，结合理论分析和现有研究成果，可以得到以下规律.

3.1 磁饱和状态下屏蔽效能的变化规律及其量值特点

由图10 可以看出，磁屏蔽体的屏蔽效能不是一个恒定值，其随着磁场强度的增加先增大至一定峰值后逐渐下降，规律性十分明显，这与磁性材料磁导率的变化规律高度吻合，符合理论预期：材料磁导率在一定场强范围内随着磁场强度的增加而增加，使得屏蔽体的屏蔽性能随之提高，而后在达到最大值后随着磁场强度的增加逐渐减小，即磁性材料逐渐进入磁饱和状态，同时使屏蔽体屏蔽性能在达到最大值后逐渐减小.

上述特点表明，磁屏蔽体确实达到了磁饱和状态，或者是局部磁饱和状态，而且这种磁饱和状态对其屏蔽性能产生了明显影响.

从具体量值来看，屏蔽体对低频脉冲磁场的屏蔽效能较低. 壳体2 mm 厚的G1 和G2 冷轧钢板模型最大不超过28 dB，壳体0.75 mm 厚的D1 镀锌铁皮模型最大约为12 dB. 屏蔽效能动态变化范围很大，D1 磁屏蔽体模型屏蔽效能最大变化幅度接近50%.

3.2 磁饱和效应对耦合场波形的影响

由图9 可以看出，屏蔽体内部中心点位置波形和源场波形差异十分明显，主要体现在耦合场的脉冲上升时间明显增加. 但随着磁饱和状态的到来及磁饱和程度的增加，耦合场波形逐渐恢复到源场波形状态，主要表现为脉冲上升时间和相对宽度逐渐减小，波形更接近双指数波形特征. 这说明饱和泄漏场逐渐增加，这部分场分量受到磁阻通路影响较小，因而能保持更多原有波形特征，在其总量逐渐增加的情况下，逐步对总耦合场波形产生影响，使其更加接近源场波形状态.

波形变化特点说明了磁饱和前屏蔽腔体内部高频磁场分量很少，磁饱和后高频磁场分量明显增加，符合物理规律和理论预期.

3.3 壳体厚度对磁饱和效应的影响

壳体厚度和磁饱和效应关系的对比分析选取屏蔽效能达到最大值时的磁化场强度来进行. 对于壳体厚度为2 mm 的屏蔽体，如G1 和G2，屏蔽效能在磁化场强度约14 mT 时达到最大；壳体较薄(0.75 mm以下) 的屏蔽体，如G4 和D1，约在4 mT 时达到最大；而厚度为1 mm 的G3 屏蔽体，在8 mT 左右达到最大. 可见屏蔽体壳体厚度越大，使其达到磁饱和状态的磁化场强度越高.

由此可见，同种材料情况下，屏蔽体壳体越厚，使其达到磁饱和状态的磁化场强度越高，壳体厚度对磁饱和效应产生了明显影响，这种结果符合理论预期；但厚度和饱和磁化场强度并不是线性变化关系.

3.4 屏蔽体外形尺寸对磁饱和效应的影响

在本文试验中，由于场强测点和屏蔽体模型的数量限制及经济成本等原因，磁饱和效应与屏蔽体尺寸的关系不能仅靠大数量的测点和模型完成对比分析，本文从屏蔽体屏蔽效能达到最大值以后的变化特点进行分析.

首先结合本文所用低频场源和磁场传播特点，从理论上分析磁饱和效应与屏蔽体尺寸的关系. 屏蔽体尺寸越大，受到磁场辐照面积越大，越易于接收更多的低频磁通分量，而与磁场平行的四个侧壁为主要磁通路，其更易达到磁饱和状态.

然后从实际测试结果分析屏蔽体尺寸对屏蔽体屏蔽效能的影响. G3 和G4 两种模型的厚度分别为1 mm 和0.5 mm，G3 边长为1.2 m，G4 边长为2 m. 从测试结果来看，G3 晚于G4 达到最大屏蔽效能状态，但G3 在达到磁饱和状态后，其屏蔽效能随着磁场强度的增加以较快的速度下降，且总体下降幅度较大，在较高场强下，屏蔽效能略低于G4. 而G4 屏蔽效能总体下降幅度较小，且在磁饱和以后相对稳定. 对于D1 来说，其厚度为0.75 mm，外形尺寸与G3 基本相同，屏蔽效能的变化幅度和变化速度相对G4 更为明显. 从上述分析可以看出，大尺寸屏蔽体中心点磁场强度受到磁饱和后的泄漏场影响较小，而小尺寸屏蔽体更易受到饱和泄漏场的影响，这也反映了磁通主要分布在磁路周围的特点，与理论结论一致.

再次，根据上述分析结论，对G1 和G2 两种模型的试验结果进行对比分析. 两者壳体厚度均为2 mm，G1 边长比G2 边长大一倍，两者的屏蔽效能变化曲线在图10 中的后7 个场强测点内出现两次交叉. 综合分析可以得出：第一次交叉表明G1 模型首先进入了较深的磁饱和状态，受饱和泄漏场的影响，屏蔽效能下降较快，此后屏蔽效能低于G2；第二次交叉表明在G2 随后进入较深的磁饱和状态后，由于其尺寸较小，受到饱和泄漏场影响更大，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. 上述情况表明：同等条件下G1 磁饱和程度高于G2，但由于G1 模型尺寸较大，其中心点屏蔽效能受到饱和泄漏场影响较小，因而其屏蔽效能曲线的后半段能够保持较为平坦的变化趋势. 而G2 由于尺寸较小，屏蔽效能曲线受到饱和泄漏场影响明显，呈现快速下降趋势.

需要注意的是，仅从G1 和G2 屏蔽效能变化曲线的前半段来看，两者达到最大屏蔽效能状态时的场强相同，均约为14 mT. 而根据上述分析来看，这不符合实际情况，应该是G1 早于G2 达到最大屏蔽效能状态，也即是G1 更早达到磁饱和状态. 造成这种现象的原因是限于试验条件，场强测点设置密度较小，未能测得G1 和G2 分别达到最大屏蔽效能的确切场强.

上述理论分析结果和试验结果吻合较好，证明了大尺寸屏蔽体更易达到磁饱和状态.

另外，对比§3.3 和本节结果可以看出，对于本文设置的几种屏蔽体模型，壳体厚度对磁饱和效应的影响要明显大于外形尺寸的影响.

3.5 磁饱和效应与材料磁导率的关系

由理论分析可知，在相同条件下，屏蔽腔体磁导率越高，在一定条件下屏蔽体屏蔽效能越高，但也越容易达到磁饱和状态. 本文从屏蔽效能和耦合场波形变化两方面观察了磁导率对磁饱和效应的影响，印证了理论分析结果.

以T1 和G3 两种模型进行对比分析. T1 最大边长比G3 大一倍，壳体厚度相同均为1 mm. 从图6和图7 可以看出，T1 壳体纯铁板的磁导率变化特点明显与G3 壳体冷轧钢板不同，其变化率和最大值更快、更高，这种特点在测试结果中得到印证. 从图10可以看出，T1 的屏蔽效能及其变化幅度明显大于G3，考虑到§3.4 中大尺寸屏蔽体相对容易饱和但中心点屏蔽效能受到磁饱和效应影响较小的结论，说明T1 进入了更深的磁饱和状态，即高磁导率屏蔽体更易达到磁饱和状态，其最终屏蔽效能受到磁饱和状态影响更为明显. 从耦合场波形来看，实测的T1内部磁场波形宽度经历了更为明显的由大至小的过程，存在逐渐接近源场波形的趋势，这也表明T1 经历了程度更高的磁饱和过程.

3.6 饱和磁化场强与壳体厚度、辐照面积量值关系的初步分析

由以上几节分析可知，屏蔽体的厚度和外形尺寸均能够明显影响磁饱和效应过程，从§3.3 和§3.4 的对比分析可以看出，壳体厚度的影响更大. 对工程应用来说，若能得出能够指导屏蔽室建设的具体量值关系则更有意义. 为此，根据以上几节研究结论，对壳体厚度和辐照面积(迎波面面积)与饱和磁化场强度的量值关系进行初步分析.

从D1，G3，G2 三个模型来看，三者外形尺寸相近，厚度分别为0.75 mm，1 mm 和2 mm，其中倍数关系分别为1.33，2.67 和2，屏蔽体达到最大屏蔽效能的磁化场强度分别为4 mT，8 mT 和14 mT，其中的倍数关系分别为2，3.5 和1.75.

从G1 和G4 的对比来看，两者受辐照面积分别为6.25 m2，4 m2，厚度分别为2 mm 和0.5 mm，倍数为4，最大屏蔽效能对应的磁化场强度分别约为14 mT和4 mT，倍数为3.5. 若排除辐照面积的影响，饱和磁化场强度的倍数应大于3.5.

从以上对比可以看出，饱和磁化场强度随着厚度的增加而增加，增加幅度接近或大于厚度增加幅度.

上述量值关系比较简单，但还是有一定的工程指导价值. 显然，若要得到更明确的结果，需要在场强测点密度、壳体厚度误差、场强测试误差及材料的非线性特性等影响因素方面做更细致、深入的工作，目前这些工作作者正在开展中.

4 结 论

本文根据试验结果，基于磁屏蔽体对低频脉冲磁场的屏蔽效能及其变化规律的对比分析，研究了不同条件下磁屏蔽体的磁饱和效应及其影响. 结合前几节的分析结果，可以得出以下研究结论和建议：

1)处于磁开路状态的磁屏蔽体在低频脉冲磁场环境中可以达到磁饱和状态，磁饱和状态对其屏蔽效能产生了明显影响，使其屏蔽效能呈现出与屏蔽材料磁导率类似的变化规律. 在磁饱和效应的影响下，脉冲峰值屏蔽效能量值变化幅度很大，最大接近50%. 磁屏蔽体内部耦合场波形特征随着磁饱和程度的提高逐渐与源场波形一致，这种特点也是磁屏蔽体磁饱和状态判断的重要参考依据.

2) 2 mm 厚和1 mm 厚冷轧钢板屏蔽体分别在场强约为14 mT 和8 mT 时达到最大屏蔽效能状态，即开始进入本文定义的磁饱和状态；1 mm 厚未退火纯铁板屏蔽体约在场强8 mT 时开始进入磁饱和状态，而厚度为0.75 mm 和0.5 mm 的镀锌铁皮和冷轧钢板约在场强为4 mT 时开始进入磁饱和状态.

3)磁饱和效应与磁屏蔽体的材料磁导率、壳体厚度、外形尺寸等多种因素有关，且与磁导率、外形尺寸负相关，与壳体厚度正相关. 其中，屏蔽壳体厚度影响较大，饱和磁化场强度随着厚度增加而增加的幅度接近或大于厚度增加幅度.

4)由于磁屏蔽体屏蔽性能的非线性特点，低频脉冲磁场的防护应留够充分的防护裕量，主要从提高屏蔽壳体厚度和材料磁导率入手，这样一方面防止出现磁饱和现象，另一方面可提高弱磁场下的屏蔽效能.