CH234445A - Material with anisotropic properties for magnetic shielding purposes. - Google Patents

Material with anisotropic properties for magnetic shielding purposes.

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CH234445A
CH234445A CH234445DA CH234445A CH 234445 A CH234445 A CH 234445A CH 234445D A CH234445D A CH 234445DA CH 234445 A CH234445 A CH 234445A
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Ag Albiswerk Zuerich
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Siemens Ag Albis
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K9/00Screening of apparatus or components against electric or magnetic fields
    • H05K9/0073Shielding materials

Description

  

  Material     anisotroper    Eigenschaften zu magnetischen     lbschirmzwecken.       Bei     .der        Abschirmung    magnetischer Stör  felder durch     ein.    oder     mehrere    ineinander     ge-          schachte-lte        Abschirmtöpfe    spielt das für die  Töpfe zu verwendende Material sowohl be  züglich der     Abschimmwirkung    wie auch be  züglich der zusätzlichen Verluste und des       Einflusses    auf die     Induktivität    eine mass  bebende Rolle.

   Im vorliegenden handelt es  sich vor allem um die     Gestaltung        dieses    Ma:       temals    nach     dem.        Gesichtspunkte        cer        Ab-          sehirmwirkung,    also um die     Gestaltung    eines       bei        Abschirmtöpfen    zu     verwendenden        Mate-          rials    mit besonderer     Eignung    zur Erzielung  hoher     Abschirmwirkungen,

      und     zwar    sowohl  gegenüber     @stratischen        wie        dynamischen    Fel  dern.  



  Beider     magnetischen        Abschirmung    muss,  was insbesondere auch für die     Materialfrage     von     Bedeutung        isst,    unterschieden werden  zwischen     statischer    und     dynamischer    Schir  murig.

   Während es     sich        bei.    der     .ersteren    im       wesentlichen        um    ein     Potentialproblem    han  delt,     vera?teht        man,    unter der letzteren die-         jenige        Schiirmwirkung,    die aus den durch       Wirbelstromausbildung        erzeugten        Gegen-          feldern,        resultiert.    Nur     statische        Schirmurig     liegt vor,

   wenn im Bereich statischer     Felder     ein     permeables        Maternal        verwendet        wird;    nur       dynamische        Schirmüng    ist dann vorhanden,  wenn ein     nichtpermeables,    aber     elektrisch          leitendes    Material, etwa Kupfer, zur Ver  wendung     gelangt.    Wird im dynamischen Be  reiche ein     permeables        Material    benutzt,

   so       baut    sich     infolge        gleichzeitiger    permeabler  und     elektrisch        leitender    Eigenschaften     die          Schirmurig        stets        irgendwie    aus einem     stati-          schen    und einem     dynamischen    Anteil auf.

         Die        Verwendung    von     isotropem    permeablem  Material oder     isotropem    nichtpermeablem,  aber     elektrisch        ;gut    leitendem     Material    zum  Aufbau der einzelnen     Abs,chirmtöpfe        ist        be-          kannt.     



  Die     grundsätzliche        Schwierigkeit,    die die       Abschirmung        magnetischer    Felder bereitet,  liegt vor allem darin begründet,     dass    ein       vollkommen        permeables        Material        (u    =     -)              èhlt.    Das gilt insbesondere für die statische       Sehirmung;        e.:

      gilt aber auch für die     dyna-          misehe        Schirmung,    bei der es zudem     grund-          sätzlieh    möglich ist,     dass    sich     Wirbelfelder          ausbilden,    die der gewünschten Schirm  wirkung     entgegenwirken.    Da. bei.

   der prak  tischen     Abschirmung    nicht nur die techni  schen Anforderungen an die Schirmwirkung,       sondern    auch .die Forderungen nach einer       wirtschaftlichen        Lösung    stark im Vorder  grund stehen und gerade deswegen die Ver  wendung mehrerer     ineinander    geschachtelter  Schirmtöpfe infolge ihrer unbequemen räum  lichen Anordnung und der umständlichen  Herstellung in der Praxis wenig Eingang       finden:

      konnte,     verfolgten    die     Bestrebungen     der letzten Jahre     deshalb        var    allem den Weg  der     Entwicklung    und     Verwendung    von Ma  terialien mit möglichst grosser     Permeabili-          tä.t.        Hochwertige        magmetisohe    Legierungen,  wie etwa das     Permalloy,    haben aber auch  recht hohe Gestehungskosten und weisen       ferner    oft     unangenehme        Instabilitä,

  tseigen-          schaften    gegenüber mechanischen und ther  mischen     Einflüssen    auf.     Ausserdem    sind die       Rohstoffbeetandteille    derartig hochpermea  bler Legierungen zeitweilig \ schwer     erhält-          ]ich,    so dass die Frage nach -einem leistungs  fähigen     Schirmmaterialersatz    auch von  diesem Gesichtspunkte aus     grosses        Interesse     bietet.  



  Nach der     vorliegenden    Erfindung wird  nun zum Aufbau der Schirmtöpfe nicht mehr       -ein    in :der Hauptsache     isotropes        Material     herangezogen, sondern ein Material mit im       wesentlichen        anisotropen        Eigenechaften,    das  sich durch besondere     Eignung,    hinsichtlich  ,der     Abschirmwirkung    auszeichnet..

       Bei     diesem Material     anisotroper    Eigenschaften,  einem     Material    also, das in     verschiedenen     Richtungen     sehr    unterschiedliche Ein     en-          schaften    aufweist,     interessiert    für das vor  liegende Problem vor allem das Verhalten  der     Permea.hilität    und der     elektrischen    Leit  fähigkeit, während die     dielektrischen    Eigen  schaften für     magnetische        Abschirmzwecke     von untergeordneter Bedeutung sind.  



  Die Erkenntnis, derartiges     Material    an-         isotroper    Eigenschaften zur Erzielung hoher       :@b3chirmwirlzungen    zu verwenden, beruht  auf den folgenden     Überlegungen.     



  Die     Abschirmung.;        magneti..seher    Felder  die     Ausführungen    beziehen sich     aus-          'chliesslich        auf    da"; Schirmmittel des Ab  schirmtopfes     -beruht    auf folgendem: Die       Störfelder    werden durch das Schirmmittel  von der zu entstörenden Zone ferngehalten.

    Sie     werden    im     stat.i#zehun    Feld vom     Sehirm-          mittel    aufgefangen und um die zu ent  störende Zone     herumgeleitet.    Im dynami  schen Feld bilden sich im Schirmmittel Wir  belfelder     aus,    die die Störfelder kompensie  ren sollen.

   In beiden Fällen handelt es sich  einerseits um Intensitätseffekte, für     welche     nebst .dem     ma.senmä        ssi,en.        Anfwand    an     11a-          terial    im     statischen    Fall in erster Linie. die  Grösse der     Permeabilität,    im dynamischen  Fall die Grösse der elektrischen Leitfähigkeit.  massgebend sind,     anderseits    Rieh     twirkun,gs-          effekte,    die im wesentlichen durch die Topf  form bestimmt sind. Bei.

   Verwendung von       isotropem        Material    ist     al.s@o        rlureh    die Grösse  der     skalaren        -Materialkonstanten        beziiglieh          Permeabilität    und elektrischer     Leitfähia#keit.     und durch die     geometrische    Formgestaltung  die     @chü#inw@irhun@@    des Schirmmittels bei  vorgegebener     Art    des Störfeldes festgelegt.

    Unter Beibehaltung der     beiden    Prinzipien,  möglichst hohe     Inlensitätswirkung    des     hIa-          terial,s    (grosse     Permeabilität     ,     _grosse    Leit  fähigkeit x) und Einfluss der geometrischen  Form .der     Abscliirnitöpfe.    womit das bisher  Bekannte erfasst     ..wird,        machen    es die obigen  Bemerkungen a     a-enscheinlich,    dass, ohne vor  erst Einzelheiten     iler        Reali.@wrun,g    zu erör  tern, die     Abschirnif"ihi,#keit,

          des    Schirm  mittels -dadurch bedeutend verbessert wird,  wenn     d.as    Material selbst mit:     Richteffekten          @ceign.eterrtaius@,estattet        hezw.        dasSchirni-          mit:tel        a.us    einem     Material    dieser Eigenschaf  ten aufgebaut ist..

   Vom     Standpunkt    der  magnetischen     Selürinwirkung    aus gesehen,  hat ein solches     Material.        dessen    Eigenschaf  ten im wesentlichen nicht mehr durch einen  einzelnen     Skalar,    sondern etwa durch einen       Tensor        beschrieben    werden, nach Möglichkeit      die     folgenden    speziellen     Forderungen    zu er  füllen:  1.

   Das     Material        soll        derart        beschaffen     sein, dass es .in der einen     Richtung    eine kleine       Permeabilität    aufweist, in der     Richtung     senkrecht dazu aber     .eine    verhältnismässig  grosse, derart,     dassi    ein in     -das        Material    eintre  tendes Feld bevorzugt in diese Richtung ein  gelenkt wird.

   Das     ist.        insbesondere    für     eta-          tischies,    Verhalten von     Interesse.     



  2. Das Material soll derart beschaffen  sein, dass es .in     defr    einen Richtung die Aus  bildung von Wirbelfeldern     möglichst        be-          günstigt,    in der Richtung senkrecht dazu  aber     möglichst    unterdrückt.

   In dieser Rich  tung     sind    dann aber wegen der Unter  drückung der     Wirbelfelder    die Verhältnisse  auf die statischen     reduziert,    so dass in dieser       Richtung    zusätzlich nach Möglichkeit auch  die     erste    Forderung erfüllt sein     mttss.    Diese  zweite     Forderung    interessiert vor allem im       Bereiche        dynamischer    Felder.  



  Das     Material,    mit dem die beiden Forde  rungen erfüllt werden können, ist ein     solches     mit spezifischen     anisotropen        Eigenschaften.     Zur nähern     Erläuterung    seien vorerst die  folgenden.     Begriffsbildungen        vorausgeschickt:

       In einem     anisotropen        Material        bezw.    im  wesentlichen auch in einem Material     aniso-          troper        Eigenschü.ften    werden die Material  eigenschaften bekanntlich durch einen sym  metrischen     Tensor        beschrieben.    Die Material  gleichungen lauten:

         a)    In einem     anisotropen        Dielektrum:     
EMI0003.0051     
    wo Z der     Ven.chiebunggsvektar,        e    der elek  trische Feldvektor und
EMI0003.0054  
   der     (absolute)          dielektrisohe        Materialtensor    bedeuten.  



  b)     In,    einem     anisotropen        1VIagnetikum:     
EMI0003.0061     
    wo     #3    der     Induktionsvektor,        ,e    der     magre     tische     Feldvektor    und
EMI0003.0067  
   der (absolute) ma  gnetische     Materrialtensar    bedeuten.  



       c)    In     einem        anisotropen        elektrischen     Leiter:  
EMI0003.0073     
    wo     e    der     Stromdichtevektor,        e2    die     elektri-          sc@he        Leiterfeldstärke        und   
EMI0003.0081  
       der        Leitfähig-          keitstensor        bedeuten;.     



  Das zu     erörternde        Material    erfordert zu  seiner Beschreibung     adle    drei     Gleichungen     (1)-(3). Die     Gleichungen;    (3) und insbeson  dere (2)     stehen    indessen beider     Verwendung     zu magnetischen     Abschirmzweeken        im        Vor-          dergrund.    Der     :

  Sachverhalt,    der im folgenden  näher     interessiert,    wird     lediglich    an     Hand     der     Gleichung    (2)     Verdeutlicht;    für die Glei  chungen (3) und (1)     gilf    genau     analoges.     Eine     Gleichung        der    Art (2)

       gehört    bekannt  lich zu den .linearen     Vektorfunktionen.    Der       symmetrische        Tensor   
EMI0003.0111  
       ist        vollständig    be  stimmt     durch    die sechs Elemente  <B>111, 112, 113, 122, 123</B>     Und   <B>133.</B>  



  Die Gleichung (2) lässt     sich    darstellen mit  Hilfe ödes,     sogenannten        Tensorellipsaids,    des  sen Gleichung     lautet:     
EMI0003.0120     
    Die Indexe 1, 2, 3 beziehen sich auf  irgendein     orthagonales        goordinantentripel.     Die     Gleichung    (4)

   kann nun stets durch eine       Hauptachsentransformation        übergeführt    wer  den auf eine Form  
EMI0003.0126     
    Es fallen dann in jedem Punkte die       drei    Hauptachsen des Permeabilitätstensor-         ellipsovdis        mit    dem     goardinatentripel        zusam-          men        und        j1,

          121    13 werden     -demgemäss    als die       Hauptpermeabilitätskoeffizienten        bezeichnet.     Sollen     gleichzeitig    auch die Gleichungen (1)       tmd    (3) einbezogen     sein,    dann wird im fol  genden kurz     vom.        Tensorellipsoid    und den       Hauptaohsenwerten    (nicht zu verwechseln.

         reit    den     Achsenlängen    des     Ellipsoides)        .ge-          sproehen.              Erfindunbgs"c"emäss    ist ein     Material    ge  kennzeichnet     durch    einen     derartigen    Aufbau  zur     Erzielung    hoher     magnetischer        Abschirm-          wirkungen    von     Abschirmtöpfen,    dass     eis    be  steht aus mindestens zwei dicht aufeinander  folgenden flächenhaften Elementen     ,der     Dicke d,

       wie    es z. B.     in    der     Fig.    1.     ange-          deutet    ist, die nicht mehr weiter in Elemente  gleicher     Art    aufgeteilt werden können, wo  bei die     Eigenschaften    der Elemente     bezüg-          lichder        Permeabilität,    der     Dielektrizität    und  der     elektrischen        Leitfähigkeit    erstens in der       fl'ächenhaTten    Ausdehnung der Elemente im       wesentlichen    konstant sind,

   zweitens über  die Dicke d     mindestens    einer ausgeprägten       extremalen        Schwankung        unterworfen    sind.  Seinem Verhalten entsprechend wird ein  derartiges     Material-    mit     Hilfe    der     Anisotropie          gekennzeichnet,

      wobei sich der eine     Haupt-          achsenwert    der     Ma.terialtensoren    aus den     'Ma-          terialeigenschaften    in der Richtung quer zu  den     Elementen    und die beiden andern Haupt  werte     aus    den Materialeigenschaften in zwei       zueinander    senkrecht     stehenden        Richtungen     in der flächenhaften Ausdehnung der     Ele-          m-ente    ergeben.

   In diesem     Sinne    wird das vor  liegende     Materia=l    noch dahingehend präzi  siert, dass sieh die Materialeigenschaften von  Element zu, Element derart wiederholen,     da.ss     die zu den     Materialtensoren    gehörigen     Ten-          sorellipsoide        Rotationsellipsoide    sind, deren       Rotationssachsen    senkrecht zu den Elementen  stehen.  



  Zur näheren Erläuterung seien vorerst an  Hand der     Fig.    2     bis,    4 einige Beispiele auf       gezeigt-          1.   <I>Beispiel:</I> Die     Permeabilitä-t    sei längs  ,der flächenhaften     Ausdehnung    der Elemente  im wesentlichen konstant, quer zum Element  variiere sie     steti=g,    etwa. entsprechend der  Periode einer     trigonom@etrisohen    Funktion, wie  in     Fig.    2 veranschaulicht.

   Analoges gilt dann  auch für die     elektrischeLeitfähigkeit    und die       Dielektrizität.    Es liegt also     gewissermassen     eine     Dichtess;chwankung    dieser Materialeigen  schaften vor.  



  <I>z. Beispiel:</I> Das     Element    besteht :aus       e        i        iner        permea.        'blen        und        ein-er        dielektrisohen       Schicht, wie in     Fig.    3 angedeutet.

   In der  flächenhaften     Ausdehnung    der     Elemente    sind  die     elektrischen    und die magnetischen Eigen  schaften im     wesentlichen    konstant, quer zum  Element schwanken sie einmal stark     bezw.     sie springen von den Werten der Schicht 1       auf    die     Werte    der Schicht 2.  



  <I>3. Beispiel,:</I> Das Element     unterscheidet     sich von dem     des    z.     Beispiels    nur dadurch,       dass    an Stelle der     dielektrischen    Schicht eine       n.ic.htpermeable,    aber     dssfür    elektrisch     gute     leitende Schicht tritt.  



  <I>4.</I>     Beispiel:    Das Element besteht aus  einer permeablen Schicht 1, einer nicht  pe-rmea.blen, aber     elektrisch    gutleitenden  Schicht 2     und    zwei im     Vergleich    zu den  Schichten 1 und 2 dünnen, elektrisch schlecht  leitenden     Sehi.chten    3 und 4. die die elek  trisch.     leitenden    Schichten 1 und 2 voneinan  der isolieren, wie es in     F'ig.    4 dargestellt     ist.     



  Es lassen sich weitere Beispiele von     Ma-          f        erialien    angeben, die sich     bezüglich    dem  innern     Aufbau    der Elemente oder sich     be-          züglich    :der Anordnung der Elemente unter  scheiden.

   Das hat     lediglich    zur Folge,     da.ss     die Grösse der     Tens,orellipsoide    in den Rich  tungen quer zu den     Elementen,    oder, was  im     vorliegenden        Anwendungsfalle    weniger  interessiert, in deren flächenhaften Richtun  gen in gewünschter     Weise    voneinander ab  weichen.  



  Es ist ferner ohne weiteres klar, dass als       eigentliches        flächenhaftes    Element nur das  jenige angesprochen werden kann, das nicht  weiter in Elemente unterteilt werden kann.  die die. geforderten Eigenschaften im wesent  lichen wieder für sieh aufweisen. Das flä  chenhafte Element ist also das kennzeich  nende Grundelement des genannten Materials  sowohl bezüglich seiner Synthese als auch  seiner     Ana.lvse.     



  Es ist weiter leicht ersichtlich, dass ein       Material        (Typus    I), wie es durch Beispiel 4       (Fi.g.    4) v     eransehaulicht    wird und welches  dadurch gekennzeichnet ist, dass das     Element          #        ante   <B>-</B>     baut        ist        aus        mindestens        einer    permca-           blen,        mindestens    einer     nichtpermeablen,

      elek  trisch     b        tleitenden    Schicht und mindestens  zwei nichtpermeablen, elektrisch     schlecht-          leitenden:    Schichten,     wobei        diese        letzteren     die metallischen Schichten voneinander iso  lieren, die genannten beiden Forderungen  durch-aus erfüllt.

   Denn     in,den        Richtungender          flächenhaften        Ausdehnungen    der Elemente  ist die     Permeabilität    verhältnismässig gross,  in den     Richtungen        senkrecht    zu den Elemen  ten     verhältnismässig        klein..    Das     entspricht          vorerst    der ersten     Forderung.    Aber auch die       zweite    Forderung ist erfüllt, denn in den  flächenhaften     Ausdehnungen    der Elemente,

         Flussrichtung    quer zu den Elementen, ist die       Wirbelstromausbildung    begünstigt, in den       Richtungen    senkrecht dazu, das heisst quer  zu den Elementen, Fluss in Richtung der  flächenhaften Ausdehnung .der Elemente, ist       die        Wirbelstromausbildung    weitgehend un  terdrückt.

   Im Fall der letztgenannten     Fluss,-          richtung    sind damit ,die Verhältnisse auf die       statischen        redu        ziert,        .gleichzeitig        ist    aber auch  die erste Forderung wieder erfüllt, in     sbeson-          dere    wenn man die permeablen und     nicht-          permeablen    Elementbestandteile von Fall zu  Fall in ein     geeignetes    Verhältnis     zueinander     setzt.

   Das     beschriebene    Material     interessiert     vor     altern.    im dynamischen Bereich, insbeson  dere im     Netzfrequenzbereich,    wo oft     Gtati-          schen    und     dynamischen    Anforderungen  gleichzeitig     Rechnung    getragen werden     muss.     



  Für ein     Material    (Typus     II),    das da  durch gekennzeichnet     ist,    dass das Element  sich aufbaut aus     mindestens    -einer     permeablen     und'     mindestens    einer nicht permeablen,     elek-          trisch        schlechtleitenden        ,Schicht,    was, vor  allem etwa das zweite Beispiel und zum Teil  auch das     erste    Beispiel berührt,

   gelten im all  gemeinen die .gleichen     Überlegungen.        Es    be  steht     insofei-n    ein wesentlicher Unterschied,  als in den Richtungen der flächenhaften Aus  dehnungen der Elemente,     Flussrichtung    senk  recht dazu, die     Wirbelätromausbildung     wegen der     verhältnismässig    schlechten Leit  fähigkeit nicht     begünstigt    wird. Die zweite       Forderung    ist also nur     teilweise    erfüllt, so    dass dieses Material in erster Linie für den  statischen Anwendungsbereich     interessiert.     



  Für ein Material (Typus     III),    das da  durch gekennzeichnet ist,     .dass    das Element  ,sich aufbaut aus     mindestens    einer permea  blen und mindestens     einer    nichtpermeablen,  elektrisch     gutleitenden        Schiebt,    ,gilt im all  gemeinen ebenfalls das für das     ersterwähnte     Material     ,gesagte.    Der wesentliche Unter  schied     besteht        dä.rLn,    dass in den     Riohtungen     quer zu den Elementen, Fluss in Richtung  der flächenhaften     Ausdehnung    der Elemente,

    die     Wirbelstromausbildung    weitgehend be  günstigt     iGt.    Diese Abweichung von der  zweiten     Forderung    schränkt die Verwendung  dieses Materials im dynamischen Bereich be  trächtlich ein.  



       Ein.    derartiges     Material    kann z. B. durch       elektrolytisohe    Verfahren hergestellt werden,  indem abwechslungsweise     magnetische    und  nichtmagnetische Schichten niedergeschlagen  werden. Dasselbe kann auch durch Auf  dampfen, Spritzen usw. erreicht werden. Die  so     hergestellten    Materialien haben     aber     unter anderem den Nachteil, dass sie zum  Typus     II        bezw.    vor allem zum Typus     III     gehören, womit ihre     nützliche    Verwendbar  keit entsprechend ist.

   Das Material     anisotro,-          per    Eigenschaften kann     auch    derart     Uerge-          stellt    werden,     dass        mittels-        geeigneter    Bleche,  Blätter, Folien usw. die     einzelnen        Elemente     und :die     Elemente    unter sich     mit    Hilfe     eines     Bindemittels durch Kleben     bezw.        Pressen          zusammengefügt    werden.

   Hierbei kann man  das     Bindemittel    gleichzeitig als     isolierende     Schichten benützen,     woibei    die letzteren na  turgemäss möglichst dünn zu halten     sind.     Oder man kann die Bleche, Blätter, Folien  usw. auch mechanisch zusammenhalten, etwa  durch Nieten oder Falzen, indem z. B. die  letzte Schicht folgerichtig umgebördelt und  das Ganze     zueammengep.resst    wird, oder  durch Scharniere,     teilweise    oder ganz um  schliessende Kappen.

   Je nach der Notwendig  keit zur     ispanabh    ebenden oder     spanlosen        Ver-          arheitung,    je nach der     Gestaltung    der Luft  spalte, .eignet sich beim Aufbau und der An  wendung der     Abschirmtöpfe    der eine oder      andere     mechanische    Zusammenhalt.

   Oft ist  es von     Vorteil,    was!     sowohl        bezüglich.    dem  Klebe- und     Pressverfahren    als auch bei me  chanischem Verfahren     gilt,    wenn schon von  Anbeginn an     Eisenbleche    verwendet werden,  die     galvanisch        verkupfert,    mit Kupfer ge  spritzt oder mit Kupfer plattiert sind. An  Stelle     :des    Kupfers kann auch ein anderes  gut leitendes     Metall    verwendet werden. Die  so behandelten Bleche können zudem eben  falls schon von Anbeginn an isolierend  lackiert werden.

   Als weitere mögliche     Ver-          bindunbsverfahren    seien endlich noch das  Schweissen und Löten erwähnt.  



  Eine     weitere    Herstellungsmöglichkeit be  steht :darin, dass pulverisierte Schichten       folgerichtig        zusammengepresst    werden.  



  Schliesslich     is:t    es von Vorteil, das     fertige          Material        beispielsweise    :durch thermische     Be-          handlungen        einer        Permeabilitätsvergütung     zu unterziehen.  



  Der Vorteil der Materialien     anissotroper     Eigenschaften, die     erfindungsgemäss    zur  Erzielung hoher     Schirmwirkungen    benützt  werden,     liegt        besonders        darin,        dass.    auch  bei Verwendung     verhältnismässig    niederper  meabler,     leichter    erhältlicher Stoffe ausge  zeichnete     Abschirmwirkungenerzielt    werden.



  Material with anisotropic properties for magnetic shielding purposes. With .the shielding of magnetic interference fields by a. or several shielding pots nested in one another, the material to be used for the pots plays a tremendously shaking role both with regard to the dimming effect and with regard to the additional losses and the influence on the inductance.

   In the present case it is primarily about the design of this material according to the. Aspects of the shielding effect, i.e. the design of a material to be used in shielding pots that is particularly suitable for achieving high shielding effects,

      in relation to both @stratic and dynamic fields.



  With magnetic shielding, which is particularly important for the question of materials, a distinction must be made between static and dynamic shielding.

   While it is at. the former essentially deals with a potential problem, if the latter is concerned with the shielding effect that results from the opposing fields generated by the formation of eddy currents. There is only static shielding

   if a permeable maternal is used in the area of static fields; only dynamic shielding is available when a non-permeable but electrically conductive material such as copper is used. If a permeable material is used in dynamic areas,

   Thus, due to the simultaneous permeable and electrically conductive properties, the shielding always somehow builds up from a static and a dynamic part.

         The use of isotropic, permeable material or isotropic, non-permeable but electrically conductive material for the construction of the individual shielding pots is known.



  The fundamental difficulty that the shielding of magnetic fields causes is mainly due to the fact that a completely permeable material (u = -) èhts. This applies in particular to static shielding; e .:

      However, this also applies to dynamic shielding, in which it is also fundamentally possible that vortex fields are formed which counteract the desired shielding effect. There. at.

   the practical shielding not only the technical requirements for the shielding effect, but also the demands for an economical solution are in the foreground and precisely because of this the use of several nested shield pots due to their uncomfortable spatial arrangement and the laborious production in the Practice has little input:

      The efforts of the last few years have therefore mainly pursued the development and use of materials with the greatest possible permeability. High-quality magmetic alloys, such as permalloy, also have very high production costs and often have unpleasant instability,

  tproperties against mechanical and thermal influences. In addition, the raw material components of such highly permeable alloys are temporarily difficult to obtain, so that the question of an efficient shield material replacement is of great interest from this point of view as well.



  According to the present invention, a material with essentially anisotropic properties is no longer used for the construction of the umbrella pots - mainly an isotropic material, but a material with essentially anisotropic properties, which is characterized by its particular suitability with regard to the shielding effect.

       In the case of this material, which has anisotropic properties, i.e. a material that has very different properties in different directions, what is of particular interest for the problem at hand is the behavior of permeability and electrical conductivity, while the dielectric properties are used for magnetic shielding purposes are of minor importance.



  The knowledge to use such a material with anisotropic properties to achieve high: @ b3chirmwirltungen is based on the following considerations.



  The shield .; Magneti..seher fields the explanations relate exclusively to da "; The shielding means of the shielding pot is based on the following: The interference fields are kept away from the zone to be suppressed by the shielding means.

    They are caught in the stat.i # zehun field by the visual umbrella and directed around the area to be suppressed. In the dynamic field, vortex fields form in the shielding means that are intended to compensate for the interference fields.

   In both cases there are on the one hand intensity effects, for which in addition to the measure. First and foremost on 11material in the static case. the size of the permeability, in the dynamic case the size of the electrical conductivity. The decisive factors are, on the other hand, rieh twirkun, gs effects that are essentially determined by the shape of the pot. At.

   When using isotropic material, al.s@o rlureh is the size of the scalar material constant with regard to permeability and electrical conductivity. and the @ chü # inw @ irhun @@ of the shielding means determined by the geometric shape design with a given type of interference field.

    While maintaining the two principles, the highest possible intensity effect of the material (high permeability, large conductivity x) and the influence of the geometric shape of the closure pots. where the previously known is captured .., the above remarks make it apparent that, without first discussing the details of the reali. @ wrun, g, the cut-off "ihi, # keit,

          the screen is significantly improved by using the material itself with: Directional effects @ ceign.eterrtaius @, established hezw. the Schirni- mit: tel is built up from a material with these properties.

   From the standpoint of magnetic action, such a material has. whose properties are essentially no longer described by a single scalar, but rather by a tensor, if possible, to meet the following special requirements: 1.

   The material should be such that it has a low permeability in one direction, but a relatively large permeability in the direction perpendicular to it, such that a field entering the material is preferably directed in this direction.

   This is. especially for etatischies, behavior of interest.



  2. The material should be such that it favors the formation of vortex fields as much as possible in one direction, but suppresses it as far as possible in the direction perpendicular to it.

   In this direction, however, because of the suppression of the vortex fields, the conditions are reduced to the static ones, so that in this direction the first requirement must also be met if possible. This second requirement is of particular interest in the area of dynamic fields.



  The material with which the two requirements can be met is one with specific anisotropic properties. For a more detailed explanation the following are first of all. Term formations sent in advance:

       Bezw in an anisotropic material. Essentially, even in a material with anisotropic properties, the material properties are known to be described by a symmetrical tensor. The material equations are:

         a) In an anisotropic dielectric:
EMI0003.0051
    where Z is the displacement vector, e is the electrical field vector and
EMI0003.0054
   mean the (absolute) dielectric material tensor.



  b) In, an anisotropic magnetic material:
EMI0003.0061
    where # 3 is the induction vector,, e is the magnetic field vector and
EMI0003.0067
   the (absolute) magnetic material tensar mean.



       c) In an anisotropic electrical conductor:
EMI0003.0073
    where e is the current density vector, e2 the electrical conductor field strength and
EMI0003.0081
       mean the conductivity tensor ;.



  The material to be discussed requires adle three equations (1) - (3) to describe it. The equations; (3) and in particular (2) are, however, in the foreground when used for magnetic shielding purposes. Of the     :

  Facts that are of greater interest in the following are only clarified using equation (2); for equations (3) and (1) exactly the same applies. An equation of the kind (2)

       is known to be one of the linear vector functions. The symmetric tensor
EMI0003.0111
       is completely determined by the six elements <B> 111, 112, 113, 122, 123 </B> and <B> 133. </B>



  Equation (2) can be represented with the help of desolate, so-called tensor ellipsaids, whose equation is:
EMI0003.0120
    The subscripts 1, 2, 3 relate to any orthagonal goordinant triple. The equation (4)

   can now always be converted to a form by a major axis transformation
EMI0003.0126
    In each point the three main axes of the permeability tensor ellipsovdis coincide with the goardinat triplet and j1,

          121 13 are accordingly referred to as the main permeability coefficients. If equations (1) tmd (3) are to be included at the same time, then the following is briefly from. Tensor ellipsoid and the main ohmic values (not to be confused.

         rides the axial lengths of the ellipsoid). According to the invention "c", a material is characterized by such a structure to achieve high magnetic shielding effects of shielding pots that there is at least two closely spaced sheet-like elements of thickness d,

       how it z. B. is indicated in FIG. 1, which can no longer be further divided into elements of the same type, where the properties of the elements with regard to permeability, dielectricity and electrical conductivity are firstly in the areal extent of the Elements are essentially constant,

   second, are subject to at least one pronounced extreme fluctuation over the thickness d. According to its behavior, such a material is characterized with the help of anisotropy,

      one main axis value of the material sensors resulting from the material properties in the direction transverse to the elements and the other two main values from the material properties in two mutually perpendicular directions in the areal extension of the elements .

   In this sense, the material at hand is specified in such a way that see the material properties of element to repeat element in such a way that the tensor ellipsoids belonging to the material tensors are ellipsoids of revolution whose axes of rotation are perpendicular to the elements.



  For a more detailed explanation, some examples are initially shown on the basis of FIGS. 2 to 4- 1. <I> Example: </I> Let the permeability vary along the length, the areal expansion of the elements essentially constant, and across the element they steady, approximately. corresponding to the period of a trigonometric function, as illustrated in FIG.

   The same then applies to electrical conductivity and dielectricity. So to a certain extent there is a density fluctuation in these material properties.



  <I> z. Example: </I> The element consists of: one permeate. 'Blen and a dielectric layer, as indicated in FIG. 3.

   In the two-dimensional expansion of the elements, the electrical and magnetic properties are essentially constant, across the element they fluctuate strongly or. they jump from the values of layer 1 to the values of layer 2.



  <I> 3. Example ,: </I> The element differs from that of z. For example only in that the dielectric layer is replaced by an n.ic.htpermeable, but dssfor electrically good, conductive layer.



  <I> 4. </I> Example: The element consists of a permeable layer 1, a non-permeable but electrically conductive layer 2 and two thin, electrically poorly conductive layers compared to layers 1 and 2. right 3 and 4. the electrical. Insulate conductive layers 1 and 2 from one another, as shown in FIG. 4 is shown.



  Further examples of materials can be given which differ with regard to the internal structure of the elements or with regard to the arrangement of the elements.

   The only consequence of this is that the size of the tens, orellipsoids in the directions perpendicular to the elements, or, which is of less interest in the present application, in their two-dimensional directions deviate from one another in the desired manner.



  It is furthermore readily clear that the only two-dimensional element that can be addressed is that which cannot be further subdivided into elements. the the. again have the required properties for them. The two-dimensional element is thus the characteristic basic element of the material mentioned, both in terms of its synthesis and its analysis.



  It can also be easily seen that a material (type I), as it is shown by example 4 (Fig. 4) and which is characterized in that the element # ante <B> - </B> is built of at least one permeable, at least one non-permeable,

      electrically conductive layer and at least two non-permeable, electrically poorly conductive layers, the latter isolating the metallic layers from one another, completely fulfilling the two requirements mentioned.

   Because in the directions of the two-dimensional expansions of the elements, the permeability is relatively high, in the directions perpendicular to the elements relatively small. This corresponds to the first requirement. But the second requirement is also met, because in the two-dimensional expansions of the elements,

         The direction of flow transversely to the elements, the eddy current formation is favored, in the directions perpendicular to it, i.e. transversely to the elements, flow in the direction of the two-dimensional expansion of the elements, the eddy current formation is largely suppressed.

   In the case of the last-mentioned flow direction, the conditions are reduced to the static ones, but at the same time the first requirement is met again, especially when the permeable and non-permeable element components are converted into a suitable one from case to case Relationship to each other.

   The material described is of interest to aging. in the dynamic range, especially in the line frequency range, where static and dynamic requirements often have to be taken into account at the same time.



  For a material (type II), which is characterized by the fact that the element is made up of at least one permeable and at least one non-permeable, electrically poorly conducting layer, which, above all, about the second example and partly also touches the first example,

   The same considerations apply in general. There is an essential difference in that in the directions of the two-dimensional expansions of the elements, flow direction perpendicular to it, the formation of eddy currents is not favored because of the relatively poor conductivity. The second requirement is only partially met, so that this material is primarily of interest for static applications.



  For a material (type III), which is characterized by the fact that the element is composed of at least one permeable and at least one non-permeable, electrically conductive slide, what was said for the first-mentioned material also applies in general. The main difference is that in the directions across the elements, flow in the direction of the areal expansion of the elements,

    the eddy current formation largely favors iGt. This deviation from the second requirement limits the use of this material in the dynamic range considerably.



       One. such material can e.g. B. be produced by electrolytic processes by alternately magnetic and non-magnetic layers are deposited. The same can be achieved by steaming, spraying, etc. The materials produced in this way have, inter alia, the disadvantage that they bezw to type II. belong mainly to Type III, which means that their usefulness is correspondingly.

   The material is anisotropic, - per properties, can also be created in such a way that by means of suitable metal sheets, sheets, foils, etc. the individual elements and: Presses are joined together.

   The binder can be used as insulating layers at the same time, with the latter naturally being kept as thin as possible. Or you can hold the metal sheets, sheets, foils, etc. together mechanically, for example by riveting or folding, by z. B. the last layer is consequently beaded and the whole thing zueammengep.resst, or by hinges, partially or completely closing caps.

   Depending on the need for ispanabaching or non-cutting deterioration, depending on the design of the air gap, one or the other mechanical cohesion is suitable for the construction and use of the shielding pots.

   Often it is beneficial what! both regarding. the gluing and pressing process as well as mechanical processes apply if iron sheets are used from the start that are galvanically copper-plated, sprayed with copper or plated with copper. Instead of copper, another highly conductive metal can also be used. The sheets treated in this way can also be given an insulating coating right from the start.

   Finally, welding and soldering should be mentioned as further possible connection methods.



  Another manufacturing option is that powdered layers are consistently pressed together.



  Finally, it is an advantage to subject the finished material, for example, to a permeability treatment by means of thermal treatments.



  The advantage of the materials with anisotropic properties, which are used according to the invention to achieve high shielding effects, lies in the fact that excellent shielding effects are achieved even when using relatively low-permeability, more readily available materials.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH: Material anisotroper Eigenschaften, ,ge- kennzeichnet durch einen derartigen Aufbau zur Erzielung hoher magnetischer Abschirin- wirkungen von Abschirmtöpfen, dass es aus mindestens zwei dicht aufeinanderfolgenden flächenhaften Elementen der Dicke J be steht, die nicht mehr weiter in Elemente gleicher Art aufgeteilt werden können, PATENT CLAIM: Material with anisotropic properties, characterized by such a structure to achieve high magnetic shielding effects of shielding pots that it consists of at least two closely spaced flat elements of thickness J, which can no longer be further divided into elements of the same type , wo bei die Eigenschaften der Elemente bezüg-- li:eh der Permeahilität, der Dielektrizität und der elektrischen Leitfähigkeit :erstens in der flächenhaften Ausdehnung der Elemente im wesentlichen konstant sind, zweitens über die Dicke d mindestens einer ausgeprägten egtre- malen Schwankung unterworfen sind und drittens : where the properties of the elements with respect to permeability, dielectricity and electrical conductivity: firstly, are essentially constant in the areal expansion of the elements, secondly, over the thickness d, are subject to at least one pronounced regional fluctuation, and thirdly : sich von Element zu Element derart wiederholen, dass, dem anisotropen Verhalten entsprechend, die zu den Ma.terialtensaren gehörigen Tensorel:lipsoide Rotationsellipsoide :sind, deren Rotationsachsen senkrecht. zu den Elementen stehen. UNTERANSPRüCHE 1. repeat themselves from element to element in such a way that, corresponding to the anisotropic behavior, the tensorels belonging to the material tensars: lipsoide ellipsoids of rotation: are whose axes of rotation are perpendicular. stand by the elements. SUBCLAIMS 1. Material nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Element sich auf baut aua mindestens einer permeablen und mindestens einer nichtpermeablen, elektrisch gutleitenden und mindestens einer nichtper- meablen,elektrisch schlechtleitenden Schicht. Material according to patent claim, characterized in that the element is based on at least one permeable and at least one non-permeable, electrically good conductive and at least one non-permeable, electrically poorly conductive layer. Material nach Unteranspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass die elektrisch schlechtleitenden Schichten aus einem Isolier material bestehen, im Vergleich zu den übrigen Schichten dünn sind und derart an geordnet sind, dass sie die metallischen Schichten des Elementes und die Elemente gegeneinander isoliert. 3. Material according to dependent claim 1, characterized in that the electrically poorly conductive layers consist of an insulating material, are thin compared to the other layers and are arranged in such a way that they insulate the metallic layers of the element and the elements from one another. 3. Material nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Element sieh auf baut aus mindestens einer permeablen und mindestens einer nichtpermeablen, elektrisch achlechtleitenden Schicht. 4. Material nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Element sich auf baut aus mindestens einer permeablen und mindestens einer nichtpermeablen, elektrisch gutleitenden Schicht. 5. Material nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse. der Tensor- ellipsoide in Richtung quer zu den Elemen ten variiert. Material according to claim, characterized in that the element consists of at least one permeable and at least one non-permeable, electrically poorly conductive layer. 4. Material according to claim, characterized in that the element is based on at least one permeable and at least one non-permeable, electrically conductive layer. 5. Material according to claim, characterized in that the size. the tensor ellipsoid varies in the direction transverse to the elements. 6. Material nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Kupferschicht versehene Eisenbleche Bestandteile des Ele mentes sind. 7. Material nach Unteranspruch 6, :da durch gekennzeichnet, dass die Bleche lackiert sind. B. Material nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen metalli schen Bestandteile des Elementes und die Elemente unter sich durch ein Bindemittel zusammengehalten werden. 6. Material according to patent claim, characterized in that iron sheets provided with a copper layer are components of the element. 7. Material according to dependent claim 6, characterized in that the sheets are painted. B. Material according to claim, characterized in that the individual metallic constituents of the element and the elements are held together by a binder. 9. Material nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet. dass die einzelnen Schichten der Elemente und die Elemente unter sich mechanisch zusammengehalten werden. 10. Material nach Patentanspruch, -da durch gekennzeichnet, dass pulverisierte Schichten folgerichtig zwammengepresst sind. 11. 9. Material according to claim, characterized. that the individual layers of the elements and the elements are mechanically held together. 10. Material according to claim, -da characterized in that pulverized layers are consequently compressed. 11. Material nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass es einer Permeabi- litätsvengütung unterzogen ist. Material according to claim, characterized in that it is subjected to a permeability treatment.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1035710B (en) * 1953-05-12 1958-08-07 Electroacustic Gmbh Layer to exclude the reflection of electromagnetic waves
DE970661C (en) * 1953-03-29 1958-10-16 Werner Genest Ges Fuer Isolier Wave-absorbing wallcovering

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