CN111031775A - 一种新型多层带绕形低噪声坡莫合金磁屏蔽桶结构 - Google Patents

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Abstract

一种新型多层带绕形低噪声坡莫合金磁屏蔽桶结构，通过将表面具有绝缘层的坡莫合金带材绕制成至少两层的带绕形磁屏蔽桶主体结构，能够使得屏蔽桶的径向导电厚度不连续而阻止涡流传递，从而降低涡流损耗及其约翰逊电流噪声，同时径向导磁厚度仍然保持连续而不会增加磁滞损耗及其导致的噪声，有利于满足高屏蔽系数、低磁场噪声的应用需求。

Description

一种新型多层带绕形低噪声坡莫合金磁屏蔽桶结构
技术领域
本发明涉及磁屏蔽技术，特别是一种新型多层带绕形低噪声坡莫合金磁屏蔽桶结构，通过将表面具有绝缘层的坡莫合金带材绕制成至少两层的带绕形磁屏蔽桶主体结构，能够使得屏蔽桶的径向导电厚度不连续而阻止涡流传递，从而降低涡流损耗及其约翰逊电流噪声，同时径向导磁厚度仍然保持连续而不会增加磁滞损耗及其导致的噪声，有利于满足高屏蔽系数、低磁场噪声的应用需求。
背景技术
不受地磁场(30000-60000nT，nT为磁场强度单位，纳特或纳特斯拉)和环境磁场干扰的稳定磁场环境是形成SERF机制(Spin Exchange Relaxation Free，无自旋交换碰撞弛豫)从而实现超高灵敏磁场和惯性测量的关键，通常采用高磁导率的屏蔽材料做成磁屏蔽桶来隔离环境磁场的干扰。但是铁磁材料的磁滞损耗和涡流损耗会导致热磁化噪声和约翰逊电流噪声，从而制约磁场和惯性测量装置的灵敏度。坡莫合金具有超高的磁导率，利用其制成的屏蔽桶可实现对环境磁场的有效隔离。一般的坡莫合金磁屏蔽桶将厚的坡莫合金带材卷曲一圈成圆柱形并将多个磁屏蔽桶同轴装配来达到更高的屏蔽效果，但其电阻率较低且尺寸较厚，会导致较大的约翰逊电流噪声。传统的坡莫合金屏蔽桶的结构磁场噪声大，不能满足超高灵敏磁场和惯性测量的需求，需要设计新型高屏蔽系数低噪声磁屏蔽桶来解决上述问题。本发明人认为，如果通过将表面具有绝缘层的坡莫合金带材绕制成至少两层的带绕形磁屏蔽桶主体结构，则能够使得屏蔽桶的径向导电厚度不连续而阻止涡流传递，从而降低涡流损耗，同时径向导磁厚度仍然保持连续而不会增加磁滞损耗及其导致的噪声，有利于满足高屏蔽系数、低磁场噪声的应用需求。有鉴于此，本发明人完成了本发明。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种新型多层带绕形低噪声坡莫合金磁屏蔽桶结构，通过将表面具有绝缘层的坡莫合金带材绕制成至少两层的带绕形磁屏蔽桶主体结构，能够使得屏蔽桶的径向导电厚度不连续而阻止涡流传递，从而降低涡流损耗及其约翰逊电流噪声，同时径向导磁厚度仍然保持连续而不会增加磁滞损耗及其导致的噪声，有利于满足高屏蔽系数、低磁场噪声的应用需求。
本发明的技术方案如下：
一种带绕形磁屏蔽桶主体结构，包括环形桶壁，其特征在于，所述环形桶壁具有至少两层坡莫合金带材绕制层，所述坡莫合金带材的表面具有绝缘层。
所述绝缘层使得所述环形桶壁的径向导电厚度不连续而阻止涡流传递，从而降低涡流损耗及其约翰逊电流噪声，同时径向导磁厚度仍然保持连续而不会增加磁滞损耗及其导致的噪声。
所述坡莫合金带材绕制层从内到外为坡莫合金绕制第一层至坡莫合金绕制第五层，五层坡莫合金带材绕制层为连续绕制。
所述绝缘层为绝缘漆喷涂层，所述绝缘漆喷涂层的厚度为所述坡莫合金带材厚度的1/3～1/5。
所述环形桶壁包括外固定层和内固定层，所述坡莫合金带材绕制层被夹持在所述外固定层和内固定层之间。
所述外固定层和内固定层均采用聚四氟乙烯材料。
所述外固定层的外周面和所述内固定层的内周面均设置有消磁线。
所述消磁线具有螺线管结构。
所述环形桶壁的上部开口设置有上盖，所述环形桶壁的下部开口设置有下盖，所述上盖的中心和所述下盖的中心均设置有通光孔，所述上盖的边部和所述下盖的边部均设置有消磁线定位连接装置。
一种新型多层带绕形低噪声坡莫合金磁屏蔽桶结构，其特征在于，包括上述的带绕形磁屏蔽桶主体结构。
本发明的技术效果如下：本发明一种新型多层带绕形低噪声坡莫合金磁屏蔽桶结构，通过将坡莫合金带材进行卷曲环绕多层做成圆柱桶形，制作成磁屏蔽桶，能够满足高屏蔽系数、低磁场噪声的应用需求。本发明克服现有半径方向厚度连续的坡莫合金磁屏蔽桶约翰逊电流噪声大、制作加工困难和坡莫合金-铁氧体复合磁屏蔽桶应用范围小的问题。本发明利用在坡莫合金带材上喷涂绝缘漆，形成绝缘层，并将其卷曲多层成型制作径向半径不连续的坡莫合金磁屏蔽桶，降低了约翰逊电流造成的涡流损耗，从而在不损失屏蔽系数的前提下降低了磁场噪声。为了防止卷曲的坡莫合金桶变形，在内外层增加聚四氟乙烯材料制成的屏蔽桶外层固定层和屏蔽桶内层固定层。坡莫合金磁屏蔽桶长期放置在地磁场环境下，会被地磁场极化，降低屏蔽效果，在屏蔽桶上绕制消磁线，利用交流退磁法对屏蔽桶进行消磁。
本发明与现有技术相比：常规的高屏蔽系数坡莫合金磁屏蔽桶磁场噪声大，本发明通过将坡莫合金带材进行卷曲环绕多层做成圆柱桶形，并进行层与层之间的绝缘，制作成磁屏蔽桶，满足高屏蔽系数、低磁场噪声的应用需求。本发明更利于加工和节省材料。
附图说明
图1是实施本发明的带绕形磁屏蔽桶主体结构示意图。
图2是包含图1中带绕形磁屏蔽桶主体结构的一种新型多层带绕形低噪声坡莫合金磁屏蔽桶示意图。
附图标记列示如下：1-上盖；2-外固定层(可以采用塑料，例如聚四氟乙烯材料等)；3-内固定层(可以采用塑料，例如聚四氟乙烯材料等)；4-下盖；5-坡莫合金带材绕制层；6-绝缘层(可以在卷绕前将绝缘漆喷涂在坡莫合金表面而形成，坡莫合金为带材)；7-消磁线(可以采用螺线管结构)；A-坡莫合金绕制第一层；B-坡莫合金绕制第二层；C-坡莫合金绕制第三层；D-坡莫合金绕制第四层；E-坡莫合金绕制第五层。
具体实施方式
下面结合附图(图1-图2)对本发明进行说明。
图1是实施本发明的带绕形磁屏蔽桶主体结构示意图。图2是包含图1中带绕形磁屏蔽桶主体结构的一种新型多层带绕形低噪声坡莫合金磁屏蔽桶示意图。参考图1至图2所示，一种带绕形磁屏蔽桶主体结构，包括环形桶壁，所述环形桶壁具有至少两层坡莫合金带材绕制层5，所述坡莫合金带材的表面具有绝缘层6。所述绝缘层6使得所述环形桶壁的径向导电厚度不连续而阻止涡流传递，从而降低涡流损耗及其约翰逊电流噪声，同时径向导磁厚度仍然保持连续而不会增加磁滞损耗及其导致的噪声。所述坡莫合金带材绕制层5从内到外为坡莫合金绕制第一层A至坡莫合金绕制第五层E(中间包括第二层B、第三层C、第四层D)，五层坡莫合金带材绕制层为连续绕制。所述绝缘层6为绝缘漆喷涂层，所述绝缘漆喷涂层的厚度为所述坡莫合金带材厚度的1/3～1/5。所述环形桶壁包括外固定层3和内固定层2，所述坡莫合金带材绕制层5被夹持在所述外固定层3和内固定层2之间。所述外固定层3和内固定层2均采用聚四氟乙烯材料。所述外固定层2的外周面和所述内固定层3的内周面均设置有消磁线7。所述消磁线7具有螺线管结构。所述环形桶壁的上部开口设置有上盖1，所述环形桶壁的下部开口设置有下盖4，所述上盖1的中心和所述下盖4的中心均设置有通光孔，所述上盖1的边部和所述下盖4的边部均设置有消磁线定位连接装置。
一种新型多层带绕形低噪声坡莫合金磁屏蔽桶结构，包括上述的带绕形磁屏蔽桶主体结构。
一种新型多层带绕形低噪声坡莫合金磁屏蔽桶结构，包括屏蔽桶的上盖1，屏蔽桶的外固定层2，屏蔽桶的内固定层3，屏蔽桶的下盖4，带绕形磁屏蔽桶主体即坡莫合金带材绕制层5，绝缘层6，消磁线7。所述的带绕形坡莫合金桶主体为坡莫合金带材，坡莫合金带材厚度选取与实际应用需求有关，若最终屏蔽桶的总厚度超过2mm，建议选取0.5mm左右带材，将其卷曲四圈以上，若最终屏蔽桶的总厚度低于2mm，建议选取0.25mm左右带材。所述绝缘层6在坡莫合金卷曲前将绝缘漆均匀喷涂在坡莫合金带材上，喷涂厚度小于带材的1/4厚度，用来使坡莫合金卷层间互相绝缘，防止感应涡流的连续，降低由于约翰逊电流导致的约翰逊电流噪声。所述屏蔽桶的外固定层2和屏蔽桶的内固定层3为无磁的聚四氟乙烯材料，该材料有优良的温度、绝缘特性和极好的机械特性，用于固定卷曲后的坡莫合金桶，防止其变形。所述消磁线7螺线管式紧密缠绕在内外固定层的内外壁上，消磁匝数取决于磁屏蔽桶的直径。利用交流退磁法对带绕形磁屏蔽桶进行消磁，满足在最大电流时线圈产生的磁感应强度远大于磁屏蔽桶饱和磁化强度即可。
从图1和图2可见，本发明一种带绕形低噪声坡莫合金磁屏蔽桶结构，包括屏蔽桶的上盖1，屏蔽桶的外固定层2，屏蔽桶的内固定层3，屏蔽桶的下盖4，带绕形磁屏蔽桶主体即坡莫合金带材绕制层5，绝缘层6，消磁线7。起屏蔽作用的主体包括带绕型磁屏蔽桶主体、屏蔽桶的上盖1和屏蔽桶的下盖4。当激光需要在径向照射到屏蔽桶内部时，可在带绕型磁屏蔽桶主体上径向开通光孔，通光孔的大小大于激光的光斑直径。屏蔽桶的上盖1中心留有通光孔、侧面有豁口，豁口用于走消磁线7。屏蔽桶的下盖4中心留有通光孔，中心孔旁边侧孔走消磁线7。屏蔽效果可用屏蔽系数进行评估，假设屏蔽区某点在不加屏蔽时的磁感应强度为B0，加上屏蔽后的磁场强度为B1，则有屏蔽系数：
Figure BDA0002340312540000041
对于所设计的圆柱形磁屏蔽，径向和轴向的屏蔽系数的常用计算公式分别为：
Figure BDA0002340312540000051
Figure BDA0002340312540000052
其中，ST为径向屏蔽系数，SL为轴向屏蔽系数，μr是相对磁导率，r1是磁屏蔽桶外半径，r2是磁屏蔽桶内半径，L为屏蔽桶总长度，N为退磁因子：
Figure BDA0002340312540000053
利用该种方法制作的屏蔽桶，不会降低屏蔽系数，屏蔽效果与同样厚度的单层坡莫合金相同均可以用上述公式计算。材料中的主要磁噪声类型是由于传导电子的热能和作用于畴结构的自旋波作用而产生的热噪声，该噪声是限制磁强计灵敏度的主要噪声。按照广义奈奎斯特关系，耗散材料内某点的磁场噪声可由该点的功率损失计算。激励线圈产生的磁场作用到屏蔽体导致的磁滞损耗和涡流损耗
Figure BDA0002340312540000054
对于坡莫合金这种金属材料涡流损耗占主导地位，由涡流损耗导致的无限长圆柱屏蔽桶的磁噪声表达式为：
Figure BDA0002340312540000055
其中，P(f)为损耗大小，A为驱动线圈面积，I为驱动电流大小，r为平均半径，k为玻尔兹曼常数，T为温度，σ为电导率，ω＝2πf是小线圈的驱动角频率，C(μ)为系数，当μ>>1时，为0.7。计算涡流损耗导致的磁场噪声时，厚度为带材的厚度而不是屏蔽桶总的厚度，这是因为在带材卷曲之前，使用了绝缘材料喷涂在带材的表面使得带绕型屏蔽桶的层与层之间彼此绝缘，导致屏蔽桶的径向厚度不连续从而阻止涡流的传递，降低了涡流损耗的产生。而在计算磁滞损耗导致的噪声时，厚度则为带材的厚度乘以卷曲层数，这是因为绝缘材料只是阻止电流的流通而不能阻止磁场，磁场在整个径向厚度上连续。
坡莫合金磁屏蔽桶长期放置在地磁场环境下，会被地磁场极化，降低屏蔽效果，因此需在屏蔽桶上绕制消磁线7，利用交流退磁法对屏蔽桶进行消磁。消磁电流满足在最大电流时线圈产生的磁感应强度远大于磁屏蔽桶饱和磁化强度即可。为了防止卷曲的坡莫合金桶变形，在内外层增加聚四氟乙烯材料制成的屏蔽桶外层固定层2和屏蔽桶外层固定层3，该材料有优良的温度、绝缘特性和极好的机械特性。
本发明属于一种新型多层带绕形低噪声坡莫合金磁屏蔽桶结构，是一种尤其适用于超高灵敏磁场和惯性测量装置及其小型化集成应用的高屏蔽系数和低噪声磁屏蔽桶结构。通过将坡莫合金带材卷曲成多层圆柱体，制作成磁屏蔽桶。坡莫合金带材在卷曲前喷涂绝缘材料，使卷曲后每一层彼此绝缘。由于在径向方向上电流不连续，从而降低了涡流损耗带来的磁噪声。绝缘材料对磁场没有阻碍作用，所以不影响屏蔽效果。带绕型结构的坡莫合金磁屏蔽桶加工工艺简单，节省材料成本的同时又不影响屏蔽效果，降低了磁噪声，解决了传统的坡莫合金磁屏蔽桶所带来的磁噪声大的缺点。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (10)

1.一种带绕形磁屏蔽桶主体结构，包括环形桶壁，其特征在于，所述环形桶壁具有至少两层坡莫合金带材绕制层，所述坡莫合金带材的表面具有绝缘层。
2.根据权利要求1所述的带绕形磁屏蔽桶主体结构，其特征在于，所述绝缘层使得所述环形桶壁的径向导电厚度不连续而阻止涡流传递，从而降低涡流损耗及其约翰逊电流噪声，同时径向导磁厚度仍然保持连续而不会增加磁滞损耗及其导致的噪声。
3.根据权利要求1所述的带绕形磁屏蔽桶主体结构，其特征在于，所述坡莫合金带材绕制层从内到外为坡莫合金绕制第一层至坡莫合金绕制第五层，五层坡莫合金带材绕制层为连续绕制。
4.根据权利要求1所述的带绕形磁屏蔽桶主体结构，其特征在于，所述绝缘层为绝缘漆喷涂层，所述绝缘漆喷涂层的厚度为所述坡莫合金带材厚度的1/3～1/5。
5.根据权利要求1所述的带绕形磁屏蔽桶主体结构，其特征在于，所述环形桶壁包括外固定层和内固定层，所述坡莫合金带材绕制层被夹持在所述外固定层和内固定层之间。
6.根据权利要求5所述的带绕形磁屏蔽桶主体结构，其特征在于，所述外固定层和内固定层均采用聚四氟乙烯材料。
7.根据权利要求5所述的带绕形磁屏蔽桶主体结构，其特征在于，所述外固定层的外周面和所述内固定层的内周面均设置有消磁线。
8.根据权利要求7所述的带绕形磁屏蔽桶主体结构，其特征在于，所述消磁线具有螺线管结构。
9.根据权利要求1所述的带绕形磁屏蔽桶主体结构，其特征在于，所述环形桶壁的上部开口设置有上盖，所述环形桶壁的下部开口设置有下盖，所述上盖的中心和所述下盖的中心均设置有通光孔，所述上盖的边部和所述下盖的边部均设置有消磁线定位连接装置。
10.一种新型多层带绕形低噪声坡莫合金磁屏蔽桶结构，其特征在于，包括如权利要求1-9之一所述的带绕形磁屏蔽桶主体结构。
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