DE4205102A1

DE4205102A1 - Verbundwerkstoff fuer elektromagnetische abschirmungen

Info

Publication number: DE4205102A1
Application number: DE4205102A
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr Ing Weyand
Original assignee: Individual
Current assignee: WEYAND, KURT, DR.-ING., 31234 EDEMISSEN, DE
Priority date: 1992-02-20
Filing date: 1992-02-20
Publication date: 1993-08-26

Description

Anwendungsgebiet: Die Erfindung betrifft alle Bereiche der Nachrichtentechnik, der Meßtechnik und des physikalischen oder elektrischen Gerätebaus, wo das gesamte Gerät oder einzelne Baugruppen aus Gründen der Störsicherheit oder zur Erzielung bestimmter physikalischer Voraussetzungen gegen magnetische Gleich- oder Wechselfelder abgeschirmt werden müssen.

Stand der Technik: Abschirmbehälter zur Reduzierung magnetischer Gleich- oder nieder frequenter Wechselfelder mit Frequenzen unter f = 1 kHz werden heutzutage aus hochperme ablen Nickel-Eisen Legierungen oder in speziellen Fällen aus Reineisen hergestellt.

Sind sehr hohe Abschirmfaktoren S_ABS=20 log B_a/B_i erforderlich -B_a/B₁ ist der Quotient aus den Werten der magnetischen Flußdichte innerhalb und außerhalb des Schirms -, so werden aus Gründen der Material- und damit der Gewichtsersparnis Mehrfachabschirmungen verwendet. Dabei kommt dem Abstand der einzelnen Schalen erhebliche Bedeutung zu: bei genügend großem Abstand ergibt sich der Schirmfaktor der gesamten Anordnung durch Multiplikation der einzelnen Schirmfaktoren. Zur Abschirmung von Wechselfeldern mit Frequenzen f < 1 kHz wird vielfach eine Schale aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit (Cu oder Al) in die gesamte Schirmanordnung integriert. Die eingangs genannten hochpermeablen Werkstoffe reagieren empfindlich auf mechanische Verformung. Nach einer mechanischen Bearbeitung müssen sie, um ihre ursprünglich guten weichmagnetischen Eigenschaften wiederzuerlangen, in einer Wasserstoff-Schutzgasatmosphäre spannungsfrei geglüht werden, danach dürfen sie unter keinen Umständen mechanisch belastet werden.

Seit einigen Jahren werden neben den o.a. Werkstoffen amorphe Legierungen, sog. metallische Gläser, auf der Basis von Eisen, Nickel und Kobalt hergestellt, die neben hohen Permeabilitäts werten auch eine sehr geringe Magnetostriktion aufweisen. Sie sind daher weitgehend un empfindlich gegen Verformung und können ohne anschließende Wärmebehandlung mechanisch bearbeitet werden. Bedingt durch das Herstellungsverfahren können diese Werkstoffe allerdings nur als dünne Folien (Stärke < 30 µm, Breite 50 mm) gefertigt werden, sie sind deshalb vornehmlich für flexible Kabelabschirmungen geeignet.

Problemstellung: Gewünscht wird ein Werkstoff zum Bau von Abschirmbehältern für magne tische Gleichfelder und Wechselfelder mit Frequenzen bis zu einigen 10 kHz. Der Werkstoff soll eine mechanische Bearbeitung zulassen ohne Beeinträchtigung seiner magnetischen Eigen schaften und ohne eine abschließende Wärmebehandlung zu erfordern.

Aufbau des Verbundwerkstoffs: Unter Verwendung von Klebetechniken, wie sie zur Herstellung von metallischen und faserhaltigen Schichtwerkstoffen in der Luft und Raumfahrt üblich sind, wurde auf der Basis von Aluminium und handelsüblichen weichmagnetischen amorphen Legie rungen (WAM) (2) ein Verbundwerkstoff entwickelt, der die gestellten Forderungen erfüllt. Dazu wurden nach (1) mehrlagige Schichtstrukturen berechnet, die einen optimalen Kompromiß hinsichtlich Ausnutzung des WAM, Anzahl der erforderlichen Klebschichten und erzielbaren Schirmfaktoren gewährleisten. Bild 1 zeigt den Aufbau solcher Strukturen im Schnitt durch ein Rohr und durch eine Platte. Auf eine Grundplatte bzw. einen Rohrkern aus Aluminium werden abwechselnd Schichten aus WAM und Aluminium aufgebracht und mit einem Kleber auf Epoxidharzbasis miteinander verbunden. Dabei besteht jede WAM-Schicht wiederum aus sechs Folienlagen mit einer Stärke von 25 µm, die bei der Platte kreuzweise und beim Rohr unter einem Winkel - von Lage zu Lage umspringend - von ± 5° zur Achsrichtung verlegt wurden; mit etwa der gleichen Winkeleinstellung wurden auch die Zwischenlagen aus Aluminiumstreifen auf das Rohr gewickelt, um Stöße auf einer Mantellinie zu vermeiden. Zum Bau von zylinderförmi gen Schirmbehältern wurden Rohre und Platten mit Schichtstärken wie folgt angefertigt

D_K = 160 mm und D_K = 200 mm
d_Gr = 2 mm
d_Al = 0,8 mm
d_WAM = 6 * 25 µm + Klebstoffilme ≈ 0,5-1,0 mm
d_De = 1,0 mm

Beim Zusammenbau eines Schirmbehälters ist darauf zu achten, daß die einzelnen magnetischen Schichten von Endplatten und Rohr möglichst nahtlos ineinander übergehen, so daß man eine rundum geschlossene Schichtstruktur erhält, andernfalls wird sich ein gegenüber dem theoretisch möglichen Schirmfaktor deutlich niedrigerer Wert ergeben. Es ist deshalb wichtig, sowohl das Platten- als auch das Rohrmaterial als möglichst gleich starke Schichten aufzubauen.

In dieser Hinsicht bessere Ergebnisse sind zu erwarten, wenn für künftige Versuchsmuster anstelle des oben beschriebenen Aufbaus zunächst aus kreuzweise verlegten WAM-Folien Matten angefertigt und für die Zwischenlagen Aluminium-Gewebe verwendet werden. Dann existieren in allen Schichten Freiräume, die beim Pressen des Verbundwerkstoffs überschüssigen Klebstoff aufnehmen können, so daß insgesamt dünnere und gleichmäßigere Klebstoffilme er zielt werden.

Ergebnisse: Der Schirmfaktor wurde an einem zylindrischen Behälter mit D_K = 200 mm und einer Länge L = 200 mm gemessen, und zwar im Gleichfeld und in Wechselfeldern mit Frequen zen f 10 kHz längs und senkrecht zur Zylinderachse. Im Gleichfeld beträgt der Schirmfaktor S_Abs 65 dB, ein Wert, der recht gut mit dem für diese Schichtstruktur berechneten Wert von 70 dB übereinstimmt. Die Abweichung wird sehr wahrscheinlich durch nicht überlappende Schichten an den Verbindungsstellen von Endplatten und Rohr verursacht. Siehe dazu Bild 2: ∎ Feld parallel zur Zylinderachse, ○ Feld senkrecht zur Zylinderachse, ∆ zum Vergleich Ab schirmfaktor eines Aluminiumzylinders mit 10 mm Wandstärke.

Vorteile des Verbundwerkstoffs

1) Hohe Abschirmfaktoren in Gleich- und Wechselfeldern.
2) Durch Variation von Anzahl, Stärke sowie Abstände der magnetischen Schichten sind die magnetischen Eigenschaften nahezu beliebig modifizierbar.
3) Der Verbundwerkstoff läßt sich ohne Beeinträchtigung seiner magnetischen Eigen schaften spanabhebend bearbeiten. Unter Verwendung von titanbeschichteten Werkzeu gen ist Drehen und Fräsen quer zur Schichtrichtung sowie Bohren und Gewindeschnei den längs und quer zur Schichtrichtung problemlos möglich.
4) Da eine mechanische Beanspruchung der Schirmbehälter keinen Einfluß auf ihre magnetischen Eigenschaften hat, können die Behälter konstruktiv als tragende Bauteile eingeplant werden.

(1) Wadey,W.G.: "Magnetic Shielding with Multiple Cylindrical Shells", Rev. Sci. Instr. 27, 11, 1956, p.910
(2) Firmenschrift FS-M9: "Magnetische Abschirmungen", Vacuumschmelze GMBH, Ha nau, 1988.

Claims

1. Ein Verbundwerkstoff zum Bau von Abschirmbehältern für elektromagnetische Felder, dadurch gekennzeichnet, daß aus amorphen metallischen Legierungen in Form von Folien, Pulver oder Geweben und aus Materialien mit hoher elektrischer Leitfähigkeit in Form von Folien, Bändern oder Geweben Schichtstrukturen mittels Kleben oder anderer Verbindungstechniken hergestellt werden.

2. Abwandlung des Werkstoffs nach Anspruch 1, zum Bau von Schirmbehältern für magnetische Gleich- und niederfrequente Wechselfelder, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle metallischer Materialien solche auf der Basis von Zellulose oder Kunststoffen - insbesondere faserhaltiger - zum Aufbau der Zwischenlagen verwendet werden.

3. Abwandlung der Werkstoffe nach Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle amorpher metallischer Legierungen mechanisch verformbare, kristalline Metalle oder Legierungen in Form von Folien, Pulver oder Geweben zum Aufbau der magnetisch leitfähigen Schichten verwendet werden.