Delist.ru

Разработка методов оценки электромагнитных полей на объектах транспорта (18.05.2010)

Автор: Лелюхин Антон Михайлович

Серия измерений 1 2

На рис.5 представлены вариации трех компонент индукции магнитного поля в троллейбусе ЗиУ-682 (верхняя часть) в течение 3 мин. Магнитные датчики расположены за головой водителя в 1,2 м от пола. Динамические спектры мощности вариаций в диапазоне 0…50 Гц представлены в нижней части рисунка. Черно-серая шкала показана справа; черный цвет соответствует 0 дБ (максимальная амплитуда).

Видно, что магнитные поля характеризуются большой сложностью, наличием резких скачков, достигая максимума в Y-компоненте в 100…200 мкТл. Причем скачки наблюдаются в широком диапазоне частот. Однако 90% мощности приходится на частоты менее 10…15 Гц (УНЧ), что видно из шкалы, где амплитуды, обозначенные черным, в 1600 раз больше, чем амплитуды, обозначенные светло-серым цветом.

Рис.5. Магнитное поле за головой водителя

По полученным в двух циклах измерений данным можно сделать следующие выводы.

1. Среднее значение индукции магнитного поля в троллейбусе меньше величины индукции магнитного поля Земли (52 мкТл). Сравнивая величину геомагнитного поля со средним значением МП Вср=18,8±0,8 мкТл, полученным при измерении на задней площадке троллейбуса во время его остановки перед светофором, когда двигатель работал в режиме холостого хода, можно отметить ослабление геомагнитного поля внутри троллейбуса более чем в 3 раза. Тогда как временный допустимый коэффициент ослабления интенсивности геомагнитного поля на рабочих местах персонала в помещениях (объектах, технических средствах) в течение смены не должен превышать 2.

2. Величина индукции магнитного поля в троллейбусе резко меняет свое значение, причем наибольшие поля и их скачки наблюдаются в кабине водителя рядом с его головой. В пассажирском салоне величины индукции магнитного поля и их скачки меньше. Для всех точек измерений основной вклад в спектр вариаций вносит УНЧ-диапазон.

3. Значение индукции МП в кабине не только резко меняется со временем, но и имеет пространственный градиент порядка 100 мкТл/м.

4. Характерно увеличение диапазона колебаний индукции МП при неравномерном движении машины с частыми разгонами и торможениями.

В главе 4 обсуждаются возможные способы снижения скачков магнитной индукции.

Для снижения возможного негативного воздействия вариации индукции МП возможно использование следующих способов:

конструктивные методы;

компенсация;

экранирование.

Линии магнитной индукции прямого тока представляют собой систему концентрических окружностей, охватывающих провод. Если два проводника с токами, текущими в одном направлении расположены рядом, то создаваемое ими внешнее МП усиливается. И наоборот, если токи текут в противоположных направлениях, МП ослабляется (рис.6).

Рис.6. Направление линий магнитной индукции для проводников с током.

Конструктивные методы предполагают на стадии изготовления ТС компоновку кабелей проводки в жгуты с учетом принципа суперпозиции полей.

Компенсация предполагает создание МП с вектором индукции равным по значению и противоположно направленным относительно вариаций МП, создаваемых электрооборудованием троллейбуса. Для этих целей можно использовать, например, катушки индуктивности. Так, для компенсации изменения МП в пределах ± 35 мкТл необходима установка, как минимум, двух дипольных катушек диаметром 240 мм и массой около 6 кг. В условиях ограниченного пространства в кабине водителя троллейбуса это затруднительно. Кроме того, необходимо подключение компенсационного устройства к бортовой сети троллейбуса, которое следует согласовывать с заводом-изготовителем. В связи с возникающими сложностями применение устройства для компенсации вариаций МП в троллейбусе проблематично.

Экранирование как способ снижения амплитуды изменений МП более перспективно. Физический принцип экранирования локального источника МП заключается в замыкании линий магнитной индукции. Таким образом, исключается проникновение МП наружу или внутрь замкнутого объема (рис.7).

Рис.7. Физический принцип экранирования

Электромагнитные экраны - конструкции, предназначенные для снижения электромагнитных полей, создаваемых какими-либо источниками в некоторой области пространства, не содержащей этих источников. Традиционно для защиты от электромагнитных излучений использовались материалы на основе кристаллических сплавов – листовых (сталь) и плитных (пермаллой). Толщина стального листа, обеспечивающего необходимую эффективность экранирования, составляет обычно более 3 мм. Из-за неработоспособности экранов из обычных проводящих материалов при частотах менее 10 кГц необходимо их изготавливать из магнитомягких сплавов. Конструкция швов экрана из стальных листов должна обеспечивать надежный электрический контакт с низким переходным сопротивлением высокочастотным токам по периметру соединяемых деталей экрана. Для обеспечения этого требования соединение листов экрана производится герметичным швом электродуговой сварки в среде защитного газа. Данная технология, например, для оборудования экранированного помещения делает довольно сложным изготовление входов в помещение, вентиляции и вводов коммуникаций. Кроме этого, эффективность экранирования таких материалов значительно снижается вследствие механического воздействия – вибрации и деформации. Например, магнитные свойства пермаллоя марки 79НМ после деформации 10% снижаются почти в 18 раз.

В качестве материалов для электромагнитной защиты объектов транспорта наибольший интерес представляют быстрозакаленные металлические сплавы – аморфные и нанокристаллические. Такие материалы обладают хорошими магнитными, электрическими, прочностными, коррозионными свойствами. Магнитные аморфные сплавы наряду с высокой механической прочностью характеризуются исключительной «мягкостью» магнитных свойств (низкая коэрцитивная сила, высокая магнитная проницаемость) – они могут легко намагничиваться и размагничиваться в слабых полях. В сочетании с высоким электрическим сопротивлением это приводит к низким значениям как магнитных, так и электрических потерь.

Другим требованием, предъявляемым к экрану, является сохранение высоких магнитных свойств при наличии механических напряжений, неизбежно возникающих в материале при создании и эксплуатации защитной конструкции. Аморфные магнитомягкие сплавы полностью удовлетворяют этим требованиям.

В главе 5 описан лабораторный эксперимент по снижению транспортного МП с помощью магнитного экрана из аморфных магнитомягких сплавов на основе железа и кобальта.

Экспериментальные исследования проводились с использованием магнитного экрана на основе сплава Co-Fe-Ni-Si-Cr-B (73% Co), представленного ФГУП ЦНИИ КМ "ПРОМЕТЕЙ". Экран выполнен в виде полос аморфной ленты, помещенных между слоями полимерной основы (рис. 8).

Рис.8. Структура магнитного экрана

Характеристики экрана:

ширина аморфной ленты – 2 см;

толщина аморфной ленты – 20 мкм;

толщина экрана – 80 мкм;

ширина экрана – 50 см;

удельная масса экрана – 250 г/м2.

Начальная магнитная проницаемость экрана составляет ? >20000, коэффициент экранирования в диапазоне частот 50…1000 Гц находится в пределах от 10 до 500. Однако для целей экранирования магнитных полей в транспортных средствах представляет интерес диапазон частот 0,01…1 Гц, так как именно в этом диапазоне концентрируется самая большая мощность полей, генерированных электротранспортом.

В научно-исследовательской лаборатории С-Пб ФИЗМИРАН были проведены исследования снижения смоделированного транспортного МП. Моделировалось типичное для ускорений и торможений электротранспорта поле в виде импульсов прямоугольной формы различной длительности и с амплитудой 50…250 мкТл. Транспортное МП создавалось с помощью колец Гельмгольца. Измерения проводились магнитометром GI-MTS-1.

На рис.9 представлены результаты измерения импульсов МП в Z-компоненте (246870 нТл) внутри трехслойного экрана, толщина каждого слоя 0,1 мм (толщина сплава 25 мкм).

Рис.9. Результаты измерения импульсов МП

В табл. 4 можно видеть подавление МП внутри экрана при импульсах различной амплитуды и продолжительности.

Исследования показали, что транспортное МП в зависимости от его интенсивности снижается, как минимум, вдвое. Причем для наиболее сильных полей снижение составляет 5…10 раз.

По нашему мнению, такого снижения техногенной составляющей МП должно быть достаточно для создания комфортной электромагнитной обстановки в кабине водителя троллейбуса. Кроме того, применение магнитных экранов возможно на машинах, находящихся в эксплуатации, поскольку их установка требует лишь частичной разборки коробов с токоведущими кабелями.

Таблица 4. – Подавление МП внутри экрана

загрузка...