Auslegung von Abschirmungen - Versionsgeschichte

Nmrt am 13. November 2018 um 10:11 Uhr

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Nmrt am 13. November 2018 um 10:09 Uhr

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Nmrt: /* Einfluss von Öffnungen */

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‎Einfluss von Öffnungen

Nmrt: /* Frequenzeinfluss */

2018-08-08T14:49:07Z

‎Frequenzeinfluss

Nmrt: /* Frequenzeinfluss */

2018-08-08T14:48:46Z

‎Frequenzeinfluss

Nmrt am 28. Juli 2018 um 11:10 Uhr

2018-07-28T11:10:56Z

Nmrt am 28. Juli 2018 um 11:10 Uhr

2018-07-28T11:10:19Z

Nmrt: /* Berechnung mittels FEM (Finite-Elemente-Methode) */

2018-07-12T19:01:44Z

‎Berechnung mittels FEM (Finite-Elemente-Methode)

Nmrt: /* Die theoretischen Ansätze zur Berechnung von Schirmfaktoren */

2018-07-12T19:00:36Z

‎Die theoretischen Ansätze zur Berechnung von Schirmfaktoren

Nmrt: /* Frequenzeinfluss */

2018-07-11T11:50:00Z

‎Frequenzeinfluss

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 Diese Abweichungen werden z. B. durch die unzureichende Berücksichtigung mechanischer Toleranzen der Abschirmung oder räumlicher Schwankungen der magnetischen Materialeigenschaften nach der magnetischen Schlussglühung hervorgerufen. Dies gilt insbesondere bei sehr großen Abschirmungen. Auch verschiedene mechanische Bearbeitungsverfahren können zu Unterschieden in der Wirksamkeit einer Abschirmung führen.
-[[File:011_gemessener_und_simulierter_axialer_magnetfeldverlauf.jpg|frame|Abbildung 7 zeigt den Vergleich des experimentell bestimmten und des mittels FEM berechneten axialen Feldverlaufs für einen MUMETALL®-Zylinder, der an beiden Seiten jeweils durch einen Deckel mit Stülprand verschlossen ist. Während bei Vergleichsmessungen ohne Deckel die FEM-Ergebnisse nahezu identisch mit den Messwerten sind (hier nicht dargestellt), erkennt man deutlich, dass der Einfluss der Deckelöffnung (bei x = 150 mm) in der Messung wesentlich stärker ist als es die Simulation erwarten lässt. So ist die gemessene Restfeldamplitude Bx in der Nähe der Öffnung etwa doppelt so groß wie in der Simulation]]
+[[File:011_gemessener_und_simulierter_axialer_magnetfeldverlauf.jpg|frame|left|Abbildung 7 zeigt den Vergleich des experimentell bestimmten und des mittels FEM berechneten axialen Feldverlaufs für einen MUMETALL®-Zylinder, der an beiden Seiten jeweils durch einen Deckel mit Stülprand verschlossen ist. Während bei Vergleichsmessungen ohne Deckel die FEM-Ergebnisse nahezu identisch mit den Messwerten sind (hier nicht dargestellt), erkennt man deutlich, dass der Einfluss der Deckelöffnung (bei x = 150 mm) in der Messung wesentlich stärker ist als es die Simulation erwarten lässt. So ist die gemessene Restfeldamplitude Bx in der Nähe der Öffnung etwa doppelt so groß wie in der Simulation]]
 {{Sekels}}

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	[[File:011_gemessener_und_simulierter_axialer_magnetfeldverlauf.jpg\|frame\|Abbildung 7 zeigt den Vergleich des experimentell bestimmten und des mittels FEM berechneten axialen Feldverlaufs für einen MUMETALL®-Zylinder, der an beiden Seiten jeweils durch einen Deckel mit Stülprand verschlossen ist. Während bei Vergleichsmessungen ohne Deckel die FEM-Ergebnisse nahezu identisch mit den Messwerten sind (hier nicht dargestellt), erkennt man deutlich, dass der Einfluss der Deckelöffnung (bei x = 150 mm) in der Messung wesentlich stärker ist als es die Simulation erwarten lässt. So ist die gemessene Restfeldamplitude Bx in der Nähe der Öffnung etwa doppelt so groß wie in der Simulation]]		[[File:011_gemessener_und_simulierter_axialer_magnetfeldverlauf.jpg\|frame\|Abbildung 7 zeigt den Vergleich des experimentell bestimmten und des mittels FEM berechneten axialen Feldverlaufs für einen MUMETALL®-Zylinder, der an beiden Seiten jeweils durch einen Deckel mit Stülprand verschlossen ist. Während bei Vergleichsmessungen ohne Deckel die FEM-Ergebnisse nahezu identisch mit den Messwerten sind (hier nicht dargestellt), erkennt man deutlich, dass der Einfluss der Deckelöffnung (bei x = 150 mm) in der Messung wesentlich stärker ist als es die Simulation erwarten lässt. So ist die gemessene Restfeldamplitude Bx in der Nähe der Öffnung etwa doppelt so groß wie in der Simulation]]
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		+	{{Sekels}}

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 [[Datei:003_auswirkungen_von_spalten.jpg|frame|Abb. 3: Auswirkung von Spalten in einem MUMETALL®-Abschirmkasten auf die Feldstärke im Inneren. Die äußere Störquelle sitzt im nicht abgebildeten Bereich links. Rot = hohe Feldstärke, blau = niedrige Feldstärke.]]
-Einen qualitativen Eindruck der Auswirkungen von Spalten in Abschirmungen vermittelt Abb. 3. Hohe Feldstärken sind rot dargestellt, schwächere Felder werden (absteigend) durch die Farben Gelb, Grün und Blau angezeigt. Für die zugrunde liegenden Simulationen nach der Finite-Elemente-Methode (FEM) wurden zwei Spalte mit den Breiten von 10 mm (links oben) und 1 mm (links unten) in einem [[MUMETALL®]]-Kasten angenommen. Auch noch in einiger Entfernung von den Spalten im Inneren der Abschirmung ist das Restmagnetfeld merklich
+Einen qualitativen Eindruck der Auswirkungen von Spalten in Abschirmungen vermittelt Abb. 3. Hohe Feldstärken sind rot dargestellt, schwächere Felder werden (absteigend) durch die Farben Gelb, Grün und Blau angezeigt. Für die zugrunde liegenden Simulationen nach der Finite-Elemente-Methode (FEM) wurden zwei Spalte mit den Breiten von 10 mm (links oben) und 1 mm (links unten) in einem MUMETALL®-Kasten angenommen. Auch noch in einiger Entfernung von den Spalten im Inneren der Abschirmung ist das Restmagnetfeld merklich
 höher als bei einer geschlossenen Abschirmung.

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 </poem>
-Wirksam wird dieser Effekt, wenn die Eindringtiefe kleiner oder gleich der halben Wanddicke ist. Für [[MUMETALL®]] in 1 mm Wandstärke und einer Anfangspermeabilität von 25.000 beginnt dies bei ca. 20 Hz.
+Wirksam wird dieser Effekt, wenn die Eindringtiefe kleiner oder gleich der halben Wanddicke ist. Für [[Weichmagnetische Legierungen#MUMETALL.C2.AE|MUMETALL®]] in 1 mm Wandstärke und einer Anfangspermeabilität von 25.000 beginnt dies bei ca. 20 Hz.
 Die technischen Frequenzen 16 2/3 Hz und 50/60 Hz liegen im Übergangsbereich von magnetischen und elektrischen Wirkmechanismen. Oft ist eine rein elektrische Schirmung bei diesen niedrigen Frequenzen nicht ausreichend. Bei magnetischen (auch elektrisch leitfähigen) Schirmungen überlagern sich beide Effekte. Die Feldverdrängung durch Wirbelströme setzt bei dicken Wandstärken schon relativ früh ein und reduziert den für eine Flussumleitung zur Verfügung stehenden Querschnitt im Blech. Dem wirkt eine (mit der Frequenz) zunehmende Wirbelstromabschirmung entgegen, sodass bei hinreichend geschlossener Geometrie der Gesamtabschirmfaktor schon bei niedrigen Frequenzen höher ist im Vergleich zum statischen Abschirmfaktor.

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 Die technischen Frequenzen 16 2/3 Hz und 50/60 Hz liegen im Übergangsbereich von magnetischen und elektrischen Wirkmechanismen. Oft ist eine rein elektrische Schirmung bei diesen niedrigen Frequenzen nicht ausreichend. Bei magnetischen (auch elektrisch leitfähigen) Schirmungen überlagern sich beide Effekte. Die Feldverdrängung durch Wirbelströme setzt bei dicken Wandstärken schon relativ früh ein und reduziert den für eine Flussumleitung zur Verfügung stehenden Querschnitt im Blech. Dem wirkt eine (mit der Frequenz) zunehmende Wirbelstromabschirmung entgegen, sodass bei hinreichend geschlossener Geometrie der Gesamtabschirmfaktor schon bei niedrigen Frequenzen höher ist im Vergleich zum statischen Abschirmfaktor.
-Diese Wechselwirkungen hängen sehr stark von der Geometrie und dem eingesetzten Material ab. Das generelle Verhalten ist in Abb. 6 an einem (einfachen) langen Zylinder aus [[MUMETALL®]] mit einer relativen Permeabilität von 25.000, einer Wanddicke von 0,5 mm, und einem Durchmesser von 100 mm im Querfeld dargestellt.
+Diese Wechselwirkungen hängen sehr stark von der Geometrie und dem eingesetzten Material ab. Das generelle Verhalten ist in Abb. 6 an einem (einfachen) langen Zylinder aus [[Weichmagnetische Legierungen#MUMETALL.C2.AE|MUMETALL®]] mit einer relativen Permeabilität von 25.000, einer Wanddicke von 0,5 mm, und einem Durchmesser von 100 mm im Querfeld dargestellt.
 [[Datei:010_eindringtiefe.jpg|frame|Abb. 6: Eindringtiefe in Mumetall mit μ_r = 25.000 und Blechdicke 1 mm als Funktion der

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−	Einfache Abschirmungen können durch standardisierte oder standardnahe Produkte realisiert werden. Für erste Experimente eignen sich insbesondere [[Folien]] aus den Materialien [[Weichmagnetische_Legierungen#VITROVAC.C2.AE_6025_X\|VITROVAC® 6025 X]] und [[Weichmagnetische Legierungen#MUMETALL.C2.AE\|MUMETALL®]]. In der Regel wird jedoch der Fertigung einer Abschirmung eine Planungs- und Konstruktionsphase vorausgehen.	+	Einfache Abschirmungen können durch standardisierte oder standardnahe Produkte realisiert werden. Für erste Experimente eignen sich insbesondere [[Abschirmfolien\|Folien]] aus den Materialien [[Weichmagnetische_Legierungen#VITROVAC.C2.AE_6025_X\|VITROVAC® 6025 X]] und [[Weichmagnetische Legierungen#MUMETALL.C2.AE\|MUMETALL®]]. In der Regel wird jedoch der Fertigung einer Abschirmung eine Planungs- und Konstruktionsphase vorausgehen.

	Unterschiedliche Probleme erfordern unterschiedliche Lösungen – dies gilt auch für magnetische Abschirmungen. Zu den entscheidenden Kriterien für die geeignete Abschirmlösung zählen unter anderem:		Unterschiedliche Probleme erfordern unterschiedliche Lösungen – dies gilt auch für magnetische Abschirmungen. Zu den entscheidenden Kriterien für die geeignete Abschirmlösung zählen unter anderem:

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	Diese Abweichungen werden z. B. durch die unzureichende Berücksichtigung mechanischer Toleranzen der Abschirmung oder räumlicher Schwankungen der magnetischen Materialeigenschaften nach der magnetischen Schlussglühung hervorgerufen. Dies gilt insbesondere bei sehr großen Abschirmungen. Auch verschiedene mechanische Bearbeitungsverfahren können zu Unterschieden in der Wirksamkeit einer Abschirmung führen.		Diese Abweichungen werden z. B. durch die unzureichende Berücksichtigung mechanischer Toleranzen der Abschirmung oder räumlicher Schwankungen der magnetischen Materialeigenschaften nach der magnetischen Schlussglühung hervorgerufen. Dies gilt insbesondere bei sehr großen Abschirmungen. Auch verschiedene mechanische Bearbeitungsverfahren können zu Unterschieden in der Wirksamkeit einer Abschirmung führen.

−	Abbildung 7 zeigt den Vergleich des experimentell bestimmten und des mittels FEM berechneten axialen Feldverlaufs für einen MUMETALL®-Zylinder, der an beiden Seiten jeweils durch einen Deckel mit Stülprand verschlossen ist. Während bei Vergleichsmessungen ohne Deckel die FEM-Ergebnisse nahezu identisch mit den Messwerten sind (hier nicht dargestellt), erkennt man deutlich, dass der Einfluss der Deckelöffnung (bei x = 150 mm) in der Messung wesentlich stärker ist als es die Simulation erwarten lässt. So ist die gemessene Restfeldamplitude Bx in der Nähe der Öffnung etwa doppelt so groß wie in der Simulation.	+	[[File:011_gemessener_und_simulierter_axialer_magnetfeldverlauf.jpg\|frame\|Abbildung 7 zeigt den Vergleich des experimentell bestimmten und des mittels FEM berechneten axialen Feldverlaufs für einen MUMETALL®-Zylinder, der an beiden Seiten jeweils durch einen Deckel mit Stülprand verschlossen ist. Während bei Vergleichsmessungen ohne Deckel die FEM-Ergebnisse nahezu identisch mit den Messwerten sind (hier nicht dargestellt), erkennt man deutlich, dass der Einfluss der Deckelöffnung (bei x = 150 mm) in der Messung wesentlich stärker ist als es die Simulation erwarten lässt. So ist die gemessene Restfeldamplitude Bx in der Nähe der Öffnung etwa doppelt so groß wie in der Simulation]]

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	Frequenz. Nach rechts ist der Abschirmfaktor eines langen Zylinders aus diesem Blech mit Durchmesser 100 mm im Querfeld aufgetragen. Der Abschirmfaktor setzt sich aus „magnetischen“ und „elektrischen“ Anteilen zusammen.		Frequenz. Nach rechts ist der Abschirmfaktor eines langen Zylinders aus diesem Blech mit Durchmesser 100 mm im Querfeld aufgetragen. Der Abschirmfaktor setzt sich aus „magnetischen“ und „elektrischen“ Anteilen zusammen.
	]]		]]
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		+	===Berechnung mittels FEM (Finite-Elemente-Methode)===
		+
		+	2D-FEM-Programme ermöglichen nicht nur sehr schnell erste Abschätzungen, sondern führen auch in Verbindung mit analytisch/empirischen Rechenprogrammen zu praxistauglichen Lösungsansätzen. Bei komplexeren Problemstellungen können 3D-Programme eingesetzt werden, die allerdings einen deutlich erhöhten Rechenaufwand und hohe Investitionskosten in Software erfordern. Außerdem können die Ergebnisse stark von der Definition bestimmter, teils programmspezifischer Randbedingungen abhängen, deren richtige Wahl nicht immer eindeutig aus der konkreten Problemstellung ersichtlich ist. Daher kann auch nach erfolgreicher FEM-Simulation nicht immer davon ausgegangen werden, dass das gefundene Ergebnis der Realität entspricht.
		+
		+	Leider sind kleine Details oftmals die kritischen Stellen. Reale Abschirmungen weisen in ihrer Wirksamkeit gerade hier oft starke Abweichungen vom Simulationsergebnis auf.
		+
		+	Diese Abweichungen werden z. B. durch die unzureichende Berücksichtigung mechanischer Toleranzen der Abschirmung oder räumlicher Schwankungen der magnetischen Materialeigenschaften nach der magnetischen Schlussglühung hervorgerufen. Dies gilt insbesondere bei sehr großen Abschirmungen. Auch verschiedene mechanische Bearbeitungsverfahren können zu Unterschieden in der Wirksamkeit einer Abschirmung führen.
		+
		+	Abbildung 7 zeigt den Vergleich des experimentell bestimmten und des mittels FEM berechneten axialen Feldverlaufs für einen MUMETALL®-Zylinder, der an beiden Seiten jeweils durch einen Deckel mit Stülprand verschlossen ist. Während bei Vergleichsmessungen ohne Deckel die FEM-Ergebnisse nahezu identisch mit den Messwerten sind (hier nicht dargestellt), erkennt man deutlich, dass der Einfluss der Deckelöffnung (bei x = 150 mm) in der Messung wesentlich stärker ist als es die Simulation erwarten lässt. So ist die gemessene Restfeldamplitude Bx in der Nähe der Öffnung etwa doppelt so groß wie in der Simulation.

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	Diese Wechselwirkungen hängen sehr stark von der Geometrie und dem eingesetzten Material ab. Das generelle Verhalten ist in Abb. 6 an einem (einfachen) langen Zylinder aus [[MUMETALL®]] mit einer relativen Permeabilität von 25.000, einer Wanddicke von 0,5 mm, und einem Durchmesser von 100 mm im Querfeld dargestellt.		Diese Wechselwirkungen hängen sehr stark von der Geometrie und dem eingesetzten Material ab. Das generelle Verhalten ist in Abb. 6 an einem (einfachen) langen Zylinder aus [[MUMETALL®]] mit einer relativen Permeabilität von 25.000, einer Wanddicke von 0,5 mm, und einem Durchmesser von 100 mm im Querfeld dargestellt.
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		+	[[Datei:010_eindringtiefe.jpg\|frame\|Abb. 6: Eindringtiefe in Mumetall mit μ_r = 25.000 und Blechdicke 1 mm als Funktion der
		+	Frequenz. Nach rechts ist der Abschirmfaktor eines langen Zylinders aus diesem Blech mit Durchmesser 100 mm im Querfeld aufgetragen. Der Abschirmfaktor setzt sich aus „magnetischen“ und „elektrischen“ Anteilen zusammen.
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