屏蔽技術(shù)在電磁感應(yīng)蒸汽發(fā)生器中的應(yīng)用與分析

青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 山東青島 266061

1 研究背景

電磁感應(yīng)蒸汽發(fā)生器主要利用電磁感應(yīng)原理來(lái)對(duì)鍋爐進(jìn)行加熱，具體原理如下：交變電流通過(guò)線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)金屬物體置于交變磁場(chǎng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過(guò)電流在金屬內(nèi)部做功，達(dá)到對(duì)物體加熱的目的。電磁感應(yīng)蒸汽發(fā)生器具有無(wú)污染、熱效率高等傳統(tǒng)鍋爐無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但是電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電磁輻射嚴(yán)重危害人類(lèi)健康，且干擾設(shè)備的正常運(yùn)行。另一方面，電磁感應(yīng)鍋爐在對(duì)鍋爐加熱的同時(shí)對(duì)鍋爐設(shè)備外部的鈑金進(jìn)行加熱，造成了鈑金過(guò)熱和能源浪費(fèi)。針對(duì)這些情況，筆者對(duì)電磁感應(yīng)鍋爐進(jìn)行電磁屏蔽，通過(guò)試驗(yàn)確認(rèn)高導(dǎo)磁性材料、高導(dǎo)電性材料及復(fù)合材料能達(dá)到的屏蔽效果，一方面可以減小電磁輻射的危害，減少電磁輻射對(duì)其它電子設(shè)備的干擾；另一方面可以減少對(duì)金屬內(nèi)膽以外的金屬物品進(jìn)行加熱，進(jìn)一步提高鍋爐的熱效率，增加鈑金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活性。

2 電磁屏蔽基本原理

電磁屏蔽指將導(dǎo)電材料或?qū)Т挪牧系刃枰帘蔚奈矬w封閉在內(nèi)，以阻斷或減少電磁輻射由一個(gè)空間向另一個(gè)空間傳播，達(dá)到電磁隔離或減少電磁輻射的目的。電磁屏蔽主要分三類(lèi)：①電場(chǎng)屏蔽，包括對(duì)靜電場(chǎng)和交變電場(chǎng)的屏蔽；② 磁場(chǎng)屏蔽，包括對(duì)低頻和高頻磁場(chǎng)的屏蔽；③ 電磁場(chǎng)屏蔽，即對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行屏蔽。由謝昆諾夫電磁屏蔽理論可知，屏蔽材料對(duì)屏蔽體的屏蔽主要包括三種方式：①屏蔽材料的表面反射損耗；② 屏蔽材料的內(nèi)部吸收損耗；③ 屏蔽材料的內(nèi)部多次反射損耗［1］。電磁屏蔽原理如圖1所示。

▲圖1 電磁屏蔽原理

電磁屏蔽性能的優(yōu)劣由電磁屏蔽效能SE表示［2］：

式中：A為材料內(nèi)部吸收損耗；R為材料表面反射損耗；B為材料內(nèi)部多次反射損耗。

式中：μr為材料的相對(duì)磁導(dǎo)率；σr為材料的相對(duì)電導(dǎo)率；Zw為入射波在空間的波阻抗；Zm為金屬本征阻抗；t為材料的厚度；f為頻率；δ為趨膚深度。

由式（2）可知，材料內(nèi)部的吸收損耗主要與材料的厚度、頻率、相對(duì)電導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率有關(guān)，當(dāng)材料的厚度和電磁頻率一定時(shí)，材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率越高，材料內(nèi)部的吸收損耗就越大。由式（4）可知，材料內(nèi)部的多次反射損耗與材料的厚度有關(guān)，材料越厚，材料內(nèi)部的多次反射損耗就越大。

3 屏蔽體結(jié)構(gòu)及材料選擇原則

屏蔽體的結(jié)構(gòu)可以選擇多種類(lèi)型，包括板狀、盒狀、筒狀和柱狀等。選擇屏蔽體結(jié)構(gòu)的主要原則是最大限度減小縫隙和避免腔體諧振［3］。

屏蔽體材料的種類(lèi)有很多，理想的屏蔽體材料應(yīng)同時(shí)具備良好的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率。良好的電導(dǎo)率可以阻隔干擾源和耦合器之間的通道，以實(shí)現(xiàn)屏蔽的目的。良好的磁導(dǎo)率可以提供低磁阻的磁通路，使大部分磁通在磁屏蔽體上分路［4］，但實(shí)際上這種材料根本不存在。

對(duì)于電屏蔽而言，通常選擇導(dǎo)電性較好的材料，如鋁等。磁屏蔽則選用導(dǎo)磁性較好的鐵磁性材料，如坡莫合金、鐵硅合金等。電磁屏蔽根據(jù)具體的條件，選擇合適的方法。電磁屏蔽材料的選擇還與干擾源的頻率有關(guān)。低頻時(shí)材料的磁導(dǎo)率往往比較高，吸收耗損比較大，因此通常選擇導(dǎo)磁性較好的鐵磁性材料。高頻時(shí)材料的相對(duì)電導(dǎo)率比較大，反射損耗大，因此通常選擇導(dǎo)電性較好的良導(dǎo)體材料。對(duì)屏蔽效能要求較高的場(chǎng)所，可以采取雙層或多層屏蔽結(jié)構(gòu)，良好的電磁屏蔽材料往往是由較高電導(dǎo)率和較高磁導(dǎo)率組合而成的復(fù)合材料［5］。另一方面，穿過(guò)屏蔽體的電纜對(duì)屏蔽體的屏蔽性能有較大的危害，會(huì)極大影響屏蔽體的屏蔽性能，對(duì)這些電纜進(jìn)行妥善處理是屏蔽設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要內(nèi)容。常用的屏蔽電纜主要有編織型、包容型及混合型［6］等。此外，同時(shí)穿過(guò)屏蔽體的孔最大尺寸、孔深度、孔間距及孔數(shù)量都會(huì)影響屏蔽體的屏蔽效能［7］。

理想狀態(tài)下設(shè)計(jì)一個(gè)屏蔽體，希望這個(gè)屏蔽體具有連續(xù)、完整的結(jié)構(gòu)［8］，沒(méi)有任何縫隙和孔洞等可能降低電磁屏蔽效能的外部因素，顯然這樣的屏蔽體具有很高的屏蔽效能。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了通風(fēng)、散熱及安裝的需要［9-11］，屏蔽體上不可避免地會(huì)存在孔洞、縫隙等結(jié)構(gòu)，這會(huì)導(dǎo)致屏蔽體的屏蔽效能?chē)?yán)重降低。因此，在對(duì)屏蔽體進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須采取合理的措施對(duì)縫隙和孔洞等進(jìn)行處理。

常用材料的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率見(jiàn)表1。

4 屏蔽試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料包括導(dǎo)電性較高的鋁皮、導(dǎo)磁性較高的錳鋅磁條，以及由錳鋅磁條、鋁網(wǎng)、玻璃纖維、環(huán)氧樹(shù)脂組合而成的復(fù)合材料玻璃鋼罩。

4.2 試驗(yàn)儀器和設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為電磁感應(yīng)蒸汽發(fā)生器和接觸式測(cè)溫儀，設(shè)備功率為50 kW，電流為65 A。電磁感應(yīng)蒸汽發(fā)生器主要由鈑金機(jī)架、高壓泵、冷卻循環(huán)泵、電磁感應(yīng)加熱鍋爐等組成，設(shè)備工作時(shí)頻率為10 kHz～13 kHz，鍋爐壓力為0.5 MPa，鍋爐出汽口溫度為165℃。電磁感應(yīng)加熱鍋爐具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

▲圖2 電磁感應(yīng)加熱鍋爐結(jié)構(gòu)

4.3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)主要分五組進(jìn)行。

（1）將設(shè)備開(kāi)機(jī)正常運(yùn)行1 h，用測(cè)溫儀測(cè)試無(wú)任何防護(hù)措施的外部鈑金及各個(gè)設(shè)備處溫度。

（2）將鋁皮包裹在鍋爐的外面，設(shè)備正常運(yùn)行1 h，測(cè)試鈑金及各個(gè)設(shè)備處溫度。

（3）將鋁皮包裹在鍋爐的外面，同時(shí)將鋁皮和設(shè)備接地，設(shè)備正常運(yùn)行1 h，測(cè)試鈑金及各個(gè)設(shè)備處溫度。

（4）將14塊錳鋅磁條組成一列，共20列。每列錳鋅磁條的間距為35 mm，共計(jì)使用280塊錳鋅磁條。將錳鋅磁條粘貼在環(huán)氧板上，將環(huán)氧板包裹在鍋爐的外面，設(shè)備運(yùn)行1 h，測(cè)試外部鈑金及各個(gè)設(shè)備處溫度。

表1 常用材料電導(dǎo)率與磁導(dǎo)率

（5）采用復(fù)合材料玻璃鋼罩，設(shè)備運(yùn)行1 h后測(cè)試鈑金及各個(gè)設(shè)備處溫度。

試驗(yàn)情況如圖3所示。

▲圖3 屏蔽試驗(yàn)情況

4.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

設(shè)備運(yùn)行1 h后，室溫下用接觸式測(cè)溫儀測(cè)得不同材料屏蔽時(shí)電磁感應(yīng)蒸汽發(fā)生器外部鈑金及設(shè)備各部位的溫度，如圖4所示。

由圖4可知，采取防護(hù)措施后，出汽口及補(bǔ)水電機(jī)等設(shè)備處的溫度降低并不明顯，出汽口處溫度在單一屏蔽材料下溫度下降極小，采用復(fù)合材料屏蔽后溫度和無(wú)任何防護(hù)措施相比，溫度下降7℃左右，和單一屏蔽措施相比，溫度差3℃左右。溫差很小，主要是因?yàn)槌銎诤脱a(bǔ)水電機(jī)離電磁感應(yīng)加熱處較遠(yuǎn)，受電磁感應(yīng)切割加熱的影響比較小，溫度變化不大。采用防護(hù)措施后，后門(mén)板右下角、前門(mén)板右下角及液位計(jì)下的溫度下降明顯，其中后門(mén)板右下角和左門(mén)板右下角采用復(fù)合材料屏蔽后，鈑金溫度下降接近15℃，主要是因?yàn)楹箝T(mén)板右下角、前門(mén)板右下角等離電磁感應(yīng)切割較近的地方受電磁切割加熱的影響比較大。溫度下降明顯說(shuō)明電磁切割加熱減小，屏蔽效果明顯。另外從圖4中還可以看出，鋁皮采取接地措施和未采取接地措施相比，溫度相差約3℃，說(shuō)明接地有一定的屏蔽效果。鍋爐和鈑金設(shè)備之間的溫度變化不大，主要是因?yàn)檫@一區(qū)域受鍋爐熱輻射的影響較大，電磁加熱的影響極小。此外還可以確認(rèn)，復(fù)合材料相比單一的高導(dǎo)電性材料或高導(dǎo)磁性材料，具有更明顯的屏蔽效果。

筆者通過(guò)試驗(yàn)得出結(jié)論：導(dǎo)電性較高的鋁皮和導(dǎo)磁性較高的錳鋅磁條對(duì)鈑金及設(shè)備的溫度降低作用很小，設(shè)備接地對(duì)外部設(shè)備溫度的降低有一定作用，復(fù)合材料對(duì)外部設(shè)備溫度的降低有明顯效果。鈑金及外部設(shè)備溫度降低說(shuō)明電磁感應(yīng)對(duì)外部設(shè)備的加熱明顯減小，泄漏到外部的磁力線更多地對(duì)內(nèi)膽爐體做功，電磁加熱的大部分能源被限制在爐體上，確認(rèn)復(fù)合材料對(duì)電磁感應(yīng)蒸汽發(fā)生器具有良好的屏蔽效果。

5 結(jié)論

單一的高導(dǎo)電性材料或高導(dǎo)磁性材料對(duì)電磁感應(yīng)蒸汽發(fā)生器的屏蔽效果并不明顯，屏蔽材料接地和設(shè)備接地對(duì)屏蔽可以起到一定作用。

由良好導(dǎo)電性和導(dǎo)磁性材料組合而成的復(fù)合材料能夠起到很好的屏蔽作用，能有效降低鍋爐外部設(shè)備的溫度。

▲圖4 屏蔽試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)電磁感應(yīng)蒸汽發(fā)生器屏蔽的分析和設(shè)計(jì)，復(fù)合材料屏蔽體能夠有效降低鍋爐外部設(shè)備的溫度，提高電磁感應(yīng)加熱的效率，有利于后續(xù)鈑金設(shè)計(jì)的靈活性。當(dāng)然，所做研究沒(méi)有考慮鍋爐產(chǎn)生的熱輻射對(duì)外部鈑金的影響，之后的研究重點(diǎn)是對(duì)電磁熱進(jìn)行耦合模擬分析，并通過(guò)試驗(yàn)找到更好的方法以降低鈑金溫度。