电阻在电磁环境下的兼容性

发布于：2006/12/25 9:00:04 | 931 次阅读

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磁场的测量是由一台电容放电脉冲焊机和一台整流焊机来测试的。其磁通密度范围从20uT到700mT。而在日常生活中要面对这样数量级的情况非常少。根据推荐的电流，测量值是否超出界限取决于距离。因此，有必要研究电阻电焊设备在工作环境下对人体任何不利的影响。进一步，我们的目标是在进行电阻焊时将目前的方法转化成具体的信号形式。
　　简介
　　电阻焊需要超过300千安的的大电流，而操作人员将会暴露在这些焊机产生的低频磁场中。以前的研究仅仅涉及到电焊和气体保护弧焊设备产生的磁场。另一方面，在电阻焊领域，研究只针对了室内特定情况下的磁通密度，而没有提到诸如到焊点的距离、设备种类或者电流波形等具体界限条件。对磁场空间分布的研究还没有达到系统化和足够的程度。

　　由于整流器被作为电阻焊的电源匹配装置，其电流不是正弦波，设备开关的时候场梯度非常大。所以要根据计算低频磁场的一般方法来评估是很困难的。这是因为这些方法是被设计来只计算正弦信号的。

　　因此，就有了对电阻点焊机的磁场空间和与时间分布的数字式模拟方式。这样就有可能计算焊机磁场分布了。这个模型不仅仅要考虑次级电流的几何图形，还有电流种类，电流大小也需被考虑在内。这个模型可以被用来轻容易快速的评估安装好的焊机。

　　基本物理原理

　　一个电磁场包括两部分：由两个的不同放电体的势能差产生的电场，以及由电荷电载体以电流的形式运动产生的磁场。磁场大小与产生磁场的电流成比例，与电压大小无关。然而，以往的研究只是针对产生的磁场。由于电阻焊电压相对电感较低，由电子产生的电磁感应可以忽略。

　　磁场可以通过磁通密度（特斯拉，磁通单位T），或者通过磁场强度来描述（A/m）。两者都和电流幅度成比例。他们之间的不同是常量u。

　　材料的导磁率：

　　磁场随时间变化会导致扭曲电场和涡流电（在导体中），例如，人体组织中。交互的电场产生涡流电，而涡流电以类似的形式跟随电场的轨迹。感应的电场与磁通密度时间求导数成比。以下是公式。这是与变位置相关的第二麦斯维尔等式，t代表时间，nA代表A区域的标准矢量。因此，以下的等式可以应用于简单的例子，比如，圆形半径为r和区域面积为A，那么通过的磁通密度就为B。因而电场和导体线圈中电流与时间相关的变化成比例。

　　人体的涡流密度是由电场和人体组织导电率决定的。涡流电流密度从身体中为零的中心点开始的增加，与到中心的距离成正比。图1展示的就是人体内的感应电场。如果电场沿身体轴线垂直地穿过（图1A），其穿过面积大概比电场平行穿过身体轴线的情况下大两倍（图1A）。感应的涡流电流密度也因此比上个情况下高两倍。而其他现实中的情况，诸如人体内电子传导率的不均匀性在图1的简化展示中并没有被考虑到。诸如神经、血液和其他体液等良导体的电流密度要比身体其他部位（皮肤、脂肪、或者骨骼）要大得多。（表1）人体组织内传导率不同，其带有各向异性，所以感应电场和涡流电流也被扭曲变形了。不仅因为这个原因，还因为人体的复杂几何形态，要以解析的方式计算人体的磁场分布几乎是不可能的。

　　被证实的低频磁场的短期影响

　　光幻觉——光幻觉造成对当时可再生感知临界值的影响。磁式光幻觉是光学亮度感知，不是由入射的光线造成的，而是由外部有效磁场造成的。光幻觉产生在从5到100赫兹的频率范围。最小的模拟阈值大约在20赫兹，并且磁通密度高于几千分之一特斯拉。

　　对外部神经和肌肉的影响——低频电磁场会刺激诸如神经和肌肉细胞的人体组织。例如，兴奋的神经和肌肉细胞隔膜的离子传导性，取决于隔膜电势。隔膜电势的增加（外部刺激），由于钠离子，首先导致细胞隔膜导电率升高。离子游离在细胞内部，进一步增加了隔膜电势。如果超过了一定临界值（电势临界值），就会产生反应电势。在神经系统中，电激发是双向的。在肌肉这一环，先是提升，延迟过后收缩。如果没超过临界值，对其的刺激就不会传递。（所谓的要么全有要么全无原则）

　　刺激神经的决定性变量是细胞周围纤维空间（细胞外空间）的电压梯度变化，这可能由于以下的原因：神经电场空间变化，导致纤维弯曲，运动神经或者传感神经末梢死亡；要刺激一个直径为20um的髓鞘质细胞（例如部分的被绝缘层包裹），需要的感应电场最小临界值是6.2V/M。如果导电率为0.2S/m,相应的感应涡流密度就为1.24A/m2。

　　磁场的数字计算

　　由于磁通测量设备很大程度上取决于制造商和客户要求，所以磁通密度的度量学计算很困难，所以，出现了一种数学方法，来计算电阻点焊设备的磁场分布。

　　程序

　　使用CAD程序，我们把电流载荷的次级回路的几何图形以实体的形式表现出来了。在有限元算法（FEM）的帮助下，次级回路的麦斯维尔方程被解决了，焊机运行中产生的磁场也被建立了。

　　由于目前能解决麦斯维尔方程的程序只能单独处理低频的范围，因此只可能模拟正弦波磁场，焊机产生的信号必须按光谱比例分解。因为在启动焊机时释放的能量，正弦电流周期长度加上4倍焊接电流的上升时间被用来模拟。因此模拟信号的1/4波也符合启动时的上升电流。在这个计划的下一步，仍需评估出其他范围的频率，并将其整合到模拟中。

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