渦電流による遮蔽効果
渦電流による遮蔽効果の理論基礎
渦電流遮蔽の原理
先生、アルミ筐体で磁界を遮蔽できる仕組みは？
非磁性導体（アルミ、銅）の遮蔽は渦電流による反磁界で実現する。高透磁率材料（パーマロイ）の磁束迂回とは原理が異なる。
遮蔽効果（平板）：
$t$: 板厚、$\delta$: 表皮深さ。周波数が高いほど$\delta$が小さくなりSEが向上。
低周波では遮蔽が効かないということですか？
その通り。50 Hzの磁界に対して1 mm厚のアルミ板の$\delta \approx 12$ mm → SE ≈ 1 dB。ほぼ遮蔽効果なし。低周波磁界には高透磁率材料が必要。
まとめ
ファラデーケージの「完全性」——遮蔽理論と現実のギャップ
理論的には完全に閉じた導体容器（ファラデーケージ）は内部の電磁界をゼロにできるが、現実のシールドには穴・スリット・接合部があり必ず漏洩が生じる。渦電流による遮蔽効果はシールド材の導電率・透磁率・厚さと周波数の積で決まり、銅1mm厚で1MHzなら理論的に100dB以上の遮蔽効果が得られる。この理論値と実測値のギャップを埋めるのが、実際の開口部や縫い目の影響をモデル化した渦電流FEM解析の役割だ。
渦電流による遮蔽効果の数値計算手法
FEMでの遮蔽解析
シールド筐体の遮蔽効果をFEMでどう評価しますか？
周波数領域の渦電流解析で、シールドあり/なしの磁束密度比からSEを算出。注意点：
- シールド板厚が$\delta$より薄い場合、厚み方向に最低3層のメッシュが必要
- 開口部（スリット、穴）からの漏洩が支配的になることが多い
- 接合部のコンタクトインピーダンスがSEを大幅に低下させる
開口部の影響はどう評価しますか？
開口部の最大寸法$l$に対して、$l < \lambda/20$なら遮蔽効果への影響は軽微（$\lambda$: 波長）。低周波磁界では開口部からの渦電流迂回が問題。3D解析で開口部をモデル化する必要がある。
まとめ
遮蔽効果の数値計算——伝達行列法とFEMの使い分け
電磁シールドの遮蔽効果（SE）計算には、多層平板を想定した伝達行列法（TMM）と有限要素法（FEM）の二つのアプローチがある。TMMは均一平板では解析的に素早く計算でき概算設計に有効だが、穴や縫い目のある現実的なシールドには適用できない。FEMは複雑形状を正確にモデル化できる一方、計算コストが高いため、「TMMで材料・厚さの初期設計→FEMで形状・開口部の詳細評価」という段階的アプローチが実務で定番だ。
渦電流による遮蔽効果の実務適用
実務での設計
電子機器筐体のEMCシールド、電力機器の漏洩磁界対策、MRI室のRFシールドが代表的。
実務チェックリスト
PCBの電磁シールド設計——渦電流解析で見えてくる「スリットの罠」
プリント基板の金属シールドケースに、配線を通すためのスリットを入れた途端に遮蔽効果が20〜30dB低下するというトラブルは頻繁に起きる。スリット長が波長の1/2に近づくと開口アンテナとして機能し電磁波を積極的に放射してしまうためで、「スリットは短く、向きは電流の流れに平行に」が実務の鉄則だ。渦電流FEMでスリット周辺の電流分布を可視化することで、この「見えない漏洩経路」を設計段階で発見できる。
渦電流による遮蔽効果のソフトウェア比較
ツール
| ツール | 特徴 |
|---|---|
| CST Studio Suite | 3D EMCシミュレーション。開口部からの漏洩解析 |
| Ansys HFSS | 高周波シールド。SEの周波数特性 |
| COMSOL AC/DC | 低周波〜高周波の広帯域。マルチフィジックス |
| JMAG | 低周波磁気シールド。渦電流+高$\mu_r$材料 |
EMCシールド解析ツール——CST Studioと近傍界解析の組み合わせ
電磁シールドの遮蔽効果解析ではCST Studio SuiteのFDTD法が広く使われており、時間領域で広帯域の遮蔽特性を一度に計算できる。複雑な形状のシールドケース全体の近傍界マッピングと遮蔽効果を同時に評価できる点が強みだ。日本のEMCコンサルタント会社では「ANSYS HFSSで共振解析→CSTで広帯域SE評価」というツール併用が標準化されており、規格準拠（CISPR、VCCI等）の認証取得支援に活用されている。
渦電流による遮蔽効果の先端研究
先端技術
メタマテリアルシールド——負の透磁率で電磁波を「追い返す」
従来の導体シールドは薄くすると低周波の遮蔽効果が急激に低下するが、メタマテリアル構造（人工的に設計した周期構造体）を使えば特定周波数帯で負の透磁率を実現し、波が侵入できない「バンドギャップ」を作り出せる。MRI装置の漏洩磁界対策への応用研究が進んでおり、従来シールドと比較して60Hz付近で10dB以上の改善が報告されている。この材料の電磁特性をFEMで正確にモデル化するには均質化理論が必要で、渦電流解析の最先端の一つだ。
渦電流による遮蔽効果のトラブル対応
トラブル
「シールドを追加したのに悪化した」——共振現象によるシールド効果の逆転
シールドを追加したら電磁干渉が増大したというトラブルが稀に起きる。原因はシールドと基板の間に形成されたキャビティ（空洞）の共振で、特定周波数で電界が増強されるホットスポットが発生するためだ。このキャビティ共振はシールドの寸法が波長の1/2の整数倍になるときに顕在化し、設計段階でFEMの固有値解析を行ってシールド内部の共振周波数を確認することが予防策になる。
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