懸浮電磁鐵對中低速磁懸浮列車電磁干擾研究

　　摘要： 懸浮系統是中低速磁浮列車的核心獨有部件，是研究列車電磁兼容關鍵因素及特征的基礎。基于其懸浮系統的構成和工作原理，本文對懸浮電磁鐵對中低速磁懸浮列車的電磁干擾影響進行研究。采取Ansoft Maxwell 3D仿真軟件對電磁鐵模塊進行電磁仿真計算，并通過試驗對懸浮電磁鐵周圍磁場強度進行采集。研究結果表明，懸浮電磁鐵對車載設備的電磁干擾影響可忽略。

　　關鍵詞： 中低速磁浮列車; 電磁兼容; 懸浮電磁鐵; Maxwell 3D

　　《安全與電磁兼容》(雙月刊)創刊于1989年，由中國電子技術標準化研究所主辦。本刊是中國唯一介紹電子產品安全與電磁兼容有關內容的專業期刊,是集權威性、學術性、實用性和知識性于一體的技術性刊物。

　　1 引言

　　中低速磁浮交通是一種利用電磁力使列車懸浮于軌道之上，并通過直線電機推動列車運行的新型交通方式[1]。電磁懸浮是依靠電磁鐵與軌道之間的電磁吸力來實現懸浮，保證列車無接觸運行。磁浮列車懸浮電磁鐵工作時會產生很強的電磁場，因此研究懸浮電磁鐵對列車的電磁干擾影響是十分重要的。

　　2 懸浮電磁鐵理論模型

　　2.1 磁浮車輛懸浮電磁鐵概述

　　中低速磁浮列車由三節車組成，每節車有5個懸浮架，每個懸浮架具有左右兩個懸浮塊，每個懸浮塊安裝4個電磁鐵[2]。電磁鐵懸浮模型如圖1所示，軌道下面是線圈、鐵芯和電磁鐵磁軛，電磁鐵和導軌之間的氣隙為懸浮氣隙，懸浮軌道和電磁鐵鐵芯的材料均為A3鋼。當繞在 U型電磁鐵上的線圈通電時，將有一穿過懸浮氣隙同時交鏈電磁鐵與軌道的主磁場產生，軌道被主磁場磁化，進而與電磁鐵之間產生很強的電磁吸力，在電磁鐵向上的電磁吸力作用下，列車懸浮于軌道上方[3]。

　　2.2 電磁鐵簡化模型

　　為方便計算，現對電磁鐵模型進行簡化，假設軌道與電磁鐵正對且沒有俯仰運動，不考慮電磁場的波動性，只針對懸浮電磁鐵模塊中單個電磁鐵模型進行理論分析研究。

　　電磁力F與懸浮氣隙磁通密度之間的關系[4-6]如下：

　　其中B為懸浮氣隙磁通密度，i為線圈勵磁電流，N為電磁鐵繞組匝數，S為電磁鐵單側的磁極面積，δ為電磁力F的等效作用點與軌道底面之間的懸浮間隙，μ0為真空磁導率，取值4π×10-7H/m。

　　磁通密度B包括激勵部分Be和軌道感應渦流產生的Bi

　　假定懸浮氣隙磁場磁通密度B的方向與y軸平行，忽略邊緣效應，由于B是連續的，渦流分析是XOZ二維平面二維問題，則B是關于x，z的函數。激勵部分Be在氣隙中為恒定值B0，由麥克斯韋方程組可以得到

　　3 有限元仿真分析

　　電磁鐵和軌道實際上都是采用具有非線性導磁性能的材料，并且列車在行駛過程中，懸浮氣隙之間存在漏磁現象，難以用解析方法求解電磁場的特性。因此本文選擇離散化的有限元分析方法，利用數值法對懸浮電磁鐵三維瞬態場模型[7]進行仿真求解。

　　中低速磁浮列車電磁鐵的結構參數：電磁鐵匝數N取360匝，激勵電流I取35A。利用軟件Maxwell建立懸浮模塊三維模型，如圖2所示，X 軸為電磁鐵的寬度方向(即軌道的橫向)，Y軸為電磁鐵的縱向方向(即軌道的縱向)，Z軸為垂直軌道的方向。通過計算得到的懸浮模塊模型磁場強度云圖，如圖3所示。

　　在圖4所示采樣線1處，畫一根參考線為采樣路徑，采樣線長度為375mm，觀察氣隙磁場強度的變化，得到如圖5所示的氣隙磁密曲線。

　　從圖5中可以看出，電磁鐵與軌道之間的氣隙磁場分布較為均勻，磁場強度在0.8T左右。在整個懸浮模塊的兩端存在著磁場泄露，但在離端部很小的距離內就急劇下降。

　　4 電磁鐵對車體電磁干擾的分析

　　由仿真結果可知，磁場在軌道中部和電磁鐵磁軛處的強度相對較大。在仿真模型的中部，以軌道的上表面(面向車體的表面)為起始位置，沿Z軸正方向取一根長度為300mm的采樣線2;以電磁鐵磁軛的外側面為起始位置，沿X軸負方向取一根長度為300mm的采樣線3;仿真計算磁場強度與電磁鐵距離間的關系。采樣線的位置如圖6所示，磁場強度的采樣結果如圖7所示。

　　由圖7可知，在Z軸正方向0～300mm的范圍內，磁場輻射強度變化很小，約3mT左右。由圖8可知，在X軸負方向0～300mm的范圍內，磁場輻射強度從34mT減小到3mT。

　　為考慮電磁鐵磁場輻射對車體設備的影響，在第二節電磁鐵的中間位置(Y=900mm)取電磁鐵的一個橫截面，并在橫截面上不同區域均勻的選取若干個采樣點，采樣該橫截面的磁場分布。采樣點分布在如圖9所示的3個區域。依照圖中位置依次測量采樣點處的磁場強度，仿真結果經MATLAB處理如圖10、圖11、圖12所示。

　　由圖10、圖11、圖12可知，隨著離電磁鐵距離的增加，磁場強度急劇減小。考慮到車體設備大多數離電磁鐵的距離超過0.5米，依照圖示的變化趨勢，磁場強度很弱，故電磁鐵對車載設備的影響可忽略。

　　5 試驗

　　通過對比測試，檢測在靜態條件以及動態運行時懸浮系統包括電磁鐵對BTM設備工作的影響。靜態測試中，列車開啟懸浮時，在2MHz附近存在一定的干擾(-62dBm左右)，但不影響應答器接收，靜態測試結果符合BTM工作要求。動態測試中，當列車平穩運行以及加速運行時，在應答器工作頻段(2.5MHz～6MHz)內存在-50dBm～-55dBm 的干擾信號，屬于弱干擾信號，可能影響應答器信號接收質量。

　　6 結束語

　　通過對中低速磁浮列車懸浮系統電磁鐵上部(F軌上方)、下部和側面3個區域的仿真分析可知，磁場強度隨著離電磁鐵距離的增加而急劇減小，在離電磁鐵300mm的范圍以外，磁場強度僅為幾mH。因此通過試驗證明列車運行時電磁鐵對車載設備的影響可忽略不計。

　　參考文獻：

　　[1]趙志蘇，尹力明，羅 昆. 磁懸浮列車轉向機構運動分析與設計[J]. 機車電傳動， 2000， (6)：11-13.

　　[2]羅茹丹，吳 峻，李中秀. 中低速磁浮列車懸浮間隙傳感器所處環境空間電磁干擾的研究[J]. 儀表技術與傳感器， 2018， (11)：7-12.

　　[3]羅 芳，張昆侖. 常導磁懸浮車懸浮電磁鐵的電磁場分析[J]. 機車電傳動， 2002， (1)：27-28.

　　[4]彭顯付，葉云岳，林國斌，等. 低速磁浮列車懸浮系統的電磁分析與應用設計[J]. 機電工程， 2006， 23(2)：35-38.

　　[5]龍遐令. 直線感應電動機的理論和電磁設計方法[M]. 北京： 科學出版社， 2006.

　　[6]陳貴榮，劉少克，郝阿明. 中低速磁浮列車用混合電磁鐵設計分析[J]. 都市快軌交通， 2013， 26(3)：73-76.

　　[7]倪鴻雁，劉少克. 磁懸浮列車懸浮電磁鐵電磁場三維有限元分析[J]. 鐵道機車車輛， 2005， 25(5)：40-42.