悬浮电磁铁对中低速磁悬浮列车电磁干扰研究

　　摘要： 悬浮系统是中低速磁浮列车的核心独有部件，是研究列车电磁兼容关键因素及特征的基础。基于其悬浮系统的构成和工作原理，本文对悬浮电磁铁对中低速磁悬浮列车的电磁干扰影响进行研究。采取Ansoft Maxwell 3D仿真软件对电磁铁模块进行电磁仿真计算，并通过试验对悬浮电磁铁周围磁场强度进行采集。研究结果表明，悬浮电磁铁对车载设备的电磁干扰影响可忽略。

　　关键词： 中低速磁浮列车; 电磁兼容; 悬浮电磁铁; Maxwell 3D

　　《安全与电磁兼容》(双月刊)创刊于1989年，由中国电子技术标准化研究所主办。本刊是中国唯一介绍电子产品安全与电磁兼容有关内容的专业期刊,是集权威性、学术性、实用性和知识性于一体的技术性刊物。

　　1 引言

　　中低速磁浮交通是一種利用电磁力使列车悬浮于轨道之上，并通过直线电机推动列车运行的新型交通方式[1]。电磁悬浮是依靠电磁铁与轨道之间的电磁吸力来实现悬浮，保证列车无接触运行。磁浮列车悬浮电磁铁工作时会产生很强的电磁场，因此研究悬浮电磁铁对列车的电磁干扰影响是十分重要的。

　　2 悬浮电磁铁理论模型

　　2.1 磁浮车辆悬浮电磁铁概述

　　中低速磁浮列车由三节车组成，每节车有5个悬浮架，每个悬浮架具有左右两个悬浮块，每个悬浮块安装4个电磁铁[2]。电磁铁悬浮模型如图1所示，轨道下面是线圈、铁芯和电磁铁磁轭，电磁铁和导轨之间的气隙为悬浮气隙，悬浮轨道和电磁铁铁芯的材料均为A3钢。当绕在 U型电磁铁上的线圈通电时，将有一穿过悬浮气隙同时交链电磁铁与轨道的主磁场产生，轨道被主磁场磁化，进而与电磁铁之间产生很强的电磁吸力，在电磁铁向上的电磁吸力作用下，列车悬浮于轨道上方[3]。

　　2.2 电磁铁简化模型

　　为方便计算，现对电磁铁模型进行简化，假设轨道与电磁铁正对且没有俯仰运动，不考虑电磁场的波动性，只针对悬浮电磁铁模块中单个电磁铁模型进行理论分析研究。

　　电磁力F与悬浮气隙磁通密度之间的关系[4-6]如下：

　　其中B为悬浮气隙磁通密度，i为线圈励磁电流，N为电磁铁绕组匝数，S为电磁铁单侧的磁极面积，δ为电磁力F的等效作用点与轨道底面之间的悬浮间隙，μ0为真空磁导率，取值4π×10-7H/m。

　　磁通密度B包括激励部分Be和轨道感应涡流产生的Bi

　　假定悬浮气隙磁场磁通密度B的方向与y轴平行，忽略边缘效应，由于B是连续的，涡流分析是XOZ二维平面二维问题，则B是关于x，z的函数。激励部分Be在气隙中为恒定值B0，由麦克斯韦方程组可以得到

　　3 有限元仿真分析

　　电磁铁和轨道实际上都是采用具有非线性导磁性能的材料，并且列车在行驶过程中，悬浮气隙之间存在漏磁现象，难以用解析方法求解电磁场的特性。因此本文选择离散化的有限元分析方法，利用数值法对悬浮电磁铁三维瞬态场模型[7]进行仿真求解。

　　中低速磁浮列车电磁铁的结构参数：电磁铁匝数N取360匝，激励电流I取35A。利用软件Maxwell建立悬浮模块三维模型，如图2所示，X 轴为电磁铁的宽度方向(即轨道的横向)，Y轴为电磁铁的纵向方向(即轨道的纵向)，Z轴为垂直轨道的方向。通过计算得到的悬浮模块模型磁场强度云图，如图3所示。

　　在图4所示采样线1处，画一根参考线为采样路径，采样线长度为375mm，观察气隙磁场强度的变化，得到如图5所示的气隙磁密曲线。

　　从图5中可以看出，电磁铁与轨道之间的气隙磁场分布较为均匀，磁场强度在0.8T左右。在整个悬浮模块的两端存在着磁场泄露，但在离端部很小的距离内就急剧下降。

　　4 电磁铁对车体电磁干扰的分析

　　由仿真結果可知，磁场在轨道中部和电磁铁磁轭处的强度相对较大。在仿真模型的中部，以轨道的上表面(面向车体的表面)为起始位置，沿Z轴正方向取一根长度为300mm的采样线2;以电磁铁磁轭的外侧面为起始位置，沿X轴负方向取一根长度为300mm的采样线3;仿真计算磁场强度与电磁铁距离间的关系。采样线的位置如图6所示，磁场强度的采样结果如图7所示。

　　由图7可知，在Z轴正方向0～300mm的范围内，磁场辐射强度变化很小，约3mT左右。由图8可知，在X轴负方向0～300mm的范围内，磁场辐射强度从34mT减小到3mT。

　　为考虑电磁铁磁场辐射对车体设备的影响，在第二节电磁铁的中间位置(Y=900mm)取电磁铁的一个横截面，并在横截面上不同区域均匀的选取若干个采样点，采样该横截面的磁场分布。采样点分布在如图9所示的3个区域。依照图中位置依次测量采样点处的磁场强度，仿真结果经MATLAB处理如图10、图11、图12所示。

　　由图10、图11、图12可知，随着离电磁铁距离的增加，磁场强度急剧减小。考虑到车体设备大多数离电磁铁的距离超过0.5米，依照图示的变化趋势，磁场强度很弱，故电磁铁对车载设备的影响可忽略。

　　5 试验

　　通过对比测试，检测在静态条件以及动态运行时悬浮系统包括电磁铁对BTM设备工作的影响。静态测试中，列车开启悬浮时，在2MHz附近存在一定的干扰(-62dBm左右)，但不影响应答器接收，静态测试结果符合BTM工作要求。动态测试中，当列车平稳运行以及加速运行时，在应答器工作频段(2.5MHz～6MHz)内存在-50dBm～-55dBm 的干扰信号，属于弱干扰信号，可能影响应答器信号接收质量。

　　6 结束语

　　通过对中低速磁浮列车悬浮系统电磁铁上部(F轨上方)、下部和侧面3个区域的仿真分析可知，磁场强度随着离电磁铁距离的增加而急剧减小，在离电磁铁300mm的范围以外，磁场强度仅为几mH。因此通过试验证明列车运行时电磁铁对车载设备的影响可忽略不计。

　　参考文献：

　　[1]赵志苏，尹力明，罗 昆. 磁悬浮列车转向机构运动分析与设计[J]. 机车电传动， 2000， (6)：11-13.

　　[2]罗茹丹，吴 峻，李中秀. 中低速磁浮列车悬浮间隙传感器所处环境空间电磁干扰的研究[J]. 仪表技术与传感器， 2018， (11)：7-12.

　　[3]罗 芳，张昆仑. 常导磁悬浮车悬浮电磁铁的电磁场分析[J]. 机车电传动， 2002， (1)：27-28.

　　[4]彭显付，叶云岳，林国斌，等. 低速磁浮列车悬浮系统的电磁分析与应用设计[J]. 机电工程， 2006， 23(2)：35-38.

　　[5]龙遐令. 直线感应电动机的理论和电磁设计方法[M]. 北京： 科学出版社， 2006.

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　　[7]倪鸿雁，刘少克. 磁悬浮列车悬浮电磁铁电磁场三维有限元分析[J]. 铁道机车车辆， 2005， 25(5)：40-42.