懸浮電磁鐵對(duì)中低速磁懸浮列車電磁干擾研究

　　摘要： 懸浮系統(tǒng)是中低速磁浮列車的核心獨(dú)有部件，是研究列車電磁兼容關(guān)鍵因素及特征的基礎(chǔ)。基于其懸浮系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理，本文對(duì)懸浮電磁鐵對(duì)中低速磁懸浮列車的電磁干擾影響進(jìn)行研究。采取Ansoft Maxwell 3D仿真軟件對(duì)電磁鐵模塊進(jìn)行電磁仿真計(jì)算，并通過試驗(yàn)對(duì)懸浮電磁鐵周圍磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行采集。研究結(jié)果表明，懸浮電磁鐵對(duì)車載設(shè)備的電磁干擾影響可忽略。

　　關(guān)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(chuàng)刊于1989年，由中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究所主辦。本刊是中國唯一介紹電子產(chǎn)品安全與電磁兼容有關(guān)內(nèi)容的專業(yè)期刊,是集權(quán)威性、學(xué)術(shù)性、實(shí)用性和知識(shí)性于一體的技術(shù)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(jī)推動(dòng)列車運(yùn)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(shí)現(xiàn)懸浮，保證列車無接觸運(yùn)行。磁浮列車懸浮電磁鐵工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁場(chǎng)，因此研究懸浮電磁鐵對(duì)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(jié)車組成，每節(jié)車有5個(gè)懸浮架，每個(gè)懸浮架具有左右兩個(gè)懸浮塊，每個(gè)懸浮塊安裝4個(gè)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(dǎo)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(dāng)繞在 U型電磁鐵上的線圈通電時(shí)，將有一穿過懸浮氣隙同時(shí)交鏈電磁鐵與軌道的主磁場(chǎng)產(chǎn)生，軌道被主磁場(chǎng)磁化，進(jìn)而與電磁鐵之間產(chǎn)生很強(qiáng)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(jiǎn)化模型

　　為方便計(jì)算，現(xiàn)對(duì)電磁鐵模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，假設(shè)軌道與電磁鐵正對(duì)且沒有俯仰運(yùn)動(dòng)，不考慮電磁場(chǎng)的波動(dòng)性，只針對(duì)懸浮電磁鐵模塊中單個(gè)電磁鐵模型進(jìn)行理論分析研究。

　　電磁力F與懸浮氣隙磁通密度之間的關(guān)系[4-6]如下：

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

　　磁通密度B包括激勵(lì)部分Be和軌道感應(yīng)渦流產(chǎn)生的Bi

　　假定懸浮氣隙磁場(chǎng)磁通密度B的方向與y軸平行，忽略邊緣效應(yīng)，由于B是連續(xù)的，渦流分析是XOZ二維平面二維問題，則B是關(guān)于x，z的函數(shù)。激勵(lì)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(shí)際上都是采用具有非線性導(dǎo)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(xiàn)象，難以用解析方法求解電磁場(chǎng)的特性。因此本文選擇離散化的有限元分析方法，利用數(shù)值法對(duì)懸浮電磁鐵三維瞬態(tài)場(chǎng)模型[7]進(jìn)行仿真求解。

　　中低速磁浮列車電磁鐵的結(jié)構(gòu)參數(shù)：電磁鐵匝數(shù)N取360匝，激勵(lì)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(jì)算得到的懸浮模塊模型磁場(chǎng)強(qiáng)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(zhǎng)度為375mm，觀察氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)分布較為均勻，磁場(chǎng)強(qiáng)度在0.8T左右。在整個(gè)懸浮模塊的兩端存在著磁場(chǎng)泄露，但在離端部很小的距離內(nèi)就急劇下降。

　　4 電磁鐵對(duì)車體電磁干擾的分析

　　由仿真結(jié)果可知，磁場(chǎng)在軌道中部和電磁鐵磁軛處的強(qiáng)度相對(duì)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(zhǎng)度為300mm的采樣線2;以電磁鐵磁軛的外側(cè)面為起始位置，沿X軸負(fù)方向取一根長(zhǎng)度為300mm的采樣線3;仿真計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度與電磁鐵距離間的關(guān)系。采樣線的位置如圖6所示，磁場(chǎng)強(qiáng)度的采樣結(jié)果如圖7所示。

　　由圖7可知，在Z軸正方向0～300mm的范圍內(nèi)，磁場(chǎng)輻射強(qiáng)度變化很小，約3mT左右。由圖8可知，在X軸負(fù)方向0～300mm的范圍內(nèi)，磁場(chǎng)輻射強(qiáng)度從34mT減小到3mT。

　　為考慮電磁鐵磁場(chǎng)輻射對(duì)車體設(shè)備的影響，在第二節(jié)電磁鐵的中間位置(Y=900mm)取電磁鐵的一個(gè)橫截面，并在橫截面上不同區(qū)域均勻的選取若干個(gè)采樣點(diǎn)，采樣該橫截面的磁場(chǎng)分布。采樣點(diǎn)分布在如圖9所示的3個(gè)區(qū)域。依照?qǐng)D中位置依次測(cè)量采樣點(diǎn)處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，仿真結(jié)果經(jīng)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(chǎng)強(qiáng)度急劇減小。考慮到車體設(shè)備大多數(shù)離電磁鐵的距離超過0.5米，依照?qǐng)D示的變化趨勢(shì)，磁場(chǎng)強(qiáng)度很弱，故電磁鐵對(duì)車載設(shè)備的影響可忽略。

　　5 試驗(yàn)

　　通過對(duì)比測(cè)試，檢測(cè)在靜態(tài)條件以及動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)懸浮系統(tǒng)包括電磁鐵對(duì)BTM設(shè)備工作的影響。靜態(tài)測(cè)試中，列車開啟懸浮時(shí)，在2MHz附近存在一定的干擾(-62dBm左右)，但不影響應(yīng)答器接收，靜態(tài)測(cè)試結(jié)果符合BTM工作要求。動(dòng)態(tài)測(cè)試中，當(dāng)列車平穩(wěn)運(yùn)行以及加速運(yùn)行時(shí)，在應(yīng)答器工作頻段(2.5MHz～6MHz)內(nèi)存在-50dBm～-55dBm 的干擾信號(hào)，屬于弱干擾信號(hào)，可能影響應(yīng)答器信號(hào)接收質(zhì)量。

　　6 結(jié)束語

　　通過對(duì)中低速磁浮列車懸浮系統(tǒng)電磁鐵上部(F軌上方)、下部和側(cè)面3個(gè)區(qū)域的仿真分析可知，磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度僅為幾mH。因此通過試驗(yàn)證明列車運(yùn)行時(shí)電磁鐵對(duì)車載設(shè)備的影響可忽略不計(jì)。

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