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摘要：地鐵系統中空心電抗器產生的漏磁場會對周圍環境產生電磁污染，因此防磁板的磁屏蔽作用至關重要。文章建立了空心電抗器的三維有限元模型，對比分析了有無防磁板時空心電抗器產生的漏磁場在車廂內的分布情況，研究了防磁板的材料和尺寸對車廂內不同位置磁場強度的影響。最后對設計的防磁板進行了上車試驗。試驗結果表明，所設計的防磁板滿足車廂內部地板上方30cm處的氣隙磁通密度最大值小于0.8mT的要求。
關鍵詞：地鐵車輛；空心電抗器；漏磁場；磁屏蔽；防磁板；仿真
0引言
地鐵交通由于具有運量大、速度快、班次密、安全舒適、準點率高、全天候、運費低等優點，能夠有效地緩解城市交通壓力[1]。然而，地鐵車輛上空心電抗器的使用導致車輛的電磁環境十分復雜。空心電抗器特有的空心金屬線圈結構導致空心電抗器沒有合理的閉合磁回路，會產生較大的漏磁場[2]。為了抑制車廂內不同高度處的磁場強度，在車廂的地板下方和電抗器的周圍分別安置防磁板，盡可能減小電抗器的電磁干擾[3-4]。針對空心電抗器的磁場屏蔽問題已做了大量研究[5-11]。為了研究防磁板的防磁效果，本文采取三維有限元的方法[12-14]，對安裝有防磁板的空心電抗器進行了三維有限元建模仿真，分析了防磁板的的材料以及尺寸變化時，地鐵車廂內不同高度處磁通密度的分布情況。
1空心電抗器磁屏蔽原理
地鐵車輛的牽引系統主電路如圖1所示。空心電抗器L位于1500V直流電源和逆變器之間，能夠限制電網電壓突變和操作過電壓引起的電流沖擊，有效地保護逆變器并改善逆變器的功率因數，抑制逆變器輸入側的諧波電流。由于空心電抗器位于地鐵牽引系統主電路的直流側，因此空心電抗器產生的磁場屬于低頻磁場。通常采用通量分流的原理來對空心電抗器進行磁場屏蔽，即利用高磁導率材料，提供一條低磁阻磁路，使絕大部分磁通通過低磁阻磁路閉合，減小進入車廂（即被屏蔽區域）的漏磁通，從而達到屏蔽電抗器產生的磁場的目的。地鐵車輛在運營過程中由于IGBT不斷地導通和關斷，會產生多種諧波電流。當低頻電流流經空心電抗器時，空心電抗器產生的低頻磁場理論上可以分解為各種不同頻率的電磁波。利用電磁波在介質中傳播時有能量損耗的特性，在電抗器上方加裝一個屏蔽罩，可以抑制電磁場的干擾，降低環境中的電磁污染，提高車輛運行的安全性。電磁屏蔽的原理：當電磁波到達屏蔽體表面時，由于空氣與金屬交界面上的阻抗是不連續的，對入射的電磁波將產生反射；在屏蔽體內尚未衰減掉的剩余電磁波傳到屏蔽體的另一表面時，遇到金屬與空氣阻抗不連續的交界面，會再次形成反射，并重新返回屏蔽體內（這種反射可能是多次的），這個過程中磁場能量的損耗稱為反射損耗。式中：ZW為電磁波的波阻抗；Zs為屏蔽材料阻抗。從式（1）可知，對于特定的屏蔽材料（Zs一定），被屏蔽的電磁波的波阻抗越高，則反射損耗越大；對于確定的電磁波（ZW一定），屏蔽材料的阻抗越低，則反射損耗越大。屏蔽材料的反射損耗并不是將電磁能量損耗掉，而是將其反射到空間，傳播到其他地方。因此，反射的電磁波有可能對其他電路造成影響。進入屏蔽體的電磁波，在屏蔽體內向前傳播的過程中，電磁波能量將被屏蔽體衰減，也就是所謂的吸收損耗。
2防磁板的磁屏蔽研究與設計
在防磁板的設計時，一方面要保證車廂內地板以上30cm處磁通密度不超過0.8mT；另一方面還要盡量減輕防磁板的重量。本文基于地鐵車輛的空心電抗器，利用ANSYS進行三維有限元建模仿真。
2.1無防磁板時對空心電抗器的仿真
圖4為無防磁板時空心電抗器和車廂的相對位置圖。通過有限元計算，空心電抗器產生的磁場在車廂地板以上30cm處的磁通密度云圖以及磁通密度沿x軸方向的分布如圖5所示。從圖5可知，地板處的磁通密度的最大值達到了19.9mT，地板以上30cm處磁通密度幅值超過了4.6mT，遠大于地板以上30cm處磁通密度小于0.8mT所要求的數值。因此，在空心電抗器上方需要安置防磁板，通過改變磁通路徑，以達到減小車廂內磁通密度的目的。
2.2采用不同材料防磁板的電抗器
為保證防磁板的防磁效果較好且重量較輕，材料的選擇較為重要。為此，分別對材料為Q235,D23-50,DW470-50,1J87的防磁板進行有限元仿真計算。防磁板的具體參數如表2所示。防磁板主要包括水平防磁板和L型側板。L型側板主要用于規范出風口附近的磁路。此外，由于車下設備安裝等原因，L型側板的寬度w2不能與水平防磁板的寬度w1保持一致。防磁板采用不同材料時，地板處的磁通密度最大值以及各種材料質量密度的關系如圖7所示。由仿真結果可知，采用D23-50,DW470-50,1J87等材料時，地板處的磁場強度相比于采用Q235均有所下降，最大下降的幅值分別為16.7%,28.65%,36.2%；D23-50,DW470-50的質量密度相比于Q235均有所下降，下降的幅值分別為0.382%,1.91%，而1J87的質量密度比Q235高出11.46%。雖然采用1J87的磁場屏蔽效果最佳，但是考慮到重量和經濟性等原因，不建議采用。因此質量密度較小和防磁效果較好的DW470-50是較優的選擇。
2.3下層防磁板長度對磁場屏蔽的影響
如圖8所示，通過改變防磁板長度l1和l2，對地板處及地板以上10cm,20cm,30cm,90cm和150cm處的磁通密度進行了仿真計算。保持l2=875mm不變，只改變l1，所得仿真結果如圖9所示。由圖9可知，l2不變時，隨著防磁板長度l1變大，各個位置的磁通密度最大值的變化規律是先減小后增大；在l1=950mm時，為各個位置的磁通密度最大值的最低點；當l1≥1000mm時，各個位置的磁通密度的最大值基本不變。因此，在選取防磁板長度l1時，可以選取950mm附近的尺寸。保持l1=1100mm不變，只改變l2，所得仿真結果如圖10所示。由圖10可知，l1=1100mm不變時，隨著防磁板長度l2變大，各個位置的磁通密度最大值減?。辉趌2=875mm時，磁通密度的最大值最小。因此，在選取防磁板長度l2時，可以選取l2=875mm。
2.4L型側板尺寸對磁場屏蔽的影響
首先，改變L型側板厚度d2，分析地板處及地板以上10cm,20cm,30cm,90cm和150cm處的磁通密度變化。隨著L型側板厚度d2變大，各個位置的磁通密度的最大值減小，并且在d2≥1mm時，各個位置的磁通密度的最大值基本不變。在實際工程中，防磁板的力學強度和制作工藝等問題也需要考慮。因此，L型側板厚度d2與水平防磁板的厚度d1應相同。其次，改變L型側板長度h2，分析地板處及地板以上10cm,20cm,30cm,90cm和150cm處的磁通密度變化。隨著L型側板長度h2變大，各個位置的磁通密度的最大值變化規律是先減小后增大，在h2=120mm時，各個位置的磁通密度的最大值處于最低點；當h2≥120mm時，各個位置的磁通密度的最大值基本不變。因此，當h2≥120mm時，可以根據實際情況進行選擇。
2.5防磁板設計的最終方案
根據以上防磁板屏蔽效果的研究，對如表3所示的防磁板進行三維有限元建模并進行計算，所得的地板處及地板以上30cm處的磁通密度分布如圖13所示。從圖13可以看出，地板處磁通密度的最大值為1.518mT，地板以上30cm處最大磁通密度在0.693mT左右。因此，在空芯電抗器上方安置防磁板可以有效地減小地鐵車廂內磁通密度。為了滿足設計要求以及盡可能地減小防磁板的重量，在水平防磁板的上表面添加了上層防磁板（尺寸為1100mm×1100mm×3mm），如圖14所示。根據防磁板與電抗器的位置關系以及基于表1提供的電抗器仿真設置，可以得出地板上方的磁通密度分布曲線如圖15所示。由圖15可以看出，地板處磁通密度最大值衰減了3mT左右。此外，地板以上30cm的平面域上的最大磁通密度為0.69mT，小于要求的0.8mT。
3試驗結果
為了驗證ANSYS三維有限元仿真設計防磁板的合理性，對地鐵車輛中空心電抗器的磁場屏蔽效果進行了研究性試驗，最大測試電流為600A。可以看出，車廂內部各個高度的最大磁通密度的測試結果與仿真結果相差很小，此設計方案的防磁板結構、尺寸和材料符合電磁兼容的要求。
4結語
本文通過三維有限元法對空心電抗器產生的磁場在地鐵車廂內的分布進行了仿真計算，對在電抗器上方安置防磁板的屏蔽效果進行了分析研究，此外，也對所設計防磁板的磁場屏蔽效果進行了試驗驗證，確認防磁板的存在可以減小地鐵車廂內的磁通密度。另外在設計防磁板時，不僅要考慮防磁效果，而且要考慮防磁板的重量、力學性能強度指標以及制作工藝。
作者:田慶 王勇 呂剛 單位:中車青島四方機車車輛股份有限公司 北京交通大學