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摘要：地铁系统中空心电抗器产生的漏磁场会对周围环境产生电磁污染，因此防磁板的磁屏蔽作用至关重要。文章建立了空心电抗器的三维有限元模型，对比分析了有无防磁板时空心电抗器产生的漏磁场在车厢内的分布情况，研究了防磁板的材料和尺寸对车厢内不同位置磁场强度的影响。最后对设计的防磁板进行了上车试验。试验结果表明，所设计的防磁板满足车厢内部地板上方30cm处的气隙磁通密度最大值小于0.8mT的要求。
关键词：地铁车辆；空心电抗器；漏磁场；磁屏蔽；防磁板；仿真
0引言
地铁交通由于具有运量大、速度快、班次密、安全舒适、准点率高、全天候、运费低等优点，能够有效地缓解城市交通压力[1]。然而，地铁车辆上空心电抗器的使用导致车辆的电磁环境十分复杂。空心电抗器特有的空心金属线圈结构导致空心电抗器没有合理的闭合磁回路，会产生较大的漏磁场[2]。为了抑制车厢内不同高度处的磁场强度，在车厢的地板下方和电抗器的周围分别安置防磁板，尽可能减小电抗器的电磁干扰[3-4]。针对空心电抗器的磁场屏蔽问题已做了大量研究[5-11]。为了研究防磁板的防磁效果，本文采取三维有限元的方法[12-14]，对安装有防磁板的空心电抗器进行了三维有限元建模仿真，分析了防磁板的的材料以及尺寸变化时，地铁车厢内不同高度处磁通密度的分布情况。
1空心电抗器磁屏蔽原理
地铁车辆的牵引系统主电路如图1所示。空心电抗器L位于1500V直流电源和逆变器之间，能够限制电网电压突变和操作过电压引起的电流冲击，有效地保护逆变器并改善逆变器的功率因数，抑制逆变器输入侧的谐波电流。由于空心电抗器位于地铁牵引系统主电路的直流侧，因此空心电抗器产生的磁场属于低频磁场。通常采用通量分流的原理来对空心电抗器进行磁场屏蔽，即利用高磁导率材料，提供一条低磁阻磁路，使绝大部分磁通通过低磁阻磁路闭合，减小进入车厢（即被屏蔽区域）的漏磁通，从而达到屏蔽电抗器产生的磁场的目的。地铁车辆在运营过程中由于IGBT不断地导通和关断，会产生多种谐波电流。当低频电流流经空心电抗器时，空心电抗器产生的低频磁场理论上可以分解为各种不同频率的电磁波。利用电磁波在介质中传播时有能量损耗的特性，在电抗器上方加装一个屏蔽罩，可以抑制电磁场的干扰，降低环境中的电磁污染，提高车辆运行的安全性。电磁屏蔽的原理：当电磁波到达屏蔽体表面时，由于空气与金属交界面上的阻抗是不连续的，对入射的电磁波将产生反射；在屏蔽体内尚未衰减掉的剩余电磁波传到屏蔽体的另一表面时，遇到金属与空气阻抗不连续的交界面，会再次形成反射，并重新返回屏蔽体内（这种反射可能是多次的），这个过程中磁场能量的损耗称为反射损耗。式中：ZW为电磁波的波阻抗；Zs为屏蔽材料阻抗。从式（1）可知，对于特定的屏蔽材料（Zs一定），被屏蔽的电磁波的波阻抗越高，则反射损耗越大；对于确定的电磁波（ZW一定），屏蔽材料的阻抗越低，则反射损耗越大。屏蔽材料的反射损耗并不是将电磁能量损耗掉，而是将其反射到空间，传播到其他地方。因此，反射的电磁波有可能对其他电路造成影响。进入屏蔽体的电磁波，在屏蔽体内向前传播的过程中，电磁波能量将被屏蔽体衰减，也就是所谓的吸收损耗。
2防磁板的磁屏蔽研究与设计
在防磁板的设计时，一方面要保证车厢内地板以上30cm处磁通密度不超过0.8mT；另一方面还要尽量减轻防磁板的重量。本文基于地铁车辆的空心电抗器，利用ANSYS进行三维有限元建模仿真。
2.1无防磁板时对空心电抗器的仿真
图4为无防磁板时空心电抗器和车厢的相对位置图。通过有限元计算，空心电抗器产生的磁场在车厢地板以上30cm处的磁通密度云图以及磁通密度沿x轴方向的分布如图5所示。从图5可知，地板处的磁通密度的最大值达到了19.9mT，地板以上30cm处磁通密度幅值超过了4.6mT，远大于地板以上30cm处磁通密度小于0.8mT所要求的数值。因此，在空心电抗器上方需要安置防磁板，通过改变磁通路径，以达到减小车厢内磁通密度的目的。
2.2采用不同材料防磁板的电抗器
为保证防磁板的防磁效果较好且重量较轻，材料的选择较为重要。为此，分别对材料为Q235,D23-50,DW470-50,1J87的防磁板进行有限元仿真计算。防磁板的具体参数如表2所示。防磁板主要包括水平防磁板和L型侧板。L型侧板主要用于规范出风口附近的磁路。此外，由于车下设备安装等原因，L型侧板的宽度w2不能与水平防磁板的宽度w1保持一致。防磁板采用不同材料时，地板处的磁通密度最大值以及各种材料质量密度的关系如图7所示。由仿真结果可知，采用D23-50,DW470-50,1J87等材料时，地板处的磁场强度相比于采用Q235均有所下降，最大下降的幅值分别为16.7%,28.65%,36.2%；D23-50,DW470-50的质量密度相比于Q235均有所下降，下降的幅值分别为0.382%,1.91%，而1J87的质量密度比Q235高出11.46%。虽然采用1J87的磁场屏蔽效果最佳，但是考虑到重量和经济性等原因，不建议采用。因此质量密度较小和防磁效果较好的DW470-50是较优的选择。
2.3下层防磁板长度对磁场屏蔽的影响
如图8所示，通过改变防磁板长度l1和l2，对地板处及地板以上10cm,20cm,30cm,90cm和150cm处的磁通密度进行了仿真计算。保持l2=875mm不变，只改变l1，所得仿真结果如图9所示。由图9可知，l2不变时，随着防磁板长度l1变大，各个位置的磁通密度最大值的变化规律是先减小后增大；在l1=950mm时，为各个位置的磁通密度最大值的最低点；当l1≥1000mm时，各个位置的磁通密度的最大值基本不变。因此，在选取防磁板长度l1时，可以选取950mm附近的尺寸。保持l1=1100mm不变，只改变l2，所得仿真结果如图10所示。由图10可知，l1=1100mm不变时，随着防磁板长度l2变大，各个位置的磁通密度最大值减小；在l2=875mm时，磁通密度的最大值最小。因此，在选取防磁板长度l2时，可以选取l2=875mm。
2.4L型侧板尺寸对磁场屏蔽的影响
首先，改变L型侧板厚度d2，分析地板处及地板以上10cm,20cm,30cm,90cm和150cm处的磁通密度变化。随着L型侧板厚度d2变大，各个位置的磁通密度的最大值减小，并且在d2≥1mm时，各个位置的磁通密度的最大值基本不变。在实际工程中，防磁板的力学强度和制作工艺等问题也需要考虑。因此，L型侧板厚度d2与水平防磁板的厚度d1应相同。其次，改变L型侧板长度h2，分析地板处及地板以上10cm,20cm,30cm,90cm和150cm处的磁通密度变化。随着L型侧板长度h2变大，各个位置的磁通密度的最大值变化规律是先减小后增大，在h2=120mm时，各个位置的磁通密度的最大值处于最低点；当h2≥120mm时，各个位置的磁通密度的最大值基本不变。因此，当h2≥120mm时，可以根据实际情况进行选择。
2.5防磁板设计的最终方案
根据以上防磁板屏蔽效果的研究，对如表3所示的防磁板进行三维有限元建模并进行计算，所得的地板处及地板以上30cm处的磁通密度分布如图13所示。从图13可以看出，地板处磁通密度的最大值为1.518mT，地板以上30cm处最大磁通密度在0.693mT左右。因此，在空芯电抗器上方安置防磁板可以有效地减小地铁车厢内磁通密度。为了满足设计要求以及尽可能地减小防磁板的重量，在水平防磁板的上表面添加了上层防磁板（尺寸为1100mm×1100mm×3mm），如图14所示。根据防磁板与电抗器的位置关系以及基于表1提供的电抗器仿真设置，可以得出地板上方的磁通密度分布曲线如图15所示。由图15可以看出，地板处磁通密度最大值衰减了3mT左右。此外，地板以上30cm的平面域上的最大磁通密度为0.69mT，小于要求的0.8mT。
3试验结果
为了验证ANSYS三维有限元仿真设计防磁板的合理性，对地铁车辆中空心电抗器的磁场屏蔽效果进行了研究性试验，最大测试电流为600A。可以看出，车厢内部各个高度的最大磁通密度的测试结果与仿真结果相差很小，此设计方案的防磁板结构、尺寸和材料符合电磁兼容的要求。
4结语
本文通过三维有限元法对空心电抗器产生的磁场在地铁车厢内的分布进行了仿真计算，对在电抗器上方安置防磁板的屏蔽效果进行了分析研究，此外，也对所设计防磁板的磁场屏蔽效果进行了试验验证，确认防磁板的存在可以减小地铁车厢内的磁通密度。另外在设计防磁板时，不仅要考虑防磁效果，而且要考虑防磁板的重量、力学性能强度指标以及制作工艺。
作者:田庆 王勇 吕刚 单位:中车青岛四方机车车辆股份有限公司 北京交通大学