中低速磁浮列车直线电动机横向端部电磁场干扰分析

王 滢，卢卫国

(1.磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室，成都 610031；2.西南交通大学，成都 610031)

0 引 言

电磁兼容[1](以下简称EMC)是指设备、分系统、系统在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态。在磁浮轨道交通系统中，有许多设备在运行时产生强烈的电磁干扰，例如牵引和制动控制系统、辅助电源系统等。同时，低电平的弱电系统对电磁干扰比较敏感，例如车载信号系统、车上通信系统、门控系统、空调系统等。这些设备受到电磁干扰时，可能会无法工作, 甚至产生误动作, 这将给轨道交通系统的安全运行带来非常严重的后果[2]。因此，对磁浮列车运行环境的磁场辐射进行分析计算和现场检测，有着重要的工程意义。

目前，磁浮列车在我国没有大规模推广，国内有关磁浮列车EMC问题的研究还处于初步阶段，相关文献较少，研究方向零散且不全面。文献[3]针对上海磁浮列车对周围环境中的重要信号发射场、信号接收场以及移动通信等潜在干扰作了初步的评价和研究；文献[4]研究分析了上海磁浮列车对心脏起搏系统是否存在影响；文献[5]研究了中低速磁浮工程与高铁距离接近时，是否会对高铁GSM-R通信系统产生电磁环境影响。

由于驱动磁浮列车运行的直线电动机具有工作功率高、工作电流大的特点，它工作过程中产生的磁场辐射，是磁浮列车上一个较大的EMC干扰发射源，可能会影响附近敏感设备的正常工作而带来严重后果。因此，分析磁浮列车直线电动机对EMC的影响十分必要。本文结合长沙磁浮快线中低速磁浮列车的运行实际，针对磁浮列车直线电动机工作时的磁场辐射进行理论分析和仿真计算。

1 直线电动机的电磁场分析

1.1 直线电动机端部电磁场分析

直线电动机与旋转电机间的根本区别在于前者是开断的直线形气隙，它有一个“入端”和一个“出端”，而后者是一个闭合的圆环状气隙。而且，直线电动机的绕组端部是直接裸露在空气中的，不像旋转电机有外部机壳包裹。电机绕组通电后，磁场会在电机的四周泄露形成端部效应。通常，把电机初级和次级的宽度对电机气隙磁场和工作性能的影响称为横向端部效应，把“入端”和“出端”对电机气隙磁场和工作性能的影响称为纵向端部效应[6]。

在研究直线电动机对EMC的影响时，应该着重分析直线电动机电磁泄露对车载设备系统的影响。由于车上两组直线电动机间的距离非常短，两组电机间的纵向端部效应可以忽略，只考虑车头和车尾处存在纵向端部效应。然而，车头和车尾处的电磁辐射方向主要沿纵向向外辐射，对列车内部车载系统的影响很小，所以，也不考虑车头和车尾处的纵向端部效应对列车EMC的影响。由于车底设备布置方式主要是沿车底纵向对称，故布线方式主要为沿车身纵向分布，对于控制系统和信号系统的各类信号线以及各类传感器，最容易受电机横向端部电磁场辐射的影响。所以，本文主要分析直线电动机的横向端部电磁辐射。

1.2 直线电动机横向端部电磁场数学模型建立

由通常的电流层的分析方法可知，直线电动机产生的磁场主要被约束在气隙之间，只在电机的端部边缘位置有少量的电磁泄露。直线电动机的电磁场辐射主要来源于电机绕组绕制时同相绕组连接处通电导线的对外辐射。当直线电动机采用叠绕组绕制方式时，结合电流层的分析方法，可将流过同相绕组连接线简化成虚拟初级电流层。同时，为了简化模型，不考虑辐射磁场在次级极板上的感应电流，即假设次级电流层为0。

现将单边直线电动机简化成如图1所示的模型，初级铁心的宽度为2a，次级导体板的宽度为2c，两侧的虚拟初级铁心宽度为c-a，气隙宽度为δ。忽略纵向边端效应，并假设：

1) 初级铁心的磁导率为无限大；

2) 电机在x轴方向无限长；

3) 气隙磁场只有x，y分量，且与z无关；

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4) 全部电磁参量均为x和t的正弦函数；

5) 如图1中，区域|z|>a的磁场为0。

图1 单边直线电动机横向示意图

采用叠绕组时，有一相绕组电流的注入方向与其他两相绕组相反，流过三相绕组连接线的电流互相相位差为2π/3。假设A相电流的初始相位为0，则有虚拟初级在Z轴方向的电流层分量恰好为0，在X轴方向的电流层分量的赋值为2JA。直线电动机叠绕组的绕制方式如图2所示。

图2 长沙磁浮快线直线电动机横向端部接线图

假设虚拟初级电流层:

(1)

式中：2JA为行波电流层的幅值;ω为电源角频率；τ为极距；p为极对数。

辐射场强磁密b：

(2)

由图1可知，布线处到虚拟初级中心点的距离为l。参考通电直导线周围的磁场可知，磁动势的幅值Fm与辐射场强的磁密有以下关系:

(3)

同时，磁动势的幅值Fm与行波电流j1有以下关系:

(4)

把式(1)和式(3)代入式(4)，得:

(5)

图1虚线框所包含的磁通:

(6)

式中:c为次级宽度的一半；z为走线处的Z轴坐标。

当车底设备中存在长导线，且导线沿车身纵向布置(即图1中X轴方向)时，最易受电机的电磁干扰，故对此情况进行分析。由法拉第电磁感应定律可知，X轴方向的磁场分量变化不会在导线上产生感应电压，结合假设条件，导线上的感应电压与磁场Y轴分量相关。当设备导线布线位置发生变化时，即导线所在位置的Y，Z坐标发生改变，导线上的感应电压随之改变。当其布线位置确定时，即导线所在位置的Y，Z坐标确定，记作(y0,z0)。导线上产生的感应电压计算公式如下:

(7)

2 有限元仿真分析

对于结构复杂的电磁装置，解析计算其磁场辐射非常困难，一般需要借助于电磁场仿真软件，通过数值计算求取其周围的磁场分布[7]。在用Maxwell 3D做有限元仿真时，如果三维模型搭建得过大，会造成计算机资源消耗量急剧上升，仿真用时很长，甚至因为计算机资源不够导致仿真失败。长沙磁浮快线上运行的磁浮列车每节直线电动机的长度接近2 m，该长度在三维模型中计算量较大。由于本文只考虑电机对外的电磁干扰，而非考虑电机的牵引特性，故只搭建一对极长的直线电动机模型即可。电机数据如表1所示。

表1 直线电动机尺寸数据

2.1 直线电动机仿真

根据长沙磁浮快线直线电动机的具体结构参数，在Soildworks中画出模型，导入到Maxwell 3D中，添加激励,划分网格,设置边界条件，得到仿真结果并处理。建立如图3所示的三维空间坐标系和三维模型，X轴为电机的纵向方向(即轨道的纵向)，Y轴为垂直电机铁心的方向(即轨道的垂直方向)，Z为电机的宽度方向(即轨道的横向)，原点如图3所示位置。电机模型的三视图如图4所示。仿真完成后，得到如图5所示的磁场强度云图。从图5可以看出，直线电动机的横向端部区域有电磁场分布，存在电机电磁场向车体辐射的问题。

图3 Maxwell 3D模型图

图4 电机模型三视图

图5 磁场强度云图

2.2 电机横向端部对车体电磁干扰分析

为清晰表达磁场辐射场强随距离的变化趋势，在电机中部，以电机铁心的上表面(面向车体的表面)为起始位置，沿Y轴负方向取一根长为420 mm的采样线，如图6中采样线1所示。仿真计算磁场强度与电机距离间的关系，仿真结果如图7所示。

图6 磁场辐射强度采样示意图

由图7可知，在Y轴负方向0～50 mm区域内，磁场辐射强度变化不大，这是由于该范围离电机铁心较近，电磁泄露较少；在50～100 mm这段区域，磁场辐射强度明显上升，并在100 mm处达到最大，这个区域是电机绕组横向端部电磁场泄露的作用结果；在100～420 mm范围内，由于采样点离电机距离增大，磁场辐射强度从约9.4 mT下降到1.4 mT。从图7可知，在离电机横向端部越近的地方，电磁干扰越强。

沿Z轴负方向，以铁心边缘为起点，取一根长为1 m的采样线，如图6中采样线2所示。测量磁场强度与距离的关系，仿真结果如图8所示。

图8 磁场辐射强度和Z轴方向距离的关系图

由图8可以看到，在0～0.05 m范围内，由于从铁心伸出的这一段绕组分布均匀，磁场辐射强度变化不大；在0.05～0.105 m范围内，磁场辐射强度明显上升，并在0.105 m处达到最大，而这个距离与绕组横向端部长度的位置一致，受绕组端部线圈磁场的影响，绕组端部磁场辐射强度最大；在0.105～1 m范围内，由于采样点离电机距离增加，磁场辐射强度从约18 mT下降到0.16 mT。

从图7和图8的计算结果可知，在电机铁心横向外部区域200 mm的范围内，电机磁场较强；在200 mm的范围以外，电机磁场的影响迅速减弱。

为考虑电机对车底设备的影响，仿真时，沿X轴方向水平放置一根开断导体棒，通过导体棒的感应端电压来反映设备受电机磁场的影响。由于电机绕组采用叠绕组的绕制方式，同相绕组线圈间通过电机侧面的连接线相连，连接线处产生的磁场泄露是电机电磁辐射的重要源头，所以，可以将开断导体棒的长度设定为与仿真模型一样长。导体棒长0.79 m，直径4 mm。通过将导体棒沿Y轴和Z轴平移来改变导体棒到电机原位置的距离，由此反映不同位置受电机电磁场影响的强弱。开断导体棒移动方向如图9所示。仿真结果如图10、图11所示。

图9 导体棒移动方向示意图

图10 导体棒感应电压随Y轴坐标变化曲线图

图11 导体棒感应电压随Z轴坐标变化曲线图

由图10、图11可知，随着与电机距离的增加，导体棒两端的感应电压呈减小的趋势。

考虑到车底设备大多处于电机上方，为了便于对仿真结果的分析，在车底实际布线处采样，采样处距离铁心下表面约0.8 m，并在距离铁心下表面约0.68 m处取样与之比较，得到如图12所示的感应电压随时间变化规律曲线。

由图12可知，当车体底部设备上导线距离电机为0.8 m时，若导线长为0.79 m，当电机电流频率为120 Hz，所产生的感应电压幅值为100 mV；当车体底部设备上导线距离电机0.68 m时，相同条件下，产生的感应电压幅值为160 mV。若考虑一节车有5个电机，当5个电机同时作用，考虑最坏情况下，导线长为一节车长时，在相同的电流频率条件下，0.8 m处导线上的感应电压幅值约为2 V，而0.68 m处导线上的感应电压幅值约为3.2 V。因此，若导线上传递弱电信号，导线很长，且屏蔽不佳时，电机电磁场会对弱电信号产生干扰。

图12 感应电压随时间的变化曲线

3 结 语

本文首先简要介绍了磁浮列车EMC的研究现状，而后建立了直线电动机横向端部的数学模型并进行磁场分析，用有限元仿真软件建立直线电动机的仿真模型，研究了磁浮列车牵引系统中直线电动机的磁场辐射强度随距离的变化关系。并结合长沙磁浮快线中低速磁浮列车的工程实际，仿真分析了直线电动机的电磁辐射在车底设备线路上的感应电压。通过对仿真结果的分析可知，若车体底部的低电压弱电系统布线不合理，且电磁屏蔽不完善时，直线电动机横向端部泄露的电磁场会对弱电信号产生一定的干扰。