EMC材料应用
引言
城市轨道交通车辆通常从直流供电网中获取直流电压，电网直流电压有1 500 V和750 V两种，经牵引逆变器VVVF和辅助逆变器SIV变换后给列车设备输出不同的交流电压值。直流供电网输入端接有电抗器及滤波电容器，用来稳定系统并将直流侧的电容电压波动限制在允许范围内；同时滤除高次谐波及抑制逆变器发生短路时的短路电流，以满足逆变器开关元件换流的要求。地铁车辆的特点是频繁启动和制动，且制动峰值功率大，使牵引系统主电路直流侧电流呈阶梯或锯齿波状态。为保证电抗器电感特性曲线不随电流变化，直流侧线路的电抗器设计为空心结构。空心电抗器的优点是不存在饱和现象，电感曲线稳定、不受直流侧电流大小的影响；缺点是漏磁大，对周边敏感设备有干扰，在地铁设备中，尤其会危害带有心脏起搏器的人员。
文献[1] ~文献[3]给出了空心滤波电抗器的设计方案及电抗器屏蔽外壳效能的一些分析结果，但没有分析空心电抗器的磁场辐射特性及漏磁对车内电磁环境的影响。以下将参考文献[4]、文献[5]中的有限长螺线管磁场辐射计算方法，从实际电抗器结构出发，详细分析空心电抗器磁场辐射特性及电抗器上方增加屏蔽板后的漏磁强弱变化，给出空心电抗器在车内的漏磁分布及屏蔽盖板材质、厚度的工程化建议。
1 空心电抗器磁场辐射特性分析
图1为利用ANSYS电磁仿真软件建立的某地铁电抗器模型，包含6个同轴等长的空心线圈，每个线圈28匝。额定工作电流DC 710 A，额定工作电压DC 750 V。
图2是单个空心线圈的结构，根据毕奥-萨伐尔定律，电流源I d l在空间产生的磁感应强度可以表示为：
d d
2
B l R
=
×
∫
µπ
43
π
I
R（1）
地铁空心电抗器盖板磁屏蔽效能分析Analysis of Magnetic Shielding Efficiency of Cover Plate for Hollow Reactor in Subway
1中车青岛四方机车车辆股份有限公司 2北京交通大学电磁兼容研究所
毛瑞雷1张丹2肖建军2耿欣2王焱2摘要
空心电抗器广泛应用于城市轨道交通，其漏磁过大可能对周围设备的正常工作造成影响。文章给出了空心电抗器磁场辐射的计算公式，通过仿真与测试结果的对比，分析了电抗器漏磁对车内电磁环境的影响；并阐述了电抗器有、无屏蔽盖板及盖板的材质、厚度等与其周围静磁场及屏蔽效能的关系。结果表明，电抗器目前所用屏蔽盖板的漏磁满足标准要求，不会影响心脏起搏器等设备的正常工作；使用高磁导率的材料作为屏蔽板可以有效地减小其厚度及重量。
关键词
电抗器；屏蔽效能；地铁
Abstract
Hollow reactor is widely used in urban rail transit, and its excessive magnetic leakage may affect the normal operation of the surrounding equipment. The calculation formula of magnetic field radiation of hollow reactor is given in this paper. By comparing the results of simulation and test, the influence of magnetic leakage of reactor on electromagnetic environment in vehicle is analyzed, and the relationship between the material and thickness of the reactor with or without shielding plate and its surrounding static magnetic field and shielding efficiency is expounded. The results show that the magnetic leakage of the shielding cover plate used in the reactor meets the standard requirements and does not affect the normal operation of pacemakers and other devices. The thickness and weight of the shielding cover can be effectively reduced by using high permeability material. Keywords
reactor; shielding efficiency; subway
国家重点研发计划（2017YFB1201103-15）
MATERIAL APPLICATION IN EMC
其相对磁导率约为250，电抗器外壳高650 mm，宽 650 mm，长900 mm，厚度10 mm。上方屏蔽板尺寸为890 mm×1475 mm×16 mm，电抗器外壳结构如图4。
图1
空心线圈模型
空心线圈周围任意点P 的磁感应强度为：B a a =
−()+++−()∫
+µϕϕπ002d d d I
r r r z r z r rr r z z r
a a 42000
20
22
032
π
cos /d ∫∫−h h
2
（2）
由于电流环路的对称性，电抗器轴线上的磁感应
强度只有z 向分量，式（2）可简化为：
B B a ==+()
∫
∫+−z z a a d Ir
z r
r z
µ
02
02232
2/d d h h
2
（3）图1电抗器模型中的6个空心线圈半径设定为：
134.2 mm、118.1 mm、102 mm、85.9 mm、69.8 mm、53.7 mm，每个空心线圈仍为28匝，电抗器长800 mm，选用710 A 直流作激励源，
线圈材料为铜。分别按式（3）计算及利用软件仿真，得到电抗器轴向的磁感应强度分布，如图3所示。可见，电抗器轴向的磁感应强度沿长度方向基本稳定，但接近电抗器两端下降约70 mT，轴向磁感应强度的最大值约为157.79 mT。
2 屏蔽盖板参数对磁屏蔽效能的影响
2.1  电抗器结构模型
工程中常用Q235轧制钢板制作电抗器屏蔽机壳，
图2 单个空心线圈
图3 电抗器中心轴向磁感应强度分布
图4 电抗器外壳结构
图5 电抗器仿真模型
进一步分析电抗器屏蔽盖板材质、厚度改变时，其
周围静磁场及屏蔽效能的变化。以屏蔽盖板上表面为起点，仿真Z 向升高1 mm、450 mm 及900 mm 处的磁感应强度，并与测量数据进行对比验证。仿真模型如图5，其中线圈参数同图1电抗器模型中的6个空心线圈设置, 电抗器屏蔽机壳材质Q235，厚度同图4为10 mm，保持不变。
由于空心滤波器由直流供电，因此仿真时仅考虑直流源作用下的静磁场情况。对比分析电抗器同一位置
EMC 材料应用
加与不加屏蔽盖板时的磁感应强度。由表1可知，仿真数据略小于引自文献[1]的实际测量值，但两者数量级相同。仿真和实测结果都证明：有、无屏蔽盖，磁感应强度最大值都位于屏蔽盖上方1 mm 处，仿真最大值分别为1.81 mT、5.55 mT ；同一位置，带屏蔽盖后的磁感应强度明显降低。
reactor软件
电抗器屏蔽盖板上方900 mm 为乘客座位区域，此处的磁感应强度过大会对心脏起搏器等设备造成影响。通过仿真分析可知，900 mm 处电抗器的漏磁大都为静磁场，其分布情况如图6所示。根据IEC TS 62597:2011 Measurement procedures of magnetic field levels generated by electronic and electrical apparatus in the railway environment with respect to human exposure 的测量方法及BS EN 45502-1:2015 Implants for surgery. Active implantable medical devices. General requirements for safety, marking and for information to be provided by the manufacturer 的规定，心脏起搏器等设备在1 mT 的静磁场环境下需能正常工作。图6的蓝仿真曲线表明，电抗器屏蔽盖板上方900 mm 处的轴向（X 轴）静磁场强度最大点位于x =0的 Z 轴上，最大值为0.25 mT，与 表1仿真结果一致，皆小于1 mT。因此，电抗器添加屏蔽盖板后的漏磁满足标准要求，不会影响心脏起搏器等设备的正常工作。
2.2  屏蔽盖板材质的影响
厚16 mm 的屏蔽盖板，分别选取表2的4种不同材料。仿真不同材料的屏蔽盖板中心上方不同高度的磁感应强度。图7为仿真结果，铝、Q235钢、铸钢
及硅钢屏蔽盖板中心上方1 mm 处的磁感应强度分别为12.49 mT、1.81 mT、0.93 mT 和0.43 mT ；同样，上方900 mm 处的磁感应强度分别为1.07 mT、0.25 mT、 0.13 mT 和0.07 mT。可见，任何高度都是铝板的磁屏蔽效果最差，硅钢板的屏蔽效果最好。对比表2的材料参数可知，材料的磁导率越大屏蔽盖板的磁屏蔽效果越好。
2.3  屏蔽盖板厚度的影响
目前地铁电抗器屏蔽盖板所使用的Q235型钢板厚16 mm，磁屏蔽虽已符合相关行业标准，但重量达到了160 kg，过于沉重的负荷极大地浪费了地铁列车能源。下面仿真分析各种材料的屏蔽盖板不同厚度的磁屏蔽情况，给工程中选择合适的盖板材料提供参考。
屏蔽板的磁场屏蔽效能定义在图4所示电抗器中心上方326 mm（盖板上方1 mm）处A 点，根据有、无屏蔽盖板时A 点磁场大小的比值得到屏蔽效能的计算公式（4）：
S H H A A =202
lg
1                                                          （4）
其中，H A1、H A2分别为有、无盖板时A 点的磁场强度。不同厚度屏蔽盖板的屏蔽效能如图8。厚度为 10 mm 的铸钢板的屏蔽效能可达19.8 dB，较厚度为 20 mm 的Q235型钢板的磁屏蔽效能大2.3 dB ；而厚度为10 mm 的硅钢板的屏蔽效能则可以达到25.5 dB，比同样厚度Q235型钢板的磁屏蔽效能大10 dB。对比表2，铸钢的磁导率Q235钢的磁导率的2倍，硅钢板的磁导率为铸钢磁导率的2倍。当盖板厚度不表1
电抗器不同位置的磁感应强度最大值表2
屏蔽盖板材质及相对磁导率图6 电抗器屏蔽盖上方
900 mm 处沿电抗器轴向的静磁场分布
图7 电抗器屏蔽盖板中心上方不同高度的磁感应强度
（下转第63页）
测试与测量
建议检验员在试验前应先写好测试计划，明确产品的工作原理和组成，详细描述充电模式测试前电池组的电压值，行驶模式测试前轮椅车的速度值，并在测试时记录下产品的工作状态以及电缆的布置，提高测试结果的重
复性。
续表3
（上接第53页）变时，屏蔽盖板材料的磁导率每增大一倍，其屏蔽效能就增大5 dB。若要获得与20 mm
厚度Q235钢板相同的屏蔽效能，使用10 mm 厚的铸钢板甚至更薄的硅钢板即可。由于各类钢板的密度差别不大，因此使用高磁导率的材料作为屏蔽板可以有效地减小屏蔽板的厚度，减轻屏蔽板的重量。
3 结语
ANSYS MAXWELL 仿真软件对电抗器的磁场分布情况及屏蔽盖板的屏蔽效能仿真分析表明：使用Q235钢板的屏蔽盖板，其上方1 mm 处的磁感应强度为1.81 mT，比没有屏蔽盖板时相同位置的磁感应强度减小了4倍。同时可以确保在旅客座位处的静磁场小于1 mT，
不会对心脏起搏器等设备造成影响。四种不同磁导率材料的屏蔽盖板的磁屏蔽效能对比表明：材料的磁导率越大，屏蔽盖板的磁屏蔽效果越好。当材料的磁导率每增加1倍，屏蔽盖板的屏蔽效能增大5 dB，盖板厚度可随之减小，从而大大减轻屏蔽板的重量。
参考文献
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编辑：刘新霞
图8
不同厚度屏蔽盖板的屏蔽效能
参考文献
[1]
全国残疾人康复和专用设备标准化委员会. GB/T 18029.21: 轮椅车 第21部分：电动轮椅车、电动代步车
和电池充电器的电磁兼容要求和测试方法[S]. 北京: 中国标准出版社, 2012.
编辑：田宁 E-mail:tianning@cesi

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