空心电抗器磁场屏蔽效果研究

试验空心电抗器磁场屏蔽效果研究张博1，高世萍1，王岩1，林庸2，丁明伟3，王冬青3（1.南车青岛四方机车车辆股份有限公司高速列车系统集成国家工程实验室(南方），山东青岛266111；2.南车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心，山东青岛266111；3.青岛大学，山东青岛266071）测作者简介：张博（1984-），男，工程师，从事轨道车辆电磁兼容研究与测试。摘要：在采用防磁板对城轨列车空心电抗器产生的磁场进行屏蔽时，为综合分析各种因素对防磁板屏蔽效果的影响，利用有限元分析软件AnsoftMaxwell建立防磁板与空心电抗器系统磁场的三维模型并进行有限元仿真试验，分别讨论防磁板材料种类、防磁板厚度及电抗器线圈电流对屏蔽效果的影响，所得结论对后续空心电抗器磁场屏蔽的研究具有重要的指导意义。关键词：空心电抗器；有限元分析；磁场屏蔽；防磁板；磁场污染；地铁列车中图分类号：TM47；TM153+.5文献标识码：A文章编号：1000-128X(2014)05-0099-03doi：10.13890/j.issn.1000-128x.2014.05.106ResearchofMagneticShieldingEffectofAir-coreReactorZHANGBo1,GAOShiping1,WANGYan1,LINYong2,DINGMingwei3,WANGDongqing3(1.High-SpeedTrainSystemIntegrationNationalEngineeringLaboratory(South),CSRQingdaoSifangLocomotive&RollingStockCo.,Ltd.,Qingdao,Shandong266111,China;2.TechnologyCenter,CSRQingdaoSifangLocomotive&RollingStockCo.,Ltd.,Qingdao,Shandong266111,China;3.QingdaoUniversity,Qingdao,Shandong266071,China)Abstract:Forashieldingsystemwithamagneticboardaboveanair-corereactorofurbanrailvehicle,inordertoanalyzeallkindsoffactsthataffectthemagneticshieldingeffects,3DmodelofthemagneticboardshieldingsystemusingtheAnsoftMaxwellfiniteelementsoftwarewasestablished,andfiniteelementsimulationexperimentswereputforward.Effectsofdifferentmaterial'stypes,differentthicknessanddifferentmagneticcoilcurrentwerediscussed,theresultsofwhichhadimportantguidancefortheresearchonair-corereactormagneticshielding.Keywords:air-corereactor;finiteelementanalysis;magneticshielding;magneticshieldingboard;magneticfieldpollution;metrovehicle仿真试验；②不同材料防磁板相叠组合使用时磁场屏蔽仿真试验。0引言地铁列车上所用的空心电抗器主要作用是限制直流侧滤波单元的电压、电流波动，平滑电流波形，防止IGBT产生的高频电流反馈回电网[1]，是地铁列车牵引系统的重要元件之一，但另一方面，由于其结构的特殊性，使得空心电抗器在通电时会在周围产生强磁场，成为地铁列车主要的磁场污染源之一。由于空心电抗器产生的磁场发散严重，具有很强的穿透力，不但对周围电气设备产生影响，而且对职业暴露构成潜在的威胁[2-3]，因此研究如何屏蔽空心电抗器产生的强磁场是一项重要研究课题。本文利用有限元分析软件AnsoftMaxwell建立空心电抗器磁场仿真模型，从以下2方面分别进行仿真试验：①各材料单独构成防磁板单独使用时的磁场屏蔽1三维仿真模型建立为准确反映电抗器磁场分布情况，本文利用磁场仿真软件AnsoftMaxwell建立空心电抗器磁场屏蔽系统三维模型，在对不同防磁材料进行分析及建模过程中作如下标准规定：①防磁板材料各向同性，忽略磁滞效应，采用平均磁化曲线；②忽略车体材料对磁场分布的影响；③忽略大地对磁场分布的影响，假设大地磁导率与空气磁导率相同[4]；④将每个导线包封看做具有相同电流密度的整体。基于以上标准规定建立的有限元三维模型如图1所示。电抗器与防磁板相对位置及其模型尺寸如图2所示，地板观测面面积大小为防磁板上表面大小的2倍，在电抗器中心正上方观测面内取一点作为磁场强度收稿日期：2014-02-07；收修改稿日期：2014-04-16—99—图2电抗器及防磁板相对位置图图4电抗器周围磁场分布（无防磁板）图5电抗器周围磁场分布（有防磁板）图6防磁板及电抗器内磁场分布机车电传动2014年2.1有/无防磁板磁场仿真以16mm厚Q235-A碳钢防磁板为例，电抗器线圈中通205A直流电，通过仿真得到加防磁板前后磁场分布分别如图4、图5所示。由图4可见：加入防磁板前，磁场分布非常均匀，以电抗器为中心向外围扩散；加入防磁板后，防磁板上方磁场明显减弱，说明防磁板能有效屏蔽电抗器产生的磁场。防磁板内磁场分布如图6所示。（用于计算屏蔽效能）观测点。1——地板面（磁感应强度观测面）；2——防磁板；3——电抗器外壳（内含电抗器线圈）；4——散热网口图1空心电抗器磁场屏蔽系统三维模型图2防磁板材料磁导率与防磁板厚度对屏蔽效果的影响仿真试验磁屏蔽效果的影响因素主要有防磁板磁导率、防磁板厚度、结构以及交变磁场频率。针对本文所提的电抗器磁场屏蔽系统，由于电抗器在列车上所处位置的特殊性，防磁板的结构不能改变，电抗器产生的磁场属于低频磁场，且频率变化范围很小，因此可近似将防磁板结构及交变磁场频率作为不变量。因此以下仿真试验主要从防磁板磁导率、厚度及不同防磁板组合3方面进行仿真试验。本仿真试验所用材料都为非线性磁性材料，磁导率由材料磁化曲线决定，根据磁化曲线可以得知材料磁导率、饱和磁通等信息[5]。本文防磁板材料选取碳钢Q235-A、硅钢DW470、电工纯铁DT4，其磁化曲线如图3所示。由图6左侧数据可得，防磁板最高磁感密度达到1.0T以上。由图5看出，防磁板上方磁感密度最高处只有4mT。由于防磁板具有高磁导率，磁力线大部分通过磁板闭合，大大降低了电抗器产生的磁场向防磁板上方的扩散量，从而起到磁场屏蔽的作用。2.2防磁板磁导率及厚度对屏蔽效果影响仿真取如图2所示地板面内一点作为磁感应强度观测点，增大防磁板厚度，得到不同防磁板材料磁屏蔽效能[6]随厚度变化曲线如图7所示，磁感应强度随厚度变化曲线如图8所示。图3各材料磁化曲线—100—图7不同防磁板材料屏蔽效能随厚度变化曲线图8不同防磁板材料观测点处磁感应强度随厚度变化曲线第5期张博，高世萍，王岩，林庸，丁明伟，王冬青：空心电抗器磁场屏蔽效果研究1，无法给磁力线提供低磁阻磁路；在间隙介质种类一定时，对比表1、表2中数据，可以看出2种材料叠加使用时，屏蔽效果介于2种材料单独使用时的屏蔽效果之间，即优于磁导率低的材料、劣于磁导率高的材料。表2防磁板厚度一定时各种材料的磁屏蔽效果材料种类（厚度）磁感应强度/mT屏蔽效能/dBQ235-A（12mm）DT4（12mm）DW470（12mm）0.49210.29760.137517.217921.586528.29004结语本文以空心电抗器及其上方的防磁板构成的系统为试验对象，分别研究了防磁板材料种类、防磁板厚度对屏蔽效果的影响。通过理论分析与仿真试验相结合，得出如下结论：材料磁导率越高，防磁板厚度越厚，屏蔽效果越好；2种材料防磁板叠加使用时，中间非导磁介质种类对屏蔽效果的影响可以忽略，且在总厚度一定的情况下，屏蔽效果介于2种材料单独使用时的屏蔽效果之间。由图7可见，相同的厚度条件下，高磁导率的硅钢DW470具有更高的屏蔽效能，电工纯铁次之，碳钢Q235-A最差，说明磁导率越高的材料屏蔽效果越好。由图8可见，随着防磁板厚度增加，观测点处的磁感应强度逐渐减小，曲线无限接近于x轴，但不能衰减到0，这是因为防磁板的磁阻与空气的磁导率相差千倍，所以必有漏磁，而导体与绝缘体的电阻率相差千亿倍，因此没有漏电。参考文献：［1］吴馥莲，鲁力，向坤，等.中低速磁悬浮列车空心电抗器设计与研究［J］.机车电传动，2012(5)：58-61.［2］季娟，俞集辉，袁一飞，等.空心电抗器磁场分布和防护体架设计研究［J］，高压电器，2009，45(6)：61-68.［3］Yo-HanLee,Bum-SeokSuh,Chang-HoChoi,etal.Anewneutralpointcurrentcontrolfora3-levelconverter/inverterpairsystem［J］.Thirty-FourthIndustryApplicationsConferenceAnnualMeeting,1999(3)：1528-1534.［4］汪泉弟，张艳，李永明，等.干式空心电抗器周围工频磁场分布［J］，电工技术学报，2009，24(1)：8-13.3不同材料防磁板组合使用时屏蔽效果2种不同材料防磁板之间的非导磁介质选用空气与铝分别进行仿真试验，取总厚度12mm，得到不同材料防磁板组合时磁感应强度仿真试验结果如表1所示，单种材料防磁板磁感应强度仿真结果如表2所示。表1不同材料防磁板叠加使用时仿真结果［5］赵博，张洪亮.Ansoft12在工程电磁场中的应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2010：11-18.［6］赵启博，姚腊红，王向欣.磁导率与厚度因素对磁屏蔽效能的影响［J］.武材料种类间隙介质为空气间隙介质为铝底部板（厚度）顶部板（厚度）磁感应强度/mT屏蔽效能/dB磁感应强度/mT屏蔽效能/dBQ235-A（6mm）DW470（6mm）Q235-A（6mm）DT4（6mm）DT4（6mm）DW470（6mm）0.22050.34940.157224.192420.194727.13070.22290.35210.158624.097120.127727.0528汉职业技术学院学报，2008，20(2)：13-16.分析可得：间隙介质对叠板材料构成的防磁板的屏蔽效果没有影响，因为非导磁材料相对磁导率约为—101—