一种高温超导磁悬浮系统电磁发射特性预测方法及系统

1.本发明属于电磁环境测试技术领域，具体涉及一种高温超导磁悬浮系统电磁发射特性预测方法及系统。


背景技术：

2.人们对于交通系统速度需求越来越高，而传统高速列车采用轮轨方式，受限于行车阻力与受电弓离线等各方面的限制，很难突破现有的速度上限，为了实现更快的运行速度，需要通过其他技术来实现对列车的导向和牵引，也要避免使用受电弓进行供电。高温超导磁悬浮作为一种新型轨道交通方式开始在轨道交通领域使用，人们正在积极开展研究。高温超导磁悬浮采用同步直线电机，地面定子产生的行波磁场和动子磁场相互作用进行牵引。高温超导材料和永磁铁的“钉扎效应”实现导向和悬浮。高温超导磁悬浮的导向和悬浮系统均会产生磁场，部分泄露，这些磁场可能会对人体和磁浮系统设备造成影响，亟待对其电磁环境进行研究。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种高温超导磁悬浮系统电磁发射特性预测方法及系统解决了目前的方法难以在列车设计阶段获得磁浮列车电磁发射特性的问题。
4.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种高温超导磁悬浮系统电磁发射特性预测方法，包括以下步骤：
5.s1、根据高温超导高速磁浮系统建立高温超导磁浮列车电磁环境模型；
6.s2、根据高温超导磁浮列车电磁环境模型预测超导磁悬浮系统的电磁发射特性。
7.进一步地：所述s1具体为：
8.根据高温超导高速磁浮系统的结构按照1:1的比例进行建模，并设置材料参数、仿真激励、边界条件、求解频率和背景条件，建立高温超导磁浮列车电磁环境模型；
9.其中，高温超导高速磁浮系统的结构包括磁浮列车车体、支架、地面永磁体轨道、直线同步电机和超导体悬浮模块。
10.进一步地：根据高温超导高速磁浮系统的结构按照1:1的比例进行建模的方法具体为：
11.1)将磁浮列车车体的材料等效为同种铝合金材料，设置其厚度为10mm；
12.2)设置磁浮列车车体通过支架分别与超导体悬浮模块和直线同步电机的动子连接；
13.3)设置地面永磁体轨道为halbach型轨道；
14.4)设置直线同步电机的地面定子工作频率为0-150hz，额定电流为600a，材料为铜。
15.进一步地：所述s2包括以下分步骤：
16.s21、根据高温超导磁浮列车电磁环境模型进行低频基波磁场分析，得到低频基波磁场分析结果；
17.s22、根据高温超导磁浮列车电磁环境模型进行静磁场发射分析，得到静磁场发射分析结果；
18.s23、将低频基波磁场分析结果和静磁场发射分析结果作为预测的超导磁悬浮系统的电磁发射特性。
19.进一步地：所述s21包括以下分步骤：
20.s211、根据高温超导磁浮列车电磁环境模型仿真低频基波磁场的分布；
21.s212、根据低频基波磁场的分布设置静磁场采样点组，通过静磁场采样点组采样第一磁感应强度，将采样的第一磁感应强度作为低频基波磁场分析结果。
22.进一步地：所述s212中，磁场采样点组包括第一～第三采样点，所述第一采样点设置于高于磁浮列车车体车厢底部0.3m的位置，所述第二采样点设置于高于磁浮列车车体车厢底部0.9m的位置，所述第三采样点设置于高于磁浮列车车体车厢底部1.5m的位置。
23.进一步地：所述s22具体为：
24.s222、根据高温超导磁浮列车电磁环境模型仿真静磁场分布；
25.s223、通过磁场采样点组采样第二磁感应强度，将采样的第二磁感应强度作为静磁场发射分析结果。
26.一种高温超导磁悬浮系统，包括磁浮列车车体、超导体悬浮模块、地面永磁体轨道、动子和地面定子；
27.其中，所述磁浮列车车体底部的中间设置有动子，所述磁浮列车车体底部的两侧设置有超导体悬浮模块，所述地面永磁体轨道位于超导体悬浮模块的正下方，所述地面永磁体轨道和定子设置于地面上，所述地面定子位于动子的正下方。
28.本发明的有益效果为：本发明基于高温超导高速磁浮系统，通过建立高温超导磁浮列车电磁环境模型，研究了高温超导磁浮试验线列车的磁场分布，结合低频基波磁场分析和静磁场发射分析对电磁发射特性进行评估，在列车设计前期分析预测电磁辐射发射特性，促进了高温超导磁浮列车工程化快速发展，为磁浮列车电磁防护设计提供方向和依据。
附图说明
29.图1为本发明一种高温超导磁悬浮系统电磁发射特性预测方法的流程图。
30.图2为本发明的静磁场采样点图。
31.图3为本发明的高温超导磁悬浮系统结构图。
32.图4为本发明的低频磁场测试频谱图。
33.图5为本发明的定子绕组电流图。
34.图6为本发明的高频电磁场测试值图。
35.其中：1、磁浮列车车体；2、超导体悬浮模块；3、地面永磁体轨道；4、动子；5、地面定子；6、地面。
具体实施方式
36.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发
明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
37.实施例1：
38.如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种高温超导磁悬浮系统电磁发射特性预测方法，包括以下步骤：
39.s1、根据高温超导高速磁浮系统建立高温超导磁浮列车电磁环境模型；
40.s2、根据高温超导磁浮列车电磁环境模型预测超导磁悬浮系统的电磁发射特性。
41.所述s1具体为：
42.根据高温超导高速磁浮系统的结构按照1:1的比例进行建模，并设置材料参数、仿真激励、边界条件、求解频率和背景条件，建立高温超导磁浮列车电磁环境模型；
43.其中，高温超导高速磁浮系统的结构包括磁浮列车车体1、支架、地面永磁体轨道3、直线同步电机和超导体悬浮模块2，直线同步电机包括动子4和地面定子5；
44.在本实施例中，建模的样车车高为2.5m，宽3.2m，长为20.05m，车体悬浮高度为10mm，轨道总长度为25.86m。
45.根据高温超导高速磁浮系统的结构按照1:1的比例进行建模的方法具体为：
46.1)将磁浮列车车体1的材料等效为同种铝合金材料，设置其厚度为10mm；
47.2)设置磁浮列车车体1通过支架分别与超导体悬浮模块2和直线同步电机的动子4连接；
48.3)设置地面永磁体轨道3为halbach型轨道；
49.4)设置直线同步电机的地面定子5工作频率为0-150hz，额定电流为600a，材料为铜。
50.由于磁浮列车车体1使用的主要材料主要为铝合金，尽管不同区域各种铝合金材料型号不同，但是它们的电导率和相对介电常数基本相同，因此车体建模时可将磁浮列车车体1的材料等效为同种铝合金材料。
51.在本实施例中，通过maxwell 3d建立高温超导磁浮列车电磁环境模型，maxwell 3d采用四面体网格剖分，网格的数量取决于计算域的大小、网格的密度，由于此模型计算域较大、网格数量较多，需要大量的计算机内存资源，兼顾仿真计算速度和求解精度，且使用吸收边界模拟了开域的情况。
52.所述s2包括以下分步骤：
53.s21、根据高温超导磁浮列车电磁环境模型进行低频基波磁场分析，得到低频基波磁场分析结果；
54.s22、根据高温超导磁浮列车电磁环境模型进行静磁场发射分析，得到静磁场发射分析结果；
55.s23、将低频基波磁场分析结果和静磁场发射分析结果作为预测的超导磁悬浮系统的电磁发射特性。
56.所述s21包括以下分步骤：
57.s211、根据高温超导磁浮列车电磁环境模型仿真低频基波磁场的分布；
58.s212、根据低频基波磁场的分布设置静磁场采样点组，通过静磁场采样点组采样
第一磁感应强度，将采样的第一磁感应强度作为低频基波磁场分析结果。
59.在本实施例中，低频基波磁场源来自于磁浮列车运行时直线电机定子绕组产生基波电流，利用maxwell软件的3维涡流场求解器进行分析，仿真在不同频率下的低频基波磁场的分布，此试验线的电流最大值为600a，分别选取5hz、50hz和150hz，对应磁浮列车低速、中速和高速，不同频率下的磁场分布。
60.所述s212中，磁场采样点组包括第一～第三采样点，如图2所示，所述第一采样点设置于高于磁浮列车车体1车厢底部0.3m的位置，所述第二采样点设置于高于磁浮列车车体1车厢底部0.9m的位置，所述第三采样点设置于高于磁浮列车车体1车厢底部1.5m的位置。
61.由仿真结果可见，在不同频率下的磁场分布规律基本一致，从直线同步电机向外发射，且集中在磁浮列车车体1下部，由于直线电机端部效应，沿列车物理中心分布的磁场不完全对称，车厢内的电磁发射随频率的增加而减小，为更好地量化磁场大小，本发明依据标准tb/t 3351-2014标准要求，在典型截面选择距离列车车厢底部分别为0.3m、0.9m、1.5m的九个采样点，不同频率下9个点的磁感应强度值及如表1所示。
62.表1不同频率下磁感应强度值
[0063][0064]
当磁浮列车低速运行时，磁场强度随高度的增加而降低；当磁浮列车中速或高速运行时，p4、p6、p7与p9位于窗边的磁场强度远大于车辆内部区域，即磁浮车体能够屏蔽大部分该频率磁场，此时低频磁场主要来自于窗子的泄露；依据相关电磁兼容标准对电磁环境的要求来分析磁场的分布，tb/t 3351-2014规定距离动车组地板高度0.3m、0.9m、1.5m的时变磁场公众照射限值，与仿真结果比较可以看出所有频率的磁感应强度远低于电磁环境标准限值。
[0065]
所述s22具体为：
[0066]
s222、根据高温超导磁浮列车电磁环境模型仿真静磁场分布；
[0067]
s223、通过磁场采样点组采样第二磁感应强度，将采样的第二磁感应强度作为静磁场发射分析结果。
[0068]
在本实施例中，静磁场仿真的源为永磁铁轨道和动子4，利用maxwell软件的3维静磁场求解器进行分析，通过列车整体的静磁场分布可以看出，静磁场主要分布在磁浮列车下部，对称的分布于列车的垂直中心线上，车体对静磁场几乎无屏蔽作用，静磁场随距离的增加快速衰减，地面永磁体轨道3和动子4绕组周围的静磁场远高于车厢内部静磁场，磁浮列车车厢底部的磁场较大。
[0069]
为了保护动车组客室的乘客和工作人员免受电磁的危害和干扰，指定了相关的电磁兼容标准来控制动车产生的电磁场，磁浮列车可参照。静磁场限值标准为国际非电离辐射防护委员会导则与tb/t 3351-2014。在车体内部设置采样
[0070][0071]
点，与低频磁场分析时采样点一致，9个采样点的磁感应强度如表2所示。可以看出，随着高度的增加，静磁场磁感应强度明显减少，同一高度的磁感应强度较为接近。
[0072]
表2采样点静磁场值
[0073][0074]
对比采样点静磁场值和icnirp导则限值要求，可以发现静磁场远低于icnirp公众暴露限值，可以认为此高温超导试验线的静磁发射不会对磁浮列车系统中的人员健康造成不良影响。
[0075]
如图3所示，在本实施例中，一种高温超导磁悬浮系统，包括磁浮列车车体1、超导体悬浮模块2、地面永磁体轨道3、动子4和地面定子5；
[0076]
其中，所述磁浮列车车体1底部的中间设置有动子4，所述磁浮列车车体1底部的两侧设置有超导体悬浮模块2，所述地面永磁体轨道3位于超导体悬浮模块2的正下方，所述地面永磁体轨道3和定子5设置于地面6上，所述地面定子5位于动子4的正下方。
[0077]
实施例2：
[0078]
本实施例针对实施例1的具体实验，该实验为验证本发明预测的高温超导磁悬浮系统电磁发射特性，实验方式采用静磁场测试和交流电磁场测试。
[0079]
a1、静磁场测试：
[0080]
设置高温超导试验线长度为165m，试验工况为低速运行，在磁浮列车低速运行状态下，对车内静磁场进行测试，测试位置为磁场采样点设置位置，静磁场测试值如表3所示。
[0081]
表3静磁场测试值
[0082]
[0083]
从表中可以看出，列车车厢底部的磁场较大，静磁场随着高度的增加而减小，该趋势与电磁环境仿真结果一致，且磁场值远低于(icnirp)导则限值要求。根据磁场屏蔽原理，即铝合金对静磁场几乎无屏蔽作用。
[0084]
a2、交流电磁场测试：
[0085]
交流电磁场测试包括低频电磁场测试和高频电磁场测试。
[0086]
a2-1、低频电磁场测试：
[0087]
低频电磁场测试采用电磁辐射分析仪进行测量，测试频率为0-150khz，测试点位置为设置的磁场采样点组位置，测试时低频磁场集中在0-8hz，得到低频磁场随频率变化的曲线如图4所示，表4为频率为5hz时取样位置的磁场值。
[0088]
表4低速运行状态下5hz磁场测试值
[0089][0090]
从表4中可以看出，列车低速运行时，磁场强度随高度的增加而降低，且远低于限值要求，与电磁环境仿真时5hz结果(表1)对比，该趋势与仿真结果一致。仿真成功预测了低速状态下的磁场分布，由于试验线长度的限制，磁浮列车中速与高速状态下磁场分布可参照电磁仿真结果。为了明确进一步低频电磁干扰源，对低速运行状态下直线电机定子绕组电流进行测试，结果如图5所示。定子绕组电流频谱与环境中低频磁场频谱完全一致，即定子绕组为主要的低频电磁干扰源。
[0091]
a2-2、高频电磁场测试：
[0092]
高频场测试在车外进行，测量车辆对外的高频电磁辐射，测试采用天线法，测试频率为150khz-6ghz。首先对无高温超导磁悬浮列车通过时的背景电场和背景磁场进行测试，然后对磁悬浮列车通过时的电场和磁场进行测试。移动中的磁悬浮列车相当于辐射源，测试点沿着辐射源中心的两条正交线的延伸线布置，距离辐射源距离为5m，背景电场和磁悬浮列车运行的电场值曲线如图6所示。
[0093]
根据图6可知，有无高温超导磁浮列车经过的实测电磁场值曲线基本重合，全部低于70dbuv/m，均为背景噪声，远低于相关标准，即高温磁浮列车系统在静态或低速情况下几乎不会产生对外高频电磁辐射。
[0094]
综上所述，通过静磁场测试和交流电磁场测试验证了本发明建立的高温超导磁浮列车电磁环境模型的正确性，仿真和测试结果表明：高温超导磁悬浮系统产生的电磁场为复合空间场，主要包括静磁场与低频场，各个频率的电磁场均满足相关限值要求，对车内人员和周围环境的电磁辐射安全没有影响。
[0095]
本发明的有益效果为：本发明基于高温超导高速磁浮系统，通过建立高温超导磁浮列车电磁环境模型，研究了高温超导磁浮试验线列车的磁场分布，结合低频基波磁场分析和静磁场发射分析对电磁发射特性进行评估，在列车设计前期分析预测电磁辐射发射特性，促进了高温超导磁浮列车工程化快速发展，为磁浮列车电磁防护设计提供方向和依据。
[0096]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。

技术特征：
1.一种高温超导磁悬浮系统电磁发射特性预测方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、根据高温超导高速磁浮系统建立高温超导磁浮列车电磁环境模型；s2、根据高温超导磁浮列车电磁环境模型预测超导磁悬浮系统的电磁发射特性。2.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮系统电磁发射特性预测方法，其特征在于，所述s1具体为：根据高温超导高速磁浮系统的结构按照1:1的比例进行建模，并设置材料参数、仿真激励、边界条件、求解频率和背景条件，建立高温超导磁浮列车电磁环境模型；其中，高温超导高速磁浮系统的结构包括磁浮列车车体、支架、地面永磁体轨道、直线同步电机和超导体悬浮模块。3.根据权利要求2所述的高温超导磁悬浮系统电磁发射特性预测方法，其特征在于，根据高温超导高速磁浮系统的结构按照1:1的比例进行建模的方法具体为：1)将磁浮列车车体的材料等效为同种铝合金材料，设置其厚度为10mm；2)设置磁浮列车车体通过支架分别与超导体悬浮模块和直线同步电机的动子连接；3)设置地面永磁体轨道为halbach型轨道；4)设置直线同步电机的地面定子工作频率为0-150hz，额定电流为600a，材料为铜。4.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮系统电磁发射特性预测方法，其特征在于，所述s2包括以下分步骤：s21、根据高温超导磁浮列车电磁环境模型进行低频基波磁场分析，得到低频基波磁场分析结果；s22、根据高温超导磁浮列车电磁环境模型进行静磁场发射分析，得到静磁场发射分析结果；s23、将低频基波磁场分析结果和静磁场发射分析结果作为预测的超导磁悬浮系统的电磁发射特性。5.根据权利要求4所述的高温超导磁悬浮系统电磁发射特性预测方法，其特征在于，所述s21包括以下分步骤：s211、根据高温超导磁浮列车电磁环境模型仿真低频基波磁场的分布；s212、根据低频基波磁场的分布设置静磁场采样点组，通过静磁场采样点组采样第一磁感应强度，将采样的第一磁感应强度作为低频基波磁场分析结果。6.根据权利要求5所述的高温超导磁悬浮系统电磁发射特性预测方法，其特征在于，所述s212中，磁场采样点组包括第一～第三采样点，所述第一采样点设置于高于磁浮列车车体车厢底部0.3m的位置，所述第二采样点设置于高于磁浮列车车体车厢底部0.9m的位置，所述第三采样点设置于高于磁浮列车车体车厢底部1.5m的位置。7.根据权利要求6所述的高温超导磁悬浮系统电磁发射特性预测方法，其特征在于，所述s22具体为：s222、根据高温超导磁浮列车电磁环境模型仿真静磁场分布；s223、通过磁场采样点组采样第二磁感应强度，将采样的第二磁感应强度作为静磁场发射分析结果。8.一种基于权利要求1～7任一权利要求所述的高温超导磁悬浮系统，其特征在于，包括磁浮列车车体(1)、超导体悬浮模块(2)、地面永磁体轨道(3)、动子(4)和地面定子(5)；
其中，所述磁浮列车车体(1)底部的中间设置有动子(4)，所述磁浮列车车体(1)底部的两侧设置有超导体悬浮模块(2)，所述地面永磁体轨道(3)位于超导体悬浮模块(2)的正下方，所述地面永磁体轨道(3)和定子(5)设置于地面(6)上，所述地面定子(5)位于动子(4)的正下方。

技术总结
本发明公开了一种高温超导磁悬浮系统电磁发射特性预测方法及系统，方法包括以下步骤：S1、根据高温超导高速磁浮系统建立高温超导磁浮列车电磁环境模型；S2、根据高温超导磁浮列车电磁环境模型预测超导磁悬浮系统的电磁发射特性。本发明基于高温超导高速磁浮系统，通过建立高温超导磁浮列车电磁环境模型，研究了高温超导磁浮试验线列车的磁场分布，结合低频基波磁场分析和静磁场发射分析对电磁发射特性进行评估，在列车设计前期分析预测电磁辐射发射特性，促进了高温超导磁浮列车工程化快速发展，为磁浮列车电磁防护设计提供方向和依据。和依据。和依据。


技术研发人员：张健穹 李相强 王庆峰 张虎
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/8/23