軌道交通電磁兼容性中的鐵氧體磁環運用

劉歡

摘 要 根據《車載電子設備標準》中規定，車載設備除了要滿足其基本的性能、可靠性指標外，還要滿足相應的電磁兼容指標要求。電磁兼容性設計是一個復雜的工程，而鐵氧體磁環是電器設備電磁兼容性設計中抑制干擾非常實用的元件。本文將就鐵氧體磁環在軌道交通電磁兼容性中的應用展開詳細的研究和探討。

關鍵詞 軌道交通;電磁兼容性;鐵氧體磁環;應用

隨著軌道交通行業的不斷發展，為了進一步提高乘客的舒適性和車載運行的穩定性，越來越多的電子設備被應用到軌道交通中，這就需要進一步提高軌道交通的電磁兼容性。電磁兼容設計是一個復雜的工程，包括結構設計和電氣部件設計。本文主要探討了干擾抑制器件鐵氧體磁環在軌道交通電磁兼容性設計中的應用。

1鐵氧體磁環組成及工作原理

鐵氧體磁環是一種能夠抑制電子設備產生的干擾的元件，可以將其看作是低通濾波器，能夠很好地解決電源線、連接器等電子設備的射頻干擾抑制問題。鐵氧體磁環的使用方法比較簡單，在使用的時候只需要將鐵氧體磁環套在線路上，就可以實現對高頻干擾的抑制。也正是由于鐵氧體磁環這種簡單、實用、有效的特點，在電磁兼容性中實現了廣泛的應用。

鐵氧體磁環的主要成分是鐵氧體，這種物質是由鐵的氧化物和其他多種粉末狀金屬組成的，將上述幾種物質放置在一起，并利用其他設備擠壓并在高溫下燒結，最后形成陶瓷晶體。鐵氧體材料的電磁性能和其加工過程中的高溫加熱時間、溫度相關[1]。

鐵氧體材料的阻抗主要由以下幾部分組成;電阻和感抗，這兩部分都和頻率有關，可以用如下公式表示這三者的關系：Z（f）=R（f）+jwL（f）。其中，電阻和感抗都是頻率的函數。在頻率較低的階段，其阻抗主要類型為感抗，和材料的磁導率有關，可以實現對一些頻率的屏蔽，但是不會對數據線上有用信號的傳遞造成影響。當頻率產生升高的趨勢時，磁導率呈現下降的趨勢，對感抗的增長產生了抑制作用，甚至可能出現感抗降低的情況。在高頻率下，鐵損增加，相應的阻抗Z（f）也保持增加的趨勢，但這時阻抗的主要部分變為鐵損R（f）。當磁性材料中穿過高頻率的能量的時候，電阻性分量就會將這些能量轉變成熱量，最終實現消散。通過這種方式，形成了一個低通濾波器，進一步降低高頻率噪聲信號，同時忽略了低頻的，有用的信號，確保電路能夠正常工作。在工作中，抑制設備對EMI信號的衰減能力一般用插入損耗表示，如果插入損耗越大，那么設備對EMI噪聲的抑制能力就越強。如果鐵氧體磁環在使用前和使用后的壓力分別為E1和E2，那么鐵氧體磁環對噪聲的衰減作用可以用如下公式表示

A=20lg（E1/E2）=20lg（ZS+Z+ZL）/（ZS+ZL）

由上式可以知道，信號源內阻ZS和負載阻抗ZL相加之和越小，鐵氧體磁環的等效阻抗就越大，對高頻率干擾抑制的效果就越好。

2軌道交通電磁兼容性中的鐵氧體磁環應用

在軌道交通設備中牽引逆變器和SIV靜止逆變器是電磁干擾發射最為嚴重的元件，因此在進行軌道交通電磁兼容性設計的時候一定要格外注意這兩部分，這直接影響到整個軌道交通電磁兼容性能[2]。在某個地鐵車輛項目中，牽引逆變器和SIV靜止逆變器沒有滿足EN50121-3-2標準的干擾發射要求，從而導致整個交通車輛上的信號受到干擾，影響了地鐵車輛的正常運行。除此之外，車輛整體的電磁兼容性也沒有達到標準限定值。下面，針對該地鐵車輛項目中的SIV逆變器電磁兼容性進行改造，以此來闡明鐵氧體磁環的詳細應用。

SIV靜止逆變器的輸入電壓為DC1500V，輸出電壓為DC110V和AC380V。對此逆變器進行濾波之后，其電磁兼容性有所好轉，但是還沒有滿足標準要求。在實際的測試中，沒有使用鐵氧體磁環，AC380V輸出電壓傳導噪聲發射顯然超出了限定值[3]。對系統進行分析可以發現，SIV靜止逆變器的兩個輸出電源線之間存在干擾，因此，本文在DC110V的正負線上加上兩個鐵氧體磁環，在AC380V輸出線上增加兩個鐵氧體磁環。并對增加了鐵氧體磁環的系統進行測試，可以發現鐵氧體磁環有效抑制了SIV電源輸出電路的干擾，其電磁兼容性也滿足了標準限定值要求，提升了項目中軌道交通車輛的電磁兼容性能。

在進行鐵氧體磁環選擇的時候，要根據項目實際要求，選擇性狀、尺寸合適的元件。為了確保選擇的準確性，必須明確EMI信號頻率類型和大小、標準要求效果、內徑等。所選擇的鐵氧體抑制材料不一樣，其抑制頻率范圍也不一樣，這實際上和磁導率有關[4]。一般來說，磁導率和適用的抑制頻率之間呈現負相關，也就是磁導率越低，適用抑制的頻率就越高。需要考慮的是，在應用鐵氧體磁環的時候可會出現偏流，并且隨著偏流的增加，磁環的鐵損和阻抗反而減小，當偏流一直增加，在某一時刻會達到飽和。因此，在進行兼容性設計的時候一定要考慮到偏流飽和和插入損耗減小等問題。如果磁導率越小，偏流對損耗產生的影響就越小，偏流也就越不容易呈現飽和的狀態?；诖?，在選擇鐵氧體磁環的時候要盡量選擇磁導率低，橫截面積大的元件。當偏流呈現較大值的時候，可以將電源的正負線同時放進一個磁環，通過這樣的方式防止偏流飽和的情況。

綜上所述，本文首先對鐵氧體磁環的工作原理進行了說明，并結合具體的項目就鐵氧體磁環在軌道交通項目中的應用展開了探討。結果表明，鐵氧體磁環可以較好地提升軌道交通電磁兼容性能，在未來應該更加注重于鐵氧體磁環的設計，不斷改善電磁兼容性能，確保車輛的穩定運行。

參考文獻

[1] 季文娟.軌道交通電子產品電磁兼容性檢測的重要性及技術分析[J].科技風，2019，（29）：102.

[2] 劉雪明，趙塔，馬昭鈺，等.城市軌道交通車輛車載天線電磁兼容性分析與評估[J].鐵道車輛，2018，56（11）：16-19，5.

[3] 劉雪明.軌道車輛電磁兼容試驗標準的應用與探討[J].科學技術創新，2018，（24）：51-52.

[4] 汪星華，郝明遠，王艷琴，等.軌道車輛電磁兼容性標準解析及建議[J].中國高新技術企業，2016，（18）：192-194.