近年来，随着医疗技术水平的提高，植入式医疗设备的临床应用越来越广泛。针对磁浮列车乘客，尤其身体具有植入式医疗设备的特殊乘客，磁浮列车车厢内的电磁环境受到广泛关注。诞生于我国上海的世界上第1条商业运行的电磁悬浮(Electromagnetic Suspension, EMS)型高速磁浮列车轨道专线，利用车载励磁线圈实现磁浮列车的悬浮。列车悬浮工况时，车厢内的乘客暴露于励磁线圈产生的静磁环境中。对于静磁场中的生物效应，TENUZZO等[1]比较研究了6 mT静磁场暴露的细胞生物学效应，发现暴露静磁场可使细胞凋亡率发生不同程度的改变，且与细胞类型和暴露时间有关。AGUILA等[2]通过动物实验发现一定强度的静磁场能调节神经元活动，会导致可逆性视觉缺陷。左红艳等[3]将成年雄性大鼠置于200，400及600 mT的静磁环境中，发现静磁场暴露导致大鼠血液流变学异常，且脑、心、肺、脾、肾多器官血液循环障碍及实质细胞不同程度变性、凋亡和坏死。孟庆楠等[4]以人脑微血管内皮细胞作为观察对象，探讨了不同磁感强度(26，62.5，110.7和215.6 mT)对人脑微血管内皮细胞生物学效应的影响。李义伟等[5]基于静磁场对氧化应激、生物体细胞、人体功能等多方面影响的研究成果，进一步分析了静磁场的生物效应，发现静磁场对身体各功能并非同等影响。可见，静磁场对生物体存在电磁生物效应。EMS型高速磁浮列车轨道由一跨一跨的轨道梁连接，磁浮列车的悬浮与轨道功能区有关。考虑轨道成本、维护以及轨道变形等因素，轨道功能区由分段的功能件、定子铁芯等组成。分段的轨道功能件、定子铁芯在梁跨内和相邻梁跨间存在衔接间隙，尤其是相邻梁跨间存在更大的衔接安装间隙。磁浮列车励磁线圈强电磁耦合悬浮过程中，间隙的存在会使励磁线圈产生的静磁场更多地泄漏到周围空间。尽管相关学者对磁浮列车悬浮系统的悬浮电磁特性做了许多研究，例如，范屹立等[6]利用有限元软件ANSYS仿真计算了磁浮列车悬浮电磁铁芯高度对铁芯磁通密度、悬浮电磁力等的影响，薄凯等[7]研究了悬浮电磁铁芯的不同电工软磁材料以及铁心截面几何结构参数对悬浮电磁特性的影响，章九鼎等[8]研究了常导磁浮列车直线电机齿槽对悬浮力波动、励磁铁芯损耗等的影响，黎松奇等[9]基于EMS混合悬浮系统，分析了2种电磁永磁混合磁铁悬浮结构模型中铁芯漏磁和永磁体极间漏磁对悬浮工作磁路的影响，罗茹丹等[10]在研究高速磁浮轨道长定子铁心叠片间短路对行波主漏磁场变化规律影响的同时，研究了悬浮漏磁场的衰减特征，但鲜有文献关注轨道功能区间隙大小对悬浮磁极静磁场电磁泄漏的影响。磁浮列车作为一种载客交通工具，现阶段仅有EMS型中低速和高速磁浮列车技术实现了商业运用[11]。考虑到泄漏电磁场的生物电磁兼容，相关学者围绕EMS型磁浮列车泄漏磁场的电磁暴露问题已进行了部分研究[12-14]。针对EMS型磁浮列车静磁场的电磁暴露问题，相关研究关注了EMS型中低速磁浮交通电磁暴露问题，例如，虞凯[15]分析了中低速磁浮交通电磁辐射原理，通过Maxwell软件对悬浮电磁铁产生的直流稳态磁场进行仿真分析，结果表明车体周围存在悬浮电磁铁产生的直流稳态磁场；齐洪峰[16]基于有限元法仿真计算了中低速磁浮列车励磁磁极泄露磁场，结合国际非电离辐射防护委员会(International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, ICNIRP)静磁场暴露限值，对车厢内部的直流磁场进行了安全评估。尽管EMS型中低速和高速磁浮列车的驱动分别由短定子直线感应电机和长定子直线同步电机实现，但列车的悬浮均由车载直流励磁悬浮磁极与轨道相互吸引支撑[17-18]，对于EMS型高速磁浮列车车厢内乘客，同样有受到悬浮直流励磁磁极泄露静磁场暴露风险。EMS型高速磁浮列车系统泄露静磁场对人体影响主要来自从间隙处泄漏的磁通量[19]，然而考虑磁浮轨道间隙，计算泄露静磁场在EMS型高速磁浮列车车厢内乘客身体具体分布，量化评估静磁暴露对乘客健康风险的相关报道较少。本文围绕EMS型高速磁浮列车轨道功能区间隙，通过改变分段的功能件、定子铁芯衔接间隙大小，以及移动定子铁芯安装位置，对比研究相邻梁跨间和梁跨内磁浮列车静止悬浮工况时，励磁线圈产生的静磁场在轨道平面及以上空间的分布特征；建立EMS型高速磁浮列车模型、人体模型，仿真计算励磁线圈产生的静磁场在相邻梁跨轨道功能区间隙较大处上方车厢内乘客身体的分布情况，尤其在植入式心脏起搏器脉冲发生装置常见手术植入区域的电磁特性；借助国内外电磁兼容标准，量化评估励磁线圈在车厢内产生的静磁场对乘客健康的风险，为进一步减小、优化磁浮列车系统电磁暴露提供数据参考。
1 仿真模型
1.1 轨道与车体模型
EMS型高速磁浮列车以上海运营的TR型磁浮列车为代表，磁浮列车轨道与车体如图1所示。为研究EMS型高速磁悬浮列车系统悬浮励磁线圈静磁暴露对车厢内客室乘坐区乘客健康影响，本文以单节车厢的一个客室为研究对象，根据磁浮列车尺寸、轨道间隙距离[19]，以及直线电机相关结构参数[8, 20]，建立磁悬浮列车车体模型和轨道模型，如图2所示。
1.2 乘客模型
为评估泄漏静磁场电磁暴露安全风险，考虑到同排不同乘坐位置电磁泄漏情况的差异性，建立同排连坐3人乘客坐姿模型[21]，如图3所示。图3中，乘客头部模型采用国际上通用的简易3层球体头模型，从外到内依次由头皮、颅骨以及大脑组成，尺寸外半径分别为92，85和80 mm[22]。心脏起搏器的核心构件脉冲发生器一般通过手术植入人体锁骨下方的胸部皮下组织，而起搏器脉冲发生器在工作时对周围的电磁环境有特殊试验要求。为探究脉冲发生器手术植入组织区域电磁环境分布特征，鉴于心脏起搏器外形尺寸因品牌、型号和功能而异，根据文献[21]中坐姿人体各部分尺寸以及文献[23]中起搏器半径，选取脉冲发生器的常见手术植入位置及附近人体部位为研究对象，如图4中蓝色的不规则圆柱体区域所示。该几何区域距离坐姿人体脚底水平面的竖直距离为1 010 mm，不规则圆柱体底面半径为70 mm。
2 仿真原理及静磁暴露限值
2.1 有限元分析
磁浮列车车载悬浮电磁铁励磁线圈采用直流励磁，励磁线圈在周围空间产生的磁场可理解为恒定磁场(静磁场)。根据安培环路定律，励磁线圈产生的静磁场在周围媒质及磁浮列车车厢内均满足[24]：
式中：H为磁场强度矢量，A/m；J为电流密度矢量，A/m2；B为磁感应强度(磁通密度)矢量，T；µ为媒质磁导率。考虑到铁磁媒质在静磁场影响下产生磁化电流，因此悬浮磁极励磁线圈在空气中产生的电磁场可以认为是由励磁线圈电流I和磁化电流共同产生的。为简化分析，对该电磁系统引入如下假设：1) 假设整个研究域有2种媒质，分别为空气和铁磁媒质；2) 铁磁媒质呈线性不饱和特性；3) 铁磁材料不存在磁滞情况，并设其为各向同性铁磁媒质。根据恒定磁场镜像法，磁化电流对空气媒质P1点的磁场贡献可等效为镜像电流I1的贡献，铁磁媒质P2点的磁场由镜像电流I2产生，如图5所示。
由于
式中：
即分界面上磁矢位A满足边界条件：
由式(7)可知，镜像电流I1受到了研究域中铁磁材料磁导率影响。由于人体属非铁磁媒质，可认为磁导率和空气磁导率大小一样，取值均为真空磁导率µ0。由式(4)、式(7)可得，辐射源励磁线圈在车厢内、乘客身体组织中产生的磁感应强度B和H为：
通过对求解域简化处理后的推理分析可知，车厢内乘客静磁场电磁暴露除了受励磁电流和乘客到辐射源距离影响外，一定程度上还受到铁磁媒质磁导率的影响。考虑到求解域中铁磁媒质材质属性、转子和定子齿槽结构以及励磁线圈的几何形状等因素，为求得接近实际情况的精确数值解，用解析方法计算非线性以及复杂结构的直线电机电磁场问题非常棘手，实际应用中可借助有限元法来处理。有限元法是一种能将磁场的连续问题离散化，适应复杂形态场域边界条件的数值解法。因
鉴于求解域中EMS高速磁浮列车直流励磁线圈辐射源电磁场分布的简化解析计算分析以及有限元法数值计算磁感应强度B的基本原理，本文使用基于有限元方法的仿真软件COMSOL，建立求解域模型，对建立模型进行铁磁、非铁磁媒质材质属性设置，利用AC/DC模块中磁场接口，用域线圈特征对辐射源施加直流激励。通过网格大小设置，对人体、车厢、功能件、励磁线圈、定转子铁芯以及空气域进行网格细密剖分，将研究域离散成较小的有限离散网格单元。通过线圈几何分析，数值迭代求解未知量磁矢位A的有限元方程组，研究辐射源励磁线圈产生的静磁场分布。仿真空气域的长、宽、高分别为20 000，8 000和8 000 mm，计算内存选用500 G，仿真时空气区域外边界上施加磁绝缘边界条件
2.2 静磁暴露限值
针对静磁场生物电磁兼容，ICNIRP在2009年公布了《静磁场暴露限制导则》，该导则中推荐对一般公众身体任何部位的暴露限值为400 mT，但此暴露限值不适合身体具有植入式电子医疗设备的人员[25]。为确保身体具有植入式心脏起搏器的人员受电磁暴露影响，现行的强制性国家标准GB 16174.2—2015《手术植入物 有源植入式医疗器械第2部分：心脏起搏器》中提到，植入式脉冲发生器置于磁感应强度高达1 mT的静磁场中不应被影响[26]。EMS型高速磁浮列车的悬浮依靠直线电机的强电磁耦合实现，而现行推荐性国家标准GB/T 32383—2020《城市轨道交通直线电机车辆通用技术条件》中要求车辆在客室内产生的静磁场限值不应大于1 mT[27]。为评估高速磁浮列车车厢内乘客静磁场电磁暴露健康安全风险，本文在ICNIRP静磁场导则限值基础上，主要以车厢客室内磁通密度上限值为1 mT进行量化评估。
3 轨道间隙对电磁泄漏的影响
3.1 间隙大小对电磁泄漏的影响
为方便轨道功能区安装调整以及维护管理等原因，轨道线路铺设过程中，分段功能件、定子铁芯存在如图6所示的衔接间隙，衔接处功能件和定子间隙距离如表1所示。围绕图2中车厢模型，建立悬浮电磁铁励磁线圈辐射源模型如图7所示，定子铁芯、轨道功能件以及励磁线圈的位置结构和有限元剖分网格如图8所示。图7中，铁芯使用硅钢材质，励磁线圈为270匝的铝材质，线圈激励电流为25 A。
| 衔接间隙 | 取值 |
|---|---|
| 间隙1处功能件衔接间隙L1/mm | 70 |
| 间隙1处定子衔接间隙l1/mm | 100 |
| 间隙2处功能件衔接间隙L2/mm | 12.5 |
| 间隙2处定子衔接间隙l2/mm | 5 |
不考虑定子电枢绕组影响，6个整体悬浮电磁铁励磁线圈产生的|B|在E-F方向y=-92.5 mm平面和轨道滑行表面分布情况分别如图9(a)、图9(b)所示。由图9可知，由于分段功能区衔接处轨道功能件和定子间隙的存在，励磁线圈产生的磁通一部分通过衔接间隙泄漏到周围空间，且在衔接间隙相对较大的间隙1位置附近电磁泄漏更为明显。当衔接间隙变化后，轨道滑行表面|B|的分布情况如图10所示，衔接处轨道功能件、定子铁芯间隙的变小，能有效减小励磁线圈产生的静磁场漏磁。磁浮列车悬浮工况时，励磁线圈产生的主磁通经过转子铁芯和定子铁芯形成闭合回路，由于功能件、定转子铁芯的几何结构和材质属性，分段功能件、定子铁芯间隙的变小，改变了励磁线圈产生的静磁场的磁路分布，减小了主磁通磁路中空气间隙段磁阻，影响了漏磁的大小。比如图10(a)、图10(c)，分段功能件和定子铁芯衔接间隙L1、l1距离分别从70 mm、100 mm减小到0、0，|B|在轨道滑行表面最大值从947 µT减小到了779 µT。同样，当轨道间隙L1、l1、L2、l2分别取图10(a)和图10(e)中的间隙值时，通过仿真研究发现，图10(e)中轨道平面泄漏|B|的最大值相比图10(a)中的最大值减少了约84.2%，而图10(a)中励磁线圈产生的主磁通经过过大的轨道间隙时，磁阻的变大允许磁场在空气中自由扩散，致使有更多的静磁场泄漏。
3.2 间隙相对位置对电磁泄漏的影响
尽管减小间隙可以减少励磁线圈电磁泄漏，但考虑轨道功能区安装、维护等需求，不改变间隙距离大小，基于表1中间隙距离，分别仿真计算梁跨内、相邻梁跨间轨道功能件衔接间隙和定子衔接间隙(相邻功能件之间)位置的移动错位对励磁线圈电磁泄漏的影响。由于磁浮线路非完全直线，磁浮轨道功能区布设过程中，选用长度主要为3 096 mm的分段功能件和1 032 mm的分段定子铁芯来组建，故对模型中各分段功能区对应定子铁芯整体分别进行x方向的0，-1 032，-1 548以及-2 046 mm的移动。
间隙相对移动后，梁跨内轨道平面及上方600 mm平面y=-92.5 mm处|B|的变化分别如图11(a)、图11(b)所示，相邻梁跨间轨道平面y=-92.5 mm处和轨道上方600 mm平面y=-92.5 mm处|B|的变化分别如图12(a)、图12(b)所示。尽管定子铁芯4种不同程度的移动会使泄露磁场在轨道平面及上方空间呈现不同分布，但唯有定子铁芯整体移动-1 548 mm时，轨道平面和轨道上方600 mm平面的y=-92.5 mm处有相对较少的静磁场泄漏，如图11、图12中红色实线所示。由于磁浮轨道分段功能件的基本长度为3 096 mm，定子铁芯整体移动-1 548 mm后，轨道定子铁芯衔接间隙基本位于单个轨道功能件的中间位置，定子铁芯和功能件的这种几何位置关系，使建立的模型中，多励磁线圈辐射源在轨道平面及以上空间产生的泄漏静磁场受到了定子铁芯间隙和轨道功能件衔接间隙泄漏磁场之间的相互耦合影响。
4 乘客电磁暴露
4.1 乘客人体头部|B|分布
磁浮列车悬浮工况时，相邻梁跨间的间隙1处存在更明显的电磁泄漏现象。根据表1中轨道间隙距离，基于图7所示励磁线圈辐射源模型，将图3建立的同排连坐3人乘客坐姿人体模型置于轨道间隙1位置上方的磁浮列车车厢内，如图13所示。车厢面板材质为铝的磁浮列车悬浮工况时，图13位置的车厢内乘客头部|B|的分布特征如图14。
由图14可知，乘客乘坐位置不同，头部模型中励磁线圈产生的|B|的大小不同；同排连坐3位乘客中，励磁线圈产生的电磁泄漏对车厢内靠近中间过道的乘客C头部影响相对较大，对靠近窗户的乘客A头部影响相对较小；球体头部模型中，|B|随着竖直距离的增大有变小趋势，且励磁线圈在同排连坐3位乘客头部模型中产生的|B|的最大值约为18.7 µT。大脑组织处于3层球体头部模型中最里层位置，励磁线圈产生的|B|在球体头部大脑中的分布如图15所示，同排连坐3位乘客A、B、C大脑组织中，励磁线圈产生的|B|的最大值分别约为17.95，18.38和18.60 µT。可见，乘客C大脑中|B|的最大值同样相对最大，乘客A大脑中|B|的最大值相对最小。
4.2 乘客人体躯干|B|分布
ICNIRP制定的静磁场暴露限制导则中，磁通密度一般公众暴露限值不仅用于人体头部，对人体躯干也同样要求不能超过其推荐限值。当车厢乘客乘坐相邻梁跨间隙1上方位置时，悬浮励磁线圈产生的|B|在人体躯干的分布如图16所示。
由图16可知，磁浮列车悬浮励磁线圈产生的|B|在乘坐3人连排座位的乘客身体各部位的分布大小存在差异，3位乘客躯干|B|的最大值约为34.2 µT；乘客身体下半部位，尤其小腿和脚部颜色更偏红，意味着励磁线圈产生的|B|相对较大，且对于乘客A和C左右小腿和脚部，紧靠中间乘客B的小腿和脚部受电磁暴露影响相对更严重。由于轨道功能件侧面导向板为软磁结构钢，励磁线圈产生的静磁场受到侧面导向板的干预，对车厢内乘客身体静磁暴露会产生一定影响，尤其是对于乘客A。尽管同排3位乘客躯干|B|的大小分布不同，但均小于推荐性国家标准GB/T 32383—2020中客室内静磁场限值不应大于1 mT的要求，远小于ICNIRP静磁场暴露导则中推荐的400 mT限值。
为评估磁浮列车车厢内具有心脏起搏器的特殊乘客受励磁线圈产生的静磁场电磁环境影响，本文对图4建立的心脏起搏器脉冲发生器安装区域电磁环境进行仿真，仿真区域|B|的分布如图17示。由图17可知，同排连坐3人乘客中，心脏起搏器脉冲发生器安装区域|B|的最大值约为19.8 µT，且最大值位于乘客C身体部位，对比强制性国家标准GB 16174.2—2015，|B|在心脏起搏器脉冲发生装置手术植入区域小于标准GB 16174.2—2015中提到的1 mT设备试验值。
5 结论
1) 励磁线圈静磁场泄漏随着分段的轨道功能区衔接间隙距离的减小而变小，且当分段轨道功能件无间隙、定子铁芯间隙距离均为5 mm时，轨道滑行表面|B|的最大值约为150 µT；移动分段功能件下方固定的定子铁芯，使相邻分段功能区彼此之间的定子衔接间隙与功能件衔接间隙错位，可影响励磁线圈在轨道上方的电磁泄漏，且当定子铁芯移动-1 548 mm时，轨道平面及上方600 mm平面y=-92.5 mm处励磁线圈产生的电磁泄漏均明显减小。
2) 磁浮列车直流悬浮励磁线圈在车厢内存在电磁泄漏现象，轨道间隙L1、L2、l1、l2分别为70、12.5、100和5 mm时，位于相邻梁跨间隙1上方位置车厢内同排连坐3位乘客身体部位|B|的最大值约为34.2 µT；乘客3层球体头部模型中|B|的最大值约为18.7 µT，心脏起搏器脉冲发生装置手术植入区域|B|的最大值约为19.8 µT；3位乘客中，靠近车厢中间过道乘客C的头部和心脏起搏器脉冲发生装置手术植入区域的|B|均相对较大，受直流励磁线圈电磁暴露的风险较大。
3) 车厢内同排连坐3人在相邻梁跨间间隙上方时，直流励磁线圈在车厢内乘客身体各部位产生的|B|均未超出国家标准GB/T 32383—2020中客室内静磁场限值不应大于1 mT的要求，且远小于ICNIRP静磁场暴露导则中推荐的400 mT限值，对乘客A、B、C的健康不会造成较大影响；乘客心脏起搏器脉冲发生器手术植入区域直流励磁线圈产生的|B|未超出强制性国家标准GB 16174.2—2015中1 mT的设备试验值，直流励磁线圈在车厢内产生的电磁暴露对具有植入式心脏起搏器的乘客健康风险影响较小。
4) 基于构建的仿真模型，通过计算并评估车厢内乘客受辐射源励磁线圈静磁暴露的健康风险，为EMS型高速磁浮列车系统车厢内乘坐乘客电磁暴露剂量学的研究提供数据参考。同时，通过分析轨道功能区衔接间隙对轨道上方空间励磁线圈静磁场泄漏的影响，提出可以减小励磁线圈静磁场泄漏的优化方法，为车厢内静磁环境的改善提供解决方案。
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