城市交通在城市的發(fā)展過程中愈來愈重要，而城市軌道交通占據(jù)突出的位置。20世紀60年代以來，隨著電力電子技術、計算機控制技術的進步，采用交流調速技術、直線電機驅動的高速磁浮列車應運而生，列車不再通過黏著力牽引，而且爬坡能力更強。在改善城市交通的時候，各個城市根據(jù)自己城市的具體特點選擇交通系統(tǒng)的范圍也更寬。安全、舒適、高密度運行，通過引入新技術達到節(jié)能，保護環(huán)境，降低成本，從結構和性能上采取措施，不斷進行改進，保持先進性是城市軌道交通存在的價值。在城市軌道交通系統(tǒng)中，根據(jù)車輛的特點，采用直線電機作為驅動電機又提供了一種新的選擇。

直線電機地鐵采用直線感應電機牽引，輪軌系統(tǒng)支撐導向，具有技術先進、安全可靠、經(jīng)濟合理以及綠色環(huán)保的特點，是一種新型的城市軌道交通系統(tǒng)。與普通地鐵相比，其能避開建筑物及基礎、地下管線和其他地下構筑物，車輛段占地面積也小，適應山區(qū)城市已無大面積平地可供利用的現(xiàn)狀。

直線電機具有造價低、振動小、噪聲低、爬坡能力強、牽引能力優(yōu)越、通過曲線半徑小、污染小、安全性能好等諸多優(yōu)點，但也存在電機效率較低、感應板養(yǎng)護維修要求較高等不足?？傮w來說，它非常適合大中城市中等運量交通發(fā)展的要求，值得在中國廣泛推廣采用。直線電機的普遍適用情況如下：

1）綜合造價比較低，可以在很多想要建設地鐵而又資金不足的城市進行推廣；

2）中運量、小編組，適用于中等城市；

3）良好的選線性能，非常適用于地形條件比較復雜的城市；

4）可以穿越既有線路，避開城市建筑物，可作為線網(wǎng)中的支線或加密線；

5）低噪聲、低振動，可以修建在一些城市中心區(qū)，既疏散客流又作為城市景觀線；

6）在不良天氣條件下可以安全行駛，適合在雨雪較多的城市修建高架軌道交通系統(tǒng)。

1.直線電機的工作原理

通常，電動機是旋轉型的。定子包圍著圓筒形的轉子，定子形成磁場，在轉子中流過電流，使轉子產(chǎn)生旋轉力矩。而直線電機則是將兩個圓筒形部件展開成平板狀，面對面，定子在相應于轉子移動的長度方向上延長，轉子通過一定的方式被支承起來，并保持穩(wěn)定，形成轉子和定子之間的空隙。

直流電機、感應電機、同步電機等都可做成直線電機，但是，直流電機在結構上無法做成無整流子型，所以，直線電機一般為感應電動機和同步電動機。這些交流電動機的1次側有作為定子側的，也有作為轉子側即移動體側的。例如，超導磁懸浮中，同步電動機的定子（地上）是1次側，旋轉磁場在地上移動；而地鐵的直線電機，感應電動機的旋轉磁場裝在車上，2次側固定在地上。前者的空隙靠左右導向線圈保持，而后者靠車輪保持。

產(chǎn)生推進力的原理與電動機產(chǎn)生力矩的原理一樣，在直線電機地鐵中，安裝在轉向架上的直線電動機沿前進方向產(chǎn)生移動磁場。讓面對該磁場、安裝在地上的反作用板（相當于2次線圈）中通過2次電流（渦電流），由這個2次電流切割磁場產(chǎn)生的力作為反作用力，安裝在轉向架上的直線電動機得到推進力。

直線電機的基本缺點是很難將定子與轉子空隙做成象旋轉式電機那么小，旋轉式是無限循環(huán)的，而直線電動機是有端頭的。為此，泄漏磁通多，電氣—機械能量轉換的效率低，如果要得到相同的輸出，逆變器的容量需要比旋轉式大。

2.直線電機電動車的特點

在使用旋轉式電機的電動車中，一般是通過齒輪減速將旋轉力矩轉換為列車的牽引力，同時也受到輪軌間粘著的限制。

直線電機電動車的推進力和制動力都利用直線電機，如上所述，有1次側在車上和地上2種。1次側在車上時，要將VVVF逆變器和直線電機裝載在車上，使車輛重量增加，車輛價格高；但在地面上的設備僅只有反作用板，又降低了建設費用。1次側在車上的方式已在一部分地鐵得到了實際應用。

在直線電機的電動車中，推進力由鋪設在鋼軌間的反作用板直接傳遞，所以不受粘著的限制，有可能從滑行和空轉產(chǎn)生的各種問題中解脫出來，有利于通過大坡道（最大坡度可達60‰～80‰）和小半徑曲線（最小半徑為50m）的線路。此外，由于直線電機無轉動部件，所以不需要軸承和潤滑機構，使之結構簡單，延長壽命，這是其最大的特點。

在旋轉電動機中，旋轉力矩與其直徑的平方成正比，所以要得到大的旋轉力矩，電動機的直徑就要增大，在直線電機中，這相當于將相應的部分在長度方向延長，而高度方向可以減小。在大型電機中，如果是1級齒輪減速，車輪直徑也必須加大；而在直線電機驅動中，則不必如此，所以，可以減小車輪的直徑，這將使車輛的地板面的高度降低。

以上的優(yōu)點就是小斷面地鐵采用直線電機電動車的理由。

但是，直線電機的效率低，與相同的地鐵比，電力的消耗量多，除這個缺點外，上述的優(yōu)點也有不能充分發(fā)揮的時候。因為不受粘著限制，所以在牽引時，線路的坡度可以取大；但是，在制動時，如果電氣制動失效，就必須依賴于機械制動，這受粘著控制，所以，線路的坡度又不能太大。此外，由于直線電機是扁平狀的設備，車輛地板面的高度可以降低，這時車輪的直徑也可以減小。但直徑小的車輪磨耗會加快，所以實際上不能太小。由于扁平狀直線電機的長度可以加長，所以，一臺轉向架裝一臺電機即可，這就是現(xiàn)在的直線電機地鐵為全動車編組的理由之一。

3直線電機電動車在日本的應用和發(fā)展

3.1直線電機地鐵

在建設地鐵的成本中，開鑿地下隧道的成本占了很大一塊，采用直線電機電動車對降低開鑿地下隧道的成本，從而對降低整個地鐵的建設成本非常有利。以日本為例，普通地下鐵隧道的直徑為5.8m，而直線電機地鐵隧道的直徑為4.0～4.3m，見圖1。可以估算，后者隧道工程的開鑿量可比前者減少1/3左右，這意味著地鐵的成本將大大下降。此外，與旋轉電機相比，直線電機的形狀平坦，因而可以降低車輛地板面高度和減少整個車輛尺寸，但這并不影響車輛內(nèi)部的空間，即不會對旅客帶來不便。直線電機只是產(chǎn)生車輛的驅動力，車輛仍使用鋼制車輪和鋼軌作為支承和導向系統(tǒng)。

在日本，直線電機地鐵已在東京和大阪投入運用，這2個直線電機地鐵的概況見表1。表中直線電機地鐵車輛的控制系統(tǒng)均為帶再生制動的VVVF逆變器控制，并均采用鋁合金車體，車輛定員為90～100人。圖2為東京都營12-000型直線電機地鐵動車的外形照片。橫濱、神戶、福岡的直線電機地鐵也正在建設或規(guī)劃中。

3.2常導磁懸浮交通系統(tǒng)

常導磁懸浮交通系統(tǒng)與現(xiàn)行的鐵道相比，是全新的交通系統(tǒng)。由于走行裝置與軌道不接觸，所以，噪聲與振動很小，基本上不發(fā)生磨耗，在環(huán)境保護、經(jīng)濟性和維修方面都較為優(yōu)越，利用其可通過大坡道和小半徑曲線線路的特點，作為一種新型城市軌道交通是可行的，經(jīng)過多年的開發(fā)研究，最高速度為100km/h的HSST-100型車輛將在名古屋等城市得到應用。

鄭州微納科技有限公司是專業(yè)研究和生產(chǎn)直線電機的高新科技企業(yè)，在直線電機領域已獲得多項國家專利，處于國內(nèi)領先水平。微納科技為高校研發(fā)的教學直線電機系列，已成功應用于多所高校，取得了良好的效果。