直线电机在城市轨道交通系统中的应用

摘要：介绍了直线电机工作原理和直线电机电动车特点，以及日本利用直线电机的地铁
和常导磁悬浮交通系统发展的概况。
    城市交通在城市的发展过程中愈来愈重要，而城市轨道交通占据突出的位置。由于近年
来科学技术的发展和进步，包括地铁、轻轨交通、单轨交通、新交通系统以及磁悬浮交通系
统等城市轨道交通的形式变化多样。在改善城市交通的时候，各个城市根据自己城市的具
体特点选择交通系统的范围也更宽。安全、舒适、高密度运行，通过引入新技术达到节能，
保护环境，降低成本，从结构和性能上采取措施，不断进行改进，保持先进性是城市轨
道交通存在的价值。在城市轨道交通系统中，根据车辆的特点，采用直线电机作为驱动电
机又提供了一种新的选择。
1 直线电机的工作原理
    通常，电动机是旋转型的。定子包围着圆筒形的转子，定子形成磁场，在转子中流过电
流，使转子产生旋转力矩。而直线电机则是将两个圆筒形部件展开成平板状，面对面，定
子在相应于转子移动的长度方向上延长，转子通过一定的方式被支承起来，并保持稳定 ，
形成转子和定子之间的空隙。
    直流电机、感应电机、同步电机等都可做成直线电机，但是，直流电机在结构上无法做
成无整流子型，所以，直线电机一般为感应电动机和同步电动机。这些交流电动机的 1 次
侧有作为定子侧的，也有作为转子侧即移动体侧的。例如，超导磁悬浮中，同步电动机的
定子（地上）是 1 次侧，旋转磁场在地上移动；而地铁的直线电机，感应电动机的旋转
磁场装在车上，2 次侧固定在地上。前者的空隙靠左右导向线圈保持，而后者靠车轮保持。

    产生推进力的原理与电动机产生力矩的原理一样，在直线电机地铁中，安装在转向架
上的直线电动机沿前进方向产生移动磁场。让面对该磁场、安装在地上的反作用板（相当
于 2 次线圈）中通过 2 次电流（涡电流），由这个 2 次电流切割磁场产生的力作为反作
用力，安装在转向架上的直线电动机得到推进力。
    直线电机的基本缺点是很难将定子与转子空隙做成象旋转式电机那么小，旋转式是无

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限循环的，而直线电动机是有端头的。为此，泄漏磁通多，电气 机械能量转换的效率低，
如果要得到相同的输出，逆变器的容量需要比旋转式大。
2 直线电机电动车的特点
    在使用旋转式电机的电动车中，一般是通过齿轮减速将旋转力矩转换为列车的牵引力，
同时也受到轮轨间粘着的限制。
    直线电机电动车的推进力和制动力都利用直线电机，如上所述，有 1 次侧在车上和地
上 2 种。1 次侧在车上时，要将 VVVF 逆变器和直线电机装载在车上，使车辆重量增加，
车辆价格高；但在地面上的设备仅只有反作用板，又降低了建设费用。1 次侧在车上的方
式已在一部分地铁得到了实际应用。
    在直线电机的电动车中，推进力由铺设在钢轨间的反作用板直接传递，所以不受粘着
的限制，有可能从滑行和空转产生的各种问题中解脱出来，有利于通过大坡道（最大坡
度可达 60‰～80‰）和小半径曲线（最小半径为 50 m）的线路。此外，由于直线电机无
转动部件，所以不需要轴承和润滑机构，使之结构简单，延长寿命，这是其最大的特点。
    在旋转电动机中，旋转力矩与其直径的平方成正比，所以要得到大的旋转力矩，电动
机的直径就要增大，在直线电机中，这相当于将相应的部分在长度方向延长，而高度方
向可以减小。在大型电机中，如果是 1 级齿轮减速，车轮直径也必须加大；而在直线电机