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。由于近年來科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，包括地鐵、輕軌交通、單軌交通、新交通系統(tǒng)以及磁懸浮交通系統(tǒng)等城市軌道交通的形式變化多樣。在改善城市交通的時(shí)候，各個(gè)城市根據(jù)自己城市的具體特點(diǎn)選擇交通系統(tǒng)的范圍也更寬。安全、舒適、高密度運(yùn)行，通過引入新技術(shù)達(dá)到節(jié)能，保護(hù)環(huán)境，降低成本，從結(jié)構(gòu)和性能上采取措施，不斷進(jìn)行改進(jìn)，保持先進(jìn)性是城市軌道交通存在的價(jià)值。在城市軌道交通系統(tǒng)中，根據(jù)車輛的特點(diǎn)，采用直線電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)又提供了一種新的選擇。

1 直線電機(jī)的工作原理

      通常，電動(dòng)機(jī)是旋轉(zhuǎn)型的。定子包圍著圓筒形的轉(zhuǎn)子，定子形成磁場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子中流過電流，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩。而直線電機(jī)則是將兩個(gè)圓筒形部件展開成平板狀，面對(duì)面，定子在相應(yīng)于轉(zhuǎn)子移動(dòng)的長(zhǎng)度方向上延長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子通過一定的方式被支承起來，并保持穩(wěn)定，形成轉(zhuǎn)子和定子之間的空隙。

      直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、同步電機(jī)等都可做成直線電機(jī)，但是，直流電機(jī)在結(jié)構(gòu)上無法做成無整流子型，所以，直線電機(jī)一般為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)。這些交流電動(dòng)機(jī)的1次側(cè)有作為定子側(cè)的，也有作為轉(zhuǎn)子側(cè)即移動(dòng)體側(cè)的。例如，超導(dǎo)磁懸浮中，同步電動(dòng)機(jī)的定子（地上）是1次側(cè)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在地上移動(dòng)；而地鐵的直線電機(jī)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)裝在車上，2次側(cè)固定在地上。前者的空隙靠左右導(dǎo)向線圈保持，而后者靠車輪保持。

      產(chǎn)生推進(jìn)力的原理與電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生力矩的原理一樣，在直線電機(jī)地鐵中，安裝在轉(zhuǎn)向架上的直線電動(dòng)機(jī)沿前進(jìn)方向產(chǎn)生移動(dòng)磁場(chǎng)。讓面對(duì)該磁場(chǎng)、安裝在地上的反作用板（相當(dāng)于2次線圈）中通過2次電流（渦電流），由這個(gè)2次電流切割磁場(chǎng)產(chǎn)生的力作為反作用力，安裝在轉(zhuǎn)向架上的直線電動(dòng)機(jī)得到推進(jìn)力。

      直線電機(jī)的基本缺點(diǎn)是很難將定子與轉(zhuǎn)子空隙做成象旋轉(zhuǎn)式電機(jī)那么小，旋轉(zhuǎn)式是無限循環(huán)的，而直線電動(dòng)機(jī)是有端頭的。為此，泄漏磁通多，電氣—機(jī)械能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)式大。

2 直線電機(jī)電動(dòng)車的特點(diǎn)

      在使用旋轉(zhuǎn)式電機(jī)的電動(dòng)車中，一般是通過齒輪減速將旋轉(zhuǎn)力矩轉(zhuǎn)換為列車的牽引力，同時(shí)也受到輪軌間粘著的限制。

      直線電機(jī)電動(dòng)車的推進(jìn)力和制動(dòng)力都利用直線電機(jī)，如上所述，有1次側(cè)在車上和地上2種。1次側(cè)在車上時(shí)，要將VVVF逆變器和直線電機(jī)裝載在車上，使車輛重量增加，車輛價(jià)格高；但在地面上的設(shè)備僅只有反作用板，又降低了建設(shè)費(fèi)用。1次側(cè)在車上的方式已在一部分地鐵得到了實(shí)際應(yīng)用。

      在直線電機(jī)的電動(dòng)車中，推進(jìn)力由鋪設(shè)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(zhuǎn)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(dá)60‰～80‰）和小半徑曲線（最小半徑為50 m）的線路。此外，由于直線電機(jī)無轉(zhuǎn)動(dòng)部件，所以不需要軸承和潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)，使之結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，延長(zhǎng)壽命，這是其最大的特點(diǎn)。

      在旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)中，旋轉(zhuǎn)力矩與其直徑的平方成正比，所以要得到大的旋轉(zhuǎn)力矩，電動(dòng)機(jī)的直徑就要增大，在直線電機(jī)中，這相當(dāng)于將相應(yīng)的部分在長(zhǎng)度方向延長(zhǎng)，而高度方向可以減小。在大型電機(jī)中，如果是1級(jí)齒輪減速，車輪直徑也必須加大；而在直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(diǎn)就是小斷面地鐵采用直線電機(jī)電動(dòng)車的理由。

      但是，直線電機(jī)的效率低，與相同的地鐵比，電力的消耗量多，除這個(gè)缺點(diǎn)外，上述的優(yōu)點(diǎn)也有不能充分發(fā)揮的時(shí)候。因?yàn)椴皇苷持拗?，所以在牽引時(shí)，線路的坡度可以取大；但是，在制動(dòng)時(shí)，如果電氣制動(dòng)失效，就必須依賴于機(jī)械制動(dòng)，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(jī)是扁平狀的設(shè)備，車輛地板面的高度可以降低，這時(shí)車輪的直徑也可以減小。但直徑小的車輪磨耗會(huì)加快，所以實(shí)際上不能太小。由于扁平狀直線電機(jī)的長(zhǎng)度可以加長(zhǎng)，所以，一臺(tái)轉(zhuǎn)向架裝一臺(tái)電機(jī)即可，這就是現(xiàn)在的直線電機(jī)地鐵為全動(dòng)車編組的理由之一。

3 直線電機(jī)電動(dòng)車在日本的應(yīng)用和發(fā)展

3.1  直線電機(jī)地鐵

      在建設(shè)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(jī)電動(dòng)車對(duì)降低開鑿地下隧道的成本，從而對(duì)降低整個(gè)地鐵的建設(shè)成本非常有利。以日本為例，普通地下鐵隧道的直徑為5.8 m，而直線電機(jī)地鐵隧道的直徑為4.0～4.3 m，見圖1?？梢怨浪?，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(zhuǎn)電機(jī)相比，直線電機(jī)的形狀平坦，因而可以降低車輛地板面高度和減少整個(gè)車輛尺寸，但這并不影響車輛內(nèi)部的空間，即不會(huì)對(duì)旅客帶來不便。直線電機(jī)只是產(chǎn)生車輛的驅(qū)動(dòng)力，車輛仍使用鋼制車輪和鋼軌作為支承和導(dǎo)向系統(tǒng)。

      在日本，直線電機(jī)地鐵已在東京和大阪投入運(yùn)用，這2個(gè)直線電機(jī)地鐵的概況見表1。表中直線電機(jī)地鐵車輛的控制系統(tǒng)均為帶再生制動(dòng)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(yíng)12-000型直線電機(jī)地鐵動(dòng)車的外形照片。橫濱、神戶、福岡的直線電機(jī)地鐵也正在建設(shè)或規(guī)劃中。

3.2  常導(dǎo)磁懸浮交通系統(tǒng)

      常導(dǎo)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(dòng)很小，基本上不發(fā)生磨耗，在環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)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(diǎn)，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(yīng)用。