摘要

直线电机的全称是直线感应电机（Linear Induction Motor，LIM），LIM牵引系统结构简单、能耗小、造价低，在轨道交通中广泛应用。因磁路开断、初次级间隙大等特性，LIM的分析较传统电机更复杂。文章总结了轨道交通用LIM牵引系统的优点，介绍了四种主要结构和研究进展，探讨了轨道交通用LIM的一些关键技术难题。

1 直线电机驱动系统的优点

LIM牵引系统是一种轮轨支撑及导向、非黏着直接驱动的新型交通方式，近年来在低速磁浮列车、地铁、轻轨中广泛应用。LIM是由旋转感应电机（Rotating Induction Motor,RIM）沿纵向剖开，横向展平后形成。RIM的定子对应LIM的初级，转子对应次级，力矩对应推力。

和RIM驱动系统相比，LIM系统有如下优点。1整体能耗低。系统直接驱动，取消中间齿轮箱等机械传递。LIM轨道交通能耗与常规地铁相当，比轻轨省电50%左右。2转弯半径小。采用径向转向架，线路曲线半径可减少到80m（传统地铁是300m）。在温哥华，最小曲线半径达50m。小曲线半径大大增加了选线灵活性，可减少建筑物的拆迁量。车辆在平面上拐弯自如，可方便地绕过城市建筑物。

3爬坡能力强。列车前进靠磁力推动，钢轮仅起支撑和导向作用。具有优良的动力性能、爬坡能力，最大坡度为8％，远大于传统轮轨系统的(3-4)％，加速度最高达1.2m/s^2。因此选线时较自由，可直接穿过较陡的山坡、障碍物，也可设置较陡的高架，线路大为缩短。

4隧道盾构面减小，建设成本降低。日本福冈3号线的隧道盾构面为22平方米，1、2号线传统IM的断面为41平方米，土方面积减少了47％。因此LIM地铁系统造价大为减少。

5噪音小，维护简单。轮轨只起支撑作用，列车靠电磁推力前进，噪音仅有65-74dB，比轻轨低10dB以上，列车可从窗户旁通过而不影响人的休息。次级放在轨道上，结构简单牢固，车轮对轨道的磨损很小，系统维护费用仅为传统轮轨的1/5，运营成本大大降低。

2 交通用LIM的主要结构

交通中直线电机常见结构分4类：短初级单边LIM、短次级单边LIM、短初级双边LIM、短次级双边LIM。其中 短初级是把初级放在车上，短次级是把初级放在地面上，双边是指一台电机有两个对称的初级绕组。

(a)短初级单边LIM

(b)短次级单边LIM

（c）短初级双边LIM

（d）短次级双边LIM

与短次级LIM相比，短初级LIM的优点是：1）运行耗能较小。2）功率吸收较好。3）次级可以是一块导电板，结构简单，造价低，维修方便。

单边LIM特点：1）水平安装，在横向上可自由移动，简化了车辆和轨道间的转辙问题。2）气隙控制有一定波动范围。3）反应轨热膨胀不产生任何严重问题。4）导轨垂直方向有作用力，有效利用可以抵消部分车体重量。5）简化车辆的开关配电设备，导轨结构简单，容易做到单边结构和导轨的混用。

双边LIM特点：1）垂直次级（反应轨结构）在道路交叉口和转辙点灵活性较差，活动范围小。2）电机和地面之间有适当的距离，导致反应轨的宽度大于电气性能宽度。为保证结构牢固，就必须增加反应轨厚度，导致造价增加。3）气隙大小必须严格控制，否则会影响推力，控制难度大。4）结构对称，不存在导轨垂直方向的作用力。

因此， 实际交通系统多采用单边短初级LIM。3 交通用LIM的研究进展

LIM最早出现于19世纪，主要发达国家都进行了研究。其中最具代表性的是日本的HSST、加拿大的Bombardier，均采用单边短初级LIM。

1922年， 德国工程师Kamper提出了直线电机驱动模型，并在1934年获得了世界上第一项专利。1969-1975间研发了短定子LIM牵引的TR02（1971）和TR04（1974）。

日本从1962年开始LIM牵引系统研究，1975-1990年间成功研制出短定子LIM驱动的HSST系统。在20世纪90年代之前，日本在LIM牵引系统的高速领域做了很多研究，由于电机边端效应影响严重导致推力急剧下降，实际很难应用。日本最后放弃了高速领域的研究，致力于国内低速磁浮系统HSST的开发、直线地铁和轻轨的研制，目前已开始工程应用。

加拿大1975年开始非黏着直线驱动方式研究，1976年确定国内运作需求和工程评估，1980-1983年提出并生产样机， 1986年世界上第一条商业运营的直线牵引温哥华ALRT系统投入运行。经过不断探索，Bombardier直线牵引系统享誉全球。

英国铁路协会1974年在德比进行LIM驱动试验，1984年修建成连接伯明翰机场和国际博览会展区及火车站的LIM驱动铁路线。

美国1989年提出新型LIM驱动系统，1990年交通部对本国10余条线路采用直线牵引系统的可行性进行研究。近年来结合Detroit的直线系统积极开展相关研究。

法国研制出LIM驱动的U-LIM-AS系统，采用马碲型反作用轨道包围的新型电磁式支承结构，现以STAR LIM运行于城郊，车速达150km/h。

瑞士政府联合几十家公司共同开发瑞士地铁，建议修建贯通全国两条双隧道线路：日内瓦到圣加仑；巴赛尔到贝林佐纳。该系统的推进拟采用固定于隧道内直线电机驱动。

韩国现代公司正在汉城以西的永宗岛修建62km，连接汉城—大市新机场线路，同时还建议在济州岛修建180km的试验环线，均拟采用短定子LIM驱动。

中国从1970年左右开始关注LIM。1975年左右，中科院电工所开始LIM端部效应、电机设计和计算方法研究试验。浙江大学出版了国内最早直线电机译文集。1980－2002年，中科院、铁科院、浙江大学、西南交大、国防科大等单位在关注磁浮技术的同时，对低速范围的LIM技术进行了深入研究。国家发改委已把LIM轨道交通作为了国家“交通现代化关键技术”重大技术开发专项。

截至目前，直线牵引已在加拿大多伦多、美国底特律和纽约、马来西亚吉隆坡、日本东京和大阪、中国广州和北京等地的轻轨和地铁中应用。4 直线电机的难点

直线电机的结构和直线电机驱动列车分别如图6和7所示。

为降低造价和控制方便，初级装在车厢底部转向架上，次级采用复合材料并直接铺设在轨道上。轨旁直流电源通过受流器（或受电弓）送到逆变器入端，经DC/AC变换为LIM所需的三相电源。交流电在气隙中产生行波磁场，在次级导体板中感应出涡流，涡流和气隙磁链相互作用产生水平推力驱动列车前进。

初级铁心由硅钢片叠压铸成，次级采用铝铁复合材料，有时在大坡度、进站口或出站口等路段需要更大的牵引力或制动力，可选用铜铁复合材料。为了减小横向边端效应，次级的宽度要比初级大，伸出长度c与极距成正比。通常极距与气隙之比越大，气隙中的漏磁越少，电机效率与功率因数会变大，但导致端部绕线长度增加，造价上升，同时影响基速时的滑差频率和品质因数， 因此设计电机时应综合考虑性价比选用合理极距值。

LIM因纵向磁路开断、初次级间隙较大等特性，其分析研究比RIM更复杂。1 LIM电磁设计方法 1磁路开断结构非对称。因纵向铁心开断，三相绕组互感不等，即使在对称电压作用下也会产生非对称的电流，包括正序正向磁场，逆序反向磁场和零序脉振磁场。这种现象是LIM结构导致的， 逆序和零序磁场将产生阻力，增加附加损耗，影响电机效率。2横向和纵向边端效应。 气隙大、初次级宽度不等导致了横向边端效应，导致了横向磁通密度分布不均匀，次级导体板等效电阻率增加。纵向边端效应是电机运行中产生的。在LIM初级进入和离开端，气隙磁场因磁链守恒，在次级导体板中会感应出和初级端部绕组电流大小相等、方向相反的涡流，使气隙有效磁场在入端削弱，出端加强，牵引力产生脉动，电机控制难度增加，牵引系数降低。情况严重时，会加剧电流不平衡，产生较大阻力。3初级绕组端部半填充槽。由于磁路开断后，端部绕组数为中间的一半，纵向磁通密度和电流密度发生了变化，影响电机参数和牵引特性。4集肤效应影响。当滑差频率增加，气隙磁密透过次级导体板进入次级背板，对次级支路的漏抗和电阻产生影响。5垂直力的存在。该力由初次级线圈电流排斥力和初次级铁芯之间的吸引力合成。前者与气隙宽度成反比，与次级感应电流成正比；后者受气隙主磁通影响，与励磁电流和互感等相关。受磁场储能和滑差频率等影响，系统整体垂直力表现为吸引或排斥，有时会达到牵引力的3~5倍（单边型钢次级会更大）。它会导致牵引损耗，对控制造成较大干扰，其数学模型的建立需考虑众多非线性因数。2 LIM高性能控制技术 1适合动态控制的数学模型。因持续高速运行，不断受边端效应、集肤效应、温升、磁饱和度等影响，电机参数（励磁电感、次级电阻等）变化较大，给相关控制带来极大干扰（如磁链观测器的精度下降），系统动态性能变差。2动态牵引力。随着速度增加，次级导板中的涡流反应加剧，不断削弱电机等效互感，严重降低牵引力。同时由于车载变流器在不同工作模式下的切换，增加了牵引力的波动。3运行效率提升。因磁路开端和大气隙影响，LIM效率较低（低速、轻载时更明显）。需要在保证牵引能力和快速响应的前提下，研究LIM效率优化控制策略，减小系统能耗。5 结语

LIM系统是一种非黏着直驱的新型交通模式，爬坡能力强、盾构面小、转弯半径小，在城市交通中有广泛的潜在市场。主要发达国家对LIM系统进行了深入研究，加拿大和日本已开发出较成熟的产品并应用于实际线路。我国也开展了一些研究，但深度和广度还不够。

因纵向磁路开断、端部有半填充槽、三相绕组不平衡、垂直方向具有垂直力等原因，LIM的数学模型和相关性能更复杂。企业和高校、科研院所应充分利用各自优势，取长补短，深入合作，争取早日实现LIM驱动系统的国产化。作者简介

徐伟，工学博士、教授、博士生导师。其研究团队包括4名教授、副教授，近40名研究生，1名博士后。团队主要从事新型电机设计及驱动控制研究，包括直线电机、永磁电机、感应电机、凸极电机、双馈电机等。目前，团队在直线电机方面已与多家业内知名企业紧密合作，正对直线感应电机、直线开关磁阻电机、直线圆筒型电机、直线开关磁链电机、直线脉振（往复）电机、直线螺旋电机等最新技术和相关产品进行研发，其中部分产品已成功应用于实际中，多项专利已成功实现了转化。

徐伟教授分别从天津大学获双学士和硕士、中国科学院电工研究所获博士学位。先后在悉尼科技大学和皇家墨尔本理工大学从事博士后、Vice Chancellor Research Fellow工作，同时受邀到明治大学和澳大利亚电动汽车工程联盟进行学术访问和产品研发。先后在澳大利亚、日本、中国主持各类科研/人才基金20余项，包括中国国家自然科学基金2项，国家基金1项，湖北省科技支撑项目1项，日本JSPS访问基金1项，墨尔本理工大学Vice Chancellor基金1项等；参与各类基金4项，包括国家自然科学基金重点项目1项、中国科学院重大知识创新项目1项等。 截止2016年10月底，徐伟教授已出版英文书籍1部（Springer出版社）、正编著中文书籍1部，接受或发表SCI/ EI检索文章170余篇，其中SCI期刊近60篇，第一或通讯作者SCI文章20余篇（SCI引用率400余次）。授权中国发明专利12项，受理近30项。受邀国际会议报告4次，参与组织国际会议5次，协同发起组织中国直线电机技术交流会（2016年成都），担任10余个国际期刊审稿人, 30余次IEEE国际会议技术程序委员或分会主席。担任IEEE/中国电源学会高级会员，中国电机工程学会会员，中国变频器专业委员会委员，中国直线电机专业委员会委员，中国能源学会专家委员会委员等，2个国际期刊客座编辑，1个中文期刊编委，受邀担任多所国内外知名高校客座/访问教授，包括悉尼科技大学，拉杰沙希工程大学等。 徐伟教授获得各类学术荣誉10余项，包括UTS Key Technology Partnership Visiting Fellowship (Australia), RMIT Vice Chancellor Research Fellowship (Australia), JSPS Invitation Research Fellowship (Japan)，计划（中国）等。另外自2014年以来，徐伟教授所指导的学生获湖北省优秀学士论文2次、国家奖学金2次等。