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在一个单相线圈中通过直流电流时，磁动势波形是矩形波，如图2-12所示。
磁动势 F （ x ）可以表达为
式中 n ——谐波次数。
磁动势的单位是AT。磁动势的基波分量（ n ＝1）在空间按正弦规律分布。
图2-12 绕组通直流电流时的磁动势波形
当绕组中通正弦交流电流时，磁动势 F （ x ， t ）为
基波磁动势 F 1 （ x ， t ）为
它是一个在空间按正弦规律分布，同时随时间做正弦变化的磁动势，称为“脉振磁动势”。在旋转电机中，三相对称绕组通过三相对称电流即产生“旋转”磁动势或旋转磁场。与旋转电机类似，直线电机的三相对称绕组通过三相对称电流，将产生“行波”磁场，即
式中 F 1m ——磁动势基波幅值；
ω ——电机输入电流角频率；
τ ——电机极距（m）。
式（2-8）表明，在固定的位置 x ，磁势大小随时间正弦变化，磁场脉振。而在某个时刻 t ，磁势在 x 轴上按正弦规律分布。当时间变化时，例如 ω t 从0变到π/2时，余弦分布的磁势将沿 x 轴正向移动1/4周期，如图2-13所示。正弦波磁动势随时间沿 x 轴平移 F 1 （ x ， t ）称“行波”磁动势。
图2-13 行波磁势示意图
设旋转电机的极对数为 p ，极距为 τ ，则初级圆周长度为2 p τ 。将其展开为直线电机后，行波磁场在一个周期1/ f 的时间内平移了一对极的长度2 τ 。行波磁场的平移速度 v s （也称步速度，单位是m/s）为
式中 f ——初级电流频率。
与旋转电机不同，直线电机的同步速度取决于输入电流的频率和极距，与电机的极对数无关。
假定直线感应电机的次级为栅形结构，在图2-14中仅画出了其中一根导条。当电机工作时，气隙行波磁场平移，切割次级导条并在其中感应电势和产生电流。导条中的电流与气隙行波磁场相互作用产生电磁推力。如果初级固定不动，次级就在电磁推力的作用下沿着行波磁场运动的方向做直线运动。
图2-14 直线感应电机的原理
设行波磁场移动的速度为 v s ，直线电机次级移动的速度为 v （ v ≤ v s ），滑差率 s 为
当 v ＝ v s 时，电机次级以同步速度运行，行波磁场不切割次级导条，直线电机不产生电磁推力。当 v ＝0时，电机处于静止状态，行波磁场切割次级导条的速度最大。在电动机状态下，直线感应电机的滑差率 s 在0～1变化，其工作原理与旋转感应电机相同。
当电机次级为金属板时，可将金属板看成若干根平行导条的并联，上述结论仍然成立。
中低速磁浮列车牵引系统一般采用单边短定子直线感应电机驱动，电机初级定子安装在列车上，以约4mm的铝板和钢板组成的复合轨道作为次级。直线感应电机初级铁心由硅钢片叠压而成，其长度设计通常限定在2m左右。初级铁心越长，布置电机极数则可以越多，更有利于减小直线感应电机端部效应影响。但直线电机过长的设计必然会使初级电阻、漏电抗增大，电机整体重量增加，对悬浮模块悬浮能力的要求必然提高。目前已成功研发运用的磁浮列车用直线感应电机中，日本磁浮列车用直线电机长1.8m，8极；中车株机磁浮列车用直线电机长度设计限制于2m内，采用8极设计，电机极距有一定自由量，若采用9极设计，电机极距减小，电机齿宽减小，等效气隙增大，额定频率增高，影响直线电机的品质因数，电机的制造和性能也不理想。介于各种因素及条件限制，中车株机磁浮列车用短定子直线感应电机设计参数为：长1.82m，8极，极距0.202 5m。槽深和槽宽是一组相对变动的设计量，在槽距固定的条件下，槽宽则齿窄。为减小槽漏电感，槽越浅越好，但由于绕组的制约，槽越浅就越宽，齿就越窄。当齿宽过小时，等效气隙会变大，漏感也会增大。在制造可行性的基础上，电机齿宽为1/3齿距最为合适。直线感应电机初级线圈采用铝成型线以减轻电机重量，绕组每相串联匝数72，保证在较大的滑差频率条件下，电机电流可以达到最大值。次级反应板为铝板和钢板的混合板，其宽度与初级铁心迭片厚度相同，均为0.22m。短定子直线感应电机结构如图2-15所示。
图2-15 中低速磁浮列车用单边短定子直线感应电机结构图（单位：mm）
图2-16为短定子直线感应电机电磁推力曲线图。初级电流恒定时，电机启动电磁推力随着初级频率的升高而逐渐减小。初级频率较小时，电机电磁推力随着滑差率的减小而迅速减小；初级频率较大时，电机电磁推力先增至最大值，然后随着滑差率的减小而迅速减小。由于第二类纵向边端效应引起的入端效应波削弱了气隙主磁场，最大推力随着次级速度的增大而减小；次级速度越大，入端效应波透入深度越深，对气隙主磁场的削弱影响就越强，从而使得最大电磁推力越来越小。
图2-17显示了不同滑差频率下的电机推力波形曲线图。可以看出，高滑差频率曲线负斜率较小，低滑差频率曲线负斜率较大。滑差频率为6Hz或8Hz时，电机的启动电磁推力较大，电磁推力随着次级速度的增大而减小得最快；滑差频率在10～15Hz范围内，电机的启动电磁推力较小，电磁推力随着次级速度的增大而减小得较缓慢。
图2-16 短定子直线感应电机电磁推力曲线图
图2-17 短定子直线感应电机不同滑差频率下的电磁推力曲线图
在中低速磁浮驱动控制中，一般采用恒定滑差频率控制方式，因此其滑差频率值的选择显得尤为重要。在悬浮系统能承受的范围内，尽量使直线电机发挥出来的电磁推力越大且衰减越缓慢，则越好。在直线电机轮轨列车驱动控制中，由于没有悬浮系统的影响，对于滑差频率的选取可进一步降低要求，使直线电机电磁推力发挥出最佳性能。
图2-18为长沙磁浮快线列车牵引驱动系统的系统结构图，可以看出从牵引接触网至驱动电机主要包括高压柜和逆变柜两个子系统，且牵引逆变器采用两电平全桥拓扑结构。
图2-18 中低速磁浮列车牵引驱动系统
牵引逆变器作为整个交传系统的重要组成部分，它的基本功能是把从供电电网获得的直流电压变换成频率和幅值都可调的三相交流电压，给三相直线感应牵引电动机供电。根据中间储能元件的不同来分类，逆变器可分为电压型逆变器和电流型逆变器。目前，交流牵引多采用电压型逆变器，以下所指的牵引逆变器均指直_交变换电压型逆变器。当前牵引逆变器中开关器件以IGBT为主。如图2-18所示，中低速磁浮列车牵引逆变器采用DC 1500V供电，每辆动车上配置一台牵引逆变器，为10台直线牵引电动机提供三相VVVF电源。
牵引逆变器的核心部件为变流器模块，该变流器模块集成了逆变器的主要功能单元，分为控制组件和元件组件两大部分，可以较方便地从逆变器的侧面抽出，确保能在车辆底下极为有限的空间内较方便地对逆变器进行维护。
变流器模块集成了8个IGBT元件，作为三相逆变器的三相桥臂及制动桥臂。另外，模块还包括了热管散热器、温度传感器、门控单元、门控电源、脉冲分配、支撑电容器，达到很高程度的模块化和通用化。模块上IGBT元件之间以及与支撑电容的连接使用了低感母排（busbar），减少了线路上的杂散电感，省掉了吸收电路，使电路更为简洁可靠。模块上散热器采用了热管散热技术，使系统更简洁，且无环境污染。
逆变器由单片机和数字处理器（digital signal processing，DSP）组成的一个多处理器的驱动控制单元（drive control unit，DCU）控制，采用“恒定滑差频率控制”和“交流传动模块化设计”硬件，实现完全微机化、数字化的实时控制。借用微机自动化系统（microcomputer automation system，MICAS）中网卡板，对外连接多功能车辆总线（multifunction vehicle bus，MVB），与中央控制单元（central control unit，CCU）联系起来，形成控制与通信系统。DCU内部则构成并行ASM总线和串行RS-485总线，实现网络化、信息化控制。脉冲分配单元和IGBT门控单元间的触发和反馈信号采用光纤传输，有极高的抗干扰能力和电隔离作用。逆变器设置了全面而有效的故障保护功能、模块级的故障诊断功能和一定程度的容错功能。
在中低速磁浮列车电力牵引中，牵引运行至少可以分为两个运行调节区，即起动加速区和恒压运行区。与传统轮轨机车不同，直线感应电机驱动的磁浮列车不存在黏着限制的问题。为了使列车尽快地起动和加速，在此运行区应当输出尽量大的恒定牵引力，显然电机必须恒磁通运行，这就需要通过控制电机的电流和滑差频率来实现。受逆变器输出电压限制，当电机端电机达到最大值后就进入恒压运行区。通过控制滑差频率为“临界滑差频率”值，可以使直线感应电机在推力_速度特性的最大值附近运行。
直线感应电机在工作时除产生推力外还会产生法向力，主要表现为吸力。法向力使车辆产生额外的重量，加重悬浮系统的负担和功耗。若法向力波动时，悬浮系统会受到干扰甚至悬浮失稳，所以必须对它进行限制。研究表明，控制电机的滑差频率可以将法向力限制在规定范围内。因为滑差频率越大，在铝反应板中产生的涡流就越大，而涡流与气隙磁场作用产生与吸引力相反的斥力，使合成法向力减小。
中低速磁浮列车直线感应电机牵引系统存在一个最优的转差频率值，只有以此转差频率运行才能保证直线感应电机产生的推力较大而法向力在预定允许的范围内波动，系统才能正常运行。否则牵引传动系统产生的法向力波动很大，将严重影响悬浮系统的正常运行，导致整个磁浮列车不能良好工作。所以，找到一种既能发挥良好的牵引力，又能减小驱动直线感应电机对悬浮控制影响的控制方法，是磁浮列车牵引控制系统的关键技术。在磁浮列车牵引控制中对法向力的限制是非常严格的，因此滑差频率通常取值较大。例如，某型磁浮列车在起动加速区滑差频率为13.69Hz，而在恒压区该滑差频率接近“临界滑差频率”值。所以，牵引控制中多采用滑差频率恒定的控制方式。
采用电流_滑差频率控制方式可以有效地控制电机的推力并将法向力限制在规定的范围内。这种控制方式已在国内外磁浮列车的直线感应电机牵引控制中得到广泛应用。为得到较好的控制效果，牵引控制系统采用基于矢量变换的电流滑差频率控制方式。控制系统由初级频率控制和电流控制两部分组成。
磁场定向控制将交流电机空间磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向，通过坐标变换将电机定子电流正交分解为与磁场方向一致的励磁电流分量和与磁场方向垂直的转矩电流分量，像直流电机一样对励磁电流分量和转矩电流分量分别进行控制。牵引逆变器采用磁场定向控制可以分别对电动机的磁通和转矩电流进行检测和控制，自动改变电压和频率，使指令值和电压实际值达到一致，从而实现变频调速。直线感应电机恒滑差频率磁场定向控制方案如图2-19所示。
图2-19 直线感应电机恒滑差频率磁场定向控制原理图
磁浮列车直线感应电机恒转差磁场定向控制方法采用恒定的转差频率作为控制系统的输入。磁场定向控制矢量控制用的两个给定量即给定励磁电流（ i m_ref ）和给定转矩电流（ i t_ref ），由给定转矩（ T ）和转差频率（ f s ）及电机参数决定。
直线感应电机恒转差频率磁场定向控制方法将转差频率给定作为控制系统的输入，经过分析牵引/制动、向前/向后各种工况组合确定其正负，将其与转子速度相加，作为定子速度。该控制方法的给定转矩电流和给定励磁电流推导结果如下：
式中 ψ r ——给定转子磁链。
同时，
由式（2-11）和式（2-13）可得：
由式（2-12）和式（2-14）可得：
由式（2-13）可得：
式中 T r ——转子时间常数。
