一文讀懂直線電機的原理與前景

前言

直線電機是伺服系統(tǒng)的一個重要分支。相比旋轉(zhuǎn)電機，直線電機在運動過程中無需中間傳動環(huán)節(jié)，因此直線電機的精度、速度和加速度相比旋轉(zhuǎn)電機均具備一定優(yōu)勢，但直線電機產(chǎn)品價格較高、安裝對技術(shù)工人要求高且無法應(yīng)用于Z軸運動的劣勢一定程度上也影響了其市場規(guī)模。目前，直線電機的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括磁懸浮列車、3C、半導(dǎo)體和鋰電等領(lǐng)域，隨著下游應(yīng)用場景的增加、技術(shù)的逐漸成熟以及價格的不斷下降，直線電機有望成為性價比更高的選擇，在2025年預(yù)計的市場規(guī)模將達(dá)到60億元，未來將成為百億級市場。

一、直線電機的結(jié)構(gòu)

伺服電機在廣義上可被分為兩類：旋轉(zhuǎn)伺服電機和直線伺服電機，傳統(tǒng)的伺服電機一般為旋轉(zhuǎn)電機。直線電機也被稱作線性電機、線性馬達(dá)、直線馬達(dá)等，其運動形式是沿直線運動, 不同于旋轉(zhuǎn)電機需要螺紋傳動裝置。直線電機主要由定子（初級）、動子（次級）、滑動導(dǎo)軌、位置測量系統(tǒng)和工作臺組成，具體如下：

圖1 直線電機的結(jié)構(gòu) 直線電機的定子，通常由線圈繞組和鐵芯齒軛結(jié)構(gòu)/環(huán)氧樹脂齒軛結(jié)構(gòu)構(gòu)成（有鐵芯電機和無鐵芯電機的區(qū)別）組成；直線電機的動子，通常由磁軛（金屬板）、永磁體和環(huán)氧樹脂保護結(jié)構(gòu)構(gòu)成，定子接線通電后，定子和動子間會產(chǎn)生磁場，進而產(chǎn)生電磁推力，實現(xiàn)運動部件的直線運動。

圖2 直線電機的運動動圖滾動導(dǎo)軌通常由直線導(dǎo)軌、直線運動滑導(dǎo)塊和滾動軸承構(gòu)成，作用為支撐和引導(dǎo)運動部件沿給定方向平穩(wěn)移動做往復(fù)直線運動。位置測量系統(tǒng)通常由磁柵尺/光柵尺和讀數(shù)頭構(gòu)成，作用為檢測和反饋運動部件的位置和速度，形成全閉環(huán)控制，其精度很大程度上決定了整個系統(tǒng)的定位精度。工作臺由拖動臺和底座構(gòu)成，定子固定其上，由動子帶動其自由運動，作用為帶動負(fù)載快速直線平移和精確定位。

二、直線電機的基本工作原理

直線電機的工作原理與旋轉(zhuǎn)電機相同, 定子繞組通入三相交流電后，根據(jù)電流的磁效應(yīng)，通電線圈會產(chǎn)生磁場。這個磁場與動子永磁體產(chǎn)生的磁場會合成一個沿直線移動的正弦波磁場，即行波磁場，該磁場的移動方向由三相交流電的相序決定。 根據(jù)楞次定律，動子金屬板在行波磁場切割下，將感應(yīng)出電動勢并產(chǎn)生電流，該電流與行波磁場相作用產(chǎn)生電磁推力，驅(qū)動動子沿著行波磁場移動的方向作直線運行，或者利用反作用力驅(qū)動定子朝相反的方向運動。

圖3 旋轉(zhuǎn)電機和直線電機的基本工作原理

圖4 直線電機工作原理動圖

三、直線電機相比旋轉(zhuǎn)電機的優(yōu)劣勢

旋轉(zhuǎn)電機在實際運用到線性運動中時，需要一系列中間傳動環(huán)節(jié)，如聯(lián)軸節(jié)、絲杠等，這些部件會在伺服系統(tǒng)完成啟動、加減速、反轉(zhuǎn)、停車等動作時產(chǎn)生彈性變形、摩擦、反向間隙等，造成運動的滯后和許多非線性誤差，產(chǎn)生電能消耗。此外，這些中間環(huán)節(jié)也加大了系統(tǒng)的慣性質(zhì)量，影響了對運動指令的快速響應(yīng)，且絲杠是細(xì)長桿，在力和熱的作用下，會產(chǎn)生變形，影響加工精度。 直線電機的誕生，取消了從電機到工作臺之間的一切中間傳動環(huán)節(jié)，在做線性運動時無需將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為線性運動附加裝置，簡化了電機結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)“直接傳動”，也就是“零傳動”， 排除中間環(huán)節(jié)造成的各樣誤差，減少了電能損耗，因此直線電機在性能上有原旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動方式無法達(dá)到的高精度、高速度、高加速度等性能指標(biāo)和優(yōu)點：

一、高速響應(yīng)，由于直線電機取消了一些響應(yīng)時間常數(shù)較大的機械傳動件(如絲杠等)，使整個閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能大大提高。

二、精度，直線電機取消了由絲杠等機械機構(gòu)產(chǎn)生的傳動間隙和誤差，減少了插補運動時因傳動系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。

三、速度快、加減速過程短，由于“零傳動”的高速響應(yīng)性，直線電機的加減速過程大大縮短，以實現(xiàn)起動時瞬間達(dá)到高速，高速運行時又能瞬間準(zhǔn)停。

雖然直線電機在速度、加速度、精度等性能上優(yōu)于旋轉(zhuǎn)電機，但其在價格、安裝要求上相較于旋轉(zhuǎn)電機也有一定劣勢：

一、價格高，直線電機的核心部件光柵尺成本居高不下，使得直線電機的價格高于旋轉(zhuǎn)電機。

二、安裝要求高，直線電機屬于高精度產(chǎn)品，其安裝過程也會影響其定位精度，安裝工作需要一定的技術(shù)背景。

三、普遍沒有剎車裝置，如果豎直安裝直線電機，其在突然斷電或故障時會受重力影響垂直下落，因此直線電機一般用于平面運動，而無法大范圍應(yīng)用于Z軸運動。

四、直線電機的應(yīng)用

01

直線電機市場前景

隨著中國工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高，對機器的性能等要求也逐漸提高，尤其在數(shù)控機床、半導(dǎo)體集成設(shè)備等機械上表現(xiàn)得更為明顯，未來數(shù)控機床采用直線電機進給驅(qū)動的占比將逐漸增大，直線電機行業(yè)工業(yè)化前景不言而喻。 根據(jù)《2021年度直線電機市場數(shù)據(jù)解讀報告》顯示，2019年OEM （Original Equipment Manufacturer）市場普遍不景氣，包括直線電機在內(nèi)的運動控制類產(chǎn)品增長普遍緩慢甚至下滑。2020年和2021年雖然有疫情影響，但直線電機應(yīng)用較多的多個下游行業(yè)等行業(yè)需求爆漲疊加供應(yīng)商端積極拓展，因此直線電機市場持續(xù)高速增長。 在下游行業(yè)應(yīng)用方面，一方面3C、半導(dǎo)體、鋰電池、激光加工機機床等行業(yè)在2021年景氣度高，對于自動化產(chǎn)品的需求普遍旺盛；另一方面，行業(yè)中應(yīng)用直線電機的機型越來越多，尤其是對于精度、速度、空間、出力的要求比較高的機型，直線電機比傳統(tǒng)絲桿+旋轉(zhuǎn)伺服電機的方式更能滿足客戶在性能上的要求，因此產(chǎn)品替代趨勢在加強。 在供應(yīng)商端方面，直線電機技術(shù)越來越成熟，大批國產(chǎn)品牌供應(yīng)商入市場并積極擴展客戶，并且可以靈活地為客戶提供滿足特定應(yīng)用要求的定制型產(chǎn)品/方案，這也是市場增長的重要原因。 在價格方面，近兩年直線電機的價格也在不斷下降，客戶的接受度越來越高，促進了市場的快速增長。 因此，在經(jīng)歷了連續(xù)兩年的快速增長，結(jié)合自動化市場的周期循環(huán)特點，預(yù)計未來兩年市場將有放緩增長的趨勢，未來5年整體呈現(xiàn)波動式增長，預(yù)計2025年直線電機市場規(guī)模將達(dá)到60億元人民幣。

圖5 2018-2025直線電機整體市場規(guī)模分析

圖6 2020年和2021年直線電機分供應(yīng)商市場份額 根據(jù)《2021年度直線電機市場數(shù)據(jù)解讀報告》顯示，與2020年相比，2021年直線電機市場上國產(chǎn)品牌占比逐漸增加，外資廠商除雅科貝思外其他外資品牌市場份額和排名均有下降，而國產(chǎn)品牌排名發(fā)生較大變化，銷售額在1億以上的公司數(shù)量增多，并且有眾多小廠商涌入。

02

直線電機應(yīng)用領(lǐng)域

由于直線電機本身高精度、高速度、高加速度等方面的性能優(yōu)勢，直線電機主要應(yīng)用于高精度或節(jié)拍要求較高的場合，高速磁懸浮列車是直線電機實際應(yīng)用中最典型的例子。 選擇發(fā)展直線電機的設(shè)備企業(yè)都采用揚長避短的手法，一是將直線電機應(yīng)用在面向大批量生產(chǎn)、定位運動多、方向頻繁轉(zhuǎn)變的場合，如汽車零部件加工機床，快速原型機及半導(dǎo)體生產(chǎn)機等；二是用于荷載低、工藝范圍大的場合，例如電加工機床、等離子切割機、水切割機等。 從應(yīng)用行業(yè)角度來看，直線電機在3C、半導(dǎo)體、鋰電池、激光加工機床等領(lǐng)域應(yīng)用較多，醫(yī)療（生命科學(xué)、醫(yī)療設(shè)備等）、航空（飛行控制系統(tǒng)、飛行員反饋系統(tǒng)等）等領(lǐng)域也可看見直線電機的應(yīng)用。

圖7 直線電機在磁懸浮列車上的應(yīng)用

圖8 直線電機數(shù)控機床應(yīng)用（汽車零部件加工機床、自動送料機床等）

圖9 環(huán)形直線電機磁懸浮輸送線系統(tǒng)應(yīng)用

圖10 直線電機在激光切割的應(yīng)用

圖11 直線電機應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備

審核編輯 ：李倩