前言

直線電機(jī)是伺服系統(tǒng)的一個(gè)重要分支。相比旋轉(zhuǎn)電機(jī)，直線電機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中無需中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此直線電機(jī)的精度、速度和加速度相比旋轉(zhuǎn)電機(jī)均具備一定優(yōu)勢(shì)，但直線電機(jī)產(chǎn)品價(jià)格較高、安裝對(duì)技術(shù)工人要求高且無法應(yīng)用于Z軸運(yùn)動(dòng)的劣勢(shì)一定程度上也影響了其市場(chǎng)規(guī)模。目前，直線電機(jī)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(chǎng)景的增加、技術(shù)的逐漸成熟以及價(jià)格的不斷下降，直線電機(jī)有望成為性價(jià)比更高的選擇，在2025年預(yù)計(jì)的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到60億元，未來將成為百億級(jí)市場(chǎng)。

一、直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)

伺服電機(jī)在廣義上可被分為兩類：旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)和直線伺服電機(jī)，傳統(tǒng)的伺服電機(jī)一般為旋轉(zhuǎn)電機(jī)。直線電機(jī)也被稱作線性電機(jī)、線性馬達(dá)、直線馬達(dá)等，其運(yùn)動(dòng)形式是沿直線運(yùn)動(dòng), 不同于旋轉(zhuǎn)電機(jī)需要螺紋傳動(dòng)裝置。直線電機(jī)主要由定子（初級(jí)）、動(dòng)子（次級(jí)）、滑動(dòng)導(dǎo)軌、位置測(cè)量系統(tǒng)和工作臺(tái)組成，具體如下：

圖1 直線電機(jī)的結(jié)構(gòu) 直線電機(jī)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(jī)和無鐵芯電機(jī)的區(qū)別）組成；直線電機(jī)的動(dòng)子，通常由磁軛（金屬板）、永磁體和環(huán)氧樹脂保護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，定子接線通電后，定子和動(dòng)子間會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生電磁推力，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件的直線運(yùn)動(dòng)。

圖2 直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)圖滾動(dòng)導(dǎo)軌通常由直線導(dǎo)軌、直線運(yùn)動(dòng)滑導(dǎo)塊和滾動(dòng)軸承構(gòu)成，作用為支撐和引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件沿給定方向平穩(wěn)移動(dòng)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。位置測(cè)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(cè)和反饋運(yùn)動(dòng)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(gè)系統(tǒng)的定位精度。工作臺(tái)由拖動(dòng)臺(tái)和底座構(gòu)成，定子固定其上，由動(dòng)子帶動(dòng)其自由運(yùn)動(dòng)，作用為帶動(dòng)負(fù)載快速直線平移和精確定位。

二、直線電機(jī)的基本工作原理

直線電機(jī)的工作原理與旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)與動(dòng)子永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)合成一個(gè)沿直線移動(dòng)的正弦波磁場(chǎng)，即行波磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)的移動(dòng)方向由三相交流電的相序決定。 根據(jù)楞次定律，動(dòng)子金屬板在行波磁場(chǎng)切割下，將感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生電流，該電流與行波磁場(chǎng)相作用產(chǎn)生電磁推力，驅(qū)動(dòng)動(dòng)子沿著行波磁場(chǎng)移動(dòng)的方向作直線運(yùn)行，或者利用反作用力驅(qū)動(dòng)定子朝相反的方向運(yùn)動(dòng)。

圖3 旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)的基本工作原理

圖4 直線電機(jī)工作原理動(dòng)圖

三、直線電機(jī)相比旋轉(zhuǎn)電機(jī)的優(yōu)劣勢(shì)

旋轉(zhuǎn)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)用到線性運(yùn)動(dòng)中時(shí)，需要一系列中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，如聯(lián)軸節(jié)、絲杠等，這些部件會(huì)在伺服系統(tǒng)完成啟動(dòng)、加減速、反轉(zhuǎn)、停車等動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生彈性變形、摩擦、反向間隙等，造成運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)指令的快速響應(yīng)，且絲杠是細(xì)長(zhǎng)桿，在力和熱的作用下，會(huì)產(chǎn)生變形，影響加工精度。 直線電機(jī)的誕生，取消了從電機(jī)到工作臺(tái)之間的一切中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，在做線性運(yùn)動(dòng)時(shí)無需將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為線性運(yùn)動(dòng)附加裝置，簡(jiǎn)化了電機(jī)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)“直接傳動(dòng)”，也就是“零傳動(dòng)”， 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(jī)在性能上有原旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(diǎn)：

一、高速響應(yīng)，由于直線電機(jī)取消了一些響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大的機(jī)械傳動(dòng)件(如絲杠等)，使整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能大大提高。

二、精度，直線電機(jī)取消了由絲杠等機(jī)械機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的傳動(dòng)間隙和誤差，減少了插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)因傳動(dòng)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(dòng)”的高速響應(yīng)性，直線電機(jī)的加減速過程大大縮短，以實(shí)現(xiàn)起動(dòng)時(shí)瞬間達(dá)到高速，高速運(yùn)行時(shí)又能瞬間準(zhǔn)停。

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

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

二、安裝要求高，直線電機(jī)屬于高精度產(chǎn)品，其安裝過程也會(huì)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(jī)，其在突然斷電或故障時(shí)會(huì)受重力影響垂直下落，因此直線電機(jī)一般用于平面運(yùn)動(dòng)，而無法大范圍應(yīng)用于Z軸運(yùn)動(dòng)。

四、直線電機(jī)的應(yīng)用

01

直線電機(jī)市場(chǎng)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(duì)機(jī)器的性能等要求也逐漸提高，尤其在數(shù)控機(jī)床、半導(dǎo)體集成設(shè)備等機(jī)械上表現(xiàn)得更為明顯，未來數(shù)控機(jī)床采用直線電機(jī)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的占比將逐漸增大，直線電機(jī)行業(yè)工業(yè)化前景不言而喻。 根據(jù)《2021年度直線電機(jī)市場(chǎng)數(shù)據(jù)解讀報(bào)告》顯示，2019年OEM （Original Equipment Manufacturer）市場(chǎng)普遍不景氣，包括直線電機(jī)在內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制類產(chǎn)品增長(zhǎng)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(jī)應(yīng)用較多的多個(gè)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(jī)市場(chǎng)持續(xù)高速增長(zhǎng)。 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(jī)機(jī)床等行業(yè)在2021年景氣度高，對(duì)于自動(dòng)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(jī)的機(jī)型越來越多，尤其是對(duì)于精度、速度、空間、出力的要求比較高的機(jī)型，直線電機(jī)比傳統(tǒng)絲桿+旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)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(shì)在加強(qiáng)。 在供應(yīng)商端方面，直線電機(jī)技術(shù)越來越成熟，大批國產(chǎn)品牌供應(yīng)商入市場(chǎng)并積極擴(kuò)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(chǎng)增長(zhǎng)的重要原因。 在價(jià)格方面，近兩年直線電機(jī)的價(jià)格也在不斷下降，客戶的接受度越來越高，促進(jìn)了市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)。 因此，在經(jīng)歷了連續(xù)兩年的快速增長(zhǎng)，結(jié)合自動(dòng)化市場(chǎng)的周期循環(huán)特點(diǎn)，預(yù)計(jì)未來兩年市場(chǎng)將有放緩增長(zhǎng)的趨勢(shì)，未來5年整體呈現(xiàn)波動(dòng)式增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2025年直線電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到60億元人民幣。

圖5 2018-2025直線電機(jī)整體市場(chǎng)規(guī)模分析

圖6 2020年和2021年直線電機(jī)分供應(yīng)商市場(chǎng)份額 根據(jù)《2021年度直線電機(jī)市場(chǎng)數(shù)據(jù)解讀報(bào)告》顯示，與2020年相比，2021年直線電機(jī)市場(chǎng)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(chǎng)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(jī)應(yīng)用領(lǐng)域

由于直線電機(jī)本身高精度、高速度、高加速度等方面的性能優(yōu)勢(shì)，直線電機(jī)主要應(yīng)用于高精度或節(jié)拍要求較高的場(chǎng)合，高速磁懸浮列車是直線電機(jī)實(shí)際應(yīng)用中最典型的例子。 選擇發(fā)展直線電機(jī)的設(shè)備企業(yè)都采用揚(yáng)長(zhǎng)避短的手法，一是將直線電機(jī)應(yīng)用在面向大批量生產(chǎn)、定位運(yùn)動(dòng)多、方向頻繁轉(zhuǎn)變的場(chǎng)合，如汽車零部件加工機(jī)床，快速原型機(jī)及半導(dǎo)體生產(chǎn)機(jī)等；二是用于荷載低、工藝范圍大的場(chǎng)合，例如電加工機(jī)床、等離子切割機(jī)、水切割機(jī)等。 從應(yīng)用行業(yè)角度來看，直線電機(jī)在3C、半導(dǎo)體、鋰電池、激光加工機(jī)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(jī)的應(yīng)用。

圖7 直線電機(jī)在磁懸浮列車上的應(yīng)用

圖8 直線電機(jī)數(shù)控機(jī)床應(yīng)用（汽車零部件加工機(jī)床、自動(dòng)送料機(jī)床等）

圖9 環(huán)形直線電機(jī)磁懸浮輸送線系統(tǒng)應(yīng)用

圖10 直線電機(jī)在激光切割的應(yīng)用

圖11 直線電機(jī)應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備

審核編輯 ：李倩