前言

直線電機是伺服系統的一個重要分支。相比旋轉電機，直線電機在運動過程中無需中間傳動環節，因此直線電機的精度、速度和加速度相比旋轉電機均具備一定優勢，但直線電機產品價格較高、安裝對技術工人要求高且無法應用于Z軸運動的劣勢一定程度上也影響了其市場規模。目前，直線電機的主要應用領域包括磁懸浮列車、3C、半導體和鋰電等領域，隨著下游應用場景的增加、技術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年預計的市場規模將達到60億元，未來將成為百億級市場。

一、直線電機的結構

伺服電機在廣義上可被分為兩類：旋轉伺服電機和直線伺服電機，傳統的伺服電機一般為旋轉電機。直線電機也被稱作線性電機、線性馬達、直線馬達等，其運動形式是沿直線運動, 不同于旋轉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）、滑動導軌、位置測量系統和工作臺組成，具體如下：

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

圖2 直線電機的運動動圖滾動導軌通常由直線導軌、直線運動滑導塊和滾動軸承構成，作用為支撐和引導運動部件沿給定方向平穩移動做往復直線運動。位置測量系統通常由磁柵尺/光柵尺和讀數頭構成，作用為檢測和反饋運動部件的位置和速度，形成全閉環控制，其精度很大程度上決定了整個系統的定位精度。工作臺由拖動臺和底座構成，定子固定其上，由動子帶動其自由運動，作用為帶動負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電機相同, 定子繞組通入三相交流電后，根據電流的磁效應，通電線圈會產生磁場。這個磁場與動子永磁體產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。 根據楞次定律，動子金屬板在行波磁場切割下，將感應出電動勢并產生電流，該電流與行波磁場相作用產生電磁推力，驅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動定子朝相反的方向運動。

圖3 旋轉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、直線電機相比旋轉電機的優劣勢

旋轉電機在實際運用到線性運動中時，需要一系列中間傳動環節，如聯軸節、絲杠等，這些部件會在伺服系統完成啟動、加減速、反轉、停車等動作時產生彈性變形、摩擦、反向間隙等，造成運動的滯后和許多非線性誤差，產生電能消耗。此外，這些中間環節也加大了系統的慣性質量，影響了對運動指令的快速響應，且絲杠是細長桿，在力和熱的作用下，會產生變形，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節，在做線性運動時無需將旋轉運動轉化為線性運動附加裝置，簡化了電機結構，實現“直接傳動”，也就是“零傳動”， 排除中間環節造成的各樣誤差，減少了電能損耗，因此直線電機在性能上有原旋轉電機驅動方式無法達到的高精度、高速度、高加速度等性能指標和優點：

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

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

三、速度快、加減速過程短，由于“零傳動”的高速響應性，直線電機的加減速過程大大縮短，以實現起動時瞬間達到高速，高速運行時又能瞬間準停。

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

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電機。

二、安裝要求高，直線電機屬于高精度產品，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，而無法大范圍應用于Z軸運動。

四、直線電機的應用

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直線電機市場前景

隨著中國工業領域的快速發展，產品質量的要求越來越高，對機器的性能等要求也逐漸提高，尤其在數控機床、半導體集成設備等機械上表現得更為明顯，未來數控機床采用直線電機進給驅動的占比將逐漸增大，直線電機行業工業化前景不言而喻。 根據《2021年度直線電機市場數據解讀報告》顯示，2019年OEM （Original Equipment Manufacturer）市場普遍不景氣，包括直線電機在內的運動控制類產品增長普遍緩慢甚至下滑。2020年和2021年雖然有疫情影響，但直線電機應用較多的多個下游行業等行業需求爆漲疊加供應商端積極拓展，因此直線電機市場持續高速增長。 在下游行業應用方面，一方面3C、半導體、鋰電池、激光加工機機床等行業在2021年景氣度高，對于自動化產品的需求普遍旺盛；另一方面，行業中應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，直線電機比傳統絲桿+旋轉伺服電機的方式更能滿足客戶在性能上的要求，因此產品替代趨勢在加強。 在供應商端方面，直線電機技術越來越成熟，大批國產品牌供應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用要求的定制型產品/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，在經歷了連續兩年的快速增長，結合自動化市場的周期循環特點，預計未來兩年市場將有放緩增長的趨勢，未來5年整體呈現波動式增長，預計2025年直線電機市場規模將達到60億元人民幣。

圖5 2018-2025直線電機整體市場規模分析

圖6 2020年和2021年直線電機分供應商市場份額 根據《2021年度直線電機市場數據解讀報告》顯示，與2020年相比，2021年直線電機市場上國產品牌占比逐漸增加，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，而國產品牌排名發生較大變化，銷售額在1億以上的公司數量增多，并且有眾多小廠商涌入。

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直線電機應用領域

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勢，直線電機主要應用于高精度或節拍要求較高的場合，高速磁懸浮列車是直線電機實際應用中最典型的例子。 選擇發展直線電機的設備企業都采用揚長避短的手法，一是將直線電機應用在面向大批量生產、定位運動多、方向頻繁轉變的場合，如汽車零部件加工機床，快速原型機及半導體生產機等；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。 從應用行業角度來看，直線電機在3C、半導體、鋰電池、激光加工機床等領域應用較多，醫療（生命科學、醫療設備等）、航空（飛行控制系統、飛行員反饋系統等）等領域也可看見直線電機的應用。

圖7 直線電機在磁懸浮列車上的應用

圖8 直線電機數控機床應用（汽車零部件加工機床、自動送料機床等）

圖9 環形直線電機磁懸浮輸送線系統應用

圖10 直線電機在激光切割的應用

圖11 直線電機應用于醫療設備

審核編輯 ：李倩