一文读懂直线电机的原理与前景

前言

直线电机是伺服系统的一个重要分支。相比旋转电机，直线电机在运动过程中无需中间传动环节，因此直线电机的精度、速度和加速度相比旋转电机均具备一定优势，但直线电机产品价格较高、安装对技术工人要求高且无法应用于Z轴运动的劣势一定程度上也影响了其市场规模。目前，直线电机的主要应用领域包括磁悬浮列车、3C、半导体和锂电等领域，随着下游应用场景的增加、技术的逐渐成熟以及价格的不断下降，直线电机有望成为性价比更高的选择，在2025年预计的市场规模将达到60亿元，未来将成为百亿级市场。

一、直线电机的结构

伺服电机在广义上可被分为两类：旋转伺服电机和直线伺服电机，传统的伺服电机一般为旋转电机。直线电机也被称作线性电机、线性马达、直线马达等，其运动形式是沿直线运动, 不同于旋转电机需要螺纹传动装置。直线电机主要由定子（初级）、动子（次级）、滑动导轨、位置测量系统和工作台组成，具体如下：

图1 直线电机的结构 直线电机的定子，通常由线圈绕组和铁芯齿轭结构/环氧树脂齿轭结构构成（有铁芯电机和无铁芯电机的区别）组成；直线电机的动子，通常由磁轭（金属板）、永磁体和环氧树脂保护结构构成，定子接线通电后，定子和动子间会产生磁场，进而产生电磁推力，实现运动部件的直线运动。

图2 直线电机的运动动图滚动导轨通常由直线导轨、直线运动滑导块和滚动轴承构成，作用为支撑和引导运动部件沿给定方向平稳移动做往复直线运动。位置测量系统通常由磁栅尺/光栅尺和读数头构成，作用为检测和反馈运动部件的位置和速度，形成全闭环控制，其精度很大程度上决定了整个系统的定位精度。工作台由拖动台和底座构成，定子固定其上，由动子带动其自由运动，作用为带动负载快速直线平移和精确定位。

二、直线电机的基本工作原理

直线电机的工作原理与旋转电机相同, 定子绕组通入三相交流电后，根据电流的磁效应，通电线圈会产生磁场。这个磁场与动子永磁体产生的磁场会合成一个沿直线移动的正弦波磁场，即行波磁场，该磁场的移动方向由三相交流电的相序决定。 根据楞次定律，动子金属板在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与行波磁场相作用产生电磁推力，驱动动子沿着行波磁场移动的方向作直线运行，或者利用反作用力驱动定子朝相反的方向运动。

图3 旋转电机和直线电机的基本工作原理

图4 直线电机工作原理动图

三、直线电机相比旋转电机的优劣势

旋转电机在实际运用到线性运动中时，需要一系列中间传动环节，如联轴节、丝杠等，这些部件会在伺服系统完成启动、加减速、反转、停车等动作时产生弹性变形、摩擦、反向间隙等，造成运动的滞后和许多非线性误差，产生电能消耗。此外，这些中间环节也加大了系统的惯性质量，影响了对运动指令的快速响应，且丝杠是细长杆，在力和热的作用下，会产生变形，影响加工精度。 直线电机的诞生，取消了从电机到工作台之间的一切中间传动环节，在做线性运动时无需将旋转运动转化为线性运动附加装置，简化了电机结构，实现“直接传动”，也就是“零传动”， 排除中间环节造成的各样误差，减少了电能损耗，因此直线电机在性能上有原旋转电机驱动方式无法达到的高精度、高速度、高加速度等性能指标和优点：

一、高速响应，由于直线电机取消了一些响应时间常数较大的机械传动件(如丝杠等)，使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高。

二、精度，直线电机取消了由丝杠等机械机构产生的传动间隙和误差，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。

三、速度快、加减速过程短，由于“零传动”的高速响应性，直线电机的加减速过程大大缩短，以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。

虽然直线电机在速度、加速度、精度等性能上优于旋转电机，但其在价格、安装要求上相较于旋转电机也有一定劣势：

一、价格高，直线电机的核心部件光栅尺成本居高不下，使得直线电机的价格高于旋转电机。

二、安装要求高，直线电机属于高精度产品，其安装过程也会影响其定位精度，安装工作需要一定的技术背景。

三、普遍没有刹车装置，如果竖直安装直线电机，其在突然断电或故障时会受重力影响垂直下落，因此直线电机一般用于平面运动，而无法大范围应用于Z轴运动。

四、直线电机的应用

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直线电机市场前景

随着中国工业领域的快速发展，产品质量的要求越来越高，对机器的性能等要求也逐渐提高，尤其在数控机床、半导体集成设备等机械上表现得更为明显，未来数控机床采用直线电机进给驱动的占比将逐渐增大，直线电机行业工业化前景不言而喻。 根据《2021年度直线电机市场数据解读报告》显示，2019年OEM （Original Equipment Manufacturer）市场普遍不景气，包括直线电机在内的运动控制类产品增长普遍缓慢甚至下滑。2020年和2021年虽然有疫情影响，但直线电机应用较多的多个下游行业等行业需求爆涨叠加供应商端积极拓展，因此直线电机市场持续高速增长。 在下游行业应用方面，一方面3C、半导体、锂电池、激光加工机机床等行业在2021年景气度高，对于自动化产品的需求普遍旺盛；另一方面，行业中应用直线电机的机型越来越多，尤其是对于精度、速度、空间、出力的要求比较高的机型，直线电机比传统丝杆+旋转伺服电机的方式更能满足客户在性能上的要求，因此产品替代趋势在加强。 在供应商端方面，直线电机技术越来越成熟，大批国产品牌供应商入市场并积极扩展客户，并且可以灵活地为客户提供满足特定应用要求的定制型产品/方案，这也是市场增长的重要原因。 在价格方面，近两年直线电机的价格也在不断下降，客户的接受度越来越高，促进了市场的快速增长。 因此，在经历了连续两年的快速增长，结合自动化市场的周期循环特点，预计未来两年市场将有放缓增长的趋势，未来5年整体呈现波动式增长，预计2025年直线电机市场规模将达到60亿元人民币。

图5 2018-2025直线电机整体市场规模分析

图6 2020年和2021年直线电机分供应商市场份额 根据《2021年度直线电机市场数据解读报告》显示，与2020年相比，2021年直线电机市场上国产品牌占比逐渐增加，外资厂商除雅科贝思外其他外资品牌市场份额和排名均有下降，而国产品牌排名发生较大变化，销售额在1亿以上的公司数量增多，并且有众多小厂商涌入。

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直线电机应用领域

由于直线电机本身高精度、高速度、高加速度等方面的性能优势，直线电机主要应用于高精度或节拍要求较高的场合，高速磁悬浮列车是直线电机实际应用中最典型的例子。 选择发展直线电机的设备企业都采用扬长避短的手法，一是将直线电机应用在面向大批量生产、定位运动多、方向频繁转变的场合，如汽车零部件加工机床，快速原型机及半导体生产机等；二是用于荷载低、工艺范围大的场合，例如电加工机床、等离子切割机、水切割机等。 从应用行业角度来看，直线电机在3C、半导体、锂电池、激光加工机床等领域应用较多，医疗（生命科学、医疗设备等）、航空（飞行控制系统、飞行员反馈系统等）等领域也可看见直线电机的应用。

图7 直线电机在磁悬浮列车上的应用

图8 直线电机数控机床应用（汽车零部件加工机床、自动送料机床等）

图9 环形直线电机磁悬浮输送线系统应用

图10 直线电机在激光切割的应用

图11 直线电机应用于医疗设备

审核编辑 ：李倩