1、什么叫直線電機(jī)?
直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動裝置。它可以看成是一臺旋轉(zhuǎn)電機(jī)按徑向剖開，并展成平面而成。
直線電機(jī)也稱線性電機(jī)，線性馬達(dá)，直線馬達(dá)，推桿馬達(dá)。最常用的直線電機(jī)類型是平板式和U 型槽式，和管式。線圈的典型組成是三相，由霍爾元件實(shí)現(xiàn)無刷換相。
2、直線電機(jī)的分類
直線電機(jī)的分類有很多種，直線電機(jī)是從旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變而來的，它的基本構(gòu)成和作用原理與普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)類似。直線電機(jī)又名直驅(qū)電機(jī)，力矩馬達(dá)等多種叫法，直線電機(jī)的分類也各不相同， 直線感應(yīng)電機(jī) 直線感應(yīng)電機(jī)是單邊激磁電機(jī)，結(jié)構(gòu)非常簡單，因此在中低速軌道交通系統(tǒng)中應(yīng)用直線電機(jī)又名直驅(qū)電機(jī)，力矩馬達(dá)等多種叫法，直線電機(jī)的分類也各不相同。
1)直線感應(yīng)電機(jī)
直線感應(yīng)電機(jī)是單邊激磁電機(jī)，結(jié)構(gòu)非常簡單，因此在中低速軌道交通系統(tǒng)中應(yīng)用最早，也最廣。最常見的直線感應(yīng)電機(jī)是單側(cè)定子結(jié)構(gòu)的，為了改善磁路，提高效率，也可以采用雙側(cè)定子直線感應(yīng)電機(jī)。 直線感應(yīng)電機(jī)的特點(diǎn)是單邊激磁，一般定子采用感應(yīng)板(實(shí)心、無繞組)，結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)。
2)直線同步電機(jī)
同步電機(jī)是雙邊激磁電機(jī)，不論采用長定子或短定子，結(jié)構(gòu)都較復(fù)雜。但是在高速磁懸浮列車中的直線同步電機(jī)幾乎無例外地采用長定子，這是因?yàn)椋和诫姍C(jī)轉(zhuǎn)子激磁功率遠(yuǎn)小于定子，所以把功率較小的勵磁繞組(轉(zhuǎn)子)安裝在車上，可以由諧波發(fā)電機(jī)與電池給轉(zhuǎn)子勵磁線圈供電或采用超導(dǎo)線圈，避免了接觸網(wǎng)/軌，從而可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行。
同步直線電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)之一是功率因數(shù)好，效率較高，因而比較適合大氣隙、大功率電機(jī)，所以，高速磁浮列車主要采用直線同步電機(jī)。同步電機(jī)用于磁浮列車時(shí)有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：由于轉(zhuǎn)子激磁后就是一個(gè)電磁鐵，所以在磁浮列車上可以用做磁浮磁鐵，這樣就可以一機(jī)兩用——既是牽引系統(tǒng)，又是磁浮系統(tǒng)，從而減輕了車輛的重量。
3)永磁直線電機(jī)
永磁直線電機(jī)也是直線同步電機(jī)的一種，只是其轉(zhuǎn)子不再用電激磁，而是采用永磁磁極。永磁直線電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是單邊激磁而且磁密較高，所以體積小，效率高。但是，由于永磁不像電磁那樣容易調(diào)節(jié)磁通，所以永磁直線電機(jī)弱磁控制性能較差。而且，畢竟永磁材料成本較高，所以更適合于軌道較短或封閉環(huán)境的場合，如導(dǎo)彈或分機(jī)發(fā)射架，在車輛上的應(yīng)用比較少。
近年來，由于體積較小，控制精度高，圓筒型直線永磁電機(jī)在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越多，特別是數(shù)控設(shè)備等需要高精度定位的場合，基本上采用的都是永磁交流直線同步電機(jī)。
4)雙饋直線異步電機(jī)
同步電機(jī)是雙邊激磁，所以轉(zhuǎn)子直流勵磁電流是可以調(diào)整的;而普通直線感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流是感應(yīng)產(chǎn)生的，不能人為調(diào)整，這也正是感應(yīng)電機(jī)調(diào)速性能與功率因數(shù)較差的原因。雙饋異步電機(jī)則可以獨(dú)立調(diào)整轉(zhuǎn)子電流，不過與同步電機(jī)不同的是轉(zhuǎn)子也是交流電流。這種直線電機(jī)主要用于車輛上，因?yàn)榭梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流調(diào)整列車速度。
5)直線開關(guān)磁阻電機(jī)
直線開關(guān)磁阻電機(jī)的與旋轉(zhuǎn)開關(guān)磁阻電機(jī)一樣，優(yōu)點(diǎn)是單邊激磁，轉(zhuǎn)子是實(shí)心鋼而不需要繞組，成本比直線感應(yīng)電機(jī)還要低，所以是很有前途的一種驅(qū)動方案。但是，在大氣隙的情況下，這種電機(jī)磁路的磁阻變化較小，影響了功率密度的提高，所以在車輛上的應(yīng)用較少。直線開關(guān)磁阻電機(jī)在磁路結(jié)構(gòu)上可以分為縱向磁通與橫向磁通兩類。
3、直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖
直線電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，可視為將傳統(tǒng)伺服電機(jī)沿徑向剖開，并將電機(jī)的圓周展開成直線，由定子演變而來的一側(cè)稱為初級，由轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)稱為次級。
與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的工作原理類似，直線電機(jī)也是利用電磁作用將電能轉(zhuǎn)換成為運(yùn)動動能。但在氣隙中產(chǎn)生的磁場不是旋轉(zhuǎn)的，而是呈直線正弦分布的、平移的，被稱為行波磁場。
比如說直線電機(jī)的基槽配合有很多種，從單元電機(jī)的角度來說，最簡單有三槽兩極、六槽五極、六槽七極、六槽八極甚至九槽八極等等類型，那么在什么應(yīng)用領(lǐng)域，我們采用什么樣的基槽配合是比較合理的，直線電機(jī)在機(jī)床上應(yīng)用的時(shí)候有一個(gè)問題：即推力波動及在靜態(tài)的情況下，上矢能后，如何讓電機(jī)的抖動最小，這對于磁場的優(yōu)化是非常關(guān)鍵的一個(gè)技術(shù)。
4、直線電機(jī)的優(yōu)勢劣勢
直線電機(jī)在性能上有原旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(diǎn)：
1)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)械傳動件(如絲杠等)，使整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能大大提高，高速度達(dá)到10～30m/s，超低速0.001mm/s;
2)精度，直線電機(jī)取消了由絲杠等機(jī)械機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的傳動間隙和誤差，減少了插補(bǔ)運(yùn)動時(shí)因傳動系統(tǒng)滯后帶來的跟蹤誤差。
3)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(jī)的加減速過程大大縮短，以實(shí)現(xiàn)起動時(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：
1)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)。
2)安裝要求高，直線電機(jī)屬于高精度產(chǎn)品，其安裝過程也會影響其定位精度，安裝工作需要一定的技術(shù)背景。
3)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，而無法大范圍應(yīng)用于Z軸運(yùn)動。
二、直線電機(jī)的生產(chǎn)流程
直線電機(jī)的生產(chǎn)流程可以分為以下六個(gè)主要步驟：
1、設(shè)計(jì)階段：在這個(gè)階段，需要進(jìn)行直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等相關(guān)工作。設(shè)計(jì)師會根據(jù)客戶需求，參照市場上的其他同類機(jī)型并使用CAD軟件制作三維模型，對電磁系統(tǒng)和絕緣等級進(jìn)行計(jì)算確認(rèn)，并制作出相應(yīng)的電路板。
2、材料選擇階段：材料的選擇至關(guān)重要，必須根據(jù)電動機(jī)的特性和工作環(huán)境特點(diǎn)選用合適的材料。直線電機(jī)的材料通常包括磁體、線圈、滑動平臺、傳感器等。
3、加工制造階段：在加工階段，需要將選擇好的材料進(jìn)行精密加工，包括線圈繞制、磁鐵加工、軸承安裝等等。這個(gè)階段需要使用各種先進(jìn)的數(shù)控加工設(shè)備完成工程。
4、組裝階段：接下來是將電機(jī)零部件組裝在一起，此時(shí)需要對每個(gè)零部件進(jìn)行質(zhì)量檢測，包括機(jī)械性能、抗污性能等。組裝成功后，需要對整機(jī)進(jìn)行必要的調(diào)試和測試。
5、測試階段：測試階段是保證整個(gè)制造過程質(zhì)量的最后一步，主要包括機(jī)械、電氣、熱力學(xué)、傳動、耐久性能等的測試，以確保直線電機(jī)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，可靠地工作，達(dá)到客戶要求的所有標(biāo)準(zhǔn)。
6、出貨與售后服務(wù)：測試合格后，直線電機(jī)可以進(jìn)行包裝出貨，并提供相關(guān)的用戶手冊和保修服務(wù)。
三、直線電機(jī)的上下游產(chǎn)業(yè)鏈
直線電機(jī)的上游為絕緣體、電解銅、電工用硅鋼和合金鋼等，下游為各類設(shè)備廠商。
四、國內(nèi)外直線電機(jī)市場情況
直線電機(jī)的TOP3需求為機(jī)床、半導(dǎo)體設(shè)備和激光加工設(shè)備，共計(jì)占有近70%的市場，以下為2022年，直線電機(jī)的各細(xì)分行業(yè)的需求。
由于國內(nèi)外下游各類設(shè)備的需求的持續(xù)增長，全球直流電機(jī)市場規(guī)模持續(xù)增長，2018年至2023年，全球直流電機(jī)市場規(guī)模從70億美元增長到158億美元，預(yù)計(jì)到2025年，全球電機(jī)市場規(guī)模將達(dá)到208億美元。
由于國內(nèi)下游各類設(shè)備的需求的持續(xù)增長，中國和全球直流電機(jī)市場一樣規(guī)模持續(xù)增長，2018年至2023年，中國直流電機(jī)市場規(guī)模從20億美元增長到55億美元，預(yù)計(jì)到2025年，全球電機(jī)市場規(guī)模將達(dá)到73億美元。
五、中國主要直線電機(jī)企業(yè)情況
目前，國外品牌占據(jù)了中國直線電機(jī)60%以上的市場份額，品牌主要集中在新加坡、臺灣、日本和歐美。其中，新加坡品牌以19%的市場份額雄踞首位，其產(chǎn)品特點(diǎn)是技術(shù)和性能水準(zhǔn)比較符合中國用戶的需求，有一定的價(jià)格優(yōu)勢，以良好的性能價(jià)格比和較高的可靠性，獲得了穩(wěn)定且持續(xù)的客戶源，如下圖所示。
作為雅科貝思主要競爭對手的臺灣上銀，也不可小覷。上銀產(chǎn)品線豐富，業(yè)務(wù)涵蓋領(lǐng)域廣，自家產(chǎn)品間的搭配使用度高，故擁有了一部分穩(wěn)定的市場。加之直線電機(jī)質(zhì)量可靠，價(jià)格較其他外資品牌低，深受客戶青睞。2022年，直線電機(jī)業(yè)績占整體市場的13.8%。
在歐美品牌中，科爾摩根、Parker、siemens也有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。這些歐美品牌總的市場占有率約8.5%。
除新加坡、臺灣、歐美直線電機(jī)品牌外，日系直線電機(jī)的應(yīng)用也較廣，其技術(shù)水平和價(jià)格水平居于進(jìn)口中端產(chǎn)品和國產(chǎn)品牌之間，在總體業(yè)績中約占比21.3%。
中國國內(nèi)的品牌主要有大族電機(jī)、鄭州微納科技、嘉興華嶺、青島同日等，沿海地區(qū)一年將近20家小品牌加入到直線電機(jī)的生產(chǎn)中。目前國產(chǎn)品牌在總市場占有率在30%左右。
六、中國直線電機(jī)行業(yè)展望
1、技術(shù)越來越成熟
直線電機(jī)配合驅(qū)動控制技術(shù)越來越成熟，具有傳統(tǒng)設(shè)備無法超越的屏障。隨著電機(jī)制造技術(shù)的不斷完善，選擇匹配的直線電機(jī)和驅(qū)動控制系統(tǒng)能夠更加高效。
機(jī)床中的直線電機(jī)互相配合驅(qū)動控制技術(shù)現(xiàn)已愈來愈成熟完善，擁有傳統(tǒng)化裝置不能超越的屏障。伴隨電機(jī)現(xiàn)今制造技術(shù)的日益完善，選擇匹配的直線電機(jī)和驅(qū)動控制系統(tǒng)，互相配合合理的機(jī)床構(gòu)圖，高性能的機(jī)床。
2、成本逐漸降低
線性電機(jī)系統(tǒng)的成本不斷下降，現(xiàn)階段運(yùn)用的直線電機(jī)驅(qū)動依舊超過傳統(tǒng)化的傳輸價(jià)格。尤其是精密高速加工機(jī)床、特殊加工機(jī)床、大型機(jī)床處理傳統(tǒng)化傳動方式不能避免的問題。因此，線性電機(jī)應(yīng)集中在提高性能上，致力于解決傳統(tǒng)電機(jī)無法克服的難題。
3、技術(shù)趨于產(chǎn)業(yè)化
線性馬達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中不再是樣品。近些年，即便各個(gè)國家進(jìn)一步加強(qiáng)了生產(chǎn)的規(guī)模結(jié)構(gòu)特征，但依舊已經(jīng)不能滿足市場龐大的供應(yīng)量，擁有很強(qiáng)的市場規(guī)模，未來數(shù)十年世界將有三分之一數(shù)控運(yùn)用直線電機(jī)給驅(qū)動，高端機(jī)床的運(yùn)用不容置疑是比重較大的，其工業(yè)化的發(fā)展前景是不應(yīng)多說的。
老式電機(jī)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動模式的組合遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上現(xiàn)代控制系統(tǒng)的步伐。直線電機(jī)更受現(xiàn)生產(chǎn)模式的青睞。直線電機(jī)的技術(shù)研究越來越成熟，在自動化自各領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。
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