导语
直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能的传动装置，这种高速、高精度的特性在装备制造业有非常广泛的应用。例如，直线电机在数控机床的使用中尤为热门，弥补传统机床依赖丝杆驱动的缺陷，大幅提高精度和加速度；在半导体行业中，其高速、高精度、无污染的特性也可以应用于光刻机、IC粘接机、IC塑封机等加工设备；在交通运输业中，可以以微米级的精度加工出各种零部件，广泛应用于磁悬浮列车等。此外，直线电机在建筑行业中智能大厦直线电机驱动电梯、医疗设备以及军事行业电磁飞机弹射系统等也得到不同程度的应用。
近年来随着我国步入到先进制造业的产业发展与升级阶段，对高速加工技术中传动及控制系统的要求越来越高，我国对直线电机驱动的研究力度逐步加大，越来越多的企业加入到直线电机的研发生产中，行业需求和市场规模都逐步增加。同时，考虑到直线电机在科研领域的硬性需求，发展直线机电行业可以迅速拉近我国同世界发达地区之间的技术差距，既能满足日益增长的市场需要，也是未来技术发展的必然趋势。
一、行业概述
直线电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种变形，它可以看作是一台旋转电机沿其径向剖开，然后拉平演变而成。
随着自动控制技术和微型计算机的高速发展，对各类自动控制系统的定位精度提出了更高的要求，在这种情况下，传统的旋转电机再加上一套变换机构组成的直线运动驱动装置，已经远不能满足现代控制系统的要求，为此，世界许多国家都在研究、发展和应用直线电机，使得直线电机需求越来越旺盛。目前全球直线电机市场，基本被国外巨头所垄断，GE、博世、西门子等公司下属均设有直线电机公司。越来越多的国内企业，进入到直线电机的研发与生产，行业需求和市场规模也越来越大。我国直线电机的研究和应用发展是从七十年代初开始的。
我国直线电机研究虽然也取得了一些成绩，但与国外相比，其推广应用方面尚存很大差距。目前，国内不少研究单位已越来越注意到这点。直线电机在工业设备中的应用，主要在装备制造领域比较突出，近几年，国际上对数控机床采用直线电机显得特别热，究其原因是，传统机床的驱动装置依赖丝杆驱动，丝杆驱动本身具有一系列不利因素，如：长度限制、机械间隙、磨擦、扭曲、螺距一周期误差等，而直线电机不仅无此缺陷，且结构简单、精度可以是丝杆的 10 倍甚至100 倍，加速度可以是传统机床的 20 倍以上。
直线电机又称为线性马达，是各个领域之中的制造企业常用的一种机械设备。将其安装在生产设备上就能够为企业的生产线提供高速的自动线性运动，从而可以有效提高企业的产能。直线电机具有结构简单、高加速度、适应性强、易于调节和控制、无横向边缘效应、初级绕组利用率高等众多优点。直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。
直线电机按工作原理可分为：直流、异步、同步和步进等；直线电机按结构形式可分为；单边扁平型、双边扁平型、圆盘型、圆筒型（或称为管型）等。最常用的直线电机类型是平板式直线电机、 U 型槽式直线电机和圆柱型直线电机。音圈电机因其结构类似于喇叭的音圈而得名。具有高频响、高精度的特点。此类电机分为圆柱型音圈电机和摆动型音圈电机。也就是所谓的圆柱型直线电机。
平板式直线电机铁芯安装在钢叠片结构然后再安装到铝背板上，铁叠片结构用在指引磁场和增加推力。磁轨和动子之间产生的吸力和电机产生的推力成正比，叠片结构导致接头力产生。把动子安装到磁轨上时必须小心以免他们之间的吸力造成伤害。
U型槽式直线电机有两个介于金属板之间且都对着线圈动子的平行磁轨。动子由导轨系统支撑在两磁轨中间。动子是非钢的，意味着无吸力且在磁轨和推力线圈之间无干扰力产生。非钢线圈装配具有惯量小，允许非常高的加速度。线圈一般是三相的，无刷换相。可以用空气冷却法冷却电机来获得性能的增强。也有采用水冷方式的。这种设计可以较好地减少磁通泄露因为磁体面对面安装在U形导槽里。这种设计也最小化了强大的磁力吸引带来的伤害。
圆柱形动磁体直线电机动子是圆柱形结构。沿固定着磁场的圆柱体运动。这种电机是最初发现的商业应用但是不能使用于要求节省空间的平板式和 U 型槽式直线电机的场合。圆柱形动磁体直线电机的磁路与动磁执行器相似。区别在于线圈可以复制以增加行程。典型的线圈绕组是三相组成的，使用霍尔装置实现无刷换相。推力线圈是圆柱形的，沿磁棒上下运动。这种结构不适合对磁通泄漏敏感的应用。
1. 结构简单。直线电机不需要经过中间转换机构而直接产生直线运动，使结构大大简化，运动惯量减少，动态响应性能和定位精度大大提高；同时也提高了可靠性，节约了成本，使制造和维护更加简便。它的初、次级可以直接成为机构的一部分，这种独特的结合使得这种优势进一步体现出来。
2. 高加速度。这是直线电机驱动，相比其他丝杠、同步带和齿轮齿条驱动的一个显著优势。
3．适合高速直线运动。因为不存在离心力的约束，普通材料亦可以达到较高的速度。而且如果初、次级间用气垫或磁垫保存间隙，运动时无机械接触，因而运动部分也就无摩擦和噪声。这样，传动零部件没有磨损，可大大减小机械损耗，避免拖缆、钢索、齿轮与皮带轮等所造成的噪声，从而提高整体效率。
4．初级绕组利用率高。在管型直线感应电机中，初级绕组是饼式的，没有端部绕组，因而绕组利用率高。
5．无横向边缘效应。横向效应是指由于横向开断造成的边界处磁场的削弱，而圆筒型直线电机横向无开断，所以磁场沿周向均匀分布。
6．容易克服单边磁拉力问题。径向拉力互相抵消，基本不存在单边磁拉力的问题。
7．易于调节和控制。通过调节电压或频率，或更换次级材料，可以得到不同的速度、电磁推力，适用于低速往复运行场合。
8．适应性强。直线电机的初级铁芯可以用环氧树脂封成整体，具有较好的防腐、防潮性能，便于在潮湿、粉尘和有害气体的环境中使用；而且可以设计成多种结构形式，满足不同情况的需要。
直线电机的产业链上游主要涉及原材料和电机生产设备，其中主要原材料包含钢、铜、铝、稀土磁性材料。下游应用的范围较广，包含交通运输、工业自动化、建筑业、数控加工、汽车行业、军事、医疗等领域。
上游行业中的原材料价格变动与企业的产品定价政策、成本水平、销售业绩有较大影响,关联度较高。轴承、换向器、变频器等属于专业化、高技术含量的配套产品，产品价格变动没有原材料的价格变动明显。目前，主要的原材料我国基本可以自给自足，为电机行业的可持续发展提供了重要保障。
主要原材料之一的电磁线指制造电机产品中的线圈或绕组的绝缘电线。电磁线的主要原材料为电解铜，所以电磁线价格的主要变动与电解铜价格关系密切。电解铜价格在 2011 年下半年出现了大幅下降，降低了整个电机行业的成本。
电机定转子冲片、铁心主要原材料为硅钢片，国内的主要硅钢片生产企业主要集中在武钢、宝钢、太钢、鞍钢等大型钢铁生产企业。硅钢片按照生产工艺分为热轧和冷轧两种，冷轧片厚度均匀、表面质量好、磁性能高、损耗低，为了提高电机效率，国家已经强制要求企业选用冷轧硅钢片。硅钢片整体价格呈现了下滑的趋势，电机行业的产品成本趋于下降，提升了整个行业的利润率水平。
电机的成本构成中除了电解铜(电磁线)、硅钢片之外，还有大量的辅助性钢材。主要包括碳素钢、中厚板等。与电解铜(电磁线)和硅钢片相同，普通钢材价格呈现先升后降的趋势。
电机产品广泛应用于国民经济的各个领域，直线电机主要在装备制造领域有较大的发展空间，另外主要应用于物料输送、计算机外设、军事应用及磁悬浮列车、医疗仪器、家用电器等行业。相关产业的快速发展，为电机行业提供了广阔的市场空间，促进了整个电机行业的有序发展。
我国正处于新型工业化的发展过程之中，需要对传统生产工具进行现代化的改进，对机械装备的市场需求十分巨大；在推动结构调整和产业升级的过程中，机械装备生产行业需要提前发展，为各行业生产技术装备的更新升级提供设备支持；我国工业化和城市化进程的加快，也为装备制造业提供了巨大的市场需求；随着对电机效率要求的不断提高，大量高耗能的电机将被淘汰,高效节能电机应用成为装备制造行业发展的重要一环；对于高精度的数控设备，更是必须使用直线电机才能达到精度要求。
随着物流的发展，自动化程度的提高，物流传输系统越来越广泛的应用于各种工业场合，如邮政分拣系统、机场行李传送线、矿场输送等等。过去，物流输送系统有旋转电机驱动，其缺点是机械磨损和噪音较大，这使得设备的效率不高，使用年限不长，无法保证系统长期运行的可靠性。由直线电机驱动的物流传输设备代表了现代先进物流传输技术的一种应用和一种潮流。一些发达地区(如美、常州、德、法、意大利、丹麦等)，在物流传输领域，如机场行包输送，邮政自动化分拣、报刊书籍配送中心，工厂流水线等系统中，已基本实现了自动化。这些设备普遍采用具有先进水平的直线电机作为驱动系统，适应多批量灵活安排的需求，代表着目前世界物流传输技术的发展水平。
直线电机应用于计算机外设，同样具有磨损小、快速和寿命长的特点。直线电机已在打印机中有很多实际应用案例，如日本神钢电机公司、富士通公司就将直线电机运用于打印机，取得了分辩能力和停止精度提高，加速特性好的效果。除了计算机外设设备，在计算机内设设备如硬盘中，直线电机也有实际应用案例。另外直线电机在喷绘机、CD机和光驱设备上均有应用。
直线电机在军事上也得到了一些应用，如直线电机驱动的潜艇，还有直线电机驱动的电磁炮。此外在一些军事设施上，如军用靶场、军用仿真系统、军用战斗武器如导弹的发射等等。早在2003年国外就将直线电机运用在航空航天领域，主要体现在军事上，美研制用于航空母舰上推动飞机起飞的永磁直线同步电机可使飞机在较短时间内加速到起飞速度，增加了单位时间起飞飞机数量。对于磁悬浮列车来说，是通过电磁力实现列车与轨道之间的无接触的悬浮和导向，再利用直线电机产生的电磁力牵引列车运行。
在医疗领域，直线电机也有很多应用，大到电动护理床、X光透视床、CT机、X光扫描仪等，小到心脏起搏器、直线电机驱动的人工心脏等。
在家用电器行业，直线电机可用于驱动各类门、窗，还有用直线电机驱动的洗衣机、干燥机、晾衣架、家用电动工具等。
随着“工业 4.0”和“智能制造”等政策的出台与推进，国家加大了对工业制造的投入与支持。工业机械自动化程度的不断升级，有力的带动了上游直线电机在中国的快速成长。国外品牌纷纷加大对中国市场的投入力度，于此同时国内小品牌迅速加入到直线电机的生产制造中，尤其在沿海地区，每年有将近 20 多家新的直线电机公司成立。
在国内市场上，直线电机虽然还处于发展的初期阶段，产品工艺和技术方面还需进一步完善和成熟，但是乘着工业机械自动化程度不断升级的浪潮，未来发展前景良好。从 2013 年开始，国内直线电机市场持续保持快速发展，在国内占主要地位的部分厂商更是取得成倍增长。例如雅科贝思和上银。作为雅科贝思竞争对手的上银，在国内的竞争力也不可小觑。其他主要品牌等也保持着 20%-30%的增速。从应用行业角度来看，半导体、激光加工、机床三个行业的应用比例约占到68%，其他 3C 电子、锂电池等新兴行业的应用也呈增长趋势。
直线电机有广泛的制造业应用，这些行业包括：机床、测量、钻孔、铣削、电子装配、研磨、激光切割、丝网印刷、半导体、胶黏剂投放、晶片处理加工、标签粘合、引线焊接、离子注入、平板印刷、纺织机械等。通过引入直线电机控制系统，不仅能够大幅提高这些行业的加工精度与效率，同时也降低了磨损与能耗，在应用的同时，也是对这些行业的产业升级。
三、市场分析
从中国直线电机进出口的整体状况来看，近几年中国直线电机的进出口额变化不大。2019年行业的进口金额为21.60亿美元，出口金额为44.43亿美元，进出口总额达到66.03亿美元。2020年前五个月，中国直线电机的进出口总额为23.74亿美元，较2019年度同期有所减少。其中主要是受疫情影响，电机在生产以及进出口方面都收到了不少的干扰，根据现阶段的情况来看，下半年中国的经济运行逐渐进入常态化，经济也有望恢复。
近年来我国直线电机的供给量呈逐年上升的发展态势，据中国直驱产业联盟公布的数据显示，2014-2019年中国纯直线电机行业市场规模一直呈现高速增长的趋势，2018年中国纯直线电机市场规模已经达到20.0亿元，2019年中国纯直线电机市场规模大约为25.6亿元，较2018年增长28.0%。
截止2019年，直线电机及其模组等相关市场，乐观估计约为300亿元左右，每年增长30%，预计到2024年，整体市场规模将会达到800亿元。
四、趋势分析和市场挑战
在国内市场上，直线电机虽然还处于发展的初期阶段，产品工艺和技术方面还需进一步完善和成熟，但是乘着工业机械自动化程度不断升级的浪潮，未来发展前景良好。直线电机的发展主要呈现出以下三个趋势：
机床中的直线电机配合驱动控制技术已经越来越成熟，具有传统装置无法逾越的屏障。随着电机制造技术的不断完善，选用匹配的直线电机和驱动控制系统，配合合理的机床构图，完全可以制造出高性能，高可靠性的机床。高速线性电机驱动已广泛应用于加工中心，数控铣床，车床，磨床，复合加工机，激光加工机和重型机床。在当前飞速发展的工业领域，直线电机在工业生产中的应用发展状况日趋迅猛，也越来越广泛，其技术趋势呈现以下五个方面：机电一体化、智能集成化、低噪音化、节能高效化、直线电机终端产品的智能化高端化。
线性电机系统的成本不断向下探底，在机床成本的比例大幅下降。但目前使用的直线电机驱动仍然高于传统的传输价格。因此，线性电机的应用仍然集中在高性能机床上，特别是精密高速加工机床、特殊加工机床、大型机床解决传统传动方式无法排除的问题。
直线电机在机床上的应用不再是样品。据相关数据统计，近些年来，尽管各国加强了生产的规模结构，但仍然无法满足市场庞大的需求量，具有很强的市场潜力，未来几十年世界将有三分之一数控机床采用直线电机进给驱动，高端机床的采用无疑是比重最大的，其工业化前景是不言而喻的。
直线电机在国内还处于发展的初期阶段，目前，面临着严峻的市场挑战。
1. 产品参差不齐。响应“十三五”规划，国内新兴的小品牌直线电机厂商如雨后春笋般涌现，外资品牌厂商也纷纷加大对国内市场的投入。但是目前还没有统一的标准进行规划和管理。无论是产品的结构，外观，还是产品的技术参数方面都呈现出供应商各自的风格。这种局面不利于各项业务的开展。例如：一旦出现问题，必须要调派专人去现场解决问题。
2. 市场对产品功能提出更高要求。随着中国工业领域各个行业的快速发展，要求所生产的产品质量越来越高，对机器的性能，速度，精度等要求也逐渐提高，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。原来占据主导地位的伺服加丝杠组合，也正是因为渐渐无法满足这些要求，这才有了直线电机的迅速成长。直线电机在性能、速度、精度等方面需要不断精进，不断提高，尤其是国产品牌。
3. 国内控制技术有待提高。直线电机国外发展比国内早，目前在精密机床等加工设备上已经得到很高的应用水平，但在国内直线电机还处于起步阶段。国内的控制技术较国外相比有一定的差距。因此目前阶段主要还是以选择国外品牌的直线电机为主流趋势。
4. 国外产品价格较高。国内直线电机市场上外资品牌占比较高，比如：雅科贝思、上银、科尔摩根等等。国产品牌多而杂，虽然价格远低于进口产品，但是在技术、制造工艺、质量方面还有待提高，还未受到大众厂商的广泛认可。因此国内大的客户主要还是以采购外资品牌。外资直线电机绝大多数是进口的，故价格一直居高不下，近年来在非高端产品上，已经出现国产化替代的趋势。
五、直线电机领域典型公司
长沙一派数控股份有限公司始建于1998年12月，是一家民营高新技术企业，座落于国家级长沙经济技术开发区。2016年于新三板挂牌，注册资金2310万元。在直线伺服和非圆截面数控加工领域，一派数控掌握着国际上最先进的技术，一派所有产品拥有自主知识产权，其中发明专利8项、实用新型专利7项、软件著作权9项，已备案的企业技术标准17项，科技成果鉴定6项。公司拥有企业技术中心和工程技术中心，荣获国家、省、市奖励20余项。
公司汇聚了一大批企业管理、机械、自动化、电机、计算机等学科的技术专家和复合型人才。公司不仅在直线伺服和非圆截面数控加工领域掌握着国际上最先进的技术、在国内外具有举足轻重的地位，而且还打造了一支学者型的管理团队和一支市场型的研发团队。公司拥有6名国防科大专家股东，5名博士领衔的30人技术团队（员工总人数87人）， 核心团队人员，从80年代末就开始从事精密直线电机和磁悬浮研究。
公司机床事业部主要为活塞、活塞环、连杆等内燃机零配件提供专用数控机床及全自动活塞生产线，其主导产品已出口德国、美国、韩国、印度等。驱动事业部主要研发生产直线伺服电机、驱动器及其延伸产品，为激光、印刷、机床、电子、军工等行业提供直线伺服功能部件及整体解决方案。“突出直线伺服，引领非圆数控”是公司秉承的经营宗旨。公司已承担多项国家科技重大专项，拥有一批具有国际先进水平的特种技术。曾完成了国家发改委 “直线伺服电机规模化生产项目”，开发了一系列独有的具备直线电机试验检测设备，具有完备的工艺体系和年产20000台套的能力，公司通过香港品质保证局ISO9001:2008质量体系认证，是高新技术企业、软件企业以及工信部再制造示范企业。
哈尔滨泰富电气有限公司成立于2003 年4 月， 并于2005 年1 月在美国上市，目前注册资本已增至 9000 万美元。公司秉承“科研开发企业化,科技成果市场化，资本运营社会化， 产业发展国际化”的经营发展理念， 开创了一条企业新型工业化创新发展之路， 现已成为国内电机制造业中的新兴的大型企业集团。公司拥有在哈尔滨、上海、威海、西安、杭州、底特律等地的七家下属全资子公司，是目前国内品种最齐全的电机制造企业集团，年销售收入超过 20 亿元人民币。公司下设“杭州浙大泰富电气新技术有限公司”、“黑龙江泰富电气新技术研究院”、“上海泰富电气新技术研究院”和“美国底特律技术研发中心“，构成公司独立的企业研发生产的依托和主体。并与包括浙江大学、 中国科学院、 信息产业部、英国谢菲尔德大学等进行项目合作。到目前为止，公司拥有专利技术40余项， 均属自主知识产权， 且研发和生产的直线电机及自动化集成装置产品和汽车用微特电机等众多电机产品， 在国内处于领先水平， 个别产品的性能指标已达到或超过国际水平。经过短短几年的飞速发展， 公司业已形成了哈尔滨泰富电气有限公司的直线电机及其驱动产品， 上海泰尔富电气有限公司的微特电机及控制装置， 威海泰富西玛电机有限公司的中小型工业电机及新型高效节能电机， 西安泰富西玛电机有限公司的高压﹑低压﹑直流等大型工业电机， 构筑起一个强大的产业集群，产品不仅替代进口，而且已经大量出口，为国际著名企业进行 OEM配套。
自公司成立以来，公司先后建立实施并通过了 ISO9001-2000 质量、ISO14001-1996 环境、 GB/T28001-2001 职业健康安全、ISO/TS 16949：2000 汽车零部件特别要求体系认证；2005 年，公司向美国出口的直线电机通过了美国UL 产品安全认证。
SUPT Motion 是国内专业设计与制造直线电机,音圈电机等特种电机的高科技精密机电产品的公司， 它打破了国外高频、 高速、 高精度线性运动在我国垄断多年的局面。经过多年设计开发由我司研制的音圈电机、 直线电机经过多项测试，在性能上已经达到国际先进水平， 在某些主要技术指标上还要优于国外的直线电机；在保证品质的前提下， SUPT Motion 能让客户在价格及售前、售中、售后服务中得到更多的优惠。
随着新一轮科技转型的发展，最近两年， SUPT 直线电机在定位领域的应用有着显著的增长，对比于传统的滚珠丝杠驱动，由于 SUPT 直线电机能够提供更高的加速度、速度以及更高的精度。在很多产品检测、印刷包装、医疗器械OEM应用领域，直线电机在国内曾一度被认为是昂贵且少见的电机产品， SUPT 直线电机出现打破了这一历史现状， 现在 SUPT Motion 将直线电机变成了在自动化行业极具性价比且广泛应用的动力装置。
SUPT Motion 除了能为半导体和机床领域提供纳米级别精度的电机外，SUPT 现在还能够满足从医疗设备到封装、印刷甚至金属加工等多个领域的设计工程师的要求。由于需求量的不断增长， 这类电机的成本也在缓慢下降。这得益于我司能够在国内获得相对便宜的稀土磁铁（直线电机的关键组件），这是使这种电机的价格和性能极具吸引力的重要因素。
深圳市大族电机科技有限公司是由上市公司—深圳市大族激光科技股份有限公司投资组建的控股子公司， 是一家集技术研发、 生产和销售为一体的国家级高新技术企业。公司成立于 2005 年，位于深圳市南山区高新科技园。自成立以来，公司致力于直驱系统在国内的研发、推广、应用，得到了广大客户的支持和信赖，是国内直驱电机的领先者。
大族电机引进直线电机和伺服驱动的海归团队， 配备先进的软硬件开发平台，共享母公司大族激光集团的平台资源。开发的直线电机、 力矩电机、 工业机器人、自动化设备、激光扫描光学系统、 伺服驱动控制系统等高科技产品实现了系列化、标准化和产业化， 可广泛应用于工业激光设备行业、 数控机床行业、 电子半导体设备行业、医疗器械行业、 纺织机械行业、 精密检测仪器行业和民用行业等领域。公司与西安交通大学、西安微电机研究所、 哈尔滨工业大学、 华中科技大学、上海大学、 河南理工大学等高等院校、 研究所建立了长期合作， 努力拓宽产学研发展道路。公司申请和获批的专利共120 多项，其中 6 项PCT 国际专利， 14 项软件著作权。
结语
近年来直线电机的应用已呈加速增长态势，直线电机的应用广泛，已经渗入到经济发展的各个领域当中。随着直线电机驱动技术的日益改进与完善，未来直线电机将逐步取代传统的丝杠传动方式。因此，必须逐步完善直线电机使用及维护等其它配套技术，满足多变的市场需要，增加自己的市场竞争能力。
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芯派资本(CHIPAI CAPITAL) 聚焦一级市场“硬科技”领域的创业公司，秉承发现价值、传递价值、创造价值的理念，挖掘企业深层价值和战略资本协同，服务技术型创始人，通过敏锐洞察行业趋势与资本动向，以深度服务来解决技术型企业发展面临的问题，提供全方位的综合融资服务，成为公司的 “资本合伙人”。团队汇集了来自多家投行机构的专业人士，熟悉一级市场投融资策略、公司并购和IPO上市等流程，通过嫁接丰富的海外资源，为各类企业提供更多方面服务(海外市场拓展、海外项目并购、技术授权转移等)。
