气动执行器与电动执行器：哪个更好？

气动线性致动器和电动线性致动器经常被比较以满足不需要液压线性致动器的高力的线性运动要求。以下是应考虑的 15 个因素。

首先，什么是执行器？

根据维基百科，“执行器”是机器的一个组件，负责移动和控制机制或系统。“线性致动器”是一种致动器，可以用推力推动或将负载线性地运送到特定位置。虽然结构相似，但执行器的不同之处在于它们的动力源，可以是液压（流体）、气动（空气）或电动（AC/DC）。

正确使用的线性致动器类型取决于它满足应用要求的程度，例如负载、速度、精度等。

例如，气动执行器可以提供更高的速度，但电动线性执行器提供最精确的控制，因为空气和流体压力比电力更难控制。

对于不需要来自液压执行器的极高力的平均负载，解决方案是气动执行器或电动执行器。 

在这篇文章中，我们将比较气动执行器与电动执行器的优缺点，以帮助您为下一个项目做出正确的决定。

在选择气动执行器或电动执行器时，需要考虑以下 15 个因素。

 

	气动执行器	电动执行器
设计	简单的	复杂的
力量	取决于气压	取决于螺距/导程
速度	高的	低的
准确性	低的	高的
重复性	低的	高的
运动控制能力	低的	高的
效率	低的	高的
成本	较低的初始成本	降低总拥有成本
数据采集	仍在开发中	高度发展
环境	严酷、危险	请参阅 IP 等级
温度	较高的环境温度	较低的环境温度
噪音	高的	低的
维护	高的	最小的
生活	估计的	计算的
理想应用	端到端定位	多点定位

 

请继续阅读以获取更多信息。

设计

气动执行器的设计更简单，而电动执行器使用更复杂的组件，例如滚珠丝杠和电动机。  

气动执行器的简单设计也比电动执行器更紧凑，但当您考虑维持气压所需的所有其他组件时，它实际上会占用更多空间。  稍后会详细介绍。

在这里，我们将典型的气动执行器与带滚珠丝杠的电动缸进行比较。

 

气动执行器	带滚珠丝杠的电动执行器

资料来源： https  ://www.globalspec.com/learnmore/flow_transfer_control/valve_actuators_positioners/pneumatic_valve_actuators	资料来源： https ://www.orientalmotor.com/linear-actuators/linear-actuators-eac-az-series-absolute-encoder.html

 

由于设计简单，气动执行器的安装也更容易、更快捷。然而，其运动曲线在调整尺寸后更难改变。电动执行器还需要确定尺寸和更复杂的编程来预先设置其参数，但只要所需的扭矩、速度或负载惯性不增加，它就可以相当容易地改变其运动曲线。

 

提示：它们是如何工作的？

气动执行器由空心气缸内的简单活塞组成。气动执行器的位置是通过调节进入阀门的空气来控制的，阀门在气缸外壳内移动活塞以抵抗弹簧力。当没有气压时，弹簧力将活塞移回其原始位置。 电动执行器通过特定的机构（例如滚珠丝杠）将电动机的旋转力转换为线性力。通过与电机一起旋转执行器的丝杠，滚珠丝杠螺母将沿着丝杠向前或向后移动。电动执行器的位置通过调节电压和电流来控制。

 

虽然气动执行器的基本设计相似，但电动执行器可以用几种不同的机构驱动，包括滚珠丝杠、丝杠、齿轮齿条、皮带和滑轮等。该机制会改变最终规格，例如负载、速度和精度，以便更好地满足某些应用要求。  

仅供参考，这里有一些不同类型的电动执行器的示例。

 

电动滑梯	齿轮齿条	空心转子

 

气动执行器也有不同的设计，因为它们在气缸中的活塞数量可能不同。更多的活塞等于更多的力，但它也需要更多的压缩空气。

力与速度

传统上，与电动执行器相比，气动执行器提供更高的速度和更低的力。然而，一些因素，例如电动执行器的螺距/导程，或气动执行器中的活塞数量，会影响比较。

对于气动执行器，力的计算方法是将活塞面积（力因数）乘以气缸中的气压。对于电动执行器，线性力是从电机的扭矩转换而来的。

在处理压缩空气时，很难始终保持设定的速度或力。由于电压和电流更容易控制，即使没有闭环反馈，电动执行器也能更好地保持力和速度。电动执行器上的滚珠丝杠或齿条齿轮机构也起到齿轮减速比的作用，因此可以在牺牲速度的情况下增加力。 

电动执行器有多种选择，因此请确保您是同类比较。  即使用另一个具有更高螺距/导程的滚珠丝杆更换滚珠丝杆也会改变最终规格，如下表所示。

下图描述了线性执行器的力与速度的示例。  

来源：https ://www.medicaldesignbriefs.com/component/content/article/mdb/features/articles/26236

气动执行器通常在 80 到 100 PSI 的压力下运行，而电动执行器将电机扭矩和 RPM 转换为线性力和线性速度。为了增加气动执行器的力或速度，需要更多的活塞和/或空气 PSI。要增加电动执行器的力、速度或加速度，需要更大或更长的电机提供更大的扭矩。

准确性和可重复性

电动执行器决定着精度和可重复性，这使它们成为多点定位应用的理想选择。  

来源：https ://www.linearmotiontips.com/does-my-system-need-high-accuracy-or-repeatability-or-both/

由于电压和电流比气压更容易控制，因此电动执行器可以准确地控制其位置并以相同的运动曲线重复该位置。气动执行器通常被选择用于简单的端到端定位应用，因为它们根本无法实现与电动执行器相同的精度和可重复性。

电动执行器使用伺服电机或步进电机，它们已经提供了高停止精度和扭矩控制能力。电机的保持力矩还可以防止位置漂移。   

我注意到的一件事是气动执行器逐渐变得更加先进，因为它们采用与电动执行器类似的控制，但它们仍然需要额外的传感器和编程来实现接近电动执行器的“现成”精度和可重复性，同时占用 PLC 上的 I/O。

运动控制能力

通过更精确地控制扭矩、速度和加速/减速模式，电动执行器可以比气动执行器在运动曲线上做更多的事情。

例如，以下运动曲线描述了电动执行器或电机可以做什么。

来源： https: //www.digikey.com/en/blog/motion-control-profiles-good-better-and-best

使用气动执行器很难重复这种精确的运动曲线。

由于其精度和准确度，电动执行器最有能力重复特定的运动曲线。气动执行器在其运动曲线生成方面受到限制，并且运动曲线一旦实施就更难改变。出于这个原因，气动执行器被选择用于单轴、端到端定位应用。由于重复精度高，电动执行器通常被选择用于多点定位应用和需要同步多个轴的应用。

对于电动执行器，可以保存和存储数百个目标位置，用于多点操作。通过修改运动曲线（例如 S 曲线）可以最大限度地减少振动和冲击载荷，而气动执行器需要硬停止和弹簧。

电动执行器的绝对位置控制也已经推进了相当长的一段时间。例如，除了带有绝对编码器的伺服电机外，带有内置多圈机械绝对编码器的闭环步进电机也可以通过消除外部原点和限位传感器来帮助最大限度地减少占地面积。不同的是，机械式绝对编码器不像绝对编码器那样需要备用电池。气动执行器已开始提供绝对反馈，但并不常见。

效率与成本

电动推杆的另一个主要优势是效率。气动执行器的运行效率约为 10~25%，甚至低于液压线性执行器的 ~40%。电动执行器的运行效率约为 80%。  

从长远来看，效率会影响电力成本。在这里，我们比较了同一应用中气动执行器与电动执行器的能源成本。

来源：https ://www.linearmotiontips.com/electric-actuators-vs-pneumatic-cylinders-total-cost-of-ownership/

 

“压缩空气是工厂中最昂贵的能源之一。典型的压缩空气系统的整体效率可能低至 10% 到 15%。”— 美国能源部：压缩空气能源小贴士，2004 年 8 月。

 

如果初始成本对您很重要，那么气动执行器是您的不二之选。相比之下，电动执行器的初始成本较高，但运行和维护成本较低。

然而，当您将长期总拥有成本考虑在内时，电动推杆实际上排在首位。这是因为空气动力和流体动力都需要更多的维护工作，而且效率低于电力。

资料来源：https ://www.techbriefs.com/component/content/article/tb/supplements/mct/features/articles/35859

短期成本包括系统成本，但总拥有成本包括更换成本、空气管路安装和维护。请记住，空气压缩机也需要电力才能运行。

 

提示：什么是总拥有成本？

总拥有成本= 初始购买成本 +（服务年数 x 年运营成本） FYI 年度运营成本 = 电力 + 更换成本 + 维护成本 + 报废成本 + 因维护而损失的生产成本 据能源部称，“压缩空气年度成本的 24% 是由于维护、设备和安装，而 76% 是直接由于压缩机的电力成本。”

 

这是我从 Linear Motion Tips 中收集的两个应用示例。应用 #1 用于面条切割应用，应用 #2 用于电阻点焊。

 

 

来源：https ://www.linearmotiontips.com/electric-actuators-vs-pneumatic-cylinders-total-cost-of-ownership/

气动和电动线性执行器之间的总拥有成本比较包括许多变量和假设。有时，这取决于管接头的设计、系统的维护情况以及您的使用方式。对于不需要精度或连续使用寿命的应用，气动执行器可以节省一些钱。

数据采集

数据收集可以带来更高的效率或预测性维护。电动推杆也是这一类别的赢家。

资料来源：https ://www.tolomatic.com/info-center/resource-details/a-technical-comparison-performance-of-pneumatic-cylinders-and-electric-rod-actuators

电动机和执行器的控制方面已经进步了很长时间，因此它们使用更复杂的控制。数据收集更容易实施，因为其中许多功能已经包含在内。更多工业网络通信协议，例如 EtherNetIP、Profinet 和 EtherCAT，可随时用于连接各种 PLC、HMI 和 IPC。尽管气动执行器也在进步，但要赶上可以使用数据实时控制过程的程度可能具有挑战性。

环境、温度和噪音

由于电动执行器系统可能包含更敏感的组件，例如电机、编码器和传感器，因此气动执行器更适合危险环境。但是，请注意进入保护 (IP) 等级和/或规格，以了解它可以准确处理什么样的环境。

气动执行器有时可以处理比电动执行器（40~150°F）更宽的环境温度（约 -20~350°F），但是当气动执行器在高环境温度下工作时，气封可能会失效，并且操作可能会缓慢. 高温还会影响电动机的轴承润滑脂寿命并影响金属膨胀性能，从而增加电动执行器的摩擦和磨损。

由于压缩空气，气动执行器的噪音也比电动执行器大。但是，多年来，这种情况也有所改善。

维护

如果您不喜欢维护，电动推杆是您的不二之选。

与电动执行器相比，气动执行器的维护需求非常高。需要从储罐中持续供应压缩空气，这不容易维护。除了执行机构外，还有更多部件需要维护，例如压缩机、阀门、管件、消声器、润滑器、过滤调节器润滑器、电磁阀和气管。

电动执行器需要最少的维护，因为由于轴承和线性导轨的摩擦最小，可能磨损的组件更少。偶尔可能需要润滑。如果从等式中去掉执行器，电动机可以被视为非维护项目，因为修理电动机的成本通常超过购买新电动机的成本。

使用气动执行器时，防止漏气很重要。随着密封件的磨损，气动执行器产生的力会发生变化，从而使精度和可重复性变得更差。气动执行器依靠紧密的杆和活塞密封件来防止因磨损而导致的空气泄漏。有时，调整或调节气流可能需要很长时间。

这里有更多关于气动执行器漏气的数据。

来源：https ://www.linearmotiontips.com/electric-actuators-vs-pneumatic-cylinders-total-cost-of-ownership/

使用寿命

气动执行器和电动执行器均提供基于轴承寿命的中等 L10 使用寿命。 

然而，电动机的寿命可以计算，而气动执行器的寿命只能估计。预测气封何时失效非常困难，因此必须对气动执行器进行定期维护。

 

提示：什么是 L10 生活？

L10 寿命是一组表面上相同的轴承中 90% 在预期疲劳发生之前将完成或超过的转数或小时数。这是估计电动机寿命的常用方法。 由于轴承寿命取决于齿轮润滑脂寿命，而轴承润滑脂寿命会因高温而缩短，因此将环境温度保持在尽可能低的水平将有助于延长使用寿命。 这是 Koyo Bearings 的计算示例。

 

延长气动执行器寿命的关键是保持活塞杆和活塞密封件的安全。密封件的磨损是不可避免的。如果空气泄漏增加，效率、力量、速度和响应能力都会受到影响。延长电动执行器寿命的关键是保持较低的工作温度。始终在两者的规格范围内操作。

理想应用

气动执行器和电动执行器之间的设计差异导致它们在特性上的差异。因此，气动执行器的粗糙特性使其成为基本的端到端定位应用的理想选择，而电动执行器的精度使其成为具有高级运动曲线或多轴同步的多点定位应用的理想选择。

气动执行器可以在比电动执行器更危险的环境中工作。但是，高温会缩短这两种执行器的使用寿命。

如果需要高级操作，如闭环反馈或数据收集，电动执行器提供了一个集成选项，在未来几年应该更容易使用。
 

概括

用最简单的话来说，气动执行器和电动执行器之间的选择归结为简单性、精确性、效率和维护。 

气动执行器体积更小，易于安装，可以轻松满足简单、短行程、端到端的定位要求。另一方面，电动执行器可以凭借其卓越的精度和可重复性满足更严格的要求，并且非常适合具有高级运动曲线的长行程、多点定位应用。

尽管初始成本有利于气动执行器，但重要的是要考虑总拥有成本，其中包括初始购买成本、运营成本和维护成本。请记住，用于气动执行器的空气压缩机也使用电力。从长远来看，电动推杆的运行和维护成本会更低。

将气动执行器切换为电动执行器的情况对于需要位置、速度、加速度和力的应用具有更高的精度和可重复性是有意义的。他们还更擅长数据收集和同步多轴应用程序。

随着近来效率和成本降低的趋势，对具有高功率效率和低重量的线性致动器的需求将推动对线性致动器的需求。 

审核编辑 黄宇