هل تساءلت يومًا كيف يمكن للقطارات أن تطفو فوق المسارات أو كيف تحقق الروبوتات حركات دقيقة؟ تكشف هذه المقالة النقاب عن العالم الرائع للمحركات الخطية، وتشرح مبادئها وأنواعها ومزاياها الفريدة. ستكتشف كيف تُحدث هذه المحركات ثورة في الصناعات بفضل سرعتها ودقتها وكفاءتها. انغمس في هذا المقال لتتعرف على كيفية تشكيل المحركات الخطية للمستقبل!
المحركات الخطية هي أجهزة تحول الطاقة الكهربائية مباشرة إلى حركة ميكانيكية خطية دون أي آليات تحويل وسيطة. يمكن اعتبارها بمثابة محركات دوارة تم قطعها شعاعيًا وفردها في مستوى مسطح.
تُعرف أيضًا باسم المحركات الخطية أو المشغلات الخطية، والأنواع الأكثر شيوعًا هي المسطحة والقناة على شكل حرف U والأنبوبية. والتكوين النموذجي للملف هو ثلاثي الأطوار، مع تبديل الطور بدون فرش من خلال مستشعرات تأثير هول.
وغالباً ما توصف المحركات الخطية ببساطة بأنها محركات دوارة غير ملفوفة، وتعمل على نفس المبدأ. يتم تصنيع الدوار (الدوار) عن طريق ضغط الملفات معًا بمادة الإيبوكسي؛ ويتكون المسار المغناطيسي من مغناطيسات (عادةً ما تكون مغناطيسات أرضية نادرة عالية الطاقة) مثبتة على الفولاذ.
يشتمل مُلحِم المحرك على لفات لفائف المحرك، ولوحات دارات مستشعر تأثير هول، ومنظمات حرارية (مستشعرات درجة الحرارة التي تراقب درجة الحرارة)، وواجهات إلكترونية. في المحركات الدوّارة، يتطلب المحرك الدوّار والجزء الثابت محامل دوارة لدعم المحرك والحفاظ على الفجوة الهوائية للأجزاء المتحركة. وبالمثل، تحتاج المحركات الخطية إلى أدلة خطية للحفاظ على موضع القاطع في المجال المغناطيسي الناتج عن مسار المغناطيس.
مثل المشفرات المثبتة على أعمدة المحركات المؤازرة الدوارة للتغذية الراجعة للموضع، تحتاج المحركات الخطية إلى مشفرات خطية لقياس موضع الحمل مباشرة، وبالتالي تحسين دقة تحديد موضع الحمل.
التحكم في المحركات الخطية مشابه للتحكم في المحركات الدوارة. مثل المحركات الدوارة عديمة الفرشاة، يكون المحرك والجزء الثابت غير متصلين ميكانيكياً (بدون فرش).
على عكس المحركات الدوارة حيث يدور المحرك الدوَّار ويبقى الجزء الثابت ثابتًا، أما في أنظمة المحركات الخطية فيمكن أن يتحرك المسار المغناطيسي أو ملف الدفع (معظم أنظمة تحديد المواقع لها مسار مغناطيسي ثابت وملف دفع متحرك). في المحركات ذات ملفات الدفع المتحركة، يكون وزن ملف الدفع والحمل صغيرًا جدًا.
ومع ذلك، يتطلب ذلك كابلات عالية المرونة وأنظمة إدارتها. وفي المحركات المزودة بمسارات مغناطيسية متحركة، لا يجب تحمل الحمل فقط بل يجب تحمل وزن المسار المغناطيسي أيضًا، مما يلغي الحاجة إلى نظام إدارة الكابلات.
تُستخدم مبادئ كهروميكانيكية مماثلة في كل من المحركات الخطية والدوارة. تولد نفس القوى الكهرومغناطيسية التي تنتج عزم الدوران في المحركات الدوارة قوة دفع خطية في المحركات الخطية.
لذلك، تستخدم المحركات الخطية نفس تكوينات التحكم والتكوينات القابلة للبرمجة مثل المحركات الدوارة. يمكن أن يكون شكل المحركات الخطية مسطحًا أو على شكل حرف U أو أنبوبي، اعتمادًا على المتطلبات المحددة وبيئة العمل الخاصة بالتطبيق.
يمكن تصنيف مبادئ تشغيل المحركات الخطية إلى نوعين رئيسيين: أحدهما يتحرك فيه المحرك (الجزء المتحرك) داخل مجال مغناطيسي، ويعرف باسم المحرك الخطي ماجليف، والآخر حيث يظل المحرك ثابتًا داخل المجال المغناطيسي ويتم دفعه بواسطة قوة كهرومغناطيسية، ويعرف باسم المحرك الخطي للدفع الكهرومغناطيسي.
(1) محرك خطي ماجليف (1)
يتضمن المبدأ الكامن وراء المحرك الخطي ماجليف استخدام المجالات المغناطيسية لتعليق المحرك في الهواء، وبالتالي تحقيق حركة بدون تلامس أو احتكاك. ويشمل هذا النوع من المحركات الخطية بشكل أساسي المحركات الخطية المتزامنة ذات المغناطيس الدائم (PMSLMs) والمحركات الخطية المعلقة الكهرومغناطيسية (EMSLMs).
تستغل PMSLMs التفاعل بين المجال المغناطيسي الناتج عن المغناطيس الدائم والمجال المغناطيسي للجزء الثابت لتعليق المحرك. وتتمثل المزايا الأساسية للمحرك PMSLMs في هيكلها البسيط وتكلفتها المنخفضة وتشغيلها المستقر.
ومع ذلك، تكون شدة المجال المغناطيسي محدودة بسبب وجود مغناطيس دائم، مما يؤدي إلى انخفاض قوة الدفع والسرعة نسبيًا.
تستخدم EMSLMs قوة الرفع المغناطيسي الناتجة عن المجالات الكهرومغناطيسية لتعليق المحرك. ميزتها الرئيسية هي كثافة المجال المغناطيسي الأعلى، مما يؤدي إلى قوة دفع وسرعة أكبر نسبيًا. ومع ذلك، فإن أجهزة EMSLMs لها هيكل أكثر تعقيدًا وتكاليف أعلى.
(2) محرك خطي للدفع الكهرومغناطيسي
يعمل محرك الدفع الكهرومغناطيسي الخطي باستخدام القوة الكهرومغناطيسية لتحريك المحرك داخل مجال مغناطيسي. وتشمل هذه الفئة بشكل أساسي المحركات الخطية ذات التيار المتردد (ACLMs) والمحركات الخطية ذات التيار المباشر (DCLMs).
يتم تشغيل أجهزة ACLMs عن طريق القوة الكهرومغناطيسية الناتجة عن التيار المتردد لتحريك المحرك. وتتمثل المزايا الرئيسية لآلات التحريك ACLM في بساطتها وتكلفتها المنخفضة وتشغيلها المستقر. ومع ذلك، فإن خصائص التيار المتردد تحد من قوة دفعها وسرعتها.
تستخدم آلات الحركة الموزعة للتيار المباشر القوة الكهرومغناطيسية الناتجة عن التيار المباشر لتحريك المحرك. وتتمثل الميزة الأساسية لآلات الحركة الموزعة للتيار المباشر في قوة الدفع والسرعة العالية، ولكن هيكلها أكثر تعقيداً وتنفيذها أكثر تكلفة.
قبل توافر محركات خطية عملية وبأسعار معقولة، كان يجب تحويل جميع الحركات الخطية من الماكينات الدوارة باستخدام براغي كروية أو براغي أسطوانية أو أحزمة أو بكرات. بالنسبة للعديد من التطبيقات، خاصةً تلك التي تتضمن أحمالاً ثقيلة وأعمدة دفع عمودية، لا تزال هذه الطرق هي الأفضل.
ومع ذلك، تتميز المحركات الخطية بالعديد من المزايا الفريدة مقارنةً بالأنظمة الميكانيكية، مثل السرعات العالية جدًا والمنخفضة جدًا، والتسارع العالي، والصيانة شبه المعدومة (لا توجد أجزاء تلامس)، والدقة العالية، وعدم وجود رد فعل عكسي.
يعد إكمال الحركة الخطية بمحرك فقط، بدون تروس أو وصلات توصيل أو بكرات، أمرًا منطقيًا للعديد من التطبيقات، مما يؤدي إلى التخلص من تلك الأجزاء غير الضرورية التي تقلل من الأداء وتقصر من العمر الميكانيكي.
1) بنية بسيطة.
تُنتج المحركات الخطية الأنبوبية حركة خطية مباشرةً دون آليات تحويل وسيطة، مما يبسّط الهيكل إلى حد كبير، ويقلل من القصور الذاتي للحركة، ويحسّن بشكل كبير الاستجابة الديناميكية ودقة تحديد المواقع. وهذا يزيد أيضًا من الموثوقية ويوفر التكاليف ويبسط التصنيع والصيانة. يمكن أن يصبح الأساسي والثانوي مباشرةً جزءًا من الآلية، وهو مزيج فريد من نوعه يعرض هذه المزايا بشكل أكبر.
2) مناسبة للحركة الخطية عالية السرعة.
نظرًا لعدم وجود قيود من قوة الطرد المركزي، يمكن للمواد العادية تحقيق سرعات أعلى. وعلاوة على ذلك، إذا تم استخدام وسائد هوائية أو مغناطيسية للحفاظ على الفجوة بين الابتدائي والثانوي، فلا يوجد تلامس ميكانيكي أثناء الحركة، وبالتالي لا يوجد احتكاك أو ضوضاء. وهذا يعني عدم وجود تآكل في أجزاء ناقل الحركة، مما يقلل بشكل كبير من الفقد الميكانيكي، ويجنب الضوضاء من الكابلات والحبال الفولاذية والتروس والبكرات، وبالتالي زيادة الكفاءة الكلية.
3) الاستخدام العالي للملفات الأولية.
في محركات الحث الخطي الأنبوبي، تكون اللفات الأولية على شكل فطيرة بدون لفات طرفية، مما يؤدي إلى استخدام لفات عالية.
4) لا توجد تأثيرات حافة عرضية.
تشير التأثيرات المستعرضة إلى ضعف المجال المغناطيسي عند الحدود بسبب الفواصل المستعرضة. لا تحتوي المحركات الخطية الأسطوانية على أي فواصل عرضية، لذا فإن المجال المغناطيسي موزع بالتساوي حول المحيط.
5) التغلب بسهولة على السحب المغناطيسي الأحادي الجانب.
تُلغي قوى السحب الشعاعي بعضها بعضًا، مما يقضي عمليًا على مشكلة السحب المغناطيسي الأحادي الجانب.
6) سهلة الضبط والتحكم.
من خلال ضبط الجهد أو التردد، أو تغيير المادة الثانوية، يمكن تحقيق سرعات مختلفة ودوافع كهرومغناطيسية مختلفة مناسبة للعمليات الترددية منخفضة السرعة.
7) قدرة قوية على التكيف.
يمكن تغليف القلب الأساسي للمحرك الخطي براتنج الإيبوكسي، مما يوفر مقاومة جيدة للتآكل والرطوبة، مما يجعله مناسبًا للاستخدام في البيئات الرطبة والمتربة والغازات الضارة. علاوة على ذلك، يمكن تصميمه في هياكل مختلفة لتلبية الاحتياجات المختلفة.
8) التسارع العالي.
تعد هذه ميزة كبيرة لمحركات المحركات الخطية مقارنةً بالمحركات اللولبية الأخرى, حزام متزامنومحركات حامل التروس.
تُستخدم المحركات الخطية، المعروفة بكفاءتها ودقتها وسرعتها العالية، على نطاق واسع في مختلف المجالات.
في قطاع النقل، تُستخدم المحركات الخطية بشكل أساسي في القطارات عالية السرعة ومترو الأنفاق والمصاعد. على سبيل المثال، تستخدم قطارات ماجليف الألمانية محركات خطية تعمل بالرفع المغناطيسي، مما يؤدي إلى سرعات أعلى ومستويات ضوضاء أقل.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن دمج المحركات الخطية في أنظمة قيادة السيارات الكهربائية لتعزيز أدائها.
في مجال التصنيع الصناعي، تُستخدم المحركات الخطية بشكل رئيسي في ماكينة CNC الأدوات والروبوتات. على سبيل المثال، أنظمة تغذية الأدوات في أدوات ماكينات CNC يتم تشغيلها بمحركات خطية، مما يوفر دقة تصنيع أكبر وأوقات استجابة أسرع.
علاوة على ذلك، يمكن تطبيق المحركات الخطية على سيور النقل ومناولة الروبوتات على خطوط الإنتاج المؤتمتة، وبالتالي زيادة الإنتاجية.
في المجال الطبي، تُستخدم المحركات الخطية بشكل أساسي في أجهزة التصوير الطبي مثل أجهزة التصوير المقطعي المحوسب وأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي. تتطلب هذه الأجهزة تحكمًا دقيقًا في نطاق وسرعة المسح الضوئي للأشعة السينية أو المجالات المغناطيسية، وتوفر المحركات الخطية دقة عالية وتحكمًا في السرعة، مما يعزز دقة التشخيص وكفاءته.
في مجال البحث العلمي، تُستخدم المحركات الخطية بشكل بارز في مسرعات الجسيمات والتلسكوبات الفلكية. فعلى سبيل المثال، تستخدم حلقات المعجِّل في مصادم الهدرونات الكبير (LHC) محركات خطية تتيح قدرات تسارع أعلى وأداءً تشغيليًّا أكثر استقرارًا.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام المحركات الخطية في أنظمة التركيز الأوتوماتيكية للتلسكوبات الفلكية، مما يحسن من دقة وكفاءة عمليات الرصد.