نظرة على المحركات الخطية المختلفة المتاحة وكيفية تحديد النوع الأمثل لتطبيقك.
المقالة التالية هي نظرة عامة على الأنواع المختلفة من المحركات الخطية المتاحة ، بما في ذلك مبادئ تشغيلها ، وتاريخ تطور المغناطيس الدائم ، وطرق تصميم المحركات الخطية والقطاعات الصناعية باستخدام كل نوع من المحركات الخطية.
يمكن أن تكون تقنية المحرك الخطي: محركات الحث الخطي (LIM) أو المحركات المتزامنة الخطية ذات المغناطيس الدائم (PMLSM).يمكن أن يكون PMLSM لبًا حديديًا أو بدون حديد.جميع المحركات متوفرة في تكوين مسطح أو أنبوبي.كانت Hiwin في طليعة تصميم وتصنيع المحركات الخطية لمدة 20 عامًا.
مزايا المحركات الخطية
يتم استخدام محرك خطي لتوفير حركة خطية ، أي تحريك حمولة معينة في تسارع محدد وسرعة ومسافة انتقال ودقة.جميع تقنيات الحركة بخلاف المحرك الخطي هي نوع من الدفع الميكانيكي لتحويل الحركة الدورانية إلى حركة خطية.يتم تشغيل أنظمة الحركة هذه بواسطة براغي كروية أو أحزمة أو رف وترس.تعتمد مدة خدمة كل هذه المحركات بشكل كبير على تآكل المكونات الميكانيكية المستخدمة لتحويل الحركة الدورانية إلى حركة خطية وهي قصيرة نسبيًا.
تتمثل الميزة الرئيسية للمحركات الخطية في توفير حركة خطية بدون أي نظام ميكانيكي لأن الهواء هو وسيط النقل ، وبالتالي فإن المحركات الخطية هي في الأساس محركات عديمة الاحتكاك ، مما يوفر عمر خدمة غير محدود نظريًا.نظرًا لعدم استخدام أي أجزاء ميكانيكية لإنتاج حركة خطية ، فإن التسارعات العالية جدًا تكون ممكنة حيث تواجه المحركات الأخرى مثل البراغي الكروية أو الأحزمة أو الرف والترس قيودًا خطيرة.
محركات الحث الخطي
رسم بياني 1
كان المحرك التحريضي الخطي (LIM) هو أول محرك تم اختراعه (براءة الاختراع الأمريكية 782312 - ألفريد زيهدين في عام 1905).وهو يتألف من "أساسي" يتكون من كومة من صفائح الفولاذ الكهربائية ومجموعة من الملفات النحاسية المزودة بجهد ثلاثي الطور و "ثانوي" يتكون بشكل عام من صفيحة فولاذية ولوحة نحاسية أو ألمنيوم.
عندما يتم تنشيط الملفات الأولية ، يصبح الثانوي ممغنطًا ويتشكل مجال من التيارات الدوامة في الموصل الثانوي.سيتفاعل هذا الحقل الثانوي بعد ذلك مع EMF الخلفي الأساسي لتوليد القوة.سيتبع اتجاه الحركة قاعدة فليمنج اليسرى أي ؛سيكون اتجاه الحركة عموديًا على اتجاه التيار واتجاه المجال / التدفق.
الصورة 2
توفر المحركات الحثية الخطية ميزة التكلفة المنخفضة جدًا لأن المحرك الثانوي لا يستخدم أي مغناطيس دائم.المغناطيس الدائم NdFeB و SmCo باهظ الثمن.تستخدم المحركات الحثية الخطية مواد شائعة جدًا ، (الفولاذ والألمنيوم والنحاس) ، من أجل ثانوي وتقضي على مخاطر التوريد.
ومع ذلك ، فإن الجانب السلبي لاستخدام محركات الحث الخطي هو توافر محركات لهذه المحركات.في حين أنه من السهل جدًا العثور على محركات أقراص للمحركات الخطية ذات المغناطيس الدائم ، إلا أنه من الصعب جدًا العثور على محركات محركات الحث الخطي.
تين. 3
المحركات الخطية المتزامنة ذات المغناطيس الدائم
تحتوي المحركات المتزامنة الخطية ذات المغناطيس الدائم (PMLSM) بشكل أساسي على نفس المحركات الأولية مثل محركات الحث الخطي (على سبيل المثال ، مجموعة من الملفات المركبة على كومة من صفائح الفولاذ الكهربائية ويتم تشغيلها بجهد ثلاثي الطور).الثانوي يختلف.
بدلاً من صفيحة من الألومنيوم أو النحاس مثبتة على صفيحة فولاذية ، يتكون الجزء الثانوي من مغناطيس دائم مركب على صفيحة فولاذية.سيتناوب اتجاه كل مغناطيس للمغناطيس فيما يتعلق بالاتجاه السابق كما هو موضح في الشكل 3.
الميزة الواضحة لاستخدام المغناطيس الدائم هي إنشاء حقل دائم في المرحلة الثانوية.لقد رأينا أن القوة تتولد على محرك تحريضي عن طريق تفاعل المجال الأولي والمجال الثانوي الذي لا يتوفر إلا بعد إنشاء مجال من التيارات الدوامة في المرحلة الثانوية من خلال الفجوة الهوائية الحركية.سيؤدي ذلك إلى تأخير يسمى "الانزلاق" وحركة ثانوية غير متزامنة مع الجهد الأساسي المزود للجهد الأساسي.
لهذا السبب ، تسمى المحركات الخطية التحريضية "غير متزامنة".في محرك خطي مغناطيسي دائم ، ستكون الحركة الثانوية دائمًا متزامنة مع الجهد الأساسي لأن المجال الثانوي متاح دائمًا وبدون أي تأخير.لهذا السبب ، تسمى المحركات الخطية الدائمة "متزامنة".
يمكن استخدام أنواع مختلفة من المغناطيس الدائم في PMLSM.على مدى السنوات الـ 120 الماضية ، تغيرت نسبة كل مادة.اعتبارًا من اليوم ، تستخدم PMLSM إما مغناطيس NdFeB أو مغناطيس SmCo لكن الغالبية العظمى تستخدم مغناطيس NdFeB.يوضح الشكل 4 تاريخ تطور المغناطيس الدائم.
الشكل 4
تتميز قوة المغناطيس بمنتجها الطاقي في Megagauss-Oersteds (MGOe).حتى منتصف الثمانينيات ، كانت Steel و Ferrite و Alnico فقط متوفرة وتقدم منتجات منخفضة الطاقة للغاية.تم تطوير مغناطيس SmCo في أوائل الستينيات بناءً على عمل كارل سترنات وألدن راي وتم تسويقه لاحقًا في أواخر الستينيات.
الشكل 5
كان منتج الطاقة لمغناطيس SmCo في البداية أكثر من ضعف منتج الطاقة لمغناطيس Alnico.في عام 1984 ، طورت جنرال موتورز وسوميتومو بشكل مستقل مغناطيس NdFeB ، وهو مركب من النيودينيوم والحديد والبورون.يظهر مقارنة بين مغناطيس SmCo و NdFeB في الشكل 5.
تطور مغناطيسات NdFeB قوة أعلى بكثير من مغناطيسات SmCo ولكنها أكثر حساسية لدرجات الحرارة المرتفعة.مغناطيسات SmCo هي أيضًا أكثر مقاومة للتآكل ودرجات الحرارة المنخفضة ولكنها أكثر تكلفة.عندما تصل درجة حرارة التشغيل إلى أقصى درجة حرارة للمغناطيس ، يبدأ المغناطيس في إزالة المغناطيس ، وتكون عملية إزالة المغناطيس هذه غير قابلة للعكس.سيؤدي فقدان المغناطيس إلى فقدان المحرك للقوة وعدم القدرة على تلبية المواصفات.إذا كان المغناطيس يعمل تحت درجة الحرارة القصوى بنسبة 100٪ من الوقت ، فسيتم الحفاظ على قوته إلى أجل غير مسمى تقريبًا.
نظرًا لارتفاع تكلفة مغناطيسات SmCo ، فإن مغناطيس NdFeB هو الخيار الصحيح لمعظم المحركات ، لا سيما بالنظر إلى القوة الأعلى المتاحة.ومع ذلك ، بالنسبة لبعض التطبيقات حيث يمكن أن تكون درجة حرارة التشغيل عالية جدًا ، فمن الأفضل استخدام مغناطيس SmCo للابتعاد عن درجة حرارة التشغيل القصوى.
تصميم المحركات الخطية
تم تصميم المحرك الخطي بشكل عام عن طريق المحاكاة الكهرومغناطيسية للعنصر المحدود.سيتم إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد لتمثيل كومة التصفيح والملفات والمغناطيس واللوحة الفولاذية التي تدعم المغناطيس.سيتم تصميم الهواء حول المحرك وكذلك في الفجوة الهوائية.ثم يتم إدخال خصائص المواد لجميع المكونات: المغناطيس ، والفولاذ الكهربائي ، والصلب ، والملفات ، والهواء.سيتم بعد ذلك إنشاء شبكة باستخدام عناصر H أو P ويتم حل النموذج.ثم يتم تطبيق التيار على كل ملف في النموذج.
يوضح الشكل 6 إخراج محاكاة حيث يتم عرض التدفق في تسلا.قيمة الإخراج الرئيسية التي تهم المحاكاة هي بالطبع القوة الحركية وستكون متاحة.نظرًا لأن المنعطفات النهائية للملفات لا تنتج أي قوة ، فمن الممكن أيضًا تشغيل محاكاة ثنائية الأبعاد باستخدام نموذج ثنائي الأبعاد (DXF أو تنسيق آخر) للمحرك بما في ذلك التصفيح والمغناطيس واللوحة الفولاذية التي تدعم المغناطيس.سيكون ناتج هذه المحاكاة ثنائية الأبعاد قريبًا جدًا من المحاكاة ثلاثية الأبعاد ودقيقًا بدرجة كافية لتقييم القوة الحركية.
الشكل 6
سيتم تصميم محرك الحث الخطي بنفس الطريقة ، إما عبر نموذج ثلاثي الأبعاد أو ثنائي الأبعاد ولكن الحل سيكون أكثر تعقيدًا من حل PMLSM.وذلك لأن التدفق المغناطيسي للثانوي PMLSM سيتم نمذجة على الفور بعد دخول خصائص المغناطيس ، لذلك ستكون هناك حاجة إلى حل واحد فقط للحصول على جميع قيم الإخراج بما في ذلك قوة المحرك.
ومع ذلك ، فإن التدفق الثانوي للمحرك الحثي سيتطلب تحليلًا عابرًا (بمعنى عدة حلول في فترة زمنية معينة) بحيث يمكن بناء التدفق المغناطيسي لـ LIM الثانوي وعندها فقط يمكن الحصول على القوة.سيحتاج البرنامج المستخدم لمحاكاة العناصر المحدودة الكهرومغناطيسية إلى القدرة على إجراء تحليل عابر.
المرحلة الحركية الخطية
الشكل 7
تقوم شركة Hiwin Corporation بتزويد المحركات الخطية على مستوى المكونات.في هذه الحالة ، سيتم تسليم المحرك الخطي والوحدات الثانوية فقط.بالنسبة لمحرك PMLSM ، ستتألف الوحدات الثانوية من ألواح فولاذية بأطوال مختلفة يتم تجميع مغناطيس دائم فوقها.توفر شركة Hiwin أيضًا مراحل كاملة كما هو موضح في الشكل 7.
تتضمن هذه المرحلة إطارًا ، ومحامل خطية ، ومحرك أساسي ، ومغناطيس ثانوي ، وعربة للعميل لإرفاق حمولته ، وجهاز التشفير ، ومسار الكابل.ستكون المرحلة الحركية الخطية جاهزة للبدء عند التسليم وتسهيل الحياة لأن العميل لن يحتاج إلى تصميم وتصنيع مرحلة تتطلب معرفة متخصصة.
عمر خدمة المرحلة الحركية الخطية
عمر الخدمة لمرحلة المحرك الخطي أطول بكثير من المرحلة التي يقودها الحزام أو الكرة اللولبية أو الرف والترس.عادةً ما تكون المكونات الميكانيكية للمراحل المدفوعة بشكل غير مباشر هي المكونات الأولى التي تفشل بسبب الاحتكاك والتآكل الذي تتعرض له باستمرار.مرحلة المحرك الخطي عبارة عن محرك مباشر بدون تلامس ميكانيكي أو تآكل لأن وسيط النقل عبارة عن هواء.لذلك ، فإن المكونات الوحيدة التي يمكن أن تفشل في مرحلة المحرك الخطي هي المحامل الخطية أو المحرك نفسه.
عادةً ما يكون للمحامل الخطية عمر خدمة طويل جدًا لأن الحمل الشعاعي منخفض جدًا.سيعتمد عمر خدمة المحرك على متوسط درجة حرارة التشغيل.يوضح الشكل 8 عمر عزل المحرك كدالة لدرجة الحرارة.القاعدة هي أن عمر الخدمة سينخفض إلى النصف لكل 10 درجات مئوية بحيث تكون درجة حرارة التشغيل أعلى من درجة الحرارة المقدرة.على سبيل المثال ، ستعمل فئة عزل المحرك F 325000 ساعة بمتوسط درجة حرارة 120 درجة مئوية.
لذلك ، من المتوقع أن يكون لمرحلة المحرك الخطي عمر خدمة يزيد عن 50 عامًا إذا تم اختيار المحرك بشكل متحفظ ، وهو عمر خدمة لا يمكن تحقيقه أبدًا عن طريق الحزام أو اللولب الكروي أو الحامل والترس.
الشكل 8
طلبات الحصول على المحركات الخطية
تُستخدم المحركات الحثية الخطية (LIM) في الغالب في التطبيقات ذات طول السفر الطويل وحيث تكون القوة العالية جدًا مطلوبة جنبًا إلى جنب مع السرعات العالية جدًا.السبب في اختيار محرك الحث الخطي هو أن تكلفة المحرك الثانوي ستكون أقل بكثير مما لو كنت تستخدم PMLSM وبسرعة عالية جدًا ، تكون كفاءة المحرك الخطي عالية جدًا ، لذلك ستفقد القليل من الطاقة.
على سبيل المثال ، تستخدم أنظمة الإطلاق الكهرومغناطيسية EMALS ، المستخدمة في حاملات الطائرات لإطلاق الطائرات ، محركات الحث الخطي.تم تثبيت أول نظام محرك خطي على حاملة الطائرات USS Gerald R. Ford.يمكن للمحرك تسريع طائرة 45000 كجم بسرعة 240 كم / ساعة على مسار يبلغ طوله 91 مترًا.
مثال آخر لركوب الملاهي.يمكن لمحركات الحث الخطي المثبتة على بعض هذه الأنظمة تسريع الأحمال العالية جدًا من 0 إلى 100 كم / ساعة في 3 ثوانٍ.يمكن أيضًا استخدام مراحل المحرك التعريفي الخطي في RTUs (وحدات النقل الروبوتية).تستخدم معظم وحدات RTU محركات الجريدة المسننة والجريدة المسننة ، لكن المحرك الحثي الخطي يمكن أن يوفر أداءً أعلى ، وتكلفة أقل ، وعمر خدمة أطول بكثير.
محركات متزامنة ذات مغناطيس دائم
عادةً ما يتم استخدام PMLSMs في التطبيقات ذات السكتات الدماغية الأصغر ، والسرعات المنخفضة ، ولكن من حيث الدقة العالية إلى العالية جدًا ودورات العمل المكثفة.تم العثور على معظم هذه التطبيقات في AOI (الفحص البصري الآلي) ، وصناعات أشباه الموصلات وآلات الليزر.
يوفر اختيار المراحل التي يحركها المحرك الخطي ، (الدفع المباشر) ، مزايا أداء كبيرة على المحركات غير المباشرة ، (المراحل التي يتم فيها الحصول على الحركة الخطية عن طريق تحويل الحركة الدورانية) ، لتصاميم طويلة الأمد ومناسبة للعديد من الصناعات.
الوقت ما بعد: فبراير 06-2023