إليكم بعض الأسئلة التي يجب على المهندسين والمصممين طرحها قبل اختيار المحركات الخطية.

ينبغي على المصممين الذين يستعدون لاختيار محرك خطي لجهاز أو آلة معينة أن يُعدّوا قائمة بالأسئلة لطرحها على موردي ومصنعي هذه الأجهزة. عادةً ما تتضمن هذه القوائم أسئلة شائعة، ومعظم الشركات التي تبيع المحركات تكون مستعدة للإجابة عليها. لكن هؤلاء الموردين، في كثير من الأحيان، يتوقعون من المشترين المحتملين طرح أسئلة أخرى، ربما تكون أكثر عمقًا وتفصيلًا: ما يُسمى بالأسئلة غير الشائعة.

إليكم سؤالين يجب على المهندسين طرحهما عند التفكير في تحديد مواصفات المحركات الخطية.

س: أحتاج إلى السرعة والدقة على مسافة طويلة. ما نوع المحرك الذي يجب أن أستخدمه؟

أ. هذا سؤال وجيه. يبالغ العديد من مهندسي التصميم في تقدير دقة المحركات والمشغلات التقليدية في المسافات الطويلة. فهم يعتقدون خطأً أنه إذا كان المشغل يعمل بكفاءة في المسافات القصيرة، فسيعمل بنفس الكفاءة في المسافات الطويلة. مع أن العديد من أنواع الأنظمة الخطية تلبي اثنين من المتطلبات الثلاثة التي يسعى إليها المهندسون عادةً (مسافات طويلة، وسرعة عالية، ودقة عالية في تحديد المواقع)، فإن مشغلات المحركات الخطية هي الوحيدة التي توفر المتطلبات الثلاثة جميعها دون أي تنازلات. وهي تُستخدم بكثرة في تصنيع أشباه الموصلات، وفحص الإلكترونيات الاستهلاكية، والتطبيقات الطبية وعلوم الحياة، وأدوات الآلات، والطباعة، والتغليف.

لإعطاء نبذة تعريفية، دعونا نُعرّف المحركات الخطية. المحرك الخطي هو في الأساس محرك دوار تم فكه ووضعه بشكل مسطح، مما يسمح بتوصيله مباشرةً بالحمل الخطي. في المقابل، تستخدم التصاميم الأخرى محركًا دوارًا وتوصله عبر آليات ميكانيكية، مما قد يُسبب رد فعل عكسي، وفقدانًا في الكفاءة، وأخطاءً أخرى. كما تتميز المحركات الخطية بسرعات قصوى أعلى مقارنةً بالبراغي الكروية ذات نفس طول الحركة.

تُستخدم اليوم ثلاثة أنواع رئيسية من المحركات الخطية. النوع الأول هو المحرك ذو القلب الحديدي، والذي يحتوي على ملفات ملفوفة حول أسنان مصنوعة من مواد حديدية ومغلفة برقائق معدنية. تتميز هذه المحركات بأعلى قوة لكل وحدة حجم، ونقل حراري جيد، وهي عمومًا الأقل تكلفة. مع ذلك، يؤدي وجود الحديد في المحرك إلى زيادة عزم الدوران الناتج عن التفاعلات بين مغناطيسات المحرك، لذا فهي غالبًا ما تكون أقل دقة من النوع الثاني، وهو المحركات الخطية الخالية من الحديد.

كما يوحي الاسم، لا تحتوي المحركات الخطية عديمة الحديد على أي حديد في داخلها. يتكون المحرك أساسًا من صفيحة إيبوكسية مُدمجة بها ملفات نحاسية ملفوفة بإحكام. ينزلق هذا المحرك بين صفين من المغناطيسات المتقابلة (يُعرف هذا أيضًا باسم المسار المغناطيسي على شكل حرف U). يربط قضيب فاصل على أحد جانبي المغناطيسات بينها. من أهم مزايا المحركات عديمة الحديد انخفاض قوى التجاذب وانعدام ظاهرة التموج، مما يجعلها أكثر دقة من المحركات ذات القلب الحديدي. مع ذلك، فإن وجود صفين من المغناطيسات يجعل المحركات عديمة الحديد أغلى ثمنًا من نظيراتها ذات القلب الحديدي. كما أن التحكم في انتقال الحرارة قد يكون صعبًا، لذا من المهم تحديد ما إذا كان تطبيق معين مُعرضًا لخطر ارتفاع درجة الحرارة مُبكرًا. تتميز أحدث المحركات عديمة الحديد بملفات متداخلة توفر مساحة تلامس أكبر لتبديد الحرارة، كما يسمح هذا التصميم للمحرك بالحصول على كثافة قوة أعلى.

النوع الثالث والأخير هو المحركات الخطية عديمة الفتحات، وهي في الأساس مزيج من النوعين الأولين. يحتوي هذا النوع على صف واحد من المغناطيسات، مثل المحركات ذات القلب الحديدي، مما يُسهم في خفض سعره. يضمن الحديد الخلفي المُرقّق نقلًا حراريًا جيدًا، بالإضافة إلى قوى جذب وتعرج أقل مقارنةً بالمحركات ذات القلب الحديدي. كما تتميز المحركات عديمة الفتحات بانخفاض ارتفاعها مقارنةً بالمحركات عديمة القلب الحديدي، فضلًا عن سعرها المنخفض. بالنسبة للمصممين الذين يُعطون الأولوية لتصغير حجم مكونات آلاتهم قدر الإمكان، يُعد كل ملليمتر مُوفّر من المساحة أمرًا بالغ الأهمية.

س: كيف يمكنني معرفة ما إذا كان مشغل معين مناسبًا للاستخدام في بيئة معينة؟

أ. في كثير من الأحيان، يختار مهندسو التصميم المحركات الخطية بمعزل عن غيرها دون مراعاة أماكن استخدامها. تحتوي المحركات الخطية على أجزاء متحركة بالغة الأهمية، لا تعمل بكفاءة إلا في البيئات التي صُممت وصُنعت من أجلها. قد يؤدي استخدام محرك خطي غير مناسب إلى مشاكل تتراوح بين التشغيل غير السليم والتلف غير القابل للإصلاح للمحرك نفسه. في التطبيقات التي تتطلب بيئة عمل ملوثة، مثل أدوات القطع التي تُطلق جزيئات وخردة، يحتاج المحرك إلى مانع تسرب وغطاء واقٍ لحمايته من الملوثات.

من منظور آخر، قد يتسبب مشغل غير مزود بالحماية المناسبة في تلوث البيئة النظيفة، مما يؤثر سلبًا على التطبيق. يؤدي التآكل الطبيعي إلى توليد جزيئات دقيقة في المراحل الخطية مع مرور الوقت. غالبًا ما تقتصر غرف التنظيف أو بيئات الفراغ على استخدام معدات لا تُطلق أي جزيئات، لذا من الضروري تزويد المشغلات المستخدمة في هذه البيئات بأختام ودروع لمنع دخول الجزيئات إلى البيئة. بعض الأجهزة الميكانيكية التي توفر حركة خطية، كما هو الحال في معالجة أشباه الموصلات، لا تُحرك سوى ميكرونات في كل مرة، لذا حتى أقل قدر من التلوث قد يُؤثر سلبًا على التطبيق ويُفسده.

تحمي موانع التسرب والدروع المكونات الحيوية من التعرض للظروف البيئية القاسية، مما يسمح للمشغلات الخطية بالعمل بكفاءة كما صُممت. في البيئات النظيفة، تحمي موانع التسرب والدروع بيئة التطبيق من الملوثات المحتملة الناتجة عن المشغل، وليس المشغل نفسه. بالإضافة إلى موانع التسرب والدروع، يمكن تصميم مشغلات خطية مخصصة بمنافذ ضغط موجب لطرد الملوثات من داخل الوحدة، مما يحافظ على الأداء الأمثل وعمرها الافتراضي.

يجب مراعاة مجموعة متنوعة من العوامل البيئية عند اختيار المحركات الخطية. تشمل هذه العوامل درجة الحرارة المحيطة، ووجود الرطوبة، والتعرض للمواد الكيميائية والغازات (بخلاف هواء الغرفة)، والإشعاع، ومستوى ضغط الهواء (للتطبيقات التي تُجرى في بيئة مفرغة من الهواء)، والنظافة، والمعدات المجاورة. على سبيل المثال، هل توجد أي معدات في الجوار قد تنقل اهتزازات تؤثر على أداء المحرك الخطي؟

يشير تصنيف الحماية من دخول الأجسام الغريبة (IP) للمرحلة الخطية، والذي يُذكر عادةً في مواصفاتها، إلى مدى توفيرها للحماية المناسبة من بيئات محددة. وتُحدد تصنيفات IP مستويات فعالية موانع التسرب في الغلاف ضد دخول الأجسام الغريبة (الغبار والأوساخ) ومستويات الرطوبة المختلفة.

تأتي تصنيفات الحماية على شكل "IP-" متبوعة برقمين. يشير الرقم الأول إلى درجة الحماية من الأجزاء المتحركة والأجسام الغريبة. أما الرقم الثاني فيحدد مستوى الحماية من التعرض لمستويات مختلفة من الرطوبة (من التقطير إلى الرذاذ إلى الغمر الكامل).

يُعدّ التحقق من تصنيف الحماية (IP) للمشغل في المراحل الأولى من عملية الاختيار طريقةً سريعةً وسهلةً لاستبعاد الوحدات غير المناسبة للبيئة. على سبيل المثال، لا يوفر المشغل ذو تصنيف IP30 أي حماية ضد الرطوبة، ولكنه يمنع دخول الأجسام الصغيرة بحجم الإصبع. إذا كانت الحماية من الرطوبة ضرورية، فابحث عن مشغل ذي تصنيف أعلى، مثل IP54، الذي يحمي من الغبار ورذاذ الماء. مع ذلك، يمكن أن تُشكّل المشغلات التي لا توفر حماية ضد الاختراق أو الرطوبة بدائل اقتصادية للبيئات التي لا تُمثّل فيها الملوثات مصدر قلق.