يمكن اعتبار المحرك الخطي محرك سيرفو دوارًا مفرودًا ومسطحًا لإنتاج حركة خطية في جوهرها. أما المحرك الخطي التقليدي فهو عنصر ميكانيكي يحوّل حركة دوران محرك السيرفو الدوار إلى حركة خطية مستقيمة. يوفر كلا المحركين حركة خطية، ولكن بخصائص أداء ومزايا مختلفة تمامًا. لا توجد تقنية أفضل أو أقل جودة، ويعتمد اختيار التقنية المناسبة على التطبيق. دعونا نلقي نظرة فاحصة.

القاعدة العامة للمحركات الخطية هي أنها تتألق في التطبيقات التي تتطلب تسارعًا وسرعات عالية ودقة عالية. على سبيل المثال، في مجال قياس أشباه الموصلات، حيث تكون الدقة والإنتاجية بالغتي الأهمية، وحتى ساعة واحدة من التوقف قد تكلف عشرات الآلاف من الدولارات، تُقدم المحركات الخطية الحل الأمثل. ولكن ماذا عن الحالات الأقل تطلبًا؟

كانت المنافسة من حيث التكلفة من المشكلات المبكرة التي واجهتها المحركات الخطية. تتطلب المحركات الخطية مغناطيسات أرضية نادرة، وهو ما يُمثل أحد العوامل المُقيدة لطول الشوط. صحيحٌ أنه من الناحية النظرية، يُمكن صفّ المغناطيسات إلى ما لا نهاية تقريبًا، ولكن في الواقع، وبغض النظر عن صعوبة ضمان صلابة كافية على مدى شوط طويل، فإن التكاليف تتزايد، خاصةً في تصميمات القناة على شكل حرف U.

تستطيع محركات القلب الحديدي توليد نفس القوة باستخدام مغناطيسات أصغر من التصميم الخالي من الحديد، لذا إذا كانت القوة هي المتطلب الأساسي وكانت مواصفات الأداء مرنة بما يكفي لتحمل بعض اضطرابات قوة الترس التي تؤدي إلى أخطاء في الموضع الديناميكي أو السرعة، فقد يكون القلب الحديدي هو الخيار الأمثل. أما إذا كانت متطلبات الأداء أكثر مرونة، بحدود الميكرونات بدلاً من النانومترات، فربما يوفر مزيج المحرك الخطي الحل الوسط الأنسب - اختر محركًا خطيًا لتعبئة الأدوية، على سبيل المثال، ومحركًا خطيًا لتسلسل الحمض النووي لاكتشاف الأدوية.

طول السفر
على الرغم من وجود العديد من الاستثناءات، يتراوح طول الشوط الأمثل للمحركات الخطية بين بضعة ملليمترات وعدة أمتار. أما في الحالات الأقل من ذلك، فقد يكون استخدام بديل مثل نظام الثني أكثر فعالية؛ أما في الحالات الأعلى، فغالبًا ما تكون محركات الأحزمة، ثم تصميمات الجريدة والترس، خيارات أفضل.

إن طول شوط المحركات الخطية مُقيّد ليس فقط بالتكلفة واستقرار التركيب، بل أيضًا بمسألة إدارة الكابلات. لتوليد الحركة، يجب تزويد المحرك بالطاقة، مما يعني أن كابلات الطاقة يجب أن تسير معه بطول الشوط الكامل. الكابلات عالية المرونة والمسارات المصاحبة لها باهظة الثمن، وكون الكابلات هي أكبر نقطة ضعف في التحكم في الحركة بشكل عام يُعقّد المسألة أكثر.

بالطبع، يمكن لطبيعة المحركات الخطية أن تُقدّم حلاً ذكيًا لهذه المشكلة. عند وجود هذه المخاوف، سنُثبّت القوة الدافعة على القاعدة الثابتة ونُحرّك مسار المغناطيس. بهذه الطريقة، تصل جميع الكابلات إلى القوة الدافعة الثابتة. ستحصل على تسارع أقل قليلاً من أي محرك مُعيّن، لأنك لا تُسرّع ملفًا، بل تُسرّع مسارًا مغناطيسيًا أثقل. لو كنتَ تفعل هذا لقوى جاذبية عالية، لما كان ذلك جيدًا. إذا لم يكن لديك تطبيق لقوى جاذبية عالية، فقد يكون هذا تصميمًا ممتازًا.

تستشهد بروفيتا بمحركات سيرفو خطية من شركة أيروتك بقوى قصوى تتراوح بين 28 و900 رطل، ولكن هنا أيضًا، يُتيح التصميم الأساسي للمحركات الخطية حلولاً فريدة تُقدم أكثر بكثير. لدينا عملاء سيأخذون أكبر محركاتنا الخطية، ويجمعون ستة منها معًا، لتوليد قوة تقارب 6000 رطل. يمكنك وضع عدة محركات دافعة في مسارات متعددة، وتثبيتها ميكانيكيًا معًا، ثم تبديلها معًا لتعمل كمحرك واحد؛ أو يمكنك وضع عدة محركات دافعة في نفس المسار المغناطيسي وتركيبها على العربة التي تحمل الحمل ومعاملتها كمحرك واحد.

وبما أننا نعيش في العالم الحقيقي، ومن المستحيل أن نطابق عملية التبديل بدقة، فإن هذا النهج ينطوي على عقوبة كفاءة بنسبة قليلة يجب دفعها، ولكنه قد يظل الحل الأفضل الشامل لتطبيق معين.

وجها لوجه
من منظور القوة، كيف تُقارن المحركات الخطية مع توليفات المحرك الدوار/المشغل الخطي؟ هناك فارق كبير في القوة، حيث نقارن محركًا خطيًا ثماني الأقطاب بدون فتحات بعرض 4 بوصات مع منتج ذي محرك لولبي بعرض 4 بوصات. يتمتع محركنا الخطي ثماني الأقطاب بقوة قصوى تبلغ 40 رطلاً (180 نيوتن) وقوة مستمرة تبلغ 11 رطلاً (50 نيوتن). في نفس الوضع، مع محرك سيرفو NEMA 23 ومنتجنا ذي المحرك اللولبي، يبلغ أقصى حمل محوري 200 رطل، لذا إذا نظرنا إلى الأمر بهذه الطريقة، فإننا نشهد انخفاضًا في القوة المستمرة بمقدار 20 مرة.

أشار سريعًا إلى أن النتائج الفعلية ستختلف باختلاف خطوة اللولب، وقطره، وملفات المحرك، وتصميمه، وهي محدودة بالمحامل المحورية التي تدعم اللولب. على سبيل المثال، يمكن لمحرك الشركة الخطي ذي القلب الحديدي، بعرض 13 بوصة، أن يولّد 1600 رطل من قوة محورية قصوى، مقارنةً بقوة 440 رطل التي يوفرها منتج يعمل باللولب بعرض 6 بوصات، ولكن المساحة الممنوحة كبيرة.

بتعبير آخر، التطبيق هو الأهم. إذا كانت كثافة القوة هي الشاغل الرئيسي، فغالبًا ما يكون المُشغِّل هو الخيار الأمثل. إذا كان التطبيق يتطلب استجابة عالية، كما هو الحال في تطبيقات عالية الدقة والتسارع مثل فحص شاشات الكريستال السائل (LCD)، فإن التضحية بالقوة مقابل مساحة الأرض للحصول على الأداء المطلوب أمرٌ مُجدٍ.

الحفاظ على النظافة
يُعدّ التلوث مشكلةً رئيسيةً في التحكم بالحركة في بيئات التصنيع، والمحركات الخطية ليست استثناءً. ومن المشاكل الرئيسية في تصميم المحركات الخطية القياسية التعرض للتلوث، كالجسيمات الصلبة أو الرطوبة. وينطبق هذا على التصاميم المسطحة، بينما لا يُشكّل مشكلةً تُذكر في تصاميم [القناة على شكل حرف U].

من الصعب جدًا سد المحلول تمامًا. لا يُنصح بالتواجد في بيئة عالية الرطوبة. إذا كنت ستستخدم محركًا خطيًا في عملية قطع بنفث الماء، فعليك الضغط عليه بشكل موجب والتأكد من حمايته جيدًا، لأن إلكترونيات المحرك الخطي موجودة مباشرةً مع آلية التشغيل.

في تصميمات قنوات U، يُمكن لعكس شكل U أن يُقلل من احتمالية دخول الجسيمات إلى القناة، إلا أن ذلك يُسبب مشاكل في التحكم الحراري، مما قد يُؤثر سلبًا على الأداء نتيجةً لتحريك كتلة سكة المغناطيس مقابل تحريك كتلة المُحرك. مرةً أخرى، إنها مُقايضة، والتطبيق هو ما يُحدد الاستخدام.

لا تقتصر تأثيرات البيئة على المحرك الخطي فحسب، بل قد يُسبب مشاكل بيئية أيضًا. فعلى عكس التصاميم الدوارة، قد تُسبب المغناطيسات الكبيرة في الوحدات الخطية أضرارًا بالغة بالبيئة الحساسة مغناطيسيًا، كما هو الحال في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI). وقد تُشكل هذه المغناطيسات مشكلةً حتى في التطبيقات الأكثر تعقيدًا مثل قطع المعادن. فعندما تجد مغناطيسات عالية القوة تحاول سحب كل رقاقة معدنية على مسار المغناطيس، فلن تعمل المحركات الخطية بكفاءة في هذه التطبيقات دون حماية مناسبة.

حول هذه التطبيقات…
إذًا، أين تكمن نقطة التطبيق المثالية للمحركات الخطية؟ بدايةً، علم القياس، في مجالات مثل تصنيع أشباه الموصلات، وشاشات LED، وLCD. كما تُعد الطباعة الرقمية لللافتات الكبيرة سوقًا متنامية، وكذلك قطاع الطب الحيوي، وحتى تصنيع الأجزاء الصغيرة. يُرتب عملاؤنا أزواجًا من المحركات الخطية في تكوينات جسرية لمهام التجميع. ترغب في الحصول على أقصى إنتاجية ممكنة للمنتج، لذا فإن التسارع والسرعة العاليين اللذين يمكنك الحصول عليهما من هذه المحركات يُعدّان ميزةً مميزة. أحد مجالات عملنا مؤخرًا هو تصنيع خلايا الوقود؛ وقص الاستنسل مجالٌ آخر.