تستطيع المحركات الخطية تحقيق معدلات تسارع عالية وأطوال سفر طويلة بفضل قوى دفع جيدة ودقة تحديد موضع عالية للغاية، بينما يتعين على آليات الدفع الأخرى، مثل الأحزمة والبراغي والرفوف والتروس، التضحية بأحد هذه المتطلبات على الأقل لتحقيق المتطلبات الأخرى. ولذلك، تُعد المحركات الخطية الخيار الأمثل للتطبيقات عالية الديناميكية، مثل القياس وتصنيع أشباه الموصلات.

في الواقع، بناءً على مواصفات أدائها، تبدو المحركات الخطية الحل الأمثل لتلبية المتطلبات المتنافسة التي غالبًا ما نجدها في تطبيقات الحركة الخطية. لكن هذا يطرح السؤال: "لماذا لا تُعتمد المحركات الخطية على نطاق أوسع؟"

ولكي نفهم لماذا لا يزال معدل اعتماد المحركات الخطية متأخرًا عن تقنيات القيادة الأخرى - مثل الأحزمة أو البراغي أو محركات الرف والترس - دعونا نلقي نظرة على بعض فوائد وعيوب تصميمات المحركات الخطية.

توليد الحرارة وتبديدها

عند تحديد حجم واختيار المحرك - سواءً كان دوارًا أو خطيًا - تُعدّ الحرارة أحد الاعتبارات الرئيسية. في الواقع، تعتمد منحنيات عزم الدوران (أو القوة) مقابل السرعة، التي تُبيّن نطاقات التشغيل المستمر والمتقطع لمجموعة مُحددة من المحركات والأنظمة، على قدرة المحرك على تبديد الحرارة في ظل ظروف تشغيل مُحددة.

قد يكون توليد الحرارة أكثر صعوبة في المحركات الخطية منه في المحركات الدوارة، نظرًا لأن الحمل مُثبَّت على المُقوِّض، الذي يحتوي على لفات المحرك. (في بعض تصميمات المحركات الخطية، يُمكن تثبيت الحمل على مسار المغناطيس، مع أن هذا قد لا يكون ممكنًا إلا في الأشواط القصيرة). وفي المحركات الخطية الخالية من الحديد، تُغلَّف اللفات بالإيبوكسي، الذي لا يُبدِّد الحرارة بسهولة مثل المعادن مثل الحديد أو الألومنيوم.

هذا يعني أن الحرارة تنتقل بسهولة إلى الحمل والمكونات المحيطة به، مما يسبب التمدد الحراري والتدهور، أو في الحالات القصوى، التلف أو الأعطال. حتى في حال عدم تأثر الحمل، فإن تراكم الحرارة قد يقلل من قوة المحرك المستمرة. ولمعالجة هذا، تتطلب بعض التطبيقات تبريدًا هوائيًا أو سائلًا قسريًا، مما يزيد من التكلفة والمساحة والتعقيد.

الحماية من التلوث

بسبب تصميمها المفتوح ومغناطيساتها المكشوفة، قد يصعب حماية المحركات الخطية المسطحة ذات النواة الحديدية، والتصميمات الخالية من الحديد على شكل قناة على شكل حرف U، من التلوث. وبينما يمكن حماية الأدلة الخطية الداعمة بأختام وكاشطات جاهزة، فإن المغناطيسات المكشوفة للمحرك الخطي قد تجذب الجسيمات الحديدية من عمليات التشغيل الآلي أو ببساطة من التلوث الجوي الموجود غالبًا في بيئات التصنيع والمصانع. كما أن التلوث بالسوائل قد يُتلف الإلكترونيات الحساسة أو يتداخل مع أنظمة التغذية الراجعة.

وبطبيعة الحال، يمكن تصميم الأغطية والهياكل الخارجية للحماية من التلوث، ولكنها قد تجعل من الصعب على المحرك تبديد الحرارة، مما يؤدي إلى تفاقم المشاكل المرتبطة بالحرارة الموضحة أعلاه.

تعويض الاهتزازات والتذبذبات

من أهم مزايا حلول المحركات الخطية أنها تُغني عن مكونات نقل الطاقة الميكانيكية - مثل البراغي والأحزمة وعلب التروس والوصلات - بين المحرك والحمل. هذا يعني أن المحركات الخطية لا تتأثر بتأثيرات رد الفعل العكسي واللف والتوافق، وهو عامل رئيسي في قدرتها على تحقيق دقة عالية في تحديد المواقع وتنفيذ حركات ديناميكية للغاية، مع معدلات تسارع وتباطؤ سريعة.

لكن مكونات النقل الميكانيكية قد تكون مفيدة في أنظمة الحركة من خلال توفير آلية تخميد للتذبذبات وتخفيف الاضطرابات، مثل ردود فعل قوى التشغيل أو الاهتزازات الناتجة عن حركة الحمل. وبدون هذا التخميد المدمج، قد تمنع التذبذبات والاهتزازات المحركات الخطية من تحقيق دقة التموضع المطلوبة أو زمن الاستقرار المطلوب.

لضمان قدرة النظام على الاستجابة لتأثيرات هذه الاهتزازات والتذبذبات غير المخمَّدة، وإجراء التصحيحات اللازمة لها، غالبًا ما تتطلب أنظمة المحركات الخطية حلقات تحكم أعلى في السرعة والموضع والتيار (القوة)، وعرض نطاق ترددي أعلى لحلقة التيار. كما يحتاج نظام التغذية الراجعة للموضع - وهو عادةً مُشفِّر خطي بصري أو مغناطيسي - إلى دقة أعلى ليتمكن جهاز التحكم من تتبع موضع المحرك والحمل بدقة أكبر. حتى هيكل الآلة أو الهيكل الداعم يجب أن يكون صلبًا بما يكفي (بتردد طبيعي مرتفع) ليبقى غير حساس نسبيًا للصدمات والاهتزازات، ويتحمل القوى التي يولدها المحرك الخطي.

بعبارة أخرى، نظرًا لوجود عدد أقل من المكونات التي تساعد في تعويض الاهتزازات والاضطرابات، فيجب أن تكون حلقات التغذية الراجعة والتحكم قادرة على التواصل بشكل أسرع وأكثر دقة حتى يتمكن النظام من تحقيق أداء ديناميكي عالي الدقة.

التكلفة الأولية مقابل التكلفة الإجمالية للملكية

وأخيرًا، لا تزال التكلفة الأولية تُعدّ أحد العوامل الرئيسية المُقيّدة لانتشار استخدام المحركات الخطية. فعلى الرغم من كثرة المقارنات التي تُبيّن انخفاض التكلفة الإجمالية للملكية (TCO) لحلول المحركات الخطية مقارنةً بحلول الحزام أو اللولب أو المسننات التقليدية في بعض التطبيقات، إلا أن التكلفة الأولية لنظام المحرك الخطي لا تزال تُشكّل عائقًا أمام اعتماده من قِبَل المهندسين والمصممين المُكلّفين بتحقيق مواصفات الأداء ضمن ميزانية محدودة. على سبيل المثال: بالنسبة للتطبيقات ذات أطوال السفر الطويلة جدًا - وهي أحد المجالات التي تتفوق فيها حلول المحركات الخطية - فإن تكلفة المغناطيسات والمُشفّرات الخطية عالية الدقة اللازمة لتلبية متطلبات السفر قد تُضعِف من قيمة حل المحرك الخطي.

التطبيقات غير التقليدية تدفع النمو في معدلات اعتماد المحرك الخطي

على الرغم من الصعوبات المحتملة التي يفرضها توليد الحرارة، والحماية من التلوث، وضوابط النطاق الترددي العالي، والتكلفة، إلا أن معدل اعتماد المحركات الخطية آخذ في الازدياد. كانت المحركات الخطية ذات النواة الحديدية، والخالية من الحديد، والأنبوبية تُعتبر في السابق حلولاً متخصصة لتطبيقات أشباه الموصلات، والقياس، والتشغيل الآلي الشاق، إلا أنها تُستخدم الآن في تطبيقات السيارات، والأغذية، والتغليف، والطباعة، حيث قد لا تكون الحركات صعبة أو متطلبات الدقة شاقة، ولكن حيث تُبرر مزايا قلة المكونات، وقلة وقت التوقف، وزيادة الإنتاجية التكلفة الإضافية واعتبارات التصميم.