موتور های خطی

يك موتور خطي در واقع يك موتور الكتريكي است كه استاتورش غير استوانه شده است تا به جاي اينكه يك گشتاور چرخشي توليد كند، يك نيروي خطي در راستاي طول استاتور ايجاد كند.

طرح‌هاي بسياري براي موتورهاي خطي ارائه شده است كه مي‌توان آنها را به دو دسته تقسيم كرد: موتورهاي خطي شتاب بالا و شتاب پايين. موتورهاي شتاب پايين براي قطارهاي مگليو و ديگر كاربردهاي حمل و نقلي روي زمين مناسب هستند. موتورهاي شتاب بالا معمولاً خيلي كوتاه هستند و براي شتاب دادن به جسمي تا سرعت بسيار زياد و سپس رها كردن آن به كار مي‌روند. اين موتورها معمولاً براي مطالعات برخورد سرعت بالا به عنوان تسليحات نظامي يا به عنوان راه‌اندازنده جرمي براي پيشرانه فضاپيما به كار مي‌رود.

موتور خطي‌اي كه براي شتاب دادن به يون ها يا ذره‌هاي زير اتمي به كار مي‌رود، يك شتاب دهنده ذره ناميده مي‌شود. با نزديك شدن ذره‌ها به سرعت نور، طراحي موتورها معمولاً متفاوت مي‌شود و اين ذره‌ها نيز عموماً داري بار الكتريكي هستند.
شتاب پايين
تصوير
ترن هوايي در JKF. به نوار القايي آلومينيومي بين ريل‌ها توجه كنيد.
ايده موتور خطي اولين بار توسط پرفسور اريك ليتويت از كالج امپريال در لندن مطرح شد. در طرح وي و در اكثر طرح‌هاي شتاب پايين، نيرو توسط يك ميدان مغناطيسي خطي سيار كه بر روي هادي‌ها موجود در ميدان عمل مي‌كند، ايجاد خواهد شد. در هر هادي‌ چه يك حلقه، چه يك سيم‌پيچ يا يك تكه از فلز تخت كه در اين ميدان قرار گيرد جريان‌هاي گردابي القا شده وجود خواهد داشت و بنابراين يك ميدان مغناطيسي مخالف را ايجاد خواهد كرد. دو ميدان مغناطيسي همديگر را دفع خواهند كرد و بنابراين جسم هادي را از استاتور دور خواهند كرد و آن را در طول جهت ميدان مغناطيسي سيار حمل خواهند كرد.

به علت اين ويژگي‌ها، موتور خطي اغلب در پيشرانه قطار مگليو به كار مي‌رود هر چند كه مي‌توان صرف نظر از پرواز مغناطيسي از آنها استفاده كرد، مانند استفاده در فن‌آوري انتقال پيشرفته و سريع نور كه در سيستم ترن آسماني ونكوور ، Scarborough RT تورنتو، ترن هوايي فرودگاه JGK نيويورك و Putra RTL كووالالامپور به كار مي‌رود. از اين فن‌آوري با تغييراتي در برخي از قطار‌هاي بازي نيز استفاده مي‌شود.

موتورهاي خطي عمودي نيز براي مكانيسم‌هاي بالابر در معدن هاي عميق پيشنهاد شده است.
شتاب بالا
موتورهاي خطي شتاب بالا براي كاربرهاي متعددي پيشنهاد شده‌اند. به علت اينكه مهمات ضد زرهي كنوني بايستي گلوله‌هاي كوچكي با انرژي جنبشي بسيار بالا باشند يعني دقيقاً آنچه كه اين موتورها فراهم مي‌كنند، از آنها به عنوان تسليحات استفاده شده‌ است. اين موتورها همچنين براي استفاده در پيشرانه فضا پيماها به كار گرفته مي‌شود. در چنين شرايطي به اين موتورها راه‌اندازهاي جرمي گفته مي‌شود. ساده‌ترين روش استفاده از راه‌انداز جرمي براي پيشرانه فضا پيما، ساخت يك راه‌انداز جرمي بزرگ است كه بتواند محموله را تا سرعت گريز شتاب دهد.

 

طراحي موتورهاي شتاب بالا به دلايل متعددي مشكل است. آنها مقادير بزرگ انرژي را در مدت زمان كوتاه نياز دارند. (http://www.oz.net/~coilgun/theory/electroguns.htm )) كه براي هر پرتاب در فضا نياز به ۳۰۰GJ در مدت زمان كمتر از يك ثانيه دارد. ژنراتورهاي الكتريكي معمولي براي چنين نوع از باري طراحي نشده‌اند اما روش‌هاي ذخيره انرژي الكتريكي كوتاه مدت را مي‌توان مورد استفاده قرار داد. خازن ‌ها پر حجم و گران هستند اما مي‌توانند به سرعت مقادير بزرگ انرژي را فراهم كنند. ژنراتورهاي هم قطب را مي‌توان براي تبديل سريع انرژي جنبشي يك چرخ طيار به انرژي الكتريكي به كار برد. موتورهاي خطي شتاب بالا نيازمند ميدان‌هاي مغناطيسي بسيار قوي‌اي نيز هستند، در واقع ميدان‌هاي مغناطيسي اغلب آنقدر قوي اند كه اجازه استفاده از ابر رساناها را نمي‌دهند. اما با طراحي دقيق مي‌توان اين مشكل را حل كرد.

دو طرح متفاوت پايه‌اي از موتور‌هاي خطي شتاب بالا ابداع شده است: تفنگ‌هاي ريلي و تفنگ هاي كويلي.
موتورهاي خطي در ماشين‌هاي مخصوص كه استفاده از نوع دوراني آن با مشكلات خاصي روبروست استفاده مي‌شود. مزيت اصلي موتورهاي خطي اين است كه به علت حذف مكانيزم‌هاي واسطه براي تبديل حركت دوراني به خطي، ساختار ساده‌اي دارند. بنابراين زماني كه سرعت‌هاي جابجايي زياد مورد نظر باشد و يا تغيير شكل الاستيك اجزاء در انتقال جابجايي مشكلات دقتي را بوجود آورد، كاربرد مورهاي خطي ضرورت مي‌يابد. در مقايسه موتورهاي خطي و دوراني كه براي ايجاد حركت خطي استفاده مي‌شوند در مي‌يابيم كه: ۱٫

در كلية مكانيزم‌هاي تبديل حركت دوراني به حركت خطي از جعبه دنده استفاده شده كه خطاي لقي و خطاي الاستيك را در بر دارد. در حلاي كه در موتورهاي خطي چنين خطاهايي وجود ندارد. ۲٫ در مكانيزم‌هاي تبديل حركت دوراني به خطي از پيچ‌هاي انتقال قدرت (Ballscrew/Leadscrew) استفاده مي‌شود كه سرعتي بين ۴۰-۶۰m/min و شتاب Lg و قابليت

 

تكرارپذيري در حدود ۰٫۰۱mm وعمري در حدود ۸۰۰۰ ساعت دارند، در حالكيه در موتور خطي مي‌توان به سرعتي حدود ۳۶۰-۳۰۰۰m/min و شتاب ۱۰g و قابليت تكرارپذيري ۰٫۰۰۱mm و عمري در حدود ۵۰۰۰۰ساعت دست يافت. ۳٫ حركت موتورهاي خطي كاملاً هموار است، در حاليكه پيچ انتقال قدرت به خاطر ارتعاشات ناشي از ورود و خروج ساچمه‌ها به درون مهره حركت نرم و هموار ندارند. همچنين در پيچ‌هاي انتقال قدرت محدوديت طول كورس وجود دارد، در حاليكه در موتورهاي خطي اين محدوديت وجود ندارد. بنابراين طراحي و ساخت موتور

خطي با دقت بالا بويژه در ماشين هاي ويژه نظير ماشين ابزارهاي CNC كه در آنها خطاهاي مكانيكي منجر به كاهش دقت مي‌شود ضرورت دارد. فرضيات پژوهش: در اين پژوهش ساخت موتور خطيDC بدون جاروبك بدون شيار با آهنرباي دايمي مورد توجه قرار مي‌گيرد . در اين نوع موتور كه براي نخستين بار در كشور ساخته مي‌شود، از يك مجموعه آهنرباي دايم كه به صورت ثابت روي يك پليت قرار مي‌گيرد به همراه يك كويل متحرك استفاده مي‌شود. همچنين به منظور افزايش قابليت اطمينان موتور به جاي استفاده از جاروبك، از تكنولورژي موتورهاي بدون جاروبك بهره خواهيم گرفت. همچنين از ياتاقانهاي خطي براي انتقال مجموعة متحرك استفاده خواهيم كرد. براي كنترل جابجايي از يك انكودر خطي بهره مي‌گيريم.

مكانيزم كنترل نيز مدار- بسته خواهد بود. اهداف اين پژوهش: هدف از اين پژوهش ساخت موتورهاي خطي DC بدون جاروبك است كه مي‌تواند سرعت، دقت، تفكيك‌پذيري، تكرارپذيري و قابليت اطمينان بالايي براي سيستم‌هاي جابجايي بويژه ماشين ابزارهاي CNC فراهم كند. با توجه به نيازي كه به سيستم‌هاي سرعت بالا، دقت بالا در كاربردهاي گوناگون احساس

مي‌شود، بهره‌گيري از فناوري موتورهاي خطي مي‌تواند در بهبود عملكرد مؤثر بوده و گامي در جهت رشد وارتقاء اين فناوري در كشور و پاسخي به نياز صنعت و دانشگاه به شمار رود.
موتور هاي خطي مدل هاي الکترومکانيکي هستند که در آنها نيرو و حرکت خطي به طور مستقيم و بدون نياز به هيچ گونه واسطه و مبدل مکانيکي ايجاد مي شود اين موتور ها نسل جديدي از ماشين هاي الکتريکي هستند که در چند سال اخير مورد توجه طراحان ماشين آلات صنعتي و صاحبان صنايع قرار گرفته اند . موتور هاي خطي داراي عملکرد خوبي بر حسب سرعت ، شتاب ، نيرو و موقعيت يابي دقيق هستند ، به منظور شناخت مشخصات فني و نحوه عملکرد موتور هاي خطي لازم است اصول اوليه و روابط اساسي حاکم بر اين نوع ماشين هاي خاص مورد مطالعه قرار بگيرند .
موتورهاي AC تک فاز: معمولترين موتور تک فاز موتور همزمان قطب چاکدار است، که اغلب در دستگاه هايي بکار مي رود که گشتاور پايين

نياز دارند، نظير پنکه‌هاي برقي، تندپزها (اجاقهاي ماکروويو) و ديگر لوازم خانگي کوچک. نوع ديگر موتور AC تک فاز موتور القايي است، که اغلب در لوازم بزرگ نظير ماشين لباسشويي و خشک کن لباس بکار مي‌رود. عموماً اين موتورها مي‌توانند گشتاور راه اندازي بزرگتري را با استفاده از يک سيم پيچ راه انداز به همراه يک خازن راه انداز و يک کليد گريز از مرکز، ايجاد کنند.

هنگام راه اندازي، خازن و سيم پيچ راه اندازي از طريق يک دسته از کنتاکت هاي تحت فشار فنر روي کليد گريز از مرکز دوار، به منبع برق متصل مي‌شوند. خازن به افزايش گشتاور راه اندازي موتور کمک مي‌کند. هنگامي که موتور به سرعت نامي رسيد، کليد گريز از مرکز فعال شده، دسته کنتاکتها فعال مي‌شود، خازن و سيم پيچ راه انداز سري شده را از منبع برق جدا مي‌سازد، در اين هنگام موتور تنها با سيم پيچ اصلي عمل مي‌کند.

موتورهاي AC سه فاز: براي کاربردهاي نيازمند به توان بالاتر، از موتورهاي القايي سه فاز AC (يا چند فاز) استفاده مي‌شود. اين موتورها از اختلاف فاز موجود بين فازهاي تغذيه چند فاز الکتريکي براي ايجاد يک ميدان الکترومغناطيسي دوار درونشان، استفاده مي‌کنند. اغلب، روتور شامل تعدادي هادي هاي مسي است که در فولاد قرار داده شده‌اند. از طريق القاي الکترومغناطيسي ميدان مغناطيسي دوار در اين هاديها القاي جريان مي‌کند، که در نتيجه منجر به ايجاد يک ميدان مغناطيسي متعادل کننده شده و موجب مي‌شود که موتور در جهت گردش ميدان به حرکت در آيد.

اين نوع از موتور با نام موتور القايي معروف است. براي اينکه اين موتور به حرکت درآيد بايستي همواره موتور با سرعتي کمتر از بسامد منبع تغذيه اعمالي به موتور، بچرخد، چرا که در غير اين صورت ميدان متعادل کننده‌هاي در روتور ايجاد نخواهد شد. استفاده از اين نوع موتور در کاربردهاي ترکشن نظير لوکوموتيوها، که در آن به موتور ترکشن آسنکرون معروف است، روز به روز در حال افزايش است. به سيم پيچهاي روتور جريان ميدان جدايي اعمال مي‌شود تا يک ميدان مغناطيسي پيوسته ايجاد شود، که در موتور همزمان وجود دارد، موتور به صورت همزمان با ميدان مغناطيسي دوار ناشي از برق AC سه فاز، به گردش در مي‌آيد. موتورهاي همزمان (سنکرون) را مي‌توانيم به عنوان مولد جريان هم بکار برد.

سرعت موتور AC در ابتدا به فرکانس تغذيه بستگي دارد و مقدار لغزش، يا اختلاف در سرعت چرخش بين چرخانه و ميدان ايستانه، گشتاور توليدي موتور را تعيين مي‌کند. تغيير سرعت در اين نوع از موتورها را مي‌توان با داشتن دسته سيم پيچها يا قطبهايي در موتور که با روشن و خاموش کردنشان سرعت ميدان دوار مغناطيسي تغيير مي‌کند، ممکن ساخت. به هر حال با پيشرفت الکترونيک قدرت مي توانيم با تغيير دادن بسامد منبع تغذيه، کنترل يکنواخت تري بر روي سرعت موتورها داشته باشيم.

موتورهاي پله‌اي نوع ديگري از موتورهاي الکتريکي موتور پله‌اي است، که در آن يک روتور دروني، شامل آهنرباهاي دائمي توسط يک دسته از آهنرباهاي خارجي که به صورت الکترونيکي روشن و خاموش مي‌شوند، کنترل مي‌شود. يک موتور پله‌اي ترکيبي از يک موتور الکتريکي DC و يک سلونوئيد است. موتورهاي پله‌اي ساده توسط بخشي از يک سيستم دنده‌اي در حالتهاي موقعيتي معيني قرار مي‌گيرند، اما موتورهاي پله‌اي نسبتا کنترل شده، مي‌توانند بسيار آرام بچرخند. موتورهاي پله‌اي کنترل شده با رايانه يکي از فرمهاي سيستمهاي تنظيم موقعيت است، بويژه وقتي که بخشي از يک سيستم ديجيتال داراي کنترل فرمان يار باشند.

موتورهاي خطي يک موتور خطي اساساً يک موتور الکتريکي است که از حالت دوار در آمده تا بجاي اينکه يک گشتاور (چرخش) گردشي توليد کند، يک نيروي خطي توسط ايجاد يک ميدان الکترومغناطيسي سيار در طولش، بوجود آورد. موتورهاي خطي اغلب موتورهاي القايي يا پله‌اي هستند. مي‌توانيد يک موتور خطي را در يک قطار سريع السير مگلو مشاهده کنيد که در آن قطار روي زمين پرواز مي‌کند.