يمكن اعتبار المحرك الخطي بمثابة محرك سيرفو دوار تم فرده ووضعه بشكل مسطح لإنتاج حركة خطية أساسية. أما المشغل الخطي التقليدي فهو عنصر ميكانيكي يحول حركة دوران محرك السيرفو الدوار إلى حركة خطية. يوفر كلا النوعين حركة خطية، لكن بخصائص أداء ومفاضلات مختلفة تمامًا. لا توجد تقنية متفوقة أو أدنى من غيرها، فالاختيار يعتمد على التطبيق. دعونا نلقي نظرة فاحصة.

القاعدة العامة للمحركات الخطية هي أنها تتألق في التطبيقات التي تتطلب تسارعًا عاليًا، أو سرعات عالية، أو دقة عالية. ففي مجال قياسات أشباه الموصلات، على سبيل المثال، حيث تُعدّ الدقة والإنتاجية عاملين حاسمين، وحتى ساعة واحدة من التوقف عن العمل قد تُكلّف عشرات الآلاف من الدولارات، تُقدّم المحركات الخطية الحل الأمثل. ولكن ماذا عن الحالات الأقل تطلبًا؟

كانت القدرة التنافسية من حيث التكلفة إحدى المشكلات المبكرة التي واجهت المحركات الخطية. تتطلب هذه المحركات مغناطيسات من معادن أرضية نادرة، وهو ما يمثل أحد العوامل المحددة لطول الشوط. صحيح أنه من الناحية النظرية، يمكن ترتيب المغناطيسات بشكل لا نهائي تقريبًا، ولكن في الواقع، وبغض النظر عن صعوبة ضمان صلابة كافية على امتداد شوط طويل، فإن التكاليف تتراكم، لا سيما بالنسبة للتصاميم ذات القناة على شكل حرف U.

تستطيع المحركات ذات القلب الحديدي توليد نفس القوة باستخدام مغناطيسات أصغر من تلك المستخدمة في التصميم المكافئ الخالي من الحديد، لذا إذا كانت القوة العضلية هي الشرط الأساسي، وكانت مواصفات الأداء مرنة بما يكفي لتحمل بعض اضطرابات قوة التمغنط التي تؤدي إلى أخطاء في الموضع أو السرعة الديناميكية، فقد يكون استخدام القلب الحديدي هو الخيار الأمثل. أما إذا كانت متطلبات الأداء أقل دقة، في حدود الميكرونات بدلاً من النانومترات، فقد يوفر الجمع بين المحرك الخطي والمشغل الخطي الحل الأمثل - على سبيل المثال، يمكن اختيار مشغل خطي لتغليف الأدوية، ومحرك خطي لتسلسل الحمض النووي في اكتشاف الأدوية.

مدة الرحلة
على الرغم من وجود العديد من الاستثناءات، يتراوح طول الشوط الأمثل للمحركات الخطية من بضعة ملليمترات إلى عدة أمتار. إذا كان طول الشوط أقل من ذلك، فقد يكون استخدام بديل مثل الوصلة المرنة أكثر فعالية؛ أما إذا كان أعلى من ذلك، فمن المرجح أن تكون أنظمة نقل الحركة بالسيور، ثم أنظمة التروس المسننة، خيارات أفضل.

لا يقتصر قيد طول شوط المحركات الخطية على التكلفة وثبات التركيب فحسب، بل يشمل أيضًا مسألة إدارة الكابلات. فلكي تُولّد الحركة، يجب تزويد المحرك بالطاقة، ما يعني ضرورة تحرك كابلات الطاقة معه على طول الشوط كاملًا. وتُعدّ الكابلات عالية المرونة وقنواتها المصاحبة باهظة الثمن، كما أن كون الكابلات هي أكبر نقطة ضعف في أنظمة التحكم بالحركة عمومًا يزيد الأمر تعقيدًا.

بالطبع، يمكن لطبيعة المحركات الخطية نفسها أن توفر حلاً ذكياً لهذه المشكلة. عند وجود هذه المخاوف، سنقوم بتثبيت المحرك على القاعدة الثابتة وتحريك مسار المغناطيس. بهذه الطريقة، تصل جميع الكابلات إلى المحرك الثابت. ستحصل على تسارع أقل قليلاً من المحرك لأنك لا تُسرّع ملفًا، بل تُسرّع مسار المغناطيس، وهو أثقل. إذا كنت تستخدم هذا التصميم لتطبيقات ذات تسارع عالٍ، فلن يكون ذلك مناسبًا. أما إذا لم يكن لديك تطبيق يتطلب تسارعًا عاليًا، فقد يكون هذا التصميم ممتازًا.

تشير شركة بروفيتا إلى محركات سيرفو خطية من شركة أيروتك بقوة قصوى تتراوح بين 28 و900 رطل، ولكن هنا أيضًا، يتيح التصميم الأساسي للمحركات الخطية حلولًا فريدة توفر إمكانيات أكبر بكثير. لدينا عملاء يستخدمون أكبر محركاتنا الخطية، ويجمعون ستة منها معًا، لتوليد قوة تصل إلى 6000 رطل تقريبًا. يمكنك وضع عدة محركات في مسارات متعددة، وتثبيتها ميكانيكيًا معًا، ثم تشغيلها جميعًا معًا لتعمل كمحرك واحد؛ أو يمكنك وضع عدة محركات في نفس مسار المغناطيس وتركيبها على العربة التي تحمل الحمل والتعامل معها كمحرك واحد.

بما أننا نعيش في العالم الحقيقي ومن المستحيل مطابقة عملية التبديل بدقة، فهناك عقوبة في الكفاءة بنسبة قليلة يجب دفعها مقابل هذا النهج، ولكنه قد لا يزال يؤدي إلى أفضل حل شامل لتطبيق معين.

مواجهة مباشرة
من ناحية القوة، كيف تُقارن المحركات الخطية بمجموعات المحركات الدوارة/المشغلات الخطية؟ هناك فرقٌ كبيرٌ في القوة، حيث نقارن محركًا خطيًا بدون فتحات، عرضه 4 بوصات، وثمانية أقطاب، مع منتج يعمل ببرغي، عرضه 4 بوصات أيضًا. يتميز محركنا الخطي ذو الثمانية أقطاب بقوة قصوى تبلغ 40 رطلاً (180 نيوتن) وقوة مستمرة تبلغ 11 رطلاً (50 نيوتن). في نفس هذا التصميم، مع محرك سيرفو NEMA 23 ومنتجنا الذي يعمل ببرغي، يبلغ الحد الأقصى للحمل المحوري 200 رطل، لذا، إذا نظرنا إلى الأمر من هذه الزاوية، فإننا نتحدث عن انخفاضٍ في القوة المستمرة بمقدار 20 ضعفًا تقريبًا.

يُشير سريعًا إلى أن النتائج الفعلية ستختلف باختلاف خطوة البرغي وقطره وملفات المحرك وتصميمه، وأنها محدودة بالمحامل المحورية التي تدعم البرغي. فعلى سبيل المثال، يُمكن لمحرك الشركة الخطي ذي القلب الحديدي بعرض 13 بوصة توليد قوة محورية قصوى تبلغ 1600 رطل، مقارنةً بـ 440 رطلًا التي يُوفرها منتج يعمل ببرغي بعرض 6 بوصات، إلا أن المساحة المُهدرة كبيرة.

باختصار، وكما يقول المثل، التطبيق هو الأساس. إذا كانت كثافة القوة هي الشاغل الرئيسي، فالمحرك هو الخيار الأمثل على الأرجح. أما إذا كان التطبيق يتطلب استجابة سريعة، كما هو الحال في تطبيقات عالية الدقة والتسارع مثل فحص شاشات الكريستال السائل، فإن التضحية بحجم الجهاز مقابل القوة اللازمة لتحقيق الأداء المطلوب أمرٌ جدير بالاهتمام.

الحفاظ على نظافته
يُعد التلوث مشكلة رئيسية في أنظمة التحكم بالحركة في بيئات التصنيع، والمحركات الخطية ليست استثناءً. إحدى المشكلات الكبيرة في تصميم المحركات الخطية التقليدية هي تعرضها للتلوث، مثل الجسيمات الصلبة أو الرطوبة. ينطبق هذا على التصاميم المسطحة، بينما تقل هذه المشكلة في التصاميم ذات القنوات على شكل حرف U.

من الصعب جدًا إحكام إغلاق المحلول تمامًا. لا يُنصح باستخدامه في بيئة عالية الرطوبة. عند استخدام محرك خطي في عملية قطع بنفث الماء، يجب تطبيق ضغط إيجابي عليه والتأكد من حمايته جيدًا، لأن الدوائر الإلكترونية للمحرك الخطي موجودة بالقرب من آلية التشغيل.

في تصميمات القنوات على شكل حرف U، يمكن لعكس شكل الحرف U أن يقلل من احتمالية دخول الجسيمات إلى القناة، لكن ذلك يُسبب مشاكل في إدارة الحرارة قد تؤثر سلبًا على الأداء نتيجةً لتحريك كتلة سكة المغناطيس مقابل تحريك كتلة القوة الدافعة. وكما ذكرنا سابقًا، الأمر يتعلق بالموازنة بين الخيارات، ويعتمد الاستخدام على التطبيق نفسه.

لا يقتصر تأثير المحرك الخطي على البيئة فحسب، بل قد يتسبب المحرك الخطي نفسه في مشاكل بيئية. فعلى عكس المحركات الدوارة، يمكن للمغناطيسات الكبيرة في الوحدات الخطية أن تُلحق أضرارًا بالغة بالبيئة المحيطة الحساسة للمجالات المغناطيسية، كما هو الحال في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI). وقد يُشكل ذلك مشكلة حتى في تطبيقات أكثر شيوعًا مثل قطع المعادن. إذ تعمل هذه المغناطيسات ذات القوة العالية على جذب كل رقاقة معدنية إلى مسارها المغناطيسي، لذا لن تعمل المحركات الخطية بكفاءة في هذه التطبيقات دون حماية مناسبة.

بخصوص تلك التطبيقات...
إذن، أين تكمن أفضل تطبيقات المحركات الخطية؟ في مجال القياسات، على سبيل المثال، في قطاعات مثل أشباه الموصلات، وتصنيع مصابيح LED وشاشات LCD. كما أن الطباعة الرقمية للوحات الإعلانية الكبيرة سوق متنامية، وكذلك القطاع الطبي الحيوي، وحتى في تصنيع الأجزاء الصغيرة، حيث يقوم عملاؤنا بترتيب أزواج من المحركات الخطية في تكوينات جسرية لمهام التجميع. نسعى لتحقيق أعلى إنتاجية ممكنة، لذا فإن التسارع والسرعة العالية التي توفرها هذه المحركات تُعدّ ميزةً قيّمة. ومن بين التطبيقات التي نعمل عليها مؤخرًا تصنيع خلايا الوقود، بالإضافة إلى تقنية قطع القوالب.