تتميز المحركات الخطية بقدرتها على تحقيق معدلات تسارع عالية وأطوال حركة كبيرة مع قوة دفع جيدة ودقة تحديد مواقع فائقة، بينما تضطر آليات الدفع الأخرى، كالأحزمة والبراغي والتروس المسننة، إلى التضحية بواحدة على الأقل من هذه المتطلبات لتحقيق المتطلبات الأخرى. ولذلك، تُعد المحركات الخطية الخيار الأمثل للتطبيقات الديناميكية العالية، مثل القياسات الدقيقة وتصنيع أشباه الموصلات.

في الواقع، بناءً على مواصفات أدائها، تبدو المحركات الخطية الحل الأمثل لتلبية المتطلبات المتضاربة التي غالباً ما توجد في تطبيقات الحركة الخطية. لكن هذا يثير التساؤل: "لماذا لا تُستخدم المحركات الخطية على نطاق أوسع؟"

لفهم سبب تأخر معدل اعتماد المحركات الخطية عن تقنيات القيادة الأخرى - مثل الأحزمة أو البراغي أو محركات التروس المسننة - دعونا نلقي نظرة على بعض مزايا وعيوب تصميمات المحركات الخطية.

توليد الحرارة وتبديدها

عند تحديد حجم المحرك واختياره، سواء كان دوارًا أو خطيًا، يُعدّ توليد الحرارة أحد الاعتبارات الأساسية. في الواقع، تعتمد منحنيات عزم الدوران (أو القوة) مقابل السرعة، التي توضح نطاقات التشغيل المستمرة والمتقطعة لمجموعة معينة من المحرك ونظام الدفع، على قدرة المحرك على تبديد الحرارة في ظل ظروف تشغيل محددة.

قد يكون توليد الحرارة أكثر إشكالية في المحركات الخطية منه في المحركات الدوارة، لأن الحمل مُثبّت على المحرك الذي يحتوي على ملفات المحرك. (في بعض تصميمات المحركات الخطية، يمكن تثبيت الحمل على مسار المغناطيس، مع أن هذا قد يكون عمليًا فقط للأشواط القصيرة). وفي المحركات الخطية عديمة الحديد، تُغلّف الملفات بالإيبوكسي، الذي لا يُبدّد الحرارة بسهولة المعادن كالحديد أو الألومنيوم.

هذا يعني أن الحرارة تنتقل بسهولة إلى الحمل والمكونات المحيطة به، مما يُسبب تمددًا حراريًا وتدهورًا، أو في الحالات القصوى، تلفًا أو عطلًا. حتى لو لم يتأثر الحمل، فإن تراكم الحرارة قد يُقلل من قوة خرج المحرك المستمرة. ولمعالجة هذه المشكلة، تتطلب بعض التطبيقات تبريدًا قسريًا بالهواء أو السائل، مما يزيد التكلفة والحجم والتعقيد.

الحماية من التلوث

نظراً لتصميمها المفتوح ومغناطيساتها المكشوفة، يصعب حماية المحركات الخطية ذات القلب الحديدي المسطح، والتصاميم الخالية من الحديد على شكل حرف U، من التلوث. فبينما يمكن حماية الموجهات الخطية الداعمة باستخدام موانع تسرب وكاشطات متوفرة تجارياً، إلا أن المغناطيسات المكشوفة في المحرك الخطي قد تجذب جزيئات حديدية من عمليات التشغيل الآلي أو من التلوث المحمول جواً، والذي غالباً ما يوجد في بيئات التصنيع والمصانع. كما أن التلوث بالسوائل قد يُلحق الضرر بالإلكترونيات الحساسة أو يُؤثر على أنظمة التغذية الراجعة.

بالطبع، يمكن تصميم الأغطية والهياكل الخارجية للحماية من التلوث، ولكنها قد تجعل من الصعب على المحرك تبديد الحرارة، مما يؤدي إلى تفاقم المشاكل المتعلقة بالحرارة المذكورة أعلاه.

التعويض عن الاهتزازات والتذبذبات

من أهم مزايا حلول المحركات الخطية أنها تُغني عن الحاجة إلى مكونات نقل الطاقة الميكانيكية، كالمسامير والأحزمة وعلب التروس والوصلات، بين المحرك والحمل. وهذا يعني أن المحركات الخطية لا تعاني من تأثيرات الارتداد والالتواء والمرونة، وهو عامل أساسي في قدرتها على تحقيق دقة عالية في تحديد المواقع وتنفيذ حركات ديناميكية فائقة، مع معدلات تسارع وتباطؤ سريعة.

لكن مكونات النقل الميكانيكية قد تكون مفيدة في نظام الحركة من خلال توفير آلية تخميد للاهتزازات وتخفيف الاضطرابات، مثل ردود الفعل الناتجة عن قوى التشغيل أو الاهتزازات الناجمة عن حركة الحمل. وبدون تأثير التخميد "المدمج" هذا، قد تمنع الاهتزازات والمذبذبات المحركات الخطية من تحقيق دقة تحديد المواقع المطلوبة أو زمن الاستقرار.

لضمان قدرة النظام على الاستجابة لتأثيرات هذه الاهتزازات والتذبذبات غير المخمدة وتصحيحها، تتطلب أنظمة المحركات الخطية عادةً حلقات تحكم في السرعة والموضع والتيار (القوة) بترددات أعلى، بالإضافة إلى نطاق ترددي أوسع لحلقة التيار. كما يحتاج نظام التغذية الراجعة للموضع - والذي يكون عادةً مشفرًا خطيًا بصريًا أو مغناطيسيًا - إلى دقة أعلى لتمكين وحدة التحكم من تتبع موضع المحرك والحمل بدقة أكبر. حتى هيكل الآلة أو البنية الداعمة يجب أن يكون صلبًا بما يكفي (بتردد طبيعي عالٍ) ليظل مقاومًا للصدمات والاهتزازات ويتحمل القوى الناتجة عن المحرك الخطي.

بمعنى آخر، نظرًا لوجود عدد أقل من المكونات للمساعدة في التعويض عن الاهتزازات والاضطرابات، يجب 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 أحد أهم العوامل التي تحد من انتشار استخدام المحركات الخطية. فعلى الرغم من وجود العديد من المقارنات التي تُظهر انخفاض التكلفة الإجمالية للملكية (TCO) لحلول المحركات الخطية مقارنةً بالحلول التقليدية التي تعتمد على الأحزمة أو البراغي أو التروس المسننة في بعض التطبيقات، إلا أن التكلفة الأولية لنظام المحرك الخطي لا تزال تشكل عائقًا أمام اعتماده من قِبل المهندسين والمصممين المكلفين بتلبية مواصفات الأداء ضمن ميزانية محدودة. على سبيل المثال، في التطبيقات التي تتطلب مسافات حركة طويلة جدًا - وهي إحدى المجالات التي تتفوق فيها حلول المحركات الخطية - قد تجعل تكلفة المغناطيسات وأجهزة التشفير الخطية عالية الدقة اللازمة لتلبية متطلبات الحركة استخدام المحرك الخطي غير مُجدٍ.

تساهم التطبيقات غير التقليدية في زيادة معدلات استخدام المحركات الخطية

على الرغم من الصعوبات المحتملة التي تفرضها عوامل مثل توليد الحرارة، والحماية من التلوث، والتحكم عالي النطاق الترددي، والتكلفة، فإن معدل استخدام المحركات الخطية آخذ في الازدياد. فبعد أن كانت تُعتبر حلولاً متخصصة لتطبيقات أشباه الموصلات، وعلم القياس، والتشغيل الآلي الثقيل، تُستخدم المحركات الخطية ذات القلب الحديدي، والمحركات عديمة القلب، والمحركات الأنبوبية الآن في تطبيقات السيارات، والأغذية والتعبئة والتغليف، والطباعة، حيث قد لا تكون الحركات بنفس الصعوبة أو متطلبات الدقة العالية، ولكن حيث تبرر مزايا قلة عدد المكونات، وتقليل وقت التوقف، وزيادة الإنتاجية التكلفة الإضافية واعتبارات التصميم.