المحرك الخطي

تُعدّ المحركات الخطية عديمة الفرش من عائلة المحركات المتزامنة. وتُستخدم عادةً في المراحل الخطية القياسية أو تُدمج في أنظمة تحديد المواقع عالية الأداء والمصممة خصيصًا. وقد اخترعها أنور شيتايات في أواخر ثمانينيات القرن الماضي في شركة أنوراد، التي تُعرف الآن باسم روكويل أوتوميشن ، وساهمت في تحسين إنتاجية وجودة عمليات التصنيع الصناعية. ^{[ 6 ]}

استُخدمت المحركات الخطية ذات الفرش في تطبيقات الأتمتة الصناعية قبل اختراع المحركات الخطية عديمة الفرش. وبالمقارنة مع المحركات عديمة الفرش ثلاثية الأطوار ، الشائعة الاستخدام اليوم، تعمل المحركات ذات الفرش على طور واحد. ^{[ 7 ]} تتميز المحركات الخطية ذات الفرش بانخفاض تكلفتها لعدم حاجتها إلى كابلات متحركة أو محركات مؤازرة ثلاثية الأطوار. مع ذلك، فهي تتطلب صيانة أكثر نظرًا لتآكل فرشها.

في هذا التصميم، تُتحكم سرعة حركة المجال المغناطيسي، عادةً إلكترونيًا، لتتبع حركة الدوّار. ولأسباب تتعلق بالتكلفة، نادرًا ما تستخدم المحركات الخطية المتزامنة المبدلات ، لذا غالبًا ما يحتوي الدوّار على مغناطيس دائم أو حديد مطاوع . ومن الأمثلة على ذلك مدافع الملفات والمحركات المستخدمة في بعض أنظمة الرفع المغناطيسي ، بالإضافة إلى العديد من المحركات الخطية الأخرى. في أنظمة الأتمتة الصناعية عالية الدقة، تُجهز المحركات الخطية عادةً بجزء ثابت مغناطيسي وملف متحرك. يُركب مستشعر تأثير هول على الدوّار لتتبع التدفق المغناطيسي للجزء الثابت. ويُزود التيار الكهربائي عادةً من محرك مؤازر ثابت إلى الملف المتحرك بواسطة كابل متحرك داخل حامل كابل .

في هذا التصميم، تتولد القوة بفعل مجال مغناطيسي خطي متحرك يؤثر على الموصلات الموجودة فيه. أي موصل، سواء كان حلقة أو ملفًا أو مجرد صفيحة معدنية، يوضع في هذا المجال، ستتولد فيه تيارات دوامية، مما يُنشئ مجالًا مغناطيسيًا معاكسًا، وفقًا لقانون لينز . ^{​​[ 8 ]} سيتنافر المجالان المتعاكسان، مما يُحدث حركةً أثناء مرور المجال المغناطيسي عبر المعدن.

في هذا التصميم، يمر تيار كهربائي كبير عبر غلاف معدني من خلال نقاط تلامس منزلقة تتغذى من سكتين. ويتسبب المجال المغناطيسي الناتج في قذف المعدن على طول السكة.

تصميم فعال وصغير الحجم قابل للتطبيق على استبدال الأسطوانات الهوائية .

تُستخدم المحركات الكهروإجهادية غالبًا لتشغيل المحركات الخطية الصغيرة.

يمكن تتبع تاريخ المحركات الكهربائية الخطية إلى أربعينيات القرن التاسع عشر على الأقل، إلى أعمال تشارلز ويتستون في كلية كينجز بلندن ، ^{[ 9 ]} إلا أن نموذج ويتستون كان غير فعال بما يكفي ليكون عمليًا. وصف براءة الاختراع الأمريكية رقم 782312 (1905 - المخترع ألفريد زيدن من فرانكفورت) محركًا حثيًا خطيًا عمليًا لتشغيل القطارات أو المصاعد. بنى المهندس الألماني هيرمان كيمبر نموذجًا عمليًا في عام 1935. ^{[ 10 ]} في أواخر أربعينيات القرن العشرين، طور الدكتور إريك لايثويت من جامعة مانشستر ، والذي أصبح لاحقًا أستاذًا للهندسة الكهربائية الثقيلة في إمبريال كوليدج بلندن، أول نموذج عملي بالحجم الكامل.

في نسخة أحادية الجانب، يدفع التنافر المغناطيسي الموصل بعيدًا عن الجزء الثابت، مما يؤدي إلى رفعه في الهواء وحمله في اتجاه المجال المغناطيسي المتحرك. أطلق على النسخ اللاحقة منه اسم " النهر المغناطيسي" . لاحقًا، طُبقت هذه التقنيات في مشروع "الربط الجوي-السككي" عام 1984، الذي يربط مطار برمنغهام بمحطة قطار مجاورة.

بسبب هذه الخصائص، تُستخدم المحركات الخطية بكثرة في أنظمة الدفع المغناطيسي ، كما هو الحال في خط قطار الرفع المغناطيسي الياباني "لينيمو" بالقرب من ناغويا . مع ذلك، استُخدمت المحركات الخطية بشكل مستقل عن الرفع المغناطيسي، كما هو الحال في أنظمة مترو "بومباردييه إنوفيا" حول العالم، وفي عدد من خطوط مترو الأنفاق اليابانية الحديثة، بما في ذلك خط "توي أويدو" في طوكيو .

تُستخدم تقنية مماثلة أيضًا في بعض قطارات الملاهي مع بعض التعديلات، ولكنها في الوقت الحالي لا تزال غير عملية في الترام الذي يسير في الشوارع ، على الرغم من أنه من الناحية النظرية يمكن القيام بذلك عن طريق دفنها في قناة مشقوقة.

خارج نطاق النقل العام، تم اقتراح استخدام المحركات الخطية الرأسية كآليات رفع في المناجم العميقة ، ويتزايد استخدامها في تطبيقات التحكم بالحركة . كما تُستخدم بكثرة في الأبواب المنزلقة، مثل تلك الموجودة في الترام ذي الأرضية المنخفضة كقطار ألستوم سيتاديس وقطار سوسيمي يوروترام . وتوجد أيضًا محركات خطية ثنائية المحور. وقد استُخدمت هذه الأجهزة المتخصصة لتوفير حركة مباشرة في المحورين X و Y لقطع الأقمشة والصفائح المعدنية بدقة عالية باستخدام الليزر، وللرسم الآلي ، وتشكيل الكابلات. معظم المحركات الخطية المستخدمة حاليًا هي محركات الحث الخطي (LIM) أو المحركات المتزامنة الخطية (LSM). لا تُستخدم محركات التيار المستمر الخطية نظرًا لتكلفتها العالية، كما أن المحركات المتزامنة الخطية تعاني من ضعف قوة الدفع. لذا، يُفضل استخدام محركات الحث الخطي (LIM) في عمليات الجر لمسافات طويلة، بينما يُفضل استخدام المحركات المتزامنة الخطية (LSM) في عمليات الجر لمسافات قصيرة.

تم اقتراح استخدام المحركات الخطية عالية التسارع في العديد من التطبيقات. وقد تم النظر في استخدامها كأسلحة ، نظرًا لأن الذخيرة الخارقة للدروع الحالية تتكون عادةً من طلقات صغيرة ذات طاقة حركية عالية جدًا ، وهو ما يناسب هذه المحركات تمامًا. وتستخدم العديد من قطارات الملاهي التي تنطلق من أفعوانية محركات الحث الخطية لدفع القطار بسرعة عالية، كبديل لاستخدام منحدر الرفع .

تستخدم البحرية الأمريكية أيضًا محركات الحث الخطي في نظام إطلاق الطائرات الكهرومغناطيسي، الذي سيحل محل المنجنيقات البخارية التقليدية على حاملات الطائرات المستقبلية. وقد اقتُرح استخدامها أيضًا في دفع المركبات الفضائية ، حيث تُعرف في هذا السياق باسم " محركات الكتلة" . وأبسط طريقة لاستخدام محركات الكتلة في دفع المركبات الفضائية هي بناء محرك كتلة كبير قادر على تسريع الحمولة إلى سرعة الإفلات ، مع العلم أنه يجري أيضًا دراسة استخدام أنظمة مساعدة إطلاق المركبات الفضائية القابلة لإعادة الاستخدام، مثل نظام "ستار ترام"، إلى مدار أرضي منخفض .

يُعدّ تصميم المحركات الخطية عالية التسارع أمرًا صعبًا لعدة أسباب. فهي تتطلب كميات هائلة من الطاقة في فترات زمنية قصيرة جدًا. على سبيل المثال، يتطلب أحد تصاميم قاذفات الصواريخ ^{[ 11 ]} طاقة 300 جيجا جول لكل عملية إطلاق في أقل من ثانية. لا تُصمّم المولدات الكهربائية العادية لمثل هذا النوع من الأحمال، ولكن يمكن استخدام طرق تخزين الطاقة الكهربائية قصيرة المدى. المكثفات ضخمة ومكلفة، لكنها قادرة على توفير كميات كبيرة من الطاقة بسرعة. يمكن استخدام المولدات أحادية القطب لتحويل الطاقة الحركية لعجلة الموازنة إلى طاقة كهربائية بسرعة فائقة. كما تتطلب المحركات الخطية عالية التسارع مجالات مغناطيسية قوية جدًا؛ في الواقع، غالبًا ما تكون هذه المجالات أقوى من أن تسمح باستخدام الموصلات الفائقة . مع ذلك، يمكن التغلب على هذه المشكلة بتصميم دقيق. ^{[ 12 ]}

تم ابتكار تصميمين أساسيين مختلفين للمحركات الخطية عالية التسارع: مدافع السكك الحديدية ومدافع الملفات .

إنّ الجمع بين الدقة العالية والسرعة العالية والقوة العالية والمسافة الطويلة يجعل المحركات الخطية عديمة الفرش جذابة لتشغيل معدات الأتمتة الصناعية. وهي تخدم صناعات وتطبيقات مثل محركات أشباه الموصلات المتدرجة، وتقنية التجميع السطحي للإلكترونيات ، وروبوتات الإحداثيات الكارتيزية للسيارات ، والطحن الكيميائي في صناعة الطيران، والمجهر الإلكتروني البصري ، وأتمتة مختبرات الرعاية الصحية، وأنظمة انتقاء ووضع الأغذية والمشروبات . ^{[ 3 ]}

تُوفر المحركات الخطية المتزامنة ، المستخدمة في أدوات الآلات والأتمتة الصناعية، قوةً عالية، وسرعةً عالية، ودقةً عالية، وصلابةً ديناميكيةً عالية. تُمكّن هذه الخصائص من حركةٍ خاليةٍ من رد الفعل العكسي، وزمن استقرارٍ قصير، وسلاسةٍ استثنائيةٍ في الحركة. تستطيع الأنظمة الحديثة تحقيق سرعاتٍ تبلغ 2  متر/ثانية أو أكثر، مع دقة تحديد المواقع على مستوى الميكرون وأوقات دورة سريعة، مما يُساهم في الحصول على تشطيبات سطحية فائقة وإنتاجية عالية. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

تستخدم شركة هابتك محركات خطية كهرومغناطيسية في تطبيق خاص بها لتدريب الجنود على الأسلحة العسكرية، مما يوفر لهم تدريبًا عالي الدقة وفعالًا من حيث التكلفة. توفر هذه المحركات ارتدادًا واقعيًا وردود فعل لمسية أخرى لأجهزة التدريب، مما يعزز تجربة التدريب ويقدم محاكاة دقيقة لأغراضه. تُعد هذه المنتجات، لاستخدامها في التدريب العسكري، الحل الإلكتروني الوحيد العملي الذي لا يُجبر المستخدمين على التكيف مع جهاز التدريب.

توجد العديد من الأفعوانيات حول العالم التي تستخدم محركات الحث الخطي لتسريع عرباتها. أولها " رحلة الخوف" في كينغز آيلاند وكينغز دومينيون ، وكلاهما افتُتح عام 1996. أما "باتلستار غالاكتيكا: الإنسان ضد سايلون وانتقام المومياء" في يونيفرسال ستوديوز سنغافورة فقد افتُتحا عام 2010. وتستخدم كلتاهما محركات الحث الخطي للتسريع من نقطة معينة في مسار الرحلة.

تستخدم ألعاب "انتقام المومياء" (الموجودة في كل من يونيفرسال ستوديوز هوليوود ويونيفرسال ستوديوز فلوريدا )، و "مغامرة هاجريد للدراجات النارية مع المخلوقات السحرية" ، و "فيلوسيكوستر" في يونيفرسال آيلاندز أوف أدفنتشر، محركات خطية. أما في عالم والت ديزني ، فتستخدم كل من "روك أند رولر كوستر من بطولة إيروسميث" في ديزني هوليوود ستوديوز، و "حراس المجرة : كوزميك ريوايند" في إيبكوت ، محركات خطية لإطلاق عربات الألعاب داخل صالاتها المغلقة.

في عام 2023، تم تجديد لعبة الأفعوانية ذات الإطلاق الهيدروليكي ، توب ثريل دراغستر في سيدار بوينت في أوهايو بالولايات المتحدة الأمريكية، وتم استبدال الإطلاق الهيدروليكي بنظام إطلاق متعدد أضعف باستخدام LSM، مما يخلق قوة جاذبية أقل .

• نظام إطلاق الطائرات الكهرومغناطيسي

• حلقة الإطلاق – نظام مقترح لإطلاق المركبات إلى الفضاء باستخدام حلقة تعمل بمحرك خطي
• ستارترام - مفهوم لمحرك خطي على نطاق واسع للغاية
• نظام إطلاق الكابل المربوط
• قطار أيروترين إس 44 – نموذج أولي لقطار هوائي لنقل الركاب في الضواحي
• مركبة الاختبار البحثية رقم 31 - مركبة من نوع الحوامة موجهة بواسطة مسار
• هايبرلوب – نظام نقل فائق السرعة مقترح من قبل رجل الأعمال إيلون ماسك
• مصعد "مصعد تيسن كروب: طورت شركة تيسن كروب أول نظام مصاعد في العالم بدون حبال لتمكين قطاع البناء من مواجهة تحديات التوسع الحضري العالمي" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 3 مارس 2016. تم الاطلاع عليه بتاريخ 2 يونيو 2015 .
• المصاعد "التكنولوجيا: المصاعد ذات المحركات الخطية المتزامنة تصبح حقيقة واقعة" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 30 مارس 2015. تم الاطلاع عليه بتاريخ 2 يونيو 2015 .
• ماغواي - نظام توصيل شحنات بريطاني قيد البحث والتطوير يهدف إلى توصيل البضائع في كبسولات عبر  أنابيب قطرها 90 سم تحت الأرض وفوقها.