Кіріспе

Сызықтық күш жасайтын электр қозғалтқышы. Сызықтық қозғалтқыш – статоры мен роторы “жазылған” электр қозғалтқышы, сондықтан айналу моментін (бұрылу) жасаудың орнына, оның бойымен сызықтық күш жасайды. Дегенмен, сызықтық қозғалтқыштар міндетті түрде түзу болмайды. Сызықтық қозғалтқыштың белсенді бөлігінің екі шеті болады, ал дәстүрлі қозғалтқыштар тұйық цикл түрінде орналасады. Жұмыс істеудің әдеттегі режимі – Лоренц типіндегі итергіш, онда қолданылатын күш ток пен магнит өрісіне тура пропорционал болады. Сызықтық қозғалтқыштар жоғары дәлдікті қажет ететін инженерлік салаларда кеңінен қолданылады. Сызықтық қозғалтқыштардың көптеген конструкциялары ұсынылды, олардың басты екі категориясы – төмен үдемелі және жоғары үдемелі сызықтық қозғалтқыштар. Төмен үдемелі сызықтық қозғалтқыштар магниттік пойызға және басқа да жердегі көлік құралдарына қолайлы. Жоғары үдемелі сызықтық қозғалтқыштар көбінесе қысқа болады және денені өте жоғары жылдамдыққа дейін үдету үшін жасалған; мысалы, катушкалы қаруды қараңыз. Жоғары үдемелі сызықтық қозғалтқыштар гипержылдамдық соқтығыстарды зерттеуде, қару ретінде немесе ғарыш аппараттарын итергіш ретінде қолданылады. Олар көбінесе ауа саңылауының бір жағында белсенді үш фазалық ораммен және екінші жағында пассивті өткізгіш пластинасы бар AC сызықтық индукциялық қозғалтқыш (LIM) конструкциясында болады. Алайда, тұрақты токпен жұмыс істейтін гомополярлы сызықтық қозғалтқыш – тағы бір жоғары үдемелі сызықтық қозғалтқыш дизайны. Төмен үдемелі, жоғары жылдамдықты және жоғары қуатты қозғалтқыштар әдетте сызықтық синхронды қозғалтқыш (LSM) конструкциясына жатады, ауа саңылауының бір жағында белсенді орам және екінші жағында кезектесетін полюсті магниттер тізімі болады. Бұл магниттер тұрақты магниттер немесе электромагниттер болуы мүмкін. Мысалы, Шанхай магниттік пойзының қозғалтқышы – LSM.

Қалқасыз

Қалқансыз сызықтық қозғалтқыштар синхронды қозғалтқыштар отбасының мүшелері болып табылады. Олар көбінесе стандартты сызықтық платформаларда қолданылады немесе арнайы, жоғары өнімділікке ие орналасу жүйелеріне енгізіледі. Бұл қозғалтқыштар 1980-жылдардың соңында Анвар Читаят Anorad Corporation компаниясында (қазір Rockwell Automation) ойлап тапқан, және өнеркәсіптік өндіріс процестерінің өнімділігі мен сапасын арттыруға септігін тигізді.

Қалқа

Қалқансыз сызықтық қозғалтқыштар ойлап табылғанға дейін өнеркәсіптік автоматтандыруда қылқаламды (электрлік) сызықтық қозғалтқыштар қолданылған. Бүгінде кеңінен қолданылатын үш фазалы қалқансыз қозғалтқыштармен салыстырғанда, қылқаламды қозғалтқыштар бір фазада жұмыс істейді. Қылқаламды сызықтық қозғалтқыштардың бағасы арзан, себебі оларға жылдам қозғалатын кабельдер немесе үш фазалы сервожетектер қажет емес. Дегенмен, олардың қылқаламдары тозып, жиі күтімді қажет етеді.

Синхронды

Бұл конструкцияда магнит өрісінің қозғалыс жылдамдығы ротордың қозғалысын қадағалау үшін, әдетте электрондық түрде басқарылады. Құнының жоғары болуына байланысты синхронды сызықтық моторларда коммутаторлар көбінесе қолданылмайды, сондықтан роторда тұрақты магниттер немесе жұмсақ темір кездеседі. Мысалдарға катушкалы қарулар (coilguns), кейбір магниттік көліктік жүйелерде қолданылатын моторлар, сондай-ақ көптеген басқа сызықтық моторлар жатады. Жоғары дәлдікті өндірістік автоматтандыруда сызықтық моторлар әдетте магниттік статормен және жылжымалы катушкамен жиынтықталады. Статордың магниттік ағынын қадағалау үшін роторға Холл эффекті сенсоры орнатылады. Электр тогы көбінесе стационарлық сервоприводтан жылжымалы катушкаға кабель тасымалдауышы ішіндегі жылжымалы кабель арқылы жеткізіледі.

Индукция

Бұл конструкцияда күш, өрістегі өткізгіштерге әсер ететін қозғалмалы сызықтық магнит өрісі арқылы туындайды. Кез келген өткізгіш – ол тізбек, орам немесе қарапайым металл пластина болсын – осы өріс ішінде болса, онда Ленц заңына сәйкес, оған едіс тоқтары шақырылады, осы арқылы қарсы магнит өрісі пайда болады. Екі қарсы өріс бір-бірін итеріп, магнит өрісі металл арқылы жылжығанда қозғалыс тудырады.

Гомополярлық

Бұл конструкцияда үлкен ток екі рельстен қуат алатын жылжымалы контактілер арқылы металл саботтан өтеді. Осы ток тудыратын магнит өрісі металл саботтың рельстер бойымен қозғалуына себеп болады.

Құбыршалық

Тиімді және ықшам конструкция, пневматикалық цилиндрлерді алмастыруға қолданылады.

Пьезоэлектрлік

Пьезоэлектрлік жетек кішкентай сызықтық моторларды қозғау үшін жиі қолданылады.

Төмен жылдамдық

Сызықтық электр қозғалтқыштардың тарихы кем дегенде 1840 жылдарға дейін, Лондон Корольдік колледжінде Чарльз Уитстоунның жұмысына дейін жетеді, бірақ Уитстоунның моделі практикалық болу үшін тым тиімсіз болды. Желілерді немесе лифттерді қозғауға арналған (1905 жылы Франкфурт-на-Майндағы Альфред Зехденнің өнертабысы) қолданылатын сызықтық индукциялық қозғалтқыш сипатталған. Неміс инженері Герман Кемпер 1935 жылы жұмыс істейтін модельді жасады. 1940 жылдардың соңында Манчестер университетінің докторы, кейіннен Лондондағы Императорлық колледждің ауыр электр техникасының профессоры Эрик Лейтвейт алғашқы толық көлемді жұмыс істейтін модельді жасады. Бір жақты нұсқасында магниттік күш өткізгішті статордан итеріп, оны levitation жағдайына келтіріп, жылжымалы магнит өрісінің бағытында алып жүреді. Ол оның кейінгі нұсқаларын «магниттік өзен» деп атады. Бұл технологиялар кейінірек 1984 жылы Air Rail Link шаттлында, Бирмингем әуежайы мен жақын жердегі теміржол станциясы арасында қолданылды. Осы қасиеттеріне байланысты сызықтық қозғалтқыштар көбінесе магниттік левитацияда қолданылады, мысалы, Нагоя маңындағы жапондық Linimo магниттік левитациялық пойыз желісінде. Дегенмен, сызықтық қозғалтқыштар магниттік левитациядан тәуелсіз де қолданылған, мысалы, бүкіл әлемдегі Bombardier Innovia Metro жүйелерінде және Токиодағы Toei Ōedo желісі сияқты бірқатар заманауи жапондық метроларында. Ұқсас технология кейбір өзгертілген американдық тау-кен жолдарында да қолданылады, бірақ қазіргі уақытта көшеде жүретін трамвайларда қолдану практикалық емес, бірақ теориялық тұрғыдан алғанда, оны ойыққа орнатылған құбырға орнату арқылы жүзеге асыруға болады. Қоғамдық көліктен басқа, тік сызықтық қозғалтқыштар терең шахталарда көтеру механизмдері ретінде ұсынылған, ал сызықтық қозғалтқыштардың қолданылуы қозғалысты басқару саласындағы қолданыстарда артып келеді. Олар сондай-ақ Alstom Citadis және Socimi Eurotram сияқты төмен еденді трамвайлардың жылжымалы есіктерінде жиі қолданылады. Екі осьті сызықтық қозғалтқыштар да бар. Бұл арнайы құрылғылар мата мен металл парақтарын лазерлік кесу, автоматтандырылған жобалау және кабельдерді жасау үшін тікелей X және Y қозғалысын қамтамасыз ету үшін пайдаланылды. Қазіргі уақытта қолданыстағы сызықтық қозғалтқыштардың көпшілігі LIM (сызықтық индукциялық қозғалтқыш) немесе LSM (сызықтық синхронды қозғалтқыш) болып табылады. Сызықтық тұрақты ток қозғалтқыштары жоғары құнына және сызықтық SRM нашар итеру күшіне байланысты қолданылмайды. Сондықтан, ұзақ қашықтықта жүру үшін LIM көбінесе артықшылыққа ие, ал қысқа қашықтықта жүру үшін LSM көбінесе артықшылыққа ие.

Жоғары жылдамдық

Жоғары үдеулі сызықтық қозғалтқыштар көптеген қолданыстар үшін ұсынылған. Олар қару ретінде пайдалануға болады, себебі қазіргі броняны тесуші оқ-дәрілердің көпшілігі өте жоғары кинетикалық энергиясы бар шағын оқтардан тұрады, ал мұндай қозғалтқыштар оларға өте қолайлы. Көптеген ойын-сауық парктеріндегі тау-кендер енді пойызды жоғары жылдамдықпен қозғау үшін сызықтық индукциялық қозғалтқыштарды пайдаланады, бұл көтерілуге арналған бөлімді пайдаланудың орнына қолданылады. АҚШ Әскери-теңіз күштері де болашақ әуе кемелеріндегі дәстүрлі бу катапульттарын алмастыратын Электромагниттік ұшақтарды ұшыру жүйесінде сызықтық индукциялық қозғалтқыштарды қолданып жатыр. Оларды ғарыш кемесін қозғалту үшін де пайдалануға ұсыныс жасалған. Осы контексте олар көбінесе масса жетегі деп аталады. Ғарыш кемесін қозғалту үшін масса жетегін пайдаланудың ең оңай жолы – жүкті қашқыш жылдамдыққа дейін үдетуге қабілетті үлкен масса жетегін құру болар еді, алайда RLV-нің StarTram сияқты төменгі Жер орбитасына көмектесу мүмкіндігі де зерттелді. Жоғары үдеулі сызықтық қозғалтқыштарды жобалау бірнеше себептерге байланысты қиын. Олар өте қысқа мерзім ішінде үлкен мөлшерде энергияны қажет етеді. Бір зымыран ұшырғыш құрылысының жобасы бір секундтан кем уақыт ішінде әрбір ұшыру үшін 300 ГДж энергияны талап етеді. Кәдімгі электр генераторлары мұндай жүктемелерге арналмаған, бірақ қысқа мерзімді электр энергиясын сақтау әдістерін қолдануға болады. Конденсаторлар көлемді және қымбат, бірақ олар энергияның үлкен мөлшерін жылдам жеткізе алады. Гомополярлық генераторларды дөңгелектің кинетикалық энергиясын электр энергиясына өте жылдам түрлендіру үшін пайдалануға болады. Жоғары үдеулі сызықтық қозғалтқыштарға сондай-ақ өте күшті магниттік өрістер қажет; шындығында, магниттік өрістер көбінесе суперөткізгіштерді пайдалануға мүмкіндік бермейтіндей күшті болады. Дегенмен, мұқият жобалау арқылы бұл үлкен мәселе болмауы мүмкін. Жоғары үдеулі сызықтық қозғалтқыштар үшін екі түрлі негізгі конструкция ойлап табылды: рельсті және катушкалы.

Қолданылуы

Сызықтық қозғалтқыштар жоғары өнімді өнеркәсіптік автоматтандыру жабдықтарын іске қосу үшін кеңінен қолданылады. Олардың ерекшелігі, шарлы бұранда, уақыт белбеуі немесе тісті рельс сияқты басқа қолданылатын механизмдерден өзгеше, жоғары дәлдік, жоғары жылдамдық, жоғары күш және ұзақ қашықтыққа қозғалу мүмкіндігін бірдей қамтамасыз етеді. Сызықтық қозғалтқыштардың қолданылу аясы кең. Сызықтық қозғалтқыштардың маңызды қолданылуларының бірі – тоқыма станоктарындағы тасымалдағышты (шатл) қозғату. Сызықтық қозғалтқыштар сырғымалы есіктер және осыған ұқсас басқа да механизмдерде қолданылады. Олар жүк тасымалында және тіпті ірі көлемді материалдарды тасымалдауда да пайдаланылады. Сызықтық қозғалтқыштар кейде айналмалы қозғалыс жасау үшін де қолданылады. Мысалы, олар үлкен қисықтық радиусын басқару үшін астрономиялық обсерваторияларда қолданылған. Сызықтық қозғалтқыштар, сондай-ақ, әдеттегі тізбекті көтергіштердің орнына, тау-кен жолдарындағы көтеріліс бөліктеріне балама ретінде де қолданылуы мүмкін. Сидар-Пойнттағы Maverick тау-кен жолы тізбекті көтергіш орнына осындай сызықтық қозғалтқышты пайдаланады. Сонымен қатар, сызықтық қозғалтқыш көліктерді қақтығысқа ұшырату сынақтары үшін жылдамдатуға қолданылған.

Өнеркәсіптік автоматтандыру

Жоғары дәлдік, жоғары жылдамдық, жоғары күш және ұзақ қозғалыс арақатынасы щеткасыз сызықтық қозғалтқыштарды өнеркәсіптік автоматтандыру жабдықтарын басқару үшін өте тартымды етеді. Олар жартылай өткізгіш қадамдық механизмдер, электрониканың беттік монтаждау технологиясы, автомобильдегі декартикалық координатты роботтар, аэроғарыштық химиялық тегістеу, оптикалық электрондық микроскоптар, денсаулық сақтау зертханасының автоматтандырылуы, тамақ және сусын өнімдерін таңдап алу және орналастыру сияқты салалар мен қолданыстарда қолданылады.

Құрал машиналары

Аспап машиналарында қолданылатын синхронды сызықтық моторлық иеленгіштер жоғары күш, жоғары жылдамдық, жоғары дәлдік және жоғары динамикалық беріктік қамтамасыз етеді, нәтижесінде қозғалыс өте тегіс және орналасу уақыты қысқа болады. Олар 2 м/с жылдамдыққа және микрондық дәлдікке жете алады, сондай-ақ қысқа цикл уақытымен және тегіс беттік өңдеумен сипатталады.

Кәдімгі рельстер

Келесі қолданбалардың бәрі жоғары жылдамдысты жолмен жүреді және электр қозғалтқышының жұмыс істейтін бөлігі вагондарда орналасқан.

Монорельс

Кем дегенде бір белгілі монорельстік жүйе бар, ол магниттік левитацияланбайды, бірақ сызықтық қозғалтқыштарды қолданады. Бұл Мәскеу монорелісі. Алғашқы жоспарда, дәстүрлі қозғалтқыштар мен дөңгелектер қолданылатын болған. Алайда, сынақ жүргізу кезінде ұсынылған қозғалтқыштар мен дөңгелектер кейбір жағдайларда, мысалы, рельсте мұз пайда болғанда, жеткілікті ұстау күшін қамтамасыз ете алмайтыны анықталды. Сондықтан дөңгелектер әлі де қолданылады, бірақ пойыздар жылдамдану және тежелу үшін сызықтық қозғалтқыштарды пайдаланады. Басқа пойыз жүйелерінде мұндай қажеттілік болмағандықтан, мұндай комбинацияның жалғыз қолданылуы осы болуы мүмкін. TELMAGV – бұл магниттік левитацияланбайтын, бірақ сызықтық қозғалтқыштарды қолданатын монорельстік жүйенің прототипі.

Көңіл көтеру

Әлемде көліктерді жылдамдату үшін LIM-дерді қолданатын көптеген дөңгелекті тау-кендер бар. Біріншісі – 1996 жылы ашылған Kings Island және Kings Dominion парктеріндегі "Flight of Fear". Battlestar Galactica: Human VS Cylon және Revenge of the Mummy 2010 жылы Сингапурдағы Universal Studios-та ашылды. Екеуі де саяхаттың белгілі бір бөлігінде жылдамдық алу үшін LIM-дерді пайдаланады. Revenge of the Mummy Universal Studios Hollywood және Universal Studios Florida-да да орналасқан. Universal Islands of Adventure-дегі Incredible Hulk Coaster және VelociCoaster да сызықтық моторларды қолданады. Walt Disney World-те, Disney's Hollywood Studios-тағы Aerosmith қатысқан Rock 'n' Roller Coaster және Epcot-тағы Guardians of the Galaxy: Cosmic Rewind екеуі де LSM-ді көліктерін жабық трассаға шығару үшін пайдаланады. 2023 жылы АҚШ-тың Огайо штатындағы Cedar Point-тегі Top Thrill Dragster гидравликалық іске қосылымы бар дөңгелекті тау-кені жаңартылды, гидравликалық іске қосылымы LSM-ді пайдаланатын, нашаррақ көп іске қосылатын жүйемен ауыстырылды, бұл аз g күшін тудырады.