موتورهای خطی

موتور خطی یا Linear motor یک موتور الکتریکی است که استاتور و روتور آن از حالت مدور خارج شده‌است به طوری که به جای تولید گشتاور چرخشی، تولید نیروی خطی به صورت طولی می‌کند. با توجه به نیاز امروز به حمل و نقل سریع و ایمن، کمبود اینگونه موتورها در بخش حمل و نقل و همچنین سایر بخش ها به شدت احساس می شود. در این مقاله در مورد تاریخچه، نحوه کارکرد اینگونه موتورها، قطارهای مگلو maglev و transrapid و آینده اینگونه موتورها صحبت می کنیم.

موتورهای خطی

موتورهای خطی

آیا شما "قطارهای مگلو" (مغناطیسی شناور) را که به جای چرخیدن بر روی چرخ ها، در هوا شناور است دیده اید؟ آنها کاملا الکتریکی هستند، اما به جای استفاده از موتورهای الکتریکی معمولی که بصورت دورانی می چرخند، آنها از یک موتور غیر دوار به نام "موتور خطی" استفاده می کنند که باعث می شود آنها با سرعت بالا در یک خط مستقیم حرکت کنند. موتورهای خطی چیست و چگونه کار می کنند؟ بیایید نگاهی دقیق تر بیاندازیم!

عکس: موتورهای خطی دارای کاربردهای مسالمت آمیز فراوانی هستند، اما آنها همچنین می توانند برای شتاب دادن در تسلیحاتی که بر روی ریل حرکت می کنند مانند شکل فوق استفاده شوند. سرعت ابتدایی در اینجا 2520 متر در ثانیه (~ 9100 کیلومتر در ساعت یا 5640 مایل در ساعت) است!

عکس از نیروی دریایی ایالات متحده

موتورهای خطی چیست؟

تصویر:

بالا: موتور عادی: روتور درون استاتور می چرخد و کل موتور در جای خود ثابت می باشد.

پایین: یک موتور خطی مانند یک موتور الکتریکی معمولی است که در یک خط مستقیم آزاد گذاشته شده است. در این حالت روتور با حرکت کردن استاتور می چرخد.

شماتیک موتور خطی

موتورهای خطی موتورهای الکتریکی از نوع القایی هستند که به جای حرکت چرخشی، بصورت مستقیم حرکت می کنند. در یک موتور الکتریکی سنتی، روتور (بخش دوار) در داخل استاتور (بخش ساکن) می چرخد; در یک موتور خطی، استاتور در بیرون وبصورت تخت کار گذاشته شده و روتور در امتداد آن (استاتور) در یک خط مستقیم حرکت می کند. موتورهای خطی اغلب از آهن رباهای ابررسانایی استفاده می کنند که برای کاهش مصرف انرژی تا درجه حرارت پایین سرد نگه داشته می شوند.

اصل مقدماتی موتور خطی در سال 1895 کشف شد، اما تجهیزات کاربردی و عملی تا سال 1947 توسعه نیافت. در طول دهه 1950، اریک لایتوایت مهندس برق بریتانیایی (1997-1921) شروع به بررسی این مساله کرد که آیا موتورهای خطی می توانند در دستگاه های الکتریکی بافندگی استفاده شوند. تحقیقات لایتوایت در کالج امپریال لندن، در دهه 1960پس از یک سخنرانی در موسسه سلطنتی تحت عنوان "ماشین های الکتریکی آینده" در جامعه بین الملل به رسمیت شناخته شد.

عکس: ناسا یک موتور خطی را بر روی یک نمونه اولیه راه آهن مگلو Maglev در سال 1999 تست کرد. این نوع حرکت می تواند در آینده برای پرتاب وسایل نقلیه به فضا استفاده شود. طبق گفته های ناسا: "مسیری عملیاتی در اندازه واقعی در حدود 1.5 مایل طول خواهد داشت و قادر به سرعت دادن به یک وسیله نقلیه به 965 کیلومتر در ساعت در 9.5 ثانیه خواهد بود."

عکس از مرکز پرواز فضایی ناسا مارشال (NASA-MSFC)

نمونه اولیه موتور خطی

موتورهای خطی در حال حاضر در همه نوع ماشین آلاتی که نیاز به حرکت خطی (به جای حرکت دورانی) دارند، مورد استفاده قرار می گیرند، از جمله جرثقیل های سقفی و نوار نقاله های بدون ریل برای انتقال ورق فلزات. آنها احتمالا به عنوان منبع قدرت حرکت در نسل جدیدی از قطارهای مگلو "maglev" (قطار مغناطیسی) با سرعت بالا شناخته می شوند که وظیفه سفر ایمن با سرعت بسیار بالایی را دارند اما گران هستند و با خطوط راه آهن موجود ناسازگار هستند. بیشتر تحقیقات در مورد قطارهای مغناطیسی در ژاپن و آلمان انجام شده است.

موتورهای خطی چگونه کار می کنند

عکس: یک موتور الکتریکی معمولی در حال چرخش است: روتور (سیم پیچی در مرکز) درون استاتور می چرخد (آهنربای دائمی بیرونی)

موتور الکتریکی معمولی

در یک موتور الکتریکی DC متعارف، یک هسته که از آهن مغناطیسی تشکیل شده و به گونه ای مستحکم سیم پیچی شده است (به عنوان روتور شناخته می شود) با اعمال جریان به روتور، با سرعت زیاد در داخل قطبهای مغناطیسی ثابت (به عنوان استاتور شناخته می شود) می چرخد. در موتور القایی AC، میدان الکترومغناطیسی  در محیط استاتور می چرخد. این میدان دوار باعث القای میدان در روتور الکتروموتور می شود. میدان القا شده در روتور باعث عبور جریان الکتریکی در آن می شود، و در نتیجه می چرخد. در یک اتوموبیل برقی موتورهای الکتریکی DC یا AC مثل مورد تشریح شده، برای حرکت چرخ دنده ها و چرخ ها و تبدیل حرکت چرخشی به حرکت خطی استفاده می شوند.

یک موتور خطی در حقیقت یک موتور القایی AC است که برش داده شده و بازو صاف شده است. "استاتور" به صورت مسیری مسطح از کلافهای سیم پیچ ازجنس آلومینیوم یا مس ساخته شده است و در یک موتور خطی به عنوان "اولیه"  شناخته شده است. "روتور" قسمت متحرک مجموعه است و بصورت خطی حرکت می کند که در اینجا "ثانویه" نامیده می شود . هنگامی که جريان وصل می شود، ثانویه به واسطه میدان مغناطیسی شروع به حرکت در مسیر اولیه می کند

موتورهای خطی دارای مزیتهایی نسبت به موتورهای معمولی هستند. بدیهی است که هیچ بخش متحرکی برای خراب شدن وجود ندارد. همانطور که پلت فرم (روتور) در یک کوسن ( بالشتک ) هوا سوار بر ریل می شود، هیچ تلفات انرژی در اصطکاک و ارتعاش وجود ندارد (اما چون فاصله هوا در یک موتور خطی بیشتر است، قدرت بیشتری لازم است و بازده آن کمتر است). فقدان یک گیربکس واسطه برای تبدیل حرکت چرخشی به حرکت خطی مستقیم موجب صرفه جویی در انرژی می شود. در نهایت، از آنجا که هر دو شتاب و ترمز از طریق الکترومغناطیس ایجاد می شوند، موتورهای خطی بسیار کم صداتر از موتورهای معمولی هستند.

آهنرباهای ابررسانا

مشکل اصلی در موتورهای خطی هزینه و مشکل ساخت آهنرباهی الکتریکی مناسب است. در این موتورها آهنرباهای الکتریکی بسیار قدرتمند برای شناور شدن (بلند کردن) و حرکت چیزی به اندازه یک قطار بزرگ ضروری است و این به طور معمول مقدار قابل توجهی از انرژی الکتریکی را مصرف می کند. در حال حاضر عمده موتورهای خطی از آهن رباهای ابررسانا برای حل این مشکل استفاده می کنند.

اگر آهنرباهای الکتریکی با استفاده از هلیوم یا نیتروژن مایع به دمای پایین خنک شوند، مقاومت الکتریکی آنها تقریبا به طور کامل از بین می رود، که به طور قابل توجهی باعث کاهش مصرف انرژی می شود. این اثر مفید، که به عنوان ابررسانایی نامیده می شود، از اواسط دهه 1980 موضوع تحقیقات متمرکزی بوده و در پی آن موتورهای خطی در مقیاس بزرگ که بسیار حیاتی هستند، ساخته شده است.

Maglev- مگلو "یک نگاه نزدیک"

همه می دانند که قطب های "هم نام" دو آهنربا یکدیگر را دفع می کنند. با اندکی ابتکار،ممکن است بتوان یک آهنربا را با استفاده از این نیروی دفعی و (به طور کلی) کمی پشتیبانی خارجی اضافی در یک سطح بالاتر از آهنربای دیگر نگه داشت. ایده استفاده از شناوری الکترومغناطیسی برای استفاده در یک وسیله نقلیه در حال حرکت، ابتدا در سال 1912 توسط مهندس فرانسوی امیل باچلت (Emile Bachelet) پیشنهاد شد، اما پس از مدتی به علت نیاز به مقدار زیاد نیروی برق ، رها شد.

عکس: NASA نمونه اولیه راه آهن مگلو Maglev railroad، را  درسال 2001 آزمایش کرد. عکس از مرکز پرواز فضایی ناسا مارشال (NASA-MSFC).

نمونه اولیه راه آهن مگلو

در دهه 1960 تحقیقات اریک لایتوایت در مورد موتورهای خطی منجر به افزایش علاقه به ایده قطار شناور با استفاده از مغناطیس یا مگلو "maglev" شد. در همان زمان، هنری کلم، دانشمند MIT، ایده یک  "magnoplane" (هواپیمای مغناطیسی) را روی ریل ها مطرح کرد که می توانست 20،000 نفر را با سرعت 320 کیلومتر در ساعت جابجا کند. این یک برنامه تحقیقاتی آمریکایی بود و منجر به یک نمونه اولیه آزمایشی شد که در سال 1967 در کلرادو مورد آزمایش قرار گرفت. با این حال، برنامه ایالات متحده در این مورد به مشکلات سیاسی برخورد کرد و در سال 1975 تعطیل و به بعد موکول شد. اوایل دهه 1990 طرح پیشنهادی بلند پروازانه ای برای اتصال لاس وگاس، لس آنجلس، سن دیگو و سن فرانسیسکو به یکدیگر با راه آهن مگلو مطرح شد، اما این پروژه از آن زمان تا به حال به مشکلات سیاسی بیشتری برخورده است. در مقابل، maglev مگلو با شور و شوق توسط آلمان (با استفاده از سیستمی به نام Transrapidفراتر از سرعت) و ژاپن (با فن آوری به عنوان  SCMaglev) توسعه یافته است.

فراتر از سرعت

مهندسان آلمانی برای اولین بار نمونه اولیه خود را در سال 1971 تولید کردند و یک سال بعد سیستم Transrapid را توسعه دادند. اگر بخواهیم دقیق شویم، Transrapid از جاذبه مغناطیسی به جای دافعه مغناطیسی که به طور معمول در maglev استفاده می شود، بهره می برد: آهنرباهای مس به یک صفحه که در لایه زیرین حرکت می کند، به صورت ثابت نصب می شوند و به سوی مسیر فولادی جذب می شوند. با پشتیبانی قابل توجه از سمت دولت آلمان، Transrapid به تدریج به یک قطار قابل استفاده تبدیل شده است که سرعت آن می تواند به 433 کیلومتر بر ساعت (271 مایل در ساعت) برسد. پس از دهه ها سرمایه گذاری و توسعه در نهایت در سال 2004، هنگامی که Transrapid اولین سیستم (و تا کنون تنها) سرعت بالا در جهان افتتاح شد، قطار مگلو شانگهای (SMT)، در چین نیز افتتاح شد. اگرچه در حال حاضر تنها بخش کوتاهی از مسیر (فقط 31 کیلومتر یا 19 مایل) فعالیت می کند، اما چندین برنامه برای گسترش آن وجود دارد، هرچند که بارها و بارها متوقف شده اند.

ژاپنی ها حتی جسورتر بوده اند و امیدوار هستند تا قطار maglev با سرعت بالا را که تنها در یک ساعت 320 مایل (515 کیلومتر) را از توکیو به اوزاکا طی می کند، توسعه دهند. بر خلاف Transrapid آلمان، سیستم ژاپنی maglev واقعی است: قطار بر اثر نیروی دافعه بین سیم پیچهای مس یا آلومینیوم در مسیر و یک سری از آهنرباهای ابررسانایی helium-cooled نایوبیم-تیتانیوم در خودرو شناور است(و از این رو نام SCMaglev، که در آن به دلیل ابررسانایی "superconducting " SC نامیده می شود). نمونه اولیه ژاپنی ML-500 نام داشت، قطاری که در سال 1979 با سرعت 513 کيلومتر در ساعت (321 مایل در ساعت) به آن دست یافتند. بعدا نمونه اولیه ای که MLU002 شناخته شده بود در سال 1991 در آتش نابود شد؛ ظاهرا تبر یک آتش نشان توسط یکی از آهنرباهای ابررسانا زمانی که او به قطار در حال سوختن نزدیک می شد، از دستش کشیده شد و باعث نابودی قطار شد! با وجود این ناکامی، توسعه ادامه یافت. در سال 2015، SCMaglev رکورد سرعت 603 کيلومتر در ساعت (375 مایل درساعت) را شکست، و به عنوان سریعترين وسیله حمل و نقل ريلی در جهان شناخته شد. با وجود این که دولت ژاپن اعلام کرده است که SCMaglev آماده عملیات تجاری است، اما آن هنوز باید در هر خط آهن که درهر جای جهان کار می کند، گسترش یابد (برخلاف Transrapid).

چشم انداز آینده

اگرچه تکنولوژی maglev همچنان به تولید منافع زیادی در سراسر جهان کمک می کند، اما هنوز هزینه ساخت هرمایل از این راه آهن از ساخت یک راه آهن سنتی با سرعت بالا بسیار بیشتر است. به همین دلیل (و همچنین به دلیل آن که به طور کامل با راه آهن موجود ناسازگار است)، بعید است به طور گسترده ای برای چندین سال استفاده شود. نویسندگان کتابهای فن آوری و کتاب های علمی کودکان از همان ابتدای دهه 1970 ازmaglevبه عنوان یک فن آوری امیدوار کننده نام برده و داستانها ساخته اند.

 قطار مگلو maglev train

تصویر: قطارهای طراحی شده توسط موتورهای خطی به عنوان یک تکنولوژی امیدوار کننده برای دهه ها مورد توجه قرار گرفته اند. در اینجا یک سیستم ثبت شده در دهه 1960 توسط میلارد اسمیت و ماریون رابرتز است که ادعا می کنند "قادر به حرکت در سرعت های بیش از 100 مایل در ساعت به طور بیصدا  و با ارتعاش کم به نحوی برتر از هر وسیله نقلیه ریلی تجاری که در حال حاضر عمل می کند، است."

 چپ: یک نسخه از طراحی آنها با استفاده از دو ریل نسبتا معمولی (قرمز) با یک ردیف سوم ریل قدرت مغناطیسی (سبز)  بین آنها اضافه شده است.

 راست: این چگونه کار می کند: قطار (آبی، 10) سوار بر کفش (نارنجی، 13) چند میلی متر (کمتر از یک اینچ) بالای ریل های بیرونی مسیر (قرمز، 12) با یک کوسن یا باشتک فشرده هوا (15). ریل سوم یک موتور خطی از یک سیم پیچ الکترومغناطیسی (21) استفاده می کند که روی سطح پایینی قطار نصب شده است تا آن را از روی ریل استاتیک (11) که از مس یا آلومینیوم ساخته شده است عبور دهد. اگرچه این سیستم از یک موتور خطی استفاده می کند، اما در واقع یک  مگلو maglev نیست، زیرا قطار توسط مغناطیس حرکت نمی کند ( بلند نمی شود ).

منبع : http://www.explainthatstuff.com

 

 

 

نظرات کاربران

نظر خود را ثبت نمایید

CAPTCHA code