موتورهای خطی از آهنرباها متفاوت استفاده می کنند - و اکثر مهندسان آن را در نظر نمی گیرند
موتورهای خطی مرحله تبدیل مکانیکی چرخشی به خطی را حذف می کنند - بدون پیچ توپ، بدون قفسه و پینیون، بدون تسمه. نیرو مستقیماً در محور خطی تولید می شود. این ساده تر از یک موتور دوار که یک پیچ را به حرکت در می آورد، به نظر می رسد و از برخی جهات همینطور است. اما الزامات آهنربایی برای یک موتور خطی به طور قابل توجهی با یک موتور چرخشی متفاوت است، و تفاوت ها همیشه از توضیحات کتاب درسی الکترومغناطیسی آشکار نیست.
متداول ترین پیکربندی موتور خطی عبارتند از نوع مسطح (U-channel یا Ironless Forcer)، نوع لوله ای و محرک سیم پیچ صوتی. هر کدام به هندسه، درجه و مشخصات آهنربایی متفاوتی نیاز دارند. این مقاله سمت آهنربای تصمیم طراحی را برای هر یک، با توجه خاص به کاربردهایی که اشتباهات مشخصات پرهزینه‌تر هستند، پوشش می‌دهد: جابجایی ویفر نیمه هادی، محورهای تغذیه ماشین ابزار، و مراحل دقیق درایو مستقیم.
1. موتورهای خطی U-Channel (Iron-Core و Ironless): The Magnet Track
پرکاربردترین پیکربندی موتور خطی در ماشین ابزار و سیستم های دروازه ای، قالب U-channel یا "موتور سنکرون خطی" است. استاتور یک مسیر آهنربایی است - مجموعه ای از بلوک های NdFeB که بر روی یک صفحه پشتی فولادی با جهت گیری متناوب قطب شمال-جنوب نصب شده اند. نیرو (قسمت متحرک) سیم پیچ های سیم پیچ را حمل می کند و در امتداد این مسیر حرکت می کند و نیروی رانش را از طریق تعامل الکترومغناطیسی با میدان متناوب ایجاد می کند.
بلوک های آهنربایی در یک مسیر کانال U معمولی 20 تا 50 میلی متر عرض، 10 تا 30 میلی متر طول (در جهت حرکت) و 5 تا 15 میلی متر ضخامت دارند، بسته به درجه نیروی موتور. گام قطب - فاصله مرکز به مرکز بین آهنرباهای مجاور با قطبیت یکسان - دوره الکتریکی موتور را تعیین می کند و مستقیماً بر موج رانش تأثیر می گذارد. گام قطب کوتاه تر، امواج نیرو را کاهش می دهد اما فرکانس سوئیچینگ مورد نیاز را برای یک سرعت معین افزایش می دهد. اکثر موتورهای خطی ماشین ابزار از گام های قطب 20 تا 40 میلی متر برای محورهای تغذیه با سرعت 1 تا 5 متر بر ثانیه استفاده می کنند.
انتخاب درجه برای مسیرهای موتور خطی ماشین ابزار ساده است: N45 یا N48 برای محورهای استاندارد کار مداوم، N45SH یا N48SH برای کاربردهای با سرعت بالا در مجاورت دوک، که در آن گرمای حاصل از سیم پیچ استاتور دمای مسیر را بالای 80 درجه هدایت می کند. اشتباه در تعیین N52 برای بدست آوردن حداکثر چگالی شار است - در دمای مسیر بالای 60 درجه، مزیت چگالی شار N52 نسبت به N48 به طور قابل توجهی کاهش می یابد (هم Br و هم Hcj با دما کاهش می یابند و N52 Hcj کمتری دارد)، و حق بیمه هزینه قابل توجیه نیست. N48H یا N48SH همان پاکت عملکرد را با هزینه کمتر و با حاشیه ایمنی حرارتی بهتر پوشش می دهد.
سازگاری آهنربا به آهنربا در مجموعه آهنگ مشخصه ای است که بیشتر بر کیفیت حرکت تأثیر می گذارد. آهنرباهای متوالی با تغییرات Br بالای 2٪، یک تغییر نیروی قابل تشخیص در فرکانس فضایی قطب-پیچ ایجاد می کنند - این به عنوان یک موج سرعت دوره ای در محورهای دقیق نشان داده می شود. برای محورهای تغذیه ماشین ابزار با نیازهای پایان سطح زیر 0.4μm Ra، تغییرات Br در یک دسته مسیر باید در ± 1٪ یا بهتر مشخص شود، که نیاز به انتخاب از یک دوره تولید مرتب شده به جای قرعه کشی تصادفی دارد.
2. تولید نیمه هادی و الکترونیک: جایی که آلودگی درجه را نادیده می گیرد
سیستم های جابجایی ویفر، مراحل فوتولیتوگرافی، و زیر بشکهای بازرسی PCB همگی از موتورهای خطی استفاده می کنند، اما محیط مشخصات کاملاً متفاوت از ماشین ابزار است. محدودیت‌های غالب چگالی نیرو یا عملکرد حرارتی نیستند - آنها خروج گاز و تولید ذرات هستند.
آهنرباهای متخلخل NdFeB در پوشش استاندارد نیکل در محیط های اتاق تمیز کلاس 10 یا 100 قابل قبول نیستند. پوشش استاندارد Ni-Cu-Ni دارای ریز تخلخل است که ترکیبات هیدروکربنی را در خلاء به دام می اندازد و به آرامی آزاد می کند، و لبه های پوشش می توانند ذرات زیر میکرونی را در صورت مواجهه آهنرباها با تماس مکانیکی تولید کنند. هر دو حالت شکست برای بازده ویفر فاجعه بار هستند.
رویکرد صحیح برای موتورهای خطی اتاق تمیز یکی از سه گزینه است. ابتدا، از NdFeB پخته شده در خلاء با نیکل الکترولس یا روکش طلا استفاده کنید - پخت خلاء، بسیاری از گونه‌های گاز خروجی محبوس شده را قبل از ورود آهنربا به اتاق تمیز بیرون می‌کشد، و پوشش متراکم‌تر نیکل الکترولس یا طلا، مانع یکنواخت‌تر از Ni-Cu-Ni آبکاری شده ایجاد می‌کند. دوم، از آهنرباهای ساماریوم کبالت (SmCo) استفاده کنید که BHmax کمتری نسبت به بهترین گریدهای NdFeB دارند، اما به دلیل شیمی سطح غالب کبالت و پایداری شیمیایی ذاتی بالاتر، نرخ گاز خروجی بسیار کمتری دارند. برای مراحل ویفر 200 میلی‌متری و 300 میلی‌متری که با نیاز نیروی متوسط اجرا می‌شوند، SmCo Gr28 یا Gr30 (280-300 kJ/m³ BHmax) استاندارد است. سوم، از مجموعه های آهنربایی کاملاً محصور شده استفاده کنید که در آن هر آهنربا در یک محفظه PEEK یا سرامیکی مهر و موم شده است - این امر نوردهی مستقیم سطح آهنربا را حذف می کند اما به مجموعه مسیر پیچیدگی می بخشد.
انتخاب بین NdFeB پخته شده در خلاء و SmCo در درجه اول یک انتخاب اقتصادی است. NdFeB در رتبه بندی عملکرد معادل 40 تا 60 درصد کمتر از SmCo هزینه دارد. برای مراحل تولید با توان بالا که هزینه مسیر آهنربایی قابل توجه است و نیاز به گاز خروجی با پخت خلاء به همراه پوشش نیکل الکترولس برآورده می شود، NdFeB انتخاب صحیحی است. برای مراحل در تماس مستقیم ویفر یا محفظه‌های خلاء که کمتر از 10-5 پاسکال کار می‌کنند، جایی که گاز خروجی غیرقابل قبول است، SmCo بدون در نظر گرفتن هزینه، انتخاب صحیحی است.
3. موتورهای خطی لوله ای: پشته های حلقه آهنربایی و قطبیت متناوب
موتورهای خطی لوله ای - که در برخی متون محصولات به آنها محرک های خطی نیز گفته می شود - از آرایش استوانه ای از آهنرباهای حلقه ای شکل در داخل مجموعه سیم پیچ استاتور توخالی استفاده می کنند. مجموعه آهنربا («محرک» یا «شفت» متحرک) متشکل از پشته‌ای از حلقه‌های NdFeB با جهت‌های مغناطیسی محوری متناوب است که توسط فاصله‌دهنده‌های آهنی نرم از هم جدا شده‌اند. حلقه ها معمولاً 20-60 میلی متر OD، 8-20 میلی متر ID، و 5-15 میلی متر ضخامت دارند، بسته به نیاز نیرو و ضربه.
پشته آهنربای حلقه بر اساس همان اصل یک موتور دوار چند قطبی کار می کند، اما در جهت محوری. حلقه رو به شمال، اسپیسر آهنی، حلقه رو به جنوب، اسپیسر آهنی - شار در اسپیسرهای آهنی متمرکز شده و با سیم پیچ استاتور برای تولید نیروی رانش خطی در تعامل است. متغیر کلیدی طراحی، نسبت ارتفاع حلقه به ارتفاع فاصله‌دهنده آهنی است که بر چگالی شار در شکاف هوا و فرکانس امواج رانش تأثیر می‌گذارد. ارتفاع حلقه و فاصله یکسان کمترین ریپل اساسی را ایجاد می کند. تغییر نسبت، شکل دادن هارمونیک موج دار را به قیمت کاهش نیروی متوسط امکان پذیر می کند.
موتورهای خطی لوله‌ای در کاربردهای درایو مستقیم که در آن نیاز به یک حرکت طولانی در یک پوشش شعاعی فشرده است، رایج هستند: سیستم‌های توزیع دقیق، درایوهای پمپ سرنگ، پایه‌های تست ارتعاش، و ماشین‌های انتخاب و جابجایی. برای این کاربردها، NdFeB N42 یا N45 با پوشش استاندارد Ni-Cu-Ni در اکثر موارد کافی است. محیط حرارتی ملایم است (کویل در استاتور است، نه روی محرک، بنابراین شفت آهنربا خنک کار می کند)، و الزامات آلودگی معمولاً در سطح اتاق تمیز نیست.
چالش مونتاژ با پشته های حلقه، نیروی مغناطیسی در طول انباشته است. حلقه های مغناطیسی محوری با همان قطبیت به شدت دفع می شوند. حلقه هایی با قطب مخالف به شدت جذب می شوند. پشته ای از 10 حلقه برای یک موتور لوله ای سکته مغزی 200 میلی متری شامل نیروهای 50 تا 200 نیوتن بین قطعات مجاور در طول مونتاژ می شود. وسایل مونتاژ هدفمند با لوله‌های راهنما برای این هندسه اختیاری نیستند - تلاش برای مونتاژ پشته‌های حلقه با دست باعث ایجاد گوشه‌های بریده‌شده و فاصله‌های ناسازگار در عمل می‌شود، حتی برای مونتاژکنندگان با تجربه.
4. محرک سیم پیچ صدا: وقتی خطی بودن نیرو بیشتر از نیروی اوج اهمیت دارد
محرک‌های سیم‌پیچ صوتی (VCAs) محرک‌های خطی تک محوری و با زمان محدود هستند که در آن نیرو متناسب با جریان در کل کورس عملیاتی است. نام "کویل صوتی" از بلندگوها می آید - اصل کار یکسان است. در کاربردهای صنعتی، VCAها برای موقعیت‌یابی سریع، دقیق و کوتاه استفاده می‌شوند: مراحل فوکوس خودکار، کنترل نیروی ابزار، جداسازی ارتعاش، و فرمان سریع پرتو.
آهنربا در یک VCA معمولاً یک مجموعه آهنربای گلدانی استوانه ای با یک قطب مرکزی و یک قطب بیرونی حلقوی است که یک شکاف شار شعاعی را در جایی که سیم پیچ حرکت می کند ایجاد می کند. آنچه مهم است، چگالی شار اوج نیست، بلکه یکنواختی شار شعاعی در سراسر محدوده ضربه کامل است. یک VCA مشخص شده برای سکته مغزی ± 10 میلی متر باید اساساً چگالی شار شعاعی مسطح در سراسر محدوده ± 10 میلی متر داشته باشد - تغییرات بالای 1 ± درصد باعث غیرخطی بودن نیرو می شود که باید در کنترل کننده سروو جبران شود.
درجه NdFeB برای VCA ها معمولاً N40-N48 است که برای دستیابی به چگالی شار شکاف هوای هدف با حجم آهنربای موجود انتخاب می شود. هندسه آهنربا (قطر بیرونی، قطر داخلی، ارتفاع محوری) متغیر طراحی اولیه است. درجه پارامتر تنظیم دقیق است. برای کاربردهای پزشکی و VCA نیمه هادی، همان محدودیت های خروج گاز و ذرات که در بخش 2 توضیح داده شده است اعمال می شود. برای VCA های اتوماسیون صنعتی بدون نیاز به اتاق تمیز، NdFeB متخلخل استاندارد با پوشش Ni-Cu-Ni مناسب و کافی است.
HIMAGNET مجموعه‌های آهنربایی را برای مسیرهای موتور خطی کانال U، پشته‌های حلقه موتور لوله‌ای، و محرک‌های سیم پیچ صوتی، از جمله گزینه‌های نیکل در خلاء پخته و الکترولس برای کاربردهای اتاق تمیز فراهم می‌کند. برای توصیه هندسه و تجزیه و تحلیل انتخاب درجه، با تیم مهندسی ما در مورد نیرو، ضربه و شرایط محیطی خود تماس بگیرید.
