มอเตอร์แนวราบ

มอเตอร์เชิงเส้น (อังกฤษ: Linear Motor) คือมอเตอร์ไฟฟ้าที่ถูกผ่ากลางแล้วแผ่ออกในแนวราบ ซึ่ง rotor แทนที่จะหมุน มันกลับเคลื่อนที่ไปในแนวราบ ตามสูตรของแรงที่ใส่เข้าไปมีสัดส่วนโดยตรงกับกระแสไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก นั่นคือ ${\displaystyle ({\vec {F}}=I{\vec {L}}\times {\vec {B}})}$.

ภาพแสดง SLM ที่มองจากด้านบน ตรงกลางมีขดลวด 2 ชุดพันอยู่รอบแกนรูปตัว U กระแสไฟฟ้าที่จ่ายให้แต่ละขดลวดจะมี phase ต่างกัน 90° ถ้ากระแสที่ให้กับขดลวดตัวล่างนำกระแสที่ให้กับขดลงดต้วบน มอเตอร์ก็เคลื่อนที่ลงข้างล่าง หรือกลับกัน

มอเตอร์เชิงเส้นแบ่งออกเป็นสองชนิดคือ แบบความเร่งต่ำ กับแบบความเร่งสูง มอเตอร์เชิงเส้นแบบความเร่งต่ำเหมาะกับรถไฟพลังแม่เหล็ก (maglev train) หรือการขนส่งบนพื้นดิน แต่มอเตอร์เชิงเส้นความเร่งสูงถูกนำไปใช้ในการเคลื่อนวัตถุความเร็วสูงมากๆ เช่นปืนแม่เหล็กไฟฟ้า หรือในการศึกษาเกี่ยวกับการชนที่รุนแรง เช่นอาวุธ หรือการทดสอบผู้ขับเคลื่อนยานอวกาศ โดยทั่วไปมอเตอร์เชิงเส้นความเร่งสูงจะใช้ AC มอเตอร์เหนี่ยวนำเชิงเส้น (Linear Induction Motor, LIM) ที่มีขดลวด 3 เฟสที่แอคทีพที่ด้านหนึ่งของช่องว่างอากาศ (air-gap) อีกด้านเป็นแผ่นตัวนำแบบพาสซีพ แต่สำหรับปืนแม่เหล็กไฟฟ้า จะใช้ DC มอเตอร์เชิงเส้นแบบขั้วเหมือน (Homopolar)

มอเตอร์เชิงเส้นความเร่งต่ำปรกติจะออกแบบให้เป็นซิงโครนัสมอเตอร์ (Linear Synchronous Motor, LSM) ที่มีขดลวดแอ๊คทีพด้านหนึ่ง อักด้านหนึ่งเป็นแถวแม่เหล็กขั้วสลับ แถวแม่เหล็กนี้ อาจเป็นแม่เหล็กชั่วคราวหรือแม่เหล็กถาวร มอเตอร์ของรถไฟความเร็วสูงเมืองเซี่ยงไฮ้ใช้มอเตอร์แบบ LSM

ชนิด

มอเตอร์เหนี่ยวนำ

แรงถูกสร้างขึ้นเนื่องจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่กำลังเคลื่อนที่ไปกระทำกับสารตัวนำที่วางอยู่ในสนามแม่เหล็กนั้น ตัวนำไม่ว่าจะอยู่ในรูปวงแหวนหรือเป็นม้วนหรือเป็นแค่แผ่นราบ เมื่อถูกวางอยู่ในสนามแม่เหล็ก จะมีกระแสเอ็ดดี้ (eddy current) เกิดขึ้น กระแสเอ็ดดี้นี้ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่มีลักษณะต้านกับสนามแม่เหล็กเดิมตามกฎของเลนซ์ (Lenz's law) สนามแม่เหล็กทั้งสองนี้จะผลักกัน ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ไปตลอดตวามยาวของสารตัวนำนั้น เช่น ลวดทองแดง ดังนั้นการสร้างให้เกิดการเคลื่อนที่ของวัตถุจึงเป็นการที่ทำให้สนามแม่เหล็กมีการกวาดตัวเองผ่านโลหะตัวนำไฟฟ้าไป

ซิงโครนัสมอเตอร์

 

มอเตอร์เชิงเส้นแบบซิงโครนัส (Synchronous linear motor) เป็นเวอร์ชันที่ถูกทำให้ยืดออกให้เป็นแนวตรงของโรเตอร์ของมอเตอร์แบบแม่เหล็กถาวร

อัตราการเคลื่อนที่ของสนามแม่เหล็กจะถูกควบคุม(ปกติด้วยวงจรอิเล็คโทรนิคส์)ให้ติดตามการเคลื่อนที่ของ rotor ด้วยเหตุผลด้านค่าใช้จ่าย SLM จึงไม่ค่อยมี commutator ดังนั้น rotor จึงประกอบด้วยแม่เหล็กถาวรหรือเหล็กอ่อน ตัวอย่าง ได้แก่ ปืนแม่เหล็กไฟฟ้าแบบขดลวดเหนี่ยวนำ (coilgun) และมอเตอร์ที่ใช้ในบางส่วนของระบบรถไฟพลังแม่เหล็ก (maglev) เช่นเดียวกับมอเตอร์เชิงเส้นอื่น ๆ อีกจำนวนมาก

 

รูปแสดง ต้นแบบของ Electromagnetic linear motor จะเห็นขดลวดที่สามารถสลับกระแสได้กับตัวเคลื่อนที่ทำด้วยแม่เหล็กถาวร

ขั้วเหมือน (Homopolar)

 

แผนผังของปืนแม่เหล็กไฟฟ้าแบบรางคู่ขนาน

ดูบทความหลักที่: ปืนแม่เหล็กไฟฟ้าแบบรางคู่ขนาน

ในการออกแบบในปัจจุบันนี้ส่วนใหญ่จะถูกออกแบบให้อยู่ในรูปแบบของกระสุนโลหะที่มีการสัมผัสกันโดยการเลื่อนไถลไปบนรางโลหะในแนวขวางที่ถูกป้อนกระแสไฟฟ้าผ่านมาจากรางคู่ขนานทั้งสองข้างนั้น

 

รูปแสดงขดลวดของ Linear motor ของรถไฟสายโตอิ-โอเอโด

การประยุกต์ใช้งาน

• ปืนแม่เหล็กไฟฟ้า
• รถไฟพลังแม่เหล็ก
• รถไฟชิงกันเซ็ง
• เครื่องเล่น Roller Coaster
• เครื่องยิงจรวด
• เครื่องทดสอบการชน

 

วิศวกรที่ Marshall Space Flight Center (MSFC) กำลังทดสอบระบบการยิงจรวดด้วยอำนาจแม่เหล็กโดยใช้เทคโนโลยีของ Magnetic Levitation (MagLev) รางส่งจรวดจะมีความยาวถึง 2.4 กม ให้ความเร็วถึง 960 กม ภายใน 9.5 วินาที ข้อดีของระบบนี้ก้คือการลดน้ำหนักในการออกตัว, การลงจอด, ขนาดของปีกและเชื่อเพลิงในการส่งที่มีราคาสุงมาก กองทัพสหรัฐและกระทรวงกลาโหมอังกฤษมีแผนที่จะใช้ระบบนี้สำหรับยานอากาศในอนาคต และกำลังจะใช้เทคโนโลยีนี้ในการส่งยานไร้คนขับอีกด้วย

 

การทดลองยิงจรวดด้วยอำนาจแม่เหล็กจาก linear motor

 

การนำเอา linear motor ไปขับเคลื่อนรถยนต์ให้มีความเร็วสูงเพื่อทดสอบความปลอดภัยหากมีการชนรุนแรง การทดสอบทำในห้องที่มีเบาะอากาศเพื่อไม่ให้มีผลกระทบกับสิ่งแวดล้อมข้างนอก

 

เครื่องเล่นชื่อ Superman: The Escape ในแคลิฟอเนีย ใช้ LSM เป็นตัวขับให้กระสวยพุ่งไปด้วยความเร็วสูง ในแนวราบมีความเร็วจาก 0 ถึง 160 กม ในเวลา 7 วินาที จากนั้นกระสวยจะถูกดึงขึ้นในแนวดิ่ง แล้วหยุด แล้ววิ่งกลับทางเดิม ในขณะที่เครื่องเล่นวิ่งอยู่ในแนวดิ่ง ทั้งขาไปและขากลับ ผู้เล่นจะอยู่ในสภาพไร้น้ำหนักถึง 6.5 วินาที

 

รถไฟฟ้าที่สนามบิน JFK ใช้ linear motor กับแถบอลูมินัมวางระหว่างรางทั้งสองขับเคลื่อนขบวนรถไฟ

อ้างอิง

1. [1], พื้นฐานมอเตอร์เชิงเส้น
2. [2], การทดสอบการชน