มอเตอร์เชิงเส้นใช้แม่เหล็กแตกต่างออกไป และวิศวกรส่วนใหญ่ไม่ได้คำนึงถึงเรื่องนี้
มอเตอร์แนวราบช่วยลดขั้นตอนการแปลงเชิงกลแบบหมุนไปเป็นเชิงเส้น - ไม่มีบอลสกรู ไม่มีแร็คแอนด์พีเนียน ไม่มีสายพาน แรงที่เกิดขึ้นโดยตรงในแกนเชิงเส้นตรง ฟังดูง่ายกว่ามอเตอร์โรตารีที่ขันสกรู และในบางแง่ก็เป็นเช่นนั้น แต่ข้อกำหนดของแม่เหล็กสำหรับมอเตอร์เชิงเส้นตรงนั้นแตกต่างอย่างมากจากมอเตอร์แบบหมุน และความแตกต่างนั้นไม่ได้ชัดเจนเสมอไปจากคำอธิบายในตำราเรียนแม่เหล็กไฟฟ้า
การกำหนดค่ามอเตอร์เชิงเส้นตรงที่พบบ่อยที่สุดสามแบบ ได้แก่ ชนิดแบน (U-channel หรือแรงไร้เหล็ก), ชนิดท่อ และแอคชูเอเตอร์คอยล์เสียง แม่เหล็กแต่ละชนิดต้องใช้รูปทรง เกรด และข้อมูลจำเพาะของแม่เหล็กที่แตกต่างกัน บทความนี้ครอบคลุมด้านแม่เหล็กของการตัดสินใจออกแบบสำหรับแต่ละด้าน โดยให้ความสนใจเป็นพิเศษกับการใช้งานที่ข้อผิดพลาดด้านข้อมูลจำเพาะมีค่าใช้จ่ายสูงที่สุด: การจัดการแผ่นเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์ แกนป้อนเครื่องมือกล และขั้นตอนความแม่นยำในการขับเคลื่อนโดยตรง
1. มอเตอร์เชิงเส้น U-Channel (แกนเหล็กและไร้เหล็ก): รางแม่เหล็ก
การกำหนดค่ามอเตอร์เชิงเส้นตรงที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในเครื่องมือกลและระบบโครงสำหรับตั้งสิ่งของคือรูปแบบ U-channel หรือ "มอเตอร์ซิงโครนัสเชิงเส้น" สเตเตอร์เป็นรางแม่เหล็ก - ชุดของบล็อก NdFeB ที่ติดตั้งอยู่บนแผ่นรองเหล็กที่มีการวางแนวขั้วเหนือ-ใต้สลับกัน แรง (ส่วนที่เคลื่อนที่) จะบรรทุกขดลวดและเคลื่อนที่ไปตามรางนี้ ทำให้เกิดแรงผลักดันผ่านการโต้ตอบทางแม่เหล็กไฟฟ้ากับสนามไฟฟ้ากระแสสลับ
บล็อกแม่เหล็กในราง U-channel ทั่วไปจะมีความกว้าง 20–50 มม. ยาว 10–30 มม. (ในทิศทางการเคลื่อนที่) และหนา 5–15 มม. ขึ้นอยู่กับระดับแรงของมอเตอร์ ระยะพิทช์ระหว่างขั้ว - ระยะห่างจากศูนย์กลางถึงกึ่งกลางระหว่างแม่เหล็กที่อยู่ติดกันซึ่งมีขั้วเดียวกัน - เป็นตัวกำหนดคาบทางไฟฟ้าของมอเตอร์ และส่งผลโดยตรงต่อแรงกระเพื่อมของแรงขับ ระยะพิทช์ของขั้วที่สั้นลงจะช่วยลดแรงกระเพื่อม แต่จะเพิ่มความถี่ในการสลับที่จำเป็นสำหรับความเร็วที่กำหนด มอเตอร์เชิงเส้นตรงของเครื่องมือกลส่วนใหญ่ใช้ระยะพิทช์ของขั้ว 20–40 มม. สำหรับแกนป้อนที่ทำงานที่ 1–5 ม./วินาที
การเลือกเกรดสำหรับรางมอเตอร์เชิงเส้นของเครื่องมือกลนั้นตรงไปตรงมา: N45 หรือ N48 สำหรับแกนงานต่อเนื่องมาตรฐาน, N45SH หรือ N48SH สำหรับการใช้งานกับสปินเดิลความเร็วสูงที่อยู่ติดกัน ซึ่งความร้อนจากตัวขับขดลวดสเตเตอร์ติดตามอุณหภูมิที่สูงกว่า 80 องศา ข้อผิดพลาดคือการระบุ N52 เพื่อรับความหนาแน่นฟลักซ์สูงสุด - ที่อุณหภูมิแทร็กสูงกว่า 60 องศา ข้อได้เปรียบด้านความหนาแน่นฟลักซ์ของ N52 มากกว่า N48 จะแคบลงอย่างมาก (ทั้ง Br และ Hcj ลดลงตามอุณหภูมิ และ N52 มี Hcj ต่ำกว่า) และค่าพรีเมียมต้นทุนไม่สมเหตุสมผล N48H หรือ N48SH ครอบคลุมขอบเขตประสิทธิภาพเดียวกันด้วยต้นทุนที่ต่ำกว่าและมีความปลอดภัยด้านความร้อนที่ดีกว่า
ความสม่ำเสมอระหว่างแม่เหล็กกับแม่เหล็กภายในชุดประกอบรางเป็นข้อกำหนดที่ส่งผลต่อคุณภาพการเคลื่อนไหวมากที่สุด แม่เหล็กที่ต่อเนื่องกันซึ่งความแปรผันของ Br สูงกว่า ±2% จะสร้างความแปรผันของแรงที่ตรวจจับได้ที่ความถี่เชิงพื้นที่ของสนามขั้วโลก - ซึ่งจะแสดงเป็นระลอกความเร็วเป็นคาบในแกนที่แม่นยำ สำหรับแกนป้อนเครื่องมือกลที่มีข้อกำหนดด้านผิวสำเร็จต่ำกว่า Ra 0.4μm ควรระบุความแปรผันของ Br ภายในชุดแทร็กที่ ±1% หรือดีกว่า ซึ่งจำเป็นต้องเลือกจากการดำเนินการผลิตที่เรียงลำดับ แทนที่จะสุ่มจับ
2. การผลิตเซมิคอนดักเตอร์และอิเล็กทรอนิกส์: ในกรณีที่การปนเปื้อนเข้ามาแทนที่เกรด
ระบบการจัดการแผ่นเวเฟอร์ ขั้นตอนการพิมพ์หินด้วยแสง และโครงสำหรับตรวจสอบ PCB ล้วนแต่ใช้มอเตอร์เชิงเส้นตรง แต่สภาพแวดล้อมที่กำหนดแตกต่างไปจากเครื่องมือกลโดยสิ้นเชิง ข้อจำกัดหลักไม่ใช่ความหนาแน่นของแรงหรือประสิทธิภาพเชิงความร้อน แต่เป็นการปล่อยก๊าซออกและการสร้างอนุภาค
แม่เหล็ก NdFeB เผาผนึกในการเคลือบนิกเกิลมาตรฐานไม่เป็นที่ยอมรับในสภาพแวดล้อมห้องสะอาดคลาส 10 หรือคลาส 100 การเคลือบ Ni-Cu-Ni มาตรฐานมีความพรุนขนาดเล็กที่ดักจับและปล่อยสารประกอบไฮโดรคาร์บอนอย่างช้าๆ ภายใต้สุญญากาศ และขอบการเคลือบสามารถสร้างอนุภาคขนาดซับไมครอนได้ หากแม่เหล็กสัมผัสกับการสัมผัสทางกล โหมดความล้มเหลวทั้งสองโหมดถือเป็นหายนะสำหรับผลผลิตเวเฟอร์
แนวทางที่ถูกต้องสำหรับมอเตอร์เชิงเส้นตรงในห้องคลีนรูมเป็นหนึ่งในสามทางเลือก ขั้นแรก ให้ใช้ NdFeB อบสุญญากาศพร้อมเสื้อคลุมนิกเกิลหรือทองแบบไม่ใช้ไฟฟ้า - การอบสุญญากาศจะขับก๊าซออกส่วนใหญ่ที่ติดอยู่ออกก่อนที่แม่เหล็กจะเข้าสู่ห้องสะอาด และการเคลือบนิเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้าหรือทองที่มีความหนาแน่นมากขึ้นจะให้แนวกั้นที่สม่ำเสมอมากกว่า Ni-Cu-Ni ที่ชุบด้วยไฟฟ้า ประการที่สอง ใช้แม่เหล็กซาแมเรียมโคบอลต์ (SmCo) ซึ่งมี BHmax ต่ำกว่าเกรด NdFeB ที่ดีที่สุด แต่มีอัตราการปล่อยก๊าซต่ำกว่ามาก เนื่องจากคุณสมบัติทางเคมีบนพื้นผิวของโคบอลต์ที่โดดเด่นและความเสถียรทางเคมีภายในที่สูงขึ้น สำหรับสเตจเวเฟอร์ขนาด 200 มม. และ 300 มม. ที่ทำงานโดยใช้แรงปานกลาง SmCo Gr28 หรือ Gr30 (280–300 kJ/m³ BHmax) ถือเป็นมาตรฐาน ประการที่สาม ใช้ชุดแม่เหล็กแบบห่อหุ้มโดยสมบูรณ์ โดยแต่ละแม่เหล็กจะถูกปิดผนึกไว้ใน PEEK หรือตัวเรือนเซรามิก ซึ่งจะช่วยลดการสัมผัสพื้นผิวแม่เหล็กโดยตรง แต่เพิ่มความซับซ้อนให้กับชุดประกอบราง
ทางเลือกระหว่าง NdFeB อบสุญญากาศและ SmCo เป็นทางเลือกทางเศรษฐกิจเป็นหลัก NdFeB ที่ระดับประสิทธิภาพเทียบเท่ามีค่าใช้จ่ายน้อยกว่า SmCo 40–60% สำหรับขั้นตอนการผลิตที่มีปริมาณงานสูง ซึ่งต้นทุนรางแม่เหล็กมีความสำคัญ และความต้องการในการปล่อยก๊าซออกโดยการอบสุญญากาศบวกกับการเคลือบนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า NdFeB คือตัวเลือกที่ถูกต้อง สำหรับขั้นตอนการสัมผัสแผ่นเวเฟอร์โดยตรงหรือห้องสุญญากาศที่ทำงานต่ำกว่า 10⁻⁵ Pa ซึ่งไม่สามารถยอมรับการปล่อยก๊าซออกได้ SmCo คือตัวเลือกที่ถูกต้องโดยไม่คำนึงถึงต้นทุน
3. มอเตอร์เชิงเส้นตรงแบบท่อ: กองแหวนแม่เหล็กและขั้วไฟฟ้ากระแสสลับ
มอเตอร์เชิงเส้นแบบท่อ - หรือที่เรียกว่าตัวกระตุ้นเชิงเส้นในเอกสารผลิตภัณฑ์บางประเภท - ใช้การจัดเรียงแม่เหล็กรูปวงแหวนทรงกระบอกภายในชุดขดลวดสเตเตอร์แบบกลวง ชุดแม่เหล็ก ("ตัวขับเคลื่อน" หรือ "เพลา" ที่เคลื่อนที่ได้) ประกอบด้วยวงแหวน NdFeB ซ้อนกันซึ่งมีทิศทางการดึงดูดด้วยแม่เหล็กสลับกันโดยแยกจากกันด้วยตัวเว้นระยะที่เป็นเหล็กอ่อน โดยทั่วไปแล้ววงแหวนจะมีขนาด OD 20–60 มม. ID 8–20 มม. และหนา 5–15 มม. ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดด้านแรงและระยะชัก
กองแม่เหล็กวงแหวนทำงานบนหลักการเดียวกันกับมอเตอร์โรตารีแบบหลายขั้ว แต่อยู่ในทิศทางตามแนวแกน วงแหวนหันหน้าไปทางเหนือ ตัวเว้นระยะเหล็ก วงแหวนหันหน้าไปทางทิศใต้ ตัวเว้นระยะเหล็ก - ฟลักซ์รวมตัวอยู่ในตัวเว้นระยะเหล็กและโต้ตอบกับขดลวดสเตเตอร์เพื่อสร้างแรงขับเชิงเส้น ตัวแปรการออกแบบที่สำคัญคืออัตราส่วนของความสูงของวงแหวนต่อความสูงของตัวเว้นระยะของเหล็ก ซึ่งส่งผลต่อความหนาแน่นของฟลักซ์ที่ช่องว่างอากาศและความถี่ระลอกคลื่นของแรงขับ ความสูงของวงแหวนและตัวเว้นระยะที่เท่ากันจะทำให้เกิดระลอกคลื่นพื้นฐานที่ต่ำที่สุด การเปลี่ยนแปลงอัตราส่วนช่วยให้สามารถสร้างฮาร์มอนิกแบบกระเพื่อมได้โดยมีต้นทุนของแรงเฉลี่ยที่ลดลง
มอเตอร์เชิงเส้นตรงแบบท่อเป็นเรื่องปกติในการใช้งานแบบขับเคลื่อนโดยตรงซึ่งจำเป็นต้องใช้ระยะชักยาวในซองรัศมีขนาดกะทัดรัด: ระบบจ่ายที่แม่นยำ ตัวขับเคลื่อนปั๊มหลอดฉีดยา แท่นทดสอบการสั่นสะเทือน และเครื่องหยิบและวาง สำหรับการใช้งานเหล่านี้ NdFeB N42 หรือ N45 ที่มีการเคลือบ Ni-Cu-Ni มาตรฐานก็เพียงพอแล้วในกรณีส่วนใหญ่ สภาพแวดล้อมที่มีความร้อนไม่รุนแรง (ขดลวดอยู่ในสเตเตอร์ ไม่ใช่บนตัวขับเคลื่อน ดังนั้นเพลาแม่เหล็กจึงเย็น) และข้อกำหนดการปนเปื้อนโดยทั่วไปไม่อยู่ในระดับห้องสะอาด
ความท้าทายในการประกอบแหวนซ้อนคือแรงแม่เหล็กระหว่างการซ้อน วงแหวนแม่เหล็กในแนวแกนที่มีขั้วเดียวกันจะผลักกันอย่างรุนแรง วงแหวนที่มีขั้วตรงข้ามจะดูดอย่างแรง วงแหวน 10 วงซ้อนกันสำหรับมอเตอร์ท่อขนาด 200 มม. ที่มีระยะชัก 200 มม. ต้องใช้แรง 50–200 นิวตันระหว่างชิ้นส่วนที่อยู่ติดกันระหว่างการประกอบ ฟิกซ์เจอร์ประกอบที่สร้างขึ้นตามวัตถุประสงค์พร้อมท่อนำไม่ใช่ทางเลือกสำหรับรูปทรงนี้ - การพยายามประกอบกองแหวนด้วยมือจะทำให้เกิดมุมที่บิ่นและระยะห่างที่ไม่สอดคล้องกันในทางปฏิบัติ แม้แต่กับผู้ประกอบที่มีประสบการณ์ก็ตาม
4. ตัวกระตุ้นคอยล์เสียง: เมื่อแรงเชิงเส้นมีความสำคัญมากกว่าแรงสูงสุด
แอคทูเอเตอร์คอยล์เสียง (VCA) คือแอคทูเอเตอร์เชิงเส้นแบบแกนเดียวที่มีช่วงชักจำกัด โดยแรงจะแปรผันตามกระแสตลอดจังหวะการทำงานทั้งหมด ชื่อ "วอยซ์คอยล์" มาจากลำโพง - หลักการทำงานเหมือนกัน ในการใช้งานทางอุตสาหกรรม VCA ใช้สำหรับการวางตำแหน่งช่วงชักสั้นที่รวดเร็ว แม่นยำ: ระยะโฟกัสอัตโนมัติ การควบคุมแรงของเครื่องมือ การแยกการสั่นสะเทือน และการบังคับทิศทางของลำแสงอย่างรวดเร็ว
โดยทั่วไปแม่เหล็กใน VCA จะเป็นส่วนประกอบแม่เหล็กหม้อทรงกระบอกที่มีขั้วกลางและขั้วด้านนอกเป็นรูปวงแหวน ทำให้เกิดช่องว่างฟลักซ์ในแนวรัศมีที่ขดลวดเคลื่อนที่ สิ่งที่สำคัญไม่ใช่ความหนาแน่นฟลักซ์สูงสุด แต่คือความสม่ำเสมอของฟลักซ์แนวรัศมีตลอดช่วงระยะชักทั้งหมด VCA ที่ระบุสำหรับระยะชัก ±10 มม. จะต้องมีความหนาแน่นของฟลักซ์รัศมีแบนตลอดช่วง ±10 มม. - การแปรผันที่สูงกว่า ±1% ทำให้เกิดแรงที่ไม่เป็นเส้นตรงซึ่งจะต้องได้รับการชดเชยในตัวควบคุมเซอร์โว
เกรด NdFeB สำหรับ VCA โดยทั่วไปคือ N40–N48 ซึ่งได้รับการเลือกเพื่อให้ได้ความหนาแน่นฟลักซ์ของช่องว่างอากาศเป้าหมายด้วยปริมาตรแม่เหล็กที่มีอยู่ รูปทรงแม่เหล็ก (เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน ความสูงตามแนวแกน) เป็นตัวแปรการออกแบบหลัก grade คือพารามิเตอร์การปรับแบบละเอียด สำหรับการใช้งาน VCA ทางการแพทย์และเซมิคอนดักเตอร์ จะใช้ข้อจำกัดการปล่อยก๊าซและอนุภาคแบบเดียวกันที่อธิบายไว้ในส่วนที่ 2 สำหรับ VCA ของระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรมที่ไม่มีข้อกำหนดเกี่ยวกับห้องคลีนรูม NdFeB เผาผนึกมาตรฐานพร้อมการเคลือบ Ni-Cu-Ni มีความเหมาะสมและเพียงพอ
HIMAGNET จำหน่ายชุดแม่เหล็กสำหรับรางมอเตอร์เชิงเส้นตรงช่อง U กองวงแหวนมอเตอร์แบบท่อ และแอคชูเอเตอร์คอยล์เสียง รวมถึงตัวเลือกนิกเกิลอบสุญญากาศและไม่ใช้ไฟฟ้าสำหรับการใช้งานในห้องคลีนรูม ติดต่อทีมวิศวกรของเราเพื่อแจ้งข้อกำหนดด้านแรง ระยะชัก และสภาพแวดล้อมของคุณ เพื่อขอคำแนะนำด้านรูปทรงและการวิเคราะห์การเลือกเกรด
