Lineaarne mootor

Lineaarne mootor on elektrimootor, mille staator ja rootor on "lahti keeratud" nii, et selle asemel, et tekitada pöördemomenti, tekitab see jõudu piki enda pikkust. Lineaarsed mootorid ei pea olema sirged. Erinevalt tavapärastest mootoritest on lineaarse mootori aktiivsel sektsioonil eristatavad otsad.

Lineaarsete mootorite tüübid jagunevad kahte peamisesse kategooriasse: madala kiirendusega lineaarsed mootorid ja suure kiirendusega lineaarsed mootorid.

Madala kiirendusega lineaarsed mootorid sobivad magnethõljukrongidele ja muudele maapealsetele transpordivahenditele. Suure kiirendusega lineaarsed mootorid on tavaliselt üsna lühikesed ja on ette nähtud objekti kiirendamiseks väga suurel kiirusel, näiteks Gaussi relv (solenoidkahur).

Kõrgkiirendusega lineaarmootoreid kasutatakse tavaliselt hüperkiirusel kokkupõrgete uurimiseks, näiteks relvade puhul, või kosmoselaevade orbiiti saatmiseks. Need mootorid on tavaliselt vahelduvvoolu kasutavad lineaarsed induktsioonmootorid (LIM), mille ühel küljel on aktiivne kolmefaasiline mähis ja teisel küljel passiivne juhtplaat. Teine kõrgkiirendusega lineaarmootori tüüp on homopolaarne lineaarne mootor.

Madala kiirendusega, suure kiiruse ja suure võimsusega mootorid on tavaliselt lineaarsed sünkroonsed mootorid (LSM), millel on aktiivne mähis õhupilu ühel küljel ning varieeruvate polaarsustega magnetite komplektid teisel küljel. Need magnetid võivad olla püsimagnetid või elektromagnetid. Näiteks on LSM Shanghai Transrapidi mootor.

Tüübid 
Lineaarseid mootoreid on nelja põhilist tüüpi: sünkroonsed, induktsioonil põhinevad, homopolaarsed ja piesoelektrilised.

Sünkroonsete lineaarsete mootorite puhul juhitakse magnetvälja liikumise kiirust (tavaliselt elektrooniliselt), et jälgida rootori liikumist. Kulupõhjustel kasutatakse sünkroonsetes lineaarmootorites harva kommutaatoreid, seega sisaldavad rootorid sageli püsimagneteid või pehmet rauda. Näiteks on siinkohal Gaussi püssid, maglev-süsteemides kasutatavad mootorid ja mitmed teised lineaarsed mootorid.

Lineaarsed induktsioonmootorid toodavad jõudu liikuva lineaarse magnetvälja abil, mis toimib väljal juhtkonduktoritel. Iga konduktor – kui see on silmus, mähis või lihtsalt tükk taldrikumetalli, mis on paigutatud elektrivälja – tekitab vastavalt Lenzi reeglile suunatud magnetvälja. Kaks vastupidist välja tõrjuvad teineteist, luues liikumise kui magnetilise väli liigub läbi metalli.

Homopolaarse lineaarse mootori puhul läbib suur vool libisevatel kontaktidel olevat metallist objekti üle kahe pinge all oleva rööpa. Selliselt genereeritav magnetväli põhjustab metalli liikumist piki rööbast (nt railgun).

Piesoelektrilised lineaarsed mootorid on tavaliselt väikesed mootorid, mis põhinevad piesoelektriliste materjalide kujumuutusel elektrivälja muutudes. Sellised mootorid liiguvad edasi nagu röövikud.

Ajalugu

Madala kiirendusega lineaarsed mootorid 
Lineaarsete elektrimootorite ajalugu sai alguse juba alates 1840ndatest, mil Charles Wheatstone töötas Londoni kolledžis välja esimese madala kiirendusega lineaarse mootori. Wheatstone'i mudel oli aga liiga ebaefektiivne, et olla praktiline. Teostatavat lineaarset induktsioonmootorit on Maini-äärsest Frankfurdist pärit leiutaja Alfred Zehden 1905. aastal kirjeldanud rongide või liftide juhtimiseks USA patendis 782,312. 1935. aastal ehitas saksa insener Hermann Kemper hõljuva elektromagnetilise rongi töötava mudeli. 1940ndate lõpus töötas Manchesteri ülikooli doktorant Eric Laithwaite välja esimese täissuuruses töötava madalkiirendusega lineaarse mootori. 

Madalkiirendusega lineaarseid mootoreid kasutatakse sageli maglevi liikumises, näiteks Jaapani Linio magnethõljukrongis Nagoya lähedal. Samas on lineaarseid mootoreid kasutatud ka magnethõljumisest sõltumatult, näiteks Bombardieri Advanced Rapid Transit metroosüsteemides ja kaasaegsetes Jaapani metroodes, sealhulgas Tokyo–Toei–Oedo liinil. Kuigi sarnast tehnoloogiat kasutatakse mõnedes lõbustusparkides olevates Ameerika mägedes, on vastav lahendus trammide jaoks ikkagi ebapraktiline, ehkki teoreetiliselt oleks selle kasutus võimalik.

Väljaspool ühistransporti on vertikaalsete lineaarsete mootorite kasutamist välja pakutud süvakaevandustes tõstemehhanismidel. Ka suureneb lineaarsete mootorite kasutamine liikumisjuhtimise rakendustes. Neid kasutatakse sageli lükandustes, näiteks madala põrandaga trammides nagu Citad ja Eurotram.

On olemas ka kaheteljelised lineaarmootorid. Enamik lineaarsetest mootoritest on lineaarsed induktsioonmootorid (LIM) või lineaarsed sünkroonmootorid (LSM). Samuti on välja töötatud lineaarseid alalisvoolumootoreid, kuid neid ei kasutata suurema kulukuse tõttu. Lineaarse sünkroonmootori puhul võib probleemiks olla madal tõukejõud. Seetõttu eelistatakse pikemas perspektiivis LIM-e ja lühemas perspektiivis LSM-e.

Kõrgkiirendusega lineaarsed mootorid 
Mitmel kasutusalal on soovitatud kasutada just kõrgkiirendusega lineaarmootoreid.

Kõrgkiirendusega lineaarmootoreid on kaalutud relvadena kasutamiseks, kuna soomust läbivad kuulid on tavaliselt väikese massi ning väga suure kineetilise energiaga, mille puhul on sellised mootorid sobivad. Paljude lõbustusparkide Ameerika mägedes on lineaarsed induktsioonmootorid kasutuses esialgse kiirenduse andmiseks. Neid mootoreid kasutatakse alternatiivina liftikünka kasutamisele.

Ameerika Ühendriikide merevägi kasutab lineaarseid induktsioonmootoreid õhusõidukite laevalt liikuma panemiseks. Sellel otstarbel on soovitud kasutada neid mootoreid kosmosesõidukite liikuma panemiseks. Selles kontekstis nimetatakse neid tavaliselt massihalduriteks. Kõige lihtsam viis kosmosesõidukite massihaldurite kasutamiseks on ehitada suur massihaldur, mis võib lasti kiirendada, et saavutada atmosfäärist väljumiseks vajalik kiirus. Samuti on uuritud lineaarmootorite kasutamist rakettide stardiplatvormidel.

Kõrgkiirendusega lineaarseid mootoreid on raske välja töötada mitmel põhjusel. Nad vajavad väga lühikese aja jooksul suuri energiakoguseid. Näiteks vajaks massihaldur 1,5-tonnise raketi atmosfäärist välja heitmiseks 300 GJ energiat, mis tuleks ära kasutada ühe sekundi jooksul. Tavalised elektrigeneraatorid ei ole sellise koormuse jaoks ette nähtud, kuigi teoreetiliselt võib kasutada lühiajalisi elektrilisi energiasalvestusmeetodeid. Kondensaatorid, kuigi suured ja kallid, võivad kiiresti välja anda suurt kogust energiat. Kõrgkiirendusega lineaarsed mootorid vajavad ka väga tugevat magnetvälja; tegelikult on kasutatavad magnetväljad tihtipeale liiga tugevad, et võimaldada ülijuhtide kasutamist, kuigi hoolika disaini puhul ei pruugi see olla suur probleem.

Kõrgkiirendusmootoritel on kaks põhilist disaini: solenoidkahur ja rööbaskahur.

Viited

Elektrotehnika
Elektrimasinad