โครงสร้างของมอเตอร์เชิงเส้นคืออะไร?

แม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ที่ใช้ไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟส (เป็นสเตเตอร์) ถูกติดตั้งไว้ทั้งสองด้านของแผ่นอลูมิเนียม (แต่ไม่สัมผัสกัน) เป็นสองแถว เส้นแรงแม่เหล็กตั้งฉากกับแผ่นอลูมิเนียม และแผ่นอลูมิเนียมจะสร้างกระแสไฟฟ้าโดยการเหนี่ยวนำ จึงสร้างแรงขับเคลื่อน ผลจากสเตเตอร์มอเตอร์เหนี่ยวนำเชิงเส้นในรถไฟ ทำให้รางนำทางลัดวงจร ดังนั้นมอเตอร์เชิงเส้นเรียกอีกอย่างว่า “มอเตอร์เชิงเส้นแบบสเตเตอร์สั้น” (Short – stator Motor)

หลักการทำงานของมอเตอร์เชิงเส้นคือ การนำแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดมาติดกับตัวรถ (ทำหน้าที่เป็นโรเตอร์) และติดตั้งขดลวดอาร์มาเจอร์สามเฟส (ทำหน้าที่เป็นสเตเตอร์) บนราง เพื่อขับเคลื่อนรถเมื่อขดลวดบนรางจ่ายกระแสสลับสามเฟสที่มีจำนวนรอบแปรผันได้

เนื่องจากความเร็วของระบบการเคลื่อนที่ของยานพาหนะเป็นไปตามความเร็วซิงโครนัสที่มีความถี่กระแสสลับสามเฟสซึ่งเป็นสัดส่วนกับจำนวนการเคลื่อนที่ จึงเรียกว่ามอเตอร์ซิงโครนัสเชิงเส้น และเนื่องจากสเตเตอร์ของมอเตอร์ซิงโครนัสเชิงเส้นอยู่ในวงโคจรที่มีวงโคจรยาว ดังนั้นมอเตอร์ซิงโครนัสเชิงเส้นจึงเรียกอีกอย่างว่า "มอเตอร์เชิงเส้นสเตเตอร์ยาว" (Long – stator Motor)

มอเตอร์สั่นเชิงเส้นทิศทาง Z

เนื่องจากระบบขนส่งทางรางแบบดั้งเดิมใช้รางเฉพาะ และใช้ล้อเหล็กเป็นตัวรองรับและนำทาง ดังนั้นเมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น แรงต้านในการขับเคลื่อนก็จะเพิ่มขึ้น ในขณะที่แรงฉุด เมื่อแรงต้านมากกว่าแรงฉุด รถไฟจะไม่สามารถเร่งความเร็วได้ จึงทำให้ระบบขนส่งทางรางแบบดั้งเดิมไม่สามารถทำความเร็วสูงสุดตามทฤษฎีที่ 375 กิโลเมตรต่อชั่วโมงได้

แม้ว่ารถไฟความเร็วสูง TGV ของฝรั่งเศสจะสร้างสถิติโลกด้วยความเร็ว 515.3 กม./ชม. สำหรับระบบขนส่งทางรางแบบดั้งเดิม แต่เนื่องจากวัสดุของล้อและรางอาจทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไปและเกิดความล้าได้ ดังนั้นรถไฟความเร็วสูงในปัจจุบันในเยอรมนี ฝรั่งเศส สเปน ญี่ปุ่น และประเทศอื่นๆ จึงมีความเร็วไม่เกิน 300 กม./ชม. ในการใช้งานเชิงพาณิชย์

ดังนั้น เพื่อเพิ่มความเร็วของยานพาหนะให้มากขึ้น จึงจำเป็นต้องละทิ้งวิธีการขับขี่แบบดั้งเดิมบนล้อ และนำระบบ "การลอยตัวด้วยแม่เหล็ก" มาใช้ ซึ่งจะทำให้รถไฟลอยตัวออกจากรางเพื่อลดแรงเสียดทานและเพิ่มความเร็วของยานพาหนะได้อย่างมาก นอกจากจะไม่ก่อให้เกิดเสียงรบกวนหรือมลพิษทางอากาศแล้ว การลอยตัวออกจากรางยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานได้อีกด้วย

การใช้มอเตอร์เชิงเส้นยังสามารถเพิ่มความเร็วให้กับระบบขนส่งแม่เหล็กไฟฟ้าได้ ดังนั้นระบบขนส่งแม่เหล็กไฟฟ้าที่ใช้มอเตอร์เชิงเส้นจึงถือกำเนิดขึ้น

ระบบการลอยตัวด้วยแม่เหล็กนี้ใช้แรงแม่เหล็กในการดึงดูดหรือผลักรถไฟออกจากเลน แม่เหล็กที่ใช้มีทั้งแม่เหล็กถาวรและแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด (SCM)

แม่เหล็กที่เรียกว่าแม่เหล็กนำไฟฟ้าคงที่นั้นเป็นแม่เหล็กไฟฟ้าทั่วไป กล่าวคือ แม่เหล็กจะหายไปเมื่อเปิดกระแสไฟฟ้า และจะหายไปเมื่อตัดกระแสไฟฟ้า เนื่องจากความยากลำบากในการเก็บกระแสไฟฟ้าเมื่อรถไฟวิ่งด้วยความเร็วสูงมาก แม่เหล็กนำไฟฟ้าคงที่จึงสามารถนำไปใช้กับหลักการผลักกันของแม่เหล็กได้เท่านั้น และเหมาะสำหรับรถไฟแม่เหล็กที่ความเร็วค่อนข้างต่ำ (ประมาณ 300 กิโลเมตรต่อชั่วโมง) สำหรับรถไฟแม่เหล็กที่มีความเร็วสูงถึง 500 กิโลเมตรต่อชั่วโมง (โดยใช้หลักการดึงดูดของแม่เหล็ก) จำเป็นต้องใช้แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดที่มีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็กถาวร (เพื่อให้รถไฟไม่จำเป็นต้องเก็บกระแสไฟฟ้า)

ระบบการลอยตัวด้วยแม่เหล็กสามารถแบ่งออกเป็นระบบลอยตัวด้วยไฟฟ้าพลศาสตร์ (Electrodynamic Suspension: EDS) และระบบลอยตัวด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Suspension: EMS) โดยพิจารณาจากหลักการที่ว่าแรงแม่เหล็กดึงดูดหรือผลักกัน

ระบบกันสะเทือนไฟฟ้า (EDS) ใช้หลักการเดียวกันกับการเคลื่อนที่ของรถไฟโดยอาศัยแรงภายนอก โดยอุปกรณ์บนรถไฟจะเคลื่อนที่ไปพร้อมกับสนามแม่เหล็กนำไฟฟ้า และกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดบนรางจะสร้างสนามแม่เหล็กขึ้นใหม่ เนื่องจากสนามแม่เหล็กทั้งสองอยู่ในทิศทางเดียวกัน จึงเกิดแรงดึงดูดระหว่างรถไฟกับราง ทำให้รถไฟได้รับแรงยกและลอยตัว เนื่องจากระบบกันสะเทือนของรถไฟเกิดขึ้นจากการปรับสมดุลของแรงแม่เหล็กทั้งสอง ความสูงของการลอยตัวจึงสามารถคงที่ได้ (ประมาณ 10-15 มม.) ทำให้รถไฟมีความเสถียรสูง

นอกจากนี้ รถไฟจะต้องเริ่มต้นการทำงานด้วยวิธีอื่นก่อนที่สนามแม่เหล็กจะสามารถสร้างกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำและสนามแม่เหล็กได้ และตัวรถจึงจะลอยขึ้นได้ ดังนั้น รถไฟจึงต้องติดตั้งล้อสำหรับ "การขึ้นบิน" และ "การลงจอด" เมื่อความเร็วเกิน 40 กิโลเมตรต่อชั่วโมง รถไฟจะเริ่มลอยขึ้น (คือ "การขึ้นบิน") และล้อจะพับเก็บโดยอัตโนมัติ และเมื่อความเร็วลดลงและไม่ได้ลอยขึ้นแล้ว ล้อก็จะตกลงมาโดยอัตโนมัติเพื่อไถลไป (คือ "การลงจอด")

มอเตอร์ซิงโครนัสเชิงเส้น (LSM) สามารถใช้เป็นระบบขับเคลื่อนได้เฉพาะที่ความเร็วค่อนข้างต่ำ (ประมาณ 300 กิโลเมตรต่อชั่วโมง) รูปที่ 1 แสดงการผสมผสานระหว่างระบบกันสะเทือนไฟฟ้า (EDS) และมอเตอร์ซิงโครนัสเชิงเส้น (LSM)