电磁执行器

执行器将特定类型的能量转换为机械能。根据能量转换发生的物理原理,有不同的执行器等级。

这些致动器中广泛用于工业应用的一些致动器包括液压致动器,静电致动器,电磁致动器,热膨胀致动器和气动执行器。

在机电系统设计中,最重要的方面是致动器的选择,因为执行器的特性直接反映在所采用的系统的运动学性能。本文主要集中在电磁执行器上,因此让我们对此主题进行详细说明。

什么是电磁执行器?

基于能量转换的电磁原理起作用的致动器称为电磁致动器。电磁执行器将电气和机械能彼此转换。

能量转换在所谓的气隙中进行,其将静止构件(定子或固定触头)和致动器的移动构件(转子或移动接触)分开。

这些致动器通过磁场产生力和扭矩。与电场相比,磁场具有较高的能量密度,这是在这些传感器中使用磁场的原因。

控制电磁执行器的基本原则是法拉第的电磁感应定律,电磁力和Biot-Savart Lave的洛伦兹力。由于这种致动器的控制变量是由功率转换器驱动器供给的电流,因此这些电流可以很容易地控制。

这些用于许多应用中,通过精确控制使用小型执行器使用电驱动器的相当大的强大单元。

电磁传感器由两个主要电路组成;即电路和磁路。电路根据电路分析法确定电压和电流,而磁路建立磁通量和磁场强度。

在存在磁场的情况下,存在磁通量φ。磁通密度B≥和磁场强度H∞通过材料的渗透性有关。在真空中,磁通密度与磁场强度成比例,并给出

b〜=μoh̅

其中μO是渗透率常数,其值为4π×10-7。对于铁磁材料,这种关系是如此

b = =μrh̅。μOH̅.

其中μRHh是材料的相对渗透性。通过使用B-H曲线,分析了物质依赖性对H̅的渗透率(μR)。

Lorenz法则指出,当将电流携带导体放置在磁场中时,它会经历一种力。如果电流I流动在长度L的导体中,则在磁通密度B的存在下,那么经验丰富

洛伦兹力量被给予

f̅= il¼×b̅

大多数情况B̅和l̅是正交的,并且考虑到与b̅和l∈,上述等式可以写为

f = b l i

导体在磁场中的运动在导体上产生电磁力(EMF)。这被称为电磁感应法或法拉第法。根据该规律,在闭合电路中感应的EMF等于通过电路的磁通量的变化率。

因此,e = - dφ/ dt

并且Biot-Savart定律描述了由电流产生的磁通密度和在垂直距离R处的长直导体,所以给出

B =(μORi)/(2πr)

这些是三个重要的法律,作为电磁执行器的基本原则。

基于电磁的不同的执行器

在汽车,工业自动化,保护系统应用等许多领域,使用不同类型的执行器,基于尺寸,致动类型的若干因素,可靠性,成本效益等。下面讨论一些电磁致动器。

电动机

电动机更广泛,常用的电磁执行器,用于广泛应用。电动机将电能转换为机械能。它由两个部件固定定子和旋转转子组成。

当用磁场激发静止定子时,当电流承载转子基于Lorenz力原理开始旋转。这些是基于电磁特性或功能的分类。下面给出这种类型的执行器分类。

电动机
电动机
  • 根据供应的性质,电动机被归类为DC和AC电动机。直流电动机与直流源激发,并分为两种主要类型,如同兴奋的电机和自兴电机。自我激动的电机再次分为分流缠绕,系列伤口和复合缠绕电机。这些电机很容易被温和的驱动器控制。而且,与AC电机相比,这些电机可以降低的价格提供。
  • 交流电机配有交流电源,主要分为单一和三相电机。
  • 单相电机可以是感应或同步电动机。单相电动机由单定定绕组绕组组成,带有鼠笼式转子,这些不是自动启动电动机。基于定子和转子之间的电磁感应产生扭矩。转子速度略低于定子的旋转场。单相同步电动机包括永磁转子或带有滑环换向的转子绕组。在这些电动机中,转子速度与供电源的频率同步。
  • 多相或三相电动机也可以是感应或同步电动机。这些类似于单相感应电动机,但在其定子上具有多个绕组。这些是自动启动电机。三相同步电动机由定子上的多个绕组组成,并且操作类似于单相同步电动机。
  • 根据磁场的方式创建;电动机分为两种类型的永磁电动机和电磁电动机。
  • 一类特殊的电机包括步进电机和无刷直流电机。步进电机再次分为永磁体,可变磁阻和混合式电动机。这些是使用许多电子便携式应用的。

电动机分类

2.螺线管执行器

螺线管是最简单的公共电磁致动器,其将能量转换为线性或旋转运动。这些用于许多应用,包括传送带,继电器应用,硬币分配器,电锁机构等。

螺线管由封装在电流携带线圈的软铁芯和线圈中心的铁磁性柱塞或电枢。当电流线圈通电时,在线圈中感应磁场。

通过关闭固定框架或接触和柱塞之间的气隙,该磁场将电枢或柱塞拉动到线圈的中心。电磁阀致动器可以是线性的或旋转型。

线性螺线管

由于柱塞的线性方向运动或动作,这些螺线管被称为线性螺线管。这些具有两种类型,即推拉式线性螺线管。

在拉型螺线管中,当线圈通电时,它将连接的负载(或柱塞)拉到其自身,而在推动式时,它将连接的负载推离它。除了柱塞的设计和复位弹簧的位置之外,这两种类型的结构都是相同的。

线性螺线管

线性螺线管

上图显示了当线圈通电时拉动柱塞的拉式螺线管。当线圈被断电时,返回运动由负载自身提供或通过作为螺线管组件的整体部分提供的返回弹簧提供。

旋转螺线管

旋转螺线管通过利用倾斜滚道的滚珠轴承将线性运动转换为旋转运动。这些螺线管在顺时针或抗顺时针或两者中产生旋转或角度运动,或者兼而有之。

当应用程序所需的角度非常小时,这些螺线管取代了步进电机和小型直流电动机。

当旋转螺线管的线圈通电时,电枢或柱塞组件被拉向定子。此外,它通过由滚道的变形而确定的电弧旋转。

旋转螺线管

旋转螺线管

3.移动线圈执行器

这些执行器也称为音圈致动器。它也是一种沿线移动的衬里致动器。在这种类型的传感器中,线圈封闭在磁壳中,并且激励电流通过该线圈。

该电流产生来自线圈绕组的磁通量。基于Lorenz Force原理,开发了一种力量与磁场密度和电流的乘积成比例。产生的量力表示为

fαni b

在哪里

n是绕组中的匝数

我是目前流经蜿蜒的

B是磁通密度。

这些类型的执行器有两个形状,即圆柱形和矩形。其设计中的齿轮使得施工简单。这些用于许多工业,医疗和自动移动应用,一些特定应用包括光束转向镜,导阀控制,万向节组件等。

移动线圈致动器

移动线圈致动器

4.继电器

继电器是二进制致动器,其具有两个稳定状态,可以锁定和通电或释放和断电。继电器是响应于控制信号提供两个电路之间的切换动作的设备。

这些可以是基于不同标准的几种类型,例如基于触点,分为单杆单掷,单杆双掷,双极单掷和双极双扔。其他流行继电器包括电磁继电器,固态继电器,锁定继电器,偏振继电器,簧片继电器等。

中继

中继

上图显示了吸引的电枢型电磁继电器。它由固定和移动的触点组成。负载电路通过固定触点连接,而电源电路连接到移动触点。

控制电路将电源提供给激励线圈。当控制电路激励继电器线圈(或激励线圈)时,朝向固定触点吸引的电枢并因此被连接到两个源和负载电路。当电源未提供给线圈时,继电器断电。

继电器主要用作与其连接的设备的保护装置。此外,如此众多应用,如电信,家电,汽车,工业控制,电子设备控制等所需的基本功能也是必需的。

基于MEMS基磁执行器

基于MEMS的磁致电致动器是使用MEMS(微电极机械系统)技术来通过采用Lorenz力方程的原理将电能转换为机械能的装置。

基于MEMS的磁致电致动器产生新的微型器件,这些微器件使用具有巨大潜在和应用的微机械方法制造。

这些器件基于磁性材料和电磁线圈或磁场源之间的磁性或电磁相互作用,例如永磁体。但这种类型的设备的主要挑战是将磁铁集成到MEMS器件中。

这是由于MEMS非常难以制造3D线圈。尽管已经尝试使用引线键合线圈制造在微尺度上的磁性致动,但是MEMS磁性致动器通常与静电装置竞争。

这些MEMS磁致电致动器平台已经开发用于广泛的潜在应用,包括开关,继电器,阀门,谐振器,光学开关等。

MEMS开关

MEMS开关与诸如二极管和FET的固态开关不同,尽管中断电流的目的是相同的。

MEMS开关由机械移动部件组成,以改变信号线的两个导电元件之间的距离,以便在欧姆开关的情况下制造或破坏欧姆接触,而在电容开关的情况下,它增加或减少封闭的电容。下图显示了欧姆和电容器件的开关原理。

MEMS交换机的原则

这些由电气元件和致动部分组成,该电气元件和致动部分可以根据诸如磁静电,静电,热或压电,电气配置的致动方案来分类,例如电容或欧姆接触开关,分流或串联电路架构,几何配置,如水平或垂直致动,膜,梁,悬臂等

与固态开关装置相比,这些开关为高频切换提供了低功耗和更高的离子隔离。但他们遭受了低速和可靠性的问题。

MEMS继电器

继电器的主要动作是打开或关闭,使得它们可以制造或打破电路。MEMS继电器是基于MEMS技术制造的小型化机械继电器。

MEMS继电器的理想特性是良好的导通状态和断开状态特性,触点之间的间隙应最小,接触电阻低,当继电器处于关闭状态时大的脱离电压,开关速度应该高。

然而,由于不适合MEMS制造的磁线圈的三维性质,该装置的设计更复杂。先进的步骤已经采取了生产MEMS继电器,例如导致几个组的光刻方法具有在开发电磁MEMS继电器中的成功。

由于制造业复杂性高,商业继电器成功的前景不确定。但是对于微中继技术,使用静电或电热致动原理。

MEMS继电器

MEMS继电器

在基于静电驱动机构的MEMS继电器中,两个绝缘导电板通过小气隙分开,该空气间隙可以通过将其施加足够的电压来接触。通过将合适的导体和触点布置在移动部件上来执行继电器动作。

静电力随着在致动器中产生的电场的平方而变化,并且工作电压随着距离的分离而线性增加。

这是设计静电驱动继电器的主要困难,因为难以实现合理的接触间隙,同时保持致动电压在现实范围内。

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