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?

一种基于电磁原理进行能量转换的驱动器称为电磁驱动器。电磁执行器将电能和机械能相互转换。

能量转换发生在所谓的气隙中，气隙将执行器的固定部件(定子或固定触点)和移动部件(转子或移动触点)分开。

这些驱动器通过磁场产生力和扭矩。与电场相比，磁场具有更高的能量密度，这就是在这些传感器中使用磁场的原因。

控制电磁驱动器的基本原理是法拉第电磁感应定律、电磁力的洛伦兹力和毕奥-萨伐尔定律。由于这种执行器的控制变量是由电源转换器驱动的电流，所以这些可以很容易地控制。

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。电路根据电路分析规律确定电压和电流，磁路根据磁通量和磁场强度确定磁路。

在磁场存在时，磁通量为Φ。磁感应强度B̅和磁场强度H̅与材料的磁导率有关。在真空中，磁通量密度与磁场强度成正比，式为

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

B̅=µr H̅。µo H̅

其中，µr H̅为材料的相对渗透率。利用B-H曲线分析了材料的渗透率(µr)对H̅的依赖关系。

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

大多数情况下B̅和L̅是正交的，考虑F̅与B̅和L̅正交，则上式可表示为

F = B L i

导体在磁场中的运动在导体上产生电磁力(emf)。这被称为电磁感应定律或法拉第定律。根据这一定律，封闭电路中感应的电动势等于通过该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。

基于电磁的不同驱动器

在许多领域，如汽车，工业自动化，保护系统应用使用不同类型的执行器基于几个因素，如尺寸，需要的执行器类型，可靠性，成本效益等。下面讨论一些电磁执行器。

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。

当静止定子受到磁场激励时，载流转子根据洛伦兹力原理开始旋转。它们根据电磁特性或功能进行分类。这种类型的执行器分类如下。

• 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。
• 交流电动机采用交流电源供电，主要分为单相电动机和三相电动机。
• 单相电机可以是感应电机或同步电机。单相感应电动机由单定子绕组和鼠笼转子组成，这些不是自起动电动机。转矩是基于定子和转子之间的电磁感应产生的。转子转速略低于定子的旋转磁场。单相同步电动机由永磁转子或滑环换向转子绕组组成。在这些电机中，转子的转速与电源的频率同步。
• 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。
• 一种特殊类型的电机包括步进电机和无刷直流电机。步进电机又分为永磁电机、变磁阻电机和混合型电机。这些被用于许多电子便携式应用。

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。

线性电磁

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。这些是两种类型，即推和拉式线性螺线管。

在拉式螺线管，当线圈通电时，它拉连接的负载(或柱塞)向自身而在推动型，它推动连接的负载远离它。这两种类型的结构是相同的，除了柱塞的设计和复位弹簧的位置。

线性电磁

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。

扶轮螺线管

旋转螺线管将直线运动转化为旋转运动，利用滚珠轴承向下倾斜的滚道。这些螺线管产生旋转或角运动在顺时针或逆时针或两者从一个中立的位置。

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。进一步，它通过一个由滚道的压入决定的弧旋转。

扶轮螺线管

3.动圈式致动器

这些驱动器也被称为音圈驱动器。它也是一种沿直线运动的直线驱动器。在这种传感器中，线圈被封装在一个磁性外壳中，激励电流通过这个线圈。

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种形状，即圆柱形和矩形。齿轮的设计使其结构简单。这些被用于许多工业，医疗和汽车应用和一些特定的应用包括光束转向镜，先导阀控制，框架组件等。

动圈式致动器

4.继电器

继电器是二元执行器，具有锁存和通电或未锁存和断电两种稳定状态。继电器是响应控制信号在两个电路之间提供切换动作的装置。

根据不同的标准，这些可以分为几种类型，如根据接触，这些分为单刀单掷，单刀双掷，双刀单掷和双刀双掷。其他流行的继电器包括电磁继电器、固态继电器、闭锁继电器、极化继电器、簧片继电器等。

继电器

上图为吸引电枢型电磁继电器。它由固定触点和移动触点组成。负载电路通过固定触点连接，而电源电路通过移动触点连接。

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。

继电器主要用作与之相连的设备的保护装置。在通信、家用电器、汽车、工业控制、电子设备控制等诸多领域，对继电器的基本功能都有要求。

基于MEMS的磁致动器

基于MEMS的磁致动器是一种利用MEMS(微机电系统)技术，利用洛伦兹力方程原理将电能转化为机械能的装置。

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。

这些装置是基于磁性材料与电磁线圈或永磁体等磁场源之间的磁或电磁相互作用。但是这类器件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磁致动器平台已被开发用于广泛的潜在应用，包括开关、继电器、阀门、谐振器、光开关等。

MEMS开关

MEMS开关不同于固态开关，如二极管和fet，尽管其阻断电流的目的是相同的。

MEMS开关由机械运动部件组成，在欧姆开关的情况下，改变信号线两个导电元件之间的距离，以闭合或断开欧姆接触，而在电容开关的情况下，它增加或减少封闭电容。下图显示了欧姆和电容器件的开关原理。

它们包括电气元件和驱动部分，可根据驱动方案分类，如磁静态，静电，热或压电，电气配置，如电容或欧姆接触开关，分流或串联电路结构，几何结构，如水平或垂直驱动、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ON-state和off -state特性，触点之间的间隙应最小，接触电阻低，在off状态下的站离电压大，开关速度应高。

然而，由于线圈的三维特性，这种器件的设计更加复杂，不适合MEMS制造。在微机电系统继电器的研制方面，已经采取了光刻等先进的措施，这使得一些小组在研制电磁微机电系统继电器方面取得了成功。

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

在基于静电驱动机制的MEMS继电器中，两个绝缘导电板被一个小的气隙隔开，通过在它们之间放置足够的电压可以使它们接触。继电器动作是通过在运动部件上布置合适的导体和触点来完成的。

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。