电磁致动器

执行器把一种给定的能量转化为机械能。根据能量转换发生的物理原理，驱动器有不同的类别。

在工业应用中广泛应用的执行器包括液压执行器，静电执行器，电磁执行器，热膨胀执行器和气动执行器。

在机电一体化系统设计中，执行机构的选择是最重要的方面，因为执行机构的特性直接反映了所采用系统的运动性能。这篇文章主要集中在电磁执行器，所以让我们来详细讨论这个话题。

什么是电磁促动器?

一种基于电磁原理进行能量转换的致动器称为电磁致动器。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，它将执行器的静止部件(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力矩。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。

控制电磁作动器的基本原理是电磁感应法拉第定律、电磁力洛伦兹定律和毕奥-萨伐尔定律。由于这类执行器的控制变量是由电机提供的电流电源转换器驱动器，所以这些可以很容易控制。

这些被用于许多应用，从精确控制使用小驱动器相当大的强大的单位使用电子驱动器。

电磁传感器由两大电路组成;即电路和磁路。电路根据电路分析规律建立电压和电流，磁路根据磁通量和磁场强度建立磁路。

磁场存在时，磁通量Φ存在。磁通密度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，为

B‾=µo H̅

式中，μ o为渗透率常数，其值为4π × 10-7。对于铁磁材料，该关系式为

B̅=µr H̅。µo H̅

式中，μ r H̅为材料的相对渗透率。利用B-H曲线分析了材料的磁导率(µr)与H̅的关系。

洛伦兹定律指出，当一个载流导体被置于磁场中时，它会受到一个力。如果电流i在长度为L的导体中流动，在磁通量密度为B̅的情况下，则经验者

洛仑兹力是

F̅= i L̅× B̅

大多数情况下B̅和L̅是正交的，通过考虑F̅与B̅和L̅正交，上述方程可以写成

F = bl 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，闭合电路中感应的电动势等于整个电路中磁通量的变化率。

因此，e = - dΦ/dt

毕奥-萨伐尔定律描述了电流产生的磁通量密度，对于垂直距离为r的长直导体，其表达式为

B =(µoµr i) / (2πr)

这是三个重要的定律，是电磁执行器的基本原理。

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驱动器，根据几个因素，如尺寸，所需的驱动器类型，可靠性，成本效益等。下面讨论一些电磁执行器。

1.电机

电机是一种比较通用和常用的电磁执行器，应用广泛。电动机把电能转化为机械能。它由定子和转子两部分组成。

当一个静止的定子受到磁场的激励时，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。

• 根据电源的性质，电动机分为直流电动机和交流电动机。直流电动机是用直流电源进行励磁的一种电机，分为两大类，分别是分励电机和自励电机。自激电动机又分为并绕式电动机、串绕式电动机和复绕式电动机。这些电机很容易控制与适度的驱动器。而且，这些电机也可以以较低的价格相比交流电机。
• 交流电机采用交流电源供电，主要分为单相电机和三相电机。
• 单相电机可以是感应或同步电机。单相感应电动机由单定子绕组和鼠笼式转子组成，这些都不是自启动电动机。转矩是由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带滑环换向的转子绕组组成。在这些电机中，转子的速度与电源的频率同步。
• 多相或三相电机也可以是感应或同步电机。这些类似于单相感应电动机，但在其定子上有多个绕组。这些是自动启动的马达。三相同步电动机由定子上的多个绕组组成，其运行方式与单相同步电动机类似。
• 这取决于磁场产生的方式;电动机分为两种类型，即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。步进电机又分为永磁体，变磁阻和混合型电机。这些都是许多电子便携式应用。

2.电磁致动器

螺线管是最简单的常见的电磁驱动器，它将能量转换成线性或旋转运动。这些被用于许多应用，包括输送分流器，继电器应用，硬币分配器，电动锁机构等。

电磁阀由一个软铁芯封闭在一个电流线圈和铁磁柱塞或电枢在线圈的中心。当电流线圈通电时，线圈中会感应出磁场。

这个磁场通过关闭静止框架或接触器与柱塞之间的气隙将电枢或柱塞拉到线圈的中心。电磁执行器可以是直线型或旋转型。

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，即推和拉型线性螺线管。

在拉式螺线管，当线圈通电时，它把连接的负载(或柱塞)向自己，而在推式，它把连接的负载从它。这两种类型的结构是相同的，除了柱塞的设计和回位弹簧的位置。

线性电磁

上图显示了拉式电磁阀，当线圈通电时，会拉动柱塞。当线圈断电时，返回运动由负载本身或返回弹簧提供，返回弹簧是电磁阀组件的一个组成部分。

扶轮螺线管

旋转螺线管将直线运动转换为旋转运动，利用滚珠轴承下倾斜滚道。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中立的立场。

当应用程序所需的角运动非常小，然后这些螺线管取代步进电机和小型直流电机。

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，它通过滚道的压印确定的弧旋转。

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。在这种类型的传感器中，线圈被封闭在一个磁性外壳中，励磁电流通过这个线圈。

这种电流产生线圈绕组的磁通量。根据洛伦兹力原理，提出了一种与磁场密度和电流的乘积成正比的力。产生的力的大小表示为

F α n I b

在哪里

N是绕组的匝数

I是流过绕组和的电流

B是磁通量密度。

这些类型的驱动器有两种形状，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具体的应用包括波束转向镜，先导阀控制，万向节总成等。

动圈式致动器

4.继电器

继电器是一种二元执行器，它有两种稳定状态，即锁存和通电或开锁存和断电。继电器是一种根据控制信号在两个电路之间提供开关动作的装置。

根据不同的标准，可以有几种类型，比如根据接触情况，可以分为单刀单打、单刀双打、双刀双打和双刀双打。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。

上图为吸引电枢式电磁继电器。它由固定触点和移动触点组成。所述负载电路通过所述固定触点连接，所述电源电路连接所述移动触点。

控制电路为通电线圈供电。当控制电路激励继电器线圈(或激励线圈)时，电枢被吸引到固定触点，因此源和负载电路都得到连接。当电源不提供给线圈时，继电器断电。

继电器主要用于与之相连的设备的保护装置。通信、家电、汽车、工业控制等许多应用都需要继电器的基本功能。电子设备控制等。

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的磁致动器是一种利用微机械加工方法制备的新型微器件，具有广阔的应用前景。

这些器件是基于磁性材料与电磁线圈或磁场源(如永磁体)之间的磁性或电磁相互作用。但这类器件的主要挑战是将磁铁集成到MEMS器件中。

这是由于用MEMS制造3D线圈非常困难的事实。虽然人们已经尝试用线结线圈在微尺度上制造磁致动器，但MEMS磁致动器往往与静电器件竞争。

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。

1.MEMS开关

MEMS开关不同于固态开关，如二极管和fet，尽管中断电流流动的目的是相同的。

MEMS开关由机械运动部件组成，通过改变信号线两个导电元件之间的距离，在欧姆开关中实现或断开欧姆接触，而在电容开关中则增加或减少封闭电容。下图显示了欧姆器件和电容器件的切换原理。

它们由电气元件和驱动部分组成，可以根据驱动方案分类，如静磁、静电、热或压电，电气配置，如电容或欧姆触点开关，分流或串联电路结构，几何配置，如水平或垂直驱动，膜，梁，悬臂等。

与固态开关器件相比，这些开关为高频开关提供了低功耗和更高的关态隔离。但它们存在速度慢、可靠性低的问题。

2.MEMS继电器

继电器的主要动作是开关ON或OFF，这样它们就能使电路闭合或断开。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，触点间隙最小，触点电阻低，继电器off -state时的隔离电压大，开关速度高。

然而，由于磁线圈的三维特性不适合MEMS制造，这种器件的设计更加复杂。在生产MEMS继电器方面采取了先进的措施，如光刻法，这使得一些集团在开发电磁MEMS继电器方面取得了成功。

由于制造的复杂性，商业化继电器的成功前景是不确定的。而微继电器技术则采用静电或电热驱动原理。

MEMS继电器

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

静电力的平方电场在作动器中产生的工作电压随分离距离线性增大。

这是静电驱动继电器设计的主要难点，因为在保持驱动电压在实际范围内的同时，很难实现合理的接触间隙。