Электромеханика

Реле – это обычное электромеханическое устройство.

В машиностроении , электромеханике ^[1]^[2]^[3]^[4] объединяет процессы и процедуры, взятые из электротехники и машиностроения . Электромеханика фокусируется на взаимодействии электрических и механических систем в целом и на том, как эти две системы взаимодействуют друг с другом. Этот процесс особенно заметен в таких системах, как вращающиеся электрические машины постоянного или переменного тока, которые могут быть спроектированы и эксплуатироваться для выработки энергии в результате механического процесса ( генератор ) или использоваться для приведения в действие механического эффекта ( двигатель ). Электротехника в этом контексте также включает в себя электронику .

Электромеханические устройства – это устройства, в которых происходят как электрические, так и механические процессы. Строго говоря, переключатель с ручным управлением представляет собой электромеханический компонент, поскольку механическое движение вызывает электрический выход. Хотя это правда, этот термин обычно понимают как относящийся к устройствам, которые используют электрический сигнал для создания механического движения или наоборот механическое движение для создания электрического сигнала. Часто используются электромагнитные принципы, например, в реле , которые позволяют напряжению или току управлять напряжением или током другой, обычно изолированной цепи, путем механического переключения наборов контактов, и соленоидов , с помощью которых напряжение может приводить в действие подвижную связь, как в электромагнитных клапанах.

До развития современной электроники электромеханические устройства широко использовались в сложных подсистемах деталей, включая электрические пишущие машинки , телетайпы , часы , первоначальные телевизионные системы и самые ранние электромеханические цифровые компьютеры . Твердотельная электроника заменила электромеханику во многих приложениях.

История

Первый электродвигатель был изобретен в 1822 году Майклом Фарадеем . Двигатель был разработан всего через год после того, как Ганс Кристиан Эрстед обнаружил, что поток электрического тока создает пропорциональное магнитное поле. ^[5] Этот ранний двигатель представлял собой просто провод, частично погруженный в стакан с ртутью с магнитом внизу. Когда провод был подключен к батарее, создавалось магнитное поле, и это взаимодействие с магнитным полем, создаваемым магнитом, заставляло провод вращаться.

Десять лет спустя первый электрический генератор был изобретен Майклом Фарадеем. Этот генератор состоял из магнита, проходящего через катушку с проводом и индуцирующего ток, который измерялся гальванометром. Исследования и эксперименты Фарадея в области электричества лежат в основе большинства современных электромеханических принципов, известных сегодня. ^[6]

Интерес к электромеханике резко возрос вместе с исследованиями в области связи на больших расстояниях. Быстрый рост производства в результате промышленной революции породил спрос на внутриконтинентальную связь, что позволило электромеханике проникнуть в сферу государственной службы. Реле возникли в телеграфии , поскольку электромеханические устройства использовались для регенерации телеграфных сигналов. Коммутатор Строугера , панельный переключатель и подобные устройства широко использовались в первых автоматизированных телефонных станциях . Ригельные выключатели впервые были широко установлены в середине 20-го века в Швеции , США , Канаде и Великобритании , а затем быстро распространились по всему миру.

В электромеханических системах произошел огромный скачок в развитии с 1910 по 1945 год, когда мир дважды подвергался глобальной войне. Первая мировая война стала свидетелем появления новой электромеханики, поскольку прожекторы и радио использовались во всех странах. ^[7] Ко времени Второй мировой войны страны развили и централизовали свои вооруженные силы, опираясь на универсальность и мощь электромеханики. Одним из примеров таких устройств, используемых до сих пор, является генератор переменного тока , который был создан для питания военной техники в 1950-х годах, а затем перепрофилирован для автомобилей в 1960-х годах. Послевоенная Америка получила большую выгоду от разработки военными электромеханики, поскольку работа по дому была быстро заменена электромеханическими системами, такими как микроволновые печи, холодильники и стиральные машины. Электромеханические телевизионные системы конца XIX века были менее успешными.

Электрические пишущие машинки до 1980-х годов развивались как «пишущие машинки с усилителем». Они содержали единственный электрический компонент — двигатель. Если раньше нажатие клавиши перемещало печатную панель напрямую, то теперь оно задействовало механические связи, которые направляли механическую энергию от двигателя на печатную панель. То же самое относится и к более поздней IBM Selectric . В Bell Labs в 1946 году Bell Model V. был разработан компьютер Это было электромеханическое релейное устройство; циклы занимали секунды. В 1968 году электромеханические системы все еще серьезно рассматривались для использования в компьютере управления полетом самолета , пока устройство, основанное на крупномасштабной интеграционной электронике, не было принято в Центральном компьютере воздушных данных .

Микроэлектромеханические системы (МЭМС)

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) уходят корнями в кремниевую революцию , которую можно проследить до двух важных изобретений кремниевых полупроводников 1959 года: монолитной интегральной схемы (ИС) Роберта Нойса из Fairchild Semiconductor и полевой технологии металл-оксид-полупроводник. транзистор с эффектом (MOSFET) Мохамеда М. Аталлы и Давона Канга из Bell Labs . Масштабирование МОП-транзисторов , миниатюризация МОП-транзисторов на микросхемах, привело к миниатюризации электроники (как и предсказывалось законом Мура и масштабированием Деннарда ). Это заложило основы для миниатюризации механических систем с развитием технологии микрообработки на основе кремниевых полупроводниковых устройств , поскольку инженеры начали понимать, что кремниевые чипы и МОП-транзисторы могут взаимодействовать и взаимодействовать с окружающей средой и обрабатывать такие вещи, как химические вещества , движения и свет . Один из первых кремниевых датчиков давления изотропной микромеханической обработкой был изготовлен компанией Honeywell в 1962 году. ^[8]

Ранним примером устройства МЭМС является транзистор с резонансным затвором, модификация МОП-транзистора, разработанная Харви К. Натансоном в 1965 году. ^[9] В период с 1970-х по начало 1980-х годов был разработан ряд микросенсоров MOSFET для измерения физических , химических , биологических параметров и параметров окружающей среды . ^[10] В начале 21 века проводились исследования наноэлектромеханических систем (НЭМС).

Современная практика

Сегодня электромеханические процессы в основном используются энергетическими компаниями. Все генераторы на топливе преобразуют механическое движение в электрическую энергию. Некоторые возобновляемые источники энергии, такие как ветер и гидроэлектроэнергия, приводятся в действие механическими системами, которые также преобразуют движение в электричество.

За последние тридцать лет 20-го века оборудование, в котором обычно использовались электромеханические устройства, стало дешевле. Это оборудование стало дешевле, поскольку в нем использовались более надежно интегрированные микроконтроллеры , содержащие в конечном итоге несколько миллионов транзисторов, и программа , выполняющая ту же задачу с помощью логики. Среди электромеханических компонентов были только движущиеся части, такие как механические электрические приводы . Эта более надежная логика заменила большинство электромеханических устройств, поскольку любая точка системы, которая для правильной работы должна полагаться на механическое движение, неизбежно будет иметь механический износ и в конечном итоге выйдет из строя. Правильно спроектированные электронные схемы без движущихся частей будут продолжать работать правильно почти бесконечно и используются в большинстве простых систем управления с обратной связью. Схемы без движущихся частей встречаются во многих предметах: от светофоров до стиральных машин .

Еще одно электромеханическое устройство — пьезоэлектрические устройства , но в них не используются электромагнитные принципы. Пьезоэлектрические устройства могут создавать звук или вибрацию из электрического сигнала или создавать электрический сигнал из звука или механической вибрации.

Чтобы стать инженером-электромехаником, типичные курсы в колледже включают математику, инженерное дело, информатику, проектирование машин и другие автомобильные занятия, которые помогают приобрести навыки поиска и устранения неисправностей и анализа проблем с машинами. Чтобы стать инженером-электромехаником, требуется степень бакалавра, обычно в области электротехники, механики или электромеханики. По состоянию на апрель 2018 года только два университета, Мичиганский технологический университет и Вентвортский технологический институт , предлагают специальность «электромеханическая инженерия». ^{[ нужна ссылка ]}. Чтобы войти в область электромеханики в качестве техника начального уровня, достаточно иметь ассоциативную степень.

По состоянию на 2016 год около 13 800 человек работают техниками-электромеханиками в США. Прогноз занятости технических специалистов на 2016–2026 годы составляет 4%, что означает изменение занятости на 500 должностей. Этот прогноз медленнее среднего. ^[11]

См. также

Ссылки

Цитаты

^ Курс электромеханики для студентов-электротехников, 1-й семестр 3-го курса, Колумбийский университет, адаптировано из книги профессора Ф. Э. Нифера «Электричество и магнетизм». Фицхью Таунсенд. 1901.
^ Сольц, Т.; Коновроцкий, Роберт; Михайлов, М.; Преговская, А. (2014). «Исследование эффектов динамической электромеханической связи в системах привода машин с асинхронными двигателями». Механические системы и обработка сигналов . 49 (1–2). Механические системы и обработка сигналов, Том 49, стр. 118–134: 118–134. Бибкод : 2014MSSP...49..118S . дои : 10.1016/j.ymssp.2014.04.004 .
^ Элементы электричества , «Часть V. Электромеханика». ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}Вирт Робинсон. Джон Уайли и сыновья, Incorporated, 1922 год.
^ Коновроцкий, Роберт; Сольц, Т.; Почанке, А.; Преговская, А. (2016). «Влияние моделей управления шаговым двигателем и трения на точное позиционирование сложной механической системы». Механические системы и обработка сигналов . 70–71. Механические системы и обработка сигналов, том 70–71, стр. 397–413: 397–413. Бибкод : 2016MSSP...70..397K . дои : 10.1016/j.ymssp.2015.09.030 . ISSN 0888-3270 .
^ «Электромагнитный вращательный аппарат (двигатель) Майкла Фарадея» . Проверено 14 апреля 2018 г.
^ «Генератор Майкла Фарадея» . Проверено 14 апреля 2018 г.
^ «Первая мировая война: технологии и оружие войны | NCpedia» . www.ncpedia.org . Проверено 22 апреля 2018 г.
^ Рай-Чоудхури, П. (2000). Технологии и приложения MEMS и MOEMS . СПИ Пресс . стр. ix, 3. ISBN 9780819437167 .
^ Натансон Х.К., Викстром Р.А. (1965). «Кремниевый поверхностный транзистор с резонансным затвором и высокой добротностью в полосе пропускания». Прил. Физ. Летт. 7 (4): 84–86. Бибкод : 1965АпФЛ...7...84Н . дои : 10.1063/1.1754323 .
^ Бергвельд, Пит (октябрь 1985 г.). «Воздействие датчиков на основе MOSFET» (PDF) . Датчики и исполнительные механизмы . 8 (2): 109–127. Бибкод : 1985SeAc....8..109B . дои : 10.1016/0250-6874(85)87009-8 . ISSN 0250-6874 . Архивировано из оригинала (PDF) 26 апреля 2021 г. Проверено 19 октября 2019 г.
^ Бюро статистики труда, Министерство труда США, Справочник по профессиональным перспективам, техники-электромеханики, в Интернете по адресу http://www.bls.gov/ooh/architecture-and-engineering/electro-mechanical-technicians.htm ( посетили 13 апреля 2018 г.).

Источники

Давим, Дж. Пауло, редактор (2011) Mechatronics , John Wiley & Sons ISBN 978-1-84821-308-1 .
Фурлани, Эдвард П. (15 августа 2001 г.). Постоянные магниты и электромеханические устройства: материалы, анализ и применение . Серия академической прессы по электромагнетизму. Сан-Диего: Академическая пресса . ISBN 978-0-12-269951-1 . OCLC 47726317 .
Краузе, Пол К.; Васинчук, Олег (1989). Электромеханические устройства перемещения . Серия McGraw-Hill по электротехнике и вычислительной технике. Нью-Йорк: МакГроу-Хилл . ISBN 978-0-07-035494-4 . OCLC 18224514 .
Шольц Т., Коновроцкий Р., Михайлов М., Преговска А., Исследование эффектов динамической электромеханической связи в системах привода машин с приводом от асинхронных двигателей, механических системах и обработке сигналов, ISSN 0888-3270 , Том 49, стр. 118–134, 2014 г.
«Первая мировая война: технологии и оружие войны | NCpedia». www.ncpedia.org . Проверено 22 апреля 2018 г.

Дальнейшее чтение

Первый курс электромеханики. Хью Хилдрет Скиллинг. Уайли, 1960 год.
Электромеханика: первый курс электромеханического преобразования энергии, Том 1. Хью Хилдрет Скиллинг. RE Krieger Паб. Ко., 1 января 1979 г.
Электромеханика и электрические машины. Дж. Ф. Линдсей, М. Х. Рашид. Прентис-Холл, 1986.
Электромеханические устройства перемещения. Хи-Донг Чай. Прентис Холл PTR, 1998.
Мехатроника: электромеханика и контрмеханика. Денни К. Миу. Спрингер Лондон, Лимитед, 2011 г.

[1] Курс электромеханики для студентов-электротехников, 1-й семестр 3-го курса, Колумбийский университет, адаптировано из книги профессора Ф. Э. Нифера «Электричество и магнетизм». Фицхью Таунсенд. 1901.

[2] Сольц, Т.; Коновроцкий, Роберт; Михайлов, М.; Преговская, А. (2014). «Исследование эффектов динамической электромеханической связи в системах привода машин с асинхронными двигателями». Механические системы и обработка сигналов . 49 (1–2). Механические системы и обработка сигналов, Том 49, стр. 118–134: 118–134. Бибкод : 2014MSSP...49..118S . дои : 10.1016/j.ymssp.2014.04.004 .

[3] Элементы электричества , «Часть V. Электромеханика». ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}Вирт Робинсон. Джон Уайли и сыновья, Incorporated, 1922 год.

[4] Коновроцкий, Роберт; Сольц, Т.; Почанке, А.; Преговская, А. (2016). «Влияние моделей управления шаговым двигателем и трения на точное позиционирование сложной механической системы». Механические системы и обработка сигналов . 70–71. Механические системы и обработка сигналов, том 70–71, стр. 397–413: 397–413. Бибкод : 2016MSSP...70..397K . дои : 10.1016/j.ymssp.2015.09.030 . ISSN 0888-3270 .

[5] «Электромагнитный вращательный аппарат (двигатель) Майкла Фарадея» . Проверено 14 апреля 2018 г.

[6] «Генератор Майкла Фарадея» . Проверено 14 апреля 2018 г.

[7] «Первая мировая война: технологии и оружие войны | NCpedia» . www.ncpedia.org . Проверено 22 апреля 2018 г.

[8] Рай-Чоудхури, П. (2000). Технологии и приложения MEMS и MOEMS . СПИ Пресс . стр. ix, 3. ISBN 9780819437167 .

[9] Натансон Х.К., Викстром Р.А. (1965). «Кремниевый поверхностный транзистор с резонансным затвором и высокой добротностью в полосе пропускания». Прил. Физ. Летт. 7 (4): 84–86. Бибкод : 1965АпФЛ...7...84Н . дои : 10.1063/1.1754323 .

[Bergveld-10] Бергвельд, Пит (октябрь 1985 г.). «Воздействие датчиков на основе MOSFET» (PDF) . Датчики и исполнительные механизмы . 8 (2): 109–127. Бибкод : 1985SeAc....8..109B . дои : 10.1016/0250-6874(85)87009-8 . ISSN 0250-6874 . Архивировано из оригинала (PDF) 26 апреля 2021 г. Проверено 19 октября 2019 г.

[11] Бюро статистики труда, Министерство труда США, Справочник по профессиональным перспективам, техники-электромеханики, в Интернете по адресу http://www.bls.gov/ooh/architecture-and-engineering/electro-mechanical-technicians.htm ( посетили 13 апреля 2018 г.).

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]