Почти каждое движущееся устройство приводится в действие электромеханической системой. Эти системы присутствуют в большинстве электродвигателей, соленоидов и мехатроники. От автомобильных стеклоподъемников и сидений с электроприводом до стиральных и сушильных машин — многие продукты, которые мы используем в повседневной жизни, основаны на этих системах. Вот три наиболее распространенных электромеханических системы и устройства и то, как они работают.

1. Электродвигатели

Электродвигатели — это, по сути, электрические машины, которые преобразуют электрическую энергию (электричество) в механическую энергию (крутящий момент) с помощью системы зубчатых колес и магнитных полей, приводимых в действие электрической системой. Электрические системы могут получать питание от ряда различных источников постоянного (постоянного) и переменного (переменного) тока, включая батареи и выпрямители (источники постоянного тока), а также электрические сети, инверторы и электрические генераторы (источники переменного тока). К распространенным продуктам, использующим электродвигатели, относятся вентиляторы, блендеры и электрические стеклоподъемники. Подробнее про Ленинградское электромеханическое производство читайте на страницах специализированного сайта.

Конечно, электродвигатели не ограничиваются только бытовым применением. Электродвигатели неразрывно связаны с некоторыми вещами, которые делают возможной глобализацию. Например, электродвигатели используются для приведения в движение некоторых крупнейших грузовых судов, которые доставляют товары со всего мира для внутреннего потребления. Электродвигатели также используются для сжатия нефти и природного газа, чтобы они могли безопасно перемещаться по километрам трубопроводов, соединяющих скважину и нефтеперерабатывающий завод – применение, которое становится все более важным, поскольку население мира и потребление технологий продолжают расти, а потребность в энергии соответствует.

Короче говоря, существует множество типов и размеров электродвигателей, с тремя основными категориями, работающими в диапазоне более низкого напряжения (6-24 вольта). Это:

● Матовые двигатели постоянного тока

● Бесщеточные двигатели

● Шаговые двигатели

1.1 Матовый двигатель постоянного тока

Щеточный двигатель постоянного тока — это электродвигатель с внутренней коммутацией, предназначенный для работы от источника питания постоянного тока. Двигатель состоит из нескольких ключевых частей. Постоянные магниты, иначе известные как магниты статора, расположены снаружи корпуса двигателя, с одной стороны они положительные, с другой — отрицательные. К валу двигателя в центре двигателя подсоединено несколько проволочных (или якорных) обмоток (проволочная обмотка состоит из одного или нескольких витков провода, образующих непрерывную катушку, пропускающую электрический ток), которые, в свою очередь, соединены с металлическими пластинами. Обмотки также соединены с парой металлических пластин, называемых коммутатором. При работе металлические щетки соприкасаются с коллектором; когда на металлические щетки подается постоянное напряжение, ток передается на коммутатор, что приводит к изменению магнитного поля вокруг катушек якоря, так что катушки вращаются между постоянными магнитами. Характеристики скорости и крутящего момента электродвигателя с щеткой могут быть изменены для адаптации к источнику питания. Среди преимуществ, связанных с электродвигателями постоянного тока с щеткой, можно выделить относительно низкую стоимость приобретения, простоту в эксплуатации (просто подключите источник питания постоянного тока) и высокий крутящий момент на низких оборотах, что может быть полезно при нагрузке на двигатель при запуске.

Щеточные двигатели обычно используются в электрических двигателях, кранах, бумагоделательных машинах и сталепрокатных станах, но на самом деле они используются практически везде. Скорее всего, он даже находится у вас на ладони прямо сейчас, поскольку, скорее всего, в вашем смартфоне есть небольшой щеточный двигатель постоянного тока, который генерирует тактильную обратную связь (вибрацию). Поскольку щетки изнашиваются и требуют замены, бесщеточные двигатели постоянного тока, использующие силовые электронные устройства, вытеснили щеточные двигатели из многих применений.

Тем не менее, электродвигатели постоянного тока с щеткой должны вызывать определенную степень почтения, даже если бесщеточные двигатели постоянного тока заменяют их в некоторых приложениях. Щеточные двигатели постоянного тока были первыми, кто предложил коммерческую жизнеспособность с точки зрения использования механической энергии, поэтому они, несомненно, сыграли значительную роль в формировании мира, который мы знаем сегодня.

1.2 Бесщеточный двигатель постоянного тока

Подобно щеточным двигателям постоянного тока и, как следует из названия, бесщеточные двигатели постоянного тока — это двигатели, работающие на постоянном токе. Он состоит из постоянных магнитов, соединенных с ротором, и неподвижных катушек статора (электромагнитов). Когда ротор вращается, один или несколько датчиков, расположенных близко к его краю, посылают сигнал в схему управления, которая последовательно подает питание на катушки статора. Преимущества бесщеточного двигателя перед щеточными двигателями заключаются в долговечности (щетки, используемые в щеточных двигателях, со временем изнашиваются, что, в свою очередь, сокращает общий срок службы двигателя), высоком соотношении мощности и веса, высокой скорости и электронном управлении. Поскольку бесщеточный двигатель управляется компьютером, он намного точнее. Точность бесщеточных двигателей также может быть повышена за счет увеличения количества электромагнитов на статоре.

Компьютерное управление также во многом отвечает за превосходную эффективность бесщеточных двигателей; в то время как бесщеточные двигатели постоянного тока работают с КПД около 75-80%, бесщеточные двигатели постоянного тока работают ближе к диапазону 85-90%. Бесщеточные двигатели работают тише, и нет никакой вероятности опасного искрообразования, поскольку внутри двигателя нет щеток. Чтобы найти недостаток, связанный с бесщеточными двигателями постоянного тока, можно посмотреть на первоначальные денежные вложения, которые они требуют, но этот недостаток, каким бы он ни был, быстро компенсируется длительным сроком службы этого двигателя. Бесщеточные двигатели можно найти в компьютерной периферии (дисководах, принтерах), ручных электроинструментах, робототехнике, используемой в промышленном секторе, и транспортных средствах, от моделей самолетов до автомобилей.

Шаговый двигатель 1.3

В отличие от бесщеточных двигателей постоянного тока, шаговые двигатели не требуют никаких датчиков. Они имеют ротор с постоянным магнитом в центре, который может свободно вращаться внутри неподвижных катушек статора. Используя схему возбуждения, в катушки периодически подается ток, который создает магнитное поле. Отталкивание конца магнита с той же полярностью, что и у катушки, и притягивание другого приводит к вращению магнита и запуску двигателя. На более детальном уровне внутренний магнит разделен на множество секций, напоминающих зубья, которые вы, например, найдете на зубчатом колесе, используемом в часах или часах. Внешняя катушка, окружающая магнит, имеет соответствующие “зубцы” и генерирует магнитные импульсы, необходимые для притяжения или отталкивания внутреннего магнита. В результате колесо может двигаться очень точно. Что касается применения, шаговые двигатели можно найти в промышленной робототехнике, где точные движения робота и его способность сохранять неподвижность являются неотъемлемой частью производственного процесса. Шаговые двигатели часто очень энергоэффективны.

2. Соленоиды

Соленоид — это тип электромагнита, который генерирует управляемое магнитное поле, когда ток проходит через его провод, чтобы создать линейное движение. Он также может быть использован в качестве индуктора, а не электромагнита, который препятствует изменению электрического тока. Соленоид состоит из катушки проволоки в форме штопора, обернутой вокруг поршня, часто изготовленного из железа. Поскольку в соленоидах используются электромагниты, которые можно включать и выключать с помощью компьютерного приложения или путем отключения тока, они особенно полезны в качестве переключателей или клапанов и обычно встречаются в таких продуктах, как ключи от машины, дверной звонок и множество автоматизированных промышленных систем. Существуют различные типы соленоидов, в том числе следующие:

● Электромеханические соленоиды – они состоят из электромагнитно индуктивной катушки, намотанной на подвижный стальной или железный стержень, и обычно используются в электронных маркерах для пейнтбола, автоматах для игры в пинбол, матричных принтерах и топливных форсунках.

● Вращающиеся соленоиды – они используются для вращения храпового механизма при подаче питания и впервые были применены в 1950-х годах для автоматизации поворотных переключателей в электромеханических системах управления.

● Поворотные тиски – это вращающаяся версия соленоида и широко используемые устройства, такие как дисководы.

● Пневматические соленоидные катушки – это переключатель для направления воздуха к любому пневматическому устройству, позволяющий с помощью относительно небольшого сигнала управлять большим устройством. Это также интерфейс между электронными контроллерами и пневматическими системами.

● Гидравлические электромагнитные клапаны – это клапаны, которые управляют потоком гидравлической жидкости и используются в повседневных предметах домашнего обихода, таких как стиральные машины, для регулирования расхода и количества воды в барабане.

● Соленоиды автомобильного стартера – это часть системы запуска автомобиля, используемая для запуска двигателя путем передачи большого электрического тока от автомобильного аккумулятора и небольшого тока от замка зажигания.

3. Мехатронный

Мехатроника — это междисциплинарная область инженерии, которая сочетает в себе механику, электротехнику и информатику и часто рассматривается как объединение навыков, которые необходимы и будут необходимы для развития современного автоматизированного производства в будущем. Люди, работающие на стыке этих дисциплин, могут также обладать обширными знаниями в области робототехники, электроники и телекоммуникаций, перед которыми стоит задача создания более простых и интеллектуальных систем.

Типичная мехатронная система улавливает сигналы из окружающей среды, обрабатывает их для генерации выходных сигналов, преобразуя их в силы, движения и действия. Многие продукты, которые раньше были чисто механическими, теперь работают на мехатронике, включая различные автомобильные системы, такие как антиблокировочные тормоза, а также предметы домашнего обихода, такие как зеркальные камеры. Такого рода системы представляют собой будущее электромеханической отрасли.

Некоторые из задач, которые выполняют инженеры-мехатроники, варьируются от работы с крупной промышленной робототехникой до создания адаптивных систем управления и разработки прототипов. Спектр отраслей, в которых может найти себя инженер-мехатроник, столь же разнообразен, как и сами проекты; квалифицированные инженеры-мехатроники, безусловно, востребованы в производственном секторе, но авиационная, горнодобывающая, оборонная и транспортная отрасли также нуждаются.

Электромеханические системы есть везде

Электромеханика существует с тех пор, как было изобретено электричество, и со временем становится все более сложной. Хотя электродвигатели по-прежнему будут играть важную роль в будущем, рынок переходит к более мехатронным и электромагнитным системам. Если вы находите эти системы увлекательными и заинтересованы в том, чтобы приобщиться к миру электромеханики, ознакомьтесь с нашей технической программой.