Электромеханика - Electromechanics

В инженерное дело, электромеханика[1][2][3][4] объединяет процессы и процедуры, взятые из электротехника и машиностроение. 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 используется для усиления механического воздействия (мотор ). Электротехника в этом контексте также включает электронная инженерия.

Электромеханические устройства - это устройства, в которых используются как электрические, так и механические процессы. Строго говоря, переключатель с ручным управлением - это электромеханический компонент из-за механического движения, вызывающего электрический выход. Хотя это правда, этот термин обычно понимается как относящийся к устройствам, которые используют электрический сигнал для создания механического движения или наоборот механическое движение для создания электрического сигнала. Часто включают электромагнитные принципы, такие как реле, что позволяет Напряжение или ток для управления другим, обычно изолированным напряжением или током цепи путем механического переключения наборов контактов, и соленоиды, с помощью которого напряжение может приводить в действие подвижную связь, как в соленоидных клапанах.

До появления современной электроники электромеханические устройства широко применялись в сложных подсистемах деталей, в том числе электрические пишущие машинки, телепринтеры, часы, начальная телевидение системы, и очень ранние электромеханические цифровые компьютеры.

История

Первый электродвигатель был изобретен в 1822 г. Майкл Фарадей. Мотор был разработан только через год после Ганс Кристиан Эрстед обнаружил, что поток электрического тока создает пропорциональное магнитное поле.[5] Этот ранний двигатель представлял собой просто провод, частично погруженный в ртутный стакан с магнитом на дне. Когда провод был подключен к батарее, создавалось магнитное поле, и это взаимодействие с магнитным полем, создаваемым магнитом, заставляло провод вращаться.

Десять лет спустя Майкл Фарадей снова изобрел первый электрический генератор. Этот генератор состоял из магнита, проходящего через катушку с проволокой и индуцирующего ток, который измерялся гальванометром. Исследования и эксперименты Фарадея в области электричества являются основой большинства современных электромеханических принципов, известных сегодня.[6]

Интерес к электромеханике резко вырос с исследованиями в области дальней связи. В Индустриальная революция Быстрый рост производства породил спрос на внутриконтинентальную связь, что позволило электромеханике найти свое применение в государственных службах. Реле возникла с телеграфия поскольку электромеханические устройства использовались для возродить телеграфные сигналы. В Переключатель Строуджера, то Переключатель панели, и подобные устройства широко использовались в ранних автоматизированных телефонные станции. Поперечные переключатели были впервые широко установлены в середине 20 века в Швеция, то Соединенные Штаты, Канада, и Великобритания, и они быстро распространились по остальному миру.

В период с 1910 по 1945 год в электромеханических системах произошел огромный скачок, поскольку мир дважды втягивался в глобальную войну. Первая Мировая Война увидел всплеск новой электромеханики, поскольку во всех странах стали использовать прожекторы и радио.[7] От Вторая Мировая Война страны создали и сосредоточили свои вооруженные силы на универсальности и мощи электромеханики. Одним из примеров их использования до сих пор является генератор, который был создан для питания военной техники в 1950-х годах, а затем перепрофилирован для автомобилей в 1960-х. Послевоенная Америка сильно выиграла от развития электромеханики военными, поскольку работа по дому была быстро заменена электромеханическими системами, такими как микроволновые печи, холодильники и стиральные машины. В электромеханическое телевидение системы конца 19 века были менее успешными.

Электрические пишущие машинки до 1980-х годов разрабатывались как «пишущие машинки с усилителем». Они содержали единственный электрический компонент - двигатель. Если раньше нажатие клавиши приводило к непосредственному перемещению печатной панели, то теперь оно задействовало механические соединения, которые направляли механическую мощность от двигателя на печатную панель. То же самое было и с более поздней IBM Selectric. В Bell Labs, в 1946 г. Модель V компьютер был разработан. Это было устройство на основе электромеханического реле; циклы заняли секунды. В 1968 году электромеханические системы все еще серьезно рассматривались для ЭВМ управления полетом самолета, пока не было создано устройство на основе крупномасштабная интеграция электроника была принята в Центральный компьютер данных о воздухе.

Микроэлектромеханические системы (МЭМС)

Основная статья: Микроэлектромеханические системы
Смотрите также: Наноэлектромеханические системы

Микроэлектромеханические системы (MEMS) уходят корнями в кремниевая революция, который можно проследить до двух важных кремний полупроводник изобретения 1959 года: монолитная интегральная схема (IC) чип Роберт Нойс в Fairchild Semiconductor, а МОП-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник или МОП-транзистор) Мохамед М. Аталла и Давон Канг в Bell Labs. Масштабирование MOSFET, миниатюризация полевых МОП-транзисторов на микросхемах ИС, привела к миниатюризации электроника (как предсказано Закон Мура и Масштабирование Деннарда ). Это заложило основы миниатюризации механических систем с развитием технологии микрообработки на основе кремния. полупроводниковые приборы, поскольку инженеры начали понимать, что кремниевые чипы и полевые МОП-транзисторы могут взаимодействовать и взаимодействовать с окружающей средой и обрабатывать такие вещи, как химикаты, движения и свет. Один из первых кремний датчики давления был изотропно микрообработан Honeywell в 1962 г.[8]

Ранним примером устройства MEMS является транзистор с резонансным затвором, адаптация полевого МОП-транзистора, разработанный Харви С. Натансон в 1965 г.[9] В течение 1970-х - начала 1980-х годов ряд полевых МОП-транзисторов микросенсоры были разработаны для измерения физический, химический, биологический и экологический параметры.[10] В начале 21 века проводились исследования наноэлектромеханические системы (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 гидроэлектростанция 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, потому что использовалось более надежно интегрированное микроконтроллер схемы, содержащие в конечном итоге несколько миллионов транзисторов, и программа выполнить ту же задачу с помощью логики. У электромеханических компонентов были только движущиеся части, например механические. электрические приводы. Эта более надежная логика заменила большинство электромеханических устройств, потому что любая точка в системе, которая должна полагаться на механическое движение для правильной работы, неизбежно будет иметь механический износ и в конечном итоге выйти 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. Цепи без движущихся частей встречаются в большом количестве изделий из светофор к стиральные машины.

Еще одно электромеханическое устройство Пьезоэлектрические устройства, но они не используют 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 колледжа включают математику, инженерию, информатику, проектирование машин и другие автомобильные классы, которые помогают получить навыки 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 Технологический институт Вентворта Предлагаем специальность электромеханика. Чтобы войти в электромеханическую область в качестве техника начального уровня, все, что требуется, - это ассоциативная степень.

По состоянию на 2016 год примерно 13 800 человек работают электромеханиками в США. Перспективы занятости на 2016–2026 годы для технических специалистов - это рост на 4%, что означает изменение занятости на 500 должностей. Этот прогноз ниже среднего.[11]

Смотрите также

использованная литература

Цитаты
  1. ^ Курс электромеханики, для студентов-электротехников, 1-й семестр 3-го курса Колумбийского университета, адаптировано из книги профессора Ф. Э. Нифера «Электричество и магнетизм». От Фитцхью Таунсенд. 1901.
  2. ^ Szolc T .; Коновроцкий Р.; Michajłow M .; Преговска А. (2014). «Исследование эффектов динамической электромеханической связи в системах привода машин, приводимых в движение асинхронными двигателями». Механические системы и обработка сигналов. Механические системы и обработка сигналов, том 49, стр.118-134. 49 (1–2): 118–134. Bibcode:2014MSSP ... 49..118S. Дои:10.1016 / j.ymssp.2014.04.004.
  3. ^ Элементы электричества, "Часть V. Электромеханика." От Вирт Робинсон. John Wiley & sons, Incorporated, 1922 г.
  4. ^ Коновроцкий Р.; Szolc T .; Почанке А .; Преговска А. (2016). «Влияние модели управления шаговым двигателем и трения на точное позиционирование сложной механической системы». Механические системы и обработка сигналов. Механические системы и обработка сигналов, Том 70-71, стр.397-413. 70-71: 397–413. Bibcode:2016MSSP ... 70..397K. Дои:10.1016 / j.ymssp.2015.09.030. ISSN  0888-3270.
  5. ^ «Электромагнитный ротационный аппарат Майкла Фарадея (двигатель)». Получено 2018-04-14.
  6. ^ «Генератор Майкла Фарадея». Получено 2018-04-14.
  7. ^ «Первая мировая война: технологии и оружие войны | NCpedia». www.ncpedia.org. Получено 2018-04-22.
  8. ^ Рай-Чоудхури, П. (2000). Технология и приложения MEMS и MOEMS. SPIE Пресс. стр. ix, 3. ISBN  9780819437167.
  9. ^ Натансон ХК, Викстрем Р.А. (1965). "Кремниевый поверхностный транзистор с резонансным затвором и высокой добротностью полосы пропускания". Appl. Phys. Lett. 7 (4): 84–86. Bibcode:1965АпФЛ ... 7 ... 84Н. Дои:10.1063/1.1754323.
  10. ^ Бергвельд, Пит (Октябрь 1985 г.). «Влияние датчиков на основе MOSFET» (PDF). Датчики и исполнительные механизмы. 8 (2): 109–127. Bibcode:1985SeAc .... 8..109B. Дои:10.1016/0250-6874(85)87009-8. ISSN  0250-6874.
  11. ^ Бюро статистики труда Министерства труда США, Руководство по профессиональным перспективам, Техники-электромеханики, в Интернете по адресу http://www.bls.gov/ooh/architecture-and-engineering/electro-mechanical-techniques.htm (посещено 13 апреля 2018 г.).
Источники
  • Давим, Дж. Пауло, редактор (2011) Мехатроника, Джон Уайли и сыновья ISBN  978-1-84821-308-1 .
  • Фурлани, Эдвард П. (15 августа 2001 г.). Постоянный магнит и электромеханические устройства: материалы, анализ и применение. Серия академической прессы по электромагнетизму. Сан Диего: Академическая пресса. ISBN  978-0-12-269951-1. OCLC  47726317.
  • Krause, Paul C .; Васинчук, Олег (1989). Электромеханические устройства движения. Серия Макгроу-Хилла в области электротехники и вычислительной техники. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN  978-0-07-035494-4. OCLC  18224514.
  • Шолц Т., Коновроцки Р., Михайлов М., Преговска А., Исследование эффектов динамической электромеханической связи в системах привода машин, приводимых в действие асинхронными двигателями, механических системах и обработке сигналов, ISSN  0888-3270, Vol.49, pp. 118–134, 2014 г.
  • «Первая мировая война: технологии и оружие войны | NCpedia». www.ncpedia.org. Проверено 22 апреля 2018.

дальнейшее чтение

  • Первый курс электромеханики. От Хью Хилдрет Скиллинг. Wiley, 1960.
  • Электромеханика: первый курс электромеханического преобразования энергии, Том 1. Автор Хью Хилдрет Скиллинг. R. E. Krieger Pub. Co., 1 января 1979 г.
  • Электромеханика и электрические машины. От Дж. Ф. Линдси, М. Х. Рашид. Прентис-Холл, 1986.
  • Электромеханические двигательные устройства. От Хай-Донг Чай. Prentice Hall PTR, 1998.
  • Мехатроника: электромеханика и контромеханика. От Денни К. Миу. Springer London, Limited, 2011 г.