Elektromechanika

Przekaźnik jest powszechnym urządzeniem elektromechanicznym.

W inżynierii elektromechanika łączy procesy i procedury zaczerpnięte z elektrotechniki i inżynierii mechanicznej . Elektromechanika koncentruje się na interakcji systemów elektrycznych i mechanicznych jako całości oraz na tym, jak te dwa systemy współdziałają ze sobą. Proces ten jest szczególnie widoczny w systemach, takich jak obracające się maszyny elektryczne prądu stałego lub przemiennego, które można zaprojektować i obsługiwać w celu generowania energii z procesu mechanicznego ( generator ) lub wykorzystywanego do zasilania efektu mechanicznego ( silnik ). Elektrotechnika w tym kontekście obejmuje również inżynierię elektroniczną .

Urządzenia elektromechaniczne to takie, które mają zarówno procesy elektryczne, jak i mechaniczne. Ściśle mówiąc, ręczny przełącznik jest elementem elektromechanicznym ze względu na ruch mechaniczny powodujący wyjście elektryczne. Chociaż jest to prawdą, termin ten jest zwykle rozumiany jako odnoszący się do urządzeń, które wykorzystują sygnał elektryczny do wytworzenia ruchu mechanicznego lub odwrotnie, ruch mechaniczny do wytworzenia sygnału elektrycznego. Często z udziałem zasad elektromagnetycznych, takich jak przekaźniki , które pozwalają napięciu lub prądowi sterować innym, zwykle izolowanym napięciem obwodu lub prądem, poprzez mechaniczne przełączanie zestawów styków i solenoidów , za pomocą których napięcie może uruchamiać ruchome połączenie, jak w zaworach elektromagnetycznych.

Przed rozwojem nowoczesnej elektroniki urządzenia elektromechaniczne były szeroko stosowane w skomplikowanych podsystemach części, w tym w elektrycznych maszynach do pisania , dalekopisach , zegarach , początkowych systemach telewizyjnych i bardzo wczesnych elektromechanicznych komputerach cyfrowych . Elektronika półprzewodnikowa zastąpiła elektromechanikę w wielu zastosowaniach.

Historia

Pierwszy silnik elektryczny został wynaleziony w 1822 roku przez Michaela Faradaya . Silnik został opracowany zaledwie rok po tym, jak Hans Christian Ørsted odkrył, że przepływ prądu elektrycznego wytwarza proporcjonalne pole magnetyczne. Ten wczesny silnik był po prostu drutem częściowo zanurzonym w szklance rtęci z magnesem na dole. Kiedy drut był podłączony do baterii, powstało pole magnetyczne, a to oddziaływanie z polem magnetycznym wydzielanym przez magnes powodowało obracanie się drutu.

Dziesięć lat później Michael Faradaya wynalazł pierwszy generator elektryczny. Generator ten składał się z magnesu przechodzącego przez cewkę z drutu i indukującego prąd, który mierzono galwanometrem. Badania i eksperymenty Faradaya nad elektrycznością są podstawą większości znanych dziś współczesnych zasad elektromechanicznych.

Zainteresowanie elektromechaniką wzrosło wraz z badaniami nad komunikacją na duże odległości. Szybki wzrost produkcji w okresie rewolucji przemysłowej zrodził zapotrzebowanie na komunikację międzykontynentalną, umożliwiając elektromechanice wejście do służby publicznej. Przekaźniki wywodzą się z telegrafii , ponieważ urządzenia elektromechaniczne były używane do regeneracji sygnałów telegraficznych. Przełącznik Strowger , przełącznik Panel i podobne urządzenia były szeroko stosowane we wczesnych zautomatyzowanych centralach telefonicznych . Przełączniki poprzeczne zostały po raz pierwszy szeroko zainstalowane w połowie XX wieku w Szwecji , Stanach Zjednoczonych , Kanadzie i Wielkiej Brytanii , a te szybko rozprzestrzeniły się na resztę świata.

Systemy elektromechaniczne odnotowały ogromny postęp w latach 1910-1945, kiedy świat dwukrotnie pogrążył się w globalnej wojnie. I wojna światowa była świadkiem wybuchu nowej elektromechaniki, ponieważ reflektory i radia były używane we wszystkich krajach. Do II wojny światowej kraje rozwinęły i scentralizowały swoje wojsko wokół wszechstronności i mocy elektromechaniki. Jednym z przykładów wciąż używanych dzisiaj jest alternator , który został stworzony do zasilania sprzętu wojskowego w latach pięćdziesiątych XX wieku, a później został dostosowany do samochodów w latach sześćdziesiątych. Powojenna Ameryka odniosła ogromne korzyści z rozwoju elektromechaniki przez wojsko, ponieważ prace domowe zostały szybko zastąpione systemami elektromechanicznymi, takimi jak kuchenki mikrofalowe, lodówki i pralki. Elektromechaniczne telewizyjne z końca XIX wieku były mniej skuteczne.

Elektryczne maszyny do pisania rozwijały się do lat 80. XX wieku jako „maszyny do pisania ze wspomaganiem”. Zawierały pojedynczy element elektryczny, silnik. Tam, gdzie wcześniej naciśnięcie klawisza bezpośrednio przesuwało listwę maszynową, teraz włączało mechaniczne połączenia, które kierowały moc mechaniczną z silnika do listwy maszynowej. Dotyczyło to również późniejszego IBM Selectric . W Bell Labs w 1946 roku opracowano komputer Bell Model V. Było to urządzenie oparte na przekaźnikach elektromechanicznych; cykle trwały sekundy. W 1968 roku nadal poważnie rozważano systemy elektromechaniczne dla komputera sterującego lotem samolotu, dopóki urządzenie oparte na integracyjnej na dużą skalę nie zostało przyjęte w Centralnym Komputerze Danych Lotniczych .

Systemy mikroelektromechaniczne (MEMS)

Systemy mikroelektromechaniczne (MEMS) mają swoje korzenie w rewolucji krzemowej , której korzenie sięgają dwóch ważnych wynalazków półprzewodników krzemowych z 1959 roku: monolitycznego układu scalonego (IC) autorstwa Roberta Noyce'a z Fairchild Semiconductor oraz pola metal-tlenek-półprzewodnik tranzystor efektowy (MOSFET) autorstwa Mohameda M. Atalli i Dawona Kahnga z Bell Labs . Skalowanie MOSFET-ów , miniaturyzacja tranzystorów MOSFET w układach scalonych, doprowadziła do miniaturyzacji elektroniki (zgodnie z przewidywaniami prawa Moore'a i skalowania Dennarda ). Położyło to podwaliny pod miniaturyzację systemów mechanicznych wraz z rozwojem technologii mikroobróbki opartej na krzemowych urządzeniach półprzewodnikowych , gdy inżynierowie zaczęli zdawać sobie sprawę, że chipy krzemowe i tranzystory MOSFET mogą wchodzić w interakcje i komunikować się z otoczeniem oraz przetwarzać rzeczy, takie jak chemikalia , ruch i światło . Jeden z pierwszych krzemowych czujników ciśnienia został poddany mikroobróbce izotropowej przez firmę Honeywell w 1962 roku.

Wczesnym przykładem urządzenia MEMS jest tranzystor z bramką rezonansową, będący adaptacją tranzystora MOSFET, opracowany przez Harveya C. Nathansona w 1965 r. W latach 70. i wczesnych 80. opracowano szereg mikroczujników MOSFET do pomiarów fizycznych , chemicznych , biologicznych i parametry środowiskowe . Na początku XXI wieku prowadzone są badania nad systemami nanoelektromechanicznymi (NEMS).

Nowoczesna praktyka

Obecnie procesy elektromechaniczne są wykorzystywane głównie przez przedsiębiorstwa energetyczne. Wszystkie generatory napędzane paliwem przetwarzają ruch mechaniczny na energię elektryczną. Niektóre odnawialne źródła energii, takie jak energia wiatrowa i wodna, są zasilane przez systemy mechaniczne, które również przekształcają ruch w energię elektryczną.

W ostatnich trzydziestu latach XX wieku sprzęt, który na ogół wykorzystywałby urządzenia elektromechaniczne, stał się tańszy. Ten sprzęt stał się tańszy, ponieważ wykorzystywał bardziej niezawodne zintegrowane mikrokontrolera zawierające docelowo kilka milionów tranzystorów oraz program do wykonywania tego samego zadania za pomocą logiki. W przypadku elementów elektromechanicznych były tylko części ruchome, takie jak mechaniczne siłowniki elektryczne . Ta bardziej niezawodna logika zastąpiła większość urządzeń elektromechanicznych, ponieważ każdy punkt w systemie, który musi polegać na ruchu mechanicznym do prawidłowego działania, nieuchronnie ulegnie mechanicznemu zużyciu i ostatecznie ulegnie awarii. Prawidłowo zaprojektowane obwody elektroniczne bez ruchomych części będą działać poprawnie prawie w nieskończoność i są stosowane w większości prostych systemów sterowania ze sprzężeniem zwrotnym. Obwody bez ruchomych części występują w wielu elementach, od sygnalizacji świetlnej po pralki .

Innym urządzeniem elektromechanicznym są urządzenia piezoelektryczne , ale nie wykorzystują one zasad elektromagnetycznych. Urządzenia piezoelektryczne mogą wytwarzać dźwięk lub wibracje z sygnału elektrycznego lub wytwarzać sygnał elektryczny z dźwięku lub wibracji mechanicznych.

Aby zostać inżynierem elektromechanikiem, typowe kursy uniwersyteckie obejmują matematykę, inżynierię, informatykę, projektowanie maszyn i inne zajęcia motoryzacyjne, które pomagają zdobyć umiejętności rozwiązywania problemów i analizowania problemów z maszynami. Aby zostać inżynierem elektromechanikiem, wymagany jest tytuł licencjata, zwykle z inżynierii elektrycznej, mechanicznej lub elektromechanicznej. Od kwietnia 2018 r. tylko dwa uniwersytety, Michigan Technological University i Wentworth Institute of Technology , oferują specjalizację z inżynierii elektromechanicznej ^{[ potrzebne źródło ]} . Aby wejść na pole elektromechaniczne jako technik na poziomie podstawowym, wystarczy stopień asocjacyjny.

Od 2016 roku około 13 800 osób pracuje jako technicy elektromechaniczni w USA. Perspektywy zatrudnienia na lata 2016-2026 dla techników to wzrost o 4%, co oznacza zmianę zatrudnienia o 500 stanowisk. Ta perspektywa jest wolniejsza niż średnia.

Zobacz też

Źródła

cytatów

Davim, J. Paulo, redaktor (2011) Mechatronika , John Wiley & Sons ISBN 978-1-84821-308-1 .
Furlani, Edward P. (15 sierpnia 2001). Magnesy trwałe i urządzenia elektromechaniczne: materiały, analiza i zastosowania . Akademickie serie prasowe dotyczące elektromagnetyzmu. San Diego: prasa akademicka . ISBN 978-0-12-269951-1 . OCLC 47726317 .
Krause, Paul C.; Wasyńczuk, Oleg (1989). Elektromechaniczne urządzenia ruchowe . Seria McGraw-Hill w inżynierii elektrycznej i komputerowej. Nowy Jork: McGraw-Hill . ISBN 978-0-07-035494-4 . OCLC 18224514 .
Szolc T., Konowrocki R., Michajlow M., Pregowska A., Badanie efektów dynamicznego sprzężenia elektromechanicznego w układach napędowych maszyn napędzanych silnikami asynchronicznymi, układy mechaniczne i przetwarzanie sygnałów, ISSN 0888-3270 , tom 49 , s . 118–134, 2014
„I wojna światowa: technologia i broń wojenna | NCpedia” . www.ncpedia.org . Źródło 2018-04-22.

Dalsza lektura

Pierwszy kurs elektromechaniki. Hugh Hildreth Skilling. Wiley, 1960.
Elektromechanika: pierwszy kurs elektromechanicznej konwersji energii, tom 1. Autor: Hugh Hildreth Skilling. Pub RE Krieger. Co., 1 stycznia 1979.
Elektromechanika i maszyny elektryczne. JF Lindsay, MH Rashid. Prentice Hall, 1986.
Elektromechaniczne urządzenia ruchu. Przez Hi-Dong Chai. Prentice Hall PTR, 1998.
Mechatronika: elektromechanika i kontromechanika. Denny K. Miu. Springer Londyn, Limited, 2011.