简述电磁执行器工作原理和常见类型

执行器将给定类型的能量转换为机械能，根据发生能量转换的物理原理，有不同类别的执行器。在工业应用中，比较广泛使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，最重要的方面是执行器的选择，因为执行器的特性直接反映了所采用系统的运动学性能。本文简单介绍其中一种执行器的特性，即电磁执行器。

基本原理

基于电磁原理进行能量转换的执行器称为电磁执行器，它主要是将电能和机械能相互转换。能量转换发生在所谓的气隙中，该气隙将执行器的静止元件（定子或固定触点）和移动元件（转子或动触点）分开。

这些执行器通过磁场产生力和扭矩。与电场相比，磁场具有更高的能量密度。

支配电磁执行器的基本原理是法拉第电磁感应定律、洛伦兹电磁力定律和Biot-Savart定律。由于这种执行器的控制变量是功率转换器驱动器馈入的电流，因此这些都可以很容易地控制。电磁执行器用于许多应用，从使用小型执行器的精确控制到使用电力驱动的非常大的强大单元。

电磁执行器由两个主要电路组成，即电路和磁路。电路根据电路分析定律建立电压和电流，而磁路建立磁通量和磁场强度。在存在磁场的情况下，存在磁通量Φ。磁通密度 B ̅和磁场强度H ̅与材料的磁导率有关。在真空中，磁通密度与磁场强度成正比，并给出为：B‾ = µo H ̅。

其中µo为渗透率常数，其值为4π×10的负7次方。对于铁磁材料，这种关系式为：B ̅ = µr H ̅ . µo H ̅，其中µr H ̅是材料的相对磁导率。通过使用BH曲线，可以分析了材料的磁导率 (µr) 对H̅的依赖性。

洛伦兹定律指出，当载流导体置于磁场中时，它会受到力。如果电流i在长度为L的导体中流动，且存在磁通密度B̅，则所经历的洛伦兹力为：F ̅ = i L ̅ × B ̅。

大多数情况下，B ̅和L ̅是正交的，通过考虑F ̅与B ̅和L ̅ 正交，上式可以写为：F = BLi。

导体在磁场中的运动会在导体上产生电磁力 (emf)。这称为电磁感应定律或法拉第定律。根据该定律，在闭合电路中感应的电动势等于通过电路的磁通量的变化率。因此，E = – dΦ/dt。

此外，Biot-Savart 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，它被给出为：B = (µo µr i) / (2πr)。

以上就是作为电磁执行器基本原理的三个重要定律。

基于电磁学的不同执行器

在许多领域，例如汽车、工业自动化、保护系统应用中，会根据尺寸、所需驱动类型、可靠性、成本效益等几个因素使用不同类型的执行器。下面介绍一些常见的电磁执行器。

1. 电动机

电动机是比较通用和常用的电磁执行器，应用广泛。电动机将电能转换为机械能。它由固定定子和旋转转子两部分组成。

当静止的定子被磁场激励时，载流转子根据洛伦兹力原理开始旋转。这些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。

• 根据供电的性质，电动机分为直流电动机和交流电动机。直流电机采用直流源励磁，分为他励电机和自励电机两大类。自励电机又分为并联绕线、串绕和复合绕线电机。这些电机可以通过适度的驱动器轻松控制。与交流电机相比，这些电机的价格也更低。
• 交流电机采用交流电源供电，主要分为单相和三相电机。
• 单相电机可以是感应电机或同步电机。单相感应电动机由带有鼠笼转子的单个定子绕组组成，这些不是自启动电动机。转矩是基于定子和转子之间的电磁感应产生的。转子速度略低于定子的旋转磁场。单相同步电机由永磁转子或带有滑环换向的转子绕组组成。在这些电机中，转子速度与电源频率同步。
• 多相或三相电动机也可以是感应电动机或同步电动机。这些类似于单相感应电动机，但在其定子上有多个绕组。这些是自启动电机。三相同步电动机在其定子上由多个绕组组成，其操作类似于单相同步电动机。
• 取决于磁场的产生方式：电动机分为永磁电动机和电磁电动机两种。
• 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电机、可变磁阻电机和混合型电机，可用于许多电子便携式应用。

2. 螺线管

螺线管是将能量转换为线性或旋转运动的最简单的常见电磁执行器。它们用于许多应用，包括传送带转向器、继电器应用、硬币分配器、电锁机构等。

螺线管由封装在载流线圈内的软铁芯和线圈中心的铁磁柱塞或电枢组成。当电流线圈通电时，线圈中会感应出磁场。该磁场通过关闭固定框架或触点与柱塞之间的气隙，将电枢或柱塞拉到线圈的中心。螺线管可以是线性或旋转类型。

• 线性螺线管

由于柱塞的线性方向运动或动作，这些螺线管称为线性螺线管。它们有两种类型，即推式和拉式线性螺线管。

在拉式螺线管中，当线圈通电时，它将连接的负载（或柱塞）拉向自身，而在推动型中，它将连接的负载推离它。除了柱塞的设计和复位弹簧的位置外，这两种类型的结构都是相同的。

上图显示了当线圈通电时拉动柱塞的拉式螺线管。当线圈断电时，负载本身或作为螺线管组件的整体部分提供的复位弹簧提供返回运动。

• 旋转螺线管

旋转螺线管利用沿倾斜滚道行进的滚珠轴承将直线运动转换为旋转运动。这些螺线管从中间位置产生顺时针或逆时针或两者的旋转或角运动。

当应用程序所需的角运动非常小时，这些螺线管将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，衔铁或柱塞组件被拉向定子。此外，它通过滚道压印确定的弧线旋转。

3. 动圈式执行器

这些致动器也称为音圈执行器器，也是一种沿直线运动的线性执行器。在这种类型的执行器中，线圈被封装在磁性外壳中，励磁电流通过该线圈。

该电流从线圈绕组产生磁通量。基于洛伦兹力原理，产生与磁场密度和电流的乘积成正比的力。

这些类型的致动器有两种形状，即圆柱形和矩形。其设计中的齿轮使构造简单。它们用于许多工业、医疗和汽车移动应用，其中一些特定应用包括光束转向镜、导阀控制、万向节组件等。

4. 继电器

继电器是二元执行器，具有锁定和通电、解锁和断电两种稳定状态。继电器是响应控制信号在两个电路之间提供开关动作的装置。

这些可以是基于不同标准的几种类型，例如基于接触，这些类型分为单刀单掷、单刀双掷、双刀单掷和双刀双掷。其它流行的继电器包括电磁继电器、固态继电器、自锁继电器、极化继电器、干簧继电器等。

上图为吸合电枢式电磁继电器。它由固定触点和移动触点组成。负载电路通过固定触点连接，而电源电路连接到动触点。

控制电路向励磁线圈供电。当控制电路为继电器线圈（或激励线圈）通电时，电枢被吸引到固定触点，因此电源和负载电路都连接起来。当没有向线圈供电时，继电器断电。

继电器主要用作与其相连的设备的保护装置。通讯、家电、汽车、工业控制、电子设备控制等众多应用都需要继电器的基本功能。

基于MEMS的电磁执行器

基于MEMS的电磁执行器是一种使用MEMS（微机电系统）技术通过洛伦兹力方程原理将电能转换为机械能的设备，它可以产生了一类新的微型器件，这些器件采用微加工方法制造，具有巨大的潜力和应用前景。

这些设备基于磁性材料与电磁线圈或磁场源（例如永磁体）之间的磁性或电磁相互作用。但这类设备的主要挑战是如何将磁铁集成到MEMS设备中。这是因为通过MEMS制造3D线圈非常困难。尽管已经尝试使用引线键合线圈制造微尺度的磁致动器，但MEMS磁致动器经常与静电装置竞争。

目前基于MEMS的电磁执行器已经被广泛的应用，主要包括开关、继电器、阀门、谐振器、光开关等。

1、MEMS开关

MEMS开关与二极管和FET等固态开关不同，尽管中断电流的目的是相同的。

MEMS开关由机械移动部件组成，用于改变信号线的两个导电元件之间的距离，以便在欧姆开关的情况下建立或断开欧姆接触，而在电容开关的情况下，它会增加或减少封闭的电容。下图分别显示了欧姆和电容器件的开关原理：

它们由电气元件和致动部分组成，可根据致动方案（如静磁、静电、热或压电）、电气配置（如电容或欧姆接触开关、分流或串联电路架构）进行分类，几何结构，例如水平或垂直驱动、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断状态隔离。但是它们存在速度和可靠性低的问题。

2、MEMS继电器

继电器的主要作用是打开或关闭，以便它们可以接通或断开电路。MEMS继电器是基于MEMS技术制造的微型机械继电器。MEMS继电器的理想特性是良好的导通和截止特性，触点之间的间隙应最小，接触电阻低，继电器处于截止状态时的关断电压大，开关速度应高。

不过，由于不适合MEMS制造的磁线圈的三维性质，该器件的设计更加复杂。现今已经采取了先进的步骤来生产MEMS继电器，例如光刻方法等。

由于制造复杂性高，商业继电器的成功前景不确定。但对于微继电器技术，一般是使用静电或电热致动原理。

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，通过在它们之间施加足够的电压可以使它们接触。通过在运动部件上布置合适的导体和触点来执行继电器动作。静电力随致动器中产生的电场的平方而变化，并且工作电压随着距离的增加而线性增加。

这也是设计静电驱动继电器的主要困难，因为很难在保持驱动电压在实际范围内的同时实现合理的接触间隙。

总结

以上就是关于电磁执行器工作原理以及几种常见类型。简单来说，电磁执行器就是基于电磁原理将能量进行转换的执行器，而根据使用性质的不同，电磁执行器也分为多个种类。

目前，在工业生产过程自动控制系统中，电磁执行器的应用是非常的广泛，它主要是调节仪表或其他控制装置的信号为输入信号，最终按一定调节规律调节被控对象输入量。