LU机电系统课程辅导|常见机电系统及工作原理

发布时间：2023-10-31 10:51

几乎所有移动设备都由机电系统提供动力。这些系统存在于大多数电机、电磁阀和机电一体化装置中。从汽车车窗到电动座椅，从洗衣机到烘干机，我们日常生活中使用的许多产品都依赖于这些系统。下面介绍三种最常见的机电系统和设备及其工作原理。
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1.电动机

电动机本质上是一种电机，它在电气系统的驱动下，通过一组齿轮和磁场将电能(电流)转换为机械能(扭矩)。电气系统可以从各种直流(DC)和交流(AC)电源中获取电力，包括电池和整流器(直流电源)以及电网、逆变器和发电机(交流电源)。使用电动机的最常见产品是风扇、搅拌机和电动窗。

当然，电动机并不局限于家用。电动机与一些使全球化成为可能的事物有着内在联系。例如，电动机用于为一些最大的货轮提供动力，这些货轮从世界各地运输货物，供国内消费。电动机还用于挤压石油和天然气，使其能够安全地通过连接油井和炼油厂的长达数英里的管道--随着世界人口和技术消费的增长，这种应用正变得越来越重要，从而导致对能源的需求。

总之，电动机有多种类型和规格，其中主要有三类在较低电压范围(6-24V)内工作。它们是：

1.1 直流有刷电动机

有刷直流电机是一种内部换向的电机，设计用于在直流电源下运行。电机由几个主要部件组成。永久磁铁(也称为定子磁铁)位于电机外壳外，一侧为正极，另一侧为负极。与电机中心的电机轴相连的是几个绕组(或电枢绕组)(绕组由一个或多个绕组组成，形成一个连续的线圈，电流通过线圈)，这些绕组又与金属板相连。绕组还与一对称为换向器的金属板相连。当金属电刷工作时，它们与换向器接触;当向金属电刷施加直流电压时，电流会传输到换向器，从而改变电枢绕组周围的磁场，使线圈在永久磁铁之间旋转。有刷直流电机的转速和扭矩可根据电源进行调节。有刷直流电机的优点是购买成本相对较低，使用方便(只需连接直流电源)，低速时扭矩大，这在电机启动时有负载的情况下非常有用。

有刷电机通常用于电力驱动、起重机、造纸机和炼钢厂，但实际上它们随处可见。你现在的手掌中可能就有一个，因为你的智能手机可能就有一个能产生触觉反馈(振动)的小型有刷直流电机。当电刷磨损需要更换时，带有电力电子设备的无刷直流电机在许多应用中取代了有刷直流电机。

不过，即使在某些应用中被无刷直流电机取代，我们仍应尊重有刷直流电机。有刷直流电机是最早提供商用机械能的产品，因此无疑对我们当今世界的发展起到了重要作用。

1.2 无刷直流电机

与无刷直流电机一样，顾名思义，无刷直流电机也是直流电机。它们由转子上的永久磁铁和固定的定子线圈(电磁铁)组成。当转子转动时，末端的一个或多个传感器会向控制电路发送信号，从而串联切换定子线圈。与有刷电机相比，无刷电机的优点是使用寿命长(有刷电机中使用的电刷会随着时间的推移而磨损，从而缩短电机的使用寿命)、功率重量比高、速度高和电子控制。由于无刷电机由计算机控制，因此精度更高。增加定子中电磁铁的数量也可以提高无刷电机的精度。

计算机控制在很大程度上也提高了无刷电机的效率;直流无刷电机的工作效率约为 75-80%，而直流无刷电机的工作效率接近 85-90%。由于电机中没有电刷，因此无刷电机更安静，也不会产生危险的火花。无刷直流电机的缺点是需要初始投资，但电机的长使用寿命很快就能弥补这一缺点。无刷电机可用于计算机外围设备(磁盘驱动器、打印机)、手动工具、工业机器人和车辆(从小型飞机到汽车)。

1.3 步进电机

与无刷直流电机不同，步进电机不需要传感器。它们有一个中心带有永久磁铁的转子，可在定子的固定绕组内自由转动。控制电路周期性地将电流注入绕组，产生磁场。当磁铁与线圈极性相同的一端被排斥，另一端被吸引时，磁铁就会旋转并启动电机。在更细的层面上，内部磁铁被分为几个部分，就像钟表齿轮上的齿一样。这些 "齿 "穿过环绕磁铁的外线圈。

2.电磁阀

螺线管是一种电磁铁，当电流流经导线时会产生受控磁场，从而产生线性运动。它也可以不用作电磁铁，而是用作减缓电流变化的电感器。螺线管由缠绕在柱塞上的蘑菇状线圈组成，柱塞通常由铁制成。由于螺线管使用电磁铁，可以通过计算机程序或中断电流来开关，因此作为开关或阀门特别有用，经常用于汽车钥匙、门铃和许多自动化工业系统等产品中。螺线管有多种类型，例如

机电式螺线管 - 由缠绕在移动钢片或铁片上的电磁感应线圈组成，常见于电子墨水标记器、弹球机、点阵打印机和喷油器中。

旋转螺线管 - 通电时用于旋转闩锁机构，20 世纪 50 年代首次应用于使用旋转触发器自动化的机电控制装置。

旋转跟踪线圈是螺线管的旋转版本，常用于光盘驱动器等应用中。

气动电磁线圈是一种开关，旨在将空气导入任何气动设备，从而用相对较小的信号控制较大的设备。它也是电子控制器和气动系统之间的接口。

液压电磁阀 - 这是一种控制液压流体流量的阀门，常见于洗衣机等家用电器中，用于控制滚筒中的水流和水量。

汽车启动电磁阀是汽车点火系统的一部分，用于启动发动机，从汽车蓄电池传输大电流，从点火开关传输小电流。