線性電磁執行器

另一種將電信號轉換為磁場并產生線性運動的電磁執行器稱為線性電磁執行器（LinearSolenoid）。

線性電磁執行器的工作原理與前一教程中介紹的機電繼電器相同，并且與繼電器一樣，它們也可以通過雙極晶體管或MOSFET進行開關和控制。線性電磁執行器是一種電磁設備，它將電能轉換為機械推力或拉力，從而實現線性運動。

線性電磁執行器

線性電磁執行器基本上由一個繞在圓柱形管上的電氣線圈和一個可自由移動的鐵磁執行器（或稱為“柱塞”）組成，柱塞可以在線圈體內“進”和“出”滑動。電磁執行器可用于電氣開啟門鎖、開關閥門、操作機器人肢體和機構，甚至只需通電即可觸發電氣開關。

電磁執行器有多種配置和形式，常見的類型包括線性電磁執行器（也稱為線性機電執行器，LEMA），顧名思義，它產生直線運動；以及旋轉電磁執行器，它在一定角度內產生旋轉運動。

這兩種類型的電磁執行器（線性和旋轉）都可以作為保持型（持續通電）或鎖定型（開關脈沖）使用，鎖定型適用于通電或斷電應用。線性電磁執行器還可以設計為比例運動控制，其中柱塞的位置與輸入功率成正比。

當電流流過導體時，會在其周圍產生磁場。磁場的方向（北極和南極）由導線中電流的方向決定。當電流流過線圈時，線圈就變成了一個“電磁鐵”，產生自己的北極和南極，與永磁體完全相同。

通過控制流過線圈的電流量或改變線圈的匝數，可以增加或減少磁場的強度。以下是一個“電磁鐵”的示例。

當電流通過線圈繞組時，線圈表現得像一個電磁鐵，位于線圈內的柱塞被線圈體內產生的磁通量吸引到線圈中心，從而壓縮連接到柱塞一端的小彈簧。柱塞運動的力和速度取決于線圈內產生的磁通量的強度。

當電源電流“關閉”（斷電）時，線圈先前產生的電磁場崩潰，存儲在壓縮彈簧中的能量將柱塞推回其原始靜止位置。柱塞的這種來回運動稱為電磁執行器的“行程”，即柱塞在“進”或“出”方向上可以移動的最大距離，例如0-30毫米。

線性電磁執行器結構

這種類型的電磁執行器通常稱為線性電磁執行器，因為柱塞的運動方向是線性的。線性電磁執行器有兩種基本配置：拉式（通電時將連接的負載拉向自身）和推式（通電時將負載推離自身）。推式和拉式電磁執行器的結構基本相同，區別在于復位彈簧的位置和柱塞的設計。

拉式線性電磁執行器結構

線性電磁執行器在許多需要開關（進或出）運動的應用中非常有用，例如電子門鎖、氣動或液壓控制閥、機器人、汽車發動機管理、花園灌溉閥門，甚至“叮咚”門鈴中也使用了它。它們有開放式、封閉式或密封管式可供選擇。

旋轉電磁執行器

大多數電磁執行器是線性設備，產生線性來回力或運動。然而，也有旋轉電磁執行器，它從中性位置產生順時針、逆時針或雙向（雙向）的角運動或旋轉運動。

旋轉電磁執行器

旋轉電磁執行器可以替代小型直流電機或步進電機，適用于旋轉角度非常小的應用，旋轉角度是從起始位置到結束位置移動的角度。

常見的旋轉電磁執行器的旋轉角度為25°、35°、45°、60°和90°，以及從某個角度來回的多重運動，例如2位置自復位或歸零旋轉（例如0°-90°-0°）、3位置自復位（例如0°到+45°或0°到-45°）以及2位置鎖定。

旋轉電磁執行器在通電、斷電或電磁場極性改變時產生旋轉運動，從而改變永磁轉子的位置。它們的結構包括一個繞在鋼架上的電氣線圈和一個位于線圈上方的磁性盤，磁性盤連接到輸出軸。

當線圈通電時，電磁場產生多個北極和南極，排斥磁盤的相鄰永磁極，使其以旋轉電磁執行器的機械結構決定的角度旋轉。

旋轉電磁執行器用于自動售貨機或游戲機、閥門控制、相機快門，特殊的高速、低功率或可變位置的電磁執行器具有高力或高扭矩，例如用于點陣打印機、打字機、自動機器或汽車應用等。

電磁執行器的開關控制

通常，電磁執行器（無論是線性還是旋轉）都通過直流電壓操作，但它們也可以通過使用全波橋式整流器整流交流正弦電壓來切換直流電磁執行器。小型直流電磁執行器可以很容易地通過晶體管或MOSFET開關控制，非常適合用于機器人應用。

然而，正如我們之前在機電繼電器中看到的那樣，線性電磁執行器是“感性”設備，因此需要某種形式的電氣保護來防止高反電動勢電壓損壞半導體開關設備。在這種情況下，通常使用“續流二極管”，但也可以使用齊納二極管或小值壓敏電阻。

使用晶體管開關控制電磁執行器

減少能量消耗

電磁執行器（尤其是線性電磁執行器）的主要缺點之一是它們是“感性設備”，由線圈制成。這意味著電磁執行器的線圈具有電阻，并且由于導線的I2R加熱效應，將用于操作它們的部分電能轉換為“熱量”。

換句話說，當長時間連接到電源時，線圈會變熱！電源施加到電磁執行器線圈的時間越長，線圈可能變得越熱。此外，隨著線圈加熱，其電阻也會發生變化，從而減少流過線圈的電流及其磁場強度，因為這直接取決于安匝數。

當線圈持續通電時，電磁執行器的線圈沒有機會冷卻，因為輸入電源始終處于開啟狀態。為了減少這種自感加熱效應，有必要減少線圈通電的時間或減少流過它的電流。

一種減少電流消耗的方法是對電磁執行器線圈施加足夠高的電壓，以提供操作和固定柱塞所需的電磁場，但在激活后將線圈的電源電壓降低到足以保持柱塞在其固定或鎖定位置的水平。實現這一點的一種方法是將合適的“保持”電阻與電磁執行器線圈串聯連接，例如：

減少電磁執行器能量消耗

在這里，開關觸點閉合，短路電阻并將全電源電流直接傳遞到電磁執行器線圈繞組。一旦通電，可以機械連接到電磁執行器柱塞動作的觸點打開，將保持電阻RH與電磁執行器線圈串聯連接。這有效地將電阻與線圈串聯。

通過這種方法，電磁執行器可以無限期地連接到其電源（連續工作周期），因為線圈消耗的功率和產生的熱量大大減少，使用合適的功率電阻可以減少高達85%到90%的功率。然而，電阻消耗的功率也會產生一定的熱量（I2R，歐姆定律），這也需要考慮。

電磁執行器的工作周期

另一種更實用的減少電磁執行器線圈發熱的方法是使用“間歇工作周期”。間歇工作周期意味著線圈以合適的頻率反復“開啟”和“關閉”，以激活柱塞機構，但在波形的關閉期間不允許其斷電。間歇工作周期切換是減少線圈總功耗的一種非常有效的方法。

電磁執行器的工作周期（%ED）是電磁執行器通電的“開啟”時間與一個完整操作周期的總“開啟”和“關閉”時間的比率。換句話說，周期時間等于開啟時間加上關閉時間。工作周期以百分比表示，例如：

間歇工作周期

如果電磁執行器通電30秒，然后斷電90秒，然后再次通電，一個完整周期的總“開啟/關閉”時間為120秒（30+90），則電磁執行器的工作周期為30/120秒或25%。這意味著如果您知道工作周期和關閉時間的值，您可以確定電磁執行器的最大開啟時間。

例如，關閉時間等于15秒，工作周期等于40%，因此開啟時間等于10秒。額定工作周期為100%的電磁執行器意味著它具有連續電壓額定值，因此可以“開啟”或持續通電而不會過熱或損壞。

在本教程中，我們介紹了線性電磁執行器和旋轉電磁執行器作為機電執行器，它們可以用作輸出設備來控制物理過程。

在下一個教程中，我們將繼續探討輸出設備，特別是將電信號轉換為相應旋轉運動的設備。我們將在下一個教程中介紹的輸出設備是直流電機。