线性电磁执行器

另一种将电信号转换为磁场并产生线性运动的电磁执行器称为线性电磁执行器（LinearSolenoid）。

线性电磁执行器的工作原理与前一教程中介绍的机电继电器相同，并且与继电器一样，它们也可以通过双极晶体管或MOSFET进行开关和控制。线性电磁执行器是一种电磁设备，它将电能转换为机械推力或拉力，从而实现线性运动。

线性电磁执行器

线性电磁执行器基本上由一个绕在圆柱形管上的电气线圈和一个可自由移动的铁磁执行器（或称为“柱塞”）组成，柱塞可以在线圈体内“进”和“出”滑动。电磁执行器可用于电气开启门锁、开关阀门、操作机器人肢体和机构，甚至只需通电即可触发电气开关。

电磁执行器有多种配置和形式，常见的类型包括线性电磁执行器（也称为线性机电执行器，LEMA），顾名思义，它产生直线运动；以及旋转电磁执行器，它在一定角度内产生旋转运动。

这两种类型的电磁执行器（线性和旋转）都可以作为保持型（持续通电）或锁定型（开关脉冲）使用，锁定型适用于通电或断电应用。线性电磁执行器还可以设计为比例运动控制，其中柱塞的位置与输入功率成正比。

当电流流过导体时，会在其周围产生磁场。磁场的方向（北极和南极）由导线中电流的方向决定。当电流流过线圈时，线圈就变成了一个“电磁铁”，产生自己的北极和南极，与永磁体完全相同。

通过控制流过线圈的电流量或改变线圈的匝数，可以增加或减少磁场的强度。以下是一个“电磁铁”的示例。

当电流通过线圈绕组时，线圈表现得像一个电磁铁，位于线圈内的柱塞被线圈体内产生的磁通量吸引到线圈中心，从而压缩连接到柱塞一端的小弹簧。柱塞运动的力和速度取决于线圈内产生的磁通量的强度。

当电源电流“关闭”（断电）时，线圈先前产生的电磁场崩溃，存储在压缩弹簧中的能量将柱塞推回其原始静止位置。柱塞的这种来回运动称为电磁执行器的“行程”，即柱塞在“进”或“出”方向上可以移动的最大距离，例如0-30毫米。

线性电磁执行器结构

这种类型的电磁执行器通常称为线性电磁执行器，因为柱塞的运动方向是线性的。线性电磁执行器有两种基本配置：拉式（通电时将连接的负载拉向自身）和推式（通电时将负载推离自身）。推式和拉式电磁执行器的结构基本相同，区别在于复位弹簧的位置和柱塞的设计。

拉式线性电磁执行器结构

线性电磁执行器在许多需要开关（进或出）运动的应用中非常有用，例如电子门锁、气动或液压控制阀、机器人、汽车发动机管理、花园灌溉阀门，甚至“叮咚”门铃中也使用了它。它们有开放式、封闭式或密封管式可供选择。

旋转电磁执行器

大多数电磁执行器是线性设备，产生线性来回力或运动。然而，也有旋转电磁执行器，它从中性位置产生顺时针、逆时针或双向（双向）的角运动或旋转运动。

旋转电磁执行器

旋转电磁执行器可以替代小型直流电机或步进电机，适用于旋转角度非常小的应用，旋转角度是从起始位置到结束位置移动的角度。

常见的旋转电磁执行器的旋转角度为25°、35°、45°、60°和90°，以及从某个角度来回的多重运动，例如2位置自复位或归零旋转（例如0°-90°-0°）、3位置自复位（例如0°到+45°或0°到-45°）以及2位置锁定。

旋转电磁执行器在通电、断电或电磁场极性改变时产生旋转运动，从而改变永磁转子的位置。它们的结构包括一个绕在钢架上的电气线圈和一个位于线圈上方的磁性盘，磁性盘连接到输出轴。

当线圈通电时，电磁场产生多个北极和南极，排斥磁盘的相邻永磁极，使其以旋转电磁执行器的机械结构决定的角度旋转。

旋转电磁执行器用于自动售货机或游戏机、阀门控制、相机快门，特殊的高速、低功率或可变位置的电磁执行器具有高力或高扭矩，例如用于点阵打印机、打字机、自动机器或汽车应用等。

电磁执行器的开关控制

通常，电磁执行器（无论是线性还是旋转）都通过直流电压操作，但它们也可以通过使用全波桥式整流器整流交流正弦电压来切换直流电磁执行器。小型直流电磁执行器可以很容易地通过晶体管或MOSFET开关控制，非常适合用于机器人应用。

然而，正如我们之前在机电继电器中看到的那样，线性电磁执行器是“感性”设备，因此需要某种形式的电气保护来防止高反电动势电压损坏半导体开关设备。在这种情况下，通常使用“续流二极管”，但也可以使用齐纳二极管或小值压敏电阻。

使用晶体管开关控制电磁执行器

减少能量消耗

电磁执行器（尤其是线性电磁执行器）的主要缺点之一是它们是“感性设备”，由线圈制成。这意味着电磁执行器的线圈具有电阻，并且由于导线的I²R加热效应，将用于操作它们的部分电能转换为“热量”。

换句话说，当长时间连接到电源时，线圈会变热！电源施加到电磁执行器线圈的时间越长，线圈可能变得越热。此外，随着线圈加热，其电阻也会发生变化，从而减少流过线圈的电流及其磁场强度，因为这直接取决于安匝数。

当线圈持续通电时，电磁执行器的线圈没有机会冷却，因为输入电源始终处于开启状态。为了减少这种自感加热效应，有必要减少线圈通电的时间或减少流过它的电流。

一种减少电流消耗的方法是对电磁执行器线圈施加足够高的电压，以提供操作和固定柱塞所需的电磁场，但在激活后将线圈的电源电压降低到足以保持柱塞在其固定或锁定位置的水平。实现这一点的一种方法是将合适的“保持”电阻与电磁执行器线圈串联连接，例如：

减少电磁执行器能量消耗

在这里，开关触点闭合，短路电阻并将全电源电流直接传递到电磁执行器线圈绕组。一旦通电，可以机械连接到电磁执行器柱塞动作的触点打开，将保持电阻RH与电磁执行器线圈串联连接。这有效地将电阻与线圈串联。

通过这种方法，电磁执行器可以无限期地连接到其电源（连续工作周期），因为线圈消耗的功率和产生的热量大大减少，使用合适的功率电阻可以减少高达85%到90%的功率。然而，电阻消耗的功率也会产生一定的热量（I²R，欧姆定律），这也需要考虑。

电磁执行器的工作周期

另一种更实用的减少电磁执行器线圈发热的方法是使用“间歇工作周期”。间歇工作周期意味着线圈以合适的频率反复“开启”和“关闭”，以激活柱塞机构，但在波形的关闭期间不允许其断电。间歇工作周期切换是减少线圈总功耗的一种非常有效的方法。

电磁执行器的工作周期（%ED）是电磁执行器通电的“开启”时间与一个完整操作周期的总“开启”和“关闭”时间的比率。换句话说，周期时间等于开启时间加上关闭时间。工作周期以百分比表示，例如：

间歇工作周期

如果电磁执行器通电30秒，然后断电90秒，然后再次通电，一个完整周期的总“开启/关闭”时间为120秒（30+90），则电磁执行器的工作周期为30/120秒或25%。这意味着如果您知道工作周期和关闭时间的值，您可以确定电磁执行器的最大开启时间。

例如，关闭时间等于15秒，工作周期等于40%，因此开启时间等于10秒。额定工作周期为100%的电磁执行器意味着它具有连续电压额定值，因此可以“开启”或持续通电而不会过热或损坏。

在本教程中，我们介绍了线性电磁执行器和旋转电磁执行器作为机电执行器，它们可以用作输出设备来控制物理过程。

在下一个教程中，我们将继续探讨输出设备，特别是将电信号转换为相应旋转运动的设备。我们将在下一个教程中介绍的输出设备是直流电机。