1.8 电磁执行器

执行器将某种形式的能量转换为机械能。根据能量转换所依据的物理原理，执行器分为不同的类别。

在工业应用中广泛使用的执行器类别包括液压执行器、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影响所使用系统的运动学性能。本文主要关注电磁执行器，因此让我们详细探讨这一主题。

电磁执行器简介

电磁执行器是一种基于电磁原理进行能量转换的执行器。电磁执行器将电能和机械能相互转换。

能量转换发生在所谓的气隙中，该气隙分隔了执行器的静止部件（定子或固定触点）和运动部件（转子或活动触点）。

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，这就是在这些传感器中使用磁场的原因。

电磁执行器的基本原理包括法拉第电磁感应定律、洛伦兹力定律和比奥-萨伐尔定律。由于这种执行器的控制变量是由功率变换器驱动的电流，因此它们可以很容易地进行控制。

它们被广泛应用于从小型执行器的精确控制到使用电力驱动的大型强大单元的各种应用中。

电磁传感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。

在磁场存在的情况下，存在磁通量 $\Phi$。磁通密度 $\overline{B}$ 和磁场强度 $\overline{H}$ 通过材料的磁导率相关。在真空中，磁通密度与磁场强度成正比，关系为

$\overline{B} = \mu_0 \overline{H}$

其中 $\mu_0$ 是真空的磁导率常数，其值为 $4\pi \times 10^{-7}$。对于铁磁材料，这种关系为

$\overline{B} = \mu_r \overline{H} \cdot \mu_0 \overline{H}$

其中 $\mu_r \overline{H}$ 是材料的相对磁导率。通过使用 B-H 曲线，分析材料的磁导率（$\mu_r$）对 $\overline{H}$ 的依赖性。

洛伦兹定律指出，当通电导体置于磁场中时，它会受到力的作用。如果电流 $i$ 在长度为 $L$ 的导体中流动，且存在磁通密度 $\overline{B}$，则所受的

洛伦兹力为

$\overline{F} = i \overline{L} \times \overline{B}$

在大多数情况下，$\overline{B}$ 和 $\overline{L}$ 是正交的，考虑到 $\overline{F}$ 与 $\overline{B}$ 和 $\overline{L}$ 正交，上述方程可以写为

$F = B L i$

导体在磁场中的运动会在导体两端产生一个电磁力（emf）。这被称为电磁感应定律或法拉第定律。根据这一定律，闭合电路中感应的 emf 等于通过电路的磁通量的变化率。

因此，

$e = -\frac{d\Phi}{dt}$

比奥-萨伐尔定律描述了由电流产生的磁通密度。对于在垂直距离 $r$ 处的长直导体，其磁通密度为

$B = \frac{\mu_0 \mu_r i}{2\pi r}$

这三条定律是电磁执行器的基本原理。

基于电磁原理的不同执行器

在汽车、工业自动化、保护系统等多个领域，根据尺寸、所需驱动类型、可靠性、成本效益等因素，使用了基于不同原理的执行器。以下讨论一些电磁执行器。

1. 电动机

电动机是一种更为通用且广泛使用的电磁执行器，用于各种应用。它将电能转换为机械能。电动机由静止的定子和旋转的转子两部分组成。

当静止的定子被磁场激励时，根据洛伦兹力原理，通电的转子开始旋转。根据电磁特性或功能，这种执行器被分类如下：

根据电源的性质，电动机被分为直流电机和交流电机。直流电机由直流电源激励，主要分为他励电机和自励电机两大类。自励电机又分为并励、串励和复励电机。这些电机可以通过适中的驱动器进行控制，并且与交流电机相比，它们的价格更为低廉。

交流电机由交流电源供电，主要分为单相电机和三相电机。

单相电机可以是感应电机或同步电机。单相感应电机包含单个定子绕组和松鼠笼式转子，这些电机不是自启动电机。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速度。单相同步电机包含永磁转子或带滑环换向的转子绕组。在这些电机中，转子速度与电源频率同步。

多相或三相电机也可以是感应电机或同步电机。它们与单相感应电机类似，但在其定子上有多个绕组。这些是自启动电机。三相同步电机在其定子上有多个绕组，其工作原理与单相同步电机类似。

根据磁场的产生方式，电动机分为永磁电机和电磁电机两大类。

一个特殊的电机类别包括步进电机和无刷直流电机。步进电机又分为永磁型、变磁阻型和混合型电机。它们被广泛应用于许多电子便携式设备中。

2. 电磁铁执行器

电磁铁是最简单且常见的电磁执行器，它将能量转换为直线或旋转运动。它们被广泛应用于输送机分流器、继电器应用、硬币分配器、电动锁机构等。

电磁铁由一个软铁芯组成，该软铁芯被一个通电的线圈包围，并且在该线圈的中心有一个铁磁性活塞或衔铁。当电流线圈被通电时，线圈中感应出磁场。

这个磁场通过关闭静止框架或触点与活塞之间的气隙，将活塞或衔铁拉向线圈的中心。电磁铁执行器可以是直线型或旋转型的。

直线电磁铁

由于活塞的直线运动或动作，这些电磁铁被称为直线电磁铁。它们分为推力型和拉力型两种。

在拉力型电磁铁中，当线圈被通电时，它会将连接的负载（或活塞）拉向自身，而在推力型中，它将连接的负载推离自身。这两种类型的构造相同，除了活塞的设计和复位弹簧的位置。

当线圈通电时，上述图中的拉力型电磁铁会将活塞拉向自身。当线圈断电时，负载本身或作为电磁铁组件的一部分提供的复位弹簧会提供一个返回动作。

旋转电磁铁

旋转电磁铁通过利用在倾斜轨道上滚动的滚珠将直线运动转换为旋转运动。这些电磁铁从中心位置产生顺时针或逆时针或两者方向的旋转或角运动。

当应用中所需的角运动非常小的时候，这些电磁铁可以替代步进电机和小型直流电机。

当旋转电磁铁的线圈被通电时，衔铁或活塞组件被拉向定子。然后，它通过轨道的倾斜角度旋转。

3. 动圈执行器

动圈执行器也被称为音圈执行器。它是一种沿直线运动的直线执行器。在这种类型的传感器中，线圈被包裹在一个磁性外壳中，并且通过这个线圈通入激励电流。

这个电流从线圈绕组中产生磁场。根据洛伦兹力原理，产生一个与磁场密度和电流的乘积成正比的力。产生的力的大小表示为

$F \propto N I B$

其中

$N$ 是绕组中的匝数

$I$ 是流经绕组的电流

$B$ 是磁场密度

这些执行器有两种形状，即圆柱形和矩形。在其设计中加入齿轮，使其结构简单。它们被广泛应用于许多工业、医疗和汽车领域，一些具体的应用包括光束转向镜、先导阀控制、万向节组件等。

4. 继电器

继电器是具有两个稳定状态的二进制执行器，即锁定和通电或解锁和断电。继电器是一种设备，它根据控制信号在两个电路之间提供切换动作。

根据不同的标准，继电器可以分为多种类型。例如，根据触点类型，它们被分为单极单掷、单极双掷、双极单掷和双极双掷。其他流行的继电器包括电磁继电器、固态继电器、保持继电器、极化继电器、簧片继电器等。

上图展示了一种吸动衔铁型电磁继电器。它由固定触点和活动触点组成。负载电路通过固定触点连接，而电源电路则连接到活动触点。

控制电路为激励线圈提供电源。当控制电路使继电器线圈（或激励线圈）通电时，衔铁会被吸引到固定触点，从而将电源和负载电路连接起来。当线圈未通电时，继电器则处于断电状态。

继电器主要用于作为连接设备的保护装置。此外，继电器的基本功能在许多应用中都是必需的，例如电信、家用电器、汽车、工业控制、电子设备控制等领域。

基于MEMS的磁致动器

基于MEMS（微机电系统）的磁致动器是一种利用MEMS技术将电能转换为机械能的装置，其工作原理基于洛伦兹力公式。

基于MEMS的磁致动器产生了一类新型微器件，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。

这些器件基于磁性材料与电磁线圈或磁场源（例如永磁体）之间的磁或电磁相互作用。然而，此类器件的主要挑战是将磁体集成到MEMS器件中。这是由于采用MEMS技术制造三维线圈非常困难。尽管已经尝试通过线键合线圈在微尺度上制造磁致动器，但MEMS磁致动器通常仍然与静电装置竞争。

这种基于MEMS的磁致动器平台已经为一系列潜在应用而开发，包括开关、继电器、阀门、谐振器、光开关等。

1. MEMS开关

MEMS开关与二极管和场效应晶体管（FET）等固态开关不同，尽管它们的目的是中断电流流动。

MEMS开关包含机械活动部件，用于改变信号线中两个导电元件之间的距离，以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，增加或减少所包含的电容。下图展示了欧姆和电容器件的开关原理。

它们由电气元件和驱动部分组成，可以根据驱动方案（如磁静力、静电、热或压电）、电气配置（如电容或欧姆接触开关、并联或串联电路架构）、几何配置（如水平或垂直驱动、膜、梁、悬臂等）进行分类。

这些开关与固态开关器件相比，具有低功耗和高频开关时更高的断态隔离性能。然而，它们存在速度低和可靠性差的问题。

2. MEMS继电器

继电器的主要作用是接通或断开电路，从而实现电路的闭合或断开。MEMS继电器是基于MEMS技术制造的微型机械继电器。

MEMS继电器的理想特性包括良好的通态和断态特性、触点之间的间隙应尽可能小、低接触电阻、继电器在断态时具有较大的耐压值以及较高的切换速度。

然而，由于磁线圈的三维特性不适合MEMS制造，这些器件的设计更为复杂。已经采取了先进措施来制造MEMS继电器，例如光刻方法，这使得多个研究小组成功开发出电磁MEMS继电器。

由于制造工艺复杂，商业继电器的成功前景尚不确定。但对于微继电器技术，通常采用静电或电热驱动原理。

在基于静电驱动机制的MEMS继电器中，两个绝缘导电板通过一个小气隙隔开，通过在它们之间施加足够的电压可以使其接触。通过在活动部件上布置合适的导体和触点来实现继电器的动作。

静电作用力与驱动器中产生的电场强度的平方成正比，而工作电压则与分离距离呈线性关系。

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