В машиностроении электромеханика [1] [2] [3] [4] объединяет процессы и процедуры, заимствованные из электротехники и машиностроения . Электромеханика фокусируется на взаимодействии электрических и механических систем в целом и на том, как эти две системы взаимодействуют друг с другом. Этот процесс особенно заметен в таких системах, как вращающиеся электрические машины постоянного или переменного тока, которые могут быть спроектированы и эксплуатироваться для выработки энергии в результате механического процесса ( генератор ) или использоваться для приведения в действие механического эффекта ( двигатель ). Электротехника в этом контексте также включает в себя электронику .
Электромеханические устройства – это устройства, в которых происходят как электрические, так и механические процессы. Строго говоря, переключатель с ручным управлением представляет собой электромеханический компонент, поскольку механическое движение вызывает электрический выход. Хотя это правда, этот термин обычно понимают как относящийся к устройствам, которые используют электрический сигнал для создания механического движения или наоборот механическое движение для создания электрического сигнала. Часто используются электромагнитные принципы, например, в реле , которые позволяют напряжению или току управлять напряжением или током другой, обычно изолированной цепи, путем механического переключения наборов контактов, и соленоидов , с помощью которых напряжение может приводить в действие подвижную связь, как в электромагнитных клапанах.
До развития современной электроники электромеханические устройства широко использовались в сложных подсистемах деталей, включая электрические пишущие машинки , телетайпы , часы , первоначальные телевизионные системы и самые ранние электромеханические цифровые компьютеры . Твердотельная электроника заменила электромеханику во многих приложениях.
Первый электродвигатель был изобретен в 1822 году Майклом Фарадеем . Двигатель был разработан всего через год после того, как Ганс Кристиан Эрстед обнаружил, что поток электрического тока создает пропорциональное магнитное поле. [5] Этот ранний двигатель представлял собой просто провод, частично погруженный в стакан с ртутью с магнитом внизу. Когда провод был подключен к батарее, создавалось магнитное поле, и это взаимодействие с магнитным полем, создаваемым магнитом, заставляло провод вращаться.
Десять лет спустя первый электрический генератор был изобретен Майклом Фарадеем. Этот генератор состоял из магнита, проходящего через катушку с проводом и индуцирующего ток, который измерялся гальванометром. Исследования и эксперименты Фарадея в области электричества лежат в основе большинства современных электромеханических принципов, известных сегодня. [6]
Интерес к электромеханике резко возрос вместе с исследованиями в области связи на больших расстояниях. Быстрый рост производства в результате промышленной революции породил спрос на внутриконтинентальную связь, что позволило электромеханике проникнуть на общественную службу. Реле возникли в телеграфии , поскольку электромеханические устройства использовались для регенерации телеграфных сигналов. Коммутатор Строугера , панельный переключатель и подобные устройства широко использовались в первых автоматизированных телефонных станциях . Ригельные выключатели были впервые широко установлены в середине 20-го века в Швеции , США , Канаде и Великобритании , а затем быстро распространились по всему миру.
В электромеханических системах произошел огромный скачок в развитии с 1910 по 1945 год, когда мир дважды подвергался глобальной войне. Первая мировая война стала свидетелем появления новой электромеханики, поскольку прожекторы и радио использовались во всех странах. [7] Ко времени Второй мировой войны страны развили и централизовали свои вооруженные силы на основе универсальности и мощности электромеханики. Одним из примеров таких устройств, используемых до сих пор, является генератор переменного тока , который был создан для питания военной техники в 1950-х годах, а затем перепрофилирован для автомобилей в 1960-х годах. Послевоенная Америка получила большую выгоду от разработки военными электромеханики, поскольку работа по дому была быстро заменена электромеханическими системами, такими как микроволновые печи, холодильники и стиральные машины. Электромеханические телевизионные системы конца XIX века были менее успешными.
Электрические пишущие машинки до 1980-х годов развивались как «пишущие машинки с усилителем». Они содержали единственный электрический компонент — двигатель. Если раньше нажатие клавиши перемещало печатную панель напрямую, то теперь оно задействовало механические связи, которые направляли механическую энергию от двигателя на печатную панель. То же самое относится и к более поздней IBM Selectric . В Bell Labs в 1946 году был разработан компьютер Bell Model V. Это было электромеханическое релейное устройство; циклы занимали секунды. В 1968 году электромеханические системы все еще серьезно рассматривались для использования в компьютере управления полетом самолета , пока устройство, основанное на крупномасштабной интеграционной электронике, не было принято в Центральном компьютере воздушных данных .
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) уходят корнями в кремниевую революцию , которую можно проследить до двух важных изобретений кремниевых полупроводников 1959 года: монолитной интегральной схемы (ИС) Роберта Нойса из Fairchild Semiconductor и полевой технологии металл-оксид-полупроводник. транзистор с эффектом (MOSFET) Мохамеда М. Аталлы и Давона Канга из Bell Labs . Масштабирование МОП-транзисторов , миниатюризация МОП-транзисторов на микросхемах, привело к миниатюризации электроники (как и предсказывалось законом Мура и масштабированием Деннарда ). Это заложило основы для миниатюризации механических систем с развитием технологии микрообработки на основе кремниевых полупроводниковых устройств , поскольку инженеры начали понимать, что кремниевые чипы и МОП-транзисторы могут взаимодействовать и взаимодействовать с окружающей средой и обрабатывать такие вещи, как химические вещества , движения и свет . Один из первых кремниевых датчиков давления был изготовлен компанией Honeywell изотропной микромеханической обработкой в 1962 году. [8]
Ранним примером устройства МЭМС является транзистор с резонансным затвором, модификация МОП-транзистора, разработанная Харви К. Натансоном в 1965 году . химические , биологические и экологические параметры. [10] В начале 21 века проводились исследования наноэлектромеханических систем (НЭМС).
Сегодня электромеханические процессы в основном используются энергетическими компаниями. Все генераторы на топливе преобразуют механическое движение в электрическую энергию. Некоторые возобновляемые источники энергии, такие как ветер и гидроэлектроэнергия, приводятся в действие механическими системами, которые также преобразуют движение в электричество.
За последние тридцать лет 20-го века оборудование, в котором обычно использовались электромеханические устройства, стало менее дорогим. Это оборудование стало дешевле, поскольку в нем использовались более надежно интегрированные микроконтроллеры , содержащие в конечном итоге несколько миллионов транзисторов, и программа , выполняющая ту же задачу с помощью логики. Среди электромеханических компонентов были только движущиеся части, такие как механические электрические приводы . Эта более надежная логика заменила большинство электромеханических устройств, поскольку любая точка системы, которая для правильной работы должна полагаться на механическое движение, неизбежно будет иметь механический износ и в конечном итоге выйдет из строя. Правильно спроектированные электронные схемы без движущихся частей будут продолжать работать правильно почти бесконечно и используются в большинстве простых систем управления с обратной связью. Схемы без движущихся частей встречаются во многих предметах: от светофоров до стиральных машин .
Еще одно электромеханическое устройство — пьезоэлектрические устройства , но в них не используются электромагнитные принципы. Пьезоэлектрические устройства могут создавать звук или вибрацию из электрического сигнала или создавать электрический сигнал из звука или механической вибрации.
Чтобы стать инженером-электромехаником, типичные курсы в колледже включают математику, инженерное дело, информатику, проектирование машин и другие автомобильные занятия, которые помогают приобрести навыки поиска и устранения неисправностей и анализа проблем с машинами. Чтобы стать инженером-электромехаником, требуется степень бакалавра, обычно в области электротехники, механики или электромеханики. По состоянию на апрель 2018 года только два университета, Мичиганский технологический университет и Вентвортский технологический институт , предлагают специальность « электромеханическая инженерия » . Чтобы войти в область электромеханики в качестве техника начального уровня, достаточно иметь ассоциативную степень.
По состоянию на 2016 год в США техниками-электромеханиками работает около 13 800 человек. Прогноз занятости технических специалистов на 2016–2026 годы составляет 4%, что означает изменение занятости на 500 должностей. Этот прогноз медленнее среднего. [11]