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, под этим термином обычно понимают устройства, 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 привел к возникновению спроса 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 впервые были 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]