Электромеханика [1] [2] [3] [4] объединяет процессы и процедуры, взятые 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 из механического процесса ( генератор ) или использоваться для питания механического эффекта ( двигатель ). Электротехника в этом контексте также охватывает электронную инженерию .
Электромеханические устройства — это устройства, которые имеют как электрические, так и механические процессы. Строго говоря, ручной переключатель является электромеханическим компонентом из-за механического движения, вызывающего электрический выход. Хотя это верно, термин обычно понимается как относящийся к устройствам, которые включают электрический сигнал для создания механического движения или наоборот механическое движение для создания электрического сигнала. Часто с использованием электромагнитных принципов, таких как в реле , которые позволяют напряжению или току управлять другим, обычно изолированным напряжением или током цепи путем механического переключения наборов контактов, и соленоидов , с помощью которых напряжение может приводить в действие подвижную связь, как в соленоидных клапанах.
До развития современной электроники электромеханические устройства широко использовались в сложных подсистемах деталей, включая электрические пишущие машинки , телетайпы , часы , начальные телевизионные системы и самые первые 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 Христиан 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 на дне. Когда провод был подключен к батарее, создавалось магнитное поле, и это взаимодействие с магнитным полем, создаваемым магнитом, заставляло провод вращаться.
Десять лет спустя был изобретен первый электрический генератор, снова Майклом Фарадеем. Этот генератор состоял из магнита, проходящего через катушку провода и индуцирующего ток, который измерялся гальванометром. Исследования и эксперименты Фарадея в области электричества являются основой большинства современных электромеханических принципов, известных сегодня. [6]
Интерес к электромеханике резко возрос с исследованиями в области дальней связи. Быстрый рост производства в результате промышленной революции породил спрос на внутриконтинентальную связь, что позволило электромеханике проложить себе путь в сферу общественных услуг. Реле возникли вместе с телеграфией, поскольку электромеханические устройства использовались для восстановления телеграфных сигналов. Коммутатор Строуджера , панельный коммутатор и подобные устройства широко использовались в ранних автоматизированных телефонных станциях . Координатные коммутаторы впервые были широко установлены в середине 20-го века в Швеции , Соединенных Штатах , Канаде и Великобритании , и они быстро распространились по всему миру.
Электромеханические системы пережили огромный скачок в развитии с 1910 по 1945 год, когда мир дважды был втянут в мировую войну. Первая мировая война ознаменовалась всплеском новой электромеханики, поскольку прожекторы и радиоприемники использовались всеми странами. [7] Ко Второй мировой войне страны разработали и централизовали свои военные силы вокруг универсальности и мощности электромеханики. Одним из примеров, которые все еще используются сегодня, является генератор переменного тока , который был создан для питания военного оборудования в 1950-х годах, а затем перепрофилирован для автомобилей в 1960-х годах. Послевоенная Америка значительно выиграла от развития электромеханики военными, поскольку домашняя работа была быстро заменена электромеханическими системами, такими как микроволновые печи, холодильники и стиральные машины. Электромеханические телевизионные системы конца 19 века были менее успешными.
Электрические пишущие машинки развивались вплоть до 1980-х годов как «пишущие машинки с электроприводом». Они содержали один электрический компонент — двигатель. Если раньше нажатие клавиши напрямую перемещало пишущую планку, то теперь оно включало механические связи, которые направляли механическую энергию от двигателя к пишущей планке. Это также было верно для более позднего IBM Selectric . В Bell Labs в 1946 году был разработан компьютер Bell Model V. Это было устройство на основе электромеханического реле; циклы занимали секунды. В 1968 году электромеханические системы все еще серьезно рассматривались для компьютера управления полетом самолета , пока устройство на основе крупномасштабной интеграционной электроники не было принято в Central Air Data Computer .
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) имеют корни в кремниевой революции , которую можно проследить до двух важных изобретений в области кремниевых полупроводников с 1959 года: монолитная интегральная схема (ИС) Роберта Нойса в Fairchild Semiconductor и полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (МОП-транзистор), изобретенный в Bell Labs между 1955 и 1960 годами, после того как Фрош и Дерик открыли и использовали пассивацию поверхности диоксидом кремния для создания первых планарных транзисторов, первых, в которых сток и исток были расположены рядом на одной поверхности. [8] [9] [10] [11] [12] 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 приборов , поскольку инженеры начали понимать, что кремниевые чипы и МОП-транзисторы могут взаимодействовать и сообщаться с окружающей средой и обрабатывать такие вещи, как химикаты , движения и свет . Один из первых кремниевых датчиков давления был изотропно микрообработан компанией Honeywell в 1962 году. [13]
Ранним примером устройства MEMS является транзистор с резонансным затвором, адаптация MOSFET, разработанная Харви С. Натансоном в 1965 году . [14] В период с 1970-х по начало 1980-х годов был разработан ряд микродатчиков MOSFET для измерения физических , химических , биологических и экологических параметров. [15] В начале 21-го века проводились исследования наноэлектромеханических систем (NEMS).
Сегодня электромеханические процессы в основном используются энергетическими компаниями. Все топливные генераторы преобразуют механическое движение в электрическую энергию. Некоторые возобновляемые источники энергии, такие как ветер и гидроэлектроэнергия, питаются механическими системами, которые также преобразуют движение в электричество.
В последние тридцать лет 20-го века оборудование, которое обычно использовало электромеханические устройства, стало менее дорогим. Это оборудование стало дешевле, потому что оно использовало более надежно интегрированные микроконтроллерные схемы, содержащие в конечном итоге несколько миллионов транзисторов, и программу для выполнения той же задачи с помощью логики. С электромеханическими компонентами были только движущиеся части, такие как механические электрические приводы . Эта более надежная логика заменила большинство электромеханических устройств, потому что любая точка в системе, которая должна полагаться на механическое движение для правильной работы, неизбежно будет иметь механический износ и в конечном итоге выйдет из строя. Правильно спроектированные электронные схемы без движущихся частей будут продолжать правильно работать почти бесконечно и используются в большинстве простых систем управления с обратной связью. Схемы без движущихся частей появляются во многих элементах от светофоров до стиральных машин .
Другое электромеханическое устройство — пьезоэлектрические устройства , но они не используют 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 колледжа включают математику, инженерию, информатику, проектирование машин и другие автомобильные классы, которые помогают получить навыки устранения неисправностей и анализа проблем с машинами. Чтобы стать инженером-электромехаником, требуется степень бакалавра, как правило, в области электротехники, механики или электромеханики. По состоянию на апрель 2018 года только два университета, Мичиганский технологический университет и Технологический институт Уэнтворта , предлагают специальность электромеханическая инженерия [ требуется ссылка ] . Чтобы поступить в электромеханическую область в качестве техника начального уровня, требуется только ассоциативная степень.
По состоянию на 2016 год в США около 13 800 человек работали электромеханиками. Прогноз занятости на 2016-2026 годы для техников составляет 4% роста, что составляет около изменения занятости на 500 должностей. Этот прогноз медленнее среднего. [16]