线性电磁阀执行器结构开关

另一种将电信号转换为产生线性运动的磁场的电磁执行器称为线性电磁阀。

线性电磁阀工作在与上一个教程中看到的机电继电器基本相同，就像继电器一样，它们也可以使用晶体管或MOSFET进行开关和控制。 “线性电磁阀”是一种将电能转换为机械推力或拉力或运动的电磁装置。

线性电磁阀

线性螺线管基本上由缠绕在圆柱形管上的电线圈组成，该圆柱形管具有铁磁致动器或“柱塞”，其可自由移动或滑动线圈体的“IN”和“OUT”。螺线管可用于电动打开门和闩锁，打开或关闭阀门，移动和操作机器人肢体和机构，甚至通过激励其线圈来启动电气开关。

螺线管提供多种形式，更常见的类型是线性螺线管，也称为线性机电执行器，（LEMA）和旋转螺线管。

两种类型的螺线管，线性和旋转都可用作保持（持续通电）或锁定类型（ON-OFF脉冲），其中锁定类型用于通电或断电应用。如果柱塞位置与功率输入成比例，则线性螺线管也可以设计用于比例运动控制。

当电流流过导体时会产生磁场，并且该磁场的方向也会如此它的北极和南极由电线内的电流方向决定。这个线圈成为“电磁铁”，其自身的北极和南极与永久型磁铁完全相同。

这个磁场的强度可以增加或者通过控制流过线圈的电流量或通过改变线圈具有的匝数或回路数来减小。下面给出了“电磁铁”的一个例子。

线圈产生的磁场

当电流通过线圈绕组时，它的行为类似于电磁铁，位于线圈内部的柱塞通过线圈体内的磁通量设置被吸引到线圈的中心，在转动压缩连接在柱塞一端的小弹簧。柱塞运动的力和速度由线圈内产生的磁通强度决定。

当电源电流“关闭”（断电）时，先前产生的电磁场线圈塌陷并且存储在压缩弹簧中的能量迫使柱塞返回其原始静止位置。柱塞的这种来回运动被称为螺线管“行程”，换句话说，柱塞可以在“IN”或“OUT”方向上行进的最大距离，例如0-30mm。

线性电磁阀结构

由于柱塞的线性方向运动和动作，这种类型的螺线管通常被称为线性电磁阀。线性螺线管有两种基本配置，称为“拉式”，因为它在通电时将连接的负载拉向自身，而在相反方向起作用的“推动式”则在通电时将其推离自身。推拉式和拉力式通常构造相同，不同之处在于复位弹簧的位置和柱塞的设计。

拉式线性电磁阀结构

线性电磁阀适用于许多需要打开或关闭（输入或输出）类型运动的应用，如电子启动门锁，气动或液压控制阀，机器人，汽车发动机管理，灌溉阀门浇水花园甚至“叮咚”门铃有一个。它们有开放式框架，封闭式框架或密封管状类型。

旋转螺线管

大多数电磁螺线管是线性装置，产生线性来回力或运动。但是，也可以使用旋转螺线管，从顺时针，逆时针或两个方向（双向）中性位置产生角度或旋转运动。

旋转电磁阀

旋转电磁阀可用于替换小型直流电机或步进电机，角度运动非常小，旋转角度是从开始到角度的角度。通常可用的旋转螺线管具有25,35,45,60和90 o 的运动以及往返于某一角度的多次运动，例如2-位置自恢复或返回零旋转，例如0到90到0 o ，3位自恢复，例如0 o 到+45 o 或0 o 至-45 o 以及2位锁定。

旋转螺线管产生旋转运动时通电，断电或电磁场极性的变化会改变电磁场的位置永磁转子。它们的结构包括一个缠绕在钢架上的电线圈，磁盘连接到位于线圈上方的输出轴。

当线圈通电时，电磁场产生多个北极和南极，排斥磁盘的相邻永久磁极使其以旋转电磁阀的机械结构确定的角度旋转。

旋转电磁阀用于自动售货机或游戏机，阀门控制，特殊高速摄像机快门可提供具有高力或扭矩的低功率或可变定位螺线管，例如点阵打印机，打字机，自动机器或汽车应用等。

电磁开关

通常螺线管通过施加直流电压进行线性或旋转操作，但它们也可以与交流正弦电压一起使用，通过使用全波桥式整流器来整流电源，然后可以用来切换直流电压电磁阀。小型直流电磁阀可以使用晶体管或MOSFET开关轻松控制，非常适合用于机器人应用。

然而，正如我们之前看到的机电继电器，线性电磁阀是“电感”设备，所以某种形式的在螺线管线圈上需要电气保护，以防止高反电动势电压损坏半导体开关器件。在这种情况下，使用标准的“飞轮二极管”，但您也可以使用齐纳二极管或小值压敏电阻。

使用晶体管切换螺线管

降低能耗

电磁阀，尤其是线性螺线管的主要缺点之一是它们是“电感器件“由线圈制成。这意味着由于电线的阻力，电磁线圈将用于操作它们的一些电能转换为“热量”。

换句话说，当长时间连接到电源时，它们变热！，电源线圈上电的时间越长，线圈就越热。此外，随着线圈升温，其电阻也会发生变化，从而允许更多电流流过，从而增加其温度。

在线圈上施加连续电压输入后，由于输入电源始终处于开启状态，因此电磁线圈无法冷却。为了减少这种自发热效应，必须减少线圈通电的时间或减少流过它的电流量。

消耗更少电流的一种方法是应用适当的足够高的电压给螺线管线圈，以便提供必要的电磁场来操作和安置柱塞，但是一旦被激活，就将线圈供电电压降低到足以将柱塞保持在其就位或锁定位置的水平。实现此目的的一种方法是将适当的“保持”电阻与螺线管线圈串联，例如：

降低电磁阀能耗

这里，开关触点闭合，使电阻短路并将全部电源电流直接传递给电磁线圈绕组。一旦通电，可以机械连接到螺线管柱塞动作的触点打开，将保持电阻器 R H 与螺线管线圈串联。这有效地将电阻器与线圈串联连接。

通过使用这种方法，电磁阀可以无限连接到其电压源（连续工作循环），因为线圈消耗的功率和产生的热量是大大减少，使用合适的功率电阻可以达到85％到90％。然而，电阻消耗的功率也会产生一定的热量，I 2 R（欧姆定律），这也需要考虑。

电磁阀循环

另一种减少螺线管线圈产生的热量的更实用的方法是使用“间歇工作循环”。间歇占空比意味着线圈以合适的频率重复地“接通”和“断开”，以便激活柱塞机构但不允许其在波形的断开期间断电。间歇占空比切换是降低线圈消耗总功率的一种非常有效的方法。

电磁阀的占空比（％ED）是电磁阀通电的“ON”时间的一部分并且是一个完整操作循环的“ON”时间与总“ON”和“OFF”时间的比率。换句话说，循环时间等于开启时间加上开关时间。工作周期以百分比表示，例如：

然后，如果一个电磁阀被“开启”或通电30秒然后再“关闭”90秒，然后再次重新通电，一个完整的循环，总计“开” / OFF“循环时间为120秒，（30 + 90），因此电磁阀的占空比计算为30/120秒或25％。这意味着如果您知道占空比和关闭时间的值，则可以确定电磁阀的最大开关时间。

例如，关闭时间等于15秒，占空比等于40 ％，因此开启时间等于10秒。额定占空比为100％的电磁阀意味着它具有连续的额定电压，因此可以保持“开启”或持续通电而不会过热或损坏。

在本教程中关于螺线管，我们看了在线性电磁阀和旋转电磁阀作为机电执行器，可用作控制物理过程的输出设备。在下一个教程中，我们将继续研究名为执行器的输出设备，以及使用电磁再次将电信号转换为相应的旋转运动的设备。我们将在下一个教程中看到的输出设备类型是直流电机。