В инженерии, электромеханика 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 в результате механического процесса (генератор ) или использоваться для обеспечения механического воздействия (двигатель ). Электротехника в этом контексте также включает электронику.
Электромеханические устройства - это устройства, в которых используются как электрические, так и механические процессы. Строго говоря, переключатель с ручным управлением - это электромеханический компонент из-за механического движения, вызывающего электрический выход. Хотя это правда, этот термин обычно понимается как относящийся к устройствам, которые используют электрический сигнал для создания механического движения или наоборот механическое движение для создания электрического сигнала. Часто включают электромагнитные принципы, такие как в реле, которые позволяют напряжению или току управлять другим, обычно изолированным напряжением или током цепи путем механического переключения наборов контактов, и соленоидами, с помощью которого напряжение может привести в действие подвижную связь, как в соленоидных клапанах.
До появления современной электроники электромеханические устройства широко использовались в сложных подсистемах деталей, включая электрические пишущие машинки, телетайпы, часы, начальные телевизионные системы и самые ранние электромеханические цифровые компьютеры.
Первый электродвигатель был изобретен в 1822 году Майклом Фарадеем. Двигатель был разработан всего через год после того, как Ганс Кристиан Эрстед обнаружил, что электрический ток создает пропорциональное магнитное поле. Этот ранний двигатель представлял собой просто провод, частично погруженный в ртутный стакан 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 первый электрический генератор был изобретен снова Майклом Фарадеем. Этот генератор состоял из магнита, проходящего через катушку с проволокой и индуцирующего ток, который измерялся гальванометром. Исследования и эксперименты Фарадея с электричеством лежат в основе большинства современных электромеханических принципов, известных сегодня.
Интерес к электромеханике резко возрос с исследованиями в области дальней связи. Промышленная революция. Быстрый рост производства породил спрос на внутриконтинентальную связь, что позволило электромеханике найти свое место на государственной службе. Реле возникли в телеграфии, поскольку электромеханические устройства использовались для регенерации телеграфных сигналов. Переключатель Строуджера, Панельный переключатель и подобные устройства широко использовались в первых автоматизированных телефонных станциях. Поперечные переключатели были впервые широко установлены в середине 20 века в Швеции, США, Канаде и Великобритании., и они быстро распространились по остальному миру.
В период с 1910 по 1945 год в электромеханических системах произошел огромный скачок, поскольку мир дважды втягивался в глобальную войну. Первая мировая война ознаменовалась всплеском новой электромеханики, поскольку прожекторы и радио стали использовать во всех странах. К Второй мировой войне страны развили и централизовали свои вооруженные силы на основе универсальности и мощи электромеханики. Одним из примеров их использования 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. Послевоенная Америка сильно выиграла от военного развития электромеханики, поскольку домашняя работа была быстро заменена электромеханическими системами, такими как микроволновые печи, холодильники и стиральные машины. Электромеханические телевизионные системы конца 19 века оказались менее успешными.
Электрические пишущие машинки развивались до 1980-х годов как «пишущие машинки с усилителем». Они содержали единственный электрический компонент - двигатель. Если раньше нажатие клавиши приводило к прямому перемещению печатной панели, то теперь оно включало механические соединения, которые направляли механическую мощность от двигателя на печатную панель. То же самое относилось и к более позднему IBM Selectric. В Bell Labs в 1946 году был разработан компьютер Bell Model V. Это было устройство на основе электромеханического реле; циклы заняли секунды. В 1968 году электромеханические системы все еще серьезно рассматривались для компьютера управления полетом самолета, пока устройство, основанное на крупномасштабной интеграции электроники, не было принято в Центральном компьютере данных воздуха.
Микроэлектромеханические системы (MEMS) уходят корнями в кремниевую революцию, которая восходит к двум важным изобретениям кремния полупроводников 1959 года: монолитная интегральная схема (IC) от Роберт Нойс в Fairchild Semiconductor и MOSFET (металл-оксид-полупроводник, поле- транзистор с эффектом или МОП-транзистор) Мохамед М. Аталла и Давон Канг в Bell Labs. Масштабирование полевых МОП-транзисторов, миниатюризация полевых МОП-транзисторов на микросхемах ИС, привело к миниатюризации электроники (как предсказано законом Мура и масштабированием Деннарда ). Это заложило основы миниатюризации механических систем с развитием технологии микрообработки на основе кремниевых полупроводниковых устройств, поскольку инженеры начали понимать, что кремниевые чипы и MOSFET могут взаимодействовать и взаимодействовать с окружающей средой и обрабатывать такие вещи, как химикаты, движения и свет. Один из первых кремниевых датчиков давления был изотропно микромеханически обработан Honeywell в 1962 году.
Ранним примером устройства MEMS является транзистор с резонансным затвором, адаптация полевой МОП-транзистор, разработанный Харви С. Натансоном в 1965 году. В период с 1970-х до начала 1980-х годов был разработан ряд полевых МОП-транзисторов микродатчиков для измерения физических, химические, биологические и параметры окружающей среды. 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 гидроэлектростанция, питаются от механических систем, которые также преобразуют движение в электричество.
За последние тридцать лет 20-го века оборудование, в котором обычно использовались бы электромеханические устройства, стало дешевле. Это оборудование стало дешевле, потому что в нем использовались более надежно интегрированные схемы микроконтроллера, содержащие в конечном итоге несколько миллионов транзисторов, и программа для выполнения той же задачи с помощью логики. У электромеханических компонентов были только подвижные 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 выйти 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. Цепи без движущихся частей встречаются во многих изделиях от светофоров до стиральных машин.
Другим электромеханическим устройством является 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 в устранении неисправностей и анализе 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 Технологический институт Вентворта, предлагают специальность электромеханическая инженерия. Чтобы войти в электромеханическую область в качестве техника начального уровня, все, что требуется, - это ассоциативная степень.
По состоянию на 2016 год примерно 13 800 человек работают электромеханиками в США. Перспективы занятости на 2016–2026 годы для технических специалистов - это рост на 4%, что означает изменение занятости на 500 должностей. Этот прогноз ниже среднего.