Elektromechanik - Electromechanics

Ein Relais ist ein gängiges elektromechanisches Gerät.

Im Maschinenbau , Elektromechanik verbindet Prozesse und aus gezogenem Verfahren Elektrotechnik und Maschinenbau . Die Elektromechanik konzentriert sich auf das Zusammenspiel von elektrischen und mechanischen Systemen als Ganzes und wie die beiden Systeme miteinander interagieren. Dieser Prozess ist besonders ausgeprägt in Systemen wie denen von rotierenden Gleichstrom- oder Wechselstrommaschinen, die so ausgelegt und betrieben werden können, dass sie Strom aus einem mechanischen Prozess erzeugen ( Generator ) oder zum Antrieb einer mechanischen Wirkung ( Motor ) verwendet werden. Elektrotechnik umfasst in diesem Zusammenhang auch Elektrotechnik .

Elektromechanische Geräte sind solche, die sowohl elektrische als auch mechanische Prozesse haben. Streng genommen ist ein handbetätigter Schalter ein elektromechanisches Bauteil, da die mechanische Bewegung einen elektrischen Ausgang bewirkt. Obwohl dies wahr ist, wird der Begriff normalerweise so verstanden, dass er sich auf Geräte bezieht, bei denen ein elektrisches Signal zur Erzeugung einer mechanischen Bewegung oder umgekehrt eine mechanische Bewegung zur Erzeugung eines elektrischen Signals verwendet wird. Oft mit elektromagnetischen Prinzipien wie in Relais , die es einer Spannung oder einem Strom ermöglichen, eine andere, normalerweise isolierte Stromkreisspannung oder einen isolierten Stromkreis durch mechanisches Schalten von Kontaktsätzen zu steuern, und Magnetspulen , durch die eine Spannung ein bewegliches Gestänge wie in Magnetventilen betätigen kann.

Vor der Entwicklung der modernen Elektronik wurden elektromechanische Geräte häufig in komplizierten Teilsystemen von Teilen verwendet, darunter elektrische Schreibmaschinen , Fernschreiber , Uhren , anfängliche Fernsehsysteme und die sehr frühen elektromechanischen Digitalcomputer . Die Festkörperelektronik hat in vielen Anwendungen die Elektromechanik ersetzt.

Geschichte

Der erste Elektromotor wurde 1822 von Michael Faraday erfunden . Der Motor wurde nur ein Jahr entwickelt, nachdem Hans Christian Ørsted entdeckt hatte, dass der elektrische Stromfluss ein proportionales Magnetfeld erzeugt. Dieser frühe Motor war einfach ein Draht, der teilweise in ein Quecksilberglas mit einem Magneten am Boden eingetaucht war. Wenn der Draht an eine Batterie angeschlossen wurde, wurde ein Magnetfeld erzeugt und diese Wechselwirkung mit dem vom Magneten abgegebenen Magnetfeld bewirkte, dass sich der Draht drehte.

Zehn Jahre später wurde der erste elektrische Generator erfunden, wiederum von Michael Faraday. Dieser Generator bestand aus einem Magneten, der durch eine Drahtspule ging und einen Strom induzierte, der mit einem Galvanometer gemessen wurde. Faradays Forschungen und Experimente zur Elektrizität sind die Grundlage der meisten heute bekannten modernen elektromechanischen Prinzipien.

Das Interesse an der Elektromechanik stieg mit der Erforschung der Fernkommunikation. Der rasante Produktionsanstieg der Industriellen Revolution führte zu einer Nachfrage nach intrakontinentaler Kommunikation, die es der Elektromechanik ermöglichte, ihren Weg in den öffentlichen Dienst zu finden. Relais stammen aus der Telegrafie, da elektromechanische Geräte verwendet wurden, um Telegrafensignale zu regenerieren . Der Strowger-Schalter , der Panel-Schalter und ähnliche Geräte wurden in frühen automatisierten Telefonzentralen häufig verwendet . Crossbar-Schalter wurden erstmals Mitte des 20. Jahrhunderts in Schweden , den Vereinigten Staaten , Kanada und Großbritannien weit verbreitet und verbreiteten sich schnell auf den Rest der Welt.

Elektromechanische Systeme erlebten von 1910 bis 1945 einen massiven Fortschritt, als die Welt zweimal in einen globalen Krieg geriet. Der Erste Weltkrieg erlebte einen Ausbruch neuer Elektromechanik, als Scheinwerfer und Radios von allen Ländern verwendet wurden. Bis zum Zweiten Weltkrieg hatten die Länder ihr Militär um die Vielseitigkeit und Leistungsfähigkeit der Elektromechanik herum entwickelt und zentralisiert. Ein Beispiel dafür, das heute noch verwendet wird, ist die Lichtmaschine , die in den 1950er Jahren für den Antrieb militärischer Ausrüstung entwickelt und in den 1960er Jahren für Automobile umfunktioniert wurde. Das Nachkriegsamerika profitierte stark von der Entwicklung der Elektromechanik durch das Militär, da die Hausarbeit schnell durch elektromechanische Systeme wie Mikrowellen, Kühlschränke und Waschmaschinen ersetzt wurde. Die elektromechanischen Fernsehsysteme des späten 19. Jahrhunderts waren weniger erfolgreich.

Elektrische Schreibmaschinen entwickelten sich bis in die 1980er Jahre als "kraftunterstützte Schreibmaschinen". Sie enthielten eine einzige elektrische Komponente, den Motor. Wo zuvor der Tastendruck eine Typenleiste direkt bewegt hatte, griff er jetzt über mechanische Gestänge, die die mechanische Kraft vom Motor in die Typenleiste leiteten. Dies galt auch für die spätere IBM Selectric . In den Bell Labs wurde 1946 der Bell Model V Computer entwickelt. Es war ein elektromechanisches Relais-basiertes Gerät; Zyklen dauerten Sekunden. Im Jahr 1968 waren elektromechanische Systeme noch ernsthaft erwogen für ein Flugzeug Flugsteuerungscomputer, bis ein Gerät auf Basis hoher Integrations Elektronik wurde in der angenommenen Central Air Data Computer .

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS)

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) haben ihre Wurzeln in der Silizium-Revolution , die auf zwei wichtige Silizium- Halbleiter- Erfindungen aus dem Jahr 1959 zurückgeführt werden kann: den monolithischen integrierten Schaltkreis (IC)-Chip von Robert Noyce bei Fairchild Semiconductor und das Metall-Oxid-Halbleiter-Feld. Effekttransistor (MOSFET) von Mohamed M. Atalla und Dawon Kahng von Bell Labs . MOSFET-Skalierung , die Miniaturisierung von MOSFETs auf IC-Chips, führte zur Miniaturisierung der Elektronik (wie durch das Mooresche Gesetz und die Dennard-Skalierung vorhergesagt ). Dies legte den Grundstein für die Miniaturisierung mechanischer Systeme mit der Entwicklung der Mikrobearbeitungstechnologie auf der Grundlage von Silizium- Halbleiterbauelementen , als Ingenieure erkannten, dass Siliziumchips und MOSFETs mit der Umgebung interagieren und kommunizieren und Dinge wie Chemikalien , Bewegungen und Licht verarbeiten können . Einer der ersten Silizium- Drucksensoren wurde 1962 von Honeywell isotrop mikrobearbeitet .

Ein frühes Beispiel für ein MEMS-Bauelement ist der Resonant-Gate-Transistor, eine Adaption des MOSFET, der 1965 von Harvey C. Nathanson entwickelt wurde. In den 1970er bis frühen 1980er Jahren wurden eine Reihe von MOSFET- Mikrosensoren zur Messung von physikalischen , chemischen und biologischen und Umweltparameter . Zu Beginn des 21. Jahrhunderts wurde an nanoelektromechanischen Systemen (NEMS) geforscht .

Moderne Praxis

Elektromechanische Verfahren werden heute hauptsächlich von Energieversorgungsunternehmen eingesetzt. Alle kraftstoffbasierten Generatoren wandeln mechanische Bewegung in elektrische Energie um. Einige erneuerbare Energien wie Wind- und Wasserkraft werden von mechanischen Systemen angetrieben, die auch Bewegung in Strom umwandeln.

In den letzten dreißig Jahren des 20. Jahrhunderts wurden Geräte, die normalerweise elektromechanische Geräte verwendet hätten, billiger. Diese Ausrüstung wurde billiger, weil sie zuverlässigere integrierte Mikrocontroller- Schaltungen verwendete, die letztendlich einige Millionen Transistoren enthielten, und ein Programm , das dieselbe Aufgabe durch Logik löste . Bei elektromechanischen Komponenten gab es nur bewegliche Teile, wie zum Beispiel mechanisch- elektrische Aktuatoren . Diese zuverlässigere Logik hat die meisten elektromechanischen Geräte ersetzt, da jeder Punkt in einem System, der für einen ordnungsgemäßen Betrieb auf mechanische Bewegung angewiesen ist, unweigerlich mechanischen Verschleiß aufweist und schließlich ausfällt. Korrekt konstruierte elektronische Schaltungen ohne bewegliche Teile funktionieren fast unbegrenzt weiterhin korrekt und werden in den meisten einfachen Rückkopplungssteuerungssystemen verwendet. Schaltungen ohne bewegliche Teile tauchen in einer Vielzahl von Artikeln von der Ampel bis zur Waschmaschine auf .

Ein weiteres elektromechanisches Gerät sind piezoelektrische Geräte , die jedoch keine elektromagnetischen Prinzipien verwenden. Piezoelektrische Geräte können aus einem elektrischen Signal Geräusche oder Vibrationen oder aus Geräuschen oder mechanischen Vibrationen ein elektrisches Signal erzeugen.

Um ein Elektromechaniker zu werden, umfassen typische College-Kurse Mathematik, Ingenieurwesen, Informatik, Konstruktion von Maschinen und andere Automobilklassen, die dazu beitragen, Fähigkeiten bei der Fehlerbehebung und Analyse von Problemen mit Maschinen zu erwerben. Um Elektromechaniker zu werden, ist ein Bachelor-Abschluss erforderlich, in der Regel in Elektrotechnik, Maschinenbau oder Elektromechanik. Im April 2018 bieten nur zwei Universitäten, die Michigan Technological University und das Wentworth Institute of Technology , den Studiengang Elektromaschinenbau an. Um als Einstiegstechniker in die Elektromechanik einzusteigen, genügt ein assoziativer Abschluss.

Ab 2016 arbeiten in den USA etwa 13.800 Menschen als Elektromechaniker. Die Jobaussichten für die Jahre 2016 bis 2026 für Techniker betragen 4 % Wachstum, was einer Beschäftigungsänderung von 500 Stellen entspricht. Dieser Ausblick ist langsamer als der Durchschnitt.

Siehe auch

Verweise

Zitate
Quellen
  • Davim, J. Paulo, Herausgeber (2011) Mechatronics , John Wiley & Sons ISBN  978-1-84821-308-1 .
  • Furlani, Edward P. (15. August 2001). Permanentmagnet- und elektromechanische Geräte: Materialien, Analyse und Anwendungen . Academic Press Series in Elektromagnetismus. San Diego: Akademische Presse . ISBN 978-0-12-269951-1. OCLC  47726317 .
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  • "WWI: Technologie und Kriegswaffen | NCpedia". www.ncpedia.org . Abgerufen am 22.04.2018.

Weiterlesen

  • Ein erster Kurs in Elektromechanik. Von Hugh Hildreth Skilling. Wiley, 1960.
  • Elektromechanik: ein erster Kurs in elektromechanischer Energieumwandlung, Band 1. Von Hugh Hildreth Skilling. RE Krieger Pub. Co., 1. Januar 1979.
  • Elektromechanik und elektrische Maschinen. Von JF Lindsay, MH Rashid. Lehrsaal, 1986.
  • Elektromechanische Bewegungsgeräte. Von Hi-Dong Chai. Prentice Hall PTR, 1998.
  • Mechatronik: Elektromechanik und Kontromechanik. Von Denny K. Miu. Springer London, Limited, 2011.