另一種將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)并產(chǎn)生線性運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行器稱為線性電磁執(zhí)行器（LinearSolenoid）。

線性電磁執(zhí)行器的工作原理與前一教程中介紹的機(jī)電繼電器相同，并且與繼電器一樣，它們也可以通過(guò)雙極晶體管或MOSFET進(jìn)行開關(guān)和控制。線性電磁執(zhí)行器是一種電磁設(shè)備，它將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械推力或拉力，從而實(shí)現(xiàn)線性運(yùn)動(dòng)。

線性電磁執(zhí)行器

線性電磁執(zhí)行器基本上由一個(gè)繞在圓柱形管上的電氣線圈和一個(gè)可自由移動(dòng)的鐵磁執(zhí)行器（或稱為“柱塞”）組成，柱塞可以在線圈體內(nèi)“進(jìn)”和“出”滑動(dòng)。電磁執(zhí)行器可用于電氣開啟門鎖、開關(guān)閥門、操作機(jī)器人肢體和機(jī)構(gòu)，甚至只需通電即可觸發(fā)電氣開關(guān)。

電磁執(zhí)行器有多種配置和形式，常見的類型包括線性電磁執(zhí)行器（也稱為線性機(jī)電執(zhí)行器，LEMA），顧名思義，它產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)；以及旋轉(zhuǎn)電磁執(zhí)行器，它在一定角度內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

這兩種類型的電磁執(zhí)行器（線性和旋轉(zhuǎn)）都可以作為保持型（持續(xù)通電）或鎖定型（開關(guān)脈沖）使用，鎖定型適用于通電或斷電應(yīng)用。線性電磁執(zhí)行器還可以設(shè)計(jì)為比例運(yùn)動(dòng)控制，其中柱塞的位置與輸入功率成正比。

當(dāng)電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，會(huì)在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。磁場(chǎng)的方向（北極和南極）由導(dǎo)線中電流的方向決定。當(dāng)電流流過(guò)線圈時(shí)，線圈就變成了一個(gè)“電磁鐵”，產(chǎn)生自己的北極和南極，與永磁體完全相同。

通過(guò)控制流過(guò)線圈的電流量或改變線圈的匝數(shù)，可以增加或減少磁場(chǎng)的強(qiáng)度。以下是一個(gè)“電磁鐵”的示例。

當(dāng)電流通過(guò)線圈繞組時(shí)，線圈表現(xiàn)得像一個(gè)電磁鐵，位于線圈內(nèi)的柱塞被線圈體內(nèi)產(chǎn)生的磁通量吸引到線圈中心，從而壓縮連接到柱塞一端的小彈簧。柱塞運(yùn)動(dòng)的力和速度取決于線圈內(nèi)產(chǎn)生的磁通量的強(qiáng)度。

當(dāng)電源電流“關(guān)閉”（斷電）時(shí)，線圈先前產(chǎn)生的電磁場(chǎng)崩潰，存儲(chǔ)在壓縮彈簧中的能量將柱塞推回其原始靜止位置。柱塞的這種來(lái)回運(yùn)動(dòng)稱為電磁執(zhí)行器的“行程”，即柱塞在“進(jìn)”或“出”方向上可以移動(dòng)的最大距離，例如0-30毫米。

線性電磁執(zhí)行器結(jié)構(gòu)

這種類型的電磁執(zhí)行器通常稱為線性電磁執(zhí)行器，因?yàn)橹倪\(yùn)動(dòng)方向是線性的。線性電磁執(zhí)行器有兩種基本配置：拉式（通電時(shí)將連接的負(fù)載拉向自身）和推式（通電時(shí)將負(fù)載推離自身）。推式和拉式電磁執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)基本相同，區(qū)別在于復(fù)位彈簧的位置和柱塞的設(shè)計(jì)。

拉式線性電磁執(zhí)行器結(jié)構(gòu)

線性電磁執(zhí)行器在許多需要開關(guān)（進(jìn)或出）運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用中非常有用，例如電子門鎖、氣動(dòng)或液壓控制閥、機(jī)器人、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)管理、花園灌溉閥門，甚至“叮咚”門鈴中也使用了它。它們有開放式、封閉式或密封管式可供選擇。

旋轉(zhuǎn)電磁執(zhí)行器

大多數(shù)電磁執(zhí)行器是線性設(shè)備，產(chǎn)生線性來(lái)回力或運(yùn)動(dòng)。然而，也有旋轉(zhuǎn)電磁執(zhí)行器，它從中性位置產(chǎn)生順時(shí)針、逆時(shí)針或雙向（雙向）的角運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

旋轉(zhuǎn)電磁執(zhí)行器

旋轉(zhuǎn)電磁執(zhí)行器可以替代小型直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，適用于旋轉(zhuǎn)角度非常小的應(yīng)用，旋轉(zhuǎn)角度是從起始位置到結(jié)束位置移動(dòng)的角度。

常見的旋轉(zhuǎn)電磁執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)角度為25°、35°、45°、60°和90°，以及從某個(gè)角度來(lái)回的多重運(yùn)動(dòng)，例如2位置自復(fù)位或歸零旋轉(zhuǎn)（例如0°-90°-0°）、3位置自復(fù)位（例如0°到+45°或0°到-45°）以及2位置鎖定。

旋轉(zhuǎn)電磁執(zhí)行器在通電、斷電或電磁場(chǎng)極性改變時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而改變永磁轉(zhuǎn)子的位置。它們的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)繞在鋼架上的電氣線圈和一個(gè)位于線圈上方的磁性盤，磁性盤連接到輸出軸。

當(dāng)線圈通電時(shí)，電磁場(chǎng)產(chǎn)生多個(gè)北極和南極，排斥磁盤的相鄰永磁極，使其以旋轉(zhuǎn)電磁執(zhí)行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)決定的角度旋轉(zhuǎn)。

旋轉(zhuǎn)電磁執(zhí)行器用于自動(dòng)售貨機(jī)或游戲機(jī)、閥門控制、相機(jī)快門，特殊的高速、低功率或可變位置的電磁執(zhí)行器具有高力或高扭矩，例如用于點(diǎn)陣打印機(jī)、打字機(jī)、自動(dòng)機(jī)器或汽車應(yīng)用等。

電磁執(zhí)行器的開關(guān)控制

通常，電磁執(zhí)行器（無(wú)論是線性還是旋轉(zhuǎn)）都通過(guò)直流電壓操作，但它們也可以通過(guò)使用全波橋式整流器整流交流正弦電壓來(lái)切換直流電磁執(zhí)行器。小型直流電磁執(zhí)行器可以很容易地通過(guò)晶體管或MOSFET開關(guān)控制，非常適合用于機(jī)器人應(yīng)用。

然而，正如我們之前在機(jī)電繼電器中看到的那樣，線性電磁執(zhí)行器是“感性”設(shè)備，因此需要某種形式的電氣保護(hù)來(lái)防止高反電動(dòng)勢(shì)電壓損壞半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備。在這種情況下，通常使用“續(xù)流二極管”，但也可以使用齊納二極管或小值壓敏電阻。

使用晶體管開關(guān)控制電磁執(zhí)行器

減少能量消耗

電磁執(zhí)行器（尤其是線性電磁執(zhí)行器）的主要缺點(diǎn)之一是它們是“感性設(shè)備”，由線圈制成。這意味著電磁執(zhí)行器的線圈具有電阻，并且由于導(dǎo)線的I2R加熱效應(yīng)，將用于操作它們的部分電能轉(zhuǎn)換為“熱量”。

換句話說(shuō)，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間連接到電源時(shí)，線圈會(huì)變熱！電源施加到電磁執(zhí)行器線圈的時(shí)間越長(zhǎng)，線圈可能變得越熱。此外，隨著線圈加熱，其電阻也會(huì)發(fā)生變化，從而減少流過(guò)線圈的電流及其磁場(chǎng)強(qiáng)度，因?yàn)檫@直接取決于安匝數(shù)。

當(dāng)線圈持續(xù)通電時(shí)，電磁執(zhí)行器的線圈沒(méi)有機(jī)會(huì)冷卻，因?yàn)檩斎腚娫词冀K處于開啟狀態(tài)。為了減少這種自感加熱效應(yīng)，有必要減少線圈通電的時(shí)間或減少流過(guò)它的電流。

一種減少電流消耗的方法是對(duì)電磁執(zhí)行器線圈施加足夠高的電壓，以提供操作和固定柱塞所需的電磁場(chǎng)，但在激活后將線圈的電源電壓降低到足以保持柱塞在其固定或鎖定位置的水平。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的一種方法是將合適的“保持”電阻與電磁執(zhí)行器線圈串聯(lián)連接，例如：

減少電磁執(zhí)行器能量消耗

在這里，開關(guān)觸點(diǎn)閉合，短路電阻并將全電源電流直接傳遞到電磁執(zhí)行器線圈繞組。一旦通電，可以機(jī)械連接到電磁執(zhí)行器柱塞動(dòng)作的觸點(diǎn)打開，將保持電阻RH與電磁執(zhí)行器線圈串聯(lián)連接。這有效地將電阻與線圈串聯(lián)。

通過(guò)這種方法，電磁執(zhí)行器可以無(wú)限期地連接到其電源（連續(xù)工作周期），因?yàn)榫€圈消耗的功率和產(chǎn)生的熱量大大減少，使用合適的功率電阻可以減少高達(dá)85%到90%的功率。然而，電阻消耗的功率也會(huì)產(chǎn)生一定的熱量（I2R，歐姆定律），這也需要考慮。

電磁執(zhí)行器的工作周期

另一種更實(shí)用的減少電磁執(zhí)行器線圈發(fā)熱的方法是使用“間歇工作周期”。間歇工作周期意味著線圈以合適的頻率反復(fù)“開啟”和“關(guān)閉”，以激活柱塞機(jī)構(gòu)，但在波形的關(guān)閉期間不允許其斷電。間歇工作周期切換是減少線圈總功耗的一種非常有效的方法。

電磁執(zhí)行器的工作周期（%ED）是電磁執(zhí)行器通電的“開啟”時(shí)間與一個(gè)完整操作周期的總“開啟”和“關(guān)閉”時(shí)間的比率。換句話說(shuō)，周期時(shí)間等于開啟時(shí)間加上關(guān)閉時(shí)間。工作周期以百分比表示，例如：

間歇工作周期

如果電磁執(zhí)行器通電30秒，然后斷電90秒，然后再次通電，一個(gè)完整周期的總“開啟/關(guān)閉”時(shí)間為120秒（30+90），則電磁執(zhí)行器的工作周期為30/120秒或25%。這意味著如果您知道工作周期和關(guān)閉時(shí)間的值，您可以確定電磁執(zhí)行器的最大開啟時(shí)間。

例如，關(guān)閉時(shí)間等于15秒，工作周期等于40%，因此開啟時(shí)間等于10秒。額定工作周期為100%的電磁執(zhí)行器意味著它具有連續(xù)電壓額定值，因此可以“開啟”或持續(xù)通電而不會(huì)過(guò)熱或損壞。

在本教程中，我們介紹了線性電磁執(zhí)行器和旋轉(zhuǎn)電磁執(zhí)行器作為機(jī)電執(zhí)行器，它們可以用作輸出設(shè)備來(lái)控制物理過(guò)程。

在下一個(gè)教程中，我們將繼續(xù)探討輸出設(shè)備，特別是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備。我們將在下一個(gè)教程中介紹的輸出設(shè)備是直流電機(jī)。