执行器终极指南

作者： 罗比迪克森

维基百科： 罗比迪克森

释放执行器的力量：设计、选择和优化的权威指南

你知道吗，有数百个执行器在一辆典型的汽车里？事实上，它据估计，一辆车内有超过 50 个不同类型的执行器 你永远看不到的。家里怎么样？家庭中也有许多不同的类型用于多种应用和用例。重点是，执行器有许多不同的形式和类型，它们可以用来自动打开和关闭洗衣机的水，将电视从柜子中取出，或者每天早上操作咖啡机。关键是，执行器在我们每天都认为理所当然的应用中已经存在了几十年。

FIRGELLI 是电动执行器的全球领导者、供应商和制造商，我们已存在 20 多年，并与数千名客户合作，在您可以想象的每个行业中提供非常具体的应用。我们的重点是创造适合客户需求的设备，这就是为什么我们拥有最大系列的执行器之一。从特斯拉到终结者，我们为众多公司提供多样化的产品系列，并且我们在全球范围内提供服务。

这执行器终极指南旨在教育人们了解执行器的所有知识。我们将详细介绍它们并从各个角度进行介绍。我们的主要重点将是电动执行器，因为这是我们的主要产品系列，但是，我们不能忘记其他类型，我们也会涵盖它们，因为无论我们是否开发，了解所有这些不同类型的优缺点都很重要这些其他类型与否。

 

电的线性执行器 是将能量源转换为直线物理机械运动（线性致动器）或旋转运动（旋转致动器）的装置。它们与液压和气动执行器不同，因为它们使用压缩空气或流体来使物体移动。它们也更可靠，需要更少的维护，而且通常更便宜，但让我们更详细地讨论这一点。

电动执行器的操作是通过将交流或直流电机的旋转运动转换为线性运动或旋转运动来实现的，但从电机的典型 2000RPM+ 速度减速到更适合产生运动（线性或旋转）的速度然后可以用来做一些实际的事情。我们所说的有用是指通过降低速度来增加扭矩，这是任何电动执行器的必要过程。对于线性执行器，根据螺杆的旋转方向，连接到螺杆（丝杠）的轴沿直线向上或向下移动，从而对负载提供推或拉作用。电动线性执行器还可以轻松地与定位反馈集成，以实现精确控制。直流电压通常被认为比交流电压更安全，但执行器可以采用任一来源。

电动执行器的常见类型

市场上有多种不同类型的电动线性执行器，根据具体应用，每种都有自己的优点和缺点。在本文中，我们将探讨电动线性执行器的三种主要类型： 直列式、L 形、平行式、旋转式和轨道式（滑动执行器）

内联执行器

直列式电动线性执行器是在紧凑设计中需要高速和推力能力的应用的热门选择。 这些执行器具有在同一轴上对齐的电机和执行器杆，采用流线型设计，节省空间。然而，直列执行器确实有一个主要缺点，那就是它们往往比任何其他类型的执行器更长，因为电机和变速箱必须位于驱动丝杠后面，这需要整体长度更长，而大多数其他执行器电机可以安装在主体侧面的类型。然而，最大的优点是它们的设计往往更美观，它们看起来更时尚、更有吸引力，这使得它们非常适合可见的应用。

L型执行器

L 形电动线性执行器是另一种流行的选择，特别是对于空间有限的应用。这些执行器具有 电机和变速箱安装在与执行器杆成直角的位置，形成 L 形。 L 形执行器通常用于家具自动化、工业自动化和汽车应用。

并联执行器

并联电动线性执行器可能是最常见的执行器类型，专为高力和高精度应用而设计，并具有 电机和变速箱与执行器主体平行安装 从而使整体长度更加紧凑。驱动机构通常是正齿轮，这会使它们噪音更大，但这是更紧凑的执行器的权衡。

旋转执行器

A 旋转执行器 是一种执行器，其中 最终传动运动是旋转运动而不是线性运动。相比之下，线性执行器可以被认为是带有丝杠、驱动螺母和杆的旋转执行器，它通过丝杠将旋转执行器的旋转运动转换为线性运动。旋转执行器在任一方向上都有连续的驱动运动，没有停止或限制，除非添加停止组件。

旋转执行器用途广泛，可以通过将某些东西连接到驱动法兰来使用，以在最终应用中产生所需的运动。然而，重要的是要考虑应用所需的扭矩和速度。由于旋转执行器具有角力，因此根据扭矩和速度尺寸进行选择。值得注意的是，扭矩和速度是相互抵消的，因此高扭矩会导致较低的速度，反之亦然。这是由于在驱动电机和最终驱动轮之间存在齿轮的任何类型的运动中齿轮比的工作方式。

轨道执行器 - 滑动执行器

轨道执行器也称为滑动执行器，其操作方式与其他执行器不同，因为它没有滑入和滑出执行器端部的轴或杆。反而， 滑架沿着执行器的主体或轨道滑动。这种独特的设计使其非常适合特定应用，例如按摩椅或工业装配线，其中轨道需要反复滑入和滑出物体。

此类执行器的一个显着优点是其安装方面的多功能性。托架或螺母（有时被称为螺母）具有各种螺纹孔，可以轻松地将东西固定在其上。此外，还可以在同一条轨道上安装多个滑架，从而增加强度和刚度。

如何选择合适的电动直线执行器

选择电动执行器时，考虑应用的具体要求至关重要。执行器型号多种多样，例如并联、L 形或直列电机，适用于各种应用，因此选择合适的型号可能具有挑战性。我们专门写了一篇单独的文章来讨论这个主题 这里有不同类型的电动执行器样式. 

不同执行器系统的比较：气动、液压和电动

执行器是制造和自动化行业的重要组件。它们用于在机器和系统中产生运动，将能量转化为运动。执行器系统有多种类型，最常见的三种是气动、液压和电动。我们将讨论每种执行器系统的特性、优点和缺点，并将它们相互比较。

气动执行器系统

气动执行器系统因其成本低且简单而在工业界得到广泛应用。它们由空心圆柱体内的一个简单活塞组成，该活塞以线性运动移动。这些执行器需要空气压缩机、调节器和气缸来保持压力。当压力施加到气缸上时，活塞移动，产生必要的线性力。缩回可以通过回弹力或通过向活塞的另一侧提供流体来实现。

气动执行器的主要缺点之一是难以实现位置精度。中行程定位需要额外的组件和用户支持，这使得实现预期结果具有挑战性。此外，与液压和电动执行器相比，气动执行器的额定负载有限。

液压执行器系统

液压执行器系统以其产生非常大的力和长行程的能力而闻名。他们使用泵提供的不可压缩液体来以线性运动移动气缸。这些执行器由两个基本组件组成：控制装置（例如可变节流阀或成对滑阀）和执行组件（例如活塞或控制阀滑阀）。它们能够承受非常高的力和长行程，但不可编程。

液压执行器防爆、防震、防火花，适用于危险环境。然而，它们也非常复杂，需要高压泵、高压调节器和液压油箱。液压油泄漏和处理也可能具有挑战性并且需要维护。

电动执行器系统

电动执行器系统精度很高，适用于高速、强力、精确和受控加速和减速应用。这些执行器将电机的旋转力转换为线性运动，使用螺钉产生推/拉效果。通过电机旋转执行器的螺杆，螺母将以线性运动方式上下移动。电动执行器也是可编程的，通过电子控制器提供运动控制功能的灵活性。

与液压和气动执行器相比， 电动执行器最可靠，几乎需要零维护。它们也是环保的并且影响最小。然而，它们处理冲击载荷的能力有限，这可能会导致机械损坏。它们也是从慢到高，但与力高度相关，这意味着高速意味着低力，但低速意味着高力能力。

特性比较

在下表中，我们总结了每个执行器系统的特性。电动执行器是最简单且最具成本效益的选择，气动执行器位居第二，但它们的额定负载有限，并且难以实现位置精度。液压执行器能够产生非常大的力和长行程，使其适合重型应用，但它们很复杂并且需要维护。电动执行器是最可靠和最精确的，但它们在处理冲击负载方面受到限制。

在效率和运营成本方面，电动执行器显然是赢家，因为其运营和维护成本较低。气动执行器的购买和运营成本适中，而液压执行器的购买和运营成本较高。然而，液压执行器的使用寿命很长，从长远来看，使其成为一种经济高效的解决方案。

结论

总之，为您的应用选择正确的执行器系统需要仔细考虑您的具体需求，因为每种系统都有其优点和缺点。气动、液压和电动执行器系统都具有独特的特性，使其适合某些应用。气动系统非常适合需要高速的简单应用，而液压系统最适合需要大力量和长行程的重型应用。电力系统是 高精度且可靠，使它们成为需要准确性和可重复性的应用的最佳选择。

 

特征	气动	液压	电的
复杂	需要空气压缩机、调节器，可能还需要气缸来保持压力	非常复杂的系统。需要高压泵、高压调节器、液压油箱	很简单。执行器是一个独立的系统。
峰值功率	高的	很高	高的
控制	简单的阀门控制，通过电磁执行器操作	简单的阀门控制，通过电磁执行器操作	通过电子控制器实现灵活的运动控制功能
位置	很难达到定位精度	中行程定位需要额外的组件和用户支持	定位功能和速度控制允许同步和许多其他低至微米控制级别的控制选项。
速度	很高	缓和	从慢到高，但与力高度相关。因此，高速意味着低力量，但低速度意味着高力量能力
额定负载	高的	很高	可以很高，具体取决于速度权衡
寿命	缓和	长的	长的
加速	很高	很高	缓和
冲击载荷	能够承受冲击载荷	防爆、防震、防火花	处理冲击载荷的能力有限 - 可能导致机械损坏。
环境的	高噪音水平	液压油泄漏和处理	影响最小
公用事业	压缩机、动力、管道	泵、电源、液压油箱、管道	仅电源
效率	低的	低的	高的
可靠性	出色的	好的	好的
维护	高用户维护	高用户维护	很少甚至不需要维护
采购成本	中等的	高的	非常低
运营成本	缓和	高的	低的
维护成本	低的	高的	低的

 

 

典型的电动执行器内部有许多组件。以下是电动线性执行器内的一些常见组件：

1. 电动机 - 提供动力以将执行器的杆或轴移入和移出
2. 丝杠或滚珠丝杠 - 将电机的旋转运动转换为执行器输出杆的线性运动
3. 编码器或限位开关 - 提供位置反馈并限制执行器的运动范围，以防止损坏或过载
4. 外壳或外壳 - 包含并保护内部组件并为执行器提供安装点
5. 轴承——支撑输出杆并减少运动过程中的摩擦
6. 齿轮箱 - 降低电机速度并增加扭矩输出，使执行器能够移动更重的负载或施加更大的力。

注意，具体部件及其配置可能根据电动线性致动器的类型和应用而变化。下图是一个非常高级的图片，显示了主要组件。

 想要了解执行器内部的更多细节吗？

 在下图中，您可以看到一个典型的 FIRGELLI 执行器及其所有组件的详细信息。这种级别的细节仍然缺少许多部件，例如 O 形环、接线等，因为这会使图像变得过于混乱，因此我们删除了一些非核心组件以便于查看。

电机

所有电动执行器均配有交流或直流电机。大多数是直流电，因为它们处理起来更安全，而且直流电更容易控制。电机的尺寸决定了执行器的功率，因此电机越大意味着功率越大，反之亦然。

电机有两种类型：有刷电机和无刷电机。有刷电机是最常见的类型，是一种使用电刷（由碳或石墨制成）来驱动的直流电机。 将电力传输至转子 （电机的旋转部分）。有刷电机的基本部件包括定子（静止部分）、转子（旋转部分）和换向器。

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定子包含缠绕在金属芯上的一个或多个线圈。这些线圈通常以圆形图案围绕转子排列。另一方面，转子由安装在轴承上的轴和围绕轴以圆柱形图案排列的一系列绕组或永磁体组成。

换向器是安装在轴上并连接到转子绕组的分段圆柱形导体。电刷与换向器接触，允许 电力从电源传输到转子.

当定子线圈通电时，会在转子周围产生磁场。磁场与转子产生的磁场相互作用，导致转子旋转。当转子转动时，换向器片移动经过电刷，切换流经转子绕组的电流的极性，从而产生驱动电机的扭矩。

换向器片以特定模式排列，以便转子绕组中的电流极性在转子每次旋转期间在适当的时间改变。电流的这种切换允许电机继续沿相同方向旋转。

有刷电机的设计和构造相对简单，但也有一些局限性。主要缺点之一是 电刷和换向器随着时间的推移而磨损，导致摩擦增加并降低效率。这种磨损也会产生火花并 造成电磁干扰。此外，与无刷电机相比，有刷电机往往效率较低，并且功率重量比较低。然而，有刷电机更常见，价格低得多，并且更容易控制。这就是为什么它们最常用于电动执行器。

 

下面是无刷电机

无刷电机 (BLDC) 采用不同的配置，其中转子是旋转部分，定子（固定部分）具有绕组。 BLDC 电机中的转子通常由一系列围绕轴呈圆形排列的永磁体组成。围绕转子的定子具有 以特定图案缠绕的多个线圈。定子绕组由电子控制器供电，该控制器使用传感器确定转子磁体的位置并控制流向定子线圈的电流，产生与转子上的永磁体相互作用的旋转磁场，使其旋转。

两种类型电机的主要区别是：

1. 有刷电机需要电刷将动力传输到转子，而无刷电机不需要电刷，因为定子是具有绕组的固定部分。
2. 由于电刷与换向器接触，有刷电机往往会产生更多的电磁干扰并产生更多的热量，而无刷电机则没有接触，产生的热量和电磁干扰较少。
3. 无刷电机具有更高的功率重量比，并且比有刷电机更高效，因为不会因电刷和换向器之间的摩擦而造成能量损失。
4. 由于控制电机所需的电子设备更复杂，无刷电机通常比有刷电机更昂贵。
5. 无刷电机的使用寿命明显更长，因为换向器和电刷之间没有接触点，事实上，唯一磨损的部件是轴承，它们通常具有很长的使用寿命。

 

重要部件——U形夹

U形夹（有时拼写为“clevice”）是 用于将两个物体连接在一起的机械紧固件，通常是连接负载或联动装置的杆或轴。它由一个 U 形金属支架组成，臂末端有孔，可以安装销钉或螺栓。 U形夹可用于在物体之间传递力或运动，同时允许一定程度的旋转或枢转。 U形夹通常用于各种工业应用，例如机械、车辆和飞机的制造。它们还可以在液压和气动系统中找到，用于将气缸、活塞或其他部件连接到负载或执行器上。

下面是杆端（移动的部分）和电机端（固定到位的部分）上的 U 形夹的图像

 

 

 

 

执行器的 U 形夹端部的用途是使一端保持固定（通常是电机端），而杆端（即伸入和伸出的部分）也有一个 U 形夹安装座。安装在两端的 U 形支架使用圆销，这使得支架可以绕一个轴旋转。这非常重要，因为当执行器推动某物打开和关闭时，执行器也会改变角度，如果它不能绕至少一个轴旋转，系统就会失败。

 

 

过载保护

一些执行器配有内置过载电流保护系统，称为热敏电阻。

热敏电阻是一个 阻值随温度变化的电阻器类型。 “热敏电阻”这个名称是“热敏”和“电阻器”的组合。热敏电阻通常在电子电路中用作温度传感器，测量其电阻随温度的变化，并用于确定周围环境的温度。

热敏电阻有两种类型：正温度系数（PTC）和负温度系数（NTC）。 PTC热敏电阻的电阻随着温度的升高而增加，而NTC热敏电阻的电阻随着温度的升高而降低。

热敏电阻由金属氧化物等半导体材料制成，具有 对温度变化高度敏感。热敏电阻的电阻-温度关系是非线性的，这意味着电阻变化不随温度变化。电阻和温度之间的关系可以通过称为以下的数学方程来近似： 斯坦哈特-哈特方程.

热敏电阻的应用范围很广，包括电子电路中的温度测量和控制、振荡器电路中的温度补偿以及电子设备过热保护。它们还用于汽车、暖通空调和医疗应用中的温度传感和控制。 FIRGELLI 已将它们内置到我们的执行器模型之一中，供喜欢此功能的客户使用。

并非所有执行器都内置热敏电阻，因为要重置 热敏电阻 一旦启动，您必须首先移除导致断电的负载，然后反转执行器的极性。使用控制程序可以很容易地做到这一点，但对于只有电源和开关的模拟设置来说，它可能不是最适合的。但这种类型的安全性非常有效，非常适合儿童或手指可能受伤的应用。

 

 

执行器的不同特性会影响其速度和负载能力，包括电压、丝杠类型和电机规格。以下是一些功能及其效果：

1. 电压：提供给执行器的电压会影响可以产生的速度和扭矩。较高的电压通常会导致较高的速度和扭矩。然而，使用更高的电压也可能导致更高的功耗，并且可能需要更昂贵的电源和控制器。直流电机电压的选择取决于应用要求和限制。以下是使用 12V、24V 和 48V 直流电机的一些优点和缺点

电压	好处	缺点
12V	广泛可用且价格实惠；降低电池和电源的功耗和成本	功率输出和速度有限；可能不适合重型或高性能应用
24V	比12V电机更大的功率输出和速度；效率更高，可以处理更高的负载；常用于工业应用	可能需要比 12V 电机更昂贵的电源和电机控制器
48V	与低压电机相比，功率输出高、速度快；效率更高，可以处理更高的负载；适合高性能应用	比低压电机更贵；与低压电机相比，需要更高电压的电源和电机控制器

 

2.丝杠类型：丝杠为 负责转换旋转运动 从电机到执行器的线性运动。不同类型的领导人员会由于各自产生的摩擦而影响执行器的速度和负载能力。 ACME 丝杠价格较低，可以处理较重的负载，但效率较低，并且可能产生更多热量。另一方面，滚珠丝杠效率更高，速度更高，但价格可能更高，但仍然具有高负载能力。

3.电机规格：电机负责提供驱动执行器运动的动力。不同的电机规格会影响可产生的速度和扭矩。 较高转速的电机可以产生更高的速度，但可能具有较低的扭矩，虽然较高扭矩的电机可以处理较重的负载，但速度可能较低。电机的尺寸和重量也会影响执行器的整体尺寸和重量。

下表总结了不同交流电动执行器组件的一些特性、优缺点：

特征	优点	缺点
电压控制速度	更高的电压可以带来更高的速度和扭矩	更高的电压可能需要更昂贵的电源和控制器
ACME丝杠	更便宜并且可以处理更重的负载	效率较低，可能产生更多热量
滚珠丝杠	效率更高、速度更快	更昂贵、更复杂，并且需要更多空间
高转速电机	更高的速度	更低的扭矩
高扭矩电机	可以处理更重的负载	较低的速度
尺寸和重量	较小的尺寸和重量对于某些应用来说是有利的	较大的尺寸和重量可能会限制某些应用

 

 

执行器的使用寿命不仅 受其内部组件影响 还包括其抵御固体和液体等环境侵入的能力。为了确保我们的电动执行器具有持久的耐用性，FIRGELLI 在其外部周围添加保护性密封。