Устройство для массового изготовления герконов с азотированными контактными площадками
DEVICE FOR MASS PRODUCTION OF REED SWITCHES WITH NITRIDED PADS

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электронной промышленности при изготовлении герметизированных магнитоуправляемых контактов (герконов) с азотированными контактными поверхностями.
Известно устройство (искровой течеискатель [1, с. 384-385] на основе трансформатора Тесла [2]) в котором используется высокочастотный высоковольтный разряд, получаемый с помощью трансформатора Тесла. Это свойство данного устройства было использовано [3, с. 190-201] для индивидуальной ионно-плазменной обработки геркона с целью азотирования его контактных поверхностей. Для этого выводы вторичной обмотки трансформатора Тесла течеискателя подключались к выводам геркона, между разомкнутыми контактами которого возбуждался газовый разряд, инициирующий процесс ионного азотирования поверхности контактов по способу [4].
Недостатком данного устройства является низкая производительность и недостаточная эрозионная стойкость обработанных на нем герконов. Так как для одновременной обработки партии, состоящей n герконов, необходимо такое же количество n этих устройств (искровых течеискателей).
Известно устройство [3, с. 202-203], которое устраняет этот недостаток и позволяет сформировать нитридосодержащие контактные покрытия на поверхности контакт деталей непосредственно в герконе на финишной стадии его изготовления по способу [4]. Для этого в зазоре между контактами геркона, заполненного азотом, возбуждается импульсный газовый разряд требуемой формы. В устройстве этот разряд возбуждается двумя высоковольтными высокочастотными генераторами, изготовленными на основе трансформатора Тесла [2], которые одновременно обрабатывают по 11 шт. герконов (каждый), соединяемых в электрическую цепь последовательно.
Недостатком устройства является высокая стоимость применяемого высокочастотного, высоковольтного оборудования, недостаточная твердость контактных поверхностей и, как следствие - высокая себестоимость и недостаточная эрозионная стойкость герконов.
Этот недостаток устранен в устройстве [5] предназначенном для изготовления по способу [6] герконов с азотированными контактными площадками.
Оно содержит намагничивающую катушку с выводами, подключенными к источнику питания переменного тока, второй источник питания переменного тока, предназначенный для подключения к выводам обрабатываемого геркона.
Для формирования азотированных контактных площадок геркон устанавливают в намагничивающую катушку и проводят его ионно-плазменную обработку (ИПО) в условиях воздействия на контакт-детали геркона переменных магнитного и электрического полей, вызывающих периодическое замыкание - размыкание контакт-деталей с частотой 200-1000 Гц, протекание - разрыв электрического тока через геркон под действием приложенного к его контакт-деталям напряжения 100-250 В, переменного тока 10-250 мА с частотой смены полярности 50 Гц.
Для одновременной обработки партии, состоящей из n герконов, требуется по 1 намагничивающая катушка и по 2 блока питания переменного тока на каждый геркон, то есть фактически требуется n таких устройств.
Существенными недостатками данного устройства является низкая производительность.
Эти недостатки частично устранены в устройстве [7].
Это устройство является наиболее близким по своим существенным признакам к заявляемому объекту.
Оно решает повышение производительности ИПО путем применения вращающихся постоянных магнитов взамен неподвижных намагничивающих катушек, что понижает себестоимость герконов, а также, повышает их качество и ресурса работы.
Устройство содержит блок питания переменного тока, одинаковые модули, каждый из которых состоит из двух неподвижных статоров, контактных площадок, предназначенных для установки герконов, подключенных с помощью проводников к блоку питания переменного тока и ротора, подключенного к механизму вращения и расположенного в зазоре между двумя статорами, на роторе установлены постоянные магниты и при его вращении с угловой скоростью f обеспечивается поочередное замыкание-размыкание контакт-деталей герконов с частотой ϑ=fN за счет воздействия на них магнитного поля N постоянных магнитов.
сраб.
сраб.
Параметры даже одного типа герконов всегда имеют некоторый разброс по величине. Например, у геркона МКА-14103 магнитодвижущая сила срабатывания (МД) не менее 1 и не более 8 А, а время срабатывания (t) не менее 1 мс. Параметры магнитного поля условно одинаковых постоянных магнитов (ПМ) также имеют некоторый разброс по величине.
В данном устройстве магниты ротора и герконы статора расположены симметрично относительно друг друга. (Отказ от симметрии в расположении магнитов и герконов влечет большие конструктивные сложности и затраты в создании подобных устройств).
сраб.
Поэтому, когда под действием магнитного поля N постоянных магнитов начинается встречное движение контакт-деталей n герконов друг к другу, у одного из них, имеющего самое маленькое t, это замыкание контакт-деталей произойдет первым, и он сразу шунтирует напряжение, подаваемое на остальные n-1 герконы. В результате напряжение будет подаваться только на него и только этот геркон будет обрабатываться. Таким образом, фактически, в этом случае, работает только один магнит. Подставляя в формулу для частоты срабатывания ϑ=fN N=1 получаем частоту обработки герконов w равную скорости (частоте) вращения ротора f, то есть, w=f.
Существенными недостатками данного устройства является недостаточная производительность.
Эти недостатки устранены в заявляемом устройстве.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение производительности ИПО путем изменения конструкций ротора, статора и всего устройства в целом, что повышает производительность и понижает себестоимость герконов.
Задача решается тем, что предлагается:
Устройство для массового изготовления герконов с азотированными контактными площадками, содержащее блок питания переменного тока, одинаковые модули, каждый из которых состоит из двух неподвижных статоров, контактных дорожек, предназначенных для установки герконов, подключенных с помощью проводников к блоку питания переменного тока и ротора, подключенного к механизму вращения и расположенного в зазоре между двумя статорами, на роторе установлены постоянные магниты и при его вращении с угловой скоростью f обеспечивается поочередное замыкание-размыкание контакт-деталей герконов с частотой ϑ=fN за счет воздействия на них магнитного поля N постоянных магнитов, отличающееся тем, что одна из двух контактных дорожек статора разделена на сектора, которые через резисторы с одинаковым по величине сопротивлением подключены к общей шине, шина, в свою очередь, подключена к одному из выводов блока питания, а второй его вывод подключен к общей для всех герконов второй контактной дорожке, не разделенной на сектора.
Подписи к рисункам
Фиг. 1 Упрощенная схема заявляемого устройства базового (установки):
1 - блок питания переменного тока, 2 - статор, 3 - контактные дорожки, 4 - геркон, 5 - ротор, 6 - механизм вращения, 7 - постоянный магнит.
Фиг. 2 Упрощенная схема устройства модифицированного:
1 - блок питания переменного тока, 2 - статор, 3 - контактные дорожки, 4 - геркон, 5 - ротор, 6 - механизм вращения, 7 - постоянный магнит.
Фиг. 3 Зависимость магнитной индукции В постоянных цилиндрических магнитов 3×10 мм и 6×10 мм от расстояния S до герконов.
Фиг. 4. Статор:
8 - диск статора, 9 - крышка изолирующая, 10 - фланец, 11 - гайка, 12 - винт, 13 - контактная дорожка, разделенная на сектора, 14 - контактная дорожка, не разделенная на сектора, 15 - шина, 16 - резистор ограничительный, 17 - коробка коммутационная с крышкой, 18 - винт крепления крышки изолирующей.
Фиг. 5. РСМА - спектр участка поверхности контактной площадки.
Модуль состоит из двух статоров 2 и расположенного между ними ротора 5 (фиг. 1)
Статор предназначен для установки и последующей ИПО герконов МКА-14103 без гальванопокрытий и подключения их выводов к блоку питания переменного тока (БП).
Конструкция статора представлена на фиг. 4.
Фланец 10, гайки 11 и винты 12 предназначены для установки статора.
Для установки герконов в диске статора 8 предусмотрены пазы.
Для электрического контакта с выводами герконов служат контактная дорожка, разделенная на сектора 13 и контактная дорожка, не разделенная на сектора 14, соединенные электрически с разъемом в коммутационной коробке 17.
Каждый сектор контактной дорожки на обратной стороне статора через ограничительные резисторы 16 подключен к шине 15, которая также подключается к разъему в коммутационной коробке. Коробка установлена на изолирующей крышке 9, которая фиксируется на статоре винтами 12. Коробка соединяется с блоком питания с помощью двухпроводного кабеля.
Устройство модифицированной установки представлено на фиг. 2.
1
2
Основное ее отличие от базового варианта устройства на фиг. 1 состоит в том, что ротор 5 этого устройства выполнен в виде цилиндра с магнитами 7, расположенными на цилиндрической поверхности, а статоры 2 расположены на внешнем цилиндре; герконы 4 их и магниты 7 ротора 5 расположены по одной оси в момент срабатывания. Такая конструкция позволяет максимально близко расположить постоянные магниты 7 вблизи выводов герконов 4. Это позволяет обеспечить необходимую для срабатывания герконов магнитную индукцию В при существенно меньших диаметрах постоянных магнитов (фиг. 3), и тем самым повысить разрешение по герконам статора и, следовательно, увеличить количество герконов в секторах статора 2 (фиг. 2) и соответственно производительность устройства. Воздействие магнитного поля одного постоянного магнита на герконы должно приводить к срабатыванию только одного геркона и не включать герконы, расположенные с ним рядом. Таким образом разрешение по герконам Δ должно быть, как минимум, в 2 раза меньше расстояния между герконами β статора. Величины этих параметров можно оценить по формулам  где n общее количество герконов статора, D - диаметр магнита, r - радиус ротора модифицированного устройства, r - радиус окружности, на которой расположены центры герконов базового устройства.
Расчет магнитной индукции аксиально-намагниченных цилиндрических магнитов с диаметром (D) и длиной (L), в точке расположенной на расстоянии (S) от поверхности, вдоль оси производится по формуле [9]:
где Br - остаточная индукция.
При Br=1,2 Тл на фиг. 3 построен график для ПМ 3×10 мм и 6×10 мм.
С помощью данного графика можно сделать следующие оценки производительности (подстрочный индекс 1 относится к модифицированному (фиг. 2), а подстрочный индекс 2 к базовому (фиг. 1) устройству.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Например, D=3 мм, D=6 мм, r=88 мм, r=113,5 мм, S=2,2 мм, S=4,1 мм, В=0,1 Тл, В=0,1 Тл, Δ=2° Δ=3,03°. Следовательно, β=4°, β=6°, отсюда n=90 шт., n=60 шт.
Таким образом, для ИПО 90 герконов целесообразно применить ПМ диаметром 3 мм.
Кроме этого, уменьшение размера ротора упрощает его балансировку. Это еще одно преимущество модифицированного устройства (фиг. 2).
Устройство (установка ИПО) (фиг. 1, 2) в составе: 1 - блок питания переменного тока, 2 - статор, 3 - контактные площадки, 4 - геркон, 5 -ротор, 6 - механизм вращения, 7 - постоянный магнит работает следующим образом.
Контакт-детали серийно выпускаемого геркона, например МКА-14103, изготовленные из железоникелевого сплава «Дилатон 52» и не имеющие Аи- Ru контактных покрытий, после магнитного отжига, заваривают в стеклянные баллоны (например, длина - 14,2 мм, диаметр - 2,3 мм), в атмосфере азота. После отжига и нанесения покрытий на выводы, партии герконов 4 (фиг. 1, 2) в количестве по n шт. (например, по 90 шт.) устанавливают на статоры 2 (фиг. 1, 2) (например, диаметр - 300 мм) таким образом, чтобы выводы герконов 4 (например, длина - 15,3 мм, диаметр - 0,55 мм) (фиг. 1, 2) имели надежный электрический контакт с контактной дорожкой, разделенной на сектора 13 (фиг. 4) и контактной дорожкой, не разделенной на сектора 14 (фиг. 4). Эти контактные дорожки постоянно, на протяжении всего цикла работы установки, находятся под напряжением (например, 100 В - 50 Гц), подаваемым от блока питания 1 (фиг. 1, 2). Ток через геркон (например, 100 мА) ограничивается резисторами 16 статора (фиг. 4) (например, 1 кОм).
N шт. (например, 15 шт.) постоянных магнитов (например, марки - N35H, L - 10 мм, D - 3 мм) 7 (фиг. 1, 2), установленные на роторе (например, диаметр - 300 мм), вращаются со скоростью f (например, 250 об./мин. (4,17 об./с)) и замыкают поочередно с частотой ϑ=fN (например, 62,5 Гц) контакт-детали герконов, находящихся в N (например, 15) секторах. В процессе замыкания на каждый геркон подается напряжение и происходит его обработка. Благодаря секторной конструкции статора (фиг. 4) настоящего устройства частота обработки герконов w равна частоте их срабатывания ϑ, то есть w=fN (например, 62,5 Гц).
В процессе работы установки ИПО при сближении контакт-деталей под действием магнитного поля постоянного магнита происходит искровой пробой межконтактного промежутка и микровзрывы материалов контакт-деталей, а их размыкание (разрыв тока) приводит к микровзрыву расплавленного мостика, возникающего при расплавлении области стягивания тока между контакт-деталями геркона. Вещество, образованное микровзрывами в плазменной, паровой и жидкой фазе, переносится с одной контакт-детали (анода) на другую (катод) в среде азотной плазмы, что приводит к электроискровому легированию азотом (азотированию) поверхности контакт-деталей геркона [5-8]. Так как ИПО осуществляется переменным током, то происходит реверсивный массоперенос материала контакт-деталей и поэтому количество контактирующего материала после обработки на контакт-деталях геркона практически остается неизменным.
Контактные площадки, вследствие азотирования, становятся коррозионно - и эрозионностойкими, а сопротивление герконов более низким и стабильным.
Таким образом, в предлагаемом устройстве массового изготовления герконов с азотированными контактными площадками процесс азотирования поверхности контакт-деталей геркона осуществляется за счет электрической эрозии и переноса на катод материала анода в среде азотной плазмы.
c
Техническим результатом заявленного устройства является снижение себестоимости герконов за счет замены низкопроизводительного оборудования для изготовления герконов с азотированными контактными площадками в котором отсутствует деление статоров на сектора, на более высокопроизводительное, в котором есть секторное деление статоров, в каждом из котором находятся n=n/N герконов (например, 6 герконов). Все магниты в секторах эффективно работают и поэтому производительность предлагаемого устройства больше производительности прототипа.
Предлагаемое устройство, действие которого основано на секторном делении статора, формирует износостойкие азотированные контактные площадки на поверхности контакт-деталей герконов, именно в том месте, где происходит непосредственный контакт поверхностей контакт-деталей при коммутации тока, что повышает эрозионную стойкость контактных поверхностей и, как следствие, наработку герконов на отказ.
Структура и элементный состав контактных площадок, сформированных с помощью данного устройства, исследованы методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и рентгеноспектрального микроанализа (РСМА).
При ИПО на контакты герконов подавалось переменное напряжение 100 В - 50 Гц, а коммутируемый ток (I) достигал 100 мА. Продолжительность обработки - 10 мин.
Таким образом, продолжительность ИПО 180 герконов одним модулем устройства (состоящем из 1 ротора и 2 статоров) составила 10 мин., а производительность, соответственно - 1080 шт./час. Заявляемое устройство, имея в своем составе, например, 50 таких модулей, обрабатывает партии (группы) герконов с производительностью 54000 шт./час.
Полученный РСМА-спектр участка поверхности контакта геркона после его ИПО (фиг. 5) показал, что на поверхности контакта сформировалась азотированная контактная площадка.
Измерения сопротивления геркона (R) и напряжения пробоя (U) проводились до и после ИПО.
Исходные значения (до ИПО) электрофизических параметров геркона составили: R=0,25 Ом (при норме R≤0,1 Ом для серийных приборов МКА-14103), U=290 B.
Проведенные измерения сопротивления и напряжения пробоя данного геркона показали, что величины значений данных параметров в результате проведенной ИПО имеют тенденцию к уменьшению до R=0,09 Ом (R соответствует норме) и до U=240 В (U уменьшилось на AU=50 В).
6
Изготовленные на данном устройстве герконы выдержали коммутационные испытания на безотказность до 10 срабатываний в режимах 100 В - 100 мА - 50 Гц, 50 В - 50 мА - 50 Гц, 24 В - 400 мА - 50 Гц.
Таким образом, заявленное устройство устраняет недостатки прототипа и превосходит его по производительности, что снижает себестоимость герконов и повышает их конкурентную способность на мировом рынке.
Источники информации
1. Денисов В.П. Производство электрических источников света. М.: Энергия, 1975. - 488 с.
2. Tesla N. System of electric lighting. Patent N 454622, 23 June 1891.
3. Зельцер И.А., Карабанов С.М., Майзельс P.M., Саблин В.А. Исследование и разработка методов модификации поверхности герметизированных магнитоуправляемых контактов. / II международная научно-практической конференции «Магнитоуправляемые контакты (герконы) и изделия на их основе», 1-3 окт. 2008 г.: Сборник научных трудов. - Рязань: Полиграф, 2009. С. 184-207.
4. Патент РФ №2393570. Способ изготовления герконов с азотированными контакт-деталями / Карабанов С.М., Майзельс P.M., Арушанов К.А, Зельцер И.А., Провоторов B.C., опубл. 27.06.2010 г. Бюл. №18.
5. Zeltser I.A., Moos E.N. ELECTRODOPING SURFACE BY NITROGEN. / XXI международная конференция «Взаимодействие плазмы с поверхностью». Москва, 24-25 января 2018 г.: Сборник научных трудов. - М.: НИЯУ МИФИ, 2018. С. 91-94.
6. Патент РФ №2665689. Способ изготовления геркона с азотированными контактными площадками / Зельцер И.А., Колесова С.А., Трунин Е.Б., Шкутенко Л.Н. опубл. 04.09.2018 г. Бюл. №25.
7. Патент РФ №2742556. Устройство для группового изготовления герконов с азотированными контактными площадками / Зельцер И.А., Трунин Е.Б., опубл. 08.02.2021 Бюл. №4.
8. Zeltser I.A., Karpov A.S., Moos E.N., Rybin N.B., Tolstoguzov A.B. Surface Erosion of Low-Current Reed Switches. // Coatings. 2017. 7, no. 6: 75.
9. Коген-Далин B.B., Комаров E.B. Расчет и испытание систем с постоянными магнитами. М.: Энергия, 1977. - 247 с.