ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к переключателям с электромагнитным приводом, и может быть использована для коммутации электрических цепей в системах автоматики.
Известен электромагнитный дистанционный переключатель /а.с. СССР №416783, МПК Н 01 Н 63/22, Н 01 Н 1/10 опубл. 25.11.74 бюл. №7/, содержащий электромагнитный механизм, траверсу и контактную системут. Электромагнитный механизм выполнен в виде нереверсивного шагового двигателя с неподвижным двухкатушечным ротором. Для осуществления фиксации состояний переключателя применен постоянный магнит, расположенный в общей части магнитопроводов ротора между катушками.
Переключатель обладает вибростойкостью. Однако для управления им необходима дополнительная аппаратура.
Также известен многопозиционный переключатель /а.с. СССР №817768, МПК Н 01 Н 3/28, Н 01 Н 3/34, опубл. 30.03.81 бюл. №12/, содержащий корпус, на котором установлен диск с ламелями, вал с укрепленным на нем храповым колесом и траверсой с контактными элементами, электромагнит и механизм переключения храпового колеса, состоящий из направляющего элемента, укрепленного на корпусе, и рабочей собачки с пружиной, установленной на оси якоря электромагнита.
Переключатель позволяет осуществлять шаговое переключение траверсы с контактами. Однако данная конструкция обладает низкой ударовибростойкостью из-за неуравновешенности якоря с собачкой, вследствие чего возможен динамический выбег траверсы в условиях действий вибраций и линейных ускорений.
В качестве прототипа выбран наиболее близкий по технической сущности к предлагаемой полезной модели переключатель типа шагового искателя /а.с. СССР №686098, МПК Н 01 Н 63/00 Н 01 Н 67/00, опубл. 15.09.79, бюл. №34/, содержащий храповое колесо, установленное на оси, жестко
закрепленной на плате, и связанное через собачку с электромагнитным приводом, тормоз, упор, подвижные и неподвижные контакты, фиксирующее колесо со сферическими впадинами на его наружной поверхности, установленное на храповом колесе. Подвижные контакты установлены на ребрах храпового колеса, а неподвижные контакты расположены на плате по окружности соосно храповому колесу. Тормоз в виде пальца со сферической рабочей поверхностью и фиксирующее колесо выполняют функцию фиксатора. При подаче импульса на электромагнит якорь притягивается к сердечнику электромагнита, а собачка заставляет храповое колесо поворачиваться на один шаг. Вместе с храповым колесом поворачивается и фиксирующее колесо, нажимая своим выступом на ролик тормоза. При этом ролик, перекатываясь через зубья фиксирующего колеса, западает в его впадину, фиксируя положение храпового колеса.
Достоинством прототипа является то, что непрерывное шаговое перемещение может быть осуществлено без применения дополнительной аппаратуры. Однако данная конструкция имеет ряд существенных недостатков: повышенный механический износ фиксирующего колеса и тормоза, вызванный взаимным трением контактирующих поверхностей;
низкая ударовибростойкость из-за неуравновешенности подвижных элементов электромагнитного привода и тормоза; нерациональное использование тягового момента электромагнитного привода, заключающееся в том, что при повороте фиксирующего колеса на первой половине его углового шага, когда необходим максимальный крутящий момент, электромагнитный привод обладает минимальным тяговым моментом, а на второй половине углового шага, когда ролик перейдет зубец фиксирующего колеса, достаточен меньший крутящий момент, а тяговый момент электромагнитного привода при этом возрастает до максимума.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в повышении эксплуатационной надежности и создании оптимальных электромеханических условий для коммутации контактов.
Новый технический результат, полученный при осуществлении полезной модели, заключается в повышении ударовибростойкости, отсутствии износа фиксирующих элементов, уменьшении энергопотребления и габаритов электромагнитного привода, а также исключении прохождения двух последовательных импульсов по управляющей цепи, в том числе ложных, и обеспечении самоотключения электромагнитного привода в исходном и сработанном состояниях.
Это достигается тем, что предлагаемый переключатель, содержащий храповое колесо, установленное на валу и связанное, по крайней мере, через одну собачку с электромагнитным приводом, фиксатор, подвижные и неподвижные контакты, в отличие от прототипа, дополнительно содержит, по крайней мере, один выходной вал, возвратную пружину, один конец которой закреплен на валу, а другой - на основании. Храповое колесо установлено с возможностью вращения относительно первого вала и связано через зубчатую передачу, по крайней мере, с одним выходным валом. Электромагнитный привод выполнен в виде двух электромагнитов с общим якорем, закрепленным на первом валу, при этом электромагниты жестко установлены на основании по разные стороны относительно общего якоря и первого вала. Фиксатор выполнен в виде ротора, закрепленного на одном из выходных валов и статора из магнитомягкого материала, жестко установленного на основании соосно ротору, выполненному в виде постоянного магнита цилиндрической формы, на полюсах которого установлены два диска из магнитомягкого материала, при этом на одном из дисков ротора и на статоре выполнены обращенные друг к другу зубчатые выступы с угловым шагом равным или на одном из них равным, а на другом - кратным углу поворота выходного вала на один шаг.
Одна группа подвижных и неподвижных контактов выполнена с возможностью подачи управляющих импульсов на электромагнитный привод по разным цепям управления, а другая - с возможностью отключения цепи управления в сработанном и исходном состояниях
переключателя. Подвижный контакт первой группы контактов жестко закреплен через изолятор на выходном валу и выполнен в виде двух электрически связанных между собой электропроводящих дисков, на одном из которых выполнены выступы с угловым шагом равным углу поворота выходного вала на один шаг, при этом на каждом шаге выступы имеют возможность взаимодействовать только с одним из неподвижных контактов управляющей цепи.
В указанном исполнении переключателя фиксатор выполняет функцию тормоза с фиксирующим колесом и предназначен для исключения динамического выбега выходного вала при совершении шагового перемещения и удержания его после этого в устойчивом положении. Отсутствие в составе фиксатора несбалансированных элементов повышает ударовибростойкость переключателя. В отличие от прототипа, в котором торможение происходит за счет сил трения при западании пальца во впадину фиксирующего колеса, в предлагаемом переключателе торможение и удержание выходного вала осуществляется за счет сил магнитного взаимодействия ротора и статора, что полностью исключает механический износ фиксирующих элементов. Кроме того, при совершении выходным валом шагового перемещения магнитные силы фиксатора создают на второй половине углового шага дополнительный крутящий момент, совпадающий по знаку с моментом возвратной пружины. Это дает возможность применять пружину с малым крутящим моментом, в результате чего уменьшаются энергопотребление электромагнитного привода и его габариты.
Группа подвижных и неподвижных контактов, обеспечивающая подачу на электромагнитный привод управляющих импульсов по разным электрическим цепям управления, исключает прохождение по одной и той же цепи управления двух последовательных импульсов, в том числе ложных, группа подвижных и неподвижных контактов, обеспечивающая отключение цепи управления, позволяет завершать рабочий цикл переключателя в строго
заданных положениях выходного вала, исключая прохождение суммарного количества импульсов в течение цикла больше установленного.
На фиг.1 приведена кинематическая схема примера конкретного исполнения предлагаемого переключателя.
На фиг. 2 показаны графики изменений моментов М, приведенных к выходному валу при его повороте на один угловой шаг φ.
Здесь а - тяговая характеристика электромагнитного привода;
б- механическая характеристика возвратной пружины;
в - график изменения момента сил трения при взаимодействии контактов;
г - график изменения момента магнитного фиксатора;
д - график изменения крутящего момента, действующего на выходной вал.
Электромагнитный привод содержит два одинаковых электромагнита 1, жестко установленных на основании, якорь 2, жестко соединенный с валом 3, и возвратную пружину 4, один конец которой закреплен на валу 3, а другой - на основании. Кинематическая связь якоря 2 с храповым колесом 5 установленным на валу 3 с возможностью вращения вокруг него, осуществляется посредством собачек 6. При этом собачки 6 постоянно прижаты к храповому колесу 5 пружинами 7. Храповое колесо 5 жестко связано с зубчатым колесом 8 и имеет через зубчатые колеса 9 и 10 кинематическую связь с выходными валами 11 и 12.
Выходной вал 11 из немагнитного материала связан с фиксатором, представляющим собой магнитную систему, состоящую из закрепленного на основании статора 13 и ротора, выполненного в виде жестко насаженного на указанный вал постоянного магнита 14 с магнитомягкими дисками 15 и 16 на полюсах. На статоре 13 и на диске 15 напротив друг друга выполнены зубчатые выступы, угловой шаг которых равен углу поворота вала 11 на один шаг. Возможно выполнение углового шага выступов или на статоре 13 или на диске 15 кратным углу, соответствующему одному шагу вала 11.
Замыкание поля постоянного магнита 14 осуществляется через воздушный зазор между зубчатыми выступами статора 13 и диска 15.
На выходных валах 11 и 12 жестко закреплены изолированные от них подвижные контакты соответственно 17, 18 и 19, 20 с возможностью взаимодействия с установленными на основании соответствующими неподвижными контактами.
Электромагниты 1, электрически соединенные между собой, имеют постоянную электрическую связь с подвижными контактами 17 и 19 через неподвижные контакты соответственно 21 и 22. Неподвижные электрические контакты 23 и 24, связанные с шинами питания I и II, имеют возможность периодического взаимодействия с подвижным контактом 17, а неподвижные контакты 25 и 26, связанные с шинами питания III и IV - с подвижным контактом 19.
Принцип действия переключателя заключается в следующем.
В исходном состоянии якорь 2 прижат возвратной пружиной 4 к упору 27, рабочие неподвижные контакты 28, 29 и 30, 31 замкнуты подвижными контактами соответственно 18 и 20.
Зубчатые выступы статора 13 и диска 15 ориентированы друг против друга, т.е. находятся в положении максимальной магнитной проводимости. Поле постоянного магнита 14, замыкающееся по вершинам зубчатых выступов статора 13 и диска 15, создает фиксирующий момент, который удерживает в устойчивом положении выходные валы 11 и 12, кинематически связанные между собой зубчатыми колесами 8, 9 и 10.
При подаче по шинам II-IV через неподвижные контакты 24 и 26 управляющего импульса якорь 2 притягивается к электромагнитам 1 и закручивает пружину 4, аккумулируя в ней потенциальную энергию, а связанные с якорем 2 собачки 6 выходят из межзубцовых впадин храпового колеса 5 и, проскальзывая по вершинам зубьев, западают в соседние межзубцовые впадины. При этом храповое колесо 5, связанное с выходным валом 11 через зубчатые колеса 8 и 9 остается неподвижным благодаря
магнитным силам фиксатора. После снятия управляющего импульса с электромагнитов 1 якорь 2 под действием пружины 4 возвращается в исходное состояние и становится на упор 27, а собачки 6, толкая храповое колесо 5, поворачивают через зубчатые колеса 8, 9, 10 выходные валы 11 и 12 с подвижными контактами на один шаг. После этого фиксатор займет новое устойчивое положение, в котором зубчатые выступы диска 15 вновь окажутся против выступов статора 13, удерживая выходные валы 11 и 12 от проворота до прохождения следующего управляющего импульса. Подвижный контакт 17, размыкаясь с неподвижным контактом 24, разрывает цепь питания по шинам II-IV и, замыкаясь с неподвижным контактом 23, образует цепь питания по шинам I-IV. Далее с подачей управляющего импульса цикл повторится и предыдущая цепь питания по шинам II-IV восстановится.
Таким образом, колебательное движение якоря 2 преобразуется с помощью собачек 6 и храпового колеса 5 в прерывистое (шаговое) вращательное движение выходных валов с подвижными контактами.
Динамический процесс коммутации контактов в переделах одного углового шага иллюстрируется на фиг. 2.
При притяжении якоря 2 к электромагнитам 1 (от φ° до 0°) пружина 4, закручиваясь, получает приращение момента от Mп1 до Мп2 (график «а»). При этом тяговая характеристика электромагнитного привода (график «б»), преодолевающего пружину 4, располагается выше её механической характеристики («а»).
Обратный ход якоря 2 в исходное состояние связан с преодолением момента сил трения взаимодействующих контактов и удерживающего момента фиксатора.
На графике «в» показано изменение момента сил трения при взаимодействии подвижных и неподвижных контактов на участке от 0° до φ°. На начальном этапе углового шага момент сил трения при скольжении контактов постоянен Мтр2 и после размыкания части контактов падает до
Мтр1, оставаясь постоянным до встречи подвижных контактов с неподвижными. При «врубании» подвижных контактов в пару неподвижных контактов момент сил трения резко возрастает до Мтр4 и при дальнейшем повороте также резко уменьшается до значения Мтр3.
Изменение момента магнитного фиксатора показано на графике «г». В начале движения магнитные силы фиксатора противодействуют повороту вала, достигая максимума на участке от 0° до 1/4φ°. После этого зубчатые выступы диска 15 начинают взаимодействовать с соседними по ходу зубчатыми выступами статора 13 и после прохождения половины углового шага (1/2φ°) момент фиксатора становится положительным по отношению к моменту пружины 4, достигая максимума на угле 3/4φ°.
Крутящий момент, действующий на выходной вал, с учетом влияния момента фиксатора, будет меняться по кривой «д», которая является суммой графиков «а» и «г». Как видно кривая «д» практически плавно огибает кривую «в» - изменения момента сил трения, т.е. действующий на вал крутящий момент на первой половине углового шага, когда момент сил трения мал, падает до оптимального значения, а на второй половине возрастает до значения необходимого для преодоления момента сил трения при «врубании» контактов, превышая при этом момент возвратной пружины 4.
В действительности потенциальная энергия пружины, затраченная на совершение работы по преодолению момента фиксатора на первой половине углового шага, возвращается на второй - более нагруженной половине (заштрихованные участки). Указанное перераспределение энергии пружины создает оптимальные электромеханические условия для коммутации контактов. Это позволяет применять пружину с малым крутящим моментом, в результате чего уменьшаются энергопотребление и габариты электромагнитного привода.
После подачи на электромагниты 1 поочередно по двум цепям (шины I-IV и II-IV) установленного количества управляющих импульсов
переключатель переходит в сработанное состояние. Это означает, что подвижные контакты 18 и 20 разрывают электрические цепи соответственно между контактами 28-29 и 30-31 и соединяют контакты 32-33, 34-35. При этом подвижный контакт 19 разрывает связь с неподвижным контактом 26, исключая возможность подачи управляющих импульсов по шинам I-IV и II-IV, и замыкается с неподвижным контактом 25, образуя цепь приведения переключателя в исходное состояние.
Приведение переключателя в исходное состояние осуществляется поочередной подачей серии управляющих импульсов по шинам I-III и II-III
Указанный принцип действия переключателя исключает возможность подачи двух последовательных управляющих импульсов по одним и тем же электрическим цепям и прохождение суммарного количества импульсов больше установленного.