Электромагнитное запирающее устройство
ELECTROMAGNETIC LOCKING DEVICE

Электромагнитное запирающее устройство относится к области охранной техники, в частности к дистанционно-управляемым запирающим устройствам, замкам, действующим с использованием электромагнитных средств, и может быть использовано для дистанционного запирания/открывания дверей различного назначения, в том числе дверей холодильников и сейфов.
Электромагнитные запирающие дистанционно-управляемые запорные устройства используются в качестве «устройств исполнительных» по классификации ГОСТ Р 51241-98 в системах контроля и управления доступом в помещениях различного назначения. Основное назначение этих замков – ограничение прохода и обеспечение максимальной безопасности при использовании в общественных и жилых помещениях, на стендах, витринах, в холодильных установках, находящихся под особым контролем пользователя. Широкому распространению запирающих устройств подобного типа способствует их высокая надежность. Они прочно удерживают дверь в закрытом положении, не боятся агрессивных сред и работают при температуре от –20 до +40°С, что важно для их наружного применения.
Используемые в настоящем описании некоторые термины имеют следующее толкование:
автономный источник питания
-  – гальванический элемент или аккумулятор, размещаемый в корпусе запирающего устройства или в непосредственной близости от него;
безотказность
- –свойство объекта, в данном случае запирающего устройства, непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки (согласно ГОСТ 27.002-89);
с возможностью скольжения
1
1
-  – подвижное соединение деталей, выполненное по посадкам скольжения или движения (С, С, Д, Д), когда обеспечено свободное перемещение деталей при их точном центрировании;
- закладная
деталь
– металлические элементы, устанавливаемые (закладываемые) в конструкции для соединения между собой элементов конструкции;
калиброванное отверстие
-  – отверстие с подобранными для целей настоящего изобретения размерами;
катушка (электромагнита)
-  – в данном описании термины «катушка» и «обмотка» понимаются как синонимы;
магнитный шунт
-  – деталь из магнитного материала, служащая для концентрирования, ослабления или изменения конфигурации магнитного потока.
магнитный материал:
-  магнитомягкий, то есть не способный сохранять остаточный магнетизм, материал, обладающий ферромагнитными свойствами.
Известен электромагнитный замок, включающий ригель, взаимодействующий с расположенным в имеющем форму стакана корпусе замка ловителем, выполненным в виде цилиндрической втулки, соосно с которым размещен выполненный с возможностью продольного перемещения фиксатор, а также установленные в корпусе замка электромагнит с сердечником и шариковый стопорный механизм (RU 2298623, Е05В 47/02, 20.01.2004).
Недостатком данного устройства является повышенное потребление электроэнергии, обусловленное тем, что при запирании замка на катушку электромагнита подается напряжение и замок находится в состоянии, подключенном к сети, до момента его открывания.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является электромагнитный замок (RU 2376434, E05B 47/02 (2006.01), 20.12.2009), включающий подвижной ригель с головкой на конце, взаимодействующей с шариковым стопорным механизмом, электромагнит с катушкой, сердечником и цилиндрическим корпусом, внутри которого размещён соосный с ригелем ловитель, выполненный в виде цилиндрической втулки, фиксатор, выполненный из магнитного материала в виде стакана, на контактирующем со стенками корпуса дне которого установлен постоянный магнит, а боковые стенки имеют отверстия для шариков, размещённый с возможностью скольжения в ловителе соосно с ним и ригелем. Головка ригеля, притянутая постоянным магнитом при смещении ригеля в сторону от электромагнита, увлекает за собой фиксатор, который продвигаясь в ловителе, лишает шарики стопорного механизма возможности раздаваться в стороны, освобождая ригель: замок заперт.
Для отпирания замка на катушку электромагнита подают напряжение постоянного тока. Направление тока в катушке устанавливают таким, чтобы возникающее магнитное поле было одного направления с полем постоянного магнита. Притянутый к сердечнику электромагнита фиксатор вместе с шариками стопорного механизма удерживается электромагнитом, освобождая головку ригеля. Благодаря дополнению поля электромагнита, совмещенного с полем постоянного магнита, фиксатор остается притянутым к сердечнику, не позволяя ригелю перемещать фиксатор, замок отпирается.
Недостатком известного замка является большое потребление электроэнергии на возбуждение магнитного поля в электромагните, поскольку поле электромагнита плохо проникает через дно стакана фиксатора. Кроме того, из-за существования остаточного магнетизма освобождение головки ригеля от постоянного магнита происходит не сразу. Приходится поддерживать ток в электромагните некоторое время, что также снижает экономичность замка. При использовании для питания замка автономных источников питания они быстро разряжаются, и потому безотказность такого замка невелика.
При попытке усовершенствовать замок введением в него устройства дистанционного управления, потребляющего ток в режиме ожидания, безотказность замка, определяемая сроком службы источников питания, становится совсем неприемлемо малой.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности использования автономных маломощных источников питания при реализации дистанционного управления запирающим устройством. Техническим результатом является снижение потребляемой устройством энергии, позволяющее использовать для его питания маломощные автономные источники при высокой продолжительности безотказной работы.
Для достижения указанного технического результата электромагнитное запирающее устройство содержит корпус устройства, электромагнитный замок, соосные корпус замка, подвижный ригель, взаимодействующий с шариковым стопорным механизмом, включающим ловитель и фиксатор, выполненный с возможностью скольжения в корпусе замка, электромагнит с обмоткой и сердечником, в фиксаторе  со стороны, обращённой к электромагниту, установлены последовательно в порядке от электромагнита к ригелю: магнитный шунт, постоянный магнит и диск из немагнитного материала, при этом устройство содержит электронную плату, выполненную с возможностью соединения с источником автономного питания и связи с устройством дистанционного управления и подачи напряжения на обмотку электромагнита электромагнитного замка.
Кроме того, магнитный шунт выполнен в виде диска, имеющего центральное отверстие, из магнитомягкого ферромагнитного материала.
Кроме того, фиксатор выполнен в виде втулки, ступенчатой по наружной поверхности, с возможностью скольжения части с большим диаметром внутри корпуса электромагнита, а части с меньшим диаметром – внутри ловителя, причём конец ригеля, обращённый к электромагниту, выполнен утолщённым с возможностью скольжения в фиксаторе, а головка ригеля образована кольцевой проточкой в утолщённой части.
Кроме того, головка ригеля может быть выполнена как цилиндрической, так и шаровой формы. Расстояние от кольцевого выступа соответствует глубине ловителя, так что кольцевой выступ входит в фиксатор.
Кроме того, сердечник электромагнита содержит два кольцевых выступа, один из которых расположен на конце, контактирующем с магнитным шунтом в донной части фиксатора, второй – в средней части сердечника, а обмотка электромагнита расположена между ними.
Кроме того, электромагнитное запирающее устройство содержит закладную деталь из магнитного материала, соединяющую его корпус с корпусом электромагнитного замка.
Кроме того, электронная плата управления выполнена с возможностью приёма кодированного радиосигнала, содержит микроконтроллер с радиочастотным приемо-передатчиком, связанный с блоком управления питания контроллера, антенной, элементом включения/выключения и с элементом соединения с обмоткой электромагнита.
Благодаря введению в фиксатордиска из немагнитного материала исключается «залипание» конца ригеля к постоянному магниту при отпирании замка, требующее увеличения времени нахождения электромагнита под напряжением. Это уменьшает расход электроэнергии и, повышая тем самым ресурс автономного источника питания, увеличивает безотказность заявленного устройства даже при оснащении его дополнительно потребляющим энергию устройством дистанционного управления.
Благодаря введению в фиксатор магнитного шунта с центральным отверстием и расположению его между постоянным магнитом и сердечником электромагнита появляется возможность регулирования магнитного потока электромагнита, часть которого нейтрализует поле постоянного магнита, а часть служит для смещения фиксатора в положение, освобождающее ригель. Это снижает энергопотребление электромагнита, повышая тем самым безотказность устройства и обуславливая возможность использования маломощных внешних источников питания, реализуя дистанционное управление устройством.
Благодаря выполнению магнитного шунта из магнитомягкого ферромагнитного материала повышается безотказность устройства, поскольку это исключает прилипание ригеля и шунта к сердечнику из-за остаточного магнетизма при выключенном электромагните.
Выполнение конца ригеля, обращённого к электромагниту, утолщённым с возможностью скольжения в фиксаторе и наличие образующей головку ригеля кольцевой проточки в этой утолщённой части позволяет, центрируя вход ригеля в устройство, предотвратить его случайное отпирание, устраняет угловые смещения ригеля относительно продольной оси, что снижает энергозатраты на отпирание замка, повышая тем самым безотказность устройства при использовании маломощных автономных источников питания даже при их дополнительном нагружении средствами дистанционного управления.
Благодаря выполнению фиксатора в виде втулки, ступенчатой по наружной поверхности, с возможностью скольжения части с большим диаметром внутри корпуса электромагнита, а части с меньшим диаметром – внутри ловителя, а также благодаря выполнению обращённого к электромагниту конца ригеля утолщённым предотвращается заедание ригеля и фиксатора в ловителе, что, способствуя быстрому освобождению ригеля, сокращает время нахождения электромагнита под напряжением и, следовательно, расход электроэнергии. Снижение потребляемой энергии обеспечивает достаточно продолжительный срок службы маломощных автономных источников питания даже при их дополнительном нагружении средствами дистанционного управления, повышая тем самым безотказность устройства.
Кольцевое углубление в утолщённой части ригеля между головкой ригеля и кольцевым выступом, в которое входят шарики стопорного устройства, обеспечивает работоспособность шарикового стопорного механизма.
Выполнение сердечника электромагнита с двумя плоскими дисками, между которыми размещается катушка электромагнита, позволяет уменьшить потери магнитного потока из-за его рассеяния, что позволяет нейтрализовать поле постоянного магнита при меньшем потреблении энергии, повышая тем самым безотказность устройства.
Введение в устройство закладной детали из магнитного материала, соединённой с корпусом электромагнита, снижая потребляемую энергию, увеличивает безотказность устройства с автономными источниками питания. Это достигается за счёт повышения тягового усилия электромагнита, позволяющего освободить ригель при меньшем токе через его обмотку.
Благодаря введению в замковое устройство платы управления, выполненной с возможностью приёма кодированного радиосигнала, подачей и снятием напряжения на катушке электромагнита, появляется возможность дистанционного регулирования времени нахождения электромагнита под напряжением. Установкой минимально необходимого для отпирания замка времени удаётся снизить потребление энергии от автономных источников питания, повышая тем самым безотказность устройства. Кроме того, повышается удобство управления замковым устройством, поскольку его можно осуществлять, находясь на удалении.
Сущность заявленного технического решения пояснена чертежами:
Фиг. 1 – общий вид электромагнитного запирающего устройства.
Фиг. 2 – блок-схема электронной платы управления.
Где:
1 – фланец,
2 – фиксатор, выполненный ступенчатым,
3 – светодиод,
4 – электронная плата управления,
5 – кнопка «сброс»,
6 – контактная группа,
7, 8 – элементы автономного электропитания типа АА,
9 – контактная группа,
10 – крышка,
11 – сердечник,
12 – корпус электромагнитного запирающего устройства,
13 – закладная деталь,
14 – обмотка электромагнита,
15 – цилиндрический корпус замка,
16 – шунт из магнитного материала с отверстием,
17 – шарики,
18 – ловитель,
19 – головка ригеля,
20 – ригель,
21 – утолщённый кольцевой участок ригеля,
22 – постоянный магнит,
23 – шунт – диск из немагнитного материала,
24 – микроконтроллер с радиочастотным приемопередатчиком,
25 – блок управления питания контроллера,
26 – контакты подключения питания платы,
27 – выходное устройство включения/выключения (ключ),
28 – контакты подключения обмотки электромагнита,
29 – антенна.
Электромагнитное запирающее устройство содержит пластиковый корпус 12, в котором установлен электромагнитный замок с корпусом замка 15, закрепленный в пластиковом корпусе запирающего устройства 12 через закладную деталь 13 посредством сердечника 11 с гайкой. В корпусе 12 размещены электронная плата управления 4, полость для автономных элементов питания 7, 8, например типа АА, соединённых с контактной группой 6, 9. В корпусе электромагнитного запирающего устройства выполнены отверстия для доступа к кнопке «сброс» 5 и для видимости сигнального светодиода 3. Автономные элементы питания запираются крышкой 10.
Электромагнитный замок содержит подвижный ригель 20, закрепленный вне корпуса, корпус 15 замка, выполненный в виде стакана с расположенным в нем электромагнитом с обмоткой 14 и сердечником 11. Хвостовая часть сердечника 11 снабжена резьбой для скрепления замка с корпусом 12 с помощью резьбового соединения. Во внутреннюю полость корпуса замка 15 с открытого его конца частично входит выполненный в виде втулки ловитель 18, соединённый с корпусом замка 15 резьбовым или штифтовым соединением.
Внутри ловителя 18 и корпуса 15 размещён с возможностью продольного перемещения фиксатор 2, выполненный в виде втулки, ступенчатой по длине, состоящий из двух частей. Одна часть, меньшего диаметра, выполнена контактирующей со стенками корпуса замка 15, другая часть – контактирующей с ловителем 18. Удалённый от электромагнита конец фиксатора 2 имеет фаску и конические отверстия, в которых находятся запирающие шарики 17. Фиксатор 2 всегда находится в непосредственном контакте с сердечником 11, для чего дверь может быть снабжена доводчиком. Ригель 20 состоит из штока, с одного конца которого имеется резьба. Другой, обращённый к электромагниту, конец ригеля 20 имеет утолщённый участок 21, кольцевую наружную проточку и заканчивается головкой 19 шаровой или цилиндрической формы с фасками на краях.
Головка 19 ригеля 20 и утолщённый участок 21 ригеля входят с возможностью скольжения в фиксатор 2, причём утолщённая часть выполняет функцию направляющей для ригеля.
С обращённого к электромагниту конца фиксатор 2 имеет внутреннюю проточку, в которую вложены диск 23 из немагнитного материала, например латуни. Постоянный магнит 22 имеет форму диска, и шунт 16 из магнитного материала выполнен в виде шайбы с калиброванным центральным отверстием. Диаметр отверстия в шунте 16 из магнитного материала, его толщина и толщина диска из немагнитного материала 23 подбираются для каждого из типоразмеров замка экспериментально, чтобы обеспечить усилие сцепления, достаточное для надёжной фиксации ригеля и в то же время требующее минимального расхода электроэнергии для расцепления замка.
Сердечник электромагнита 11 выполнен в виде стержня с двумя утолщениями в виде плоских дисков, между которыми намотана обмотка 14 электромагнита. Диски, расположенные на сердечнике, способствуют фиксации намотки. Ближайший к ригелю диск, кроме того, формирует должным образом поле электромагнита. Намотка производится прямо на стержень через тонкую изолирующую плёнку. Такая бескаркасная намотка позволяет максимально приблизить обмотку к сердечнику, что, в свою очередь, позволяет нейтрализовать поле постоянного магнита при меньшей потребляемой мощности, повышая тем самым безотказность устройства.
Закладное устройство 13, выполненное из магнитного материала, помимо функции крепления электромагнита, способствует концентрации магнитного потока электромагнита в месте расположения постоянного магнита. Это снижает ток, требуемый для отпирания замка.
Запирающее устройство содержит также электронную плату управления (контроллер) 4, служащую для управления рабочими режимами и выполненную с возможностью приема/передачи кодированного сигнала от блока дистанционного управления и последующей подачи напряжения на катушку электромагнитного замка 14. Электронная плата включает в себя электронною схему, содержащую микроконтроллер 24, в памяти которого находится шифр ключа и коды доступа, а также микросхему приемо-передатчика с антенной 29 для приёма и передачи сигнала от пульта дистанционного управления, кнопку сброса 5 и светодиод 3 индикации. Пульт дистанционного управления может быть выполнен в виде электронного брелока.
Управление замком производится с помощью радиоканала, состоящего из передатчика сигнала управления, выполненного в виде брелока в отдельном корпусе с кнопками управления, и электронной платы управления 4.
Электромагнитное устройство работает следующим образом.
Электромагнитное запирающее устройство (кожух) 12 крепится, например, в дверной коробке. Напротив на двери крепится подпружиненный ригель 20.
При закрытой двери катушка 14 электромагнита обесточена. Конец ригеля 20 с головкой 19 попадает в отверстие ловителя 18 и при дальнейшем движении ригеля 20 он поступает в фиксатор 2.
Головка 19 ригеля 20, проходя мимо шариков 17, упирается в диск 23 из немагнитного материала и притягивается постоянным магнитом 22. Шарики 17, оказавшись напротив углубления между головкой ригеля 19 и выступом 21, входят в него (в углубление). При этом ригель 20 вместе с шариками и фиксатором 2, с которым он оказывается сцеплен магнитным полем постоянного магнита, под усилием доводчика немного продвигается в направлении от электромагнита, так что шарики оказываются напротив суженной части ловителя 18, не имея возможности раздвинуться и освободить ригель. Увлекаемый ригелем фиксатор 2 отодвигается от электромагнита и упирается в нижнюю кромку ловителя 18. Замок оказывается запертым. Утолщение 21 на конце ригеля позволяет отцентрировать ригель на входе в ловитель 18 и предотвратить его случайное отпирание, устраняет угловые смещения ригеля относительно продольной оси замка, что снижает потребление энергии на отпирание.
Для открывания замка с внешнего пульта дистанционного управления подаётся шифрованный радиосигнал на отпирание с уникальным кодом на разрешённой радиочастоте, принимаемый электронной платой управления 4. При получении радиосигнала микроконтроллер платы 4 приёмника сравнивает принятый код с кодом, содержащимся в памяти микроконтроллера приёмника. Если коды совпадают, плата управления подаёт напряжение постоянного тока, например в 3 вольта, на обмотку 14 электромагнита. Направление тока в обмотке 14 устанавливается таким, чтобы создаваемое электромагнитом магнитное поле имело полярность, совпадающую с полярностью поля постоянного магнита 22. Возникающее магнитное поле электромагнита притягивает фиксатор 2, который смещается в ловителе 18 в направлении к электромагниту так, что шарики 17 оказываются в расширенной части ловителя 18, расходятся в стороны, расцепляя ригель 20 и фиксатор 2. Одновременно магнитное поле электромагнита, проникающее через отверстие магнитного шунта 16 к постоянному магниту 22, нейтрализует его, высвобождая тем самым ригель 20.
Диаметр отверстия в шунте 16 из магнитного материала для каждой конкретной конструкции замка подбирается экспериментально, так чтобы усилие притяжения фиксатора 2 к сердечнику 11 было достаточным для его смещения и в то же время чтобы проникающее через отверстие в шунте 16 из магнитного материала магнитное поле электромагнита могло нейтрализовать магнитное поле постоянного магнита 22. Это позволяет минимизировать потребление энергии. Подбором величины магнитных потоков регулируется сцепление ригеля, за счет чего снижается потребляемый ток до 20 мА вместо 100 мА, как у прототипа.
Усилие электромагнита 14, создаваемое магнитным потоком, проходящим по пути  сердечник 11 – корпус замка 15 – фиксатор 2, становится больше по величине, за счет нулевого магнитного зазора между сердечником 11 и фиксатором 2, чем усилие постоянного магнита 22, при этом ригель 20 расцепляется с фиксатором 2.  При движении ригеля 20 в обратном направлении шарики 17 перемещаются в поперечном направлении в полость, образованную между корпусом замка 15 и наружной поверхностью меньшей части фиксатора 2, что дает возможность ригелю 20 выйти из центрального отверстия фиксатора 2.
Управление запирающим устройством осуществляется следующим образом. При нажатии на кнопку брелока (пульта дистанционного управления) производится передача шифрованного радиосигнала с уникальным кодом на разрешенной радиочастоте. При получении радиосигнала от пульта дистанционного управления – электронного брелока – считывающим устройством микроконтроллера электронной платы управления 4 приёмника производится сравнение заложенного в них принятого кода с зашифрованной информацией контроллера о коде, содержащимся в памяти микроконтроллера. Если код совпадает, плата 4 подаёт питание на обмотку электромагнита замка 14 на заданное время (время может установить пользователь, используя сервисный режим) и дверь может быть открыта. Подбор шифра почти невозможен из-за огромного количества вероятных комбинаций. Через определенный промежуток времени (как правило, 5–7 сек.) замок автоматически закрывается, а пользователю, например продавцу, подается соответствующий световой и/или звуковой сигнал.
Для увеличения срока службы автономного источника питания в электронной плате управления 4 используются компоненты с низким энергопотреблением. Это экономит энергию. Функция оповещения пользователя об открытии и закрытии замка там, где сигнальный светодиод 3 невидим, например в холодильной установке, может быть реализована на внешнем устройстве.
Кроме того, экономия электроэнергии достигается режимом брелока, который решает проблему зажатия кнопки или ее нажатия на длительное время. При нажатии на кнопку выдаётся несколько посылок с кодом, и брелок выключается до тех пор, пока кнопка не будет отпущена и нажата снова. За счет этого идет экономия потребления питания.
Для увеличения срока службы источника в брелоке была реализована функция с обратной связью. При нажатии кнопки брелока происходит передача посылки с кодом; если приемник получил сигнал и открылся, он передаёт сигнал брелоку об открытии замка, и в промежуток, пока замок не закроется, посылок не посылает.
Для удобства пользователя предусмотрена возможность входить в сервисный режим (режим для установки времени открытия замка, стирания и занесения данных брелоков) без открытия корпуса. Также существует возможность войти в сервисный режим, сняв питание с платы путем отключения элемента питания.
Вход в сервисный режим осуществляется следующим алгоритмом: после подачи питания на плату путем подключения элемента питания в течение 5–15 сек. (в зависимости от желания заказчика, предустановка) можно зайти в сервисный режим, используя любой совместимый брелок. В сервисный режим также можно войти, отключив, а затем включив питание платы управления. Для входа в сервисный режим следует после подачи питания на плату управления 4 (подключить элемент питания) в течение 5–15 сек. (в зависимости от желания заказчика, предустановка) зайти в сервисный режим, используя любой совместимый брелок.
Кнопка используется для того, чтобы, не открывая корпуса устройства, перейти в сервисный режим (так же как при снятии питания с платы управления на короткое время). Индикация используется для индикации режимов при входе в сервисный режим (режим занесения брелоков, режим выбора времени открывания замка и т.п.; режимы могут быть добавлены по желанию заказчика).
Плата управления 4, обеспечивающая дистанционное управление электромагнитным запирающим устройством, может быть реализована с помощью стандартных комплектующих, например с применением в качестве приемо-передатчика радиомодуля NRF24L01 и микроконтроллера ATMEGA16. В качестве источника энергии были использованы стандартные элементы питания типа AA. Пульт управление создан на основе стандартных комплектующих в пластиковом огнестойком ударопрочном корпусе.
Испытания предложенного замкового устройства показали, что его безотказность определяется только сроком службы автономных источников питания, поскольку механические элементы служат во много раз дольше. Сравнительные испытания показали, что предложенное замковое устройство потребляет энергии, требуемой для отпирания замка, в 5 раз меньше (20 мА вместо 100 мА при том же напряжении), чем замковые устройства, где отпирание замка происходит за счёт притягивания фиксатора электромагнитом. Из-за этого продолжительность безотказной работы предложенного замкового устройства примерно в 5 раз превышает продолжительность безотказной работы замка-прототипа даже при наличии дополнительной потребляющей энергию электронной платы. При питании предложенного электромагнитного запирающего устройства от гальванических элементов типа АА продолжительность его безотказной работы составляет около одного года при ста открытиях замка в сутки.