ЗАМОК ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ
ELECTROSTATIC LOCKING UNIT

Замок электростатический (ЗЭС) относится к устройствам фиксации и удержания в фиксированном состоянии друг относительно друга отдельных частей или элементов различных механизмов и устройств с возможностью их последующего обратного разъединения, и функционирует за счет электростатической (кулоновской) силы притяжения между электродами, заряженными противоположными электрическими зарядами и разделенными узким слоем диэлектрика. Замок электростатический может служить запирающим устройством (замком), а также использоваться во многих других аналогичных технических целях.
Известен замок электростатический (патент РФ на полезную модель №129134) - устройство фиксации и удержания в фиксированном состоянии друг относительно друга отдельных частей или элементов механических устройств посредством электростатической (кулоновской) силы притяжения, содержащий фиксируемые электроды, механически или кинематически связанные с фиксируемыми друг относительно друга частями или элементами, при этом электроды имеют возможность подключения к источнику электрического питания для придания электродам зарядов противоположных знаков, и содержащий не менее одного слоя диэлектрика, отделяющего друг от друга электроды, заряжаемые электрическими зарядами противоположных знаков, так что при фиксации (закрытии) ЗЭС противоположно заряженные электроды плотно примыкают друг к другу через разделяющий их диэлектрик, и кроме этого содержащий электрические вентили для подключения электродов ЗЭС к источнику электрического питания, которые гарантируют стабильное накопление электрических зарядов на электродах.
Серьезной проблемой в эксплуатации такого ЗЭС является чувствительность к загрязнению рабочих поверхностей электродов в местах их взаимного контакта при закрытии ЗЭС. Например, попадание на рабочие поверхности даже в незначительном количестве обычной бытовой пыли делает невозможным закрытие ЗЭС или, в лучшем случае, во много раз уменьшает силу притяжения между электродами, так как приводит к появлению неустранимых микроскопических воздушных зазоров между соединяемыми электродами. Как известно, по размеру пылевых частиц пыль может быть разных видов: частицы размером менее 0,1 мкм, т.е. «дым»; от 0,1 до 10 мкм - «облако» или «туман»; более 10 мкм - собственно пыль. Особую опасность представляют мелкие частицы пыли размером до 5 мкм, которые находятся в воздухе долгое время во взвешенном состоянии, особенно при повышенной подвижности воздуха. Кроме этого, пыль, грязь или конденсат атмосферной влаги на рабочих поверхностях электродов, кроме вышеуказанного эффекта образования микроскопических воздушных зазоров в зоне контакта электродов, многократно снижают эффективность работы ЗЭС или делают ее невозможной по причине эффекта электростатической индукции: в момент закрытия ЗЭС на поверхностях контакта мелкодисперсной пыли или конденсата с электродами образуются поляризационные заряды, обратные зарядам на электродах, при этом электростатическое поле этих поляризационных зарядов полностью экранирует заряды на электродах от взаимодействия друг с другом и взаимного притяжения.
Поэтому рабочие поверхности контакта электродов ЗЭС должны быть идеально чисты в течение всего срока эксплуатации, для чего необходимо как минимум изолировать их от внешней окружающей воздушной среды.
Другой, не менее важной, проблемой эксплуатации такого устройства является необходимость в точнейшей подгонке друг к другу ответных частей ЗЭС при размещении на механическом устройстве, которое ЗЭС будет запирать. Требуемая точность может достигать порядков менее микрометра, при этом рабочие расстояния между электродами ЗЭС в открытом состоянии могут достигать метра и более. Такая настройка может оказаться дорогой или труднодостижимой. Более того, за счет микро-деформаций, постоянно возникающих в процессе эксплуатации, потребность в такой настройке может возникать многократно в дальнейшем, что является крайне нежелательным или может оказаться невозможным.
Целью и достигаемым техническим результатом настоящего изобретения как раз и является избавление ЗЭС от вышеуказанных проблем в процессе эксплуатации.
Данная задача решается следующим образом: кроме фиксируемых друг относительно друга электродов и диэлектрика, отделяющего друг от друга электроды, так что при фиксации (закрытии) ЗЭС противоположно заряженные электроды плотно примыкают друг к другу через разделяющий их диэлектрик, ЗЭС дополнительно содержит блокирующий механизм, части которого кинематически связанны с устройством, для фиксации которого служит ЗЭС; данный блокирующий механизм состоит из двух частей - блокируемой части и ответной к ней раздвижной части, которая содержит как минимум две раздвижные створки, при этом, когда ЗЭС находится в состоянии "открыто", блокируемая часть может свободно (с небольшим усилием) входить в ответную часть и так же выходить обратно, а в состоянии "закрыто" блокируемая часть блокируется внутри ответной части; при этом электроды ЗЭС кинематически связаны с соответствующими раздвижными створками так, что возможны три основных рабочих состояния: (первое) блокируемая часть снаружи относительно ответной, ответная часть закрыта, электроды ЗЭС плотно прилегают друг к другу через разделяющий их диэлектрик; (второе) блокируемая часть находится частично в ответной части, которая в этот момент частично или полностью раздвинута, электроды ЗЭС разделены дополнительным зазором; (третье) блокируемая часть полностью находится в ответной части, створки которой плотно сдвинуты, а электроды ЗЭС плотно прилегают друг к другу через разделяющий их диэлектрик, при этом при сообщении противоположных зарядов электродам ЗЭС между электродами возникает кулоновская сила притяжения, которая препятствует раздвижению створок ответной части, и блокируемая часть жестко фиксируется внутри ответной, а ЗЭС переходит в состояние "закрыто".
Для наглядности описанный выше ЗЭС представлен на чертеже в трех вышеописанных основных состояниях: в верхней части чертежа в момент, предшествующий началу закрытия ЗЭС (первое состояние); в средней части чертежа в момент, соответствующий примерно средней фазе закрытия, когда корпус ответной части ЗЭС (1) под механическим воздействием блокируемой части ЗЭС (2) при ее поступательном движении справа налево раздвигается поворотом вокруг шарнира (3) и часть (2) входит в ответную часть (1), электроды ЗЭС (7), кинематически связанные со створками ответной части шарнирами (6), раздвигаются вдоль направляющих (5), и между ними возникает воздушный зазор (второе состояние); в нижней части чертежа в момент непосредственно закрытия ЗЭС, когда блокируемая часть ЗЭС (2) полностью вошла в ответную часть (1) и возвратно-пружинный механизм (4) плотно прижимает электроды ЗЭС (7), разделенные слоями диэлектрика (8), друг к другу и электроды подключаются к источнику электрических зарядов (на фиг. не показан), в результате чего между электродами возникает электростатическая сила притяжения, блокирующая часть (2) относительно ответной части (1) (третье состояние).
Таким образом, в описанном устройстве все возможные движения электродов компактно ограничены направляющими электродов (5), что позволяет поместить электроды в герметичную оболочку (контейнер), которая, например, может совпадать с (5).
Описанное устройство отчасти похоже на электромеханические защелки (ЭМЗ), широко применяемые в настоящее время. В ЭМЗ блокировка замка происходит с помощью электромагнита, приводящего в движение специальный механизм, который переводит замок в состояние «заблокировано» (для нормально-открытых ЭМЗ) или «разблокировано» (для нормально-закрытых ЭМЗ). Однако между ЭМЗ и ЗЭС на чертеже существует существенное отличие, заключающееся в том, что в момент закрытия ЭМЗ, кроме естественного движения дверного механизма и частей замка, происходит смещение внутреннего элемента блокировки в состояние «заблокировано» и дальнейшее удержание ЭМЗ в закрытом состоянии и противодействие несанкционированному открытию происходит за счет внутренних механических сил упругости между частями замка, в то время как блокировка ЗЭС происходит под воздействием только электростатических сил притяжения между электродами ЗЭС. Это обуславливает и другое принципиальное отличие: если для открытия, например, двери с ЭМЗ, находящейся в заблокированном состоянии, приложить внешнюю силу, превышающую некоторое критическое значение (усилие на слом) и, таким образом, открыть ЭМЗ, устройство будет сломано и работать больше не сможет; а ЗЭС в этом случае будет открыто без повреждения. Единственной угрозой для ЗЭС при этом является высокое напряжение на электродах, образующееся в момент открытия, которое может превысить напряжение пробоя; для того чтобы избежать этого, достаточно снабдить электроды ЗЭС шунтирующим устройством, которое будет замыкать электроды ЗЭС при превышении напряжения между электродами некоторой контрольной величины, меньшей величины напряжения пробоя.
Таким образом, данное изобретение позволяет достичь следующих технических результатов:
- позволяет значительно снизить или исключить полностью загрязнение зоны контакта электродов ЗЭС в процессе эксплуатации, поскольку даже самое незначительное количество такого загрязнения не просто снижает эффективность ЗЭС, но и может сделать его работу невозможной;
- избавляет от необходимости проводить высокоточную и дорогую подгонку элементов ЗЭС при монтаже оборудования для обеспечения возможности многократного точного контакта и плотного примыкания электродов ЗЭС при его закрытии в процессе эксплуатации;
- дает упрощение и удешевление монтажа оборудования, поскольку такая конструкция подразумевает монтаж электрического кабеля только к одной из механических частей запираемого устройства: например к ответной части замка на дверной коробке, в то время как обычный ЗЭС в этом случае подразумевает монтаж оборудования и электропроводки также и на дверное полотно.
1
2
1
1
1
2
<mrow><msub><mi>F</mi><mn>2</mn></msub><mi>sin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>α</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo><mo>:</mo><msub><mi>F</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>F</mi><mn>2</mn></msub><mi>sin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>α</mi><mo stretchy="false">)</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>A</mi><mi>C</mi></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>/</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>A</mi><mi>B</mi></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>A</mi><mi>B</mi></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>A</mi><mi>C</mi></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
Отметим, что механическая сила, необходимая для открытия ЗЭС, будет определяться величиной накопленных электрических зарядов на электродах, величина которых, в свою очередь, определяется напряжением между электродами в начальном закрытом состоянии, что дает широкие дополнительные возможности использования ЗЭС в промышленных целях, так как позволяет управлять силой открытия ЗЭС. Данное свойство присуще всем ЗЭС. Но данное изобретение дает дополнительную возможность использования эффекта механического рычага для увеличения эффективной силы удержания устройства в закрытом состоянии. Если для обычного ЗЭС сила электростатического притяжения F, минимально достаточная для удержания ЗЭС в закрытом состоянии, будет равна внешнему механическому усилию F, прикладываемому для открытия ЗЭС, то для ЗЭС на представленном чертеже (нижний рисунок на чертеже), F будет зависеть еще от угла α и от взаимного расположения точек А, В и С на чертеже(расстояний между АВ и АС) согласно следующей ниже формуле, которая легко получается из равенства моментов относительно точки А силы F и силы упругой реакции блокируемой части, с которой она действует на створку ответной части (перпендикулярную створке и равную
. Если электроды (7), направляющие (5) и кинематические связи (6) совместить с возвратным механизмом (4) (точка В при этом будет совпадать с точкой С), то получим такую зависимость: F=Fsin(α)cos(α). Возможны и другие варианты - с
больше
. В общем случае эта зависимость должна учитывать не только геометрию устройства, но и свойства материалов (коэффициенты упругости и трения).
Итак, для повышения наглядности изложенного выше материала изобретение проиллюстрировано чертежом (в трех основных состояниях) и состоит из:
1 - ответная часть корпуса ЗЭС, состоящая из двух симметричных частей;
2 - блокируемая часть ЗЭС, механически связанная с удерживаемой в фиксированном положении частью механизма, для закрытия которого служит ЗЭС;
3 - шарнирное соединение симметричных частей ответной части корпуса ЗЭС (1);
4 - возвратно-пружинный механизм;
5 - вертикальные направляющие для электродов ЗЭС;
6 - кинематическая связь электродов ЗЭС с ответной частью ЗЭС (1);
7 - электроды ЗЭС, заряжаемые противоположными электрическими зарядами;
8 - слои диэлектрика, разделяющие электроды (7).