Электромагнитное запирающее устройство с актуатором
ELECTROMAGNETIC LOCKING DEVICE WITH ACTUATOR

Электромагнитное запирающее устройство с актуатором относится к области охранной техники, в частности к дистанционно-управляемым запирающим устройствам, замкам, действующим с использованием электромагнитных средств, и может быть использовано для запирания дверей различного назначения, в том числе дверей холодильников и сейфов.
Дистанционно управляемые запирающие устройства с приводом от электромагнита (далее – электромагнитные запирающие 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 надёжность. Они прочно удерживают дверь в закрытом положении, не боятся агрессивных сред и работают при любой температуре, 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;
актуатор
-  – исполнительное устройство, преобразующее поданную на него электрическую энергию в механическое перемещение рабочего органа, в данном описании – штока;
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;
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 проводящего магнитный поток материала, служащая для концентрирования, ослабления или изменения конфигурации магнитного потока;
магнитный материал
- – магнитомягкий, то есть не способный сохранять остаточный магнетизм, материал, обладающий ферромагнитными свойствами;
штифт
- – неподвижная деталь, служащая для фиксации, например колеса на валу.
Известен электромагнитный замок, включающий ригель, взаимодействующий с расположенным в корпусе замка, имеющего форму стакана, ловителем, выполненным в виде цилиндрической втулки, соосно с которым размещён 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 подаётся напряжение, и замок находится в состоянии, подключённом 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 материала, проводящего магнитный поток, 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 раздвигаться в стороны, запирая 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, совпадающего по направлению с полем постоянного магнита, фиксатор остаётся притянутым к сердечнику, освобождённый от шариков стопорного механизма ригель перестаёт тянуть 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 остаточного магнетизма освобождение головки ригеля от постоянного магнита происходит не сразу. Приходится поддерживать ток в электромагните некоторое время, что также снижает экономичность замка. Зачастую операторы посредством управляющего устройства поддерживают ток в электромагните сверх необходимого для отпирания замка времени, что ещё более снижает экономичность. При использовании для питания замка автономных источников питания они быстро разряжаются, и потому безотказность такого замка невелика.
Задачей настоящего изобретения является снижение потребляемой на отпирание замка энергии для обеспечения возможности использования маломощных автономных источников питания, а также реализации дистанционного управления запирающим устройством. Техническим результатом является снижение потребляемой энергии для обеспечения возможности использования маломощных источников автономного питания, повышение безотказности и надёжности запирающего устройства при уменьшении габаритов изделия.
Указанный технический результат достигается тем, что электромагнитное запирающее устройство, содержащее электромагнитный замок, соосные корпус замка, подвижный ригель, взаимодействующий с шариковым стопорным механизмом, включающим ловитель и фиксатор, выполненный с возможностью скольжения в корпусе замка и содержащий постоянный магнит, установленный на удалённом от ловителя конце фиксатора, дополнительно содержит магнитный шунт, установленный между постоянным магнитом и ригелем, а также актуатор, содержащий обмотку, и выполненный из магнитного материала подвижной сердечник, ось которого перпендикулярна оси фиксатора, соединённый со штоком из немагнитного материала, выполненным с возможностью контактирования с фиксатором, при этом устройство содержит электронную плату, выполненную с возможностью соединения с источником автономного питания и связи с устройством дистанционного управления подачей напряжения  на обмотку актуатора.
Кроме того, плата управления выполнена с возможностью приема кодированного радиосигнала, содержит микроконтроллер с радиочастотным приемо-передатчиком, связанный с блоком управления питания контроллера, антенной, устройством включения/выключения и с устройством соединения с обмоткой электромагнита.
Кроме того, магнитный шунт, выполнен в виде диска из магнитного материала.
Кроме того, магнитный шунт имеет отверстие в центре.
Кроме того, фиксатор имеет на внешней боковой стороне по меньшей мере одну проточку.
Кроме того, сердечник актуатора помещён во втулку из немагнитного материала и через неё соединён со штоком.
Кроме того, втулка выполнена из немагнитного материала, имеющего низкий коэффициент трения по материалу каркаса.
Кроме того, сердечник актуатора является постоянным магнитом.
Кроме того, сердечник актуатора выполнен из неодимового магнита.
Благодаря введению магнитного шунта, установленного между постоянным магнитом и ригелем, обеспечивается безотказность срабатывания замка запирающего устройства за счёт создания возможности регулировки магнитного потока, скрепляющего ригель и фиксатор.
Благодаря введению в конструкцию замка актуатора, воздействующего на фиксатор посредством подвижного штока, управляемого магнитным полем обмотки, становится возможным управлять открытием замка посредством усилий, значительно меньших, чем если бы открывание замка производилось электромагнитом. Это снижает энергопотребление по меньшей мере в пять раз по сравнению с прототипом, во столько же раз увеличивая продолжительность безотказной работы устройства. Кроме того, это позволяет существенно уменьшить габариты замкового устройства, применяя в них в качестве источника питания миниатюрные гальванические элементы.
Благодаря введению в конструкцию устройства электронной платы управления, выполненной с возможностью соединения с источником автономного питания и связи с устройством дистанционного управления подачей напряжения на обмотку актуатора, появляется возможность дистанционного регулирования времени нахождения актуатора 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.
Благодаря введению в фиксатор магнитного шунта с центральным отверстием или без него повышается безотказность запирающего устройства, поскольку это позволяет регулировать магнитный поток между головкой ригеля и постоянным магнитом. Регулирование осуществляется подбором толщины диска или диаметра отверстия в нём.
Наличие проточки на внешней боковой стороне фиксатора позволяет фиксировать его посредством штока актуатора при отпирании замка. Такой способ отпирания требует примерно впятеро меньших энергозатрат на отпирание по сравнению с прототипом.
Использование втулки из немагнитного материала, имеющего низкий коэффициент трения по материалу каркаса, и помещение в неё сердечника снижает энергозатраты.
Выполнение сердечника актуатора из постоянного магнита позволяет отпирать и запирать замок при любом пространственном положении запирающего устройства.
Выполнение сердечника актуатора из неодимового магнита ещё более уменьшает затраты энергии на управление положением штока актуатора при отпирании/запирании замка.
Соединение сердечника актуатора со штоком с помощью втулки из не проводящего магнитный поток материала, имеющего низкий коэффициент трения, ещё более уменьшает затраты энергии на управление положением штока актуатора при отпирании/запирании замка.
Существо предложенного изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен продольный разрез устройства в состоянии «открыт» при выведенном ригеле и вид на входное отверстие для ригеля с фиксатором и ловителем замка.
На фиг. 2 представлена блок-схема электронной платы управления устройством.
Где:
1 – крышка,
2 – контактная группа,
3 – гальванический элемент,
4 – гальванический элемент,
5 – контактная группа,
6 – корпус устройства,
7 – светодиод,
8 – электронная плата управления,
9 – кнопка «сброс»,
10 – шарик фиксатора,
11 – шунт из проводящего магнитный поток материала,
12 – постоянный магнит,
13 – фиксатор,
14 – ловитель,
15 – каркас обмотки,
16 – обмотка,
17 – шток,
18 – втулка из не проводящего магнитный поток материала,
19 – сердечник,
20 – ригель,
21 – головка ригеля,
22 – утолщённый кольцевой участок ригеля,
23 – гайка ригеля,
24 – втулка ригеля,
25 – пружина,
26 – корпус электромагнитного  замка,
27 – закладная гайка,
28 – микроконтроллер с радиочастотным приемопередатчиком,
29 – блок управления питанием контроллера,
30 – антенна,
31 – выходной ключ,
32 – контакты подключения катушки электромагнита (коммутирующее устройство),
33 – контакты подключения питания платы.
.
Электромагнитное запирающее устройство с актуатором состоит из пластикового корпуса 6, в котором установлен электромагнитный замок, состоящий из корпуса 26 с установленными в нём ловителем 14 и фиксатором 13. В состав электромагнитного замка также входит подвижный ригель 20, предназначенный для фиксации двери в закрытом положении и состоящий из стержня, головки 21, кольцевой проточки и расширенного участка 22 Ригель соединён с дополнительными деталями: втулкой 24, гайкой 23 и пружиной 25. Актуатор, являющийся составной частью замка, служит для управления отпиранием и запиранием замка. Он состоит из каркаса 15, на котором размещена обмотка 16, и подвижного запорного элемента, состоящего из сердечника 19, который может быть постоянным, в частности неодимовым магнитом, штока из не проводящего магнитный поток немагнитного материала 17 и втулки 18, предназначенной для соединения штока с сердечником и выполненной из материала с низким коэффициентом трения по материалу каркаса 15, например фторопласта-4.
В корпусе 6 размещена также электронная плата управления 8, соединённая через контактные группы 2 и 5 с источником автономного питания, которым могут являться, например, гальванические элементы 3 и 4, соединённые с обмоткой 16. В корпусе 6 выполнены отверстия для кнопки «сброс» 9 и светодиода 7. Корпус 6 имеет устройство для запирания элементов питания  с крышкой 1.
Корпус 26 электромагнитного замка выполнен в виде стакана, во внутренней полости которого установлен выполненный в виде втулки с конической кромкой ловитель 14, соединённый с ним резьбовым или штифтовым соединением. Внутрь ловителя 14 частично входит с возможностью продольного перемещения по скользящей или свободной посадке фиксатор 13, выполненный в виде ступенчатой по длине втулки. Участок втулки меньшего диаметра, входящий в ловитель 14, имеет отверстия в форме усечённого конуса, в которых установлены шарики 10 шарикового стопорного механизма. На удалённом от ловителя 14 конце фиксатора 13 установлены постоянный магнит 12 и проводящий магнитный поток шунт 11 из магнитного материала. Постоянный магнит 12, притягивая к себе головку 21 ригеля, обеспечивает запирание замка и его удержание в запертом состоянии. Это снижает потребление энергии, необходимой для управления замком.
Магнитный шунт 11, выполненный в виде диска из проводящего магнитный поток магнитного материала, сплошного или с центральным отверстием, служит для регулировки напряжённости магнитного поля постоянного магнита 12 в области примыкания к нему головки 21 ригеля 20. Регулировка осуществляется подбором либо толщины диска, либо диаметра отверстия в нём. Диаметр головки 21 ригеля 20 равен или меньше диаметра центрального отверстия в ловителе 14. Головка 21 на конце ригеля может быть выполнена как шаровой, так и цилиндрической формы с фасками на краях. Утолщение 22 ригеля 20 на участке, проходящем через отверстие в ловителе 14, исключает перекос ригеля в отверстии ловителя, снижая тем самым затраты энергии на его перемещение, а также предотвращает случайное отпирание замка, устраняя практически все возможные колебания ригеля, его угловые смещения относительно продольной оси.
Относительно корпуса 26 электромагнитного замка актуатор расположен так, что их оси лежат в одной плоскости и взаимно перпендикулярны, а шток 17 может взаимодействовать с наружной поверхностью фиксатора 13, затормаживая его с целью не дать перемещаться вслед за извлекаемым из замка ригелем 20. Для снижения усилия, требуемого для торможения, наружная поверхность фиксатора 13 может иметь углубление, в которое входит шток 17. Наиболее рационально будет выполнение этого углубления кольцевым, в виде проточки. Тогда шток 17 будет попадать в проточку при любой азимутальной ориентации фиксатора 13.
При всех других ориентациях замкового устройства сердечник 19 должен быть постоянным магнитом. Для снижения энергозатрат предпочтительно использовать неодимовый магнит как обеспечивающий наибольший магнитный поток.
Корпус замка 26 выполнен в виде целикового стакана с дополнительным отверстием в задней стенке, что позволяет отказаться от закладной детали, имевшейся в прототипе.
Корпус электромагнитного замка 26 устанавливается в корпус устройства 6 соосно их отверстий.
Это позволяет нам более надежно и быстро устанавливать и крепить корпус устройства 6 на любые двери, не опасаясь поломки изделия. Крепление осуществляется с помощью крепежных элементов, проходящих через сквозное соосное отверстие корпуса устройства 6 и корпуса замка 26.
Электромагнитное запирающее устройство с актуатором работает следующим образом.
Управление электромагнитным замком производится с помощью радиоканала между передатчиком управляющего устройства (брелока) и электронной платой 8, представляющей собой электронную схему, в памяти которой находится шифр ключа, а также коды доступа. Электронная плата 8 содержит коммутирующее устройство 32 для подключения обмотки 16 к автономному источнику питания 3 и 4 с возможностью изменения полярности подаваемого на обмотку напряжения при отпирании замка. Запирание замка происходит автоматически при закрывании двери, на которой он установлен. Электронная плата в этом не участвует.
При запирании замка движимый доводчиком запираемой двери ригель 20 вводится через отверстие в ловителе 14 в фиксатор 13 до соприкосновения с постоянным магнитом 12, к которому его головка 21 оказывается притянутой с определённым усилием. Шарики 10 стопорного механизма, раздвинутые головкой 21, западают в кольцевую проточку  между головкой 21 и стержнем ригеля 20.
Если попытаться открыть электромагнитный замок, вытягивая из него ригель 20, фиксатор 13, увлекаемый притянутой к его магниту головкой 21, смещается в сторону ловителя 14 до тех пор, пока участок фиксатора, имеющий больший диаметр, не упрётся в торец ловителя, а вошедшие в кольцевую проточку  шарики 10 не окажутся поджатыми к оси замка стенками внутреннего канала ловителя 14, препятствуя извлечению ригеля 20 из замка. После прекращения попыток открыть дверь доводчик возвращает ригель 20 и фиксатор 13 в исходное, то есть наиболее удалённое от ловителя, положение.
Открывание замка происходит следующим образом.
Для открывания замка с пульта дистанционного управления, например электронного брелока (на чертежах не показан), подаётся кодированный радиосигнал, принимаемый приёмным (считывающим) устройством микроконтроллера 28 платы 8. Оно сравнивает принятый им код с кодом, содержащимся в памяти микроконтроллера 28 платы 8. Подбор шифра почти невозможен из-за огромного количества вероятных комбинаций. Если коды совпадают, плата 8 подаёт на заданное пользователем время напряжение от автономных источников питания 3 и 4 на обмотку 16 через коммутирующее устройство электронной платы управления 8. Величина необходимого для работы замкового устройства напряжения в зависимости от его габаритов может составлять от 3 до 24 вольт. Сердечник 19 актуатора, в исходном положении расположенный вблизи торцевой части обмотки 16, выдвигается магнитным полем обмотки 16 внутрь и продвигает соединённый с ним через втулку 18 запорный не проводящий магнитный поток шток 17 в сторону фиксатора 13. Пройдя через отверстие в корпусе 26, шток 17 упирается своим концом в фиксатор 13 или входит в углубление (например, кольцевую проточку), блокируя его. Вследствие блокировки фиксатора головка 21 извлекаемого от замка ригеля 20 отрывается от магнита 12 и освобождается от стопорения, раздвигая в стороны шарики 10, находящиеся в описываемый момент вне ловителя 14. Ригель извлекается из ловителя, замок открыт.
Если замковое устройство расположено так, что ось штока 17 вертикальна, то возвращение штока в исходное положение, освобождающее фиксатор, может происходить под действием силы тяжести или с дополнением обратного магнитного потока путём изменения полярности катушки программно. При всяком ином положении замка возвращение штока 17 в исходное положение становится возможным, если сердечник 19 является магнитом (выполнен из магнита). В этом случае для возвращения штока 17 и освобождения фиксатора 13 достаточно подать на обмотку напряжение обратной полярности, которое обеспечит встречное направление магнитных полей обмотки и сердечника 19. Сердечник выталкивается магнитным полем обмотки 16, увлекая за собой шток 17 и освобождая тем самым фиксатор 13. Замок вновь готов к запиранию. Пользователю, например продавцу, подаётся соответствующий световой и/или звуковой сигнал. Обычно устройство настраивается так, что на обмотку 16 напряжение обратной полярности подаётся кратковременно автоматически через определённый промежуток времени (как правило, 5-7 сек).
Описание платы управления.
Плата управления 8 обеспечивает дистанционное управление электромагнитным запирающим устройством. Плата управления 8 электромагнитным запирающим устройством может питаться от автономного источника питания и подключаться проводами к обмотке 16 благодаря контактам подключения 32. Для увеличения срока службы источника используется компоненты с низким энергопотреблением. Кроме того, при этом аппаратная часть схемы периодически выключает микроконтроллер и включает его на приём несколько раз в секунду, что позволяет практически мгновенно сработать при получении сигнала от брелока, хотя большую часть времени микроконтроллер энергии не потребляет. На случай, если установленный в корпусе 6 устройства индикаторный светодиод 7 не будет виден (например, в холодильной камере), плата управления 8 выполнена с возможностью оповещения пользователя о состоянии замка, например звуковым сигналом (открытии и закрытии).
Для экономии энергии в случае зажатия кнопки брелока или её 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.
Для увеличения срока службы источника в брелоке была реализована функция с обратной связью. При нажатии кнопки брелока происходит передача посылки с кодом; если приёмник получил сигнал и открылся, он передаёт сигнал брелоку об открытии замка, и в промежуток, пока замок не закроется, брелок посылок не отправляет.
Для удобства пользователя предусмотрена возможность входить в режим для установки времени открытия замка, стирания и занесения брелоков (сервисный режим) без открытия корпуса. В сервисный режим также можно войти, отключив питание платы управления. Для входа в сервисный режим следует после подачи питания на плату 8 (подключить элемент питания) в течение 5-15 сек. (в зависимости от желания заказчика, предустановка) зайти в сервисный режим, используя любой совместимый брелок.
Плата управления 8, 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 серии AA. Пульт дистанционного управления ПУ1-МК-1 (1 канал) TDM, Артикул: SQ1508-0101.
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 (5 мА вместо 25 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 дополнительно потребляющей энергию электронной платы.
При питании предложенного замкового устройства от гальванических элементов типа АА продолжительность его безотказной работы составляет около одного года при ста открытиях замка в сутки. Созданная в результате осуществления предложенного изобретения возможность использования миниатюрных гальванических элементов позволила в несколько раз уменьшить габариты замкового устройства при сохранении продолжительности непрерывной работы.