ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ
ELECTROMAGNETIC POLARIZED SWITCH

Изобретение предназначено для систем автоматики взрывоопасных объектов, подвергаемым ударным и вибрационным внешним воздействиям.
7
Известен электродвигатель [РФ, п. №2252476, МПК H02K 21/00, Н01Н 36/00, опубликовано 20.05.2005 г.], содержащий кожух, внутри которого установлены взаимодействующие магнитная и контактная системы. Статор, являющийся неподвижной частью электродвигателя, выполняющий функции магнитопровода и несущей конструкции, по крайней мере, с одной обмоткой управления и ротор - вращающаяся часть электродвигателя с полюсами в виде слоев из постоянных магнитов, размещенных на концах магнитопроводов ротора.
При наличии упоров, ограничивающих поворот якоря, электродвигатель может выполнять функции электромагнитного поляризованного переключателя с двумя устойчивыми угловыми положениями якоря.
Известная конструкция позволяет обеспечить большой угол поворота якоря, однако низкое значение удерживающего момента якоря в крайних угловых положениях не обеспечивает сохранение состояния переключателя при ударных и вибрационных воздействиях. Данное обстоятельство ограничивает области применения известного технического решения.
Известен быстродействующий бистабильный поляризованный электромагнитный привод [США, п. №7898122, МПК (2011.01) H02K 33/00, 33/14, опубликовано 01.03.2011 г.], содержащий кожух, внутри которого установлены взаимодействующие магнитная и контактная системы, статор, единственную катушку возбуждения и постоянный магнит.
Особенностью является применение пружин, создающих на якоре дополнительное отталкивающее от полюсов усилие. В электромагнитных поляризованных переключателях применяются две пружины, имеющие ограничение по ходу якоря и нулевое усилие вблизи середины хода. Движущая пружина в исходном положении находится в сжатом состоянии, при включении обмоток ее усилие складывается с электромагнитным моментом, в результате чего повышается суммарный движущий момент и быстродействие переключателя.
Недостатком известного технического решения является отсутствие регулировок по величине хода, на котором происходит взаимодействие пружин с якорем и усилия их взаимодействия.
7
Известен гибридный монофазный привод вращения с двумя устойчивыми положениями [РСТ, п. №2004/066476, МПК H02K 26/00, H01F 7/14, опубликовано 05.08.2004 г.], содержащий кожух, внутри которого расположены взаимодействующие магнитная и контактная системы. Магнитная система содержит статор, состоящий как минимум из 2N полюсов, где N - это целое число, и возбуждаемый катушкой возбуждения. Контактная система содержит подвижный компонент, состоящий как минимум из N подвижных намагниченный деталей, имеющих как минимум одно устойчивое положение блокировки без тока.
Гибридный монофазный привод вращения с двумя устойчивыми положениями может использоваться в качестве электромагнитного поляризованного переключателя и предусматривать внешний кожух для защиты элементов конструкции от воздействия внешней среды.
Основная особенность известной схемы - сочетание кольцевого и углового зазора между якорем и полюсами магнитопроводов для обеспечения увеличенного угла поворота якоря. Однако размещение постоянных магнитов на поворотном якоре требует увеличения габаритов обмоток и (или) величины пропускаемого тока для реализации необходимых ампервитков обмоток. Увеличение токов (из-за ограничений в обмоточных проводах по плотности тока) требует применения для обмоток провода с большим диаметром сечения, следствием чего также будет увеличение габаритов обмоток и привода в целом. Якорь удерживается в крайних угловых положениях значительными усилиями притяжения закрепленных на нем постоянных магнитов к соответствующим полюсам магнитопроводов. Для надежного переключения необходимо параметрами обмоток (величиной тока и количеством витков) гарантированно превысить это усилие.
Указанный поворотный электромагнитный привод с двумя устойчивыми положениями электромагнитного поляризованного переключателя рассматривается в качестве прототипа.
Задача, на решение которой направлено изобретение, - создание малогабаритного электромагнитного поляризованного переключателя, обеспечивающего увеличенные углы и моменты поворота якоря и сохраняющего свои исходное и сработанное состояния при значительных ударных и вибрационных воздействиях, расширение области применения.
Технический результат, получаемый при использовании изобретения, - уменьшение габаритов и увеличение стойкости электромагнитного поляризованного переключателя к ударным и вибрационным воздействиям и увеличение количества контактов, обеспечивающих коммутацию электрических цепей со значительными токами.
Указанный технический результат достигается тем, что в электромагнитном поляризованном переключателе, содержащем кожух, внутри которого расположены взаимодействующие магнитная и контактная системы, согласно изобретению магнитная система содержит симметрично размещенные магнитопроводы, на каждом торце которых установлены постоянные магниты из магнитотвердого материала с высокой коэрцитивной силой, внешние полюса которых соединены дополнительными магнитопроводами, при этом на основных магнитопроводах выполнены внутренние цилиндрические поверхности для установки поворотного якоря с зазором по его внешней цилиндрической поверхности, угловая ширина которой превышает угловую ширину внутренней цилиндрической поверхности основных магнитопроводов, причем якорь снабжен торцевыми выступами, взаимодействующими с пружинами кручения, оснащенными ограничителями их поворота при начале поворота якоря на угле менее половины его полного угла поворота, а контактная система содержит токовыводы с установленными дополнительными парами встречно поджатых упругих контактов, причем упругие контакты на одном токовыводе имеют разные не кратные друг другу собственные частоты.
Установка на каждом торце симметрично размещенных магнитопроводов электромагнитного поляризованного переключателя постоянных магнитов из магнитотвердого материала с высокой коэрцитивной силой, соединение внешних полюсов магнитов дополнительными магнитопроводами и выполнение на основных магнитопроводах внутренних цилиндрических поверхностей, обеспечивающих установку поворотного якоря с зазором по его внешней цилиндрической поверхности, угловая ширина которой превышает угловую ширину внутренней цилиндрической поверхности основных магнитопроводов, позволяют увеличить создаваемый момент поворота якоря и угол поворота при малых габаритах переключателя. А увеличение угла и создаваемого момента поворота якоря позволяет использовать контактную систему с большем количеством контактов и обеспечить увеличенные контактные зазоры, что расширяет области применения электромагнитного поляризованного переключателя и снижает вероятность самопроизвольного изменения состояния контактов при высокоинтенсивных вибрационных и ударных воздействиях.
Введение в конструкцию электромагнитного поляризованного переключателя пружин кручения с ограничителями их поворота, взаимодействующими с торцевыми выступами якоря, при начале поворота якоря на угле менее половины его полного угла поворота, позволяет, наряду с увеличением суммарного движущего момента на начальных углах поворота и повышения быстродействия переключателя, обеспечить более точную и технологичную регулировку по обеспечению момента действия пружины на якорь на определенном регулируемом начальном угле его поворота, обеспечивая требуемый начальный движущий момент на якоре и напряжение срабатывания.
Установка на токовыводах дополнительной пары встречно поджатых упругих контактов, имеющих разные (не кратные основным упругим контактам) собственные частоты, позволяет уменьшить вероятность кратковременных размыканий (дребезга) замкнутых контактов при значительных ударных и вибрационных воздействиях.
Совокупность всех приведенных признаков позволяет создать малогабаритный электромагнитный поляризованный переключатель, обеспечивающий увеличенные углы и моменты поворота якоря и сохраняющий свои исходное и сработанное состояния при значительных ударных и вибрационных воздействиях, и расширить область применения.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения, на этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Изобретение иллюстрируется чертежами:
на фиг. 1 приведен вид со стороны токовыводов электромагнитного поляризованного переключателя;
на фиг. 2 - продольный разрез А-А на фиг. 1, конструкция электромагнитного поляризованного переключателя;
на фиг. 3 - поперечный разрез Б-Б на фиг. 2, конструкция магнитной системы;
на фиг. 4 - поперечный разрез В-В на фиг. 2, конструкция пружин и упоров в исходном состоянии электромагнитного поляризованного переключателя;
на фиг. 5 - поперечный разрез В-В на фиг. 2, конструкция пружин и упоров в сработанном состоянии электромагнитного поляризованного переключателя;
на фиг. 6 - поперечный разрез Г-Г на фиг. 2, конструкция вспомогательных контактов;
на фиг. 7 - поперечный разрез Д-Д на фиг. 2, конструкция основных контактов;
на фиг. 8 - вид Е на фиг. 3, взаимодействие якоря с полюсами магнитопроводов;
на фиг. 9 - вид Ж на фиг. 2, конструкция спаренных контактов.
Электромагнитный поляризованный переключатель содержит кожух 1 из немагнитного металла, изолирующий внутренний объем переключателя. В кожухе 1 установлены взаимодействующие магнитная и контактная системы. Магнитная система состоит из двух симметрично расположенных магнитопроводов 2, на которых выполнено по две обмотки - рабочая 3 и отбойная 4. Магнитопроводы 2 выполнены из магнитомягкого сплава с высокой индукцией насыщения. Части рабочей 3 и отбойной 4 обмоток, размещенные на разных магнитопроводах 2, соединены попарно последовательно, при этом конец части обмотки на первом магнитопроводе 2 соединен с концом части обмотки на втором. На каждом торце магнитопроводов 2 закреплены постоянные высококоэрцитивные редкоземельные магниты 5, намагниченные вдоль короткой стороны и соединенные с внешней стороны с дополнительными магнитопроводами 6, обеспечивающими замкнутую магнитную цепь. Дополнительные магнитопровода 6 выполнены из магнитомягкого сплава с высокой индукцией насыщения (фиг. 1-3).
К магнитопроводам 2 прикреплены платы 7 и 8, в центральных отверстиях которых на подшипниках 9 установлен симметричный якорь 10 с симметрично запрессованными штифтами 11 (выполняющими функции выступов), и обеспечивающими балансировку якоря 10. Платы 7 и 8 выполнены из немагнитного металла, а якорь 10 - из магнитомягкого сплава с высокой индукцией насыщения.
Контактная система состоит из перемыкателя 12, закрепленного на оси якоря 10, с токопроводящими ножами 13, которые переключают пары «врубных» контактов 14, закрепленных на токовыводах 15 гайками 16.
Основанием кожуха 1 является панель 17 с установленными через стеклоизоляторы 18 токовыводами 15 и 19. На токовыводах 19 закреплены упругие контакты 20, являющиеся контактами управления (самоотключения) рабочих 3 и отбойных 4 обмоток. Каждый упругий контакт 20 управляется (размыкается или замыкается) соответствующим толкателем 21, закрепленным на перемыкателе 12.
В плате 8 установлены втулки 22 с пружинами кручения 23, взаимодействующими с торцевыми выступами якоря 10, но только в начале поворота (на угле менее половины полного угла поворота), что обеспечивается ограничителями 24.
Панель 17 и плата 7 соединены втулкой 25 с окнами, обеспечивающими регулировку и настройку «врубных» 14 и упругих 20 контактов до установки кожуха 1 (фиг. 6, 7).
Электромагнитный поляризованный переключатель работает следующим образом.
При отсутствии напряжения на рабочей 3 и отбойной 4 обмотках якорь 10 притянут к полюсам магнитопроводов 2, обеспечивая исходное или сработанное состояние электромагнитного поляризованного переключателя.
При подаче напряжения через упругие контакты 20 на последовательно соединенные части рабочей обмотки 3 в последних реализуются магнитные потоки, вызывающие подавление магнитных потоков соответствующих удерживающих постоянных магнитов 5 и усиление магнитных потоков других, симметрично расположенных относительно первых, постоянных магнитов 5 и как следствие - поворот против хода часовой стрелки (фиг. 3) якоря 10 к противоположным полюсам магнитопроводов 2, в результате которого перемыкатель 12 переключает «врубные» контакты 14. При снятии напряжения с рабочей обмотки 3 за счет размыкания упругих контактов 20 электромагнитный поляризованный переключатель сохраняет свое переключенное состояние.
Аналогично при подаче напряжения через другие упругие контакты 20 на последовательно соединенные части отбойной обмотки 4 в последних реализуются магнитные потоки, вызывающие подавление магнитных потоков соответствующих удерживающих постоянных магнитов 5 и усиление магнитных потоков других, симметрично расположенных относительно первых, постоянных магнитов 5 и как следствие - поворот уже по ходу часовой стрелки якоря 10 к противоположным полюсам магнитопроводов 2, в результате которого перемыкатель 12 переключает «врубные» контакты 14 в исходное состояние. При снятии напряжения с отбойной обмотки 4 за счет размыкания упругих контактов 20 электромагнитный поляризованный переключатель также сохраняет это состояние.
В электромагнитном поляризованном переключателе поворотный якорь 10 взаимодействует с полюсами магнитопроводов 2 по значительной площади через цилиндрический зазор и дополнительно (в основном на конечных углах поворота) через угловой зазор, при этом внешняя цилиндрическая поверхность якоря 10 выполнена с угловой шириной а, превышающей угловую ширину в внутренней цилиндрической поверхности магнитопроводов 2, например примерно на величину углового зазора с между этими магнитопроводами (фиг. 8).
Применение постоянных магнитов 5 из магнитотвердого материала с высокой коэрцитивной силой (например, из редкоземельных материалов), наряду с вышеотмеченной особенностью магнитной системы, позволяет обеспечить требуемые параметры магнитной системы по углу поворота и создаваемому движущему моменту.
Соединение полюсов магнитов 5 дополнительными магнитопроводами 6 позволяет обеспечить максимальные энергетические параметры магнитов, которые реализуются при небольших толщинах подобных магнитов.
Увеличение угла и создаваемого момента поворота якоря 10 позволяет использовать контактную систему с большим количеством контактов 14 и обеспечить увеличенные контактные зазоры, что расширяет области применения электромагнитного поляризованного переключателя и снижает вероятность самопроизвольного изменения состояния контактов при высокоинтенсивных вибрационных и ударных воздействиях. Кроме того, увеличенный угол поворота якоря 10 позволяет размыкать упругие контакты 20, через которые подается напряжение на рабочие 3 или отбойные 4 обмотки, на конечном участке угла поворота якоря 10, то есть увеличивается создаваемый момент на якоре 10 не только при начале его поворота, но и на последующей большей части угла поворота.
Введение в конструкцию электромагнитного поляризованного переключателя пружин кручения 23 с ограничителями их поворота 24, взаимодействующими с торцевыми выступами якоря 10, при начале поворота якоря 10 на угле менее половины его полного угла поворота, позволяет (наряду с повышением суммарного движущего момента и быстродействия переключателя) обеспечить более технологичную и точную регулировку по обеспечению воздействия пружины 23 на якорь 10 только на определенном начальном угле его поворота и по величине момента пружины 23, обеспечивая требуемый начальный движущий момент на якоре и напряжение срабатывания переключателя (фиг. 4, 5).
Действие пружин кручения 23 на торцевые выступы якоря на угле менее половины его полного угла поворота исключает взаимное влияние соседних пружин кручения 23 друг на друга.
Установка на токовыводах 15 дополнительной пары встречно поджатых упругих контактов 14, имеющих разные (не кратные основным упругим контактам) собственные частоты, позволяет уменьшить вероятность кратковременных размыканий (дребезга) замкнутых контактов при значительных ударных и вибрационных воздействиях (фиг. 9).
Таким образом, применение заявляемого электромагнитного поляризованного переключателя позволит обеспечить увеличенный угол и обеспечиваемый момент поворота якоря, при которых контакты могут быть разнесены относительно друг друга на достаточные расстояния, а также и увеличено их количество, что повысит стойкость электромагнитного поляризованного переключателя к высокоинтенсивным ударным и вибрационным воздействиям и значительно расширит возможные области его применения.
Заявленный электромагнитный поляризованный переключатель обеспечивает технологичную настройку и регулировку магнитной системы по обеспечению требуемого начального движущего момента на якоре и напряжения переключения.
В заявляемом электромагнитном поляризованном переключателе использованы «врубные» дублированные контакты с двухсторонним многоточечным контактированием, обеспечивающие коммутацию и пропускание как малых, так и больших токов со стабильными электрическими параметрами в течение длительных сроков эксплуатации и исключающие дребезг замкнутых контактов при значительных ударных и вибрационных воздействиях, что также расширит области его применения.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в системах автоматики взрывоопасных объектов, подвергаемых ударным и вибрационным внешним воздействиям;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при осуществлении, способно обеспечить уменьшение габаритов и увеличение стойкости электромагнитного поляризованного переключателя к ударным и вибрационным воздействиям и увеличение количества контактов, обеспечивающих коммутацию электрических цепей со значительными токами.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».