ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ МГНОВЕННОГО ДЕЙСТВИЯ
IMMEDIATE ACTION SWITCH

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для коммутации электрических цепей при изменении положения исполнительных механизмов.
Известен бесконтактный переключатель по авторскому свидетельству №714534, кл. Н01Н 36/00, содержащий корпус, магниточувствительный элемент в виде датчика Холла, расположенный в рабочем воздушном зазоре магнитной системы, состоящей из двух постоянных магнитов с полюсными наконечниками, и приводной элемент в виде штока, связанный с одним из постоянных магнитов.
Известен также путевой выключатель по авторскому свидетельству №1288777, кл. Н01Н 36/00, содержащий корпус из магнитного материала, внутри которого расположены постоянный магнит, установленный на поворотной пластине, закрепленной на оси с возможностью вращательного движения, и источник управляющей магнитодвижущей силы (МДС), установленный на приводном элементе с возможностью перемещения вне магнитного корпуса. Он снабжен дополнительным постоянным магнитом. Оба постоянных магнита, образующих магнитный узел, установлены симметрично друг к другу на концах поворотной пластины с возможностью перемещения в направлении к источнику управляющей МДС так, что оси их намагниченности параллельны, а одноименные полюса направлены в одну сторону. При повороте пластины постоянные магниты, установленные на ее концах, воздействуют на контактные узлы, выполненные в виде магнитоуправяемых контактов.
Недостатком указанного устройства являются:
1. Низкая точность диаграммы коммутации.
2. Недостаточная надежность.
Первый недостаток обусловлен тем, что, во-первых, магнитоуправляемые контакты имеют значительный разброс по чувствительности срабатывания и по чувствительности отпускания вследствие отклонения размеров контактов деталей и межконтактного (рабочего) зазора от расчетных значений при их изготовлении и, во-вторых, фронты нарастания и убывания (спада) напряженности магнитного поля в зоне межконтактных зазоров магнитоуправляемых контактов при перемещении относительно них постоянного магнита магнитного узла не могут быть прямоугольными. Поэтому каждый магнитоуправляемый контакт срабатывает и отпускает не в расчетных положениях постоянного магнита магнитного узла, а в положениях, соответствующих крутизне фронтов нарастания и убывания напряженности магнитного поля в зоне межконтактных зазоров магнитоуправляемых контактов при перемещении относительно них постоянного магнита магнитного узла и их чувствительности срабатывания и чувствительности отпускания.
Второй недостаток обусловлен низкой скоростью изменения напряженности магнитного поля в межконтактных зазорах магнитоуправляемых контактов при небольших линейных скоростях перемещения постоянных магнитов магнитного узла. Низкие скорости изменения напряженности магнитного поля в межконтактных зазорах магнитоуправляемых контактов сопровождаются низкими скоростями замыкания и размыкания их контактов, что приводит к эрозии контактов при размыкании индуктивных нагрузок и последующему их залипанию.
Задачей изобретения является повышение точности диаграммы коммутации и надежности устройства.
Поставленная задача достигается тем, что устройство, содержащее корпус, по меньшей мере один контактный узел, приводимый в действие магнитным узлом, имеющим возможность перемещения в корпусе, и приводной элемент с источником управляющей МДС, снабжено двумя магнитопроводами, закрепленными в корпусе и разнесенными в направлении перемещения приводного элемента, а магнитный узел выполнен так же, как и источник управляющей МДС, в виде двух постоянных магнитов, установленных одноименными полюсами на общий полюсный наконечник, и дополнительных полюсных наконечников, примыкающих к другим полюсам указанных магнитов, причем общие полюсные наконечники каждого магнитного узла и источника управляющей МДС размещены между упомянутыми магнитопроводами с возможностью перемещения между ними, причем магнитный узел и источник управляющей МДС охвачены обоймами, одна из которых подвижно взаимодействует с подпружиненным приводным элементом, при этом контактный узел взаимодействует с магнитным узлом через пластину из электроизоляционного материала.
В обойме выключателя мгновенного действия со стороны приводного элемента, выполненной из немагнитного материала, выполнен паз, взаимодействующий с пояском, выполненным на приводном элементе.
В выключателе мгновенного действия магниты, входящие в состав как магнитного узла, так и источника управляющей МДС, намагничены в направлении перемещения приводного элемента.
Анализ известных технических решений (аналогов) среди электрических переключателей с применением магнитного поля позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с отличительными признаками в заявленном выключателе мгновенного действия, и признать заявляемое решение соответствующим критерию «существенные отличия».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг.1 показан предлагаемый выключатель в исходном положении;
на фиг.2 - то же в нейтральном положении источника управляющей МДС при нажатии на приводной элемент;
на фиг.3 показан предлагаемый выключатель с полностью нажатым приводным элементом;
на фиг.4 - то же в нейтральном положении источника управляющей МДС при отпускании приводного элемента.
На приведенных чертежах для исключения их затемнения постоянные магниты не заштрихованы.
Выключатель мгновенного действия (фиг.1) состоит из корпуса 1, выполненного из немагнитного материала, в котором расположен поджатый возвратной пружиной 2 приводной элемент 3 с пояском 4, источника управляющей МДС в виде двух постоянных магнитов 5 и 6, установленных одноименными полюсами на общий полюсный наконечник 7, и дополнительных полюсных наконечников 8 и 9, примыкающих к другим полюсам указанных магнитов 5 и 6, магнитного узла, выполненного так же, как и источник управляющей МДС, в виде двух постоянных магнитов 10 и 11, установленных одноименными полюсами на общий полюсный наконечник 12, и дополнительных полюсных наконечников 13 и 14, примыкающих к другим полюсам указанных магнитов 10 и 11, двух магнитопроводов 15 и 16, закрепленных в корпусе 1, и контактного узла в виде подвижной 17 и неподвижной 18 пластинчатых пружин с контактами, приводимого в действие магнитным узлом через закрепленную на нем пластину 19 из электроизоляционного материала.
1
2
1
2
Общие полюсные наконечники 7 и 12 источника управляющей МДС и магнитного узла размещены между магнитопроводами 15 и 16 с зазорами δ и δ в направлении перемещения приводного элемента 3. При этом по длине зазор δ выполнен больше зазора δ.
Постоянные магниты, входящие как в состав источника управляющей МДС, так и в состав магнитного узла, намагничены в направлении перемещения приводного элемента 3.
Источник управляющей МДС закреплен к обойме 20 из немагнитного материала.
Величина перемещения приводного элемента 3 в выключателе выполнена превышающей соответствующую ей величину перемещения источника управляющей МДС.
С этой целью в обойме 20 выполнен паз в направлении, перпендикулярном продольной оси приводного элемента 3 с пояском 4 на величину зазора Б.
Магнитный узел закреплен к обойме 21 из немагнитного материала.
Для исключения залипания магнитного узла и источника управляющей МДС к магнитопроводам 15 и 16 на их поверхностях, контактирующих с полюсными наконечниками 7, 8, 9 и 12, 13, 14, нанесено гальваническое немагнитное покрытие, например хромовое.
Возможна конструкция выключателя с двумя и более контактными узлами.
В исходном положении выключателя приводной элемент 3 возвратной пружиной 2 удерживается в верхнем положении (фиг.1).
1
1
2
Магнитный узел и источник управляющей МДС своими полюсными наконечниками 7 и 12 притягиваются к магнитопроводу 15 и удерживаются в этом положении за счет магнитных сил, возникающих при прохождении магнитных потоков, развиваемых их постоянными магнитами, через стыки упомянутых полюсных наконечников с магнитопроводом 15. Контактный узел в исходном положении выключателя разомкнут.При нажатии на приводной элемент 3 он свободно перемещается в корпусе 1. После выборки зазора Б он своим пояском 4 воздействует на нижнюю грань паза в обойме 20 и отрывает источник управляющей МДС от магнитопровода 15. При дальнейшем перемещении приводного элемента 3 на половину длины зазора δ источник управляющей МДС между магнитопроводами 15 и 16 занимает нейтральное положение, соответствующее фиг.2. В этом положении при одинаковых магнитах 5 и 6 потоки, развиваемые ими, Ф=Ф, соответственно равны и магнитные силы, с которыми источник управляющей МДС притягивается и к магнитопроводу 15, и к магнитопроводу 16. Поэтому он занимает неустойчивое положение.
В нейтральном положении источника управляющей МДС магнитный узел притягивается к магнитопроводу 15 с усилием
0
-7
где µ=4π·10 - магнитная постоянная;
1
S - площадь сечения стыка полюсного наконечника 12 с магнитопроводом 15;
3
Ф - магнитный поток, развиваемый постоянным магнитом 10;
4
Ф - магнитный поток, развиваемый постоянным магнитом 11.
(см. Ройзен Б.З. Малогабаритные поляризованные реле и дистационные переключатели. Л., «Энергия», 1969, стр.28).
1
При малейшем смещении источника управляющей МДС от нейтрального положения при перемещении приводного элемента 3 происходит перераспределение потока Ф, развиваемого постоянным магнитом 5, и он скачком перебрасывается к магнитопроводу 16 - источник управляющей МДС занимает конечное нижнее положение при нажатом приводном элементе 3.
1
Приводной элемент 3 может дополнительно переместиться в направлении к магнитопроводу 16 на величину X от нейтрального положения источника управляющей МДС, определяемую из выражения:
1
1
2
Магнитный поток Ф, развиваемый постоянным магнитом 5, в конечном нижнем положении источника управляющей МДС в воздушных зазорах δ и δ распределяется следующим образом:
1-2
2
2
2
4
3
Поток Ф, проходя через стык полюсного наконечника 7 с магнитопроводом 16, зазор δ и стык полюсного наконечника 12 с магнитопроводом 15, в стыке полюсного наконечника 7 с магнитопроводом 16 суммируется с потоком Ф, развиваемым постоянным магнитом 6; в зазоре δ суммируется с потоком Ф, развиваемым постоянным магнитом 11, а в стыке полюсного наконечника 12 с магнитопроводом 15 вычитается с потоком Ф, развиваемым постоянным магнитом 10.
В результате этого появляется сила притяжения полюсного наконечника 12 к магнитопроводу 16:
2
2
где S - площадь сечения воздушного зазора δ между полюсным наконечником 12 и магнитопроводом 16.
2
Под воздействием этого усилия магнитный узел мгновенно скачком перебрасывается на величину зазора δ из верхнего в нижнее положение и своей пластиной 19 нажимает на подвижную пластинчатую пружину 17 - происходит замыкание контактного узла (фиг.3).
Источник управляющей МДС удерживается в конечном нижнем положении за счет силы притяжения полюсного наконечника 7 к магнитопроводу 16,
3
где S - площадь сечения стыка полюсного наконечника 7 с магнитопроводом 16;
4
1
S - площадь сечения воздушного зазора δ между полюсным наконечником 7 и магнитопроводом 15.
При отпускании приводного элемента 3 он под воздействием возвратной пружины 2 возвращается к исходному положению.
1
После перемещения относительно источника управляющей МДС на величину зазора Б он своим пояском 4 воздействует на верхнюю грань паза в обойме 20 и отрывает источник управляющей МДС от магнитопровода 16. При дальнейшем перемещении приводного элемента 3 на половину длины зазора δ источник управляющей МДС занимает нейтральное положение, соответствующее фиг.4.
1
2
В этом положении при одинаковых магнитах 5 и 6 потоки, развиваемые ими, Ф=Ф, соответственно равны и магнитные силы, с которыми источник управляющей МДС притягивается и к магнитопроводу 16, и к магнитопроводу 15.
В нейтральном положении источника управляющей МДС магнитный узел притягивается к магнитопроводу 16 с усилием
5
где S - площадь сечения стыка полюсного наконечника 12 с магнитопроводом 16.
2
При малейшем смещении источника управляющей МДС от нейтрального положения в сторону магнитопровода 15 при дальнейшем перемещении приводного элемента 3 происходит перераспределение потока Ф, развиваемого постоянным магнитом 6, и он скачком перебрасывается к магнитопроводу 15 - источник управляющей МДС занимает конечное верхнее положение при отпущенном приводном элементе 3.
2
Приводной элемент 3 может дополнительно переместиться в направлении к магнитопроводу 15 на величину Х от конечного верхнего положения источника управляющей МДС, определяемую из выражения
2
1
2
Магнитный поток Ф, развиваемый постоянным магнитом 6, в конечном верхнем положении источника управляющей МДС в воздушных зазорах δ и δ распределяется следующим образом:
2-2
2
1
2
4
2
3
4
Поток Ф, проходя через стык полюсного наконечника 7 с магнитопроводом 15, зазор δ и стык полюсного наконечника 12 с магнитопроводом 15, в стыке полюсного наконечника 7 с магнитопроводом 16, в стыке полюсного наконечника 7 с магнитопроводом 15 суммируется с потоком Ф, развиваемым постоянным магнитом 6; в зазоре δ суммируется с потоком Ф, развиваемым постоянным магнитом 5; в зазоре δ суммируется с потоком Ф, развиваемым постоянным магнитом 10, а в стыке полюсного наконечника 12 с магнитопроводом 16 вычитается с потоком Ф, развиваемым постоянным магнитом 11.
В результате этого появляется сила притяжения полюсного наконечника 12 к магнитопроводу 15:
6
2
где S - площадь сечения воздушного зазора δ между полюсным наконечником 12 и магнитопроводом 15.
2
Под воздействием этого усилия магнитный узел мгновенно скачком перебрасывается на величину зазора δ из нижнего в верхнее положение и размыкает контактный узел.
Выключатель занимает исходное положение, соответствующее фиг.1
Источник управляющей МДС в исходном положении выключателя удерживается в верхнем положении за счет силы притяжения полюсного наконечника 7 к магнитопроводу 15,
7
где S - площадь сечения стыка полюсного наконечника 7 с магнитопроводом 15;
8
1
S - площадь сечения воздушного зазора δ между полюсным наконечником 7 и магнитопроводом 16.
Технико-экономический эффект предложенного технического решения в сравнении с прототипом заключается в повышении надежности и точности диаграммы коммутации устройства.
Первый достигается за счет того, что замыкание и размыкание контактных узлов происходит при мгновенном скачкообразным перемещении магнитного узла из одного крайнего положения в другое и наоборот вне зависимости от линейной скорости перемещения приводного элемента.
Второй достигается за счет того, что вне зависимости от разброса параметров (размеров) контактных узлов движение - перемещение магнитного узла из одного крайнего положение в другое - всегда  начинается в одних и тех же положениях приводного элемента, когда возникает малейшее смещение источника управляющей МДС от нейтрального его положения как при нажатии, так и при отпускании приводного элемента.