ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ШТЕПСЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, ЗАТВОР ДЛЯ КОНТРОЛЯ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЭЛЕМЕНТА ШТЕПСЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА
ELECTRIC PLUGGING DEVICE, CONTROL GATE (VERSIONS) AND ELECTRIC PLUGGING DEVICE CONTROL METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к системе электрического штепсельного устройства, включающей в себя первый и второй элемент штепсельного устройства, а также затвор, который расположен перед первым элементом штепсельного устройства. Кроме того, изобретение относится к затвору для такой системы и способу контроля доступа одного элемента штепсельного устройства к другому.
Уровень техники
Электрические штепсельные устройства как, например штепсельные разъемы или муфты для электрической энергии согласно DIN VDE 0623, EN 60309-2 ("СЕЕ-Steckvorrichtungen") или в соответствии с IEC 62196 ("E-Auto-Ladesteckvomchtungen") обычно в одном корпусе содержат элемент с электрическими контактами (стержнями или втулками). В контактных элементах со стороны доступа может вводиться дополнительный элемент штепсельного устройства (муфта или штепсельный разъем) для создания электрического соединения с контактными элементами. Известно, что сторону доступа подобных штепсельных устройств необходимо оснащать откидной крышкой для ее защиты в нерабочем состоянии от проникновения загрязнений и влаги и для предотвращения нежелательного контакта с токопроводящими элементами. Перед вводом дополнительного элемента штепсельного устройства подобную откидную крышку в открытое положение вручную переводит пользователь.
Раскрытие изобретения
На основании вышеизложенного задачей настоящего изобретения является обеспечение средствами для безопасного и надежного контроля авторизованного доступа к элементу штепсельного устройства, которые можно реализовать в ограниченном пространстве.
Данная задача решается в электрической системе штепсельного устройства признаками п.1 формулы изобретения, при помощи затвора по п.2 формулы изобретения и в способе по п.3 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения являются предметом дополнительных пунктов формулы. Изобретение относится к электрической системе штепсельного устройства, которая содержит следующие компоненты:
- первый элемент штепсельного устройства и совместимый с ним второй элемент штепсельного устройства, который может быть подключен к первому элементу штепсельного устройства благодаря перемещению по направлению соединения. Подобные элементы штепсельного устройства являются общеизвестными и служат для соединения электрических проводов друг с другом. Элементы штепсельного устройства с одной стороны обычно образуют «розетку» или «муфту», а с другой - «штепсельный разъем». В рамках настоящего изобретения речь идет, в частности, о силовых штепсельных устройствах или штепсельных устройств для зарядки электромобилей;
- затвор, который расположен перед первым элементом штепсельного устройства. Указание «перед» относится к вышеназванному направлению соединения в том смысле, что второй элемент штепсельного устройства должен пройти сначала затвор прежде, чем он достигнет первого элемента штепсельного устройства. Затвор предназначен для контроля доступа к первому элементу штепсельного устройства.
Кроме того, система штепсельного устройства отличается тем, что затвор включает в себя следующие компоненты:
a) кольцо, вращающееся на опорах, со сквозным отверстием, в которое неподвижно можно вставить второй элемент штепсельного устройства. Геометрическая форма «вращающегося кольца» может быть практически любой и необязательно должна соответствовать замкнутому «кольцу» в строгом смысле. «Сквозное отверстие» вращающегося кольца может быть произвольной формы до тех пор, пока оно позволяет (частичный) проход второго элемента штепсельного устройства. «Неподвижный ввод» элемента штепсельного устройства во вращающееся кольцо можно выполнять в любом месте, где должно быть неподвижное соединение, когда второй элемент штепсельного устройства находится в сквозном отверстии. Особенно предпочтительно, если сквозное отверстие имеет внутренний контур, который, по меньшей мере, отчасти соответствует некруглому внешнему контуру второго элемента штепсельного устройства; в данном случае независимо выполняется неподвижный ввод путем геометрического замыкания на сквозном отверстии;
b) по меньшей мере, одну заслонку, которую можно перемещать между закрытым положением, в котором она по меньшей мере частично закрывает первый элемент штепсельного устройства (если смотреть по направлению соединения) и открытым положением, в котором она открывает доступ к первому элементу штепсельного устройства. Заслонка может быть произвольной геометрической формы и двигаться в любом направлении (перемещаться, поворачиваться и/или вращаться). Особенно предпочтительно, если заслонка будет в форме пластины и сможет двигаться в плоскости, так как в данном случае можно выполнить особо плоскую конструкцию. Движение заслонки осуществляется предпочтительно в одной плоскости перпендикулярно направлению соединения;
c) соединительные элементы, посредством которых вращательное движение кольца преобразуется в перемещение заслонки из ее закрытого в открытое положение.
Поскольку затвор является физическим объектом и в качестве товарного продукта отделим от элементов штепсельного устройства, изобретение относится и к независимому затвору для контроля доступа второго элемента штепсельного устройства к дополнительному первому элементу штепсельного устройства согласно признакам дополнительного п.2 формулы изобретения.
Изобретение относится и к способу контроля доступа второго элемента штепсельного устройства к дополнительному первому элементу штепсельного устройства, который включает в себя следующие этапы:
- по меньшей мере, одна заслонка блокирует (вначале) в закрытом положении доступ к первому элементу штепсельного устройства;
- второй элемент штепсельного устройства входит в неподвижный контакт с вращающимся кольцом и затем вращается, причем кольцо тоже соответственно приводится во вращение;
- вращение кольца переводит заслонку в открытое положение, в котором она открывает доступ к первому элементу штепсельного устройства;
- второй элемент штепсельного устройства благодаря движению вдоль оси соединения вводится в первый элемент штепсельного устройства. Осью соединения может быть, в частности, та же самая ось, относительно которой прежде осуществлялось вращение второго элемента штепсельного устройства при передаче вращения кольцом.
Электрическая система штепсельного устройства, затвор и метод основываются на том, что вращательное движение первого (второго) элемента штепсельного устройства открывает затвор и таким образом обеспечивает доступ к дополнительному (первому) элементу штепсельного устройства. Поскольку данный подход требует и неподвижного контакта (второго) элемента штепсельного устройства с вращающимся кольцом, он может быть выполнен с высокой надежностью относительно неправильного применения тем, что вращение может осуществляться только посредством «правильного» элемента штепсельного устройства, а не, например, инструментом или рукой.
Далее описываются различные варианты осуществления изобретения, которые можно реализовать как в системе штепсельного устройства, в затворе, так и в способе.
Предпочтительно предусмотрено несколько заслонок, которые в их закрытом положении совместно перекрывают доступ к первому элементу штепсельного устройства. Таким способом может уменьшаться ход отдельной заслонки от ее закрытого положения к ее открытому положению. Особенно предпочтительно, если установлены две заслонки, которые в закрытом положении перекрывают часть (например, половину) первого элемента штепсельного устройства и предпочтительно перемещаются в противоположных направлениях. Благодаря перемещению в противоположных направлениях можно достичь значительной компенсации встречных возмущающих сил и сопротивления.
Преобразование вращательного движения кольца в перемещение заслонки может выполняться различными способами, которые не в последнюю очередь зависят от вида движения заслонки. В частности, вращающееся кольцо может иметь расположенные на дуге зубья, которые находятся в зацеплении с зубчатой рейкой на заслонке. Таким способом вращательное движение кольца может преобразовываться в прямолинейное перемещение зубчатой рейки и тем самым соединенной заслонки.
Согласно одному варианту осуществления изобретения затвор имеет фиксирующие элементы, благодаря которым блокируется движение заслонки и/или вращающегося кольца в закрытом положении, причем блокировка снимается только посредством давления на заслонку, действующего в направлении соединения. Подобное давление, действующее в направлении соединения, может быть создано естественным способом посредством подсоединения второго элемента штепсельного устройства к затвору, так как второй элемент штепсельного устройства для необходимой стыковки с первым элементом штепсельного устройства так или иначе должен перемещаться в направлении соединения. Обычная последовательность движений при стыковке приводит практически к автоматическому разъединению фиксирующих элементов. Само по себе вращение кольца (без давления на заслонку), как при неправильной попытке открытия, не приводит к открыванию затвора, так как любому движению заслонки и/или вращающегося кольца препятствуют фиксирующие элементы.
Конструктивно фиксирующие элементы могут выполняться разными способами. Например, заслонка может быть закреплена подвижно для противодействия силе реакции в направлении соединения. Давление (достаточно большое) на заслонку может привести к ее смещению в направлении соединения, что может быть использовано для снятия блокировки фиксирующих элементов.
Фиксирующие элементы, в частности, могут иметь выступы, которые входят в отверстия. Таким способом перемещение выступов может блокироваться перпендикулярно их оси. Выступы могут находиться, например, на вращающемся кольце или корпусе затвора, а отверстия - на заслонке или наоборот. Давление на заслонку в направлении соединения должно привести к тому, что выступы выходят из отверстий и свободно передвигаются. В вышеописанном варианте осуществления изобретения это может достигаться тем, что заслонка вместе с ее отверстиями (или выступами) смещается в направлении соединения, в то время как выступы (или отверстия) остаются в покое.
Описанные фиксирующие элементы препятствуют тому, что затвор может открываться исключительно благодаря крутящему моменту вращающегося кольца. Данную защиту можно было бы обойти путем непосредственного воздействия на заслонку, если создать давление на заслонку, которое снимает блокировку фиксирующих элементов. Для предотвращения подобных воздействий дополнительно затвор можно оснастить стопорными элементами, посредством которых в закрытом положении движение заслонки, которое создается исключительно непосредственным действием силы и заслонки, блокируется.
Стопорные элементы могут быть предусмотрены независимо от наличия фиксирующих элементов. Особенно предпочтительно дополнить ими фиксирующие элементы и исполнить их таким образом, чтобы они были эффективны и при снятой блокировке фиксирующих элементов (то есть при давлении на заслонку).
Предпочтительно стопорные элементы выполнить таким образом, чтобы движение заслонки, которое создается посредством активного вращения кольца, было невозможно в закрытом положении. Это означает, что стопорные элементы устраняют действующее в обоих направлениях соединение, возникающее при движении и под действием сил, между заслонкой и вращающимся кольцом, по меньшей мере, для закрытого положения, и оно остается активным только в одном направлении (в направлении от вращающегося кольца к заслонке).
Вышеописанное устранение двунаправленного соединения между вращающимся кольцом и заслонкой в закрытом положении дополнительно может достигаться тем, что соединение почти устраняется вблизи закрытого положения, в то время как одновременно в данной зоне предусматривается блокировка заслонки вращающимся кольцом (но не наоборот). Другими словами в данном варианте осуществления изобретения стопорный элемент имеет механизм свободного хода вращающегося кольца относительно заслонки. Только если посредством активного вращения кольца (через авторизованного пользователя) происходит выход из зоны механизма свободного хода, устанавливается «обычное» двунаправленное соединение с заслонкой (и блокировка заслонки выключается), так что следующее вращение кольца приводит к требуемому открытию заслонки.
Блокировка движения (без одновременного блокирования вращающегося кольца), действующая только от вращающегося кольца на заслонку, может достигаться, если стопорные элементы, с одной стороны, содержат две точки заслонки, соприкасающиеся в закрытом положении, с другой стороны - вращающееся кольцо, причем принципиально возможные направления движения данных точек находятся перпендикулярно относительно друг друга. В данном случае точка контакта вращающегося кольца может «заблокировать путь» точки контакта заслонки и тем самым блокировать движение заслонки, в то время как его собственные перемещения (в поперечном направлении) остаются свободными. Кроме того, благодаря направлениям движения, расположенным перпендикулярно относительно друг друга, гарантируется, что давление заслонки на точку контакта вращающегося кольца не будет иметь составляющую силы, которая могла бы вызвать вращение кольца.
Особо предпочтительная форма осуществления изобретения относится к затвору (а также к соответствующей системе штепсельного устройства), которая включает в себя следующую комбинацию вышеописанных признаков:
- она содержит вращающееся кольцо со сквозным отверстием, в которое неподвижно можно вставить второй элемент штепсельного устройства;
- она содержит, по меньшей мере, одну заслонку, которая установлена на упругой пластинке и перемещается в одной плоскости перпендикулярно к упругой пластинке;
- на заслонке и вращающемся кольце предусмотрены фиксаторы и отверстия, которые в закрытом положении заслонки и вращающегося кольца находятся в зацеплении и которые размыкаются посредством давления на заслонку, находящейся на упругой опоре;
- вращение кольца, начинающееся в закрытом положении (после вышеназванного размыкания), после начального свободного хода перемещает заслонку через зубчатое зацепление из ее замкнутого положения в открытое положение;
- заслонка и вращающееся кольцо соединены через штифт кулисы и кулису таким образом, что тем самым (только) блокируется движение заслонки, когда заслонка и вращающееся кольцо находятся в закрытом положении.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение подробнее поясняется на примерах при помощи фигур. Представлено:
на фиг.1 изображение затвора с первым элементом штепсельного устройства согласно изобретению с пространственным разделением деталей;
на фиг.2 вид сверху на затвор с фиг.1 в закрытом положении;
на фиг.3 затвор с фиг.2 с подсоединенным вторым элементом штепсельного устройства;
на фиг.4 вид сверху на затвор с фиг.2 в открытом положении;
на фиг.5 затвор с фиг.4 с подсоединенным вторым элементом штепсельного устройства;
на фиг.6 сечение затвора с фиг.1 при разомкнутом контакте второго элемента штепсельного устройства на заслонках;
на фиг.7 затвор с фиг.6 при давлении на заслонки и тем самым выполняемом размыкании фиксирующих элементов;
на фиг.8 затвор с фиг.7 после вращения второго элемента штепсельного устройства в открытом положении;
на фиг.9 затвор с фиг.8 после полного входа второго элемента штепсельного устройства в первый;
на фиг.10 вид сверху на затвор с фиг.1 в закрытом положении с видимым вращающимся кольцом;
на фиг.11 увеличенный разрез затвора с фиг.10 после вращения до конца свободного хода;
на фиг.12 вид сверху на затвор с фиг.10 после вращения в открытое положение;
на фиг.13 отдельное изображение заслонки затвора в перспективе;
на фиг.14 отдельное изображение вращающегося кольца затвора в перспективе спереди;
на фиг.15 отдельное изображение вращающегося кольца затвора в перспективе сзади.
На фиг.1 представлены перспективное изображение компонентов затвора 100 согласно изобретению с пространственным разделением деталей и соответствующий первый элемент штепсельного устройства, который в представленном примере является штепсельной розеткой 1 (но в принципе мог бы быть штепсельным разъемом). Затвор должен закрывать сторону доступа штепсельной розетки 1 при неиспользовании и тем самым препятствовать неавторизованному доступу. Одновременно должен быть возможен доступ к штепсельной розетке 1 для второго дополнительного элемента штепсельного устройства, подведенного в направлении соединения (в данном случае для штекера 2). Для обеспечения этого затвор 100 имеет следующие компоненты:
- переднюю заслонку 110, которая закрывает затвор снаружи и которая обычно встроена в стенку прибора, например в стенку корпуса зарядной станции для электромобилей. Передняя заслонка 110 на фиг.2-5 и фиг.10-12 не представлена для обеспечения наглядности;
- кольцо 120, которое вращается относительно оси x соединения внутри затвора 100. Вращающееся кольцо 120 показано на фиг.1 в своем «открытом положении», в котором он обеспечивает доступ штепсельного разъема к штепсельной розетке 1. На его внешней стороне вращающееся кольцо 120 имеет расположенные на дуге зубья 121, которые при механизме свободного хода 122 проходят без зацепления. Благодаря пружине (не показана) вращающееся кольцо 120 предпочтительно перемещается в закрытое положение (фиг.2);
- две заслонки 130 и 130', расположенные зеркально относительно друг друга и в остальном конструктивно идентичные. Они состоят из пластинки заслонки и соединенной с ней сбоку рейки 131, 131'. Заслонки 130, 130' представлены на фиг.1 также в открытом положении, в котором они обеспечивают доступ к штепсельной розетке 1.
Благодаря пружинам 134 (соединенным с корпусом 150) заслонки вытягиваются из представленного открытого положения в закрытое положение (фиг.2), в котором они касаются их стыковых кромок 135, 135'. Стыковые кромки предпочтительно имеют ступенчатую форму в направлении x, чтобы несмотря на строительные допуски плотно закрываться.
В отличие от представленного варианта дополнительно стыковые кромки могут быть и непрямыми, а например, иметь выступы и соответствующие углубления. Благодаря этому, исходя из закрытого положения, при необходимости отдельные контакты штепсельной розетки 1 могут быть скрыты более длинной траекторией движения.
- Упругую пластинку 140, на которой расположены заслонки 130, 130', способные перемещаться в направлении z.
- Корпус 150, в котором расположена упругая пластинка 140 (вместе с заслонками 130, 130') на пружине 151 с возможностью перемещаться в направлении соединения x.
На фиг.2-5 представлен затвор 100 (без передней заслонки) в собранном виде. На фиг.2 в деталях показан затвор 100 с заслонками 130, 130' и вращающимся кольцом 120 в закрытом положении. Стыковые кромки 135, 135' заслонок соприкасаются, и доступ к штепсельной розетке скрыт.На фиг.3 представлен затвор 100 в том же виде с подсоединенным штепсельным разъемом 2.
На фиг.4 показан затвор 100 с заслонками 130, 130' и вращающимся кольцом 120 в открытом положении, в котором обеспечен доступ к штепсельной розетке 1. На фиг.5 представлено данное положение с подсоединенным штепсельным разъемом 2.
Относительно закрытого положения вращающееся кольцо 120 в открытом положении повернуто примерно на 60°. Данный поворот возможен с помощью штепсельного разъема 2, который с помощью некруглого внешнего контура своей передней концевой части входит с геометрическим замыканием в подходящий внутренний контур сквозного отверстия 126 во вращающемся кольце 120.
Благодаря вращению штепсельного разъема 2 относительно оси x соединения (а также давлению на заслонки 130, 130' см. ниже) кольцо 120 вращается относительно оси x.
Путем зацепления его зубьев 121 с зубчатыми рейками 131, 131' заслонок 130, 130' вращательное движение кольца 120 преобразуется в поступательное движение заслонок 130, 130' в противоположном направлении (в положительном и отрицательном направлении z). Благодаря этому заслонки перемещаются в их закрытое положение.
Для того чтобы затвор 100 нельзя было случайно открыть без штекера путем вращения кольца рукой или инструментом, вращающееся кольцо 120 на внутреннем контуре сквозного отверстия 126 имеет весьма узкую форму. Поэтому оно практически не имеет поверхность, за которую можно было зацепиться пальцем или инструментом. Таким образом, в действие его можно привести только точно подогнанной к внутреннему контуру передней концевой частью штепсельного разъема.
Для дополнительной защиты вращающегося кольца в закрытом положении от неавторизованного пуска предусмотрены фиксирующие элементы, которые далее подробнее поясняются с помощью фиг.6-9. Благодаря фиксирующим элементам блокируется движение вращающегося кольца 120 и заслонок 130, 130' в закрытом положении, пока данная блокировка не будет снята специальным импульсом. Поэтому простого вращения кольца 120 недостаточно для открытия затвора 100.
Для выполнения фиксирующих элементов в варианте осуществления изобретения, представленного на фигурах, на тыльной стороне вращающегося кольца 120 предусмотрены выступы в форме фиксаторов 123 (фиг.15). Они входят в соответствующие отверстия 132, 132' (фиг.1, 13) заслонок 130, 130', если вращающееся кольцо и заслонки находятся в закрытом положении. На фиг.6 представлено сечение подобного положения, в котором штепсельный разъем 2 введен в сквозное отверстие вращающегося кольца 120 и без давления опирается на заслонки 130, 130'. Поворот штепсельного разъема 2 относительно оси x соединения в данном положении невозможно, так как фиксаторы 123 вращающегося кольца 120 входят в отверстия 132, 132' заслонок и тем самым блокируют вращение.
Для снятия блокировки вращающегося кольца и заслонок нужно приложить давление в направлении x соединения на заслонки 130, 130', как показано на фиг.7. Ввиду подвижной опоры заслонок 130, 130' (и упругой пластинки 140) в корпусе 150 заслонки вместе с упругой пластинкой 140 могут пружинить под давлением и немного перемещаться в направлении x соединения (обычно примерно на миллиметр).
Данных перемещений в направлении соединения достаточно для того, чтобы вытянуть фиксаторы 123 вращающегося кольца 120 из отверстий 132, 132' заслонок 130, 130', так что снимается блокировка движения.
Поэтому затем вращающееся кольцо 120 может поворачиваться, как показано на фиг.8 в открытое положение и тем самым открывать затвор. После открытия затворок штепсельный разъем 2 может полностью войти в штепсельную розетку 1, что видно на фиг.9.
Кроме того, на фиг.9 показано, что бортики 125 на вращающемся кольце 120 перекрывают паз, который, как представлено, может быть образован между передней заслонкой и ручкой штепсельного разъема 2. Тем самым удается предотвратить втягивание вращающегося кольца 120 или заслонок 130, 130' в данный паз и таким образом можно было бы блокировать отвод штепсельного разъема.
Благодаря описанным фиксирующим элементам удается предотвратить открытие затвора ввиду поворота самого вращающегося кольца 120, так как открытие возможно только при повороте и одновременном приложении давления на заслонки.
Кроме того, дополнительно изобретение предусматривает стопорные элементы, с помощью которых можно препятствовать непосредственному управлению заслонками 130, 130'. Стопорные элементы, в частности, должны препятствовать открытию затвора при приложении давления на заслонки в направлении x соединения (для ослабления фиксирующих элементов) и последующему смещению заслонок в направлении z.
Данная цель может быть достигнута, например, посредством стопорных элементов согласно фиг.10-12, на которых вращающееся кольцо 120 представлено частично прозрачными линиями. Вращающееся кольцо 120 на своей оборотной стороне имеет две кулисы 124 (сравни фиг.15), в которую входит штифт кулисы 133 или 133' заслонок 130 или 130'. В нижней части фиг.10 выделены кулиса и соответствующий штифт кулисы. Действие данных элементов поясняется ниже на примере верхней кулисы 124 и штифта кулисы 133 верхней заслонки 130, так как функциональное назначение нижних элементов 124, 133' аналогично (отражены зеркально).
В правой части фиг.10 еще раз отдельно представлены важные «точки контакта» 124 и 133 вращающегося кольца 120 или заслонки 130.
На фиг.10 показаны вращающееся кольцо 120 и заслонки 130, 130' в закрытом положении. Кулисы 124 и штифт кулисы 133 имеют общие точки контакта, принципиальные направления движения которых vD (кулисы 124 или вращающегося кольца 120) и vB (штифт кулисы 133 или заслонки 130) перпендикулярны относительно друг друга. Другими словами штифт кулисы 133 находится в мертвой точке кулисы 124. Поэтому управляющее воздействие, влияющее на заслонку 130 в направлении z (vB), создает составляющие силы, которые могли бы вызвать вращение кольца 120. Таким образом обеспечивается длительная блокировка перемещения заслонки 130. Тем самым осуществляется требуемая фиксация затвора 100 против произвольного приложения сил к заслонкам 130, 130'.
Описанные стопорные элементы дополнительно усовершенствованы тем, что на вращающемся кольце 120 предусмотрен механизм свободного хода 122, не имеющий зубьев. В закрытом положении не происходит соединения вращающегося кольца 120 с зубчатыми рейками 131, 131' заслонок 130, 130'. Если было бы подобное соединение, то действие силы на заслонки таким образом могло бы вызвать вращение кольца 120 и тем самым снять блокировку между штифтами 133, 133' и кулисами 124. В конечном счете это вопрос соответствующих допусков деталей, приводных механизмов (блокировки штифтами 133, 133' кулис и кулисой 124 или двунаправленного соединения через зубья 121, 131).
Посредством механизма свободного хода 122 установлен однозначный приоритет блокировки между цапфой и кулисой.
Перечень позиций
1 Штепсельная розетка
2 Штепсельный разъем
100 Затвор
110 Передняя заслонка
120 Вращающееся кольцо
121 Зубья
122 Механизм свободного хода
123 Фиксатор
124 Кулиса
125 Бортик
126 Сквозное отверстие
130, 130' Заслонка
131, 131' Зубчатая рейка
132, 132' Отверстие
133, 133' Штифт кулисы
134, 134' Пружина
135, 135' Стыковая кромка
140 Упругая пластинка
150 Корпус
151 Пружина.