ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО И РЕЛЕ, ВКЛЮЧАЮЩЕЕ В СЕБЯ ФЕРРОМАГНИТНЫЙ ИЛИ МАГНИТНЫЙ ЯКОРЬ, ИМЕЮЩИЙ КОНУСООБРАЗНЫЙ УЧАСТОК
ELECTRICAL RELAY AND RELAY, WHICH INCLUDES FERROMAGNETIC OR MAGNETIC ANCHOR THAT HAS A CONE-SHAPED AREA

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ
Настоящая заявка испрашивает приоритет предварительной заявки США №61/657926, зарегистрированной 11 июня 2012 г., которая включена в данный документ согласно ссылке во всей своей полноте.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Область техники
Раскрытая концепция относится, в общем, к электрическим переключающим устройствам и, более конкретно, к реле, таким как, например, авиационные реле.
Дополнительная информация предшествующего уровня техники
Обычное электрическое реле включает в себя подвижный контакт, который обеспечивает или разрывает проводящий путь между основными выводами. Управляющие выводы электрически присоединены к катушке привода, имеющей ряд катушечных обмоток привода. На многих реле катушка привода имеет две отдельные обмотки или секционную обмотку, используемую для активации замыкания отделяемых основных контактов и для удерживания отделяемых основных контактов вместе в реле, замкнутом или во включенном состоянии. Необходимость в двух катушечных обмотках является результатом желания свести к минимуму количество электропитания катушки, необходимого для поддержания реле в замкнутом состоянии.
Обычное нормально замкнутое реле имеет пружину на его якорном устройстве, которое удерживает отделяемые основные контакты открытыми. Чтобы инициировать перемещение якорного устройства для закрывания, генерируется относительно сильное магнитное поле для обеспечения достаточной силы с возможностью преодоления инерции якорного устройства, а также для создания достаточного потока в открытом воздушном зазоре соленоида с возможностью создания желательной замыкающей силы. Во время замыкающего перемещения якорного устройства обе катушечные обмотки обеспечиваются электропитанием с возможностью создания достаточного магнитного поля. После замыкания основных контактов сопротивление пути магнитного потока в соленоиде становится относительно малым, и относительно меньший ток в катушке необходим для обеспечения силы, необходимой для удержания основных контактов вместе. В этом отношении, может быть использован "экономайзенный" или "перерезающий" контур для обесточивания одной из двух примерных катушечных обмоток для сберегания мощности и сведения к минимуму нагревания в соленоиде.
Существует возможность улучшения в электрических переключающих устройствах, таких как реле.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Эта необходимость и другие удовлетворяются вариантами осуществления раскрытой концепции, которая обеспечивает электрическое переключающее устройство, содержащее: ферромагнитный каркас, включающий в себя первый участок и противоположный второй участок, при этом противоположный второй участок имеет на нем первый конусообразный участок; постоянный магнит, размещенный на первом участке ферромагнитного каркаса; ферромагнитный сердечник, размещенный между первым участком и противоположным вторым участком ферромагнитного каркаса; катушку, размещенную вокруг ферромагнитного сердечника; и ферромагнитный или магнитный якорь, включающий в себя первый участок, противоположный второй участок и поворотный участок между первым участком и противоположным вторым участком ферромагнитного или магнитного якоря, при этом противоположный второй участок ферромагнитного или магнитного якоря имеет в нем второй конусообразный участок, в котором поворотный участок выполнен с возможностью поворота на ферромагнитном сердечнике, в котором второй конусообразный участок является комплементарным в отношении первого конусообразного участка, в котором при обесточивании катушки ферромагнитный или магнитный якорь имеет первое положение, в котором первый участок ферромагнитного или магнитного якоря притягивается магнитным полем посредством постоянного магнита и второй конусообразный участок удаляется от первого конусообразного участка, и в котором при обеспечении питания катушки ферромагнитный или магнитный якорь имеет второе положение, в котором противоположный второй участок ферромагнитного или магнитного якоря притягивается магнитным полем посредством противоположного второго участка ферромагнитного каркаса и первый конусообразный участок перемещается во второй конусообразный участок.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Полное понимание раскрытой концепции может быть достигнуто из следующего описания предпочтительных вариантов осуществления при прочтении в сочетании с сопроводительными чертежами, в которых:
Фиг. 1 представляет собой изометрический вид реле в соответствии с вариантами осуществления раскрытой концепции с некоторыми компонентами, не показанными для простоты иллюстрации.
Фиг. 2 представляет собой вертикальный вид в разрезе по линиям 2-2 согласно фиг. 1 с реле в положении с отключенным питанием.
Фиг. 3 представляет собой вид сверху реле согласно фиг. 1.
Фиг. 4 представляет собой вертикальный вид в разрезе, подобный фиг. 2, за исключением того, что реле в положении с обеспеченным питанием.
Фиг. 5 представляет собой изометрический вид якоря согласно фиг. 1.
Фиг. 6 представляет собой вертикальный вид в разрезе двухпозиционного реле в соответствии с вариантом осуществления раскрытой концепции.
Фиг. 7 представляет собой вертикальный вид в разрезе однопозиционного нормально замкнутого реле в соответствии с вариантом осуществления раскрытой концепции.
Фиг. 8 представляет собой вертикальный вид в разрезе однопозиционного нормально разомкнутого реле в соответствии с вариантом осуществления раскрытой концепции.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Как использовано в данном документе, термин "ряд" будет означать единицу или целое число, большее единицы (то есть множество).
Как использовано в данном документе, утверждение о том, что две или более частей "соединены" или "связаны" вместе, будет означать, что части соединены друг с другом или непосредственно или соединены через посредство одной или нескольких промежуточных частей. Кроме того, как использовано в данном документе, утверждение о том, что две или более частей "прикреплены", будет означать, что части скреплены непосредственно друг с другом.
Раскрытая концепция описана в связи с реле с двумя устойчивыми положениями, хотя раскрытая концепция является применимой в широком диапазоне электрических переключающих устройств, использующих якорь или другой подходящий перемещаемый ферромагнитный или магнитный компонент.
Фиг. 1 изображает реле 2 с некоторыми компонентами, не показанными для простоты иллюстрации. Реле 2 включает в себя катушку 4 привода, имеющую выводы 6, ферромагнитный каркас 8, ферромагнитный якорь 10, постоянный магнит 12, полюсный наконечник 14 и магнитный соединитель 16. Якорь 10 установлен с возможностью поворота на катушке 4 привода с помощью направляющих штырей 18 (два направляющих штыря 18 показаны на фиг. 1 и 3). Магнитный соединитель 16 и первая пластина 20 обеспечения воздушного зазора прикреплены к концу 22 ферромагнитного каркаса 8 с помощью двух примерных винтов 24 со сферо-цилиндрической головкой. Другая пластина 26 воздушного зазора прикреплена к концу 28 якоря 10. Примерные пластины 20 и 26 представляют собой произвольные компоненты магнитной структуры с возможностью позволения управления магнитной удерживающей силой и, следовательно, электрическим откликом во время магнитного расцепления от полюсного наконечника 14 или конусообразного участка 113 магнитного соединителя 16. Эти пластины могут конкретно отличаться, чтобы соответствовать функциональным электрическим параметрам для конкретных нужд реле.
Как обычно, катушка 4 привода включает в себя первую катушечную обмотку 34 (показанную на фиг. 2 и 4), которая функционирует в качестве удерживающей катушки и заканчивается на выводах 6А, 6В, и вторую обмотку 36 (показанную на фиг. 2 и 4), которая функционирует в качестве замкнутой катушки (для нормально разомкнутого реле) и заканчивается на выводах 6В, 6С. Хотя показан конкретный пример, две примерные катушечные обмотки 34, 36 могут быть конфигурированы в трехпроводной или любой другой подходящей конфигурации. Фиг. 2 изображает реле 2 в положении с отключенным питанием, в котором первая и вторая катушечные обмотки 34, 36 катушки 4 привода, обе, лишены питания, и постоянный магнит 12 притягивает с помощью магнитного поля конец 28 якоря 10 через посредство полюсного наконечника 14.
Фиг. 4 изображает реле 2 в положении с обеспеченным питанием, в котором катушечные обмотки 34, 36 (показанные на фиг. 2 и 4) катушки 4 привода обеспечены питанием, и магнитный соединитель 16 притягивает с помощью магнитного поля противоположный конец 30 якоря 10 через посредство ферромагнитного каркаса 8 и магнитного поля, создаваемого катушкой 4 привода, обеспеченной питанием.
Как показано на фиг. 2 и 4, катушка 4 привода включает в себя сердечник, такой как бобина 32, вокруг которой обмотаны первая и вторая катушечные обмотки 34, 36, размещенные вокруг ферромагнитного сердечника 33.
Фиг. 5 изображает якорь 10 реле, который включает в себя конусообразный участок 38 и конец 30. Как показано на фиг. 1, 2, 4 и 5, раскрытая концепция использует конусообразную конструкцию как для стационарного полюсного наконечника 16 (показано наилучшим образом на фиг. 1, 2 и 4), так и для подвижного якоря 10. В обычном реле (не показано) обычно плоские ферромагнитные элементы используются для обеспечения подходящей удерживающей силы, однако это не обязательно для магнитно удерживающего реле, по сравнению с электрическим удерживающим реле. Следовательно, за счет использования конусообразного стационарного полюсного наконечника 16 (показанного наилучшим образом на фиг. 1, 2 и 4) и якоря 10, имеющего конусообразный участок 38 (показан наилучшим образом на фиг. 5), который является комплементарным в отношении формы конусообразного стационарного полюсного наконечника 16 для магнитного удерживающего реле 2, которое удерживается магнитным полем в одном состоянии и удерживается электромагнитным полем в другом состоянии, напряжение срабатывания реле 2 значительно снижается без опасного ударного и вибрационного режима. Конфигурация конусообразных элементов якоря 10 и магнитного соединителя 16 уменьшает магнитный зазор между подвижным якорем 10 и конусообразным стационарным полюсным наконечником 16, когда находится в положении, показанном на фиг. 2.
Конусообразный участок 38 подвижного якоря 10 и конусообразный стационарный полюсный наконечник 16 увеличивают площадь поверхности для магнитных силовых линий. Это устраняет требование для (относительно высоко) точного якоря и полюсного наконечника для того, чтобы получить подходящую напряженность магнитного поля. Раскрытая концепция предусматривает относительно высокую силу втягивания, относительно низкое напряжение втягивания или напряжение срабатывания, или комбинированную/оптимизированную повышенную силу втягивания или пониженное напряжение срабатывания. Это обеспечивает относительно низкое напряжение, необходимое для замыкания реле 2 (например, перемещая из положения согласно фиг. 2 в положение согласно фиг. 4), улучшенные характеристики для относительно высокотемпературных применений или оптимизированную комбинацию, поскольку характеристики катушки снижаются при относительно высоких температурах (из-за увеличенного сопротивления) так, что улучшенные магнитные характеристики представляют собой ключевой момент в отношении относительно высокотемпературных применений.
Дополнительная площадь поверхности для магнитных силовых линий приводит к дополнительному пути магнитного потока и, следовательно, относительно большей силе, прикладываемой к качающемуся якорю 10, как может быть видно на фиг. 2 и 4. В качестве альтернативы, рабочая температура реле 2 может быть увеличена без увеличения ампер-витков катушечных обмоток 34, 36 и/или без увеличения веса и размера катушки 4 привода реле.
Пример 1
Фиг. 6 изображает двухпозиционное реле 50, включающее в себя катушку 4 привода, ферромагнитный каркас 8, ферромагнитный якорь 10, постоянный магнит 12, полюсный наконечник 14 и магнитный соединитель 16 согласно фиг. 1-5. Реле 50 включает в себя три вывода 52, 54, 56 для линии, первую нагрузку и вторую нагрузку, соответственно. Размещенный выше (по отношению к фиг.6) якорь 10 представляет собой пластиковый несущий элемент 58 и подвижный электродный держатель 60 (например, без ограничения, выполненный из меди и бериллия). Два подвижных контакта 62, 64 размещены на подвижном электродном держателе 60. Два фиксированных контакта 66, 68 размещены ниже (по отношению к фиг. 6) выводов 54, 56, соответственно. Подвижный контакт 62 электрически и механически зацепляет фиксированный контакт 66 в положении, показанном на фиг.6 (соответствующем положению якоря 10, показанному на фиг. 2). В этом положении контакты 64, 68 удерживаются магнитным полем разомкнутыми с помощью постоянного магнита 12. Перемещаемый контакт 64 электрически и механически зацепляет фиксированный контакт 68 в положении (не показано), соответствующем положению якоря 10, показанному на фиг. 4. Внутренняя фольга 70 электрически присоединяет вывод 52 к подвижному электродному держателю 60. Крепление 72 электрически и механически присоединяет конец 74 фольги 70 к выводу 52, и заклепка 76 электрически и механически присоединяет противоположный конец 78 фольги 70 к подвижному электродному держателю 60. Балансирная пружина 80 (например, без ограничения, балансир для возврата, демпфер) присоединена между пластиковым несущим элементом 58 и подвижным электродным держателем 60.
Как показано на фиг. 6, реле 50 имеет первый путь тока от центрального вывода 52 к внутренней фольге 70, к подвижному электродному держателю 60, к первому подвижному контакту 62, к обычно замкнутому стационарному контакту 66 и к выводу 54. После того как катушечные обмотки 34, 36 (фиг. 2 и 4) обеспечиваются питанием, якорь 10 поворачивается (в положение, показанное на фиг.4) и путь тока изменяется. Второй путь тока проходит от центрального вывода 52 к внутренней фольге 70, к подвижному электродному держателю 60, ко второму подвижному контакту 64, к обычно замкнутому стационарному контакту 68 и к выводу 56.
Пример 2
Подходящий "экономайзенный" или "перерезающий" контур (не показан) может быть использован для обесточивания одной из двух примерных катушечных обмоток 34, 36 (фиг. 2 и 4) для сберегания мощности и сведения к минимуму нагревания в реле 2. Экономайзенный контур (не показан) часто выполняется через посредство промежуточного контакта реле (не показан), который физически приводится в действие с помощью такого же приспособления (например, якоря 10, пластикового несущего элемента 58 и подвижного электродного держателя 60), как основные контакты (например, 62, 66 и/или 64, 68 согласно фиг. 6). Промежуточный контакт реле одновременно открывается, когда основные контакты закрываются, тем самым обеспечивая полное перемещение якоря 10. Дополнительная сложность промежуточного контакта реле и калибровка, необходимые для одновременной работы, делают эту конфигурацию относительно сложной и дорогостоящей в изготовлении.
В качестве альтернативы, экономайзенный контур (не показан) может быть осуществлен посредством цепи синхронизации (не показана), которая посылает импульсы на вторую катушечную обмотку, такую как 36, только в заданный период времени, пропорциональный номинальной длительности работы якоря, в ответ на команду для замыкания реле (например, подходящее напряжение, приложенное к катушечным обмоткам 34, 36). Хотя это устраняет необходимость промежуточного переключателя, это не предусматривает обеспечение того, что якорь 10 полностью замкнут и функционирует надлежащим образом.
Экономайзенный контур (не показан) представляет собой обычную цепь управления, которая позволяет относительно много большее магнитное поле в электрическом переключающем устройстве, таком как примерное реле 2, во время, например, начального (например, без ограничения 50 мс) времени, следующего за прикладыванием электропитания, для обеспечения того, чтобы якорь 10 заканчивал это перемещение и преодолевал свою собственную силу инерции, силы трения и сжатия пружины. Это достигается за счет использования конструкции двойной катушки, в которой имеет место подходящая цепь или катушка относительно низкого сопротивления и подходящая цепь или катушка относительно высокого сопротивления последовательно с первой катушкой. Изначально, экономайзенный контур позволяет прохождение тока через контур низкого сопротивления, но после соответствующего периода времени экономайзенный контур отключает путь низкого сопротивления. Этот подход снижает количество мощности, потребляемой во время статичных состояний (например, относительно длительных периодов времени при обеспечении питания).
Пример 3
Фиг. 7 изображает однопозиционное нормально замкнутое реле 90, включающее в себя катушку 4 привода, ферромагнитный каркас 8, ферромагнитный якорь 10, постоянный магнит 12, полюсный наконечник 14 и магнитный соединитель 16 согласно фиг. 1-5. Реле 90 по существу является таким же, как реле 50 согласно фиг.6, за исключением того, что оно не включает в себя вывод 56 и контакты 64, 68, но включает в себя ограничитель 92.
Пример 4
Фиг. 8 изображает однопозиционное нормально разомкнутое реле 100, включающее в себя катушку 4 привода, ферромагнитный каркас 8, ферромагнитный якорь 10, постоянный магнит 12, полюсный наконечник 14 и магнитный соединитель 16 согласно фиг. 1-5. Реле 100 по существу является таким же, как реле 50 согласно фиг.6, за исключением того, что оно не включает в себя вывод 54 и контакты 62, 66, но включает в себя ограничитель 102.
Пример 5
Примерные реле 2, 50, 90, 100 могут работать при 115 вольтах переменного тока, 400 Гц, с нагрузками электродвигателя 40 А. Линейный и нагрузочный выводы 52, 54, 56 могут допускать одинарный провод до #10 AWG и применять наконечник провода, имеющий 18 дюйм-фунтов (2,03 Н*м) крутящего момента.
Пример 6
Как может быть видно из фиг. 1-5, реле 2 включает в себя ферромагнитный каркас 8, который имеет, в общем, L-образную форму, включающую в себя первый участок 110 и противоположный второй участок 112, имеющий магнитный соединитель 16, образующий конусообразный участок 113 на нем. Постоянный магнит 12 расположен на первом участке 110 ферромагнитного каркаса 8. Ферромагнитный сердечник 33 размещен между первым участком 110 и противоположным вторым участком 112 ферромагнитного каркаса 8. Катушка 4 размещена вокруг ферромагнитного сердечника 33. Ферромагнитный якорь 10 включает в себя конец 28, образующий первый участок 114, конец 30, образующий противоположный второй участок 116, и поворотный участок 118 между первым участком 114 и противоположным вторым участком 116 ферромагнитного якоря 10. Противоположный второй участок 116 ферромагнитного якоря 10 имеет в нем вогнутый конусообразный участок 38, как показано на фиг.5. Поворотный участок 118 размещен с возможностью поворота на ферромагнитном сердечнике 33. Конусообразный участок 38 является комплементарным к выпуклому конусообразному участку 113, образованному магнитным соединителем 16. При обесточивании катушки 4 ферромагнитный якорь 10 имеет первое положение (фиг. 2), в котором первый участок 114 ферромагнитного якоря 10 притягивается магнитным полем посредством постоянного магнита 12 и конусообразный участок 38 перемещается далее от комплементарного конусообразного участка 113. При подаче электропитания на катушку 4 ферромагнитный якорь 10 имеет второе положение (фиг. 4), в котором противоположный второй участок 116 ферромагнитного якоря 10 притягивается магнитным полем посредством противоположного второго участка 112 ферромагнитного каркаса 8 и в котором конусообразный участок 113 зацепляет конусообразный участок 38.
Полюсный наконечник 14 размещен на постоянном магните 12 между постоянным магнитом 12 и первым участком 114 ферромагнитного якоря 10 в первом положении (фиг. 2). Как может быть видно из фиг. 2 и 4, якорь 10 представляет собой качающийся якорь, который образует соответствующий тупой угол меньше 180 градусов и больше 90 градусов между первой плоскостью первого участка 114 качающегося якоря 10 и второй плоскостью противоположного второго участка 116 качающегося якоря 10. Магнитный соединитель 16 размещен на противоположном втором участке 112 ферромагнитного каркаса 8 и имеет на нем конусообразный участок 113.
Раскрытая концепция обеспечивает ферромагнитный якорь 10 и стационарный полюсный наконечник 16 для относительно легковесных реле 2, 50, 90, 100 с двумя устойчивыми положениями, подходящими для использования в условиях относительно сильного воздействия окружающей среды. Это позволяет, чтобы напряжение срабатывания (т.е. напряжение, необходимое для перекидывания реле из выключенного состояния во включенное состояние) составляло на от около 25% до около 30% без увеличения веса реле и/или силы/размера катушки. Это позволяет реле функционировать в условиях относительно высокой температуры окружающей среды (например, без ограничения, выше 85°С), которая обычно является максимальной рабочей температурой для известной технологии реле.
Основная проблема в отношении управляющих реле при повышенных температурах состоит в том, что сопротивление катушки существенно возрастает до такой степени, что источник или линейное напряжение становится ниже напряжения, необходимого для переключения реле. Основными преимуществами для реле с двумя устойчивыми положениями являются низкое потребление электроэнергии (например, в положении якоря 10, показанном на фиг. 4) после переключения и превосходное сопротивление ударной нагрузке. Кроме того, катушка работает только в импульсном режиме, и реле является магнитно удерживающим с помощью относительно малого количества тока удержания.
Раскрытая концепция использует конусообразную конфигурацию как стационарного полюсного наконечника 16, так и подвижного якоря 10. В обычных реле для наибольшей удерживающей силы используются в основном плоские элементы; однако в этом нет необходимости для магнитно удерживающего реле по сравнению с электрически удерживающим реле. В силу вышеизложенного в отношении раскрытого конусообразного полюсного наконечника 16 и раскрытого конусообразного якоря 10 для магнитного удерживающего реле, напряжение срабатывания может быть значительно снижено без опасных ударных и вибрационных режимов. Раскрытая концепция также может быть использована для дальнейшего снижения веса реле с относительно низкой рабочей температурой окружающей среды. Это может быть достигнуто за счет снижения размера катушки, тем самым снижения общей массы реле.
Хотя были описаны подробно конкретные варианты осуществления раскрытой концепции, специалистам ясно, что различные модификации и альтернативы в отношении этих элементов могут быть разработаны с учетом всех идей настоящего раскрытия. Соответственно, конкретные раскрытые конструкции предусмотрены только для иллюстрации и не являются ограничивающими в отношении объема раскрытой концепции, которая должна учитывать полный объем приложенной формулы изобретения и все без исключения ее эквиваленты.