КОНЦЕВОЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ
LIMIT SWITCH

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам автоматики, которые могут быть использованы для коммутации электрических цепей технических объектов ответственного назначения.
Известна контактная система, используемая в качестве концевого выключателя [патент РФ №2685543, МПК H01H 1/42, опубликовано 22.04.2019, бюл. №12], которая содержит размещенные в герметичном из немагнитного материала корпусе контактную систему и поворотный перемыкатель с магнитной системой, а также размещенную извне на корпусе дополнительную магнитную систему, кинематически связанную с отслеживаемым элементом.
Контактная система представлена в виде помещенных в корпус установленных парами подвижных упругих контактов и неподвижных контактов. Перемыкатель оснащен расположенными диаметрально и соединенными кольцевым магнитопроводом постоянными магнитами чередующейся полярности, взаимодействующими с аналогичными дополнительными постоянными магнитами, соединенными дополнительным кольцевым магнитопроводом, размещенными на поворотной втулке, установленной снаружи на осевом выступе корпуса. Угол поворота поворотной втулки превышает угол поворота перемыкателя, а угловая ширина магнитов не меньше половины разности угла поворота поворотной втулки и угла поворота перемыкателя. На неподвижных контактах установлены консольные элементы с возможностью поворота, а в корпусе между каждой парой подвижных упругих контактов закреплено по одному упору из изоляционного материала, взаимодействующего поочередно с каждым подвижным упругим контактом в исходном и переключенном состояниях контактной системы.
Недостатком данной системы является то, что данная контактная система может переключаться только при обеспечении постоянной кинематической связи внешней магнитной системы с отслеживаемым элементом, который совершает поворотное движение на ограниченный угол, что сужает область применения, исключая срабатывание при любом другом перемещении отслеживаемого элемента. Кроме того, для управления (отключения-включения) коммутируемых электрических цепей со значительными токами потребления и индуктивной нагрузкой требуется дополнительное оснащение системы автоматики, в которой используется известная контактная система, электромагнитными повторителями с контактами, обеспечивающими коммутацию электрических цепей с требуемыми токами и типом нагрузки. Указанные особенности известной контактной системы ограничивают ее область применения.
Известна контактная система, принятая за прототип, также используемая в качестве концевого выключателя [патент РФ №2691740, МПК H01H 1/42, опубликовано 18.06.2019, бюл. №17], которая содержит размещенные в герметичном из немагнитного материала корпусе контактную систему и поворотный перемыкатель с магнитной системой, а также размещенную извне на корпусе дополнительную магнитную систему, кинематически связанную с отслеживаемым элементом.
Контактная система представлена в виде помещенных в корпус подвижных упругих контактов и неподвижных контактов. Поворотный перемыкатель оснащен расположенными диаметрально и соединенными кольцевым магнитопроводом постоянными магнитами чередующейся полярности, взаимодействующими с аналогичными дополнительными постоянными магнитами, соединенными дополнительным кольцевым магнитопроводом, размещенными на поворотной втулке, установленной снаружи на осевом выступе корпуса, что позволяет осуществлять переключение контактной системы через герметичную стенку корпуса, изолирующего контактную систему от воздействия внешней окружающей среды, а также обеспечивает сохранение исходного и переключенного состояния контактной системы в условиях эксплуатации. Угол поворота поворотной втулки превышает угол поворота перемыкателя, а угловая ширина магнитов не меньше половины разности угла поворота поворотной втулки и угла поворота перемыкателя, что обеспечивает взаимное смещение постоянных магнитов относительно друг друга с зоной перекрытия, создающее надежное удержание перемыкателя, а, следовательно, и упругих контактов в замкнутом и разомкнутом состояниях.
Известная контактная система имеет те же недостатки, что и предыдущий аналог. Данная контактная система может переключаться только при обеспечении постоянной кинематической связи внешней магнитной системы с отслеживаемым элементом, который совершает поворотное движение на ограниченный угол, что ограничивает область применения, исключая срабатывание при любом другом сложном перемещении отслеживаемого элемента. Также, для управления (отключения-включения) коммутируемых электрических цепей со значительными токами потребления и индуктивной нагрузкой требуется дополнительное оснащение системы автоматики электромагнитными повторителями с контактами, обеспечивающими коммутацию электрических цепей с требуемыми токами и типом нагрузки. При коммутации электрических цепей систем автоматики со значительными токами и индуктивной нагрузкой контакты контактных систем аналога и прототипа будут иметь очень ограниченный ресурс и неизбежно выйдут из строя - произойдет либо сваривание контактов, либо значительное увеличение сопротивления из-за «подгорания» контактов. То есть контактная система откажет и выключатель не сможет выполнять свою функцию. Указанные особенности известной контактной системы ограничивают ее область применения.
Задачей заявляемого изобретения является создание концевого выключателя, надежно бесконтактно контролирующего конечное положение отслеживаемого элемента независимо от характера его движения и величины перемещения в это положение, исключающего ложные срабатывания при виброударных воздействиях и коммутирующего электрические цепи систем автоматики со значительными токами в широких областях применения.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является обеспечение надежного бесконтактного контроля конечного пространственного положения отслеживаемого элемента независимо от характера его движения и величины перемещения в это положение с коммутацией электрических цепей систем автоматики со значительными токами.
Указанный технический результат достигается тем, что концевой выключатель, содержащий размещенные в герметичном из немагнитного материала корпусе контактную систему и поворотный перемыкатель с магнитной системой, а также размещенную извне корпуса дополнительную магнитную систему, кинематически связанную с отслеживающим элементом, согласно изобретению снабжен пружиной кручения, один из зацепов которой прикреплен к корпусу, а другой - к оси перемыкателя, каждая магнитная система выполнена в виде одного постоянного магнита, причем внешний постоянный магнит закреплен на отслеживаемом элементе, при этом постоянные магниты намагничены в диаметральном, перпендикулярном оси вращения перемыкателя направлении и ориентированы относительно друг друга противоположными полюсами со смещением в исходном состоянии контактной системы на угол, превышающий угол поворота поворотного перемыкателя, причем момент вращения перемыкателя, создаваемый при взаимодействии постоянных магнитов в крайнем пространственном положении отслеживаемого элемента, превышает момент вращения, создаваемый пружиной кручения.
Оснащение концевого выключателя пружиной кручения, один из зацепов которой прикреплен к корпусу, а другой - к оси перемыкателя, обеспечивает надежное (гарантированное) устойчивое сохранение исходного состояния контактной системы, исключая ложные срабатывания концевого включателя, например при наличие вибрации и ударных воздействий, которые неизбежно присутствуют при перемещении отслеживаемого элемента и работе оборудования, в котором применен концевой выключатель, что позволяет применять заявляемый выключатель в технических объектах ответственного назначения, не допускающих сбоев в работе.
Выполнение каждой магнитной системы в виде одного постоянного магнита, намагниченного в диаметральном, перпендикулярном оси вращения перемыкателя направлении, позволяет по сравнению с прототипом исключить из конструкции магнитных систем магнитопроводы, вдвое уменьшить количество магнитов (с четырех до двух), за счет этого значительно увеличить их объем, а, следовательно, и «энергетику» магнитов, позволяя упростить конструкцию магнитных систем концевого включателя и при этом увеличить момент вращения, создаваемый магнитами, что дает возможность использовать и надежно (гарантированно) переключать контактную систему, обеспечивающую коммутацию и длительное пропускание значительных токов [патент РФ №2552349, МПК H01H 1/42, опубликовано 10.06.2015, бюл. №16].
Размещение внешнего магнита на отслеживаемом элементе позволяет осуществлять бесконтактный контроль конечного пространственного положения отслеживаемого элемента независимо от характера его движения и величины перемещения в это положение.
Ориентация магнитов относительно друг друга противоположными полюсами со смещением в исходном состоянии контактной системы на угол, превышающий угол поворота перемыкателя и превышение на перемыкателе момента вращения, создаваемого при взаимодействии постоянных магнитов в крайнем пространственном положении отслеживаемого элемента, над моментом вращения, создаваемым пружиной кручения, обеспечивает надежное переключение контактной системы концевого выключателя и последующее надежное сохранение уже переключенного состояния контактной системы, исключая размыкания, например при наличие вибрации и ударных воздействий и как следствие возможные сбои в работе оборудования, в котором применен заявляемый концевой выключатель, что также расширяет его область применения.
Приведенные отличительные признаки заявляемого концевого выключателя в совокупности обеспечивает преимущества по сравнению с прототипом, а именно:
- не требуется постоянная кинематическая связь концевого выключателя с отслеживаемым элементом, обеспечивается надежный бесконтактный контроль конечного пространственного положения отслеживаемого элемента независимо от характера его движения и величины перемещения в это положение, которое может быть любым: вращательным, поступательным, поступательно-вращательным, любым сложным;
- не требуются дополнительные повторители - электромагнитные переключатели для управления (выключения/включения) приводов движения отслеживаемого элемента с большими токами потребления, так как контактной системой заявляемого концевого выключателя обеспечивается надежная коммутация электрических цепей систем автоматики со значительными токами.
Указанные преимущества значительно расширяют эксплуатационные возможности и области применения заявляемого концевого выключателя.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизны».
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 осевой разрез концевого выключателя при взаимодействии с контролируемым элементом;
На фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1, конструкция контактной системы;
На фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг 1, расположение постоянного магнита на перемыкателе (контактная система находится в исходном состоянии);
На фиг. 4 показано взаимодействие постоянных магнитов (контактная система находится в начале поворота из исходного состояния);
На фиг. 5 представлено взаимодействие постоянных магнитов (контактная система находится в переключенном состоянии).
Для упрощения зрительного восприятия фиг. 4 и фиг. 5 внешний постоянный магнит, закрепленный на контролируемом элементе, изображен условно смещенным относительно постоянного магнита, закрепленного на оси перемыкателя.
На указанных чертежах принимаются следующие обозначения.
1 - корпус;
2 - токовывод;
3 - контакт;
4 - изолятор;
5 - корпусная колодка;
6 - поворотный перемыкатель;
7 - токопроводящий нож;
8 - ось перемыкателя;
9 - подложка магнита, размещенного в корпусе;
10 - постоянный магнит, размещенный в корпусе;
11 - внешний постоянный магнит;
12 - пружина кручения;
13 - контролируемый (отслеживаемый) элемент;
14 - ограничительный выступ;
15 - обойма внешнего магнита.
Концевой выключатель выполнен следующим образом.
Концевой выключатель (фиг. 1 - 5) содержит из немагнитного материала корпус 1, в котором размещены контактная система и поворотный перемыкатель 6. Корпус 1, соединенный с корпусной колодкой 5 сварным швом, обеспечивает герметичность внутреннего объема концевого выключателя для защиты контактной системы от воздействий внешней среды.
Контактная система представляет собой закрепленные на токовыводах 2 контакты 3 и закрепленные на перемыкателе 6 токопроводящие ножи 7, взаимодействующие с контактами 3. Токовыводы 2 на изоляторах 4 закреплены на корпусной колодке 5 и расположены по окружности вокруг поворотного перемыкателя 6. Контакты 3 расположены на токовыводах 2 попарно и контактируют с ножами 7 встречно, обеспечивая стабильные электрические параметры контактной системы, а, следовательно, и ее надежную работу при жестких условиях эксплуатации концевого выключателя, в том числе при виброударных воздействиях.
На оси 8 перемыкателя 6 закреплен на подложке 9 намагниченный в диаметральном перпендикулярном оси поворота перемыкателя 6 направлении постоянный магнит 10, который через герметичную стенку корпуса 1 взаимодействует с внешним постоянным магнитом 11, установленным в обойму 15, которая в свою очередь закреплена, например сварным швом, на контролируемом (отслеживающем) элементе 13. Обойма 15 защищает внешний постоянный магнит 11 от ударных воздействий, которые могут вызвать его сколы и разрушение. Внешний постоянный магнит 11 также намагничен в диаметральном, перпендикулярном оси поворота перемыкателя 6 направлении. Магниты 10, 11 ориентированы относительно друг друга противоположными полюсами со смещением в исходном состоянии контактной системы на угол γ, превышающий угол поворота φ перемыкателя 6.
Расположение полюсов (направлений намагничивания Г, Д) постоянных магнитов 10, 11 (фиг. 4, 5) обеспечивает момент поворота, совмещающий кратчайшим углом полюса S и N постоянного магнита 10 с полюсами N и S соответственно постоянного магнита 11, и, как следствие, поворачивающий ось 8 и перемыкатель 6 с переключением контактной системы концевого выключателя.
Концевой выключатель снабжен также пружиной кручения 12, например выполненной в виде спиральной ленточной пружины, одним зацепом закрепленной на корпусной панели 5, другим - на оси 8 перемыкателя 6. Момент вращения перемыкателя 6, создаваемый при взаимодействии постоянных магнитов 10, 11 в крайнем пространственном положении контролируемого элемента 13, превышает момент, создаваемый пружиной кручения 12 на всем угле поворота φ перемыкателя 6.
Поворот перемыкателя 6 на угол φ ограничен выступами 14, взаимодействующими с подложкой 9 постоянного магнита 10.
Момент, создаваемый пружиной кручения 12, регулируется разворотом ее внешнего зацепа. При сборке концевого выключателя сначала настаивается без взаимодействия с внешним постоянным магнитом 11 минимальный момент пружины 12, обеспечивающий возвращение контактной системы из сработанного состояния в исходное, затем внешний зацеп пружины 12 дополнительно разворачивается, например на треть оборота и закрепляется в этом угловом положении для увеличения конструктивного запаса по переключению контактной системы при последующей эксплуатации концевого выключателя.
Момент вращения перемыкателя 6, создаваемый при взаимодействии постоянных магнитов 10, 11 при необходимости может быть увеличен за счет уменьшения зазора между постоянным магнитом 11 торцом корпуса 1 в крайнем положении отслеживаемого элемента 13 или подбора постоянных магнитов 10, 11 с повышенными магнитными характеристиками, например из материалов из номенклатуры ГОСТ 21559 и ГОСТ 52956.
Концевой выключатель работает следующим образом.
На фиг. 1 приведен пример применения концевого выключателя, переключающего электрические цепи объекта применения при установке специального вкладыша 13.
Намагничивание внутреннего и внешнего постоянных магнитов 10, 11 в диаметральных направлениях Г, Д, перпендикулярных оси вращения перемыкателя 6 и их ориентация относительно друг друга противоположными полюсами упрощает конструкцию концевого выключателя - уменьшается вдвое количество постоянных магнитов (с четырех до двух) и полностью исключаются магнитопроводы. Кроме того увеличивается объем постоянных магнитов 10, 11, а следовательно и момент вращения перемыкателя 6 от их взаимодействия, что повышает надежность работы концевого выключателя.
Смещение направлений намагничивания постоянных магнитов 10, 11 на фиксированный угол Δ в переключенном состоянии контактной системы позволяет обеспечить сохранение этого состояния при внешних виброударных воздействиях.
В исходном состоянии контактной системы (в исходном угловом положении перемыкателя 6) направления намагниченности постоянных магнитов 10, 11 (Д и Г соответственно фиг. 4) не совпадают на угол γ, превышающий угол поворота φ перемыкателя 6, за счет этого обеспечивается момент, поворачивающий перемыкатель 6.
То есть при начале поворота перемыкателя 6 от взаимодействия постоянных магнитов 10, 11 угол между направлениями намагниченности постоянных магнитов 10, 11 (Д и Г соответственно фиг. 4), например равен 45°. После поворота перемыкателя 6 на угол φ, например равный 30°, постоянные магниты 10, 11 будут смещены на оставшиеся 15°=45° - 30°. За счет этого смещения контактная система концевого выключателя будет надежно удерживаться в переключенном состоянии.
Наибольшее и наименьшее значение угла у для обеспечения надежного переключения и последующего надежного сохранения переключенного состояния контактной системы (с учетом условия, что момент вращения перемыкателя 6, создаваемый при взаимодействии постоянных магнитов 10, 11 в крайнем пространственном положении отслеживаемого элемента 13, превышает момент вращения, создаваемый пружиной кручения 12) может превышать значение угла поворота перемыкателя 6, например на 10-15°.
При уменьшении угла γ возрастает результирующий момент в начале поворота перемыкателя 6 и уменьшается результирующий момент удержания контактной системы в переключенном положении.
При увеличении угла γ наоборот уменьшается результирующий момент в начале поворота перемыкателя 6 и увеличивается результирующий момент удержания контактной системы в переключенном положении.
В начале поворота перемыкателя 6 от взаимодействия постоянных магнитов 10, 11 угол γ между направлениями намагниченности постоянных магнитов 10, 11 (Д и Г соответственно фиг. 4) составляет γ=φ+Δ, где φ - угол поворота перемыкателя 6, необходимый для переключения контактной системы (например, φ=30°), Δ - угол между направлениями намагниченности постоянных магнитов 10, 11 (Д и Г соответственно фиг. 5) в переключенном состоянии контактной системы (например, Δ=10-15°). При указанных значениях углов φ и Δ угол γ может принимать значения от 40 до 45°, обеспечивая как надежное удержание перемыкателя 6 в переключенном состоянии контактной системы, так и достаточный момент, необходимый для поворота перемыкателя 6 из его начального углового положения, соответствующему исходному состоянию контактной системы.
При поступательном перемещении контролируемого элемента 13 в крайнее пространственное положение от взаимодействия постоянных магнитов 10, 11 перемыкатель 6 поворачивается на угол φ (фиг. 2) до упора подложки 9 в выступ 14 (фиг. 3), при этом переключается контактная система. Наличие угла ориентации магнитов 10,11 относительно друг друга противоположными полюсами со смещением на угол Δ (фиг. 5) в переключенном состоянии контактной системы обеспечивает момент, надежно удерживающий контактную систему в переключенном состоянии при всех условиях эксплуатации, в том числе и при виброударных воздействиях.
При удалении контролируемого элемента 13 из зоны установки концевого выключателя пружина 12 возвращает перемыкатель 6, а, следовательно, и контактную систему в исходное состояние, обеспечивая надежное сохранение этого состояния при всех условиях эксплуатации.
В итоге, заявляемый концевой выключатель обеспечивает надежный бесконтактный контроль конечного пространственного положения отслеживаемого элемента 13 независимо от характера его движения и величины перемещения в это положение, исключает ложные срабатывания при виброударных воздействиях и коммутирует электрические цепи систем автоматики со значительными токами.
Концевой выключатель имеет преимущества по сравнению с известными устройствами:
- не требуется постоянная кинематическая связь концевого выключателя с контролируемым элементом 13;
- обеспечивается срабатывание концевого выключателя при конечном пространственном расположении контролируемого элемента 13 независимо от вида его движения при перемещении в это расположение, которое может быть любым: вращательным, поступательным, поступательно-вращательным, любым сложным;
- конструкция контактной системы с надежными попарно расположенными контактами 3 обеспечивает управление (отключение/подключение) силовых устройств с большими токами потребления без использования дополнительных повторителей - электромагнитных переключателей.
Указанные преимущества значительно расширяют область применения заявляемого концевого выключателя.
В настоящее время разработана конструкторская документация, изготавливаются опытные образцы концевого выключателя, выполненного в соответствии с заявляемым изобретением. Работоспособность заявляемого концевого выключателя подтверждена расчетами.
Представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- заявляемый концевой выключатель относится к области приборостроения, в частности к устройствам автоматики, которые могут быть использованы для коммутации электрических цепей технических объектов ответственного назначения;
- заявляемый концевой выключатель при использовании способен обеспечить надежный бесконтактный контроль конечного пространственного положения отслеживаемого элемента независимо от характера его движения и величины перемещения в это положение с коммутацией электрических цепей систем автоматики со значительными токами;
- для заявляемого концевого выключателя в том виде, в котором он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявленный концевой выключатель соответствует условию «промышленная применимость».