РЕГУЛИРУЕМАЯ МАГНИТНАЯ МИШЕНЬ
ADJUSTABLE MAGNET TARGET

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится, главным образом, к магнитным бесконтактным переключателям, а точнее, к магнитным мишеням, обнаруживаемым датчиком магнитного бесконтактного переключателя.
Уровень техники
Магнитные бесконтактные переключатели, известные также как концевые выключатели, как правило, используют для определения продольного положения. Обычно магнитные бесконтактные переключатели содержат мишень и датчик, причем датчик соединен с коммутационной схемой, имеющей две пластинчатые части, неподвижную часть и подвижную часть, герметизированные стеклянной оболочкой, которая, в свою очередь, заключена в корпус переключателя. Когда мишень, обычно содержащая постоянный магнит, заключенный в корпус, входит в заданный диапазон датчика, магнитный поток, излучаемый магнитом мишени, приводит подвижную пластину в контакт с неподвижной пластиной, таким образом, замыкая переключатель.
Функция обнаружения датчиком положения магнитной мишени без необходимости физического контакта делает возможным применение магнитного бесконтактного переключателя в случаях, когда мишень заключена внутри герметичного корпуса, а датчик расположен снаружи корпуса. Например, главный запорный паровой клапан (ГЗПК) представляет собой задвижку, установленную между турбиной и бойлером в системе ядерного реактора. Если радиоактивное вещество протекает в систему подачи пара, ГЗПК используется для отсечки потока пара между бойлером и турбиной. Из-за необходимости надежного сдерживания радиоактивного вещества ГЗПК заключен в защитную камеру высокого давления. Магнитная мишень, соединенная со штоком клапана задвижки ГЗПК, обеспечивает возможность обнаружения датчиком, установленным снаружи камеры высокого давления, момента достижения задвижкой фиксированного положения, при котором ГЗПК закрыт.
В вариантах, аналогичных описанному выше ГЗПК, магнитная мишень и датчик обычно разделены довольно большим промежутком. В таких случаях магнитная мишень часто содержит цилиндрический, радиально намагниченный, самарий-кобальтовый (SmCo) магнит 10. Известно, что SmCo магнит 10 обладает сильным магнитным полем 12, изображенным на фиг.1, имеющим общую конфигурацию неполного эллипса, который пересекает верхнюю и нижнюю поверхность SmCo магнита 10. Неполный эллипс имеет большую ось 14, перпендикулярную продольной оси 16 магнита 10, так что эллипс вытянут вдаль от продольной оси 16. Поскольку датчик 18 воспринимает составляющие магнитного поля 12, которые пересекают в перпендикулярном направлении плоскую воспринимающую поверхность 20 датчика 18, специалист в данной области может понять, что вытянутая форма магнитного поля 12 SmCo магнита 10 обеспечивает возможность обнаружения датчиком 18 SmCo магнита 10, если SmCo магнит 10 находится довольно далеко от продольной оси 16.
Дополнительной характеристикой радиально намагниченного SmCo магнита 10 является почти однородное распределение магнитного поля вдоль продольной оси магнита. Следовательно, если датчик обнаруживает магнитное поле в отдельной точке пространства, радиально намагниченный SmCo магнит может поворачиваться вдоль продольной оси, не влияя на способность датчика обнаруживать магнитное поле магнита. Такая однородность в продольном направлении желательна в случаях, когда магнитная мишень соединена с элементом клапана, который может поворачиваться, таким как шток клапана ГЗПК.
Однако могут существовать значительные помехи для применения радиально намагниченных SmCo магнитов. В частности, радиально намагниченные SmCo магниты сложны и дороги в изготовлении. Хотя обычные магниты дешевы и просты в производстве, такие магниты обладают сравнительно слабыми магнитными полями, которые невозможно обнаружить при наличии барьера, такого как стенка камеры высокого давления, отделяющая магнит от датчика. Магнитное поле таких магнитов, кроме того, неоднородно в продольном направлении, и поэтому небольшой поворот магнита относительно неподвижного датчика может приводить к тому, что мишень становится неотделяемой от датчика. Аксиально намагниченные SmCo магниты, кроме того, дешевле и проще в изготовлении, чем радиально намагниченные SmCo магниты, но эллиптические магнитные поля таких магнитов имеют большую ось, которая параллельна, а не перпендикулярна продольной оси магнита. Специалисту в данной области понятно, что для обнаружения магнитного поля датчик должен находиться достаточно близко к аксиально намагниченному SmCo магниту, что делает такой магнит непригодным для случаев, когда требуется довольно большое расстояние между датчиком и мишенью.
Поэтому существует потребность в недорогих и простых в изготовлении магнитах, альтернативных радиально намагниченным SmCo магнитам, у которых напряженность и однородность в продольном направлении магнитного поля не хуже, чем у радиально намагниченных SmCo магнитов.
Раскрытие изобретения
Согласно одному из вариантов настоящего изобретения магнитная мишень в сборе содержит трубчатый корпус, имеющий открытый ближний конец, дальний конец, противоположный ближнему концу, и дальнюю поверхность, примыкающую к дальнему концу. Открытый конец образует канал, продольно расположенный внутри трубчатого корпуса. Магнитная мишень в сборе, кроме того, содержит регулировочный элемент, содержащий регулировочную деталь, и контактную часть, соединенную с регулировочной деталью. Контактная поверхность расположена рядом с дальним концом контактной части, причем контактная часть входит в канал и соединена с трубчатым корпусом с возможностью перемещения. Магнитная мишень в сборе, кроме того, содержит неподвижный. магнит, установленный в канале так, что второй полюс неподвижного магнита находится вблизи дальнего конца трубчатого корпуса, а первый полюс неподвижного магнита противоположен второму полюсу. Она содержит, кроме того, подвижный магнит, установленный в канале между регулировочным элементом и неподвижным магнитом так, что первый полюс подвижного магнита находится рядом с первым полюсом неподвижного магнита, а второй полюс подвижного магнита находится вблизи контактной поверхности регулировочного элемента. Верхняя поверхность подвижного магнита выполнена так, чтобы сцепляться с контактной поверхностью регулировочного элемента, так что продольное смещение регулировочного элемента в направлении дальнего конца трубчатого корпуса приводит к смещению подвижного магнита в направлении неподвижного магнита. Такое смещение приводит к тому, что магнитное поле постоянного магнита распространяется от продольной оси неподвижного магнита и магнитное поле подвижного магнита распространяется от продольной оси подвижного магнита.
В другом варианте неподвижный магнит и подвижный магнит оба являются цилиндрическими аксиально намагниченными самарий-кобальтовыми магнитами или оба являются цилиндрическими аксиально намагниченными неодимовыми магнитами.
В следующем варианте канал снабжен резьбовой частью, прилегающей к ближнему концу, приспособленной для соединения с резьбовым концом контактной части регулировочного элемента так, что поворот регулировочного элемента относительно трубчатого корпуса приводит к продольному смещению регулировочного элемента. В еще одном варианте регулировочная деталь содержит фланцевый конец, сформированный заодно с контактной частью.
В следующем варианте первый полюс как неподвижного магнита, так и подвижного магнита - северный, а второй полюс как неподвижного магнита, так и подвижного магнита - южный. В следующем варианте первый полюс как неподвижного магнита, так и подвижного магнита - южный, а второй полюс как неподвижного магнита, так и подвижного магнита - северный.
Согласно другому варианту настоящего изобретения система определения положения элемента клапана, включает клапан, расположенный в корпусе, и клапан, снабженный заслонкой, соединенной со штоком клапана. Магнитная мишень также соединена со штоком клапана и магнитная мишень содержит трубчатый корпус, снабженный открытым ближним концом, дальний конец, противоположный ближнему концу, и дальнюю поверхность, прилегающую к дальнему концу. Открытый конец образует канал, продольно расположенный внутри трубчатого корпуса. Магнитная мишень в сборе, кроме того, содержит регулировочный элемент, содержащий регулировочную деталь, и контактную часть, соединенную с регулировочной деталью. Контактная поверхность расположена у дальнего конца контактной части, причем контактная часть входит в канал и соединена с трубчатым корпусом с возможностью перемещения. Магнитная мишень в сборе, кроме того, содержит неподвижный магнит, установленный в канале так, что второй полюс неподвижного магнита находится вблизи дальнего конца трубчатого корпуса, а первый полюс неподвижного магнита противоположен второму полюсу. Она содержит, кроме того, подвижный магнит, установленный в канале между регулировочным элементом и неподвижным магнитом так, что первый полюс подвижного магнита находится рядом с первым полюсом неподвижного магнита, а второй полюс подвижного магнита находится вблизи контактной поверхности регулировочного элемента. Верхняя поверхность подвижного магнита выполнена так, чтобы сцепляться с контактной поверхностью регулировочного элемента, так что продольное смещение регулировочного элемента в направлении дальнего конца трубчатого корпуса приводит к смещению подвижного магнита в направлении неподвижного магнита. Такое смещение приводит к тому, что магнитное поле постоянного магнита распространяется от продольной оси неподвижного магнита, и магнитное поле подвижного магнита распространяется от продольной оси подвижного магнита. Также содержится приводимый в действие магнитом бесконтактный переключатель с датчиком на ближнем конце переключателя, причем приводимый в действие магнитом бесконтактный переключатель неподвижен и установлен снаружи корпуса. Датчик приводимого в действие магнитом бесконтактного переключателя служит для обнаружения магнитного поля неподвижного магнита или магнитного поля подвижного магнита.
В другом варианте неподвижный магнит и подвижный магнит оба являются цилиндрическими аксиально намагниченными самарий-кобальтовыми магнитами или оба являются цилиндрическими аксиально намагниченными неодимовыми магнитами.
В следующем варианте канал снабжен резьбовой частью, прилегающей к ближнему концу, приспособленной для соединения с резьбовым концом контактной части регулировочного элемента так, что поворот регулировочного элемента относительно трубчатого корпуса приводит к продольному смещению регулировочного элемента. В еще одном варианте регулировочная деталь содержит фланцевый конец, сформированный заодно с контактной частью.
В следующем варианте первый полюс как неподвижного магнита, так и подвижного магнита - северный, а второй полюс как неподвижного магнита, так и подвижного магнита - южный. В следующем варианте первый полюс как неподвижного магнита, так и подвижного магнита - южный, а второй полюс как неподвижного магнита, так и подвижного магнита - северный. В еще одном варианте корпус является охватывающим корпусом.
Согласно еще одному варианту настоящего изобретения, способ моделирования магнитного поля радиально намагниченного постоянного магнита, использующий два аксиально намагниченных постоянных магнита, включает этап обеспечения аксиально намагниченного постоянного магнита, имеющего первый полюс, второй полюс и первое магнитное поле. Предусмотрен, кроме того, аксиально намагниченный второй постоянный магнит, имеющий первый полюс, второй полюс и второе магнитное поле. Первый постоянный магнит и второй постоянный магнит установлены так, что продольная ось первого постоянного магнита, по существу, коаксиальна с продольной осью второго постоянного магнита, а первый полюс первого постоянного магнита находится вблизи первого полюса второго постоянного магнита. Первый постоянный магнит отделен от второго постоянного магнита продольным расстоянием. Предусмотрен механизм уменьшения продольного расстояния между первым постоянным магнитом и вторым постоянным магнитом, что вызывает распространение первого магнитного поля первого постоянного магнита от продольной оси первого постоянного магнита и распространение второго магнитного поля второго постоянного магнита от продольной оси второго постоянного магнита.
В другом варианте первый постоянный магнит и второй постоянный магнит оба являются цилиндрическими аксиально намагниченными самарий-кобальтовыми магнитами или оба являются цилиндрическими аксиально намагниченными неодимовыми магнитами.
В следующем варианте первый полюс как первого постоянного магнита, так и второго постоянного магнита - северный, а второй полюс как первого постоянного магнита, так и второго постоянного магнита - южный. В еще одном варианте первый полюс как первого постоянного магнита, так и второго постоянного магнита - южный, а второй полюс как первого постоянного магнита, так и второго постоянного магнита - северный.
В следующем варианте первый постоянный магнит и второй постоянный магнит установлены внутри канала трубчатого корпуса. В еще одном варианте механизм уменьшения продольного расстояния между первым постоянным магнитом и вторым постоянным магнитом включает в себя регулировочный элемент, снабженный резьбовым концом, соединяемым с резьбовой частью внутри канала трубчатого корпуса так, что поворот регулировочного элемента относительно трубчатого корпуса приводит к продольному смещению регулировочного элемента.
В еще одном варианте предусмотрен клапан, снабженный смещаемой заслонкой в корпусе клапана, а заслонка прикреплена к перемещаемому штоку клапана. Механизм уменьшения продольного расстояния между первым постоянным магнитом и вторым постоянным магнитом соединен с трубчатым корпусом, а трубчатый корпус прикреплен к штоку клапана. Предусмотрен датчик, находящийся снаружи корпуса клапана. Датчик обладает способностью обнаружения магнитного поля первого магнита или магнитного поля второго магнита, когда шток клапана перемещается в желаемое положение.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлен вид сбоку радиально намагниченного SmCo магнита и датчика.
На фиг.2 представлен вид поперечного сечения регулируемой магнитной мишени.
На фиг.3а, 3b, 3c, и 3d представлены различные виды магнитных полей аксиально намагниченных SmCo магнитов.
На фиг.4а и 4b представлены виды поперечных сечений задвижки, снабженной магнитной мишенью, закрепленной на штоке клапана, и датчиком, расположенным снаружи корпуса клапана.
Осуществление изобретения
На фиг.2 показана регулируемая магнитная мишень 22, содержащая трубчатый корпус 24 и регулировочный элемент 26, который входит вдоль продольной оси в трубчатый корпус 24. Неподвижный аксиально намагниченный SmCo магнит 28 установлен внутри трубчатого корпуса 24, и подвижный аксиально намагниченный SmCo магнит 30 также установлен внутри трубчатого корпуса 24 между регулировочным элементом 26 и неподвижным SmCo магнитом 28. Подвижный SmCo магнит 30 сцепляется с регулировочным элементом 26 так, что когда регулировочный элемент 26 смещается вперед или назад относительно неподвижного SmCo магнита 28, подвижный SmCo магнит 30 также смещается вперед или назад относительно неподвижного SmCo магнита.
На фиг.2 показано поперечное сечение трубчатого корпуса 24. Трубчатый корпус 24 предпочтительно имеет, как правило, цилиндрическую форму с круглым поперечным сечением. Однако трубчатый корпус 24 может иметь любую форму поперечного сечения, например многоугольник или овал. Трубчатый корпус 24 может быть выполнен из металла или пластмассы и может изготавливаться, используя традиционные технологии, например, такие как литье, литье под давлением или экструзия. Трубчатый корпус 24 может иметь открытый ближний конец 32, в который входит регулировочный элемент 26. Ближний конец 32 и внутренняя поверхность 34 могут частично образовывать канал 36, проходящий вдоль внутри трубчатого корпуса 24. Канал 36 может, кроме того, образовываться дальней поверхностью 38, прилегающей к дальнему концу 40 трубчатого корпуса 24, дальний конец 40, как правило, расположен в продольном направлении, напротив ближнего конца 32. Резьбовая часть может быть образована внутренней поверхностью 34, прилегающей к ближнему концу 32 трубчатого корпуса 24. Трубчатый корпус 24 также может иметь первый наружный диаметр 44 поперечного сечения и второй диаметр 46 поперечного сечения, который меньше, чем первый диаметр 44, образуя, таким образом, заплечики 48.
На фиг 2 регулируемая магнитная мишень 22, кроме того, содержит регулировочный элемент 26, имеющий регулировочную деталь50 и контактную часть 52, прикрепленную к регулировочной детали 50. Регулировочная деталь 50 может быть сформирована заодно с контактной частью 52 и может иметь фланец многоугольной формы для захвата ключом или другим инструментом. Контактная часть 52, как правило, имеет цилиндрическую форму и может иметь наружный диаметр немного меньший, чем диаметр канала 36 трубчатого корпуса 24. Контактная часть 52 может иметь резьбовой конец 54, предназначенный для соединения с резьбовой частью 42 трубчатого корпуса 24 так, что поворот регулировочного элемента 26 в первом направлении, перпендикулярно продольной оси регулировочного элемента 26, смещает регулировочный элемент 26 в продольном направлении к дальнему концу 40 трубчатого корпуса 24, тогда как поворот регулировочного элемента 26 во втором направлении, противоположном первому направлению, смещает регулировочный элемент 26 в продольном направлении от дальнего конца 40 трубчатого корпуса 24. Регулировочный элемент 26 может также содержать контактную поверхность 56, расположенную у дальнего конца контактной части 52. Контактная поверхность 56 может быть плоской поверхностью, по существу, перпендикулярной продольной оси регулировочного элемента 26, как показано на фиг.2. Однако контактная поверхность 56 может быть любой поверхностью, обеспечивающей точку контакта между регулировочным элементом 26 и подвижным SmCo магнитом 30.
По фиг.2 регулируемая магнитная мишень 22, кроме того, содержит аксиально намагниченный самарий-кобальтовый (SmCo) магнит 28, установленный внутри трубчатого корпуса 24 рядом с дальним концом 40. Неподвижный SmCo магнит 28 может иметь круглое поперечное сечение, придающее неподвижному SmCo магниту 28, по существу, цилиндрическую форму, и наружный диаметр неподвижного SmCo магнита 28 может быть немного меньше, чем канал 36 трубчатого корпуса 24. Однако неподвижный SmCo магнит 28 может иметь любую форму поперечного сечения, например многоугольник или овал. Верхняя поверхность 58 неподвижного SmCo магнита 28 может быть плоской и может располагаться, по существу, перпендикулярно продольной оси 60 неподвижного SmCo магнита 28. Нижняя поверхность 62 неподвижного SmCo магнита 28 также может быть плоской и, по существу, параллельной верхней поверхности 58, где нижняя поверхность 62 неподвижного SmCo магнита 28 контактирует с дальней поверхностью 38 трубчатого корпуса 24. Неподвижный SmCo магнит 28 имеет первый полюс 64 (определенный как северный на фиг.2), приближенный к верхней поверхности 58, и второй полюс 66 (определенный как южный на фиг.2), приближенный к нижней поверхности 62.
Регулируемая магнитная мишень 22 содержит также подвижный SmCo магнит 30, расположенный внутри трубчатого корпуса 24, как показано на фиг.2. Подвижный SmCo магнит 30 может иметь физические и магнитные свойства, аналогичный свойствам неподвижного SmCo магнита 28. В частности, подвижный SmCo магнит 30 может быть аксиально намагниченным и может иметь цилиндрическую форму с наружным диаметром немного меньшим, чем диаметр канала 36 трубчатого корпуса 24. Верхняя поверхность 68 подвижного SmCo магнита 30 может быть плоской и может располагаться, по существу, перпендикулярно продольной оси 70 подвижного SmCo магнита 30. Нижняя поверхность 72 подвижного SmCo магнита 30 может также быть плоской и, по существу, параллельной верхней поверхности 68. Подвижный SmCo магнит 30 также имеет первый полюс 74 (определенный как северный на фиг.2), приближенный к нижней поверхности 72, и второй полюс 76 (определенный как южный на фиг.2), приближенный к верхней поверхности 68. Как показано на фиг.2, подвижный SmCo магнит 30 может перемещаться внутри канала 36 трубчатого корпуса 24 между контактной поверхностью 56 регулировочного элемента 26 и неподвижным SmCo магнитом 28 так, что первый полюс 74 подвижного SmCo магнита 30 находится рядом с первым полюсом 64 неподвижного SmCo магнита 30. Под воздействием магнитной силы отталкивания подвижный SmCo магнит 30 смещается от неподвижного SmCo магнита 28 так, что часть верхней поверхности 68 подвижного SmCo магнита 30 сцепляется с частью контактной поверхности 56 регулировочного элемента 26. Такого же эффекта можно достичь, если первый полюс 64 неподвижного SmCo магнита 28 является южным и первый полюс 74 подвижного SmCo магнита 30 является южным. Оба аксиально намагниченные магнита: неподвижный SmCo магнит 28 и подвижный SmCo магнит 30 изготовлены, используя материалы и процессы, хорошо известные в технике.
1
Неподвижный аксиально намагниченный SmCo магнит 28 и подвижный аксиально намагниченный SmCo магнит 30 являются постоянными магнитами, обладающими магнитным полем. Если магниты 28, 30 разделены исходным расстоянием D, как показано на фиг.3а, магнитное поле 78 неподвижного SmCo магнита 28 и магнитное поле 80 подвижного SmCo магнита 30 имеют общую конфигурацию неполного эллипса. Используя неподвижный SmCo магнит 28 в качестве примера, по существу, эллиптическое магнитное поле 80 простирается от верхней поверхности 58 до нижней поверхности 62 и имеет большую ось 82, параллельную продольной оси 60 неподвижного SmCo магнита 28, и малую ось 84, перпендикулярную продольной оси 60, как показано на фиг.3b. Когда подвижный SmCo магнит 30 смещается в продольном направлении к неподвижному SmCo магниту 28, магнитное поле 78 подвижного SmCo магнита 30, в конечном счете, начинает взаимодействовать с магнитным полем 80 неподвижного SmCo магнита 28. При нахождении в зоне взаимодействия, например, когда подвижный SmCo магнит 30 отделен от неподвижного SmCo магнита 28 расстоянием D2, как показано на фиг.3с, формы магнитных полей 78, 80 начинают изменяться. В частности, как показано для неподвижного SmCo магнита на фиг.3d, эллиптическое магнитное поле 80 простирается вдаль от продольной оси 60 неподвижного SmCo магнита 28 в радиальном направлении, так что большая ось 82 теперь перпендикулярна продольной оси 60, а малая ось 84 параллельна продольной оси 60. Взаимодействие приводит к аналогичному изменению магнитного поля 78 подвижного SmCo магнита 30. В результате взаимодействие магнитных полей 78, 80 аксиально намагниченных SmCo магнитов 28, 30 приводит к тому, что магнитные поля 78, 80 копируют форму магнитного поля 12 радиально намагниченного SmCo магнита 10.
При нахождении магнитов в зоне взаимодействия форму магнитных полей 78, 80 можно регулировать путем продольного смещения подвижного SmCo магнита 30 относительно неподвижного SmCo магнита 28. Например, если датчик должен располагаться относительно далеко от регулируемой магнитной мишени 22, регулируемый элемент 26 магнитной мишени 22 может поворачиваться так, что подвижный SmCo магнит 30 смещается в направлении неподвижного SmCo магнита 30, таким образом, приводя к радиальному распространению магнитных полей 78, 80 от продольных осей 60, 70 магнитов 28, 30. Поворот регулируемого элемента 26 продолжается до тех пор, пока магнитные поля 78, 80 распространятся наружу в достаточной степени, чтобы быть обнаруженным датчиком.
Моделирование магнитного поля радиально намагниченного SmCo магнита 10 позволяет использовать аксиально намагниченные SmCo магниты 28, 30 вместо радиально намагниченного SmCo магнита 10 в случаях, требующих относительно большого расстояния между магнитом и датчиком. Например, как показано на фиг.4а и 4b (не в масштабе), если желательно определить, смещена ли заслонка 86 клапана 88 к отдельной точке в герметизированном корпусе клапана 90, регулируемая магнитная мишень 22 может соединяться со штоком клапана 92. На фиг.4а заслонка 86 находится в первом положении, так что регулируемая магнитная мишень 22, соединенная со штоком 92, находится вне диапазона обнаружения датчика 94 магнитного бесконтактного переключателя 96, такого как переключатель GO Switch, производимый компанией TopWorx, Inc. Однако, как показано на фиг.4b, когда заслонка 86 смещена во второе положение, такое как закрытое положение, регулируемая магнитная мишень 22 находится в диапазоне обнаружения датчика 94 и магнитный бесконтактный переключатель 96 изменяет состояние. Сигнал, указывающий на изменение состояния магнитного бесконтактного переключателя 96, может передаваться к контроллеру (не показан) и может инициироваться сообщение в виде свечения светодиода или сигнальной лампы (не показано), чтобы указать, что клапан закрыт.
Хотя выше описаны различные варианты, изобретение не ограничивается ими. Можно выполнить варианты изобретения, которые подпадают под объем защиты прилагаемой формулы. Например, неподвижный магнит 28 и подвижный магнит 30 описаны как самарий-кобальтовые (SmCo) магниты. Однако могут использоваться и другие типы магнитов, например, неодимовые магниты или, например магниты из сплава алнико.