СПОСОБ ФИКСАЦИИ И ПРИВОДА РИГЕЛЯ ЗАМКА И МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАМОК (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF FIXATION AND DRIVING OF LOCK CROSSBAR AND MAGNETOELECTRIC LOCK (VERSIONS)

Изобретение относится к способам запирания и запирающим устройствам - кодовым замкам-невидимкам и предназначено для запирания входных и внутренних дверей, сейфов, ворот. Замки-невидимки не имеют традиционного привода с помощью механического ключа через замочную скважину, и место установки замка не видно со стороны двери, отсутствует также сама замочная скважина. В качестве ключа используются электронные ключи как контактные типа магнитных карточек и брелоков, так и бесконтактные (радиочастотные, ультразвуковые и др.) с различными типами электронных кодов. Это обеспечивает высокую защиту от несанкционированного проникновения. Изобретение может быть также использовано в качестве различного рода исполнительных электромеханических механизмов: манипуляторов, двухпозиционных реле, магнитных пускателей, тяговых механизмов, электромеханического триггера, скрытых блокираторов дверей и антиугонных узлов транспортных и других средств.
Известен способ запирания дверей под действием электромагнитной силы, создаваемой магнитным полем индуктора в виде плоской электромагнитной системы с встроенной обмоткой, по которой пропускается электрический ток. Магнитное поле индуктора замыкается на якорь, выполненный в виде стальной магнитной пластины. Между индуктором и якорем возникает электромагнитная сила, прижимающая якорь к индуктору. Индуктор крепится на дверном проеме, а якорь непосредственно на двери, напротив индуктора. При подаче напряжения на обмотку индуктора возникает магнитное поле, прижимающее якорь с усилием в сотни и тысячи ньютонов. Дверь блокируется в закрытом состоянии. Чтобы открыть дверь необходимо обесточить обмотку индуктора. Для этого используется электрический кодовый ключ. (1. Электромагнитный замок модель ML-194.01 с микроконтроллером. Паспорт. Сертификат РОСС RU ME 28. А08917. ООО «АККОРД-2001», г.Москва).
Недостатком известного способа является наличие непрерывной подачи напряжения на обмотку индуктора и возможность отрыва якоря от индуктора с помощью рычага, ввиду резкого снижения прижимного усилия от величины воздушного зазора между якорем и индуктором.
Этого недостатка лишены электромагнитные замки с выдвигающимися ригелями. Известен способ фиксации и привода ригеля замка с помощью соленоидального поля катушки с током, втягивающего стальной подпружиненный сердечник ригеля вовнутрь соленоида. Под действием пружины ригель замка находится в выдвинутом состоянии, блокируя дверь. Для разблокирования двери на катушку соленоида подается электрическое напряжение. Далее, под действием магнитного поля стальной сердечник ригеля втягивается во внутрь соленоида, преодолевая сопротивление пружины и разблокируя, тем самым, дверь. (2. Патент RU 2283411. Электромагнитный замок. Бюл. №25, 10.09.2006).
Недостатком известного способа фиксации и привода ригеля замка является одностороннее действие электромагнитных сил, работающих на втягивание ригеля. Все остальное время ригель находится в выдвинутом состоянии, блокируя дверь. Кроме того, известный способ фиксации и привода ригеля имеет тенденцию к резкому снижению электромагнитных сил при увеличении хода ригеля, ограничивая ход ригеля.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение универсальности способа фиксации и привода ригеля замка в любом из двух крайних положений: при втянутом ригеле и при выдвинутом ригеле. Предлагается способ фиксации и привода ригеля замка, обеспечивающего привод ригеля как на выдвижение, так и на втягивание с фиксацией ригеля в крайних положениях.
Реализация предлагаемого технического решения позволяет создать привод ригеля замка с независимым выдвижением и втягиванием ригеля и фиксацией его в крайних положениях. Это имеет большое значение при создании замков-невидимок с микроконтроллерным управлением.
Указанный технический результат при реализации способа фиксации и привода ригеля замка-невидимки достигается тем, что для создания силы тяги, воздействующей на якорь ригеля в одном направлении, якорь ригеля намагничивают в продольном направлении с формированием на его концах полюсов N и S постоянного магнита и помещают в воздушном зазоре с торцов внешнего соленоидального магнитного поля между двумя направленными навстречу друг другу соленоидальными магнитными потоками, исходящими из магнитомягких элементов соленоида в направлении якоря ригеля, таким образом, чтобы полюса S и N ригеля были расположены в воздушном зазоре против торцов одноименных полюсов N магнитомягких элементов соленоидов внешнего соленоидального магнитного поля, при этом воздействие двух соленоидальных магнитных потоков на якорь ригеля осуществляют в виде магнитного импульса, длительность которого должна быть соизмерима со временем передвижения ригеля из одного крайнего положения в другое крайнее положение, а изменение направления вектора силы тяги при реверсе ригеля осуществляют путем импульсного изменения направления магнитного потока на противоположное со стороны внешнего соленоидального поля таким образом, чтобы полюса S и N якоря ригеля были расположены в воздушном зазоре против торцов одноименных полюсов S магнитомягких элементов соленоидов внешнего соленоидального магнитного поля, создавая силу тяги якоря ригеля в результате отталкивания одного полюса якоря ригеля от аналогичного полюса магнитомягкого элемента соленоида и одновременного притяжения другого полюса якоря ригеля к противоположному полюсу другого магнитомягкого элемента соленоида в момент импульсного включения внешнего соленоидального магнитного поля, а фиксацию якоря ригеля в крайнем положении осуществляют за счет притяжения полюса якоря к магнитомягкому элементу соленоида после импульсного отключения внешнего соленоидального магнитного поля, при этом величину силы фиксации якоря ригеля в крайнем положении устанавливают менее величины силы отталкивания полюса ригеля от полюса магнитомягкого элемента соленоида в момент импульсного включения внешнего соленоидального магнитного поля.
По варианту 1 электродинамического замка-невидимки, указанный технический результат достигается тем, что замок-невидимка, включающий корпус, подвижный ригель, якорь ригеля, соленоид, обмотку соленоида, систему управления, блок бесперебойного питания, кодовый электрический ключ, содержит, толкатель ригеля, два стальных цилиндрических сердечника с отверстиями по центру, две катушки соленоидов с проводом, немагнитные прокладки с отверстиями, цилиндрический корпус из магнитного материала, крышку, кольцо и фланец корпуса с отверстиями по центру; при этом якорь ригеля выполнен в виде одного или двух цилиндрических постоянных магнитов с отверстием по центру с продольным расположением полюсов N-S; толкатель ригеля выполнен в виде длинного стержня из немагнитного материала; катушки соленоидов со стальными сердечниками заключены в цилиндрический корпус и установлены на одной оси с образованием воздушного зазора между внутренними торцами стальных цилиндрических сердечников, соленоиды установлены и зафиксированы в цилиндрическом корпусе с помощью крышки корпуса и кольца внутри корпуса; толкатель ригеля в виде длинного стержня расположен соосно внутри отверстий в крышке корпуса, кольце, немагнитных прокладках, стальных сердечников соленоида с возможностью перемещения в осевом направлении, а якорь ригеля в виде цилиндрического постоянного магнита жестко закреплен на толкателе ригеля в виде длинного стержня, на конце толкателя в виде длинного стержня жестко установлен ригель, выполненный из немагнитного материала, а сам ригель установлен с воздушным зазором в отверстии фланца корпуса, немагнитные прокладки установлены между торцами полюсов постоянного магнита и торцами стальных сердечников соленоида.
По варианту 2 электродинамического замка-невидимки, указанный технический результат достигается тем, что замок-невидимка, включающий корпус, подвижный ригель, якорь ригеля, соленоид, обмотку соленоида, систему управления, блок бесперебойного питания, кодовый электрический ключ, содержит траверсу якоря, направляющие траверсы, два и более ригеля, два и более стальных сердечника, две и более катушки соленоидов с проводом, немагнитные прокладки, плоский корпус, ручной привод, элементы крепления замка-невидимки; при этом якорь ригеля выполнен в виде постоянного магнита с продольным расположением полюсов N-S; траверса выполнена из немагнитного материала и на траверсе жестко закреплен якорь в виде постоянного магнита и ригели, траверса установлена внутри корпуса и снабжена направляющими для перемещения; катушки соленоидов со стальными сердечниками установлены внутри корпуса на одной оси с образованием воздушного зазора между внутренними торцами стальных цилиндрических сердечников, соленоиды установлены и зафиксированы в корпусе; немагнитные прокладки установлены между торцами полюсов постоянного магнита и торцами стальных сердечников соленоида, корпус выполнен из магнитного материала в виде плоской коробки и снабжен отверстиями для выхода ригелей; ручной привод выполнен в виде выступающей ручки, соединенной с траверсой через прорезь в корпусе.
На фиг.1 представлена тетраэдрическая схема расстановки электрических и магнитных зарядов-кварков по вершинам тетраэдра.
На фиг.2 представлена схема квантона - кванта пространства-времени.
На фиг.3 представлена модель квантованного пространства-времени в виде упругой твердотельной решетчатой модели.
На фиг.4 представлена модель квантованного пространства-времени в виде упругой сетчатой модели.
На фиг.5 представлена схема постоянного магнита с полюсами N и S.
На фиг.6 представлена схема возникновения контактных сил притяжения полюса S постоянного магнита 1 к стальному сердечнику 2.
На рис.7 представлена схема, реализующая принцип работы способа привода ригеля замка-невидимки.
На фиг.8 представлена схема фиксации якоря ригеля в крайнем положении.
На фиг.9 представлена схема изменения вектора силы тяги при реверсе ригеля.
На фиг.10 показан ход якоря ригеля при реверсе привода.
На фиг.11 показано положение якоря 1 ригеля в крайнем левом положении.
На фиг.12 показана фиксация якоря 1 ригеля в крайнем левом положении.
На фиг.13 показана конструкция цилиндрического магнитоэлектрического замка-невидимки в разрезе.
На фиг.14 показано сечение по А-А цилиндрического магнитоэлектрического замка-невидимки.
На фиг.15 представлен в разрезе якорь, выполненный в виде цилиндрического постоянного магнита с отверстием и полюсами N-S.
На фиг.16. представлена конструкция якоря с двумя постоянными цилиндрическими магнитами.
На фиг.17 показано положение ригеля при закрытии магнитоэлектрического замка-невидимки.
На фиг.18 показана конструкция плоского двухригельного магнитоэлектрического замка-невидимки в разрезе в открытом состоянии.
На фиг.19 и 20 показаны сечения по В-В и С-С плоского двухригельного магнитоэлектрического замка-невидимки.
На фиг.21 показано положение ригелей при закрытии плоского двухригельного магнитоэлектрического замка-невидимки.
Прежде всего, чтобы обосновать и реализовать на практике новый привод ригеля замка или другого исполнительного механизма, необходимо уточнить фундаментальные положения в области магнетизма, электричества и электромагнетизма, изложенные в теории Суперобъединения. (3. Leonov V. S. Quantum Energetics. Volume 1. Theory of Superunification. Cambridge International Science Publishing, 2010, 745 pages. Леонов B.C. Квантовая энергетика. Том 1. Теория Суперобъединения. Международное научное издательство Кембриджа, 2010, 745 страниц). Ранее считалось, что магнетизм является вторичным образованием от электрического тока, то есть магнитное поле появляется при протекании электрического поля по проводнику или при вращении орбитальных электронов и т.д. Получалось, что по непонятным причинам рождается новая субстанция магнетизм в результате действия динамического электричества. Хотя само электричество напрямую не связано с магнетизмом, это различные физические самостоятельные субстанции. Незнание природы магнетизма подменяется его описательным характером.
Так что же лежит в основе магнетизма? Если в основе электричества лежат электрические заряды, как положительной и отрицательной полярности, многократно экспериментально доказанные, то экспериментального доказательства свободных магнитных зарядов не существует. Но если взять магнит, то обнаружим у него два полюса, которые принято именовать N и S. Если разломать магнит на две части, то отделить один полюс не получится. Новые части магнита опять будут иметь по два полюса N и S. Можно по-разному объяснять данное явление, но в теории Суперобъединения принято магнитное поле связывать с источником магнитного поля - магнитными зарядами, как и источник электрического поля - с электрическими зарядами. В этом есть физическая логика и это полностью соответствует условиям электромагнитной симметрии в уравнениях Максвелла для электромагнитного поля в вакууме, характеризуя вакуум токами электрического и магнитного смещения (по описанию Хевисайда), вызванного реальным смещением электрических и магнитных зарядов.
Тогда можно допустить, что магнетизм определен реалиями магнитных зарядов, но эти заряды не свободные, а связаны в диполи и принадлежат не веществу, а космическому вакууму. Поэтому мы не можем обнаружить их как свободные заряды, а только фиксируем их дипольное проявление. Тогда становится понятным природа магнетизма, когда при нарушении магнитного равновесия вакуума в результате протекания электрического тока по проводнику, или упорядоченной ориентации орбиталей электронов магнитных доменов вещества, проявляется магнетизм в виде магнитных диполей (полюсов N и S). Это доказано в теории Суперобъединения и подтверждается экспериментально всеми исследованиями по электромагнетизму.
Теория Суперобъединения - это теория объединения электромагнетизма, гравитации, ядерных и электрослабых сил на основе объединяющей концепции сверхсильного электромагнитного взаимодействия (СЭВ) с единых позиций. И первым этапом на пути объединения фундаментальных взаимодействий был этап объединения электричества и магнетизма в электромагнетизм СЭВ, носителем которого является элементарный квант пространства-времени (квантон), введенный в физику в 1996 году [3].
·
-19
Чтобы выделить в пространстве квант пространства-времени с позиций геометрической минимизации необходимо всего четыре координаты, которые по условиям пространственной симметрии нужно расположить по вершинам тетраэдра. При переходе от геометрии к физике координатные точки заменяются физическими объектами кварками - исходными кирпичиками мироздания. И природа сама запланировала четыре кварка-заряда: два электрических (+1е и -1е) и два магнитных (+1g и -1g), где е=1.610 Кл - элементарный электрический заряд, равный заряду электрона, g - элементарный магнитный заряд, связанный с электрическим соотношением [3]:
<mrow><mtext>g</mtext><mo>=</mo><msub><mtext>C</mtext><mtext>0</mtext></msub><mtext>e</mtext><mo>=</mo><mtext>4</mtext><mtext>,8</mtext><mo>⋅</mo><msup><mrow><mtext>10</mtext></mrow><mrow><mo>−</mo><mtext>11</mtext></mrow></msup><mtext>A</mtext><mo>⋅</mo><mtext>м</mtext><mtext>,</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>(1)</mtext></mrow>
0
8
где С=3·10 м/с - скорость света в вакууме.
Выражение (1) определяет симметричную связь между электричеством и магнетизмом в природе и из (1) легко получается вывод уравнений Максвелла для электромагнитного поля в вакууме, доказывая, что электрический и магнитный заряды принадлежат кванту пространства-времени (квантону). Не будь этого в реалии, то не было бы законов электромагнетизма и факта распространения электромагнитных волн.
На фиг.1 представлена тетраэдрическая схема расстановки электрических и магнитных зарядов-кварков по вершинам тетраэдра. Полученная частица представляет собой электромагнитный квадруполь, неизвестный ранее науке и обладающий уникальными свойствами, в том числе ортогональностью электрических и магнитных полей. При электромагнитном сжатии электромагнитный квадруполь переходит с шаровую частицу - квантон, сохраняя ортогональность электрических и магнитных полей. В дальнейшем это проявляется во всех электромагнитных процессах.
На фиг.2 представлена схема квантона - кванта пространства-времени. Как видно, магнитные заряды связаны внутри квантона в диполи, как и электрические заряды. Экспериментально такие диполи проявляют себя в виде силовых линий магнитного и электрического полей. При заполнении некого объема пространства квантонами наблюдаем процесс электромагнитного квантования пространства-времени.
На фиг.3 представлена модель квантованного пространства-времени в виде упругой твердотельной решетчатой модели. На фиг.4 представлена модель квантованного пространства-времени в виде упругой сетчатой модели. Обе модели идентичны и используются в гравитационных (фиг.3) и электромагнитных (фиг.4) расчетах, определяя высочайшую точность результатов. Следует отметить, что квантон, как упругий резонатор представляет собой элемент пространственных часов, что соответствует его определению кванта пространства-времени - одновременного носителя времени и элементарного пространственного объема.
В отличие от магнетизма квантонов само квантованное пространство-время обладает некой электрической асимметрией, то есть некоторым избытком электрических зарядов, не связанных внутри квантона. Именно этот избыток свободных электрических зарядов определяет все многообразие вещественной материи. Если, например, в квантованное пространство-время вбросить невесомый электрический заряд-кварк отрицательной полярности, то в результате сферической деформации квантованного пространства-времени вокруг этого заряда заряд-кварк приобретает массу, перерождаясь в элементарную частицу электрон - носитель электрического заряда и массы. Энергия сферической деформации эквивалентна массе частицы, а движение частицы есть волновой перенос сферической деформации в соответствии с принципом корпускулярно-волнового дуализма, когда частица одновременно проявляет свои волновые и корпускулярные свойства. Более подробно проблемы объединения электромагнетизма и гравитации изложены в теории Суперобъединения [3].
Для обоснования предлагаемого способа фиксации и привода ригеля замка важно понять роль магнитных зарядов, связанных в диполи, в формировании магнитных полей и сил.
На фиг.5 представлена схема постоянного магнита с полюсами N и S. Магнитное поле постоянного магнита формируется в результате нарушения магнитного равновесия квантованного пространства-времени как дипольное поле, замыкающееся по контуру как внутри постоянного магнита, так и снаружи в окружающем пространстве. Сам магнит является лишь источником магнитного возмущения квантованного пространства-времени. При этом торцевые полюса магнита N и S формируются в результате ориентационной и деформационной поляризации магнитных диполей из магнитных зарядов-кварков (+1g и -1g), принадлежащих квантонам внутри квантованного пространства-времени. Принято считать направление силовой линии поля вне магнита от полюса N к полюсу S, а внутри магнита, наоборот: от полюса S к полюсу N.
1
2
На фиг.6 представлена схема возникновения контактных сил притяжения торца полюса S постоянного магнита 1 к торцу стального сердечника 2, выполненного из магнитомягкого материала и способного к намагничиванию, размагничиванию и перемагничиванию. При контакте торца полюса постоянного магнита 1 с торцом стального сердечника 2 магнитное поле постоянного магнита проникает в стальной сердечник, намагничивая его. На границе контакта с торцов формируется двойной заряженный магнитный слой 3 из магнитных зарядов (+1g и -1g), обозначенных как (S-N). Поверхностная плотность магнитных зарядов на границе раздела определяет контактное притяжение торца полюса магнита к торцу стального сердечника с силами F и F, которые используются в данном изобретении для фиксации ригеля в крайних положениях (фиг.6). Зная поверхностную плотность магнитных зарядов и значение напряженности магнитного поля или его индукции, можно определить величину магнитной силы притяжения торца полюса магнита к торцу стального сердечника. Это короткодействующие силы, которые быстро ослабевают при удалении торца полюса магнита от торца стального сердечника. Аналогия двойного магнитного слоя в виде магнитных листков на границе раздела (контакта) используется в теории электричества (4. Тамм И.Е. Основы теории электричества. - М.: Наука, 1989, стр.200-205).
На фиг.7 представлена схема, объясняющая и реализующая принцип работы предлагаемого способа привода ригеля замка, использующая воздействие внешнего импульсного управляющего магнитного поля на намагниченный якорь 1 ригеля в виде постоянного магнита с формированием на его концах полюсов N и S (сам ригель не показан на чертеже). Якорь 1 выполняется из редкоземельных магнитных материалов, например, типа неодим-железо-бор, с индукцией на торцах полюсов 0,5… 1,1 Тл. Схема включает: якорь 1 ригеля, магнитомягкие элементы 2 и 4 соленоидов в виде стальных сердечников, расположенные внутри соленоидальных катушек 5 и 6 с проводом, внешний охватывающий магнитопровод 7.
0
·
-7
Якорь 1 ригеля располагается в воздушном зазоре 8 внешнего соленоидального магнитного поля между двумя направленными навстречу друг другу магнитными потоками, исходящими из магнитомягких элементов 2 и 4 соленоидов в направлении якоря 1. Необходимо напомнить, что воздушный зазор не является пустым пространством, а в соответствии с теорией Суперобъединения [3] заполнен квантованным пространством-временем (фиг.3 и 4) и квантонами (фиг.2), способными к магнитной поляризации, обеспечивающими проводимость магнитного потока как в воздушном зазоре, так и в магнитопроводах, включая магнитомягкие элементы 2 и 4 соленоидов. Магнитные свойства квантованного пространства-времени характеризуются магнитной постоянной µ=4π10 Гн/м. Таким образом обеспечивается силовое взаимодействие магнитных полюсов в воздушном зазоре через квантованное пространство-время. Магнитомягкие элементы 2 и 3 соленоидов должны обладать способностью к намагничиванию при воздействии внешнего соленоидального магнитно поля, создаваемого катушками 5 и 6 соленоидов с проводом, и быстрому размагничиванию при отключении катушек 5 и 6 соленоидов с проводом от источника электрического напряжения.
Внешнее соленоидальное магнитное поле формируется катушками 5 и 6 соленоидов с проводом, внутри которых расположены магнитомягкие элементы 2 и 4 соленоидов в виде стальных сердечников. Как видно, внешнее соленоидальное магнитное поле в воздушном зазоре 8 является неоднородным, при выходе из торцов магнитомягких элементов 2 и 4 соленоидов имеет продольный характер с направлением силовых линий в сторону торцов полюса якоря 1 ригеля. Далее, ввиду неоднородного характера поля силовые линии изгибаются в поперечном направлении, определяя характер поля как продольно-поперечное магнитное поле. Для этого одноименные полюса магнитомягких элементов 2 и 4 соленоидов направлены навстречу друг другу, выталкивая магнитное поле из центра воздушного зазора 8.
Для усиления магнитной индукции поля, и соответственно, увеличения силы тяги F якоря 1 ригеля служит охватывающий магнитопровод 7, через который силовые магнитные линии 9 и 10 замыкаются. Направление силы тяги F определяется расположением полюсов N и S якоря 1 ригеля относительно полюсов магнитомягких элементов 2 и 4 соленоидов. В положении, когда полюса N и S якоря 1 ригеля, как показано на фиг.7, расположены между одноименными полюсами N магнитомягких элементов 2 и 4 соленоидов, сила тяги F якоря 1 ригеля направлена слева направо в плоскости чертежа. Это обусловлено тем, что с торца полюс S якоря 1 ригеля притягивается к торцу полюса N магнитомягкого элемента 2 соленоида, а торец полюса N якоря 1 ригеля отталкивается от торца полюса N магнитомягкого элемента 4 другого соленоида, определяя действие силы тяги F и ее направление.
Рассмотрим, как работает предлагаемый способ на примере привода якоря 1 ригеля в одну сторону слева направо (фиг.7). При подаче импульса напряжения на катушки 5 и 6 соленоидов с проводом с торцов на концах магнитомягких элементов 2 и 4 соленоидов, направленных вовнутрь воздушного зазора 8, формируются однополярные магнитные полюса N. Импульсная подача напряжения на катушки обеспечивает создание импульсного магнитного поля, воздействующего на якорь ригеля. При взаимодействии однополярных магнитных полюсов N магнитомягких элементов 2 и 4 соленоидов с полюсами N и S якоря 1 ригеля с торцов полюсов возникает сила тяги F, обеспечивающая привод якоря 1 ригеля в сторону слева направо в крайнее правое положение. При этом осуществляется воздействие одновременно двух магнитных потоков на якорь ригеля в виде магнитного импульса, длительность которого должна быть соизмерима со временем передвижения ригеля из одного крайнего положения в другое крайнее положение. То есть за время подачи импульса, привод якоря ригеля должен успеть сработать, выдвигая или убирая ригель.
Описанные выше действия характеризуют способ привода ригеля, позволяя сформулировать первую часть формулы изобретения, когда для создания силы тяги, воздействующей на якорь ригеля в одном направлении, якорь ригеля намагничивают в продольном направлении с формированием на его концах полюсов N и S постоянного магнита и помещают в воздушном зазоре с торцов внешнего соленоидального магнитного поля между двумя направленными навстречу друг другу соленоидальными магнитными потоками, исходящими из магнитомягких элементов соленоида в направлении якоря ригеля таким образом, чтобы полюса S и N ригеля были расположены в воздушном зазоре против торцов одноименных полюсов N магнитомягких элементов соленоидов внешнего соленоидального магнитного поля, при этом воздействие двух соленоидальных магнитных потоков на якорь ригеля осуществляют в виде магнитного импульса, длительность которого должна быть соизмерима со временем передвижения ригеля из одного крайнего положения в другое крайнее положение.
1
На фиг.8 представлена схема фиксации якоря ригеля в крайнем положении, которая осуществляется за счет использования контактных сил магнитного притяжения полюса якоря 1 ригеля к магнитомягкому элементу 2 при снятии напряжения питания с катушек 5 и 6 с проводом после импульсного отключения внешнего магнитного поля. Магнитный поток, создаваемый якорем 1 ригеля пронизывает магнитомягкий элемент 2, намагничивая его и замыкаясь по внешнему охватывающему магнитопроводу 7. В этом случае, как показано на фиг.6, возникает эффект контактного притяжения под действием силы F, обусловленной формированием двойного заряженного магнитного слоя 3 S-N на границе раздела в зазоре между полюсом S якоря 1 ригеля и индуцируемым магнитным слоем N на конце магнитомягкого элемента 2. Применение редкоземельных магнитов обеспечивает большие силы фиксации ригеля в крайнем положении, исключая применение дополнительных механических фиксаторов. Контактные силы притяжения могут быть столь значительными, что даже при включении внешнего магнитного поля не удается оторвать полюс якоря ригеля от магнитомягкого элемента. Приходится ограничивать силы контактного притяжения за счет установки немагнитной прокладки в зазор между полюсом якоря ригеля и поверхностью магнитомягкого элемента. При этом величину силы фиксации якоря ригеля в крайнем положении устанавливают менее величины силы отталкивания полюса ригеля от полюса магнитомягкого элемента в момент импульсного включения внешнего магнитного поля.
1
1
На фиг.9 представлена схема изменения вектора силы тяги при реверсе ригеля. Чтобы произвести реверс якоря 1 ригеля достаточно импульсно изменить направление магнитного потока внешнего соленоидального магнитного поля. Реверс якоря 1 ригеля обеспечивает его привод в обратном (противоположном) направлении, в данном случае, справа налево. Изменение направления вектора силы F тяги при реверсе ригеля осуществляют путем импульсного изменения направления магнитного потока на противоположное через силовые магнитные линии 9 и 10. Меняется направление потока внешнего соленоидального магнитного поля продольно-поперечного типа. Для этого изменяют полярность питающего напряжения на катушках 5 и 6 соленоида с проводом. По сравнению с фиг.7 на фиг.9 полюса магнитных элементов 2 и 4 соленоида в воздушном зазоре 8, направленные в сторону якоря 1 ригеля, перемагничиваются с полюса N на полюс S. При этом торцы полюсов S и N якоря 1 ригеля расположены в воздушном зазоре против одноименных торцов полюсов S магнитомягких элементов 2 и 4 соленоидов внешнего соленоидального магнитного поля, продольно-поперечного типа, создавая силу F тяги якоря ригеля в результате отталкивания с торцов полюса S якоря ригеля от аналогичного полюса S магнитомягкого элемента 2 соленоида и одновременного притяжения полюса N якоря ригеля к противоположному полюсу N другого магнитомягкого элемента 4 другого соленоида в момент импульсного включения внешнего магнитного поля. Силу F тяги якоря 1 ригеля устанавливают по величине больше, чем сила F притяжения фиксации ригеля в крайнем правом положении (фиг.8). Это обеспечивает отрыв якоря ригеля от магнитомягкого элемента соленоида в момент реверса. Поскольку сила F ослабевает значительно быстрее, чем сила F при увеличении зазора между полюсами, то экспериментально наблюдается резкое начало движения якоря 1 ригеля при реверсе привода ригеля, напоминающее спуск упругой пружины.
На фиг.10 показан ход якоря 1 ригеля при реверсе привода. Якорь 1 ригеля двигается в воздушном зазоре справа налево, отталкиваясь полюсом S от полюса S магнитомягкого элемента 2 соленоида, и одновременно якорь 1 ригеля притягивается полюсом N к полюсу S магнитомягкого элемента 4 другого соленоида. В отличие от чисто соленоидального привода ригеля (прототип патент RU 2283411 [2]), использующего только силы втягивания стального сердечника вовнутрь соленоида, в представленном способе привода ригеля, ригель не втягивается вовнутрь соленоида, а отталкивается и притягивается торцами магнитомягких элементов двух соленоидов, используя их внешние поля и силы магнитного отталкивания и притяжения одновременно. Это повышает эффективность работы привода ригеля.
На фиг.11 показано положение якоря 1 ригеля в крайнем левом положении при завершении хода в воздушном зазоре. Далее снимается внешнее магнитное поле, и якорь ригеля фиксируется в крайнем левом положении за счет действия контактных сил притяжения торца полюса N якоря 1 ригеля к индуцированному заряженному магнитному слою S на торце магнитомягкого элемента 4 соленоида, образуя двойной заряженный магнитный слой S-N на границе раздела. На фиг.12 показана фиксация якоря 1 ригеля в крайнем левом положении при отсутствии внешнего магнитного поля.
Описанные выше действия характеризуют способ привода ригеля, позволяя сформулировать вторую часть формулы изобретения, когда для изменения направления вектора силы тяги при реверсе ригеля осуществляют путем импульсного изменения направления магнитного потока на противоположное со стороны внешнего соленоидального поля таким образом, чтобы полюса S и N якоря ригеля были расположены в воздушном зазоре против торцов одноименных полюсов S магнитомягких элементов соленоидов внешнего соленоидального магнитного поля, создавая силу тяги якоря ригеля в результате отталкивания одного полюса якоря ригеля от аналогичного полюса магнитомягкого элемента соленоида и одновременного притяжения другого полюса якоря ригеля к противоположному полюсу другого магнитомягкого элемента соленоида в момент импульсного включения внешнего соленоидального магнитного поля, а фиксацию якоря ригеля в крайнем положении осуществляют за счет притяжения полюса якоря к магнитомягкому элементу соленоида после импульсного отключения внешнего соленоидального магнитного поля, при этом величину силы фиксации якоря ригеля в крайнем положении устанавливают менее величины силы отталкивания полюса ригеля от полюса магнитомягкого элемента соленоида в момент импульсного включения внешнего соленоидального магнитного поля.
Таким образом, предложенный способ фиксации и привода ригеля замка-невидимки обеспечивает привод ригеля, как на выдвижение, так и на втягивание (реверс) с фиксацией ригеля в крайних положениях. При этом напряжение питания подается импульсно только на момент выдвижения ригеля или его реверса. Все остальное время привод ригеля обесточен. Для фиксации ригеля в крайних положениях не требуется источник питания. Фиксация осуществляется использованием постоянного магнитного поля якоря ригеля, обеспечивающего притяжение торца якоря к торцу магнитомягкого элемента соленоида.
Конкретная реализация предлагаемого способа фиксации и привода ригеля замка-невидимки рассмотрена на примере двух вариантов конструкции магнитоэлектрического замка-невидимки.
По первому варианту магнитоэлектрический замок-невидимка имеет цилиндрическую форму. На фиг.13 показана конструкция цилиндрического магнитоэлектрического замка-невидимки в разрезе. Магнитоэлектрический замок-невидимка включает: якорь 1 с отверстием 11, ригель 12, толкатель 13, два стальных цилиндрических сердечника 14 и 15 с отверстиями 16 и 17 по центру, две катушки 5 и 6 соленоидов с проводом, немагнитные прокладки 18 и 19, цилиндрический корпус 20, крышку 21, кольцо 22, фланец 23 с отверстием 24 по центру и отверстиями 25 для крепления замка-невидимки, блок питания и управления, контроллер и кодовый ключ (на чертеже не показаны).
Якорь 1 ригеля 12 выполнен в виде цилиндрического постоянного магнита из редкоземельного материала, например, неодим-железо-бор. Якорь 1 ригеля 12 являются подвижными элементами замка-невидимки, обеспечивая закрытие и открытие замка. Якорь 1 намагничивается в продольном направлении, образуя магнитные полюса N-S с торцов цилиндра. Якорь 1 имеет по центру осевое отверстие 11. Через отверстие 11 якорь 1 жестко фиксируется на толкателе 13, выполненном в виде длинного стержня из немагнитного материала, например нержавеющей стали. На конце толкателя закреплен цилиндрический ригель 12, выполненный из немагнитного материала, например нержавеющей стали. Это исключает магнитное залипание ригеля в отверстии фланца 23 корпуса 20, который является внешним магнитопроводом все системы.
На стальные цилиндрические сердечники 14 и 15 с отверстиями 16 и 17 по центру намотаны катушки 5 и 6 соленоидов. Цилиндрический сердечник 14 снабжен с торца крышкой 21 для крепления в корпусе 20. Цилиндрический сердечник 15 снабжен кольцом 22 для крепления внутри корпуса 20. Цилиндрические сердечники 14 и 15, крышка 21 и кольцо 22 выполнены из магнитомягкого материала. Цилиндрические сердечники 14 и 15 с катушками 5 и 6 соленоида установлены соосно внутри цилиндрического корпуса 20, выполненного из магнитомягкого материала. Магнитные потоки образуют два контура, как и на фиг.7, замыкаясь через цилиндрические сердечники 14 и 15, крышку 21, кольцо 22 и цилиндрический корпус 20, являющимся внешним охватывающим магнитопроводом. Для крепления в дверном проеме магнитоэлектрический замок-невидимка снабжен фланцем 23 с отверстием 24 по центру и отверстиями 25. Через отверстие 24 проходит ригель 12.
Якорь 1 с толкателем 13 и ригелем 12 установлен внутри цилиндрического корпуса 20 по центру таким образом, чтобы толкатель 13 проходил через отверстия 16 и 17 цилиндрических сердечников 14 и 15 (фиг.13 и фиг.14). Для регулировки силы фиксации якоря 1 при его притяжении к стальным цилиндрическим сердечникам 14 и 15 в крайних положениях служат немагнитные прокладки 18 и 19, одновременно выполняющие роль амортизаторов, смягчающие удары при работе замка.
На фиг.15 представлен в разрезе якорь 1, выполненный в виде цилиндрического постоянного магнита с отверстием 11 и полюсами N-S на концах якоря. На фиг.16. представлена конструкция якоря с двумя постоянными цилиндрическими магнитами 26 и 27, которые крепятся с двух сторон магнитомягкого диска 28, установленного на толкателе 11 в его пазу 29. Это усиливает крепление магнитов на толкателе 11, исключая их срыв с толкателя. Количество магнитов может быть и более двух.
Работает по первому варианту магнитоэлектрический замок-невидимка в соответствии с описанным выше способом фиксации и привода ригеля. В исходном открытом состоянии ригель 12 втянут в корпус 20 замка в крайнее правое положение. Фиксация ригеля осуществляется за счет контактного притяжения полюса S постоянного магнита якоря 1 к торцу стального сердечника 14. При подаче импульса электрического напряжения на катушки 5 и 6 с проводом создается внешнее магнитное поле, в котором стальные сердечники 14 и 15 намагничиваются таким образом, что один полюс якоря 1 отталкивается от полюса стального сердечника 14, а другой полюс якоря 1 притягивается к полюсу стального сердечника 15. Возникает магнитная сила, действующая на якорь 1 и обеспечивающая привод ригеля 12 через толкатель 13, как это показано в способе на фиг.9, 10, 11. Резким движением ригель 12 переводится из крайнего правого положения в крайнее левое положение, обеспечивая выдвижение ригеля 12 из корпуса 20 замка (фиг.17). Замок закрывается. После прохождения питающего электрического импульса в отсутствие внешнего магнитного поля фиксация ригеля 12 в крайнем левом положении обеспечивается за счет контактного притяжения полюса якоря 1 к торцу стального сердечника 15. Реверс привода ригеля в обратном направлении на открытие, в соответствии с предлагаемым способом, обеспечивается изменением полярности питающего электрического импульса, который подается на катушки 5 и 6. Замок открывается.
Ход якоря и выход ригеля определяются величиной воздушного зазора между цилиндрическими сердечниками 14 и 15, длиной якоря 1 и составляет 15…25 мм и более. Время срабатывания магнитоэлектрического замка на закрытие и открытие, как показали испытания, составляет менее 0,1 секунды при выходе ригеля 20 мм.
По второму варианту магнитоэлектрический замок-невидимка имеет плоскую прямоугольную форму, и может применяться как накладной к двери или врезной в дверь замок. На фиг.18, 19 и 20 показана конструкция плоского магнитоэлектрического замка-невидимки в разрезе. Магнитоэлектрический замок-невидимка включает: якорь 30, траверсу 31 якоря с отверстиями 32 и 33, направляющие 34 и 35 траверсы, два ригеля 36 и 37, два стальных сердечника 37 и 38, две катушки 39 и 40 соленоидов с проводом, немагнитные прокладки 41 и 42, плоский корпус 43, ручной привод 44, элементы крепления замка-невидимки, блок питания и управления, контроллер и кодовый ключ (на чертеже не показаны).
Якорь 30 выполнен в виде постоянного магнита из редкоземельного материала, например, неодим-железо-бор. Форма постоянного магнита цилиндрическая или любая другая, например параллелепипед, квадрат, эллипс и др. Якорь 30 намагничивается в продольном направлении, образуя магнитные полюса N-S с торцов постоянного магнита.
Траверса 31 выполнена из немагнитного материала (алюминий и др.) и предназначена для жесткой механической связи якоря 30 и ригелей 35 и 36. В траверсу впрессован (или вклеен) постоянный магнит якоря 30. Движение траверсы 31 осуществляется по направляющим 34 и 35, проходящим внутри отверстий 32 и 33 траверсы 31. Ригели 35 и 36 впрессовываются в траверсу 31 через специальные отверстия. Оси направляющих 34 и 35 и отверстий 32 и 33 должны быть строго параллельны, исключая перекос траверсы. Конструкция траверсы может быть любой, важно, чтобы она обеспечивала жесткую механическую связь якоря 30 и ригелей 35 и 36. Количество ригелей может быть более двух: три, четыре, шесть и более. Для этого увеличивается длина траверсы, количество магнитов якоря 30 и соленоидов. Поскольку количество элементов устройства не патентуется, в данном случае рассматривается количество ригелей 2 и более. Форма ригелей также может быть различной: цилиндр, параллелепипед, квадрат и другие.
Стальные сердечники 37 и 38 выполняются из магнитомягкого материала, способного к быстрому намагничиванию, размагничиванию и перемагничиванию, не обязательно стальные. Форма стального сердечника 37 и 38 может быть любой: цилиндр, параллелепипед, квадрат и другие. На стальные сердечники 37 и 38 намотаны катушки 39 и 40 соленоидов. Стальные сердечники 37 и 38 с торца крепятся к корпусу 43. Стальные сердечники 37 и 38 с катушками 39 и 40 соленоида установлены соосно с якорем 30 и траверсой 31 внутри корпуса 43, выполненного из магнитомягкого материала. Магнитные потоки образуют два контура, как и на фиг.7, замыкаясь через стальные сердечники 37 и 38 на корпус 43, являющийся внешним охватывающим магнитопроводом. Корпус 43 выполнен из магнитного материала в виде плоской коробки или плоской скобы и снабжен отверстиями для выхода ригелей 35 и 36. Для регулировки силы фиксации якоря 1 при его притяжении к стальным сердечникам 37 и 38 в крайних положениях служат немагнитные прокладки 41 и 42.
Конструкции магнитоэлектрического замка-невидимки предусматривают открывание и закрывание замка изнутри помещения ручным способом. Для этого замок-невидимка снабжен ручным приводом, выполненным в виде выступающей ручки 44, соединенной с траверсой 31 через прорезь 45 в корпусе 43.
Работает по второму варианту магнитоэлектрический замок-невидимка в соответствии с описанным выше способом фиксации и привода ригеля. В исходном открытом состоянии ригели 35 и 36 втянуты в корпус 43 замка в крайнее правое положение. Фиксация ригеля осуществляется за счет контактного притяжения полюса S постоянного магнита якоря 30 к торцу стального сердечника 38. При подаче импульса электрического напряжения на катушки 39 и 40 с проводом, создается внешнее магнитное поле, в котором стальные сердечники 37 и 38 намагничиваются таким образом, что один полюс якоря 30 отталкивается от полюса стального сердечника 38, а другой полюс якоря 30 притягивается к полюсу стального сердечника 37. Возникает магнитная сила, действующая на якорь 30 и обеспечивающая привод ригелей 35 и 36 через траверсу якоря 30, как это показано в способе на фиг.9, 10, 11. Резким движением ригели 35 и 36 переводятся из крайнего правого положения в крайнее левое положение, обеспечивая выдвижение ригелей 35 и 36 из корпуса 43 замка (фиг.21). Замок закрывается. После прохождения питающего электрического импульса в отсутствие внешнего магнитного поля фиксация ригелей 35 и 36 в крайнем левом положении обеспечивается за счет контактного притяжения полюса якоря 30 к торцу стального сердечника 37. Реверс привода ригеля в обратном направлении на открытие, в соответствии с предлагаемым способом, обеспечивается изменением полярности питающего электрического импульса, который подается на катушки 39 и 40. Замок открывается.
Ход якоря и выход ригеля определяются величиной воздушного зазора между цилиндрическими сердечниками 37 и 38, длиной якоря 30 и составляет 15…25 мм и более. Время срабатывания магнитоэлектрического замка на закрытие и открытие, как показали испытания, составляет менее 0,1 секунды при выходе ригеля 20 мм.
В результате использования предлагаемого технического решения по сравнению с известным были разработаны варианты магнитоэлектрических замков-невидимок с независимым выдвижением и втягиванием ригеля и фиксацией его в крайних положениях. Управление приводом ригелей осуществляется подачей импульсного электрического напряжения только в момент закрытия или открытия замка. Для фиксации ригелей в крайних положениях питание замка не нужно. В закрытом или открытом состоянии замок обесточен. Этим достигается экономичность и универсальность предложенного способа фиксации и привода ригелей, реализация которого нашла свое воплощение в двух вариантах магнитоэлектрических замков-невидимок.
Литература
1. Электромагнитный замок модель ML-194.01 с микроконтроллером. Паспорт. Сертификат РОСС RU ME 28. А08917. ООО «АККОРД-2001», г.Москва.
2. Патент RU 2283411. Электромагнитный замок. Бюл. №25, 10.09.2006.
3. Leonov V.S. Quantum Energetics. Volume 1. Theory of Superunification. Cambridge International Science Publishing, 2010, 745 pages. Леонов B.C. Квантовая энергетика. Том 1. Теория Суперобъединения. Международное научное издательство Кембриджа, 2010, 745 страниц.
4. Тамм И.Е. Основы теории электричества. - М.: Наука, 1989, стр.200-205.