МАГНИТОУПРАВЛЯЕМЫЙ КОНТАКТ Российский патент 1994 года по МПК H01H1/66 

Изобретение относится к коммутационным элементам схем автоматизации, в частности, к конструкции сухих герметизированных магнитных контактов (герконов).

Известен "Магнитоуправляемый герметизированный контакт", содержащий герметизированный баллон, два контактных сердечника, расположенных в противоположных торцах герметизированного баллона, якорь, который соединен с одним из контактных сердечников и установлен по отношению к выводу другого контактного сердечника с зазором между их торцевыми поверхностями, равными разнице оптимальных по электромагнитной силе перекрытий рабочего зазора при максимальной и минимальной величине, и соединен с выводом своего контактного сердечника упругим элементом, имеющим возможность деформироваться в направлении, перпендикулярном направлению перемещения якоря в рабочем зазоре.

Недостатком этого магнитного контакта является низкая ударостойкость и сложность конструкции.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является "Магнитный контакт", содержащий два магнитных контактных элемента, соединенных со стеклянным герметизированным баллоном путем запайки одного из двух концов этих контактных сердечников в стекло баллона, причем один из контактных сердечников выполнен с волнообразным профилем продольного сечения и установлен таким образом, что участок с волнообразным профилем расположен вблизи спая контактного сердечника со стеклянным баллоном, внутри этого баллона, при этом две пластины контактных сердечников выполнены и расположены по отношению друг к другу так, что когда они замкнуты, то колебания контакта с волнообразным профилем поверхности создают дополнительную вибрацию, такую, что контакты скользят по поверхности друг друга, при этом оставаясь в замкнутом состоянии.

Недостатком этого контакта является низкая надежность из-за высокой жесткости контактной системы в месте спая контактных сердечников с баллоном, что может вызвать растрескивание стекла в зоне спая и нарушение герметичности баллона. Это явно проявляется в случае использования в качестве материала для контактных сердечников магнитомягких материалов или среднекоэрцитивных ферромагнетиков, имеющих коэффициент термического расширения (КТР) порядка 14-17 х 10^-6.

Целью изобретения является повышение надежности за счет снижения жесткости системы и механических напряжений в местах спая контактных сердечников с баллоном.

Поставленная цель достигается тем, что в магнитоуправляемом контакте, содержащем герметизированный стеклянный баллон, два контактных сердечника, закрепленных в противоположных торцах баллона, причем один из контактных сердечников выполнен с продольным сечением S-образной формы и установлен таким образом, что S-образное сечение расположено вблизи спая контактного сердечника с герметизированным баллоном внутри герметизированного баллона, второй контактный сердечник выполнен и установлен аналогично первому, причем оба контактных сердечника установлены с перекрытием друг относительно друга.

Поставленная цель достигается также и тем, что участок контактного сердечника в зоне спая выполнен с применением дополнительного слоя магнитомягкого материала, причем величина КТР материала указанного слоя выбирается больше КТР материала контактного сердечника, но менее КТР материала герметизированного баллона.

Существенными отличительными признаками предлагаемого магнитоуправляемого контакта является то, что оба контактных сердечника установлены с перекрытием друг относительно друга, а участок контактного сердечника в зоне спая выполнен с применением дополнительного слоя магнитомягкого материала, величина КТР которого больше КТР материала герметизированного баллона.

Такая конструкция предложенного контакта и применение дополнительного магнитомягкого материала обеспечивают существенное уменьшение числа отказа герконов за счет уменьшения механического износа контактных сердечников и снижения механических напряжений в зоне спая контактных сердечников с баллоном, этим устраняется вероятность разгерметизации баллона и его растрескивания в зоне спая с контактными сердечниками, что способствует повышению надежности работы герконов.

На фиг. 1 изображен магнитоуправляемый контакт, имеющий в зоне спая стеклянного герметизированного баллона с сердечником круглое сечение и дополнительный слой из магнитомягкого материала в виде втулки; на фиг.2 - магнитоуправляемый контакт, имеющий в зоне спая стеклянного герметизированного баллона с сердечником прямоугольное сечение и дополнительный слой из магнитомягкого материала в виде зоны с двухсторонним легированием.

Магнитоуправляемый контакт (фиг.1,2) содержит герметизированный баллон 1, контактные сердечники 2 и 3, закрепленные в противоположных торцах баллона 1, контактные сердечники 2 и 3 установлены так, что вблизи спая 4 контактных сердечников 2 и 3 с герметизированным баллоном 1 расположено S-образное сечение 5 контактных сердечников 2,3.

В качестве материала для контактных сердечников 2 и 3 могут быть использованы среднекоэрцитивные ферромагнетики, например, 40КНБ, 90К, 4ХКНБ, с КТР 14-17 х 10^-6. Для снятия механических напряжений в зоне спая стекла с сердечниками используется промежуточный элемент - дополнительный слой магнитомягкого материала в форме "втулки" 4 (фиг.1) или в виде двухстороннего легированного слоя 4 (фиг.2). В случае применения дополнительного слоя в форме "втулки" предлагается использовать низконикелевые пермаллоевые сплавы, например, 50Н, 52Н, 47НД или 47НД-ВИ. Так как КТР этих сплавов хорошо соответствует КТР стекла (КТР у них 8,2-9,8 х 10^-6), а у стекла 9,0-10 х 10^-6), то в месте их спая со стеклом никаких механических напряжений не возникает. Разница КТР в спае пермаллоя с контактным сердечником не носит такого существенного значения, так как не может привести к растрескиванию и следовательно к разгерметизации. Существенная толщина "втулки" позволит погасить те искажения в структуре кристаллической решетки, которые возможно возникнут на самой границе спая "втулки" с контактным сердечником. До границ спая "втулки" со стеклом эти искажения кристаллической решетки, а следовательно, и механические напряжения не дойдут.

Использование "втулки" из низконикелевого пермаллоевого сплава в качестве промежуточного звена позволит также лучше решить вопрос и с проблемой рассеивания мощности, которая выделяется на контактных сердечниках во время работы геркона. Т.к. "втулка" выполнена из хорошо теплопроводного материала, то увеличивает площадь рассеивания мощности и хорошо отнимает на себя выделяемое на контактных сердечниках тепло.

В предлагаемой конструкции спай контактного сердечника с "втулкой" может быть получен методом, разработанным в ЛИТМО на каф. БПУ (метод диффузионной сварки при низких температурах или "метод силового обжатия"). Он позволяет не меняя структурной решетки исходных деталей (конт. сердечника и "втулки") получить вакуумплотный контакт между сердечником круглого сечения и "втулкой".

Легирование, так же, как и "втулка", должно служить целям снятия механических напряжений в зоне спая контактного сердечника прямоугольного сечения со стеклом. В качестве легирующего вещества могут быть использованы платина, висмут, никель: α платины = 8,9 х 10^-6; α висмута = =13,4 х 10^-6; α никеля = 13,4 х 10^-6.

Легирование может быть заменено созданием двусторонней толстой пленки (100-500 мкм - толщина пленки) из никеля, висмута, платины. Пленку можно получить любым способом, в том числе и методами химического и электрохимического осаждения. Никель хорошо предохраняет от окисления и улучшает спай со стеклом. Материал контактного сердечника в этом случае не должен содержать данных химических элементов (это в случае легирования) и не принадлежать к разряду низконикелевых пермаллоев. Легирование можно проводить также различными методами. Глубина легирования находится в пределах от 0,1-0,2 от общей толщины контактного сердечника в данной зоне. Легирующее вещество должно быть хорошим проводником тепла, так как необходимо осуществление рассеивания выделяемой на контактных сердечниках мощности.

Важной характеристикой геркона является максимальное число его срабатываний N (10⁶-10⁹). Максимальное число срабатываний геркона отчасти характеризует его надежность.

Причина сбоев при работе герконов:
- залипание или спекание контактов и, как следствие, дребезг;
- увеличение контактного сопротивления r_к выше допустимого значения;
- увеличение dW_опт выше предельного значения;
- увеличение dW_ср выше предельного значения.

Остальными видами отказов герконов являются залипание, дребезг и повышенное контактное сопротивление сверх допустимой величины, вызываемое переносом материала контакта с анода на катод, так и в обратном направлении. Отказы являются следствием ряда физических процессов, к основным из которых относятся: механический износ, коррозия (химический износ), залипание контактов, сваривание, электроэрозия.

Конструкция предлагаемого магнитоуправляемого контакта обеспечивает существенное уменьшение числа отказов герконов за счет уменьшения механического износа контактных сердечников и снижения механического напряжения в зоне спая контактных сердечников с баллоном. Этим устраняется вероятность разгерметизации баллона и его растрескивания в зоне спая с контактным сердечником.

Уменьшение числа отказов способствует повышению надежности работы герконов.

В приведенной конструкции на контактных сердечниках имеется участок с S-образным профилем продольного сечения, находящийся внутри баллона у места спая контактных сердечников со стеклянным баллоном. Эта конструкция позволяет после соударения контактных сердечников, в случае замыкания, продолжать им совершать совместные изгибные колебания в замкнутом состоянии. S-образный участок играет роль своеобразной пружины-демпфера. Предлагаемая конструкция дает снижение жесткости в местах спая контактных сердечников с баллоном, что аналогично замене части контактных сердечников у места спая областью, выполненной из пластичного материала, обладающего пружинящими и демпфирующими свойствами. При этом контактные сердечники, замыкаясь, не будут отскакивать друг от друга, а будут вести себя как одна целая деталь, подвешенная с двух сторон за пружины к неподвижным опорам. Переходный колебательный процесс будет быстро затухать. При этом отсутствует явление дребезга, залипания и динамического шума, что ведет в предлагаемой конструкции к повышению надежности работы геркона.

Использование: в электротехнике, в коммутационных элементах схем автоматизации. Существо изобретения: в магнитоуправляемом контакте, содержащем герметизированный баллон, два контактных сердечника из магнитомягкого материала расположены в противоположных торцах баллона, продольное сечение каждого контактного сердечника имеет S-образный участок, находящийся внутри герметизированного баллона у зоны спая контактных сердечников с баллоном. Контакт выполнен из магнитомягкого материала, величина коэффициента термического расширения которого подбирается соответственно с разницей величин коэффициентов термического расширения материала герметизированного баллона и материала контактных сердечников. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. МАГНИТОУПРАВЛЯЕМЫЙ КОНТАКТ, содержащий герметизированный стеклянный баллон, два контактных сердечника, закрепленных в противоположных торцах баллона, причем один из контактных сердечников выполнен с продольным сечением S-образной формы и установлен так, что S-образное сечение расположено вблизи спая контактного сердечника с герметизированным баллоном внутри герметизированного баллона, отличающийся тем, что второй контактный сердечник выполнен и установлен аналогично первому, причем оба контактных сердечника установлены с перекрытием друг относительно друга. 2. Контакт по п.1, отличающийся тем, что участок контактного сердечника в зоне спая выполнен с применением дополнительного слоя магнитомягкого материала, причем величина коэффициента термического расширения материала указанного слоя выбирается больше коэффициента термического расширения материала контактного сердечника, но менее коэффициента термического расширения материала герметизированного баллона.