СПОСОБ КОНТАКТНОЙ КОММУТАЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H01H1/18 

Изобретение относится к электротехнике, преимущественно к контрольно-измерительной технике и автоматике, и может быть использовано при изготовлении приборов с контактными устройствами, работающими при малых контактных давлениях, требующих коммутацию, например, электрических измерительных сигналов.

Известен способ коммутации электрических цепей (1) путем замыкания неподвижных контактов перемещающимися подвижными контактами, в котором подвижным контактам во время переключения сообщают колебательное движение, периодически уменьшающее давление между контактами.

Недостатками способа являются необходимость при его реализации в дополнительных сложных устройствах, например электромагнитах, помещаемых в коммутационное устройство для периодического втягивания якоря с расположенными на нем контактами для ослабления контактного давления и уменьшения работы силы трения с целью снижения износа контактов. Кроме этого, способ не обеспечивает высокой точности по времени передачи сигналов в измерительных цепях для регистрации событий по фактам переключения контактов, например, по факту обнаружения начальной точки на металлорежущем станке с ЧПУ (числовым программным управлением) как из-за сохраняющегося сравнительно высокого уровня износа контактов, несмотря на снижение работы силы трения, ввиду большой величины максимальной силы трения, вследствие колебательного движения, например, за счет якоря электромагнита в плоскости, перпендикулярной плоскости перемещения контактов при их переключении, а также ввиду отсутствия операций, настраивающих положение контактов, так и из-за сравнительно низких скоростей и ускорений переключения контактов.

Известен способ повышения включающей способности автоматических выключателей (2), работающих на размыкание и замыкание контактов путем механического воздействия на подвижный контакт, направленного в сторону неподвижного контакта, осуществляемого в виде удара, например, при помощи ударного якоря.

Способ, благодаря механическому воздействию на подвижный контакт в виде удара, позволяет получить высокую скорость переключения контактных групп и высокое ускорение движения одного контактного элемента по отношению к другому, что однако направлено на частичное предотвращение эpозии контактов, но не позволяет достичь высокой точности регистрации событий по фактам переключения контактов и передачи сигналов в измерительных приборах из-за низкой точности механического перемещения контактов. В описанных реализациях способа неизбежен большой износ контактов и невозможна настройка, что также отрицательно отражается на точности. Указанные недостатки снижают эксплуатационные качества известных способов.

Известен способ коммутации электрических цепей (3), включающий взаимное перемещение контактов электрических аппаратов в направлении, перпендикулярном силовым линиям межконтактного электрического поля, сближение контактов до электрического пробоя их поверхностных пленок, последующее перемещение контактов одновременно в продольном и поперечном направлениях относительно силовых линий межконтактного электрического поля для их механического замыкания в периферийной зоне контактов.

Данный способ наряду с уменьшением электрической эрозии контактов позволяет снизить вибрацию контактов при их замыкании за счет перемещения контактов, перед моментом их механического замыкания одновременно в продольном и поперечном направлениях относительно силовых линий межконтактного электрического поля. Однако и данный способ имеет недостатки. В способе не устранен сравнительно высокий износ контактов при замыкании, в том числе и в измерительных цепях, не обеспечена высокая точность механического перемещения контактов для достижения высокой временной точности передачи электрических сигналов, констатирующих наступление событий по фактам переключения контактов. В способе не решена задача исключения отрицательного влияния динамических сил, возникающих при перемещении контактов, на скорость и ускорение переключения контактов, ввиду сложных траекторий перемещения центров масс контактов, отличных от прямолинейных, что также отражается на стабильности и точности срабатывания контактных групп. На последнем отрицательно отражается также отсутствие операций, настраивающих положение контактов, и сравнительно невысокое снижение ударных нагрузок, ведущих к вибрациям и окислению контактов при замыкании. Все это снижает эксплуатационные качества способа.

Наиболее близким является способ контактной коммутации электрических цепей с образованием площадки электрического контакта при наличии взаимного перемещения подвижных контактов сначала в поперечном, а затем в продольно-поперечном направлениях относительно силовых линий межконтактного электрического поля, включающий перемещение сначала только одного из контактов, выполняемое на всех этапах прямолинейно, а также одновременное смещение и придание вращательного движения на этапе продольно-поперечного перемещения другому контакту с синхронизацией скоростей и ускорений, вращения в момент замыкания по линейным скоростям и ускорениям контактов и заключительное перемещение лишь первого контакта с последующим размыканием контактов путем их перемещения в противоположном процессу замыкания направлении (4).

Данный способ, хотя и позволяет снизить износ контактов, однако тоже имеет некоторые недостатки.

Способ не обеспечивает высоких скоростей и ускорений замыкания контактной группы, так как замыкание выполняется прямолинейным перемещением одного контакта ко второму, который остается неподвижным и не вращается до образования площадки электрического контакта. Сравнительно низкие скорости и ускорения замыкания ведут к окислению и электрической эрозии поверхности контактов. Для обеспечения достаточно высоких скоростей и ускорений замыкания необходимы специальные устройства для прямолинейного разгона единственного подвижного контакта на момент образования площадки контакта, но это ведет к росту динамических сил на контакты и росту механического износа. В способе не обеспечена высокая точность механического перемещения контактов для констатации наступления событий по фактам переключения контактов и отсутствуют операции, настраивающие положение контактов. Кроме того, центр закрепления одного из контактов перемещают по дуге окружности, что ведет к неизбежному возникновению дополнительных динамических сил в элементах контактной группы тем больших, чем выше скорости и ускорения движения контакта, что повышает износ элементов контактной группы и тем самым также отражается на стабильности и точности срабатывания контактных групп. Все это снижает эксплуатационные характеристики способа.

Предложенный способ устраняет указанные недостатки благодаря тому, что контакт начинают вращать до момента замыкания преимущественно за счет его перемещения качением при непрерывном контактировании перед замыканием с электроизолированной площадкой, при этом центр масс контакта на этапе взаимного продольно-поперечного движения перемещают только прямолинейно перпендикулярно направлению движения центра масс другого контакта, замыкание электрической цепи в виде образования площадки электрического контакта выполняют при одновременном перемещении центров масс контактов в момент завершения этапа продольно-поперечного перемещения.

Кроме того, в указанном способе контактной коммутации перед размыканием контактов в конце прямолинейного перемещения одного из контактов в поперечном направлении относительно силовых линий межконтактного электрического поля пpоизводят задержку перемещения контактов относительно друг друга, после чего контакты перемещают одновременно и прямолинейно до момента устранения конструктивных зазоров, а затем осуществляют размыкание контактов путем одновременного и прямолинейного перемещения центров масс контактов во взаимно перпендикулярных направлениях преимущественно посредством приложения эксцентричной силы к вращаемому контакту под углом 0<α < π /2 относительно силовых линий межконтактного поля.

Известна контактная система (5), содержащая неподвижные рабочие контакты, жестко связанные между собой и расположенные контактными поверхностями в одной плоскости, скользящие рабочий и вспомогательный контакт, жестко связанные между собой и подпружиненные, причем в качестве вспомогательного контакта использован ролик, контактная поверхность которого расположена ниже контактной поверхности скользящего контакта.

Недостатками устройства являются сравнительно высокий износ контактных групп, так как наряду с малым трением в контакте качения (ролике) в устройстве сохранены скользящие взаимодействующие между собой контакты с большими силами трения скольжения. Кроме того, устройство не обеспечивает высокую временную точность передачи сигналов, регистрирующих наступление событий по фактам переключения контактов в измерительных цепях, что также снижает его эксплуатационные качества.

Наиболее близким является устройство контактной коммутации электрических цепей, содержащее группу подвижных контактов в виде корпуса, установленного с возможностью прямолинейного перемещения, охваченного опорным элементом, и контакта качения, смонтированного с направлением его движения на опорном элементе и подпружиненного относительно него перпендикулярно возможному перемещению корпуса с обеспечением перекатывания контакта с торца корпуса на его боковую поверхность (4).

В устройстве неизбежны либо высокое окисление контактов и электрическая эрозия их поверхностей из-за низких скоростей и ускорений прямолинейного перемещения только одного контакта до момента образования площадки электрического контакта, либо установка достаточно мощного привода, разгоняющего нож, что неизбежно ведет к росту динамических сил взаимодействия контактных поверхностей и повышению их механического износа. Дополнительные динамические силы в элементах контактной группы возникают также из-за кругового перемещения центра закрепления кулачка при вращательном движении обоймы относительно неподвижной оси, что отражается на стабильности и точности срабатывания контактной группы, как впрочем и низкая точность механического переключения контактов для констатации событий по фактам этого переключения.

Кроме того, реализованная в устройстве сравнительно сложная кинематическая схема увеличивает размеры устройства, ввиду необходимого вращения обойм с кулачками. Все это снижает эксплуатационные характеристики устройства.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение эксплуатационных характеристик контактной коммутации электрических цепей.

Указанная цель достигается тем, что в указанном устройстве корпус выполнен в виде коаксиальных, различных диаметров цилиндров, разнесенных вдоль их продольной оси, неподвижно соединенных между собой по плоскости торцов, цилиндры подпружинены относительно опорного элемента вдоль их общей оси и непосредственно связаны с последним торцовым и боковым опиранием одного из них, контакт качения в виде шарика установлен с направлением его движения перпендикулярно общей оси цилиндров, торец одного из которых снабжен щупом, контакты расположены на боковых поверхностях цилиндpов, а диаметр шарика связан с диаметрами цилиндров соотношением
d_ш>D-d,
где d_ш, D, d - диаметры шарика, большего и меньшего цилиндров корпуса соответственно.

Примеры реализации способа.

В устройстве контактной коммутации электрических цепей при замыкании на начальном этапе смещают центр масс прямолинейно только одного контакта в направлении, перпендикулярном силовым линиям межконтактного электрического поля. После чего на следующем этапе смещают одновременно с предыдущим смещением центр масс другого контакта также прямолинейно и перпендикулярно предыдущему направлению, что ввиду одновременного абсолютного их смещения соответствует продольно-поперечному перемещению относительно силовых линий поля. Одному из контактов одновременно с прямолинейным перемещением придают вращение относительно его центра масс для повышения относительных скоростей и ускорений замыкания контактов, которое в частном пpостейшем случае может быть осуществлено качением контакта при непрерывном контактировании с электроизолированной площадкой, что для упрощения реализации движения контакта на всех этапах перед замыканием требует его качения, начиная, как правило, с начального этапа, при иной потребности в составе прибора другими приемами можно реализовать вращение относительно центра масс с проигрышем в других характеристиках, например в стоимости.

Синхронизация скоростей и ускорений вращения контакта относительно центра масс к моменту замыкания по величинам и направлениям относительных линейных скоростей и ускорений движения контактов необходима для исключения отскакивания контактов друг от друга либо проскальзывания при замыкании, чтобы исключить многократную вибрационную коммутацию, которая сопровождается механическим износом, а при напряжениях в электрических цепях выше 12 В (а в случае индуктивных нагрузок, например, обмотки реле и при меньшем напряжении) ведет к электрическому износу контактов вследствие искрения. Эту операция можно выполнить при реализации вращения контакта вышеупомянутым качением за счет относительного переведения вращаемого качением контакта от одной к двум площадкам контактирования путем присоединения электропроводной площадки другого одновременно прямолинейно перемещаемого контакта к его электроизолированной площадке контактирования на момент замыкания из интервала углов 0<α < π /2 относительно силовых линий межконтактного поля. Для такого частного приема достижения синхронизации обязательны операции одновременного абсолютного прямолинейного перемещения контактов на момент замыкания для исключения прямого удара контактов, ведущего к отскоку, так как именно совместное выполнение этих операций обеспечивает в этом случае преобразование поля скоростей и ускорений контактов через косой удар, что при простоте реализации практически исключает отскок контактов и сразу переводит на заключительную локализацию. В зависимости от предъявляемых требований могут быть использованы и другие приемы. При размыкании контакты перемещают один относительно другого в противоположном процессу замыкания направлении, а именно на начальном этапе смещают центр масс только одного контакта относительно силовых линий межконтактного поля, затем производят задержку перемещения контактов относительно друг друга и оба контакта перемещают совместно и прямолинейно до момента устранения зазоров в конструкции в направлении, перпендикулярном силовым линиям межконтактного поля. Для вышеописанного вращаемого качением и одновременно прямолинейно перемещаемого контакта в момент завершения первого этапа, на этапе совместного прямолинейного перемещения, к нему наряду с существующей электропроводной площадкой присоединяют электроизолированную площадку в интервале углов 0<α < π /2 относительно силовых линий межконтактного поля. После устранения зазоров в конструкции за счет указанного совместного перемещения перпендикулярно полю одновременным прямолинейным смещением во взаимно перпендикулярных направлениях осуществляют размыкание контактов, например, со стороны электроизолированной площадки вращаемого качением контакта воздействуют эксцентричной предельной силой контролируемого механического воздействия.

На чертеже изображено устройство контактной коммутации.

Оно содержит переключаемую воздействием на щуп 1, группу подвижных контактов в виде шарика 2, установленного с возможностью качения по корпусу 3 и подпружиненного в направляющей опорного элемента 4, охватывающего корпус 3, в свою очередь подпружиненный относительно элемента 4 и снабженный рабочими жестко связанными и электрически изолированными между собой контактами 5 и 6 с разнесенными по высоте в направлении подпружинивания шарика 2 контактными поверхностями, сопряженными между собой скачкообразным профилем 7 и размещенными с возможностью перекатывания шарика 2 между ними. Корпус 3 выполнен подвижным в виде коаксиальных разных диаметров цилиндров 8 и 9, разнесенных вдоль их продольной оси неподвижно соединенных между собой по плоскости торцов. Опорный элемент 4 неподвижен и связан с корпусом 3 с возможностью возвратно-поступательного перемещения последнего в направлении продольной оси цилиндров 8 и 9, перпендикулярной оси направляющей шарика 2. Щуп 1 установлен на торце цилиндра 8, опертого на опорный элемент 4. Контакты 5 и 6 расположены на боковых поверхностях цилиндров 9 и 8 соответственно. Направление подпружинивания (пружина 10) корпуса 3 относительно опорного элемента 4 совпадает с общей осью цилиндров 8 и 9. Диаметр шарика 2 связан с диаметрами цилиндров 8 и 9 вышеуказанным соотношением. Контакт 5 на боковой поверхности цилиндра 9 выполнен в виде кольца, вмонтированного в электроизоляционную основу цилиндра 9 и соединенного с электрическим проводом 11, который через отверстие в опорном элементе 4 выводится на блок регистрации (на чертеже не показан) электрического сигнала. Торец 12 опорного элемента 4 выполнен с направляющим пазом 13, охватывающим некруговое сечение щупа 1 для исключения проворота цилиндров 8 и 9 при возвратно-поступательном перемещении контактов 5 и 6.

Устройство работает следующим образом.

В смонтированном устройстве в исходном положении при отсутствии воздействий на щуп 1 цилиндры 8 и 9 усилием подпружинивания прижаты с внутренней стороны к торцу 12 опорного элемента 4. При этом шарик 2 усилием собственного подпружинивания поджат к кольцевому контакту 5 на цилиндре 9, тем самым электрическая цепь замкнута и электрический сигнал подается на блок регистрации (на чертеже не показан). При воздействии на щуп 1 механической величиной, например, давлением через мембрану (на чертеже не показана), соединенную с системой обеспечения станка с ЧПУ (числовым программным управлением) СОЖ (смазывающе-охлаждающей жидкостью), усилие от щупа 1 перемещает цилиндры 8 и 9 с контактами 5 и 6 прямолинейно перпендикулярно силовым линиям межконтактного электрического поля, сжимая пружину 10, при этом величина перемещения контактов 5 и 6 зависит только от усилия пружины 10 и давления и не зависит от скорости и ускорения нагружения щупа 1 (скорость и ускорение роста давления в магистрали) ввиду высокой жесткости щупа 1, цилиндров 8 и 9 по сравнению с жесткостью пружины 10 при прямолинейном продольном перемещении. Таким образом, динамическая жесткость щупа 1 не отражается на точности перемещения контактов 5 и 6. На этом начальном этапе поперечного движения контактов 5 и 6 относительно силовых линий межконтактного электрического поля центр масс шарика 2 абсолютного движения не совершает, а смещается только относительно цилиндров 8 и 9 по меридиану (образующей) кольцевого контакта 5 в направлении к скачкообразному профилю 7 сопряжения цилиндров 8 и 9. В случае достижения предельно-минимальной величины давления в магистрали, удовлетворяющей потребностям станка с ЧПУ в СОЖ при работе режущего инструмента, скачкообразный профиль 7 упирается в шарик 2 и перемещается с ним совместно и прямолинейно до момента выбора зазоров в направляющей опорного элемента 4 для шарика 2 за счет присоединения к электропроводной площадке кольцевого контакта 5 электроизолированной площадки профиля 7 в интервале углов 0<α < π /2 относительно силовых линий межконтактного поля. За счет указанного отношения диаметров 2 и цилиндров 8 и 9 после выбора зазоров в направляющей шарика 2 дальнейшее воздействие увеличивающегося давления формирует на электроизолированной площадке профиля 7 в интервале углов 0<α < π /2 относительно силовых линий поля эксцентричную силу, которая, преодолевая усилие подпружинивания шарика 2, смещает его центр масс прямолинейно в абсолютном движении при одновременном прямолинейном смещении цилиндров 8 и 9 с контактами 5 и 6, тем самым происходит разрыв электрической цепи, что ввиду одновременной подвижности контактов 5 и 6 и шарика 2 соответствует продольно-поперечному этапу движения контактов относительно силовых линий межконтактного электрического поля. При этом скорость и ускорение нарастания давления в магистрали ввиду прямолинейного перемещения центра масс шарика 2 никак не отражаются на высокой стабильности точного позиционного размыкания контактной группы. А высокие скорость и ускорение размыкания контакта 5 и шарика 2 обеспечиваются их одновременным абсолютным движением и формированием на профиле 7 на площадке контакта с шариком 2 динамической эксцентричной силы со стороны цилиндров 8 и 9, разгоняемых ростом давления в магистрали СОЖ. Разрыв контакта 5 и шарика 2 регистрируется на блоке станка с ЧПУ, отмечая этим, что количество поступающей СОЖ отвечает норме.

При падении давления в магистрали СОЖ цилиндры 8 и 9 усилием пружины 10 перемещаются прямолинейно к торцу 12 опорного элемента 4, при этом центр масс шарика 2 абсолютного движения не совершает, а только смещается относительно образующей электроизолированного контакта 6 движущегося цилиндра 8 в направлении к скачкообразному профилю 7 сопряжения цилиндров 8 и 9. С момента совмещения скачкообразного профиля 7 с уровнем расположения центра масс шарика 2 при дальнейшем движении цилиндров 8 и 9 в том же направлении, отвечающем падению давления в магистрали СОЖ, центр масс шарика 2 усилием подпружинивания начинает перемещаться прямолинейно в абсолютном движении в направлении к кольцевому контакту 5, что соответствует продольно-поперечному движению контакта 5 и шарика 2относительно силовых линий межконтактного электрического поля ввиду их одновременного абсолютного движения навстречу друг другу в перпендикулярных направлениях. Контактирование контура шарика 2 с перемещаемым в абсолютном движении скачкообразным профилем 7 создает момент сил, приводящих к качению шарика 2 по профилю 7, отвечающего в данном случае за придание шарику 2 вращения относительно его прямолинейно перемещаемого в абсолютном движении центра масс. При этом скорость и ускорение вращения шарика 2 вокруг его центра масс к моменту замыкания синхронизируются по величинам и направлениям относительных линейных скоростей и ускорений движения контакта 5 за счет присоединения в момент замыкания к электроизолированной площадке профиля 7 через прямолинейно перемещаемый качением шарик 2 другой электропроводной площадки контакта 5 в интервале углов 0< α < π /2 относительно силовых линий поля, в абсолютном длвижении перемещаемой перпендикулярно шарику 2 и тем самым обеспечивающей замыкание через косой удар, практически исключающий отскок шарика 2 даже при отсутствии вращения шарика 2 относительно центра масс. Замыкание электрической цепи с последующей локализацией шарика 2 на контакте 5 цилиндра 9 отвечает появлению на блоке регистрации станка с ЧПУ сигнала о недостаточном поступлении СОЖ в зону режущего инструмента.

Возможен вариант выполнения устройства, в котором торец 12 опорного элемента 4 выполняется в виде съемной крышки, закрепляемой винтами с постоянным шагом. При существенном износе скачкообразного профиля 7 перезакреплением крышки при изменении гнезд закрепления винтов в элементе 4 поворотом в окружном направлении крышки с одновременным поворотом цилиндров 8 и 9 за счет взаимодействия их с направляющим пазом 13 крышки-торца 12 осуществляется быстрая перенастройка к неизношенной меридиональной площадке скачкообразного профиля 7, правда, в этом случае в устройстве появляются дополнительные крепежные элементы.

Использование данного изобретения позволяет получить следующие преимущества.

Упрощается кинематическая схема устройства, реализующего способ, повышается точность и стабильность переключения контактов по положению в широком диапазоне скоростей и ускорений воздействий за счет прямолинейных перемещений центров масс обоих контактов в их абсолютном движении, исключающих возникновение центробежных сил.

Дополнительно повышается стабильность и точность устройства благодаря устранению влияния на них конструктивных зазоров, а также за счет высокой точности перемещения контактов при боковом опирании одного из цилиндров на электроизолированную поверхность и высокой жесткости всех элементов сопряжения деталей устройства, включая щуп, по сравнению с жесткостью пружин.

Сокращаются размеры и масса устройства, что одновременно сокращает длину и повышает жесткость щупа по сравнению с пружинами и ведет к повышению точности и стабильности за счет упрощения кинематической схемы.

Снижается механический износ и окисление контактов при одновременном снижении динамических нагрузок на контакты благодаря их высоким относительным скоростям ввиду одновременного абсолютного движения во взаимно-перпендикулярных направлениях, а также за счет придания вращения контакту относительно центра масс до момента замыкания, повышающего скорость и ускорение коммутации, путем перемещения качением при контактировании перед замыканием с электроизолированной площадкой.

Существенно упрощена настройка и повышена ее оперативность при зазорах либо частичном износе контактов за счет проведения операции задержки относительного перемещения контактов и смещения их совместно и прямолинейно до момента устранения зазоров в конструкции перед размыканием в направлении перпендикулярно силовым линиям электрического поля.

Упрощается изготовление устройства, в том числе скачкообразного профиля, за счет формирования его на торце сопряжения коаксиальных цилиндров различных диаметров, связанных с диаметром шарика указанным соотношением.

Изобретение относится к электротехнике, преимущественно к коммутации измерительных электрических цепей. Цель изобретения - повышение эксплуатационных качеств. В способе при замыкании перемещают контакты прямолинейно и поэтапно. В начале смещают центр масс только одного контакта, затем одновременно во взаимно перпендикулярных направлениях с приданием вращения относительно центра масс одному из контактов и синхронизацией скоростей и ускорений его вращения по величинам и направлениям относительных линейных скоростей контактов, после чего производят замыкание. При размыкании контакты перемещают противоположно, при этом производят задержку относительного перемещения контактов до момента устранения зазоров в конструкции в направлении, перпендикулярном силовым линиям межконтактного электрического поля, после чего одновременным прямолинейным перемещением во взаимно перпендикулярных направлениях контакты размыкают. В устройстве коаксиальные цилиндры, разнесенные вдоль их продольной оси связаны с опорными элементами возвратно-поступательно по этой оси, перпендикулярной направляющей шарика, перекатывающегося по контактам, расположенным на боковой поверхности цилиндров, подпружиненных вдоль общей оси. 2 с.п. и 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

СПОСОБ КОНТАКТНОЙ КОММУТАЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.