ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВАКУУМНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 2005 года по МПК H01H33/66 

Изобретение относится к высоковольтным вакуумным переключателям, в которых используется электромагнитная система управления с поляризующим постоянным магнитом, обеспечивающим удержание подвижного контакта в двух крайних положениях после снятия напряжения питания с обмоток управления электромагнита.

Предлагаемый переключатель предназначен для коммутации высоковольтных электрических и радиотехнических цепей и может найти применение в мощной стационарной, передвижной и бортовой электротехнической и радиотехнической аппаратуре, одним из важнейших требований в которой является малое потребление электрической энергии элементами на их управление.

Переключатель в аппаратуре может быть использован для переключения источников питания и нагрузок, антенных цепей, отводов катушки высокочастотного контура, конденсаторов высоковольтных высокочастотных цепей в антенно-согласующих устройствах и т.д.

Известные вакуумные переключатели, выключатели и реле с поляризующим постоянным магнитом, используемые для этих целей, имеют ряд существенных недостатков.

Так, например, в вакуумном переключателе, описанном в [1], поляризующие постоянные магниты закреплены непосредственно на высоковольтных выводах, а обмотка управления расположена на оболочке из стекла, т.е. поляризующий магнитный поток в этом переключателе замыкается через «длинные воздушные» промежутки. Наличие больших воздушных промежутков ведет к значительному магнитному сопротивлению и большим потокам рассеивания энергии магнитного поля. Большие потери энергии магнитного поля существенно снижают силу удержания подвижного контакта в двух его крайних положениях, что резко снижает устойчивость переключателя к воздействию механических нагрузок. Кроме того, снижение при этом контактного нажатия ведет к повышению контактного сопротивления, а следовательно, к повышению потерь на нем и увеличению нагрева переключателя.

Другим не менее существенным недостатком данного переключателя является его низкая пропускная способность по току на высокой частоте, из-за малого сечения и большой длины подвижного контакта. Кроме того, расположение постоянных магнитов на выводах, выполнение выводов из ковара, а якоря электромагнитной системы управления из магнитомягкого металла (пермендюр) исключают возможность пропускания через данный переключатель даже малых токов высокой частоты.

В конструкции вакуумного реле на переключение [2] приняты меры по снижению потоков рассеивания магнитного поля постоянного магнита и обеспечению пропускания через замкнутые контакты тока высокой частоты.

Однако и это вакуумное реле на переключение имеет существенный недостаток, состоящий в том, что вследствие малого рабочего сечения подвижного контакта на высокой частоте и особенно гибкой его мембраны, из-за «скин-эффекта», в сравнении с сечением выводов реле имеет низкую пропускную способность по току на высокой частоте. Вследствие малого рабочего сечения мембраны, особенно в месте ее спая с подвижным контактом, имеет место большое сопротивление высокочастотному току, что в итоге ведет к значительным потерям энергии высокой частоты на нагрев мембраны в месте ее спая с подвижным контактом (до температур порядка 250-350°С). В совокупности с механической на нее нагрузкой от атмосферного давления и циклического изгиба в момент переключения подвижного контакта это ведет к резкому снижению циклической износостойкости мембраны, а следовательно, к снижению надежности работы данного реле.

Ближайшим техническим решением является конструкция вакуумного переключателя, предложенная в [3]. Устранение отмеченных выше недостатков в его конструкции достигнуто тем, что закрепленный в нем на гибкой мембране подвижный контакт стержневого типа снабжен дополнительным упругим ленточным контактом П- или Λ-образной формы, боковые части которого расположены по обе стороны от подвижного контакта в образованном между подвижным и каждым из неподвижных контактов зазоре и закреплены нижними концами непосредственно на выводе подвижного контакта. Кроме того, дополнительный ленточный контакт выполнен с возможностью перемещения его верхней части вдоль подвижного контакта при прогибе его боковых частей, после замыкания цепи, для создания контактного нажатия. Причем боковые части дополнительного контакта установлены относительно подвижного контакта с зазором, величина которого определяется требуемым контактным нажатием и выбирается равной или превышающей величину прогиба боковых частей дополнительного контакта. Благодаря отмеченному обеспечено существенное увеличение пропускаемого через замкнутые контакты тока высокой частоты и циклической прочности мембраны.

Однако и этот вакуумный переключатель [3] имеет существенные недостатки, которые состоят в следующем. Обеспечение перемещения верхней части дополнительного ленточного контакта вдоль стержневого подвижного контакта в упомянутом переключателе вызывает необходимость наличия гарантированного зазора как между его боковой поверхностью и боковыми частями дополнительного ленточного контакта, так и между боковой его поверхностью и поверхностью отверстия в верхней части дополнительного ленточного контакта. В совокупности с допусками на изготовление этот зазор (люфт) является причиной увеличения прогиба мембраны и снижения тем самым ее циклической прочности. Кроме того, наличие этого люфта снижает контактное нажатие, т.к. часть перемещения подвижного контакта при изгибе мембраны, которая должна была быть направлена на контактное нажатие, фактически идет на преодоление «паразитного» люфта. Снижение контактного нажатия вызывает увеличение сопротивления замкнутых контактов, а следовательно, потерь мощности высокой частоты на нагрев контактов и повышение вероятности размыкания цепи замкнутых контактов при воздействии вибрационных и ударных нагрузок. Следствием этого является снижение надежности и долговечности работы переключателей. Необходимо также отметить, что из-за достаточно большой длины боковые части дополнительного упругого ленточного контакта имеют сравнительно низкую собственную частоту механического резонанса. Это существенно ограничивает диапазон рабочих частот вибрационных нагрузок у такого типа переключателей.

Целью настоящего изобретения является повышение циклической прочности мембраны, снижение потерь мощности высокой частоты и увеличение собственной частоты механического резонанса.

Указанная цель достигается тем, что в отличие от известных в предлагаемом вакуумном переключателе каждая из боковых частей дополнительного упругого контакта посередине или ближе к точке контактирования снабжена гофрой, вершина которой направлена к стержневому контакту до упора на него, причем в свободном состоянии расстояние между вершинами гофр боковых частей дополнительного контакта выбрано равным по крайней мере меньше диаметра стержневого подвижного контакта на величину 1-2 допуска его изготовления, а линия сгиба гофр расположена на одном уровне и выполнена перпендикулярно продольной оси подвижного стержневого контакта.

Снабжение каждой из боковых частей дополнительного упругого контакта гофрой, вершина которой направлена к стержневому контакту до упора на него, и выполнение расстояния между вершинами гофр в свободном состоянии по крайней мере меньше диаметра стержневого подвижного контакта на величину 1-2 допуска его изготовления обеспечивает установку подвижного стержневого контакта между вершинами гофр дополнительного ленточного контакта с гарантированным натягом. Такая установка исключает вероятность наличия «паразитного» люфта между смежными соприкасающимися при переключении поверхностями стержневого подвижного контакта и вершинами гофр дополнительного контакта. В свою очередь исключение «паразитного» люфта уменьшает требуемую для переключения величину хода подвижного контакта на величину, которая ранее требовалась на перемещение подвижного контакта для «ликвидации» паразитного люфта (мертвого хода) между боковой поверхностью подвижного контакта и поверхностью отверстия в дополнительном контакте. Уменьшение хода подвижного контакта снижает величину прогиба мембраны и увеличивает ее циклическую прочность.

Кроме того, исключение «паразитного» люфта путем посадки подвижного контакта с «натягом» между гофрами дополнительного ленточного контакта повышает контактное нажатие, поскольку часть перемещения подвижного контакта, которая ранее при наличии люфта шла на его преодоление, в предлагаемом вакуумном переключателе идет на увеличение контактного нажатия. Это ведет к снижению переходного контактного сопротивления, что в свою очередь приводит к снижению потерь мощности высокой частоты при пропускании тока высокой частоты через замкнутые контакты переключателя.

Выполнение гофр на боковых частях дополнительного ленточного контакта посередине или ближе к точке контактирования, с опорой гофр на стержневой подвижный контакт, уменьшает в два раза неопертую часть боковых частей дополнительного упругого ленточного контакта без изменения их общей длины. В результате это более чем в два раза увеличивает собственную частоту механического резонанса, что подтверждается следующим. Собственная частота механического резонанса упругой плоской пластины длиной 1 определяется соотношением:

При уменьшении длины пластины в 2 раза собственная частота механического резонанса изменится и станет равной:

Причем увеличение собственной частоты механического резонанса дополнительного упругого ленточного контакта в 2,82 раза достигнуто без изменения его общей длины.

Расположение линии сгиба гофр на одном уровне относительно друг друга и перпендикулярно продольной оси стержневого подвижного контакта обеспечивает одинаковые условия работы каждой из частей дополнительного упругого контакта и одинаковую их устойчивость к воздействию вибрационных и ударных нагрузок.

При этом, за счет возникающего между вершинами гофр и поверхностью стержневого контакта трения скольжения, при замыкании цепи существенно снижается «дребезг» контактов, что снижает время срабатывания для формирования надежного контакта.

На фиг.1 изображен общий вид конструкции предлагаемого вакуумного переключателя, на фиг.2 - сечение по А-А на фиг.1.

Вакуумный переключатель состоит из вакуумной переключающей части и электромагнитной системы управления поляризованного типа с втяжным сердечником.

Вакуумная переключающая часть состоит из трех одинаковых соосно расположенных цилиндров 1, 2 и 3. Между керамическими цилиндрами расположены медные тонкостенные выводы 4 и 5 неподвижных и вывод 6 подвижного контактов, вакуумплотно припаянные к торцовым поверхностям керамических цилиндров. Выводы 4 и 5 выполнены за одно целое с неподвижными контактами 7 и 8 для уменьшения сопротивления токопрохождению и снижения тем самым нагрева. В зазоре между неподвижными контактами 7 и 8 расположен подвижный контакт 9, выполненный в форме круглого стержня из молибдена или другого немагнитного высокопроводящего механически прочного и термостойкого материала. Подвижный контакт 9 верхним концом входит в отверстие верхней части дополнительного упругого ленточного контакта 10 П-образной формы из молибдена или другого немагнитного высокопроводящего упругого и термически стойкого металла. Нижним концом подвижный контакт 9 вакуумплотно спаян с мебраной 11 из молибдена или немагнитного высокопроводящего сплава, обладающего высокой циклической прочностью при изгибе, вакуумной плотностью и термической стойкостью. К выступающей из мембраны 11 части подвижного контакта 9 механически прочно прикреплен, например, с помощью пайки изоляционный стержень 12 из керамики, который служит для изоляции подвижного контакта 9 от электромагнитной системы управления. На конце керамического стержня (изолятора) 12 механически прочно закреплена дополнительная втулка 13, служащая для исключения абразивного износа поводка о керамический изолятор 12. Втулка 13 может быть выполнена из диэлектрика, например, из твердой пластмассы с наполнением из стекла, или из металла, например, из латуни или другого металла или сплава с малым коэффициентом трения скольжения в паре с материалом поводка 21. Втулка 13 может быть выполнена и комбинированной, т.е. из диэлектрика и металла, при этом металлическая трубка напрессовывается на внешнюю поверхность дополнительной втулки 13. Дополнительный подвижный ленточный контакт 10 нижними концами боковых частей жестко механически и элекрически прочно прикреплен (с помощью пайки, клепки, сварки и др.) непосредственно к выводу 6 подвижного контакта 9. На каждой из боковых частей дополнительного контакта 10 посередине или ближе к точке контактирования выполнены гофры с вершинами в направлении к подвижному контакту 9 до упора на него с натягом. При этом для обеспечения посадки подвижного контакта 9 между вершинами гофр дополнительного контакта 10 с натягом расстояние между вершинами гофр выбрано меньше диаметра подвижного контакта 9 по крайней мере на 1-2 допуска на его диаметр. Форма гофр существенного значения не имеет, а их расположение относительно друг друга и подвижного контакта может оказывать существенное влияние на работу переключателя. Так, например, при расположении вершин гофр на разных уровнях относительно друг друга усилие для переключения подвижного контакта будет различным на каждый из неподвижных контактов. Это же будет иметь место и при расположении линии сгиба вершин гофр не перпендикулярно оси подвижного контакта 9. В принципе посадка подвижного контакта с натягом в середине боковых частей дополнительного контакта 10 может быть обеспечена выполнением в этом месте на подвижном контакте 9 выступов в направлении к боковым частям дополнительного контакта 10 без гофр на его боковых частях. Однако этот вариант технологически осуществить более сложно. К нижнему торцу керамического цилиндра 3 механически прочно с помощью пайки прикреплено переходное кольцо 14, служащее для скрепления вакуумной переключающей части с электромагнитной системой управления подвижным контактом. К торцу вывода 4 припаяна вакууплотно шайба 15 из немагнитного металла, пайка которой для снижения термомеханических напряжений в зоне спая производится с применением компенсационного кольца 16 из молибдена или ковара с высокопроводящим покрытием. Для сохранения и поддержания в объеме переключателя рабочего давления (вакуума не хуже 10^-5 мм рт.ст) в течение заданного срока службы служит нераспыляемый газопоглотитель 17, закрепленный через никелевую пластину 18 на выводе подвижного контакта 6. Рассмотренный выше вариант конструкции вакуумной переключающей части переключателя предусматривает бесштенгельную откачку и запайку. В случае использования штенгельного способа откачки в центре шайбы 15 припаивается вакуумплотно трубка штенгеля 37, которая после ее вакуумплотного отпая от откачного поста защищается колпачком 38.

Электромагнитная система управления заключена в корпус 19 и включает в себя корпус электромагнита 20 из магнитомягкого металла, в верхней части основания которого выполнен выступ, служащий местом опоры поводка 21 из упругого металла. Поводок 21 закреплен на корпусе электромагнита с помощью пружинной накладки 22, жестко с помощью сварки прикрепленной к корпусу электромагнита 20. Поводок 21 подвижно соединен с накладкой 23, скрепленной жестко со стержнем 24 из немагнитного металла, который в свою очередь жестко закреплен в сердечнике 25 из магнитомягкого металла. Снизу ход сердечника 25 ограничен основанием 26 из магнитомягкого металла. Для обеспечения перемещения сердечника 25 в осевом направлении он помещен в направляющую втулку 27 из немагнитного металла, например, из латуни. На внешней поверхности втулки 27, строго посередине и диаметрально противоположно, закреплены два постоянных магнита 28 и 29, выполненных в виде секторов и имеющих радиальное направление силовых линий магнитного поля (с радиальным намагничиванием). По обе стороны от постоянных магнитов 28 и 29 расположены обмотки управления 30 и 31, намотанные на каркасы 32 и 33. Система обмоток и постоянные магниты закрыты охранным цилиндром 34 из изоляционного материала. Распайка провода обмоток выполнена на выводы 35 изолятора 36.

При сочленении вакуумной переключающей части с электромагнитной системой управления дополнительная втулка 13 входит в кольцевое отверстие поводка 21 с гарантированным зазором, обеспечивающим подвижность сочленения с минимальным паразитным люфтом. Затем переходное кольцо 13 и корпус 19 жестко скрепляют между собой, например, с помощью сварки.

Вакуумный переключатель имеет дистанционное импульсное управление, т.е. он потребляет электрическую энергию на управление только в момент переключения. В исходном состоянии подвижный контакт 9 и дополнительный контакт 10 замкнуты на один (любой) из неподвижных контактов, например, на верхний неподвижный контакт 8. В этом случае ток высокой частоты проходит с вывода 5 на неподвижный контакт 8 и далее на дополнительный контакт 10 и на неподвижный контакт 9. При этом большая часть тока идет через боковые части дополнительного контакта 10 на вывод 6, а меньшая его часть на вывод 6 идет через подвижный контакт 9 и мембрану 11.

В исходном положении для рассматриваемого случая магнитный поток постоянных магнитов замкнут по следующему пути: постоянные магниты 28 и 29, часть сердечника 25, прилегающая к основанию 26, основание 26, цилиндрическая часть корпуса электромагнита 20 и далее постоянные магниты 28 и 29.

Для переключения подвижного контакта 9 и дополнительного контакта 10 на нижний неподвижный контакт 7, на нижнюю обмотку управления 31 подается импульс напряжения с полярностью, создающей в обмотке управления магнитный поток управления, противоположно направленный поляризующему магнитному потоку постоянного магнита в данной ветви магнитопровода. При достижении в магнитной цепи данной ветви равенства поляризующего и управляющего магнитных потоков, за счет магнитного потока второй ветви и мгновенного перераспределения основного магнитного потока на вторую ветвь, сердечник 25 перебрасывается во второе устойчивое состояние - к основанию корпуса электромагнита 20. При этом поступательное осевое перемещение сердечника 25 за счет подвижных связей поводка 21 преобразуется во вращательное движение поводка 21 и связанного с ним подвижного контакта 9, который перебрасывается на неподвижный контакт 7. Кинематическая схема подбирается таким образом, чтобы замыкание контактов происходило несколько раньше, чем сердечник 25 достигнет основания корпуса электромагнита 20. При дальнейшем движении сердечника 25 до упора на основание корпуса электромагнита 20, за счет прогиба боковой части дополнительного упругого контакта 10 и поводка 21 и упругих свойств их материала, создается требуемое контактное нажатие. Для возвращения подвижного контакта 9 к верхнему неподвижному контакту 8 напряжение питания соответствующей полярности и величины подается на обмотку 30. Процессы переключения и создания контактного нажатия на неподвижный контакт 8 аналогичны выше описанным при переключении подвижного контакта 9 на неподвижный контакт 7.

С целью повышения электрической прочности между высоковольтными выводами по внешней поверхности вся поверхность металлокерамической оболочки может быть покрыта слоем высокочастотного диэлектрика 39, например, виксинта или кремнийорганического лака.

В сравнении с известными предлагаемый вакуумный переключатель обладает рядом преимуществ, которые состоят в:

- исключении влияния «паразитного» люфта между стержневым контактом и отверстием в верхней части подвижного контакта;

- повышении циклической износостойкости мембраны и стабилизации контактного нажатия;

- снижении потерь энергии высокой частоты и нагрева контактов;

- повышении надежности и долговечности работы;

- повышении собственной частоты механического резонанса подвижной системы переключателя;

- снижении дребезга контактов в момент замыкания контактов.

Источники информации

1. Патент США №3324430, кл. 335-83, 1967.

2. Патент Англии №2996621, кл. Н 01 Н 33/66, 1972.

3. Авт. свид. СССР №938327, кл. Н 01 Н 33/66, 1982.

Изобретение относится к высоковольтным вакуумным переключателям с электромагнитной системой управления с поляризующим постоянным магнитом для удержания подвижного контакта в двух крайних положениях после снятия напряжения питания с обмоток управления электромагнита. Механический результат - повышение циклической прочности мембраны, снижение потерь мощности высокой частоты и увеличение собственной частоты механического резонанса. В предлагаемом вакуумном переключателе каждая из боковых частей дополнительного упругого контакта посередине или ближе к точке контактирования снабжена гофрой, вершина которой направлена к стержневому контакту до упора на него. В свободном состоянии расстояние между вершинами гофр боковых частей дополнительного контакта выбрано равным по крайней мере меньше диаметра стержневого подвижного контакта, а линия сгиба гофр расположена на одном уровне и выполнена перпендикулярно продольной оси подвижного стержневого контакта. Переключатель может найти применение в мощной стационарной, передвижной и бортовой электротехнической и радиотехнической аппаратуре, одним из важнейших требований в которой является малое потребление электрической энергии элементами на их управление. 2 ил.

Высоковольтный вакуумный переключатель, содержащий укрепленные в вакуумированной камере на выводах два неподвижных контакта, расположенный между ними дополнительный упругий ленточный контакт П-образной формы и подвижный стержневой контакт, укрепленный на мембране и связанный через изолятор и поводок с сердечником, управляемым электромагнитной системой управления с поляризующими постоянными магнитами, отличающийся тем, что, с целью повышения циклопрочности мембраны, снижения потерь мощности высокой частоты и увеличения собственной частоты механического резонанса переключателя, каждая из боковых частей дополнительного упругого контакта строго посередине или ближе к точке контактирования снабжена гофрой, вершина которой направлена к стержневому контакту до упора на него с натягом, для чего расстояние между вершинами гофр боковых частей выбрано меньше диаметра стержневого подвижного контакта, а линии сгиба гофр расположены на одном уровне и выполнены перпендикулярно продольной оси стержневого подвижного контакта.