ЗАМОК ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ Российский патент 2016 года по МПК E05B47/00 

Область техники.

Замок электростатический (ЗЭС) относится к устройствам фиксации и удержания в фиксированном состоянии друг относительно друга отдельных частей или элементов различных механизмов и устройств с возможностью их последующего обратного разъединения и функционирует за счет электростатической (кулоновской) силы притяжения между электродами, заряженными противоположными электрическими зарядами и разделенными узким слоем диэлектрика.

Промышленная применимость.

Данное устройство может служить запирающим устройством (замком), а также использоваться во многих других аналогичных технических целях. При этом управление устройством (открытие и закрытие) осуществляется путем подачи на его электроды напряжения необходимой величины, что выгодно отличает данное устройство от замка электромагнитного, управление которым происходит путем включения и выключения тока в цепи электромагнита.

Предшествующий уровень техники.

Ближайшим аналогом настоящего изобретения является замок электростатический (Патент на полезную модель РФ №129134) - устройство фиксации и удержания в фиксированном состоянии друг относительно друга отдельных частей или элементов механических устройств посредством электростатической (кулоновской) силы притяжения, содержащее фиксируемые электроды, механически или кинематически связанные с фиксируемыми друг относительно друга частями или элементами, которые имеют возможность подключения к источнику электрического питания для придания электродам зарядов противоположных знаков, и содержащее не менее одного слоя диэлектрика, отделяющего друг от друга электроды, заряжаемые электрическими зарядами противоположных знаков, так что при фиксации (закрытии) ЗЭС противоположно заряженные электроды плотно примыкают друг к другу через разделяющий их диэлектрик, а также содержащее как минимум два электрических вентиля для подключения электродов ЗЭС к источнику электрического питания, каждый из которых подключен непосредственно к своему электроду или группе электродов так, чтобы обеспечить их зарядку электрическим зарядом определенного знака (противоположного другому электроду или группе электродов) и исключить или сделать минимально возможным ток в направлении, обратном току зарядки электродов. Главной отличительной особенностью описанного выше устройства является наличие как минимум двух электрических вентилей, каждый из которых предназначен для одной из двух групп электродов, накапливающих одинаковый по знаку заряд, и обеспечивает в момент закрытия ЗЭС устойчивое создание зарядов на этих электродах. Простого подключения электродов к источнику электрического тока (например, аккумулятору или гальваническому элементу с постоянным напряжением) без использования электрических вентилей оказывается недостаточно, у такой замкнутой электрической системы с механической степенью свободы для перемещения электродов друг относительно друга (фактически электроды образуют конденсатор переменной емкости, которая зависит от величины зазора между электродами: чем больше зазор, тем меньше электрическая емкость) закрытое состояние оказывается состоянием с максимумом электростатической энергии и является точкой неустойчивого равновесия: при постоянном напряжении на электродах электростатическая энергия прямо пропорциональна электрической емкости системы электродов, которая быстро уменьшается с увеличением зазора. Использование вентилей позволяет исправить ситуацию: один из электрических вентилей запирает положительные заряды на соответствующем электроде или группе электродов, поскольку обладает односторонней проводимостью, а другой вентиль запирает отрицательные заряды на другом электроде или группе электродов, исключая возможность их обратной разрядки. В таком устройстве постоянной величиной становится величина заряда, накопленная на электродах в момент закрытия ЗЭС, а энергия конденсатора становится обратно пропорциональной его емкости, и закрытое состояние с нулевым зазором становится минимальным энергетическим уровнем, что гарантирует стабильность кулоновских сил притяжения между электродами при закрытии ЗЭС и дальнейшем нахождении его в закрытом состоянии.

Однако оказывается, что учет эффекта электростатической индукции, не учтенный ранее в описанном выше аналоге, позволяет создать ЗЭС с одним электрическим вентилем, надлежащее включение которого в электрическую цепь зарядки ЗЭС одновременно с надлежащим соединением электродов тоже гарантирует достижение описанного выше технического результата стабилизации зарядов на электродах ЗЭС при его закрытии.

Раскрытие изобретения.

Эффект электростатической индукции заключается в том, что электростатическое поле внешних электрических зарядов, помещенных вблизи проводника, вызывает перераспределение зарядов в проводнике таким образом, чтобы электрическое поле, создаваемое внешними зарядами, внутри проводника равнялось нулю. Если вблизи от проводника поместить внешний заряд определенного знака, то на поверхности проводника, обращенной к внешнему заряду, соберется заряд противоположного знака (индуцированный заряд-1), а эквивалентный ему по величине заряд (индуцированный заряд-2), знак которого противоположен знаку заряда-1 и совпадает со знаком внешнего заряда, перераспределится по поверхности проводника до полного выравнивания потенциала вдоль поверхности проводника.

Рассмотрим ЗЭС на фиг. 1, состоящий из двух плоских электродов 1 и 8 и разделяющего электроды диэлектрика 2, при этом электроды могут двигаться относительно друг друга в направлении, перпендикулярном плоскости электродов, так что в пространстве между электродами образуется воздушный зазор. При этом электрод 1 подключается к источнику питания (зарядов) 4 с помощью электрического ключа 5 через электрический вентиль 6, а электрод 8 подключается к другому полюсу того же источника питания напрямую. В момент закрытия ЗЭС накопление зарядов на электроде 1 стабилизируется электрическим вентилем, который блокирует обратный ток разрядки. Если бы электрического вентиля не было, такой ток возникал бы всякий раз, когда напряжение между электродами ЗЭС становилось бы больше ЭДС источника питания, что происходит всякий раз при образовании любого воздушного зазора между электродами ЗЭС после его полной зарядки. В силу описанной выше электростатической индукции заряд, накопленный на электроде 1, индуцирует заряд на электроде 8, эквивалентный ему по величине и противоположный по знаку (индуцированный заряд-1), а соответствующий индуцированный заряд-2 нейтрализуется на источнике питания. Поскольку в момент закрытия и после закрытия ЗЭС уменьшение величины заряда на электроде 1 блокируется электрическим вентилем, величина индуцированного заряда-1 на электроде 8 в силу электростатической индукции тоже не может уменьшиться, и оба заряда находятся в стабильном состоянии, что в итоге обеспечивает нормальную работу ЗЭС в закрытом состоянии.

Лучший вариант осуществления изобретения.

Итак, для запирания и стабилизации зарядов на электродах ЗЭС достаточно одного электрического вентиля, который будет удерживать заряды на одном из электродов или соответствующей группе электродов, заряжаемых электрическими зарядами одного знака. Накопление зарядов противоположного знака на да другом электроде или группе электродов будет стабилизирована эффектом электростатической индукции. Такое устройство, представленное на фиг. 1, будет успешно работать в большинстве случаев, например, если данная группа электродов не испытывает воздействия сильного стороннего электромагнитного поля.

Таким образом, в настоящем изобретении достигается несколько технических результатов: основной результат, заключающийся в стабилизации зарядов на электродах ЗЭС и создании условий, сводящих к нулю обратный отток зарядов с электродов и гарантирующих нормальное закрытие ЗЭС; упрощение конструктивного решения с возможностью локализации размещения электрического вентиля в наиболее удобной и защищенной части ЗЭС; увеличение компактности, экономичности и надежности устройства за счет уменьшения количества деталей и составных частей.

Все вышеизложенное позволяет сделать вывод, что признаки, определяющие заявленное изобретение и описанные выше в разделе «раскрытие изобретения», наиболее полно отражают сущность изобретения (ЗЭС), и устройство, представленное на фиг. 1, является лучшим вариантом осуществления ЗЭС.

Дополнительные варианты осуществления изобретения.

Также данное изобретение позволяет использовать дополнительные возможности усовершенствования ЗЭС. На фиг. 2 приведен ЗЭС, отличающийся тем, что содержит дополнительный электрод 10, изолированный от электрической цепи зарядки электродов 1 и 8. Заряды на электродах 1 и 8 аналогично образуются за счет источника питания (зарядов) 4, а заряды на электроде 10 образуются за счет дополнительной электростатической индукции, вызванной зарядами на электродах 1 и 8. Фиксация ЗЭС в закрытом состоянии в этом случае происходит за счет электростатических сил притяжения, возникающих между зарядом на электроде 1 и индуцированным зарядом на электроде 10 и зарядом на электроде 8 и другим индуцированным зарядом на электроде 10. Такая конструкция позволяет размещать электроды 1 и 8 максимально близко друг к другу (и к источнику питания) на фиксированном расстоянии, которое, в отличие от устройства на фиг. 1, может быть постоянным в любом состоянии ЗЭС - открытом или закрытом. Кроме этого возможны дополнительные варианты ЗЭС. У ЗЭС на фиг. 1 между электродом 1 и электродом 8 в момент зарядки (закрытия ЗЭС) устанавливается электрический контакт, и заряды с одного электрода переходят на другой за счет ЭДС источника питания 4. Учет эффекта электростатической индукции позволяет осуществить варианты ЗЭС, которым такой электрический контакт не нужен. На фиг. 3 и фиг. 4 показаны ЗЭС, у которых зарядка электрода 1 при закрытии ЗЭС происходит от источника питания, один из полюсов которого соединяется через электрический вентиль 6 с электродом 1, а другой полюс подключен к заземляющему устройству 9. Заряд на электроде 8, взаимодействующий с зарядом на электроде 1, при этом возникает под воздействием эффекта электростатической индукции. Поскольку рабочие токи и заряды ЗЭС небольшие, оборудование ЗЭС заземляющим устройством, достаточным для его работы и безопасным для пользователей, может оказаться значительно проще и дешевле, чем оборудовать электрическое соединение электродов 1 и 8. ЗЭС на фиг. 4 отличается от ЗЭС на фиг. 3 тем, что у него для того, чтобы исключить накопление на периферии электрода 8 паразитного индуцированного заряда-2, электрод 8 также подключен к заземляющему устройству 9. Такая схема повышает надежность ЗЭС и делает его работу полностью безопасной.

Краткое описание чертежей.

Для повышения наглядности изложенного выше материала изобретение проиллюстрировано следующими чертежами:

фиг. 1 - замок электростатический (ЗЭС), содержащий электроды 1 и 8, разделяющий электроды диэлектрик 2, зазор между диэлектриками 3, который можно уменьшить до нуля, источник питания 4 и электрический ключ 5, один электрический вентиль 6, включенный в цепь зарядки электрода 1 для стабилизации заряда на этом электроде, стабилизация зарядов на противоположном электроде 8 обеспечивается электростатической индукцией, кроме этого устройство содержит шунтирующее сопротивление 7, необходимое для нейтрализации тока разрядки электродов, возникающего при открытии ЗЭС;

фиг. 2 - замок электростатический (ЗЭС), отличающийся от ЗЭС на фиг. 1 тем, что кроме первичных электродов 1 и 8, напрямую заряжаемых от источника электропитания, содержит вторичный электрод 10, на котором зарядами на первичных электродах индуцируются вторичные заряды;

фиг. 3 - замок электростатический (ЗЭС), отличающийся от ЗЭС на фиг. 1 тем, что один из полюсов источника питания 4 при закрытии ЗЭС соединяется через электрический вентиль 6 с электродом 1, а другой полюс подключен к заземляющему устройству 9, при этом электрод 8 полностью изолирован от источника питания и прочих элементов ЗЭС;

фиг. 4 - замок электростатический (ЗЭС), отличающийся от ЗЭС на фиг. 3 тем, что вторичный электрод 8 подключен к заземляющему устройству 9.

Замок электростатический (ЗЭС) относится к устройствам фиксации и удержания в фиксированном состоянии друг относительно друга отдельных частей или элементов различных механизмов и устройств с возможностью их последующего обратного разъединения и функционирует за счет электростатической (кулоновской) силы притяжения между электродами, заряженными противоположными электрическими зарядами и разделенными достаточно узким слоем диэлектрика. ЗЭС может служить запирающим устройством (замком), а также использоваться во многих других аналогичных технических целях. Преимуществом ЗЭС является минимальная потребляемая мощность и возможность применять его в автономных решениях при отсутствии внешнего электропитания, используя только возобновляемые источники энергии. Главным техническим результатом настоящего изобретения является гарантированная фиксация элементов ЗЭС в момент закрытия, для чего в цепь питания ЗЭС включается электрический вентиль, блокирующий обратный ток разрядки через элемент питания и стабилизирующий процесс накопления электрических зарядов на одном из электродов ЗЭС, при этом аналогичная стабилизация накопления зарядов противоположного знака на другом электроде ЗЭС происходит автоматически вследствие эффекта электростатической индукции, обусловленной зарядами на первом электроде, заряжаемом с помощью электрического вентиля. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Замок электростатический (ЗЭС) - устройство фиксации и удержания в фиксированном состоянии друг относительно друга отдельных частей или элементов механических устройств посредством электростатической (кулоновской) силы притяжения,
содержащее фиксируемые электроды, механически или кинематически связанные с фиксируемыми друг относительно друга частями или элементами, имеющие возможность подключения к источнику электрического питания для придания электродам зарядов противоположных знаков, и содержащее не менее одного слоя диэлектрика, отделяющего друг от друга электроды, заряжаемые электрическими зарядами противоположных знаков, так что при фиксации (закрытии) ЗЭС противоположно заряженные электроды плотно примыкают друг к другу через разделяющий их диэлектрик,
отличающееся тем, что для подключения одного из электродов или группы электродов, заряжаемых одинаковым электрическим зарядом, (главная группа электродов) к источнику электрического питания при закрытии ЗЭС содержит электрический вентиль, подключенный непосредственно к главной группе электродов так, чтобы обеспечить их зарядку электрическим зарядом определенного знака и исключить или сделать минимально возможным ток в направлении, обратном току зарядки, при этом другой электрод или электроды (неглавная группа) при закрытии ЗЭС плотно примыкают к электродам главной группы через разделяющий их диэлектрик и находятся в электрическом контакте с противоположным полюсом источника электрического питания, от которого заряжаются электрическим зарядом противоположного знака.

2. Замок электростатический (ЗЭС) по п. 1, отличающийся тем, что неглавная группа электродов изолирована от источника электрического питания и при закрытии ЗЭС электрический заряд на этих электродах создается за счет электростатической индукции на поверхности контакта через слой диэлектрика с электродами главной группы, заряжаемыми через электрический вентиль от источника питания, и содержит заземляющее устройство, находящееся в момент закрытия ЗЭС в электрическом контакте с полюсом источника электрического питания, противоположным полюсу, от которого происходит зарядка главной группы электродов.

3. Замок электростатический (ЗЭС) по п. 2, отличающийся тем, что неглавная группа электродов находится в постоянном электрическом контакте с заземляющим устройством.

4. Замок электростатический (ЗЭС) по п. 1, отличающийся тем, что кроме электродов, заряжаемых непосредственно от источника электрического питания (первичные электроды, включающие главную и неглавную группы), содержит один или несколько замкнутых накоротко друг с другом или заземленных электродов (вторичные электроды), отделенных одним или несколькими слоями диэлектрика от первичных электродов и плотно к ним примыкающих при фиксации (закрытии) ЗЭС, так что при накоплении электрических зарядов на первичных электродах на вторичных электродах на поверхности контакта через диэлектрик с первичными электродами за счет электростатической индукции накапливаются вторичные заряды, наведенные электрическими полями зарядов на первичных электродах; при этом индуцированные вторичные заряды имеют противоположный знак по отношению к индуцирующим их первичным зарядам, что создает силу электростатического притяжения между первичными и вторичными электродами.