УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГРУППОВОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГЕРКОНОВ С АЗОТИРОВАННЫМИ КОНТАКТНЫМИ ПЛОЩАДКАМИ Российский патент 2021 года по МПК H01H1/66 H01H11/04 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электронной промышленности при изготовлении герметизированных магнитоуправляемых контактов (герконов) с азотированными контактными поверхностями.

Известно устройство (искровой течеискатель [1, с. 384-385] на основе трансформатора Тесла [2]) в котором используется высокочастотный высоковольтный разряд, получаемый с помощью трансформатора Тесла. Это свойство данного устройства было использовано [3, с. 190-201] для индивидуальной ионно-плазменной обработки геркона с целью азотирования его контактных поверхностей. Для этого выводы вторичной обмотки трансформатора Тесла течеискателя подключались к выводам геркона, между разомкнутыми контактами которого возбуждался газовый разряд, инициирующий процесс ионного азотирования поверхности контактов по способу [4].

Недостатком данного устройства является низкая производительность и недостаточная эрозионная стойкость обработанных на нем герконов. Так как для одновременной обработки партии состоящей n герконов необходимо такое же количество n этих устройств (искровых течеискателей).

Известно устройство [3, с. 202-203], которое устраняет этот недостаток и позволяет сформировать нитридосодержащие контактные покрытия на поверхности контакт деталей непосредственно в герконе на финишной стадии его изготовления по способу [4]. Для этого в зазоре между контактами геркона, заполненного азотом, возбуждается импульсный газовый разряд требуемой формы. В устройстве этот разряд возбуждается двумя высоковольтными высокочастотными генераторами, изготовленными на основе трансформатора Тесла [2], которые одновременно обрабатывают по 11 шт. герконов (каждый), соединяемых в электрическую цепь последовательно.

Недостатком устройства является высокая стоимость применяемого высокочастотного, высоковольтного оборудования, недостаточная твердость контактных поверхностей и, как следствие - высокая себестоимость и недостаточная эрозионная стойкость герконов.

Этот недостаток устранен в устройстве [5] предназначенном для изготовления по способу [6] герконов с азотированными контактными площадками. Это устройство является наиболее близким по своим существенным признакам к заявляемому объекту.

Оно содержит намагничивающую катушку с выводами, подключенными к источнику питания переменного тока, второй источник питания переменного тока, предназначенный для подключения к выводам обрабатываемого геркона.

Для формирования азотированных контактных площадок геркон устанавливают в намагничивающую катушку и проводят его ионно-плазменную обработку в условиях воздействия на контакт-детали геркона переменных магнитного и электрического полей, вызывающих периодическое замыкание - размыкание контакт-деталей с частотой 200-1000 Гц, протекание - разрыв электрического тока через геркон под действием приложенного к его контакт-деталям напряжения 100-250 В, переменного тока 10-250 мА с частотой смены полярности 50 Гц.

Для одновременной обработки партии состоящей из n герконов требуется по 1 намагничивающая катушка и по 2 блока питания переменного тока на каждый геркон, то есть фактически требуется п таких устройств.

Существенными недостатками данного устройства является низкая производительность. Эти недостатки устранены в заявляемом устройстве.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение производительности ионно-плазменной обработки (ИПО) путем применения вращающихся постоянных магнитов взамен неподвижных намагничивающих катушек, что понижает себестоимость герконов, а также, повышает их качество и ресурса работы.

Задача решается тем, что предлагается устройство для группового изготовления герконов с азотированными контактными площадками, содержащее блок питания переменного тока, одинаковые модули, каждый из которых состоит из двух неподвижных статоров, контактных площадок, предназначенных для установки герконов, подключенных с помощью проводников к блоку питания переменного тока и ротора, подключенного к механизму вращения и расположенного в зазоре между двумя статорами, на роторе установлены постоянные магниты и при его вращении с угловой скоростью f обеспечивается поочередное замыкание-размыкание контакт- деталей герконов с частотой ϑ=fN за счет воздействия на них магнитного поля N постоянных магнитов

Фиг. 1. Упрощенная схема заявляемого устройства (установки ИПО):

1 - механизм одновременного вращения роторов всех модулей устройства, 2 - модуль, 3 - блок питания переменного тока.

Фиг. 2. Упрощенная схема базового модуля установки ИПО герконов:

3 - блок питания переменного тока, 4 - геркон, 5 - статор, 7 - постоянный магнит, 8 - ротор.

Фиг. 3. Упрощенная схема основных частей базового модуля установки ИПО герконов: 3 - блок питания переменного тока, 4 - геркон, 5 - статор, 6 - проводящая дорожка, 7 - постоянный магнит, 8 - ротор.

Устройство (установка ИПО (фиг.1) в составе: 1- механизм вращения, 2 - модуль, 3 - блок питания переменного тока) работает следующим образом.

Контакт-детали серийно выпускаемого геркона, например, МКА-14103, изготовленные из железоникелевого сплава «Дилатон 52» и не имеющие Аи- Ru контактных покрытий, после магнитного отжига, заваривают в стеклянные баллоны (например, длина (L) - 14,2 мм, диаметр (D) - 2,3 мм), в атмосфере азота. После отжига и нанесения покрытий на выводы, партии герконов (фиг.2, №4) в количестве по п шт. (например, по 65 шт. ) устанавливают на статоры (например, D - 30 см) (фиг.2, №5) базового модуля таким образом, чтобы выводы герконов (например, L - 15,3 мм, D - 0,55 мм) (фиг.З, №4) имели надежный омический контакт с проводящими дорожками (фиг.З, №6) статоров. Эти дорожки постоянно, на протяжении всего цикла работы установки, находятся под напряжением (например, 220 В - 50 Гц), подаваемым от блока питания (фиг.1-3, №3).

N шт. (например, 16 шт. ) постоянных магнитов (например, марки - N35H, L - 2 мм, D - 6 мм) (фиг.2, 3, №7), установленные на роторе (например, D - 30 см) (фиг.2, 3, №8), вращаются со скоростью f (например, 1500 об./мин. (25 об./с)) и замыкают поочередно с частотой г9=fN (например, 400 Гц) контакт-детали герконов.

В процессе работы установки ИПО при сближении контакт-деталей под действием магнитного поля постоянного магнита происходит искровой пробой межконтактного промежутка и микровзрывы материалов контакт- деталей, а их размыкание (разрыв тока) приводит к микровзрыву расплавленного мостика, возникающего при расплавлении области стягивания тока между контакт-деталями геркона. Вещество, образованное микровзрывами в плазменной, паровой и жидкой фазе, переносится с одной контакт-детали (анода) на другую (катод) в среде азотной плазмы, что приводит к электроискровому легированию азотом (азотированию) поверхности контакт-деталей геркона [5-7]. Так как ИПО осуществляется переменным током, то происходит реверсивный массоперенос материала контакт-деталей и поэтому количество контактирующего материала после обработки на контакт-деталях геркона практически остается неизменным.

Контактные площадки, вследствие азотирования, становятся коррозионно - и эрозионностойкими, а сопротивление герконов более низким и стабильным.

Таким образом, в предлагаемом устройстве группового изготовления герконов с азотированными контактными площадками процесс азотирования поверхности контакт-деталей геркона осуществляется за счет электрической эрозии и переноса на катод материала анода в среде азотной плазмы.

Техническим результатом заявленного устройства является снижение себестоимости геркона за счет замены низкопроизводительного оборудования для изготовления герконов с азотированными контактными площадками в котором для управления герконами служат неподвижные намагничивающие катушки переменного тока, на более высокопроизводительное, в котором управление работой герконов осуществляется вращением постоянных магнитов.

Предлагаемое устройство, действие которого основано на применении для управления герконами вращающихся постоянных магнитов, формирует износостойкие азотированные контактные площадки на поверхности контакт-деталей герконов, именно в том месте, где происходит непосредственный контакт поверхностей контакт - деталей при коммутации тока, что повышает эрозионную стойкость контактных поверхностей и, как следствие, наработку герконов на отказ.

С учетом заданных в качества примеров величин значений n, f, N, $ несложно оценить производительность базового модуля и всего устройства в целом.

За время 1 оборота ротора - 0,04 с, каждый геркон, расположенный на статоре, срабатывает поочередно 16 раз. Поэтому для достижения, например, 4,8*10⁵ срабатываний (замыканий-размыканий контакт-деталей каждого геркона) потребовалось произвести 30000 оборотов ротора за 20 мин. Ток через геркон при замкнутых его контактов достигал, например, 95 мА.

Таким образом, продолжительность ИПО 130 герконов на базовом модуле составила 20 мин., а производительность - 390 шт. /час. Устройство прототипа за тоже время обрабатывает только 1 геркон и имеет соответственно в 130 раз меньшую производительность (3 шт. /час).

Заявляемое устройство (установка ИПО) (фиг. 1) имея в своем составе, например, 50 таких модулей (фиг. 1, №2) и, одновременно вращая 50 роторов, обрабатывает партии (группы) герконов в количестве по 6500 шт. за 20 мин. с производительностью 19500 шт. /час.

Структура и элементный состав контактных площадок, сформированных с помощью данного устройства, исследованы методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и рентгеноспектрального микроанализа (РСМА).

При ИПО на контакты герконов подавалось переменное напряжение 220 В - 50 Гц, а коммутируемый ток (I) достигал 95 мА. Количество срабатываний геркона - 4,8⋅10⁵ шт., продолжительность обработки - 20 мин.

Полученные РЭМ-изображения и РСМА-спектр участка поверхности контакта геркона после его ИПО в режиме I=95 мА, при ν=50 Гц (фиг. 4-6) показали, что в результате ИПО на поверхности контакта сформировалась азотированная контактная площадка (КП) площадью 81030,992 мкм² (фиг. 4), на поверхности которой хаотически расположены микрократеры диаметром 3,5-4,9 мкм (фиг. 5.). При этом концентрация азота, усредненная по глубине выхода рентгеновского сигнала из приповерхностного слоя КП, составила 9,0 ат. % (фиг. 6). У прототипа концентрация азота в приповерхностном слое КП, составила только 8,1. ат. % [5]. Что свидетельствует о боле высокой эрозионной стойкости герконов изготовленных заявленным устройством в сравнении с прототипом, т.к. увеличение концентрации азота приводит к увеличению эрозионной стойкости КП геркона [7].

Фиг. 4. РЭМ - изображение участка поверхности контакт-детали геркона, изготовленного по заявленному способу, с азотированной контактной площадкой площадью 81030,992 мкм².

Фиг. 5. Участок поверхности контактной площадки, изображенной на фиг. 4.

Фиг.6. РСМА - спектр участка поверхности контактной площадки, изображенной на фиг. 5.

Измерения сопротивления геркона (R) и напряжения пробоя (U) проводились до и после ИПО.

Исходные значения (до ИПО) электрофизических параметров геркона составили: R=0,18 Ом (при норме R≤0,1 Ом для серийных приборов МКА-14103), U=290 B.

Проведенные измерения сопротивления и напряжения пробоя данного геркона показали, что величины значений данных параметров в результате проведенной ИПО имеют тенденцию к уменьшению до R=0,07 Ом (R соответствует норме) и до U=245 В (U уменьшилось на ΔU=45 В).

Изготовленные на данном устройстве герконы выдержали коммутационные испытания на безотказность до 10⁶ срабатываний в режимах 100 В - 100 мА - 50 Гц, 50 В - 50 мА - 50 Гц, 24 В - 400 мА - 50 Гц.

Таким образом, заявленное устройство устраняет недостатки прототипа и превосходит его по производительности, которая в сравнении с прототипом возросла более чем в 1000 раз, что, в конечном итоге, снижает себестоимость герконов и повышает их конкурентную способность на мировом рынке.

Источники информации

1. Денисов В.П. Производство электрических источников света. М.: Энергия, 1975. - 488 с.

2. Tesla N. System of electric lighting. Patent N 454622, 23 June 1891.

3. Зельцер И.А., Карабанов С.М., Майзельс P.M., Саблинир В.А. Исследование и разработка методов модификации поверхности герметизированных магнитоуправляемых контактов. / II международная научно-практической конференции «Магнитоуправляемые контакты (герконы) и изделия на их основе», 1-3 окт.2008 г.: Сборник научных трудов. - Рязань: Полиграф, 2009. С. 184 - 207.

4. Патент РФ №2393570. Способ изготовления герконов с азотированными контакт-деталями / Карабанов С.М., Майзельс P.M., Арушанов К.А, Зельцер И.А., Провоторов B.C., опубл. 27.06.2010 г. Бюл. №18.

5. Zeltser I.A., Moos E.N. ELECTRODOPING SURFACE BY NITROGEN. / XXI международная конференция «Взаимодействие плазмы с поверхностью». Москва, 24-25 января 2018 г.: Сборник научных трудов. - М.: НИЯУ МИФИ, 2018. С. 91-94.

6. Патент РФ №2665689. Способ изготовления геркона с азотированными контактными площадками / Зельцер И.А., Колесова С.А., Трунин Е.Б., Шкутенко Л.Н. опубл. 04.09.2018 г. Бюл. №25.

7. Zeltser I.A., Karpov A.S., Moos E.N., Rybin N.B., Tolstoguzov A.B. Surface Erosion of Low-Current Reed Switches. // Coatings. 2017. 7, no. 6: 75.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электронной промышленности при изготовлении герметизированных магнитоуправляемых контактов (герконов) с азотированными контактными поверхностями. Особенностью устройства группового изготовления герконов с азотированными контактными площадками является то, что оно снабжено одинаковыми модулями, каждый из которых состоит из 2 неподвижных статоров, контактных площадок, предназначенных для установки герконов, подключенных, с помощью проводников, к блоку питания переменного тока, и ротором, подключенным к механизму вращения и расположенным в зазоре между 2 статорами, таким образом, чтобы обеспечить при своем вращении с угловой скоростью f поочередное замыкание-размыкание контакт-деталей герконов с частотой ϑ=fN за счет воздействия на них магнитного поля N постоянных магнитов установленных на нем. Техническим результатом заявленного устройства является снижение себестоимости геркона за счет замены низкопроизводительного оборудования с неподвижными намагничивающими катушками, на более высокопроизводительное оборудование, действие которого основано на применении вращающихся постоянных магнитов. 6 ил.

Устройство для изготовления герконов с азотированными контактными площадками, содержащее блок питания переменного тока, отличающееся тем, что снабжено дополнительно одинаковыми модулями, каждый из которых состоит из двух неподвижных статоров, контактных площадок, предназначенных для установки герконов, подключенных с помощью проводников к блоку питания переменного тока и ротора, подключенного к механизму вращения и расположенного в зазоре между двумя статорами, на роторе установлены постоянные магниты и при его вращении с угловой скоростью f обеспечивается поочередное замыкание-размыкание контакт-деталей герконов с частотой ϑ=fN за счет воздействия на них магнитного поля N постоянных магнитов.