ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ГЕРКОНОВОЕ РЕЛЕ С МАЛОЙ ПРОХОДНОЙ ЁМКОСТЬЮ Российский патент 2024 года по МПК H01H51/28 H01H1/66 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для коммутации электрических цепей при воздействии магнитного поля на герметизированные контактные группы (герконам).

Уровень техники

Из существующего уровня техники (например, RU123220U1, 20.12.2012) известны герконовые реле с нормально разомкнутыми или замкнутыми контактами, с переключающими контактами, а также с их комбинациями. Контакты помещены в герметичную колбу, которая может быть вакуумирована или заполнена газом, препятствующим окислению контактов, либо контакты могут быть смочены ртутью для обеспечения плавного включения реле. Как минимум одна пара контактов выполняется из ферромагнитных материалов. В нормальном состоянии контакты удерживаются за счёт сил собственной упругости либо пружины. Реле управляется магнитным потоком, создаваемым магнитным полем при включении электрического тока в обмотке, в которую помещена колба (контакт), либо при помощи внешнего поля, создающего магнитный поток, который подводится к контактам при помощи магнитопровода. При этом возникает электромагнитная сила, замыкающая контакты.

Использование существующих типов герконовых реле в некоторых областях техники ограничивается высокими значениями проходной ёмкости между входными и выходными цепями. Например, в процессе разработки, тестирования и эксплуатации устройств с сенсорными экранами могут использоваться технические средства симулирующие физические касания экрана. В качестве коммутирующего элемента, передающего на экран управляющее воздействие от тела пользователя и приводящее к регистрации контроллером экрана события касания не может быть использовано обычное электромагнитное реле, содержащее в конструкции якорь. Так как оно не может обеспечить надёжную работоспособность при требуемой частоте переключения 30-60 Гц и бесшумность. При этом известные типы герконовых реле с нормально разомкнутыми контактами также не могут быть использованы. Так как они не обеспечивают величину электрической ёмкости между цепью управления (обмоткой реле либо магнитопроводом) и контактной группой реле (проходной ёмкости) – критической характеристики, которая не должна превышать 0,6 пФ. В данном случае сенсорный экран регистрирует ложные срабатывания либо ошибочно определяет несколько отдельных касаний как одно постоянное.

Раскрытие сущности изобретения

Технической задачей является создание надёжного герконового реле, обеспечивающего значение проходной ёмкости не более 0,6 пФ, бесшумную работу и возможность использования в носимых электронных устройствах.

Технический результат заключается в снижении значений проходной ёмкости и возможности использования в носимых электронных устройствах.

Технический результат достигается за счёт того, что электромагнитное герконовое реле содержит герметичную колбу, в которой установлены два гибких контактных сердечника, на выходе из которой первый контактный сердечник соединён с первым выводом, а второй контактный сердечник соединён со вторым выводом, причём второй контактный сердечник состоит из контактной и неконтактной частей, между которыми выполнен зазор, при этом первая часть второго контактного сердечника прилегает к зазору в непосредственной близости от расположенных последовательно мест его выхода из колбы и места присоединения второго немагнитного вывода, а вторая часть второго контактного сердечника в непосредственной близости от зазора с другой его стороны, помещена в катушку с обмоткой.

Кроме того, часть контактного первого сердечника после его выхода из колбы и места крепления немагнитного вывода и вторая неконтактная часть второго сердечника после ее выхода из катушки, встречно загнуты и расположены на расстоянии упомянутого зазора, или выполнены прямыми.

Кроме того, дополнено постоянными магнитами с аксиальной намагниченностью, установленными в непосредственной близости от сердечников.

Кроме того, гибкие контактные сердечники изготовлены из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью.

Кроме того, выводы выполнены из немагнитного материала.

Кроме того, зазор представляет собой воздушный зазор или пластину из немагнитного диэлектрического материала, установленной в зазор между частями сердечника.

Кроме того, ширина зазора определяется исходя из:

g = ɛ0ɛπR2/C,

где,

g – ширина зазора;

ɛ0 – электрическая постоянная;

ɛ – диэлектрическая проницаемость среды в зазоре;

R – радиус сердечника геркона;

C – ёмкость между торцами сердечника в зазоре, определяющая проходную ёмкость электромагнитного герконового реле.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - Электромагнитное герконовое реле с малой проходной ёмкостью и замкнутой магнитной цепью из контактных сердечников;

Фиг.2 - Схема прохождения магнитного потока в герконовом реле с малой проходной ёмкостью и замкнутой магнитной цепью из контактных сердечников;

Фиг.3 - Электромагнитное герконовое реле с малой проходной ёмкостью и замкнутой магнитной цепью с подмагничиванием контактных сердечников;

Фиг.4 - Схема прохождения магнитного потока в герконовом реле с малой проходной ёмкостью и замкнутой магнитной цепью с подмагничиванием контактных сердечников;

Фиг.5 - Электромагнитное герконовое реле с малой проходной ёмкостью и разомкнутой магнитной цепью с подмагничиванием контактных сердечников;

Фиг.6 - Схема прохождения магнитного потока в герконовом реле с малой проходной ёмкостью и разомкнутой магнитной цепью с подмагничиванием контактных сердечников;

Фиг.7 - Схема формирования входной и выходной ёмкостей электромагнитного герконового реле с малой проходной ёмкостью и замкнутой магнитной цепью из контактных сердечников.

На фигурах цифрами обозначены следующие элементы:

1 – колба;

2 – контактный сердечник;

3 – контактный сердечник;

4 – немагнитный вывод;

5 – немагнитный вывод;

6 – контактный сердечник;

7 – пластина;

8 – катушка;

9 – обмотка;

10 – магнитный поток через зазор;

11 – магнитный поток через зазор между контактными сердечниками;

12 – магнитный поток через зазор;

13 – магнитный поток по воздуху;

14 – постоянный магнит;

15 – постоянный магнит;

16 – магнитный поток постоянного магнита;

17 – магнитный поток постоянного магнита;

18 – магнитный поток по воздуху;

19 – входная паразитная ёмкость, образованная витками обмотки и контактным сердечником;

20 – ёмкость в зазоре между торцами разделённого контактного сердечника (проходная);

21 – ёмкость в зазоре между торцами неразделённого и разделённого контактных сердечников (проходная);

22 – ёмкость, образованная контактными сердечниками внутри колбы;

23 – ёмкость управляемой электрической цепи (выходная).

Осуществление изобретения

Заявленное электромагнитное герконовое реле содержит, установленные на основании, герметичную колбу, в которой установлены параллельно на расстоянии друг от друга два гибких симметричных нормально разомкнутых контактных сердечника, изготовленных из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью. На одном выходе из колбы первый контактный сердечник соединён с первым выводом, а на другом выходе из колбы второй контактный сердечник соединён со вторым выводом, причем второй контактный сердечник состоит из контактной и неконтактной частей, между которыми выполнен зазор, при этом контактная часть второго сердечника прилегает к зазору в непосредственной близости от расположенных последовательно мест его выхода из колбы и места присоединения второго немагнитного вывода, а неконтактная часть второго сердечника в непосредственной близости от зазора с другой его стороны, помещена в катушку с управляющей обмоткой.

Зазор обеспечивает гальваническую развязку (отсутствие электрического контакта) второго сердечника и соединённого с ним вывода коммутируемой цепи, а также формирование малой электрической ёмкости между торцами второго сердечника (образующейся последовательно между управляющей и управляемой цепями реле и определяющей его проходную ёмкость). Чем меньше ширина зазора, тем меньше потери при прохождении магнитного потока через зазор и тем меньше может быть величина тока в катушке с обмоткой, но тем больше проходная ёмкость реле (она всё равно меньше, чем в обычном реле).

При этом в зазор при необходимости может быть помещена диэлектрическая пластина (калибровочная пластина). Диэлектрическая пластина может быть использована либо только в процессе производства реле для формирования зазора и отсутствовать в готовом изделии, либо оставаться в готовом изделии. Пластина облегчает формирование зазора достаточно малой величины при производстве - обеспечивает калибровку зазора (подобно использованию щупа при выставлении зазора свечи зажигания в машине) – торцы сердечника могут быть просто к ней прижаты и закреплены на основании. Затем её можно оставить (тоже закрепить на основании). Либо она может входить в состав производственной оснастки и использоваться при изготовлении следующего реле. В этом случае требования, ограничивающие выбор материала, из которого она изготовлена (немагнитного диэлектрического), не предъявляются.

Контактные сердечники изготовлены из ферромагнитного материала и выполняют функции электрических контактов и участков магнитных цепей в непосредственной близости от колбы геркона. Сердечники реле могут быть отформованы для образования замкнутой магнитной цепи для снижения энергопотребления реле (уменьшения тока в управляющей обмотке) с аналогичным зазором. Сердечники реле могут быть подмагничены постоянными магнитами для снижения энергопотребления реле.

Продолжающиеся части контактных сердечников — одного, после выхода из колбы и места крепления немагнитного вывода, и второй неконтактной части другого, после его выхода из катушки, могут быть встречно загнуты и расположены на расстоянии не менее установленного зазора или могут оставаться прямыми или иметь иную форму.

Все компоненты реле размещены в основании, выполненном из немагнитного материала, например, пластмассы. Основание может быть помещено в корпус. В целях повышения помехоустойчивости конструкция может быть снабжена магнитным экраном. Магнитный экран может быть выполнен в виде кожуха из ферромагнитного материала, охватывающий всю конструкцию реле, или в виде пластины/пластин, либо другой формы, для целенаправленной защиты реле, располагаемой между ним и источником магнитного поля, а для защиты других устройств от влияния реле – между ними и реле.

Технический результат достигается за счёт включения ёмкости малой величины, образованной между торцами второго сердечника, расположенными на малом, относительно их площади, расстоянии, последовательно между управляющей и управляемой цепями реле (ёмкостей между торцами сердечников в случае реализации замкнутой магнитной цепи), при снижении влияния ёмкости управляющей обмотки на выводы управляемой цепи за счёт её расположения на сердечнике электрически не связанном с выводом управляемой цепи. Т.е. мы убираем влияние обмотки на оба вывода реле (обычно обмотка надевается на колбу), но сталкиваемся с её влиянием на второй вывод, которое убираем зазором.

При подаче управляющего тока в обмотку возникает магнитный поток, проходящий через зазор в разделённом контактном сердечнике, зазор между сердечниками в колбе и далее замыкается вокруг обмотки, в частности вдоль сердечников. Возникающая при этом электромагнитная сила соединяет оба сердечника в колбе, преодолевая их упругость, и замыкает электрическую цепь между ними и немагнитными контактами. После отключения тока сердечники возвращаются в исходное состояние. При этом электрическая ёмкость между управляющей обмоткой и герконом (проходная) сводится к ёмкости, образуемой торцами разделённого сердечника (сердечников) в зазоре и малой паразитной ёмкости с участием немагнитных выводов и геркона. С учётом этого значение проходной ёмкости между входной и выходной цепями реле не превышает 0,6 пФ.

На фиг. 1 представлен пример осуществления заявленного реле. Все компоненты собираются на основании (из немагнитного материала, например, пластмассы). Внутри герметичной колбы (1) находятся гибкие контактные сердечники (2) и (3), изготовленные из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью. На выходе из колбы (1) первый контактный сердечник (2) соединён с первым выводом (4), а второй контактный сердечник (3) соединён со вторым выводом (5). Выводы (4) и (5) выполнены из немагнитного материала и предназначены для подключения коммутационной (управляемой) электрической цепи реле. Технология, использованная для соединения выводов (4) и (5) с контактными сердечниками (2) и (3), обеспечивает надёжный электрический контакт и не нарушает герметичность колбы (1). Геркон, используемый в раскрытом здесь реле, отличается от стандартного тем, что один из его контактных сердечников состоит из двух частей: одна часть представляет собой контактный сердечник (3), в вторая его часть – неконтактный сердечник (6). Между частями сердечника (3) и (6) сформирован зазор, в который может быть помещена диэлектрическая пластина (7).

Контактная часть второго сердечника (3) прилегает к зазору в непосредственной близости от расположенных последовательно мест его выхода из колбы (1) и места присоединения немагнитного вывода (5). В непосредственной близости от зазора, с другой его стороны, неконтактная часть сердечника (6) помещена в катушку (8) с обмоткой (9). Во всех раскрываемых здесь реализациях реле может использоваться как стандартный геркон после операции разделения одного контактного сердечника, так и специально изготовленный – с одним укороченным контактным сердечником. Расстояние между торцами частей (3) и (6) сердечника, которое также соответствует толщине пластины (7), может составлять не более 0,01 мм при использовании геркона с колбой длиной 5 мм.

Для расчёта ширины зазора можно использовать соотношение:

g = ɛ₀ɛπR²/C,

где,

g – ширина зазора (толщина пластины);

ɛ₀ – электрическая постоянная;

ɛ – диэлектрическая проницаемость среды в зазоре (материала пластины или воздуха);

R – радиус сердечника геркона;

C – ёмкость между торцами сердечника в зазоре (0,1 пФ), определяющая проходную ёмкость электромагнитного герконового реле.

Часть контактного первого сердечника (2) после его выхода из колбы (1) и места крепления немагнитного контакта (4) и неконтактная часть (6) второго сердечника после его выхода из катушки (8), могут быть встречно загнуты и расположены на расстоянии зазора, (воздушного зазора или зазора сформированного пластиной (7)), как показано на фиг. 1-4, 7, или могут оставаться прямыми (фиг. 5, 6) или иметь другую форму.

При подаче управляющего тока в обмотку (фиг. 1 поз. 9) возникает магнитный поток, представленный на фиг. 2, соответствующий конструкции реле по фиг. 1, проходящий через зазор (фиг. 2 поз. 10), сформированный пластиной (фиг. 1 поз. 7), и через зазор (фиг. 2 поз. 11) между контактными сердечниками (фиг. 1 поз. 2 и 3) и далее замыкается через зазор (фиг. 2 поз. 12), например со вставленной пластиной (фиг. 1 поз. 7). Другая ветвь магнитного потока замыкается по воздуху (фиг. 2 поз. 13). Возникающая при этом электромагнитная сила соединяет оба контактных сердечника (фиг. 1 поз. 2 и 3) в колбе (фиг. 1 поз. 1), преодолевая их упругость, и замыкает электрическую цепь между немагнитными контактами-выводами (фиг. 1 поз. 4 и 5). После отключения тока, контактные сердечники (фиг. 1 поз. 2 и 3) возвращаются в исходное состояние и размыкают коммутируемую электрическую цепь.

На фиг. 3 представлен другой пример осуществления реле, который в отличие от примера по фиг. 1, дополнен постоянными магнитами (14, 15) с аксиальной намагниченностью. При этом, постоянный магнит (14) подмагничивает контактный сердечник (2), а постоянный магнит (15) подмагничивает сердечник (6). Магниты могут быть размещены в непосредственной близости от сердечников с сохранением расположения магнитных потоков, указанных на фигурах (они должны складываться с потоками сердечников), в зависимости от характеристик и размеров самих магнитов. Чем ближе расположены магниты, тем меньше может быть ток в катушке с управляющей обмоткой, но тем ниже магнитная помехозащищённость реле и т.д.

На фиг. 4 представлено прохождение магнитного потока для примера осуществления реле по фиг. 3. В целом, прохождение потока аналогично показанному на фиг. 2 за исключением того, что магнитный поток (фиг. 4 поз. 16), образуемый постоянным магнитом (фиг. 3 поз. 14), складывается с потоком через контактный сердечник (фиг. 3 поз. 2), а магнитный поток (фиг. 4 поз. 17), образуемый постоянным магнитом (фиг. 3 поз. 15), складывается с потоком через сердечник (фиг. 3 поз. 6). Данное решение позволяет снизить величину тока в обмотке (фиг. 1 поз. 9), необходимую для замыкания коммутируемой электрической цепи.

На фиг. 5 показан пример осуществления реле, при котором в отличие от вышеупомянутых, контактные сердечники остаются прямыми. Данная конструкция аналогична представленной на фиг. 3. за исключением отсутствия зазора между концами сердечников (фиг. 3 поз. 2 и поз.6).

На фиг. 6 показано прохождение магнитного потока для примера осуществления по фиг. 5. В целом, прохождение потока аналогично показанному на фиг. 4 за исключением прохождения части потока по воздуху (18). Данная конструкция позволяет дополнительно уменьшить габариты раскрываемого здесь реле. Все примеры осуществления реле показанные выше (фиг. 1, фиг. 3, фиг. 5) в целях повышения помехоустойчивости могут быть снабжены магнитными экранами для снижения влияния внешних магнитных полей, а также уменьшения влияния магнитных полей элементов входящих в составе реле: обмоток и постоянных магнитов на другие устройства.

На фиг. 7 изображено формирование входной и выходной ёмкостей раскрытых здесь примеров реализации реле. В соответствии с конструкцией представленной на фиг. 1, фиг. 3 и фиг. 5 входная паразитная ёмкость (фиг. 7 поз. 19) образуется между витками обмотки (фиг. 1, фиг. 3, фиг. 5 поз. 9) и поверхностью сердечника (фиг. 1, фиг. 3, фиг. 5 поз. 6). Выходная ёмкость (фиг. 7 поз. 23) формируется в основном между контактными сердечниками внутри колбы (фиг. 1, фиг. 3, фиг. 5 поз. 1). У обычного герконового реле выход коммутируемой цепи электрически связан с контактными сердечниками и ёмкость между собственно контактными сердечниками складывается с паразитной ёмкостью между обмоткой и сердечниками. Так как ширина обмотки занимает существенную длину, входная паразитная ёмкость оказывает большое влияние на общую выходную ёмкость реле. В раскрытых здесь примерах реализации реле входная паразитная ёмкость, формируемая обмоткой, последовательно складывается с ёмкостью (ёмкостями) между торцами сердечников на расстоянии зазора. Это позволяет существенно снизить величину проходной ёмкости реле. Например, при диаметре контактных сердечников 0,4 мм и расстоянии между их торцами в воздушном зазоре 0,01 мм, ёмкость составляет 0,1 пФ. Уменьшение зазора может позволить снизить ток в управляющей обмотке даже без использования магнитов, а с увеличением диаметра сердечника геркона зазор может быть увеличен до значения позволяющего не превысить 0,1 пФ. В примере реализации по фиг. 1 и фиг. 3 проходная ёмкость может быть в 2 раза выше, т. е. не превышать величины 0,2 пФ. Геркон с длиной колбы 5 мм и диаметром контактных сердечников 0,4 мм характеризуется величинами ёмкости между плоскими симметричными контактными сердечниками от 0,2 пФ до 0,4 пФ в связи с технологическим разбросом.

Конструкция реле также может обеспечивать его бесшумность работы. Бесшумность может обеспечиваться за счет использования геркона с относительно маленькой колбой и лёгкими контактными сердечниками, и/или за счет того, что конструкция может быть дополнительно помещена в звукоизолирующий материал.

Кроме того, такая конструкция реле обеспечивает возможность его использования в носимых электронных устройствах. Сердечник имеет толщину меньшую, чем колба. Поэтому диаметр катушки заявленного реле меньше катушки, надеваемой на колбу, в обычном реле. Колба и катушка с обмоткой располагаются в одной плоскости. Таким образом, высота заявленного реле определяется в основном толщиной используемой колбы. Например, колба может быть диаметром 2 мм, а магнитные экраны диаметром 1 мм, что позволяет достичь достаточно миниатюрных размеров реле.

Применение таких герконов во всех раскрытых здесь примерах реализации реле позволяет не превышать величину выходной ёмкости более 0,6 пФ, что существенно ниже существующего уровня техники, и успешно показало себя при коммутации сигналов, воздействующих на сенсорные экраны. Обычное герконовое реле с аналогичным герконом характеризуется величиной ёмкости между обмоткой и контактными сердечниками превышающей 0,6 пФ и не может быть использовано в данном случае. Кроме того, раскрытые здесь примеры осуществления реле повышают помехоустойчивость при работе, так как влияние управляющей цепи, соединённой с обмоткой реле, на выходной сигнал минимизировано, а также обеспечивают возможность использования в носимых электронных устройствах – высота реле не превышает 3 мм.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для коммутации электрических цепей при воздействии магнитного поля на герметизированные контактные группы. Технический результат заключается в снижении значений проходной ёмкости, обеспечении бесшумности работы и возможности использования в носимых электронных устройствах. Электромагнитное герконовое реле содержит герметичную колбу, в которой установлены два гибких контактных сердечника. На выходе из колбы первый контактный сердечник соединён с первым выводом, а второй контактный сердечник соединён со вторым выводом. Второй контактный сердечник состоит из контактной и неконтактной частей, между которыми выполнен зазор. Первая часть второго контактного сердечника прилегает к зазору в непосредственной близости от расположенных последовательно мест его выхода из колбы и места присоединения второго немагнитного вывода, а вторая часть второго контактного сердечника в непосредственной близости от зазора с другой его стороны помещена в катушку с обмоткой. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Электромагнитное герконовое реле, характеризующееся тем, что содержит герметичную колбу, в которой установлены два гибких контактных сердечника, на выходе из которой первый контактный сердечник соединён с первым выводом, а второй контактный сердечник соединён со вторым выводом, причем второй контактный сердечник состоит из контактной и неконтактной частей, между которыми выполнен зазор, при этом первая часть второго контактного сердечника прилегает к зазору в непосредственной близости от расположенных последовательно мест его выхода из колбы и места присоединения второго немагнитного вывода, а вторая часть второго контактного сердечника в непосредственной близости от зазора с другой его стороны помещена в катушку с обмоткой.

2. Электромагнитное герконовое реле по п.1, характеризующееся тем, что часть контактного первого сердечника после его выхода из колбы и места крепления немагнитного вывода и вторая неконтактная часть второго сердечника после ее выхода из катушки встречно загнуты и расположены на расстоянии упомянутого зазора, или выполнены прямыми.

3. Электромагнитное герконовое реле по п.1, характеризующееся тем, что дополнено постоянными магнитами с аксиальной намагниченностью, установленными в непосредственной близости от сердечников.

4. Электромагнитное герконовое реле по п.1, характеризующееся тем, что выводы выполнены из немагнитного материала.

5. Электромагнитное герконовое реле по п.1, характеризующееся тем, что зазор представляет собой воздушный зазор или пластину из немагнитного диэлектрического материала, установленного в зазор между частями сердечника.

6. Электромагнитное герконовое реле по п.1, характеризующееся тем, что ширина зазора определяется исходя из:

g = ɛ₀ɛπR²/C,

где

g – ширина зазора;

ɛ₀ – электрическая постоянная;

ɛ – диэлектрическая проницаемость среды в зазоре;

R – радиус сердечника геркона;

C – ёмкость между торцами сердечника в зазоре, определяющая проходную ёмкость электромагнитного герконового реле.

7. Электромагнитное герконовое реле по п.1, характеризующееся тем, что дополнительно содержит магнитный экран, выполненный в виде кожуха из ферромагнитного материала, охватывающего всю конструкцию реле, или в виде пластины, установленной между реле и источником магнитного поля.