Бесконтактный поворотный переключатель Советский патент 1991 года по МПК H01H37/58 

Бесконтактный поворотный переключа тель состоит из статора 1, выполненного в виде поло(о шара с ребрами на его внешней поверхности из рздмопрозрачного и имеющего малый коэффициент трения материала, например фторопласта закрепленными на его наружной поверхности пластинами 2 термочувствительного элемента, выполненными из ферромагнитного материала например интерметаллического соединения имеющего свойство менять направление намагниченности на противоположное при изменении температуры Внутри статора размещен ротор 3, выполненный в виде полого шара из диэлектрического материала, например пластмассы, на котором .закреплены постоянный магнит 4 выполненный в виде полого полушария, и сердечник 5 выполненный в виде полого полуичрия из высокочастотного ферромагнитного материала, например феррита Роюр 3 имеет три степени свободы угловых перемещении относительно статора 1

В пазу Ьопюлценном в центре постоянного магнита 4, размещен управляющий элеменг б выполненный в виде светодиода, световой луч которого имеет круглое сечение подключенного источнику тока 7

Источни юка 7 включает, внешнюю цепь 8 высокочастотного сигнала, соединенную с излучателем 9 высокочастотного сигнала выполненным в виде трехсекцион- ной кэтуини чмдукгивности, секции кото- рои размещнни to внешней поверхности стагора в npoci рлчстве между его ребрами, в трех в пимно перпендикулярных плоско- стя приемник высоко тастотного сиг. нала 10 выполненный в виде катушки индуктивности, размещенной на сердечнике 5. соединенной с выпрямителем 11 высокочастотного сигнала, вьиод которого соединен со входом сiаЬилизагора 12 постоянного тока. Выпрямитель 11 и стабилизатор 2 размещены з роторе 3 Выход стабилизатора 12 является одновременно выходом источника тока , к которому подключен управляющий элемент 6. Постоянный магнит 4 и приемник 10 высокочастотно о сигнала закрыты оболочкой 13, выполненной из радио прозрачно о и имеющего малый коэффициент трения материала, например фторопласта Ротор 3 сбалансирован относительно центра

В пазах, выполненных с равномерным смещением на всей внутренней поверхности статора, установлены фотоприемники 14, выполненные в виде круглых полупроводниковых фотоэлементов, соединенных с внешней измеиительной электрической

15, при этом диаметр полупроводникового фотоэлемента фотоприемника 14 выбран меньшим диаметра светового луча светодиода управляющего элемента б, а полупроводниковью фотоэлементы фотоприемников 14 размещены в пазах статора на расстоянии между центрами двух смежных полупроводниковых фотоэлементов фотоприемников 14, не превышающих диаметр светового луча светодиода

0 управляющего элемента 6. Кроме того сферические координаты каждого фотоприемника 14 относительно центра переключателя заданы их размещением на внутренней поверхности статора.

5Бесконтактный поворотный переключатель работает следующим образом.

В исходном положении, когда температура равна Тк - температуре компенсации магнитных моментов подрешеток ферро0 магнитного материала пластин 2, величина их остаточной намагниченности равна нулю. Магнитные силы взаимодействия между постоянным магнитом 4, закрепленным на роторе 3, и пластинами 2 термочувстви5 тельного элемента. Ротор 3 с закрепленным на нем постоянным магнитом 4 и расположенным в пазу постоянного магнита управляющим элементом 6 находится в произвольном положении. Светодиод уп0 равляющего элемента 6 не излучает световую энергию, так как источник тока 7, к которому он подключен, находится в выключенном состоянии. При этом полупроводниковые фотоэлементы фотоприемников 14 не

5 облучаются световым лучом светодиода управляющего элемента 6, вследствие чего во внешней измерительной электрической цепи 15, подключенной к выходам полупроводниковых фотоэлементов фото0 приемников 14, напряжение отсутствует, что сигнализирует об отсутствии информации об угловом положении источника тепловой энергии в пространстве относительно переключателя

5Из исходного в рабочее положение бесконтактный поворотный переключатель переводится путем нагрева пластин 2 термочувствительногаэлемента от источника теплдвой энергии и подключением внеш0 ней цепи 8 высокочастотного сигнала к источнику высокочастотного сигнала, находящемуся за пределами бесконтактного поворотного переключателя, в следующем порядке.

5 При нагреве бесконтактного поворотного переключателя источником тепловой энергии (источник тепловой энергии должен находиться от переключателя на расстоянии, значительно превосходящем его диаметр) пластины 2 термочувствительного

элемента, расположенные на половине бесконтактного поворотного переключателя, обращенной к источнику тепловой энергии, нагреваются его тепловыми лучами, при этом зона нагрева пластин 2 составляет полушарие. При нагреве пластин 2 до температуры Т2 величина их остаточной намагниченности увеличивается до Ir2 (фиг.З). В результате этого на статоре 1 из пластин 2 образуется ферромагнитный участок, равный зоне нагрева и имеющий направление намагниченности, совпадающее с направлением поля постоянного магнита 4. Ротор 3 в результате магнитного силового взаимодействия постоянного магнита 4 с пластинами 2, в которых произошло увеличение остаточной намагниченности, совершает угловое перемещение до совмещения посто- янного магнита 4 с этим ферромагнитным участком, при этом све- тодиод управляющего элемента 6 оказывается напротив полупроводникового фотоэлемента фотоприемника 14. расположенного в центре зоны нагрева пластин 2 термочувствительного элемента. Одновременно включается источник тока 7, работа которого происходит следующим образом.

Внешняя цепь 8 высокочастотного сигнала подключается к источнику высокочастотного сигнала, например генератору высокочастотного сигнала, находящемуся за пределами бесконтактного поворотного переключателя. Высокочастотный сигнал через внешнюю цепь 8 высокочастотного сигнала поступает на излучатель 9 высокочастотного сигнала, выполненный в виде трехсекционной катушки индуктивности, секции которой размещены на внешней поверхности статора в пространстве между его ребрами в трех взаимно перпендикулярных плоскостях. Переменная магнитная составляющая этого поля пересекает витки катушки индуктивности приемника 10 и в ней наводится ЭДС. Увеличение индуктивности катушки приемника 10 происходит за счет сердечника 5, выполненного из высокочастотного ферромагнитного материала феррита. В катушке индуктивности приемника 10 ЭДС будет наводиться при любом угловом положении ротора 3 относительно статора 1, так как переменное магнитное поле возбуждено в трех взаимно перпендикулярных плоскостях.

Высокочастотная ЭДС, наводимая в катушке приемника 10, преобразуется выпрямителем 11 в постоянное напряжение, которым запитан через стабилизатор тока 12 светодиод управляющего элемента 6. Стабилизация тока, питающего светодиод управляющего элемента 6, позволяет стабилизировать интенсивность светового луча светодиода. что повышает точность работы бесконтактного переключателя.

Таким образом включен источник тока 7, и подключенный к нему светодиод управляющего элемента б излучает световую энергию.

Фотоэлемент фотоприемника 14, оказавшийся напротив светодиода управляю0 щего элемента 6 и облучаемый его световым лучом, преобразует световую энергию в электрическую, в результате чего во внешней измерительной электрической цепи 15, соединенной с этим фотоэлементом, появляет5 ся напряжение, величина которого зависит от облучаемой площади фотоэлемента.

Наличие напряжение во внешней измерительной электрической цепи, подключенной к облучаемому фотоэлементу

0 фотоприемника 14, сигнализирует об угловом положении в пространстве источника тепловой энергии относительно бесконтактного поворотного переключателя в сферических координатах, так как источник

5 тепловой энергии находится на продолжении радиус-вектора, на котором расположен облучаемый фотоэлемент фотоприемника 14, а его полярные углы заданы размещением фотоэлементов фото0 приемников 14 на внутренней поверхности статора 1.

В случае одновременного облучения световым лучом управляющего элемента б нескольких фотоэлементов фотоприемни5 ков 14 (до 4-х), во внешней измерительной электрической цепи 15, подключенной к этим фотоэлементам, появляется напряжение, величина которого за-зисит от облучаемой площади этих фотоэле0 ментой. При этом точные угловые координаты источника тепловой энергии в пространстве, относительно бесконтактного поворотного переключателя, определяются по соотношению напряжений

5 облучаемых фотоэлементов фотоприемников 14. За эталонное принято напряжение, вырабатываемое одним фотоэлементом, вся площадь которого облучается лучом светодиода. Суммарное напряжение, вырабаты0 ваемое несколькими одновременно облучаемым фотоэлементами, равно эталонному, что достигается выбранным соотношением диаметров луча светодиода и фотоэлементов, а также выбранным разме5 щением смежных фотоэлементов.

При угловом перемещении источника тепловой энергии в пространстве относительно бесконтактного поворотного пре- ключателя, происходящего в произвольной плоскости, в зону нагрева попадают пластины 2, находившиеся в тени, которые нагреваясь до температуры Т увеличивают свою остаточную намагниченность до величины 1г2.Юдновременно на противоположом конце зоны нагрева другие пластины 2 выходят из зоны нагрева и охлаждаясь, уменьшают величину остаточной намагниченности до нуля. В результате этого происходит угловое перемещение ферромагнитного участка, образованного пластинами 2, на угол перемещения зоны нагрева. При этом происходит нарушение баланса магнитных сил, и ротор 3, имеющий три степени свободы угловых перемещений, совершает угловое перемещение до момента совмещения постоянного магнита 4 с этим ферромагнитным участком.

При угловом перемещении источника тепловой энергии относительно бесконтактного поворотного переключателя, ротор 3 вместе с постоянным магнитом 4 и управляющим элементом 6, также отслеживает это угловое перемещение, последовательно облучая фотоэлементы фотоприемников 14, оказавшихся в центре зоны облучения, при этом во внешней измерительной электрической цепи, подключенной к этим фотоэлементам, появляется напряжение, величина которого зависит от .площади фотоэлементов, облучаемых световым лучом управляющего элемента 6, тем самым непрерывно сигнализируя об угловом положении источника тепловой энергии в пространстве относительно бесконтактного поворотного переключателя.

В случае понижения температуры бесконтактного поворотного переключателя (зона охлаждения равна полушарию) до температуры Т и происходит увеличение остаточной намагниченности пластин 2 термочувствительного элемента, находящихся в цепи (зоне) охлаждения в противоположном направлении до величины 1м , (фиг.З). при этом магнитное поле ферромагнитного участка, образованного охлажденными пластинами 2 термочувствительного элемента и равного зоне охлаждения, направлено встречно магнитному полю постоянного магнита 4, и взаимодействие между ними носит отталкивающий характер. В остальном работа бесконтактного поворотного переключателя аналогична описанной для случая его нагрева до температуры Т2.

Бесконтактный поворотный переключатель работоспособен при наличии градиента температур его зон нагрева и охлаждения в любой части характеристики температурной зависимости остаточной намагниченности пластин 2 термочувствительного

элемента, достаточного для создания дисбаланса магнитных сил, осуществляющих угловое перемещение ротора 3 относитель- ностатора 1 в произвольных плоскостях, так

как угловые размеры зон нагрева, охлаждения и постоянного магнита 4 равны полушарию. При этом, повышение точности определения углового положения источника тепловой энергии в пространстве при его

угловом перемещении относительно бесконтактного поворотного переключателя в произвольных плоскостях происходит за счет непрерывного определения его угловых координат.

Ротор 3 сбалансирован относительно его центра, что защищает от внешних возмущающих моментов.

Выполнение статора 1 и оболочки 13 из

материала, обладающего малым коэффициентом трения, уменьшает трение между статором 1 и оболочкой 13, совершающей вместе с ротором 3, постоянным магнитом 4, сердечником 5 и приемником 10 угловое

перемещение относительно статора 1.

Все это повышает точность определения углового положения источника тепловой энергии в пространстве при его угловом перемещении относительно бесконтактного поворотного переключателя в произвольных плоскостях и расширяет эксплуатационные возможности поворотного переключателя.

Преимуществами предлагаемого устройства являются его широкие эксплуатационные возможности и повышенная точность работы, так как оно позволяет непрерывно, с большей точностью определять угловое положение источника тепловой энергии в

пространстве при его угловом перемещении относительно бесконтактного поворотного переключателя, происходящего в произвольных плоскостях. Кроме того, оно имеет высокую надежность.

Формула изобретения

1. Бесконтактный поворотный переключатель, содержащий статор, термочувствительный элемент, выполненный из термомагнитного материала и зэкрепленный на наружной поверхности статора, постоянный магнит ротора с пазом на внешней поверхнвсти, закрепленный на роторе, управляющий элемент, установленный в пазу постоянного магнита ротора и

внешнюю измерительную электрическую цепь, отличающийся тем, что, с целью расширения эксплуатационных возможностей, он снабжен источником тока и фотоприемниками, управляющий элемент выполнен в виде светодиода, подключенного к источнику тока, статор выполнен в виде полого шара из радиопрозрачного материала с пазами, выполненными с равномерным смещением на его внутренней поверхности, в указанных пазах установлены фотоприемники, выполненные в виде полупроводниковых фотоэлементов, соединенных с внешней измерительной электрической цепью, при этом термочувствительный элемент и ротор выполнены в виде полых шаров, а постоянный магнит ротора выполнен в виде полого полушария.

0

2 Переключатель поп 1, о т л и ч а- ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности определения углового положения источника тепловой энергии, светодиод выполнен с лучом круглого сечения, каждый полупроводниковый фотоэлемент выполнен в виде цилиндра диаметр которого меньше диаметра луча светодиода, а пазы на внутренней поверхности статора выполнены так, что расстояния между центрами двух смежных пазов равны или меньше диаметра луча светодиода.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автоматических устройствах контроля и управления тепловыми процессами. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение точности определения углового положения источника тепловой энергии. Постоянный магнит 4, закрепленный на роторе 3, взаимодействует с пластинами 2 термочувствительного элемента, выполненными в виде инверсионного постоянного магнита, в которых произошло изменение величины магнитного поля в результате их нагрева источником тепловой энергии, совершающим угловое перемещение. Ротор 3, имеющий три степени свободы угловых перемещений относительно статора 1, вместе с постоянным магнитом 4 повторяет это угловое перемещение, при этом под действием светового луча светодиода управляющего элемента 6, закрепленного в центре постоянного магнита, последовательно облучаются фотоэлементы фотоприемников 14, размещенные на внутренней поверхности статора 1 и соединенные с внешней измерительной электрической цепью. Наличие напряжения во внешней измерительной электрической цепи, соединенной с облучаемым фотоэлементом фотоприемника 14, получаемое в результате фотоэлектронного преобразования, сигнализирует об угловом положении источника тепловой энергии в пространстве, а его точные угловые координаты определяются по соотношению напряжений облучаемых фотоэлементов фотоприемника 14. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Фиг 2

Фиг.З