PL239158B1

PL239158B1 - Electromagnetic release

Info

Publication number: PL239158B1
Application number: PL431529A
Authority: PL
Inventors: Łukasz Kolimas; Krzysztof Bieńkowski; Sebastian Łapczyński; Michał Szulborski; Łukasz Kozarek; Karol Birek
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 2019-10-21
Filing date: 2019-10-21
Publication date: 2021-11-08
Also published as: PL431529A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

DziedzinaField

Przedmiotem wynalazku jest wyzwalacz elektromagnetyczny, zwłaszcza przystosowany do sterowania programowego.The invention relates to an electromagnetic trigger, in particular adapted to program control.

Stan technikiState of the art

W stanie techniki znane są wyzwalacze stanowiące łączniki krańcowe typu KLM przeznaczone pracy w obwodach sygnalizacyjnych, zabezpieczających i kontrolnych. Łącznik krańcowy jest uruchamiany za pośrednictwem urządzenia napędzającego. Siła przyłożona do dźwigni popychacza powoduje przestawienie styków ruchomych. Po ustąpieniu siły napędzającej, styki ruchome wracają pod wpływem siły sprężyny do pozycji wyjściowej.KLM type limit switches are known in the art for operation in signaling, protection and control circuits. The limit switch is actuated via a driving device. The force applied to the pusher lever causes the moving contacts to shift. After the driving force is released, the moving contacts return to their starting position under the influence of the spring force.

Do wad styczników krańcowych należy zaliczyć skok ograniczony do kilkunastu milimetrów i podatność na zużycie, właściwą dla produktów o układzie stykowym punktowym. Do typowych usterek zalicza się zespawanie się blaszek łącznika wyginanie i zakleszczanie. Te niedogodności ograniczają zakres zastosowań.The disadvantages of end contactors include the stroke limited to a dozen or so millimeters and the susceptibility to wear, appropriate for products with a point contact system. Typical faults include welding of the connector plates, bending and jamming. These disadvantages limit the range of applications.

Z amerykańskiego dokumentu patentowego US8692636B2 znany jest wyzwalacz elektromagnetyczny uwidoczniony na Pos. 2 służący do zwierania i rozwierania kontaktów elektrycznych. Wyzwalacz ten jest zaopatrzony w ferromagnetyczny rdzeń 11, stanowiący korpus otaczający cewkę elektromagnetyczną 7, ustawioną współosiowo i obok wydrążonego w środku magnesu stałego 8. Wewnątrz magnesu i cewki przebiega nieruchomy rdzeń magnetyczny 10, a wewnątrz nieruchomego rdzenia magnetycznego 10 ruchomy pręt 12, zaopatrzony w pierwszą 9 i drugą 12 zworę elektromagnetyczną, znajdujące się na przeciwnych końcach rdzenia 11 i przystosowane do domykania go. Położenie równowagi pręta 12 zależy od natężenia prądu płynącego przez cewkę 7.From the US patent document US8692636B2 there is known an electromagnetic trigger as shown in Fig. 2 for closing and opening electrical contacts. This trigger is provided with a ferromagnetic core 11, constituting the body surrounding the electromagnetic coil 7, aligned coaxially and next to the hollow permanent magnet 8. Inside the magnet and the coil runs a fixed magnetic core 10, and inside the fixed magnetic core 10 a movable rod 12 provided with a first 9 and a second 12 electromagnetic armature, located at opposite ends of the core 11 and adapted to close it. The position of the equilibrium of the rod 12 depends on the intensity of the current flowing through the coil 7.

Wadą tego rozwiązania jest to, że trudno jest precyzyjnie kontrolować działanie przełącznika.The disadvantage of this solution is that it is difficult to precisely control the operation of the switch.

IstotaBeing

Wyzwalacz elektromagnetyczny jest zaopatrzony w korpus, wewnątrz którego, przy jego pierwszym końcu znajduje się pierwsza cewka, i który ma z przeciwnych stron pierwszą ruchomą zworę elektromagnetyczną i drugą ruchomą zworę elektromagnetyczną, zgodnie z wynalazkiem cechuje się tym, że korpus jest diamagnetyczny lub paramagnetyczny, i ma drugi koniec przy którym wewnątrz korpusu znajduje się druga cewka, współosiowa z pierwszą cewką. Pierwsza i druga cewka częściowo otaczają współosiową z cewkami pustą przestrzeń korpusu wewnątrz której przemieszcza się ruchomy rdzeń. Pierwsza i druga zwora są namagnesowane, a wzdłuż pustej przestrzeni korpusu są rozmieszczone są czujniki optyczne. W pozycji zamkniętej zwora przyciąga się do rdzenia. Konstrukcja wyzwalacza umożliwia przerwanie tego oddziaływania poprzez dobranie natężenia prądu płynącego przez cewkę. Namagnesowanie zwory umożliwia jej szybkie oderwanie od rdzenia, a z niemagnetycznym korpusem zwora nie oddziałuje.The electromagnetic release is provided with a body inside which, at its first end, is a first coil, and which has on opposite sides a first movable electromagnetic armature and a second movable electromagnetic armature, according to the invention the body is diamagnetic or paramagnetic, and it has a second end at which a second coil is located inside the body, coaxial with the first coil. The first and second coils partially surround the hollow space of the body coaxial with the coils within which the movable core moves. The first and second armature are magnetized, and optical sensors are disposed along the cavity of the body. In the closed position, the armature pulls to the core. The design of the release enables the interruption of this interaction by selecting the intensity of the current flowing through the coil. The magnetization of the armature enables it to be quickly detached from the core, and the armature does not interact with the non-magnetic body.

Korzystnie pierwsza i druga zwora są umieszczone odpowiednio na pierwszej i drugiej sprężynie pomocniczej. Sprężyny dodatkowo ułatwiają proces przełączania.Preferably, the first and second armature are located on the first and second auxiliary springs, respectively. The springs further facilitate the switching process.

Korzystnie korpus jest wykonany z tworzywa sztucznego. Tworzywa sztuczne jako niemagnetyczne dobrze nadają się do wykonywania niemagnetycznych korpusów.Preferably, the body is made of plastic. Plastics, being non-magnetic, are well suited for making non-magnetic bodies.

Wyzwalacz elektromagnetyczny korzystnie jest zaopatrzony w czujniki akustyczne położenia rdzenia rozmieszczone przy przeciwnych końcach korpusu.The electromagnetic trigger is preferably provided with acoustic core position sensors disposed at opposite ends of the body.

Wyzwalacz elektromagnetyczny korzystnie jest wyposażony w elektroniczny układ sterujący, w którym są zintegrowane czujniki optyczne oraz układ zasilania cewek.The electromagnetic release is preferably equipped with an electronic control system in which the optical sensors and the power supply for the coils are integrated.

Układ zasilania cewek korzystnie zawiera układ kondensatorowy. Taki układ ułatwia generowanie impulsów prądu o dużym natężeniu i ułatwia skalowanie rozwiązania bez ingerencji w jego wewnętrzną strukturę a jedynie przez stosowanie silniejszych zwór i większych natężeń prądów.The coil feed circuit preferably comprises a capacitor circuit. Such a system facilitates the generation of high-intensity current pulses and facilitates the scaling of the solution without interfering with its internal structure, but only by using stronger jumpers and higher currents.

Opis figurDescription of the figures

Przedmiot wynalazku został ukazany w przykładach wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia schematycznie przykład wykonania wyzwalacza elektromagnetycznego z rdzeniem w położeniu pomiędzy cewkami, Fig. 2 przedstawia schematycznie ten sam przykład wykonania wyzwalacza elektromagnetycznego z rdzeniem w położeniu przy pierwszej cewce, Fig. 3 przedstawia schematycznie ten sam przykład wykonania wyzwalacza elektromagnetycznego z rdzeniem w położeniu przy drugiej cewce, Fig. 4 przedstawia kolejny przykład wykonania wyzwalacza elektromagnetycznego według wynalazku, Fig. 5 ilustruje mechanizm odwzbudzenia magnesu stałego natomiast Fig. 6 ilustruje przykładowy układ sterowania zasilaniem.The subject of the invention is shown in the drawing examples, in which Fig. 1 schematically shows an embodiment of an electromagnetic release with the core in a position between the coils, Fig. 2 schematically shows the same embodiment of an electromagnetic release with the core in a position next to the first coil, Fig. 3 is a schematic representation of the same embodiment of an electromagnetic trigger with the core in position at the second coil, Fig. 4 shows another embodiment of an electromagnetic trigger according to the invention, Fig. 5 illustrates the permanent magnet de-excitation mechanism and Fig. 6 illustrates an exemplary power control system.

PL 239 158 B1PL 239 158 B1

Opis przykładów wykonaniaDescription of the embodiments

Wyzwalacz elektromagnetyczny według przykładu wykonania wynalazku został zilustrowany schematycznie na Fig. 1. Jest on zaopatrzony w korpus 108 z tworzywa sztucznego, wewnątrz którego, przy jego pierwszym końcu, znajduje się pierwsza cewka 107A a przy drugim końcu druga cewka 107B. Przy obu końcach korpusu 108 wyzwalacz jest zaopatrzony w namagnesowane zwory elektromagnetyczne 101A i 101B. Cewki są współosiowe i otaczają pustą przestrzeń wewnątrz korpusu, w której porusza się ferromagnetyczny rdzeń 102. Wzdłuż korpusu znajdują się czujniki optyczne umożliwiające kontrolę położenia rdzenia. Czujniki te składają się z par źródło światła - fotoelement. Fig. 1 ukazuje rdzeń 102 w położeniu pomiędzy cewkami. Przemieszczenie rdzenia ku któremukolwiek z końców skutkuje przyciągnięciem do niego nam agnesowanej zwory 101A lub 101B - co ukazano na Fig. 2 i Fig. 3. Przemieszczenie rdzenia można kontrolować dobierając natężenie prądu płynącego przez cewki. Dla usprawnienia działania wyzwalacza zwory umieszczono na sprężynach pomocniczych - odpowiednio 110A i 110B. Siła przyciągania rdzenia i zwory zgniata sprężynę pomocniczą. Zgniecenie sprężyny 110B ukazano na Fig. 2, a zgniecenie sprężyn 110A na Fig. 3.An electromagnetic release according to an embodiment of the invention is schematically illustrated in Fig. 1. It is provided with a plastic body 108 inside which, at a first end thereof, a first coil 107A and at a second end a second coil 107B. At both ends of the body 108, the trigger is provided with magnetized solenoid valves 101A and 101B. The coils are coaxial and surround a void within the body in which the ferromagnetic core 102 moves. Along the body are optical sensors to control the position of the core. These sensors consist of pairs of light source - photoelement. Fig. 1 shows the core 102 in a position between the coils. The displacement of the core towards either end results in a magnetized armature 101A or 101B being drawn thereto, as shown in Figs. 2 and 3. The displacement of the core can be controlled by selecting the current through the coils. To improve the operation of the release, the armature has been placed on the auxiliary springs - 110A and 110B, respectively. The pull force of the core and armature compresses the auxiliary spring. The compression of the spring 110B is shown in Fig. 2 and the compression of the springs 110A in Fig. 3.

Informacji o tym, przy której zworze znajduje się rdzeń, bądź informacji, że przy żadnej z nich mogą dostarczyć dwa czujniki rozmieszczone przy samych zworach. Zastosowanie większej liczby czujników optycznych 104 zapewnia lepszą kontrolę pracy wyzwalacza, co ukazano na Fig. 4.Information about which armature the core is located, or information that neither of them can be provided by two sensors located at the same armatures. The use of more optical sensors 104 provides better control of the operation of the trigger, as shown in Fig. 4.

Korzystną modyfikacją są czujniki akustyczne, za pomocą których można wykryć moment przemieszczenia się zwory i jej połączenia z rdzeniem. Informację o położeniu rdzenia i stanie przełącznika można wyprowadzić dla użytkownika zasilając diody sygnalizacyjne 106, rozmieszczone przy przeciwnych końcach, korpusu 108 stosownie do położenia rdzenia 102 w korpusie 108.A preferred modification are acoustic sensors with which it is possible to detect the moment of displacement of the armature and its connection with the core. Information about the position of the core and the state of the switch can be derived to the user by energizing the signaling LEDs 106 arranged at opposite ends of the body 108 according to the position of the core 102 in the body 108.

Do przełączenia wyzwalacza potrzebny jest przepływ prądu przez uzwojenie cewki 107A, 107B, przy której aktualnie znajduje się rdzeń 102. W rezultacie przepływu prądu przez cewkę 107A, 107B następuje odwzbudzenie stałego magnesu zwory 101A, 101B. Mechanizm odwzbudzenia ilustruje Fig. 5.The trip requires a current to flow through the coil winding 107A, 107B, where the core 102 is currently located. As a result of the current flowing through the coil 107A, 107B, the armature permanent magnet 101A, 101B is de-energized. The mechanism of de-activation is illustrated in Fig. 5.

Taki sposób działania jest możliwy dzięki temu, że gdy rdzeń ferromagnetyczny 102 znajdzie się na obrzeżu cewki 107A, 107B zasilonej prądem stałym, to na rdzeń 102 jest wywierana siła.This mode of operation is made possible by the fact that when the ferromagnetic core 102 is positioned on the periphery of the DC coil 107A, 107B, a force is exerted on the core 102.

W wyniku jej działania rdzeń 102 dąży do położenia w środku cewki.As a result of its operation, the core 102 tends to be positioned in the center of the coil.

Czujnik przy cewce pozwala wykryć ten moment i przerwać przepływ prądu. Poruszający się rdzeń jest wówczas hamowany i w związku z bezwładnością swojego ruchu przemieści się na drugą stronę korpusu 108 ku drugiej zworze.A sensor on the coil detects this moment and stops the current flow. The moving core is then decelerated and due to the inertia of its movement will move to the other side of the body 108 towards the other armature.

Efekt ten wzmaga również to, że rdzeń 102 znajdujący się w pobliży zasilonej cewki ulega magnetyzacji i w konsekwencji staje się magnesem o biegunowości przedstawionej na Fig. 5.This effect is also enhanced by the fact that the core 102 adjacent the energized coil becomes magnetized and consequently becomes a magnet with the polarity shown in Fig. 5.

Niezależnie od tego, z której strony korpusu 108 znajduje się początkowo rdzeń 102, współdziałanie pola magnetycznego cewki z wytworzonym polem magnetycznym rdzenia spowoduje wciągnięcie rdzenia do wewnątrz cewki i osłabienia pola magnesu zwory.Regardless of which side of the body 108 the core 102 initially faces, the interaction of the coil's magnetic field with the core's generated magnetic field will draw the core inside the coil and weaken the armature's magnet field.

Cewki 107A, 107B są nawinięte płaskownikiem miedzianym o przekroju 4 na 2 mm, co zapewnia możliwość przewodzenia prądu o wysokim natężeniu w szczególności prądu z baterii kondensatorów. Kontrola pozycji rdzenia 102 jest realizowana poprzez czujniki 104, zawierające fotoelementy wybrane z grupy obejmującej fototranzystor, fotodioda, fotorezystor.The coils 107A, 107B are wound with a copper flat bar with a cross-section of 4 by 2 mm, which makes it possible to conduct high current, in particular current from the capacitor banks. The position of the core 102 is monitored by sensors 104 containing photo elements selected from the group consisting of a photo transistor, a photo diode, and a photo resistor.

W niniejszym przykładzie wykonania zastosowano zasilanie z baterii kondensatorów, załączanej wyłącznikiem tyrystorowym sterowanym za pośrednictwem mikrokontrolera. Układ zasilania zintegrowany z fotoelementami stanowiącymi czujniki położenia, ułatwiający takie sterowanie został schematycznie ukazany na Fig. 6.In the present embodiment, the power supply from a capacitor bank, switched on with a thyristor switch controlled by a microcontroller, was used. The power supply system integrated with photoelements constituting position sensors, facilitating such control, is schematically shown in Fig. 6.

W celu prawidłowego wyzwolenia tyrystora pomiędzy bramkę, a katodę należy podłączyć napięcie o wartości 2,5 V i umożliwić przepływ prądu o wartości 250 mA. Prąd wyjściowy z pinu mikrokontrolera może posiadać maksymalną wartość 40 mA. W związku z tym niezbędny jest układ pośredniczący pomiędzy bramką tyrystora a mikroprocesorem. W celu zapewnienia odpowiedniego napięcia oraz prądu służącego do wyzwolenia tyrystora zaprojektowano układ składający się z dwóch tranzystorów PNP i NPN o schemacie ukazanym na Fig. 6.In order to properly release the thyristor, a voltage of 2.5 V must be connected between the gate and the cathode and a current of 250 mA should be allowed to flow. The output current from the microcontroller pin can have a maximum value of 40 mA. Therefore, an intermediate circuit between the thyristor gate and the microprocessor is necessary. In order to provide the appropriate voltage and current to trigger the thyristor, a system consisting of two PNP and NPN transistors was designed with the diagram shown in Fig. 6.

Tego typu wyzwalacz może być wykorzystywany w szerokim zakresie w układach napędowych aparatów elektrycznych niskiego, średniego i wysokiego napięcia. Może być zastosowany jako elektromagnes układów wyzwalania wszelkich urządzeń elektro-fizycznych. Może stanowić zamek elektromagnetyczny stosowany w dyscyplinach innych niż elektrotechnika. Może być łącznikiem krańcowym o dowolnie dużym skoku.This type of release can be used in a wide range in the drive systems of low, medium and high voltage electrical apparatus. It can be used as an electromagnet for triggering any electro-physical devices. It can be an electromagnetic lock used in disciplines other than electrical engineering. It can be a limit switch with any stroke length.

PL 239 158 B1PL 239 158 B1

Oznaczenia:Signs:

- korpus (108),- body (108),

- diodowe wskaźniki położenia (107),- LED position indicators (107),

- akustyczne wskaźniki położenia (105),- acoustic position indicators (105),

- fotoelementy (104),- photoelements (104),

- rdzeń ferromagnetyczny (102),- ferromagnetic core (102),

- cewka lewa (107A),- left coil (107A),

- cewka prawa (107B)- right coil (107B)

- zwora magnetyczna lewostronna (101A),- left-hand magnetic lock (101A),

- sprężyna pomocnicza lewostronna (110A),- left-hand auxiliary spring (110A),

- zwora magnetyczna prawostronna (101B),- right-hand magnetic lock (101B),

- sprężyna pomocnicza prawostronna (110B).- right-hand auxiliary spring (110B).

Claims

Patent claims

1. An electromagnetic release provided with a body (108) inside which at its first end is a first coil (107A) having on opposite sides a first movable electromagnetic armature (101A) and a second movable electromagnetic armature (101B), characterized in that the body ( 108) is diamagnetic or paramagnetic, and the body (108) has a second end at which inside the body (108) a second coil (107B) is coaxial with the first coil (107A), and the first (107A) and second (107B) coils surround the the hollow space of the body (108) coaxial with the coils inside which the movable core (102) moves, while the first (101A) and second (101B) armatures are magnetized, and in the vicinity of the armatures (107A, 107B) at the empty space of the body (102) are arranged are optical sensors (104).

2. A trigger according to claim The method of claim 1, wherein the first (101A) and second (101B) armatures are disposed on the first (110A) and second (110B) auxiliary spring, respectively.

3. The electromagnetic release according to claim 1, The method of claim 1 or 2, characterized in that the body is made of plastic.

4. The electromagnetic release according to claim 1, The core (102) positioned at opposite ends of the body (102) as claimed in claim 1, 2 or 3, characterized in that it is provided with acoustic sensors (105) for the position of the core (102).

5. The electromagnetic release according to claim 1 A method as claimed in any one of the preceding claims, characterized in that it is provided with an electronic control circuit in which optical sensors (104) and a coil supply circuit (107A, 107B) are integrated.

6. An electromagnetic release according to claim 1 5. The coil supply circuit according to claim 5, characterized in that the coil supply circuit comprises a capacitor circuit.