ЗАМОК ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ

Область техники и промышленная применимость

Замок электростатический (ЗЭС) относится к устройствам фиксации и удержания в фиксированном состоянии относительно друг друга отдельных частей или элементов различных механизмов и устройств или элементов запираемых механизмов с возможностью их последующего обратного разъединения и функционирует за счет электростатической (кулоновской) силы притяжения между электродами, заряженными противоположными электрическими зарядами и разделенными слоем диэлектрика. Данное устройство может служить запирающим устройством (замком), а также использоваться во многих других аналогичных технических целях.

Предшествующий уровень техники

Идея использования электростатического (кулоновского) притяжения между электрическими зарядами противоположного знака для создания запирающих устройств имеет множество попыток реализации, в том числе воплощенных в патенты. Все эти решения объединяет общий базовый принцип действия: силу, удерживающую ЗЭС в закрытом состоянии, создает пара электродов, которые могут двигаться относительно друг друга, при этом в одном из своих положений эти электроды находятся в состоянии плотного примыкания друг к другу через разделяющий токопроводящие части электродов тонкий слой диэлектрика, так что если в этом положении на электроды подать электрические заряды противоположного знака, между электродами возникнет сила электростатического притяжения и для отделения электродов друг от друга к ним нужно приложить силу, превышающую эту электростатическую силу. В дальнейшем будем называть минимальную внешнюю силу, которую необходимо приложить к ЗЭС в закрытом состоянии, чтобы его открыть, силой удержания.

Однако в настоящий момент ЗЭС практически не применяются в промышленности и технике, в то время как широкое применение нашли электрические замки, работающие на принципах электромагнитной индукции: известны электромагнитные замки, у которых силу, удерживающую замок в закрытом состоянии, создает электромагнит; также известны электромагнитные защелки, у которых электромагнит по управляющему сигналу приводит в движение блокирующее защелку устройство.

Основной причиной, по которой ЗЭС до сих пор не нашли применения, является то, что для создания приемлемых для его работы сил удержания требуется подавать на его электроды очень высокое напряжение (сила удержания прямо пропорциональна квадрату этого напряжения), как минимум в несколько киловольт или в десятки киловольт, и даже этого оказывается недостаточно: также нужно, чтобы электроды обладали или огромной площадью поверхности взаимного контакта, или сверхвысокой диэлектрической проницаемостью диэлектрика, через который они примыкают друг к другу. Таким диэлектриком может быть сегнетокерамика, но в этом случае плотность примыкания электродов должна быть настолько точной, что достижение приемлемого уровня обработки поверхности керамики в настоящий момент технически недоступно.

Предложенное в настоящем изобретении техническое решение предлагает простой способ на несколько порядков увеличить силу удержания ЗЭС по сравнению с любым известным аналогом.

Раскрытие изобретения

В настоящем изобретении предложено для увеличения силы удержания ЗЭС объединить электростатическую силу притяжения и силу трения, которую создает электростатическая сила, при попытке сдвинуть один из притягивающихся электродов вдоль другого. Представим пару плоскопараллельных электродов, расположенных горизонтально в состоянии плотного примыкания друг к другу через тонкий однородный слой диэлектрика. При подаче разности потенциалов (напряжения) на электроды они начнут притягиваться друг к другу с некоторой силой (для упрощения массой верхнего электрода и соответствующему ей давлению на нижний электрод пренебрегаем). Если не отрывать один электрод от другого, а сдвигать один электрод вдоль другого, этому будет препятствовать сила трения между электродами, которая будет прямо пропорциональна силе притяжения электродов (коэффициент пропорциональности называется коэффициентом трения, он зависит от материалов, из которых сделаны контактирующие поверхности электродов). В общем случае эта сила трения по порядку величины будет близка к силе электростатического притяжения электродов и решающего преимущества мы не получим. Однако известен мультипликационный эффект силы трения между поверхностью цилиндрического стержня и намотанной на него ленты (или, например, силы трения веревки, обмотанной вокруг столба). Сила, с которой нужно тянуть за ленту, намотанную на стержень, для того, чтобы стянуть эту ленту со стержня, растет в геометрической прогрессии с каждым дополнительным витком ленты вокруг стержня.

Поскольку для настоящего изобретения данный эффект имеет ключевое значение, рассмотрим его более подробно. Возьмем длинный цилиндрический стержень радиуса R, на котором намотана однородная тонкая лента шириной D с образованием n полных параллельных витков без перехлеста. Между лентой и цилиндром действует однородная сила электростатического притяжения F_e, прямо пропорциональная площади контакта ленты и цилиндра S=2πnRD, т.е. электростатическое давление ленты на цилиндрический стержень Р_е=F_e/S=F_e/2πnRD. Коэффициент трения между стержнем и лентой равен k. За один свободный конец ленты тянут с силой F₀, за другой конец ленты также тянут с некоторой силой. Нас интересует, при каком значении этой второй силы F_* лента придет в движение и начнет скользить по стержню в направлении этой силы. Для удобства эта задача проиллюстрирована на фиг. 1, где представлены электрод в форме цилиндрического стержня (1), электрод в форме гибкой ленты (2), намотанный на стержень, и поперечный разрез стержня с намотанной не него лентой (3), который является окружностью радиуса R. В проекции на эту окружность ленту можно рассматривать как тонкий шнур на поверхности окружности, который обмотан вокруг окружности n раз (на фиг. 1 n=4, 5). N₁ и N₂ - силы реакции опоры стержня в двух близких точках, которые противодействуют давлению ленты.

Граничным условием равновесия ленты, после которого начинается ее проскальзывание, является условие того, чтобы разность сил натяжения ленты ΔF между двумя любыми поперечными линиями на ленте, каждая из которых проецируется в точку на окружности на фиг. 1, была равна суммарной силе трения скольжения, которую создает лента, заключенная между этими двумя линиями. То есть приращение силы натяжения ленты между двумя участками ленты равно приращению силы трения, в том числе это верно для двух бесконечно близких точек на окружности. Сила трения скольжения, как известно, равна силе давления ленты на поверхность стержня, умноженная на коэффициент трения k и умноженная на площадь данной поверхности. Сила давления будет складываться из двух величин: силы электростатического давления P_eΔS и силы давления F_p, порождаемой силой натяжения ленты, наложенной на цилиндрический стержень (в поперечном сечении окружность радиуса R), где ΔS - площадь ленты, заключенная между двумя бесконечно близкими точками проекции ленты на поперечное сечение стержня. Для определения второй силы рассмотрим две бесконечно близкие точки на этой окружности, удаленные друг от друга на бесконечно малый угол Δα. Тогда ΔS=ΔαRD, а искомая сила F_p будет равна сумме векторов натяжения ленты F и F+ΔF, которая в первом приближении будет равна: F_p=Fsin(Δα)=FΔα (величиной ΔF здесь можно пренебречь). Таким образом, получаем: ΔF=ΔF_тр или ΔF=k(P_eΔS+FΔα)=k(P_eΔαRD+FΔα)=k(F_e/(2πn)+F)Δα.

Переходя к пределу при Δα стремящемся к нулю (напоминаю, что мы взяли две бесконечно близкие точки на окружности), получаем простейшее дифференциальное уравнение, решением которого является:

F_*=F₀exp(2πnk)+F_e(exp(2πnk)-1)/(2πn),

в частном случае, когда F₀=0 (один конец ленты свободен), мы получаем:

F_*=F_e(exp(2πnk)-1)/(2πn).

Для упрощения расчет не учитывает величину наклона намотанной ленты к поперечному сечению стержня, тангенс угла наклона равен D/(4R), и данный фактор слабо влияет на конечный результат, особенно если ширина ленты D значительно меньше радиуса окружности поперечного сечения стрежня R.

Введем мультипликатор М=F_*/F_e, который показывает во сколько раз сила удержания такого ЗЭС из стержня и ленты, намотанной на стержень, превышает базовую величину электростатического притяжения между лентой и стержнем. Например, для коэффициента трения k=0,3 и количества витков n=7 получаем М больше чем 12 тысяч раз, то есть сила удержания такого ЗЭС более чем в 12 тысяч раз превышает силу электростатического притяжения электродов. Таким образом, эффективность ЗЭС может быть повышена практически неограниченно.

Единственным естественным ограничением является прочность материалов, из которых сделан ЗЭС.

Таким образом, мы имеем во много раз увеличенную силу удержания, в качестве которой выступает сила, препятствующая скольжению ленты по стержню, в создании которой участвуют сила электростатического притяжении ленты к стержню и порождаемая ею сила трения ленты о стержень. Также силу трения может порождать сила натяжения свободного конца ленты, создаваемая любым способом. Предложенное здесь техническое решение приводит к тому, что сила удержания ЗЭС увеличивается экспоненциально с добавлением каждого нового витка ленты и идеально подходит для ЗЭС.

Достигаемые технические результаты

Предложенное в настоящем изобретении решение позволяет получить несколько результатов, критически важных для ЗЭС:

1. Сила удержания ЗЭС в закрытом состоянии может достигать сколь угодно большой величины, на много порядков превосходя исходную силу электростатического притяжения между электродами ЗЭС, пределом является прочность ленточного электрода или элемента.

2. В отсутствие электростатической силы эта сила удержания может быть равна нулю, то есть при снятии напряжения ЗЭС переходит в открытое состояние.

3. Поскольку штатные режимы работы ЗЭС не предполагают работы в режиме проскальзывания под нагрузкой, то есть когда ЗЭС закрыт, проскальзывания нет, мы имеем трение покоя, без сдвигов ленты относительно стержня; при открытом ЗЭС, когда лента может приводиться в движение относительно стержня, трение может быть пренебрежимо мало (электростатическое притяжение отключено, остаются малые механические напряжения, которые можно свести практически к нулю); следовательно, износ трущихся друг о друга поверхностей ленты и стержня можно сделать минимальным.

4. При попытке открыть ЗЭС силовым методом его электроды все сильнее прижимаются друг к другу, поэтому нет проблемы плохого контакта электродов или угрозы возникновения воздушных зазоров между электродами, которые могут существенно уменьшить эффективность ЗЭС. Во многом из-за трудности решения данной проблемы ЗЭС не используется в настоящее время.

Таким образом, предложенное техническое решение обладает простотой и эффективностью. При определенных условиях в таком ЗЭС вместо ленточных электродов можно использовать провода, в том числе уже выпускающиеся промышленностью.

Варианты осуществления изобретения

Возможны два различных базовых варианта ЗЭС:

1. ЗЭС, работающий за счет электростатической силы давления электрода, выполненного в форме гибкой ленты или гибкого провода (назовем такие электроды электродами гибкой группы), на поверхность электрода, выполненного в форме цилиндрического стержня, на который наматываются лента или провод (назовем такие электроды электродами жесткой группы). В общем случае форма электрода жесткой группы может быть достаточно произвольной, например электрод может быть выполнен в форме стержня, внешняя граница поперечного сечения которого имеет форму произвольной, достаточно гладкой замкнутой линии. В более общем описании электрод жесткой группы должен иметь участок гладкой замкнутой поверхности, позволяющей наматывать на эту поверхность электрода ленту или провод с образованием витков ленты или провода вокруг электрода.

2. Возможно решение, при котором используется любой другой ЗЭС с относительно небольшой силой удержания, который объединен с описанным здесь механизмом мультипликации силы удержания, то есть вариант, когда сила натяжения одного из концов ленты или провода, которую создает ЗЭС, порождает силу трения между лентой или проводом и стержнем, которая многократно усиливается при намотке ленты или провода на стержень и, в конечном итоге, создает силу удержания, во много раз превосходящую исходную силу удержания ЗЭС. При этом данный механизм, многократно увеличивающий силу удержания (то есть лента и стержень), может быть сделан из любых элементов, в том числе не являющимися электродами. Для данного варианта ЗЭС можно ввести определение элементов жесткой и гибкой группы, аналогичное определению электродов жесткой и гибкой группы из первого варианта.

Также возможно объединение обоих этих решений в одном устройстве.

При этом возможны варианты, когда статической частью ЗЭС являются электроды или элементы жесткой группы, а подвижной частью, кинематически связанной с фиксируемым или блокируемым устройством, являются электроды или элементы гибкой группы. Однако с не меньшей эффективностью можно делать наоборот, поскольку внутри ЗЭС движение электродов и элементов разных групп является относительным.

Также большое количество вариантов возможно по коммутации электродов к источнику зарядов или напряжения, в том числе возможно, чтобы движущиеся электроды ЗЭС не были подсоединены напрямую к такому источнику. В таком случае они должны контактировать как минимум с двумя неподвижными электродами, подключаемыми к потенциалам разного знака, и электрические заряды на их поверхности будут возникать под действием электростатической индукции.

Другие варианты осуществления изобретения

Здесь и везде далее для простоты в описании используются ленточные электроды или элементы, как частный случай электродов или элементов гибкой группы, так же, как использование в описании стержневых электродов подразумевает возможность аналогичного обобщения для любых электродов жесткой группы. Для того чтобы такой ЗЭС был близок к идеалу в эксплуатации, также нужно предусмотреть отсутствие паразитных побочных эффектов, которые могут препятствовать открытию ЗЭС после снятия напряжения с электродов. Любые электроды или элементы, имеющие форму ленты или провода, обладают массой и весом, а следовательно, будут создавать весовое давление на стержневой электрод, на который они намотаны. Даже если величина этого давления будет мала, при некотором количестве витков мультипликационный эффект намотки способен создать паразитную силу трения, которая будет препятствовать свободному скольжению ленты по стержню и, как следствие, свободному перемещению частей запорного механизма при открытом ЗЭС. То есть ЗЭС при снятии напряжения с электродов может остаться фактически в закрытом состоянии. К тому же эффекту может привести натяжение свободного конца ленточного электрода или элемента (противоположного концу, который кинематически связан с блокируемым механизмом) или обоих концов, если ленточный электрод или элемент являются неподвижными частями внутри ЗЭС.

Полностью избежать такого натяжения конструктивно будет очень трудно, более того, такое небольшое натяжение может быть полезным для работы ЗЭС в открытом состоянии.

Для устранения этих паразитных эффектов можно использовать два решения: можно использовать естественную силу упругости, которой обладает ленточный электрод или элемент, которая определяется коэффициентом упругости или модулем Юнга материалов, из которых сделан электрод или элемент, то есть использовать упругую силу, которая возникает при намотке ленточного электрода или элемента на стержневой электрод и которая создает противодействие изгибу намотанных электродов. Современные материалы, используемые промышленностью, позволяют варьировать вес и упругость ленточных электродов и элементов в широком диапазоне.

Также можно создавать силу электростатического отталкивания на внешней поверхности ленточного электрода при переходе ЗЭС в открытое состояние. Для этого ЗЭС должен дополнительно содержать устройство для перекоммутации электродов ЗЭС при его открытии, такое, что контактная пара электродов ЗЭС, которые подключаются к противоположным потенциалам источника питания при закрытии ЗЭС и посредством этого притягиваются друг к другу, при открытии ЗЭС подключается к одинаковому потенциалу источника питания, а противоположный потенциал источника питания, или заземляется, или подключается к электрической емкости, или к нему подключают другую контактную пару аналогичных электродов ЗЭС. В результате на поверхности электропроводящего материала ленты будут образовываться электрические заряды, отталкивающиеся друг от друга и, таким образом, создающие давление на ленточный электрод в направлении, направленном от стержневого электрода, на который они намотаны, как результат, компенсируя паразитное давление ленточного электрода на поверхность стержневого электрода.

Кроме этого, большую пользу для эксплуатации ЗЭС будут иметь следующие дополнительные технические решения.

На электроды или элементы, имеющие форму стержня, наматывать не один, а два электрода или элемента, имеющие форму ленты или провода, при этом направление намотки этих электродов противоположно друг другу. Такое решение позволит избегать паразитных моментов кручения стержневых электродов.

Электродам или элементам, имеющим форму стержня, желательно иметь на своей поверхности винтообразные углубления или выступы, которые будут служить направляющими для намотки и последующего скольжения по этим стержням электродов или элемента, имеющих форму ленты или провода. Дополнительно предусматривать раму или каркас, на которую должны крепиться свободные концы электродов или элементов, имеющих форму ленты или провода. Это необходимо для предотвращения провисания и размотки данных электродов.

Желательно размещать ЗЭС в герметичной защитной оболочке, которая будет полностью изолировать электроды ЗЭС от загрязнения и других вредных воздействий окружающей среды, не препятствуя свободному движению электродов ЗЭС внутри защитной оболочки. Кроме этого, желательно, чтобы внутри защитной оболочки был размещен специальный газ или газовая смесь, исключающие конденсацию влаги или иные фазовые переходы компонентов газовой смеси внутри ЗЭС при эксплуатации.

Наилучший вариант осуществления изобретения

Наилучшим будет вариант минимальной конфигурации ЗЭС, в котором подвижные электроды ЗЭС не имеют подключения к источнику питания, и заряды на этих электродах образуются посредством электростатической индукции, при этом концы электродов гибкой группы закреплены на жестком каркасе с небольшой натяжкой. Также необходимо, чтобы внутри закрытого ЗЭС при попытке силового открытия не возникало паразитных крутящих моментов. Технические решения, необходимые для этого, были описаны выше.

Краткое описание чертежей

Для повышения наглядности изложенного выше материала изобретение проиллюстрировано фиг. 1, которая подробно описывается выше в разделе «Раскрытие изобретения». На фиг. 1 представлены:

1 - электрод в форме цилиндрического стержня,

2 - электрод в форме гибкой ленты,

3 - поперечный разрез цилиндрического стержня 1 с намотанной на него лентой 2.