CN102904415A - 刹车系统以及适用于刹车系统的电磁作动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及刹车系统领域，提供一种适用于刹车系统的电磁作动装置，包括至少两个定盘和至少一个动盘，动盘与定盘共轴，每一动盘位于相邻两个定盘之间，定盘上沿周向间隔设置成对的定盘铁芯，每个定盘铁芯上缠绕有定盘线圈，定盘线圈并联连接到外部电源，当定盘线圈通电时，相邻两个定盘铁芯的极性分布相反并产生沿着不同方向并垂直于定盘所在平面的磁场；动盘上设置有与定盘铁芯位置和数量相对应的动盘铁芯，每个动盘铁芯上沿动盘径向缠绕有动盘线圈，动盘线圈串联并连接到外部充电/用电部件，当定盘线圈通电产生磁场并且动盘在转动中时，动盘线圈产生感应电流和阻碍动盘转动的电磁力并发热，从而将刹车系统需要克服的动能转化成电能、电磁能以及热能。

Description

刹车系统以及适用于刹车系统的电磁作动装置

技术领域

本发明涉及刹车技术，更具体地涉及刹车系统以及适用于刹车系统的电磁作动装置。 

背景技术

作为当今主要交通工具的汽车和飞机，它们都具备刹车系统，用于减速和制动。其中，汽车的刹车系统主要依靠刹车盘的摩擦的方式实现制动。而飞机刹车系统多为液压刹车系统或电刹车系统。如图1所示，该液压刹车系统或电刹车系统包括液压或者电能驱动作动器1’、刹车盘2’、扭力筒3’以及轮毂4’，其中刹车盘2’包括定盘21’和动盘22’，通过定盘21’上的内键槽211’和扭力筒3’上的外键311’的配合，定盘21’套装在扭力筒3’上，同时，通过动盘22’上的外键槽221’与轮毂4’上的内键421’，动盘22’相对轮毂4’固定，但由于动盘22’上的内孔尺寸大于扭力筒3’的外径尺寸，因此动盘22’相对扭力筒3’可转动。当需要刹车时，通过液压或者电能驱动作动器1’，作动器1’驱动刹车盘2’，使其定盘21’沿扭力筒3’的外键311’轴向移动靠近其动盘22’，从而产生摩擦，将飞机的动能转化为热能，达到刹车制动的目的。为了达到防滑防抱死的目的，控制方面可通过调节液压作动压力或者调节电机作动器1’的输入电流调节电机转速来实现。 

然而，上述无论飞机刹车系统还是汽车刹车系统均存在固有缺点。例如，对于飞机液压刹车系统，固有的泄漏、抗污染能力差、派遣率相对较低、维护复杂等问题一直无法得到解决。而电刹车系统元件多，系统复杂，重量大，可靠性较低。而且，无论是依靠刹车片的汽车刹车系统还是依靠刹车盘来实现制动的飞机液压刹车或电刹车，统统需要利用摩擦来实现动能到热能的能量转换。 

另外，摩擦材料刹车盘有很多缺点，就飞机而言，缺点如下： 

1)作为耗材的刹车盘的损耗巨大，每隔200-600个起落架次，就需要更换刹车盘，提高了使用成本； 

2)摩擦材料的制作工艺复杂，生产周期长，以炭-炭复合材料为例，一副刹车盘的生产周期至少为3个月； 

3)粉末冶金/金属刹车盘重量大，高温时容易粘结，易产生裂纹和掉块； 

4)炭-炭复合材料强度低，体积大，静摩擦系数小，工艺复杂成本高。 

汽车的刹车片也存在相似的问题。 

发明内容

为此，根据本发明的第一个目的，提供一种适用于刹车系统的电磁作动装置来替代现有技术中的液压或者电能驱动作动器和刹车盘将是有利的。 

根据本发明的第二个目的，提供一种包括适用于刹车系统的电磁作动装置的刹车系统也将是有利的。 

根据本发明的一个方面，提供一种适用于刹车系统的电磁作动装置，包括：至少两个定盘和至少一个动盘，所述动盘与所述定盘共轴，每一所述动盘位于相邻的两个所述定盘之间，其中，所述定盘上沿周向间隔设置成对的定盘铁芯，每个所述定盘铁芯上缠绕有定盘线圈，所述定盘线圈并联连接到外部电源，当所述定盘线圈通电时，使得相邻的两个定盘铁芯的极性分布相反并产生沿着不同方向并垂直于所述定盘所在平面的磁场；所述动盘上设置有与所述定盘铁芯位置和数量相对应的动盘铁芯，每个所述动盘铁芯上沿所述动盘的径向缠绕有动盘线圈，所述动盘线圈串联并连接到外部充电/用电部件，当所述定盘线圈通电产生所述磁场并且所述动盘在转动中时，所述动盘线圈产生感应电流和阻碍所述动盘转动的电磁力并发热，从而将所述刹车系统需要克服的动能转化成供给到所述外部充电/用电部件的电能、电磁能以及热能。 

在本发明的该方面，定盘上相邻定盘铁芯的极性分布相反，即一个定盘铁芯的一端是S极，则另一端就是N极；而相邻的另一个定盘铁芯的一端是N极，另一端是S极。动盘两侧的定盘的极性分布相同。这样， 就产生了沿着不同方向并垂直于所述定盘所在平面的磁场。由于动盘线圈的缠绕方式为径向缠绕，根据右手定则，随动盘转动的动盘线圈在磁场的作用下产生感应电流并发热，并由于感应电流和磁场的存在，因而产生阻碍动盘转动的电磁力。在刹车系统需要克服的动能(比如飞机动能或汽车动能)转化为电能、热能和电磁能的情况下，动盘被制动，从而起到刹车作用。 

优选地，定盘铁芯沿与定盘的轴向平行的方向纵长延伸，定盘线圈沿定盘铁芯的纵长方向缠绕。这样，定盘线圈通电后产生的磁场垂直于定盘所在的平面，从而动盘线圈可在动盘转动过程中垂直切割磁力线，在动盘线圈内产生较大的电流。 

进一步优选地，相邻的两个所述定盘线圈的通电电流方向相反从而相邻的两个所述定盘铁芯的极性分布相反，也就是说，在定盘线圈缠绕方式相同的情况下，其通电电流方向相反，则根据安培定则，指向的N极方向就不同。 

再进一步优选地，定盘铁芯形成为定盘的一部分，定盘铁芯的至少一部分突出于定盘所在平面并沿与定盘的轴向平行的方向纵长延伸。 

根据本发明的另一个方面，提供一种刹车系统，其包括上述的用于刹车系统的电磁作动装置。该刹车系统利用电磁作动装置取代传统液压刹车和电刹车需要使用刹车盘的做法，可以降低飞机的运营成本，提高刹车系统使用寿命；同时解决了液压泄漏问题，避免火灾风险；另外，还解决了传统刹车系统刹车盘在摩擦过程中会产生粉尘造成污染的问题。 

通过参考下面所描述的实施方式，本发明的这些方面和其他方面将会得到清晰地阐述。 

附图说明

图1是传统的液压刹车系统或电刹车系统的机械结构分解图； 

图2是根据本发明的一优选实施方式的适用于刹车系统的电磁作动装置的机械结构分解图； 

图3是图2中电磁作动装置的定盘的结构示意图； 

图3A是图3中定盘的局部剖视图，显示定盘铁芯的结构； 

图3B-3C是定盘和定盘铁芯的另外两种优选实施方式的结构示意图； 

图4是图2中电磁作动装置的动盘的结构示意图； 

图4A是图4中动盘的简图，主要显示动盘线圈的缠绕方式； 

图4B-4C是动盘的另外两种优选实施方式的结构简图； 

图5是类似图2的视图，示出了电磁刹车原理； 

图6是根据本发明优选实施方式的刹车系统的控制流程图。 

具体实施方式

根据要求，这里将披露本发明的具体实施方式。然而，应当理解的是，这里所披露的实施方式仅仅是本发明的典型例子而已，其可体现为各种形式。因此，这里披露的具体细节不被认为是限制性的，而仅仅是作为权利要求的基础以及作为用于教导本领域技术人员以实际中任何恰当的方式不同地应用本发明的代表性的基础，包括采用这里所披露的各种特征并结合这里可能没有明确披露的特征。 

与图1所示传统的液压刹车系统或电刹车系统的机械部分相比，根据本发明的优选实施方式的刹车系统省去了液压或者电能驱动作动器1’和刹车盘2’，引入了一种改进型的电磁作动装置100(如图2所示)。 

在该实施方式中，仍然以飞机为例，刹车系统的机械结构部分包括电磁作动装置100，电磁作动装置100的组成结构如图2所示，包括两个定盘1，一个动盘2，动盘2和定盘1同轴并位于两个定盘1的中间，其中，在本系统中，动盘、定盘和其他部件(比如扭力筒和轮毂)之间的装配关系仍保持图1所示的传统关系，即定盘1和扭力筒相配合，动盘2和轮毂相配合，扭力筒和轮毂之间采用轴承来进行装配。该实施方式与图1所示的传统结构相比，刹车系统主要是在原有机轮结构的基础上，保留定盘的主要结构并添加铁芯和线圈，动盘也具有铁芯并再添加线圈。 

下面参见图2，并结合图3和图4所示，来说明根据一优选实施方式的适用于刹车系统的电磁作动装置100的机械结构。在该优选实施方式中，电磁作动装置100包括两个定盘1和一个动盘2，动盘2与定盘1共轴且位于这两个定盘1之间。如图3所示，在该实施方式中，定盘1上设置有四个定盘铁芯11，它们沿定盘1的周向间隔分布。每个定盘铁芯11 上缠绕有定盘线圈12，定盘线圈12沿定盘铁芯11的纵长方向缠绕。定盘线圈12并联连接到一外部电源(图未示)，从而可根据需要由外部电源向该定盘线圈12供电。 

在本实施方式中，定盘铁芯11垂直于定盘1的所在平面设置，即定盘铁芯11沿与定盘1的轴向平行的方向纵长延伸，从而在定盘线圈12通电时，产生垂直于定盘1所在平面的磁场。当然，由于定盘1和动盘2共轴，该磁场同时也垂直于动盘2所在的平面。当电磁作动装置100用于刹车系统时，相邻的定盘线圈12中的通电电流方向相反，从而使得相邻的两个定盘铁芯11的极性分布完全相反，即：定盘铁芯11的背向动盘2的一端是S极，则其面向动盘2的另一端就是N极；而相邻的另一个定盘铁芯11的背向动盘2的一端是N极，则其面向动盘2的另一端是S极，如图5所示。这样，对于相邻的定盘铁芯11而言产生了不同方向的磁场。 

如图3A所示，在本实施方式中，定盘铁芯11独立于定盘1，并可借助于例如角片14安装在定盘1上的安装孔13内，这时定盘铁芯11的材料为磁导体，而定盘1的材料可以是满足性能要求的其他材料。尽管如此，定盘铁芯11也可以和定盘1一体形成，如图3A和3B所示，定盘铁芯11可形成为突出于本体111所在平面的突起112，这些突起112可形成于本体的一侧也可在两侧都突出，这时整个定盘1的材料都为磁导体。 

如图4所示并结合图5，动盘2上设置有4个动盘铁芯21，其沿动盘的周向间隔设置并与所述定盘铁芯12的数量和位置相对应。在每个动盘铁芯21上沿动盘2的径向缠绕有动盘线圈22。这样，当定盘1上的定盘线圈12通电从而定盘铁芯11产生垂直于动盘所在平面的电磁场时，由于动盘2在转动从而动盘线圈22内产生感应电流i。由于相邻定盘铁芯11产生的磁场方向相反，因而，在相邻动盘线圈22内产生的感应电流i的方向相反，但由此产生的阻碍动盘转动的电磁力都是与转动方向相反。 

在该实施方式中，将动盘线圈22串联并连接到外部充电/用电部件(未图示)，从而将飞机动能转化成可供给到该外部充电/用电部件的电能、电磁能以及热能。 

如图4A所示，在本实施方式中，整个动盘2由磁导体形成，在动盘2对应定盘铁芯11的位置径向缠绕动盘线圈22，从而至少在缠绕动盘线 圈22的位置上的动盘起到动盘铁芯21的作用。然而，需要说明的是，在如图4B和4C所示的动盘2的实施方式中，不需要缠绕动盘线圈22的位置完全可以将该位置上的磁导体材料去除一部分23或全部去除，以节省成本。另外，应当理解的是，动盘铁芯21也可以设置成独立于定盘1的部件，然后像定盘铁芯11那样固定到动盘2上，这时除动盘铁芯21为磁导体外，整个动盘2的材料可以为满足性能要求的其他材料。 

总的来说，利用电磁作动装置100实现刹车功能是通过在定盘1和动盘2上缠绕不同方向的线圈，工作时给定盘1上的线圈通电，产生感应电磁场，动盘2转动，带动动盘2上的线圈在定盘线圈12产生的磁场中运动，从而产生感应电流i，该电流i在具有一定电阻的回路中流通，由于动盘2在转动，动盘线圈22切割磁力线产生阻碍动盘转动电磁力，同时由于电阻的热效应会把电能转化为热能，这样，需要被制动的飞机动能就通过电磁感应产生电流、通电的线圈切割磁力线和电阻发热最终转化为电能、磁能和热能。 

适用于刹车系统的电磁作动装置100的工作原理图如图5所示。 

首先，给定盘1上的定盘线圈12通电，产生相应的电磁场。由于定盘线圈12所在平面和定盘1所在平面平行(如图4所示)，相应地，产生的电磁场方向为平行定盘1轴向的方向。为了在刹车过程中，能够使动盘2上感应出电动势，并构成电流回路，产生阻止动盘转动的电磁力以及电能和热能，需要对定盘线圈通电的电流方向以及动盘线圈的绕线进行规定。在本实施方式中，相邻定盘线圈12的电流方向需不同，以使相邻定盘铁芯12的极性分布相反，从而产生不同方向的电磁场E1和E2(见图5) 

同时，在动盘2的转动过程中，动盘线圈22所在平面应沿着动盘2的径向方向分布，如图5所示，动盘线圈22切割磁力线。根据右手定则，动盘线圈22产生图中所示感应电流i。将动盘线圈22的两端引出，例如连接到外部充电或用电部件，则刹车系统产生的电能便存储或利用起来；此外，由于存在电势差，动盘线圈22构成一个回路，线圈上存在一定的电流，电流方向如图5所示。根据左手定则，动盘线圈22上存在电磁力F，该力的方向为垂直线圈平面，阻碍动盘2的转动。 

对于动盘线圈2的通电电流方向，根据以上设计说明，在动盘转动过程中，动盘线圈22两边的磁场方向总是相反的，所以能够在线圈中产生高低电动势，产生电能。与此同时，动盘线圈构成回路，能够产生感应电流，因线圈具有一定的电阻从而发热，将动能转换为热能进行耗散。由于动盘线圈中存在电流，也将产生一定的电磁场，作为转换飞机动能的另一种形式耗散。 

另外，在上述实施方式中介绍的刹车系统中，要想利用其包括的电磁作动装置实现其刹车功能，则还需要控制单元200。如图6所示，刹车系统的控制流程如下：以刹车指令和轮速信号(如果是飞机，可还包括空速信号)等作为整套控制系统的输入；当需要实现电磁刹车功能时，输入刹车指令信号，经控制单元运算，输出定盘1需要通电的电流的大小，以获得相应的电磁刹车力；同时，控制单元例如借助速度传感器(图未示)采集轮速信号，判断运行状态(包括打滑、停止等)，控制单元200综合指令信号和轮速信号，对定盘1的通电电流大小进行控制。在刹车过程中，为了将在动盘2上产生的电能进行存储，控制单元将输出控制信号，接通电能存储通路。 

尽管以上实施方式是以飞机为例，本领域的技术人员应当知道，上述电磁作动装置、刹车系统同样适用于汽车等机动车辆。而且，应当理解的是，虽然上述实施方式中定盘铁芯的个数为四个，定盘铁芯的个数可以是多个，只要成对，即数量为偶数个就行。另外，对于定盘和动盘的个数，在其他实施方式中也是可以变化的，比如，定盘可以是三个，动盘是两个，这样每两个定盘之间有一个动盘，当然定盘也可以是四个，动盘是三个，等等。 

应当理解的是，上述实施方式存在许多修改方式，这些方式对相关领域技术人员来说是很明显的。这些修改/变型落入本发明的相关领域中，也应当包括在所附的权利要求的范围中。 

Claims (11)

1.一种适用于刹车系统的电磁作动装置，包括：

至少两个定盘，

至少一个动盘，所述动盘与所述定盘共轴，每一所述动盘位于相邻的两个所述定盘之间，其中，

所述定盘上沿周向间隔设置成对的定盘铁芯，每个所述定盘铁芯上缠绕有定盘线圈，所述定盘线圈并联连接到外部电源，当所述定盘线圈通电时，使得相邻的两个定盘铁芯的极性分布相反并产生沿着不同方向并垂直于所述定盘所在平面的磁场；

所述动盘上设置有与所述定盘铁芯位置和数量相对应的动盘铁芯，每个所述动盘铁芯上沿所述动盘的径向缠绕有动盘线圈，所述动盘线圈串联并连接到外部充电/用电部件，当所述定盘线圈通电产生所述磁场并且所述动盘在转动中时，所述动盘线圈产生感应电流和阻碍所述动盘转动的电磁力并发热，从而将所述刹车系统需要克服的动能转化成供给到所述外部充电/用电部件的电能、电磁能以及热能。

2.根据权利要求1所述的适用于刹车系统的电磁作动装置，其特征在于，所述定盘铁芯沿与所述定盘的轴向平行的方向纵长延伸，所述定盘线圈沿所述定盘铁芯的纵长方向缠绕。

3.根据权利要求2所述的适用于刹车系统的电磁作动装置，其特征在于，相邻的两个所述定盘线圈的通电电流方向相反从而相邻的两个所述定盘铁芯的极性分布相反。

4.根据权利要求3所述的适用于刹车系统的电磁作动装置，其特征在于，所述定盘铁芯的数量为4-8个。

5.根据权利要求1至4任一项所述的适用于刹车系统的电磁作动装置，其特征在于，所述定盘铁芯形成为所述定盘的一部分，所述动盘铁芯形成为所述动盘的一部分。

6.根据权利要求5所述的适用于刹车系统的电磁作动装置，其特征在于，所述定盘铁芯和所述动盘铁芯的材料为磁导体或超导体。

7.根据权利要求6所述的适用于刹车系统的电磁作动装置，其特征在于，所述定盘铁芯的至少一部分突出于所述定盘所在平面并沿与所述定盘的轴向平行的方向纵长延伸。

8.一种刹车系统，其包括根据权利要求1至7任一项所述的适用于刹车系统的电磁作动装置。

9.根据权利要求8所述的刹车系统，其特征在于，所述刹车系统还包括用于控制所述电磁作动装置运行的控制单元。

10.根据权利要求9所述的刹车系统，其特征在于，所述控制单元在接收刹车指令后根据其采集的轮速信号确定给所述定盘线圈通电的电流大小，并控制所述动盘线圈与所述外部充电/用电部件的接通，以存储所述动盘线圈产生的电能。

11.根据权利要求10所述的刹车系统，其特征在于，所述刹车系统的所述定盘套装在扭力筒上，所述动盘嵌装在轮毂上，从而当所述轮毂转动时带动所述动盘转动，而当所述动盘被制动时，所述轮毂被制动。

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