CN109707768A - 制动器、伺服电机和机器人 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种制动器、伺服电机和机器人。该制动器包括铁芯(1)和衔铁(2)，铁芯(1)内设置有第一绕组(3)，衔铁(2)内设置有第二绕组(4)，第一绕组(3)和第二绕组(4)能够在铁芯(1)和衔铁(2)之间形成叠加磁场。根据本申请的制动器，能够有效增大制动器的铁芯与衔铁之间的磁场吸力。

Description

制动器、伺服电机和机器人

技术领域

本申请属于机器人技术领域，具体涉及一种制动器、伺服电机和机器人。

背景技术

伺服电机装配于机器人内部，驱动机器人各关节动作。伺服电机内部一般装配有制动器，在伺服系统断电时，制动器锁死使伺服电机转轴不再旋转，保持机器人各关节不再动作，从而使整个机器人可保持断电时姿态，避免机械结构随意摆动误伤操作人员。

制动器的保持力矩一般等于伺服电机额定力矩。但客户基本不会核算机器人保持姿态所需制动器力矩，机器人本体结构过重，经常出现制动器保持力矩不满足客户需求的情况，导致机器人无法保持姿态。市场急需高保持力矩的伺服制动器，保持力矩需达到与其装配的伺服电机额定力矩的2倍以上。且制动器的长度不得增加，否则将使伺服电机长度随之一起加长，市场接纳度会降低，不会得到客户认可。

制动器装配在电机内部，制动器的摩擦片与转轴轮毂配合，轮毂安装在转轴上并过盈配合。制动器断电，制动器抱紧摩擦片，摩擦片限制转轴轮毂，从而限制转轴的转动。

制动器工作原理为：

1、断电时：螺钉穿过限位板、柱套并打入铁芯内，使限位板、柱套与铁芯固定在一起，限位板的位置始终不变。绕组内无电流时，铁芯内无磁场。弹簧推动衔铁向右侧方向移动。衔铁与限位板一起，将摩擦片夹紧，使摩擦片无法转动。摩擦片内部为方形孔，转轴轮毂外轮廓也为方形，并与摩擦片的内孔配合卡在一起。摩擦片无法转动，则转轴轮毂同样无法转动，轮毂与转轴同轴紧配合，此时转轴也无法转动。断电时，制动器起到制动作用。

2、通电时：绕组内通过电流，产生电磁场，电磁场通过铁芯-衔铁形成回路，使铁芯对衔铁产生吸附作用，克服弹簧的弹力，使衔铁向铁芯方向移动。衔铁离开摩擦片，不能再同限位板夹紧摩擦片。则此时摩擦片可自由活动，与之配合的转轴轮毂可自由活动，与轮毂配合的转轴可自由活动，电机可正常运转。铁芯对衔铁的吸附力必须大于弹簧产生的反弹力。通电时，制动器放开，无制动作用。

要增加制动器保持力矩，则需增加摩擦片与衔铁、限位板的摩擦力。摩擦力与摩擦片、衔铁、限位板间的摩擦系数，以及三者间相互作用力成正比。摩擦系数为物质的属性，基本无法改变。

此时，想要增大保持力矩，则需增加弹簧的弹力。然而若采用高弹力弹簧来增加保持力矩，则现有结构产生的磁场吸力，不足以克服增大后的弹簧弹力，会导致制动器无法正常工作。

发明内容

因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种制动器、伺服电机和机器人，能够有效增大制动器的铁芯与衔铁之间的磁场吸力。

为了解决上述问题，本申请提供一种制动器，包括铁芯和衔铁，铁芯内设置有第一绕组，衔铁内设置有第二绕组，第一绕组和第二绕组能够在铁芯和衔铁之间形成叠加磁场。

优选地，第一绕组和第二绕组相互独立。

优选地，第一绕组和第二绕组并联。

优选地，第一绕组的第一端和第二绕组的第一端共同连接至A相电源线，第一绕组的第二端和第二绕组的第二端共同连接至B相电源线，其中第一绕组的第一端为远离衔铁的一端，第一绕组的第二端为靠近衔铁的一端，第二绕组的第一端为靠近铁芯的一端，第二绕组的第二端为远离铁芯的一端。

优选地，A相电源线的接线端设置有A相接线柱，第一绕组的第一端连接至A相接线柱的第一端，第二绕组的第一端连接至A相接线柱的第二端。

优选地，第二绕组的第一端连接有第一套环，第一套环滑动套接在A相接线柱上。

优选地，B相电源线的接线端设置有B相接线柱，第一绕组的第二端连接至B相接线柱的第一端，第二绕组的第二端连接至B相接线柱的第二端。

优选地，第二绕组的第二端连接有第二套环，第二套环滑动套接在B相接线柱上。

优选地，铁芯上设置有第一线槽，第一绕组设置在第一线槽内。

优选地，衔铁上设置有第二线槽，第二绕组设置在第二线槽内。

优选地，衔铁上设置有永磁体，永磁体朝向铁芯的一侧与铁芯朝向永磁体的一侧磁性相反。

优选地，永磁体为高牌号钕铁硼永磁体。

优选地，铁芯上还设置有安装槽，安装槽的开口朝向衔铁，安装槽内设置有弹簧。

优选地，弹簧为多个，并沿铁芯的周向均匀分布。

优选地，制动器还包括摩擦片和限位板，限位板设置在衔铁远离铁芯的一端，摩擦片设置在限位板和衔铁之间。

根据本申请的另一方面，提供了一种伺服电机，包括制动器，该制动器为上述的制动器。

根据本申请的再一方面，提供了一种机器人，包括制动器，该制动器为上述的制动器。

本申请提供的制动器，包括铁芯和衔铁，铁芯内设置有第一绕组，衔铁内设置有第二绕组，第一绕组和第二绕组能够在铁芯和衔铁之间形成叠加磁场。由于在衔铁内设置了第二绕组，且第一绕组和第二绕组能够在铁芯和衔铁之间形成叠加磁场，因此能够在不增大或者较小增大衔铁轴向长度的基础上，大幅增大铁芯与衔铁之间的磁场吸力，从而使得制动器能够采用高弹力弹簧，可以利用叠加磁场克服高弹力弹簧的高弹力，使得制动器在能够提高较大保持力矩的同时，也能够有效克服弹簧弹力，保证制动器的正常工作。

附图说明

图1为本申请实施例的制动器的结构示意图；

图2为本申请实施例的制动器在衔铁处于第一位置时的磁感线示意图；

图3为本申请实施例的制动器在衔铁处于第一位置时的磁感线示意图。

附图标记表示为：

1、铁芯；2、衔铁；3、第一绕组；4、第二绕组；5、A相电源线；6、B相电源线；7、A相接线柱；8、B相接线柱；9、第一套环；10、第二套环；11、第一线槽；12、第二线槽；13、永磁体；14、安装槽；15、弹簧；16、摩擦片；17、限位板。

具体实施方式

结合参见图1至图3所示，根据本申请的实施例，制动器包括铁芯1和衔铁2，铁芯1内设置有第一绕组3，衔铁2内设置有第二绕组4，第一绕组3和第二绕组4能够在铁芯1和衔铁2之间形成叠加磁场。

由于在衔铁2内设置了第二绕组4，且第一绕组3和第二绕组4能够在铁芯1和衔铁2之间形成叠加磁场，因此能够在不增大或者较小增大衔铁2轴向长度的基础上，大幅增大铁芯1与衔铁2之间的磁场吸力，从而使得制动器能够采用高弹力弹簧，可以利用叠加磁场克服高弹力弹簧的高弹力，使得制动器在能够提高较大保持力矩的同时，也能够有效克服弹簧弹力，保证制动器的正常工作。

在其中一个实施例中，第一绕组3和第二绕组4相互独立。当第一绕组3和第二绕组4相互独立时，两者通入的电流的大小和方向均可以单独控制，因此当需要增加铁芯1和衔铁2之间的吸力时，可以通过控制输入第一绕组3和第二绕组4的电流方向来使得第一绕组3和第二绕组4之间的磁场形成叠加，从而能够通过加大磁场的方式增加铁芯1和衔铁2之间的吸力，使得铁芯1和衔铁2之间的吸力能够有效克服弹力较高的弹簧15的弹力，可以在制动器不制动时避免衔铁2挤压摩擦片16。当需要增加衔铁2与摩擦片16之间的摩擦阻力，提高制动能力时，可以通过控制输入第一绕组3和第二绕组4的电流方向来使得第一绕组3和第二绕组4在铁芯1和衔铁2之间形成斥力，此时衔铁2施加至摩擦片16的作用力为弹簧15的弹力与衔铁2所受到的斥力之和。

在本实施例中，第一绕组3和第二绕组4并联，可以在第一绕组3和第二绕组4通电时，使得铁芯1和衔铁2之间始终形成吸力，从而减小误操作的可能性，提高制动器工作时的可靠性和稳定性。

优选地，第一绕组3的第一端和第二绕组4的第一端共同连接至A相电源线5，第一绕组3的第二端和第二绕组4的第二端共同连接至B相电源线6，其中第一绕组3的第一端为远离衔铁2的一端，第一绕组3的第二端为靠近衔铁2的一端，第二绕组4的第一端为靠近铁芯1的一端，第二绕组4的第二端为远离铁芯1的一端。

优选地，A相电源线5的接线端设置有A相接线柱7，第一绕组3的第一端连接至A相接线柱7的第一端，第二绕组4的第一端连接至A相接线柱7的第二端。通过设置A相接线柱7，能够更加方便地将第一绕组3和第二绕组4的第一端共同连接至A相电源线5上，且不容易发生乱线等问题，绕组绕线布局更加合理。

优选地，第二绕组4的第一端连接有第一套环9，第一套环9滑动套接在A相接线柱7上。由于第二绕组4位于衔铁2上，因此当衔铁2沿着远离或者靠近铁芯1的方向第二绕组4的第一端与A相接线柱7的第二端之间也会发生相对位移，如果第二绕组4的第一端直接固定连接在A相接线柱7，就需要预留较长的电线，如此一来，就会在衔铁2运动的过程中，发生缠线等问题，也会由于衔铁2的往复运动，造成线路断开等问题。第二绕组4采用第一套环9与A相接线柱7滑动套接的方式与A相接线柱7实现连接，如此一来，只需要将A相接线柱7做的稍长一些，在衔铁2运动的过程中，可以通过第一套环9与A相接线柱7之间始终保持接触，保证稳定供电，而且也不会发生缠线等问题。

B相电源线6的接线端设置有B相接线柱8，第一绕组3的第二端连接至B相接线柱8的第一端，第二绕组4的第二端连接至B相接线柱8的第二端。

第二绕组4的第二端连接有第二套环10，第二套环10滑动套接在B相接线柱8上。

结合参见图1所示，铁芯内缠绕有第一绕组3，绕线方向由左至右。第一绕组3的起始端同A相接线柱7相连接。A相接线柱7与A相电源线5相连接。A相接线柱7穿过铁芯1并深入衔铁2内。衔铁2内部设置有第二绕组4，绕线方向同样为由左至右。第一套环9镶嵌在衔铁内。第二绕组4的起始端同第一套环9相连接。第一套环9始终套接在A相接线柱7之上，并可向左、右两个方向自由的滑动。如此一来，则第一绕组3的起始端、第二绕组4的起始端通过A相接线柱7与第一套环9，与A相电源线5之间可完全导通。

第一绕组3的截止端同B相接线柱8相连接。B相接线柱8与B相电源线6相连接。B相接线柱8穿过铁芯1并深入衔铁2内。第二绕组4的截止端同第二套环10相连接。第二套环10始终套接在B相接线柱8之上，并可向左、右两个方向自由的滑动。如此一来，则第一绕组3的截止端、第二绕组4的截止端通过B相接线柱8与第二套环10，与B相电源线6之间可完全导通。

铁芯1上设置有第一线槽11，第一绕组3设置在第一线槽11内。其中第一线槽11的开口方向朝向衔铁2。

衔铁2上设置有第二线槽12，第二绕组4设置在第二线槽12内。其中第二线槽12的开口方向朝向铁芯1。

衔铁2上设置有永磁体13，永磁体13朝向铁芯1的一侧与铁芯1朝向永磁体13的一侧磁性相反。

优选地，永磁体13为高牌号钕铁硼永磁体，可以产生较强磁场，从而能够进一步增强铁芯1和衔铁2之间的磁吸作用力。

铁芯1上还设置有安装槽14，安装槽14的开口朝向衔铁2，安装槽14内设置有弹簧15。弹簧15例如为SUS631材料制成的高刚度弹簧，其刚度是一般伺服制动器所用弹簧的2～3倍，从而可以增大制动器保持力矩，使其达到电机额定转矩的2～3倍，满足客户的使用需求。采用上述的制动器，可以在保持力矩达到电机额定转矩的2～3倍的同时，不改变制动器本体长度。

优选地，弹簧15为多个，并沿铁芯1的周向均匀分布。弹簧15的数量为多个，可以为现有制动器中弹簧数量的2～3倍，只需要能够保证这些弹簧15的总推力达到一般伺服制动器弹簧总推力的2～3倍即可。

制动器还包括摩擦片16和限位板17，限位板17设置在衔铁2远离铁芯1的一端，摩擦片16设置在限位板17和衔铁2之间。

若A相电源线5和B相电源线6能够承受衔铁2的摆动幅度，A相电源线5可以直接伸入铁芯1内与第一绕组3和第二绕组4导通，B相电源线6可以直接伸入限位板17内，并与第一绕组3和第二绕组4导通。

结合参见图1至图3所示，当需要制动器保持制动状态时，制动器断电，弹簧15产生的强作用力向右侧推动衔铁2，使其与限位板17一起夹紧摩擦片16。摩擦片16限制转轴轮毂，从而使电机转轴无法转动。摩擦力与推力成正比，2～3倍的推力使得本制动器产生了2～3倍于正常制动器的制动力矩。

需要制动器保持旋转状态时，制动器通电，电流由A相电源线5进入，同时通过第一绕组3与第二绕组4，由B相电源线6流出。此时由于使用了高刚度的弹簧15，单独依靠第一绕组3所产生的磁场强度对衔铁产生吸附力，不足以克服弹簧的推力，无法向左拉动衔铁2。但由于设置了第二绕组4，通电时第一绕组3与第二绕组4均产生了一个左为N，右为S极的磁场，两处磁场相互叠加便产生了强磁力，足以克服高刚度的弹簧15的推力，并向左拉动衔铁2，使衔铁2与限位板17无法夹紧摩擦片16，摩擦片16可自由转动，此时电机转轴即可旋转。

高刚度的弹簧15的推力与弹簧15的压缩量成正比。当磁场向左侧拉动衔铁2时，衔铁2与铁芯1间距减小数值C，弹簧15的压缩量就对应的增加数值C，弹簧15所产生的推力便随之增大。此时永磁体13就开始产生了作用。刚刚通电时，铁芯1与衔铁2存在较大间距，永磁体13产生的磁感线同时交链至铁芯1与衔铁2的数量较少或无交链，此时永磁体13几乎不起作用。随着衔铁2向左侧移动，交链的磁感线逐渐增加至全部交链，永磁体13磁场也使铁芯1与衔铁2间产生了强吸力，抵消了高刚度的弹簧15逐渐增加的推力，使衔铁2可以继续顺利的向左侧移动，直至完全接触。

根据本申请的实施例，伺服电机包括制动器，该制动器为上述的制动器。

根据本申请的实施例，机器人包括制动器，该制动器为上述的制动器。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。

Claims (17)

1.一种制动器，其特征在于，包括铁芯(1)和衔铁(2)，所述铁芯(1)内设置有第一绕组(3)，所述衔铁(2)内设置有第二绕组(4)，所述第一绕组(3)和所述第二绕组(4)能够在所述铁芯(1)和所述衔铁(2)之间形成叠加磁场。

2.根据权利要求1所述的制动器，其特征在于，所述第一绕组(3)和所述第二绕组(4)相互独立。

3.根据权利要求1所述的制动器，其特征在于，所述第一绕组(3)和所述第二绕组(4)并联。

4.根据权利要求3所述的制动器，其特征在于，所述第一绕组(3)的第一端和所述第二绕组(4)的第一端共同连接至A相电源线(5)，所述第一绕组(3)的第二端和所述第二绕组(4)的第二端共同连接至B相电源线(6)，其中第一绕组(3)的第一端为远离所述衔铁(2)的一端，第一绕组(3)的第二端为靠近所述衔铁(2)的一端，第二绕组(4)的第一端为靠近所述铁芯(1)的一端，第二绕组(4)的第二端为远离所述铁芯(1)的一端。

5.根据权利要求4所述的制动器，其特征在于，所述A相电源线(5)的接线端设置有A相接线柱(7)，所述第一绕组(3)的第一端连接至所述A相接线柱(7)的第一端，所述第二绕组(4)的第一端连接至所述A相接线柱(7)的第二端。

6.根据权利要求5所述的制动器，其特征在于，所述第二绕组(4)的第一端连接有第一套环(9)，所述第一套环(9)滑动套接在所述A相接线柱(7)上。

7.根据权利要求4所述的制动器，其特征在于，所述B相电源线(6)的接线端设置有B相接线柱(8)，所述第一绕组(3)的第二端连接至所述B相接线柱(8)的第一端，所述第二绕组(4)的第二端连接至所述B相接线柱(8)的第二端。

8.根据权利要求7所述的制动器，其特征在于，所述第二绕组(4)的第二端连接有第二套环(10)，所述第二套环(10)滑动套接在所述B相接线柱(8)上。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的制动器，其特征在于，所述铁芯(1)上设置有第一线槽(11)，所述第一绕组(3)设置在所述第一线槽(11)内。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的制动器，其特征在于，所述衔铁(2)上设置有第二线槽(12)，所述第二绕组(4)设置在所述第二线槽(12)内。

11.根据权利要求1至8中任一项所述的制动器，其特征在于，所述衔铁(2)上设置有永磁体(13)，所述永磁体(13)朝向所述铁芯(1)的一侧与所述铁芯(1)朝向所述永磁体(13)的一侧磁性相反。

12.根据权利要求11所述的制动器，其特征在于，所述永磁体(13)为高牌号钕铁硼永磁体。

13.根据权利要求1至8中任一项所述的制动器，其特征在于，所述铁芯(1)上还设置有安装槽(14)，所述安装槽(14)的开口朝向所述衔铁(2)，所述安装槽(14)内设置有弹簧(15)。

14.根据权利要求13所述的制动器，其特征在于，所述弹簧(15)为多个，并沿所述铁芯(1)的周向均匀分布。

15.根据权利要求1至8中任一项所述的制动器，其特征在于，所述制动器还包括摩擦片(16)和限位板(17)，所述限位板(17)设置在所述衔铁(2)远离所述铁芯(1)的一端，所述摩擦片(16)设置在所述限位板(17)和所述衔铁(2)之间。

16.一种伺服电机，包括制动器，其特征在于，所述制动器为权利要求1至15中任一项所述的制动器。

17.一种机器人，包括制动器，其特征在于，所述制动器为权利要求1至15中任一项所述的制动器。