CN111225752B - 在金属加工中用于电动制动的方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于制动机器的方法和装置，该机器具有优选为直接驱动机构的带电动马达的驱动机构(10)和做功机构(20)、优选为用于金属加工的做功机构(20)，其中驱动机构(10)可驱动做功机构(20)的轴旋转，并且该方法包括：借助于电制动设备(40)将机器无摩擦地从工作状态制动到停止状态，在该停止状态中做功机构(20)的轴基本上处于静止；借助于并通过操作机械止动设备(50)在机械上将机器锁定在停止状态；其中电制动设备(40)和机械止动设备(50)被控制为使得基本上工作状态中的全部动能都被电制动设备(40)转化，而机械止动设备(50)仅在机器的停止状态下起作用。

Description

在金属加工中用于电动制动的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于制动机器的方法和装置，该机器具有带电动马达的优选为直接驱动机构的驱动机构和用于金属加工的做功机构。

背景技术

在金属加工的不同领域中，例如在轧机和压花机中，在诸如轧辊、托辊或张紧辊的机械设备或工具与电驱动机构之间有技术分离。该分离有其历史原因并且会导致在机械设备和电动设备之间的接口不是最佳的。

在驱动机构和待驱动的做功机构之间的变速器、联轴器、制动器、万向轴和其他机械部件不利于更好的集成以及相关优势，例如不利于能量效率和可靠性的改善以及设备的小型化等。

金属加工工业中的许多做功机构配备有机械制动器。其必须可承受高达100％的马达扭矩，以便例如在紧急情况下使机器迅速停止。另外存在的可能性是，通过合适的电路持续地保持静止扭矩。这种保持制动器目前位于马达转子处，通常在马达和变速器之间，或者位于马达的背面。这种制动器作为独立部件不利于机械设备和电动设备之间的高度集成。

如果力求紧凑的驱动机构概念，即例如通过将电驱动机构直接安装在驱动轴上并且保持制动器为马达的一体组成部分或甚至安装在马达的壳体中，则必须能够在紧密的空间上保持非常高的扭矩。传统的制动钳对于较高的制动力矩需要较大的结构空间，传统的制动钳不利于紧凑的驱动机构概念，特别是不利于驱动机构和做功机构的紧密集成。

DE 10 2007 058 098A1描述了一种用于压力机的制动设备。DE 714475C描述了一种用于轧机的电驱动的摆动升降台的控制设备。GB514,449A描述了一种用于电驱动的轧机或处理金属条的机器的控制设备。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于制动机器的方法和装置，该机器具有带电动马达的驱动机构和用于金属加工的做功机构，利用该方法和装置可在很小的结构空间中实现可靠的制动并保持较高的扭矩。

该目的可利用本发明的方法和本发明的装置实现。由本发明的以下说明以及对优选实施例的描述可得到有利的改进方案。

本发明涉及一种用于制动机器的方法，该机器具有驱动机构和用于金属加工的做功机构，所述驱动机构优选为带有电动马达的直接驱动机构，其中所述驱动机构能旋转地驱动所述做功机构的轴，并且所述方法包括：借助于电制动设备将所述机器无摩擦地从工作状态制动到停止状态，在该停止状态中所述做功机构的轴基本上处于静止；借助于并通过操作机械止动设备在机械上将所述机器锁定在所述停止状态；其中控制所述电制动设备和所述机械止动设备，使得基本上所述工作状态中的全部动能都被所述电制动设备转化，而所述机械止动设备仅在所述机器的停止状态下起作用，设有馈电的逆变器，其在所述工作状态下为所述驱动机构的电动马达供电并且优选具有在正常运行状态下制动所述做功机构的功能，其中在特殊的运行状态下所述馈电的逆变器与所述电动马达电气隔离并且通过以下方式将所述机器制动到所述停止状态，即，将所述电动马达的绕组通过制动电阻和/或电阻电路/电容器电路和/或直接地进行短路和/或接入外部直流电压源。

根据本发明的方法(也称为止动方法)用于制动机器，该机器具有优选为直接驱动机构的带电动马达的驱动机构和用于金属加工的做功机构，其中驱动机构可旋转地驱动做功机构的轴。电动马达优选为同步马达或扭矩马达，其特别适于实现直接驱动，因为其可在相对较小的转速下产生较高的扭矩。则在许多情况下例如可省去减速器，由此可简化传动系并且可使机器更紧凑。

驱动机构待驱动的做功机构可通过许多方式实施。其特别优选地在轧机中具有一个或多个工作辊、托辊、张紧辊和/或输送辊。做功机构优选为卷绕设备、涂装设备、具有一个或多个飞剪的切割机或具有至少一个绞盘的竖直或水平储存容器。

在根据本发明的方法中，将机器从工作状态制动到停止状态，在停止状态中做功机构的轴基本上静止。该制动借助于电制动设备无摩擦地进行。在此，“无摩擦”可理解为没有机械摩擦，在该意义上无接触地进行制动。因此，在电动制动中可能出现的诸如逆流或涡流的材料内部过程不属于“摩擦”、“无摩擦”等的概念。电动机优选地在正常运行状态下在为电动马达供电的馈电的逆变器的可调控的斜坡处例如通过频率和电压的调节被制动。例如可实施为逆流制动器或涡流制动器的电制动设备无摩擦地工作从而基本上没有磨损。

在机器通过电制动设备的制动达到停止状态之后，机器通过机械止动设备的操作在机械上被锁定。该锁定优选以力配合或形状配合的方式进行。机械止动设备例如可通过止动钳作用于止动盘上，该止动盘可设置在做功机构的轴处或电动马达的转子处。

电制动设备和机械止动设备现在被控制为使得全部动能基本上被电制动设备耗散或转化，而机械止动设备仅在机器的停止状态下运作。由此，机械止动设备具有在停止状态下、即在静止位置中固定或锁定做功机构的技术功能，而其不会由于摩擦减少动能。

因此，机械止动设备可实施得特别紧凑，因为其基本上不必转化动能。其没有磨损件，至少仅有微小程度的磨损。此外还避免了磨损颗粒可能从机械止动设备渗入驱动机构中。由此，当谈论到做功机构的轴在停止状态下“基本上”静止或“基本上”全部动能被电制动设备转化时，则是指电制动设备被设计为耗散工作状态中的全部动能，而机械止动设备就此而言不起任何作用。相反，蠕动、例如振动等中的少量能量可由机械止动设备吸收和转化。

根据本发明设置有馈电的逆变器，其在工作状态下为驱动机构的电动马达供电并且优选具有在正常运行状态下制动做功机构的上述功能。在特殊运行状态下，馈电的逆变器为了制动而与电动马达电气隔离并且通过以下方式使机器处于停止状态，即将电动马达的绕组通过制动电阻和/或电阻电路/电容器电路和/或直接进行短路和/或接入外部直流电压源。由此，机械止动设备即使在特殊运行状态下、例如在馈电的逆变器发生故障时也不必将动能从工作状态转化成停止状态。做功机构和驱动机构的全部动能优选在例如停止状态、快速停止状态、紧急停止状态、紧急关机状态的所有运行状态下被电制动设备转化。由此，机械止动设备优选在任何情况(也包括紧急情况)下都仅执行使做功机构固定或锁定在静止位置的技术功能。

根据优选的实施方式，所述特殊的运行状态包括所述馈电的逆变器的故障。

根据优选的实施方式，在所述停止状态下所述机械止动设备以形状配合连接和/或传力连接的方式锁定所述机器，其中所述机械止动设备的操作优选以电动、机械、液压或气动方式进行。

机械止动设备的操作优选以电动、机械、液压或气动方式进行。止动钳、止动盘、活塞、液压缸或气动缸和管道、固定夹、固定销，所有这些适于构造机械止动设备的部件可被设计用于较小的力，从而可紧凑、轻质且低成本地实现。

此外，上述目的可利用用于制动机器的装置(也称为止动装置)实现。该机器具有优选为直接驱动机构的带电动马达的驱动机构和用于金属加工的做功机构，其中驱动机构可驱动做功机构的轴旋转。该装置具有：电制动设备，其无摩擦地将机器从工作状态制动到停止状态，在该停止状态中做功机构的轴基本上处于静止；机械止动设备，其在操作该机械止动设备时在机械上将机器锁定在停止状态；和控制设备，其用于将电制动设备和机械止动设备控制为使得基本上全部动能都被电制动设备转化，而机械止动设备仅在机器的停止状态下起作用。

关于方法描述的实施方式、技术作用和优点同样适用于装置，反之亦然。

本发明涉及一种用于制动机器的装置，该机器具有驱动机构和用于金属加工的做功机构，所述驱动机构优选为带有电动马达的直接驱动机构，其中所述驱动机构能旋转地驱动所述做功机构的轴，并且所述装置具有：电制动设备，其将所述机器无摩擦地从工作状态制动到停止状态，在该停止状态中所述做功机构的轴基本上处于静止；机械止动设备，其在操作所述机械止动设备时在机械上将所述机器锁定在所述停止状态；和控制设备，其用于将所述电制动设备和所述机械止动设备控制为使得基本上所述工作状态中的全部动能都被所述电制动设备转化，而所述机械止动设备仅在所述机器的停止状态下起作用，所述驱动机构具有馈电的逆变器，其在所述工作状态下为所述驱动机构的电动马达供电并且优选具有在正常运行状态下制动所述做功机构的功能，其中所述电制动设备和/或所述控制设备在特殊的运行状态下将所述馈电的逆变器与所述电动马达进行电气隔离并且通过以下方式将所述机器制动到所述停止状态，即其将所述电动马达的绕组通过制动电阻和/或电阻电路/电容器电路和/或直接地进行短路和/或接入外部直流电压源。

根据优选的实施方式，所述特殊的运行状态包括所述馈电的逆变器的故障。

根据优选的实施方式，所述做功机构具有壳体或机架，并且所述驱动机构具有定子和转子，其中所述定子直接固定在所述壳体或机架处。

根据优选的实施方式，所述驱动机构具有定子和转子，其中所述转子与所述做功机构的轴直接连接，所述转子和所述轴优选构造为一体。

根据优选的实施方式，所述驱动机构具有壳体，所述机械止动设备集成在所述壳体中或者所述机械止动设备与所述壳体通过法兰连接。

根据优选的实施方式，所述机械止动设备其在所述停止状态下以形状配合连接和/或传力连接的方式锁定所述机器，其中所述机械止动设备的操作优选以电动、机械、液压或气动方式进行。

根据优选的实施方式，所述驱动机构的电动马达为同步马达或扭矩马达。

根据优选的实施方式，所述做功机构具有优选为轧机中的工作辊、托辊、张紧辊和/或输送辊的滚轮、卷绕设备、涂装设备、飞剪和/或绞盘。

根据本发明，驱动机构具有馈电的逆变器，其在工作状态下为驱动机构的电动马达供电。该馈电的逆变器优选地使得通过其在正常运行状态下还可实现制动做功机构的功能，例如通过调节频率和电压。电制动设备和/或控制设备优选地使得其在特殊运行状态下在制动情况中将馈电的逆变器与电动马达电气隔离并且通过以下方式将机器制动到停止状态，即将电动马达的绕组通过制动电阻和/或电阻电路/电容器电路和/或直接进行短路和/或接入外部直流电压源。特殊运行状态例如包括馈电的逆变器的故障。

馈电的逆变器可包括用于马达控制的其他功能，优选为转速测量和/或根据机器的当前状态调节旋转场的方法。

做功机构优选具有壳体或机架并且驱动机构具有定子和转子，其中定子直接固定在壳体或机架处。转子与轴连接，由此转子的旋转传递到轴上。在本申请的意义上，在“直接固定”或同义的“集成固定”的情况下，相关机械部件以直接方式彼此接触。这例如可通过螺栓连接、铆接或焊接实现，而也包括一体式构造。壳体或机架和驱动机构以这种方式彼此“锁定”。通过这种特殊的集成方式，一方面实现了在电动马达和轴或做功机构之间的极其高的旋转刚度，另一方面可省去传动系中的复杂机械部件，例如变速器、联轴器、万向轴等。出于这些原因，转子优选与做功机构的轴直接连接，转子和轴优选构造为一体。基于驱动机构的转子和轴之间的这种直接连接方式，可省去一个或多个旋转轴承，其中轴和转子例如在驱动机构中或在驱动机构外共用一个旋转轴承。

驱动机构优选具有壳体，其中集成有机械止动设备或者机械止动设备与其通过法兰连接。机械止动设备以及电制动设备可为用于驱动机构的马达结构套件的部分或模块。特别紧凑的且可选为模块化的结构可通过根据本发明的止动方法实现。

所说明的驱动机构特别优选地用作直接驱动机构，由此可降低传统的传动系(例如由电动机、包括制动器的马达联轴器、减速器和机器联轴器组成)的复杂度。在此，驱动机构优选直接位于做功机构处或做功机构中。如上所述，在这种直接驱动机构中必须能够部分地承受非常高的制动器扭矩。为此传统的制动钳需要较大的结构空间，而电制动设备和机械止动设备的所述组合最佳地适用于具有直接驱动机构的应用。

尽管本发明特别优选地在钢和非铁金属工业中用于金属加工的技术领域，例如用于驱动轧机中的工作辊和/或托辊、卷绕设备和涂装设备中的张紧辊或输送辊、飞剪、竖直或水平储存容器中的绞盘等，但本发明还可在其他领域中实施。就此而言例如可提到在造纸机和纺织机中、在橡胶和塑料加工中以及在原材料工业中的普遍应用。

附图说明

从以下对优选实施例的说明中可看到本发明的其他优点和特征。以下说明的特征可单独地或与上述特征中的一个或多个相组合地被实施，只要这些特征不彼此矛盾。在此，以下参考附图进行对优选实施例的说明。

图1示意性地示出了机器的结构，该机器具有带电动马达的直接驱动机构、由直接驱动机构待驱动的做功机构以及用于制动机器的装置。

具体实施方式

以下借助于图1说明优选实施例。

图1示意性地示出了机器的结构，其具有带电动马达的驱动机构10、由驱动机构10待驱动的做功机构20以及用于制动机器的止动装置30。止动装置30具有电制动设备40和机械止动设备50。

由驱动机构10待驱动的做功机构20可通过许多方式实施，例如实施为轧机中的一个或多个工作辊和/或托辊、张紧辊或输送辊、卷绕设备、涂装设备、飞剪、竖直或水平储存容器中的绞盘等。

驱动机构10的优选为同步马达或扭矩马达的电动马达具有转子11和定子12，其优选直接固定在做功机构20的机架或壳体处。转子11与做功机构20的轴连接，由此转子11的旋转传递到轴上从而传递到做功机构20的可移动的零部件上。在本申请的意义上，在“直接的”固定或连接或同义的“集成的”固定或连接的情况下，相关机械部件以直接方式彼此接触。这例如可通过螺栓连接、铆接或焊接实现，而也包括一体式构造。做功机构20和驱动机构10以这种方式彼此“锁定”。通过这种特殊的集成方式实现了在驱动机构10和做功机构20的轴之间的极其高的旋转刚度。

在驱动机构10和做功机构20之间的紧密集成连接可实现节省空间的设备结构。随之得到设备结构的简化，例如通过省去基座、更好的设备可接近性、减少备用件、减少维护工作、缩小厂房。马达不会或更少地受到卷束或其他下落部件的损害。在此介绍的驱动机构概念的一大优势显著地体现在马达的散热设计中。通过驱动机构10与做功机构20的内部连接，可同时利用机械设备的质量和表面进行散热。由此可在没有结构措施的情况下提高电动马达的功率。传动系的功率损失显著下降。在许多情况下都可省去外部通风或水冷却部。驱动机构10可被设计为内转子式或外转子式。此外，该集成概念提供了在安全方面的改进，因为可省去旋转的外部驱动件，例如万向轴、联轴器、制动盘等。省去了诸如轴承、轴、联轴器、马达底座、变速器底座等构件。此外，可移动的零部件的减少促使有更高的调控精度，这又对待制造的产品的质量有积极影响。

止动装置30具有控制设备31，其控制电制动设备40、机械止动设备50以及必要时控制驱动机构10及其馈电的逆变器13的功能。下面将说明控制设备31对不同运行状态、特别是正常运行状态和特殊运行状态的控制功能：

为了使做功机构20制动或停止，设置有止动装置30，其具有电制动设备40和机械止动设备50。在此，控制设备31进行控制使得电制动设备40以无摩擦的方式执行做功机构20的制动直到静止或接近于静止，而在达到静止位置之后机械止动设备50使做功机构20锁定或止动。这可通过形状配合连接或传力连接进行，例如借助于在转子11上或在做功机构20的轴上随之旋转的制动盘来进行，制动衬片从两侧压在该制动盘上。该操控可例如以电动、机械、液压或气动方式进行。如前所述，做功机构20从几乎静止状态到绝对静止状态的微小制动可由机械止动设备50执行。

在正常运行状态下，驱动机构10在馈电的逆变器13的可调控的斜坡(频率、电压)处被制动。为驱动机构10的马达供电的馈电的逆变器13为电子设备并且可为驱动机构10的一部分、做功机构20的一部分或者也可为独立组件。驱动机构10的电动马达可实施为三相交流电动机。逆变器13除了供电之外还包括附加的马达控制的功能，例如转速测量和/或根据机器的当前状态调节旋转场的方法。逆变器13特别是包括通过调节频率和电压制动做功机构直到做功机构20静止的功能。

在逆变器13发生故障时，无法以这种方式制动驱动机构10或做功机构20。电制动设备40被配置为使得在这种情况下将逆变器13与驱动机构10的马达电气隔离，同时将马达绕组通过制动电阻、电阻电路/电容器电路或直接进行短路或者接入外部直流电压源。以这种方式在紧急情况下确保了可快速制动做功机构20。

电制动设备40的上述结构特别是可使得无论在正常运行中还是在馈电的逆变器13发生故障的情况下都无摩擦地、即非机械地制动做功机构20。做功机构20和驱动机构10的全部动能在例如停止状态、快速停止状态、紧急停止状态、紧急关机状态的所有运行状态下被电制动设备40耗散或转化。机械止动设备50现在在任何情况(也包括紧急情况)下都仅承担使做功机构20固定在静止位置的任务。通过在所有运行状态下仅基于电制动设备40制动做功机构20，能量不会被机械止动设备50转化成热量。能量不会被转化到摩擦中，并且这不仅适用于正常运行，而且特别是适用于馈电的逆变器13发生故障的情况。因此，机械止动设备50可实施得特别紧凑，因为其即使在紧急情况下也不必转化动能。此外，由此机械止动设备50没有磨损件，至少仅发生微小程度的磨损。另外，由此还避免了机械止动设备50的磨损元件进入驱动机构10中。机械止动设备50优选集成在驱动机构10的壳体中或直接与其通过法兰连接。机械止动设备50以及电制动设备40可为用于驱动机构10的马达结构套件的部件或模块。

所示驱动机构10优选用作直接驱动机构，由此可显著降低传统的传动系(例如由电动马达、包括制动器的马达联轴器、减速器和机器联轴器组成)的复杂度。在此，驱动机构10、特别是驱动机构10的定子12优选直接位于做功机构20处或做功机构20中。

所示驱动机构10可模块化地构造。在该意义上，作为基本模块的电动马达通过作为模块的机械止动设备50和电制动设备40被扩展。在必要时可通过其他模块扩展驱动机构10。可能的扩展模块例如包括用于提高基本模块的功率的具有驱动装置(转子和定子)的功率提升模块。为了使模块可相互组合，其具有技术上兼容的部件，特别是可彼此连接或可彼此通过法兰连接的壳体。通过这种模块化的结构形式可提高结构相同的零部件(马达盘、定子盘、定子片、定子线圈等)的复用频率，由此可降低成本且提高装置的可靠性。

只要适用，实施例中示出的所有单个特征都可彼此组合和/或替换，而不脱离本发明的范围。

附图标记

10 驱动机构/直接驱动机构

11 转子

12 定子

13 馈电的逆变器

20 做功机构

30 止动装置

31 控制设备

40 电制动设备

50 机械止动设备

Claims (12)

1.一种用于制动机器的方法，该机器具有带有电动马达的驱动机构(10)和用于金属加工的做功机构(20)，所述驱动机构为直接驱动机构，其中所述驱动机构(10)能旋转地驱动所述做功机构(20)的轴，并且所述方法包括：

借助于电制动设备(40)将所述机器无摩擦地从工作状态制动到停止状态，在该停止状态中所述做功机构(20)的轴基本上处于静止；

借助于并通过操作机械止动设备(50)在机械上将所述机器锁定在所述停止状态；其中

控制所述电制动设备(40)和所述机械止动设备(50)，使得基本上所述工作状态中的全部动能都被所述电制动设备(40)转化，而所述机械止动设备(50)仅在所述机器的停止状态下起作用，其特征在于，设有馈电的逆变器(13)，其在所述工作状态下为所述驱动机构(10)的电动马达供电并且具有在馈电的逆变器正常运行状态下制动所述做功机构(20)的功能，其中在馈电的逆变器的特殊的运行状态下所述馈电的逆变器(13)与所述电动马达电气隔离并且通过以下方式将所述机器制动到所述停止状态，即，将所述电动马达的绕组通过制动电阻和/或电阻电路/电容器电路和/或直接地进行短路和/或接入外部直流电压源。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述特殊的运行状态包括所述馈电的逆变器(13)的故障。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述停止状态下所述机械止动设备(50)以形状配合连接和/或传力连接的方式锁定所述机器，其中所述机械止动设备(50)的操作以电动、机械、液压或气动方式进行。

4.一种用于制动机器的装置，该机器具有带有电动马达的驱动机构(10)和用于金属加工的做功机构(20)，所述驱动机构为直接驱动机构，其中所述驱动机构(10)能旋转地驱动所述做功机构(20)的轴，并且所述装置具有：

电制动设备(40)，其将所述机器无摩擦地从工作状态制动到停止状态，在该停止状态中所述做功机构(20)的轴基本上处于静止；

机械止动设备(50)，其在操作所述机械止动设备(50)时在机械上将所述机器锁定在所述停止状态；和

控制设备(31)，其用于将所述电制动设备(40)和所述机械止动设备(50)控制为使得基本上所述工作状态中的全部动能都被所述电制动设备(40)转化，而所述机械止动设备(50)仅在所述机器的停止状态下起作用，其特征在于，所述驱动机构(10)具有馈电的逆变器(13)，其在所述工作状态下为所述驱动机构(10)的电动马达供电并且具有在馈电的逆变器正常运行状态下制动所述做功机构(20)的功能，其中所述电制动设备(40)和/或所述控制设备(31)在馈电的逆变器的特殊的运行状态下将所述馈电的逆变器(13)与所述电动马达进行电气隔离并且通过以下方式将所述机器制动到所述停止状态，即其将所述电动马达的绕组通过制动电阻和/或电阻电路/电容器电路和/或直接地进行短路和/或接入外部直流电压源。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述特殊的运行状态包括所述馈电的逆变器(13)的故障。

6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述做功机构(20)具有壳体或机架，并且所述驱动机构(10)具有定子(12)和转子(11)，其中所述定子(12)直接固定在所述壳体或机架处。

7.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述驱动机构(10)具有定子(12)和转子(11)，其中所述转子(11)与所述做功机构(20)的轴直接连接。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述转子(11)和所述轴构造为一体。

9.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述驱动机构(10)具有壳体，所述机械止动设备(50)集成在所述壳体中或者所述机械止动设备(50)与所述壳体通过法兰连接。

10.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述机械止动设备(50)其在所述停止状态下以形状配合连接和/或传力连接的方式锁定所述机器，其中所述机械止动设备(50)的操作以电动、机械、液压或气动方式进行。

11.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述驱动机构(10)的电动马达为同步马达或扭矩马达。

12.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述做功机构(20)具有轧机中的工作辊、托辊、张紧辊和/或输送辊、卷绕设备、涂装设备、飞剪和/或绞盘。

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