CN111954769A - 双稳态制动器 - Google Patents

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Abstract

提供一种电磁制动器，其中，短时电流脉冲使该制动器在接合与分离状态之间移动。当制动器接合时，具有第一极性的第一电流脉冲被传送至场壳体内的导体，并且建立起包括场壳体和电枢板的电磁回路，该电磁回路向背离于旋转的摩擦板而朝向场壳体的方向推压电枢板，以使制动器分离。在第一电流脉冲终止之后，由于电枢板和场壳体至少一者中的剩磁而使磁回路得以维持。当使制动器分离时，具有与第一极性相反的第二极性的第二电流脉冲被传送至导体而削弱磁回路，从而允许弹簧向背离于场壳体而朝向摩擦板的方向移动电枢板，以使制动器接合。

Description

双稳态制动器
技术领域
本公开涉及一种制动器。特别地，本公开涉及一种双稳态制动器，其中利用短时电流脉冲使制动器在接合状态和分离状态之间移动。
背景技术
在工业应用中使用的一种常规类型的制动器包括联接至旋转构件的摩擦板或摩擦盘。弹簧将非旋转的电枢板偏压成与摩擦板接合，以便使制动器接合。然后，当需要使制动器分离时，利用电磁体和/或磁体产生电磁回路或磁回路以将电枢板从摩擦板拉开。
上述制动器对于它们的预期目的而言工作良好。然而，这些制动器具有缺点。因为使用了永磁体，并且因为仍然需要电磁体来断开由磁体形成的磁回路并允许制动器再次接合，结合有永磁体的制动器相对昂贵且复杂。单独地结合有电磁体的制动器通常需要恒定的电流供应以将制动器保持在分离状态，从而消耗较大量的功率并产生较大量的热量。
本文的发明人已经认识到需要一种制动器，该制动器将最小化和/或消除一个或多个上述缺陷。
发明内容
提供了一种制动器。特别地，提供了一种双稳态制动器，其中利用短时电流脉冲使制动器在接合状态和分离状态之间移动。
根据本发明的一个实施方式的制动器包括摩擦板，该摩擦板构造为联接至轴以与该轴一起绕旋转轴线旋转。制动器还包括压力板，该压力板绕轴线布置在摩擦板的第一侧上并且被固定而不能旋转。制动器还包括绕所述轴线布置在摩擦板的第二侧上的电枢板。制动器还包括场壳体，该场壳体绕轴线布置在电枢板的相对于摩擦板的相对侧上。制动器还包括弹簧，该弹簧沿朝向摩擦板而背离于场壳体的第一轴向方向偏压电枢板，以使制动器接合。制动器还包括布置在场壳体内的导体。当制动器接合时，将具有第一极性的第一电流脉冲传送至导体而建立包括电枢板和场壳体的电磁回路。电磁回路沿背离于摩擦板而朝向场壳体的第二轴向方向推动电枢板，以使制动器分离。在第一电流脉冲终止之后，由于电枢板和场壳体中至少一者的剩磁，包括电枢板和场壳体的磁回路得以维持。磁回路产生大于弹簧的偏压力的吸引力。当使制动器分离时，将具有与第一极性相反的第二极性的第二电流脉冲传送至导体而削弱磁回路，从而允许弹簧沿背离于场壳体而朝向摩擦板的第一轴向方向移动电枢板，以使制动器接合。
根据本发明的另一实施方式的制动器包括摩擦板，该摩擦板构造为联接至轴以与该轴一起绕旋转轴线旋转。制动器还包括压力板，该压力板绕轴线布置在摩擦板的第一侧上并且被固定而不能旋转。制动器还包括绕轴线布置在摩擦板的第二侧上的电枢板。制动器还包括场壳体，该场壳体绕轴线布置在电枢板的相对于摩擦板的相对侧上。制动器还包括弹簧，该弹簧沿朝向摩擦板而背离于场壳体的第一轴向方向偏压电枢板，以使制动器接合。制动器还包括布置在场壳体内的导体。制动器还包括控制器，该控制器构造为在将制动器分离时将向导体传送第一电流脉冲。第一电流脉冲具有第一极性，并且配置为建立包括电枢板和场壳体的电磁回路，该电磁回路沿背离于摩擦板而朝向场壳体的第二轴向方向推动电枢板。在第一电流脉冲终止之后，由于电枢板和场壳体中至少一者的剩磁，包括电枢板和场壳体的磁回路得以维持。磁回路产生大于弹簧的偏压力的吸引力。控制器还构造为在将制动器接合时向导体传送第二电流脉冲。第二电流脉冲具有与第一极性相反的第二极性，并且配置为削弱磁回路，从而允许弹簧沿背离于场壳体而朝向摩擦板的第一轴向方向移动电枢板。
根据本发明的另一个实施方式的制动器包括摩擦板，该摩擦板构造为用于联接至轴以与该轴一起绕旋转轴线旋转。制动器还包括压力板，该压力板绕轴线布置在摩擦板的第一侧上并且被固定而不能旋转。制动器还包括绕轴线布置在摩擦板的第二侧上的电枢板。制动器还包括场壳体，该场壳体绕轴线布置在电枢板的相对于摩擦板的相对侧上。制动器还包括弹簧，该弹簧沿朝向摩擦板而背离于场壳体的第一轴向方向偏压电枢板，以使制动器接合。制动器还包括布置在场壳体内的导体。电枢板和场壳体中的至少一者具有剩磁，在通过向导体提供电流脉冲而使制动器分离后且在电流脉冲终止之后，该剩磁在电枢板和场壳体之间产生比弹簧的偏压力大的吸引力。
根据本教示的制动器相对于常规制动器是有利的。特别地，本发明的制动器提供了一种双稳态制动器，其中，该制动器可以保持在接合状态和分离状态而无需连续的电流供应，从而限制了功率消耗和热量。此外，该制动器避免了使用永磁体，从而降低了制动器的成本和复杂性。
通过阅读下面的详细描述和权利要求以及通过阅读作为示例示出本发明的特征的附图，本发明的前述和其他方面、特征、细节、用途和优点将变得明显。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方式的制动器的立体图。
图2是图1的制动器的后视图。
图3是图1的制动器的前视图。
图4是沿图3中的线A-A截取的图1-图3的制动器的截面图。
具体实施方式
现在参照附图，其中在各个视图中同样的附图标记用于标识相同的部件，图1至图4示出了根据本发明的一个实施方式的制动器10。制动器10向诸如轴、齿轮、带轮、叶片等旋转体提供制动扭矩，以减慢或停止旋转体的旋转。本领域普通技术人员将理解，制动器10可以用于需要制动器的多种工业应用和其他应用中。制动器10可以包括摩擦板12、压力板14、电枢板16、用于沿一个方向偏压电枢板16的装置(诸如弹簧18)、用于沿另一个方向推动电枢板16的装置(诸如场壳体20和导体22)、以及控制器24。
设置摩擦板12以将制动扭矩传递到轴或其他旋转体。摩擦板12可以由常规金属或塑料制成，并且可以通过冲压、模制和/或机加工来制成。参照图4，摩擦板12可以是环形形状的，并且绕旋转轴线26设置并以旋转轴线26为中心。摩擦板12联接至轴(未示出)并构造为与该轴一起绕轴线26旋转，并且摩擦板12可以以允许摩擦板12相对于该轴进行轴向运动的各种方式可旋转地联接到该轴，以使制动器10能够适当地操作并解决磨损、振动、跳动或热膨胀。例如，摩擦板12的径向内表面和轴的径向外表面可具有互补的、传递扭矩的形状，诸如花键(如所示实施方式中所示的)、键和键槽、单或双D形状或六角形状。摩擦板12包括在相对两侧面28、30上的摩擦表面，该摩擦表面构造为在制动器10接合期间分别与压力板14和电枢板16接合。
压力板14构造为在施用制动器10的过程中与摩擦板12接合，以将制动扭矩传递到摩擦板12。压力板14提供反作用表面，在施用制动器10期间，电枢板16将摩擦板12压在该反作用表面上。压力板14可以由常规金属或塑料制成，并且在一些实施方式中可以由钢(包括不锈钢)制成。压力板14布置在摩擦板12的侧面28上。进一步地，压力板14可以绕轴线26布置。压力板14被固定而不能旋转，并且可以使用多个轴向延伸的紧固件32(诸如螺栓、销、螺钉等)联接到场壳体20。
电枢板16还构造为在施用制动器10期间与摩擦板12接合以将制动扭矩传递到摩擦板12。电枢板16可以由金属或金属合金或具有较低磁阻的其他材料制成，诸如铁或钢。根据各种实施方式，电枢板16由具有较高碳含量的金属合金制成，使得电枢板16在暴露于电磁场之后具有较高的剩磁。根据某些实施方式，电枢板16由具有至少0.35％重量含量的碳或碳当量(“碳当量”包括通常用公式CE＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15表示的碳(C)、锰(Mn)、铬(Cr)、钼(Mo)、钒(V)、镍(Ni)和铜(Cu)的化合物)的材料制成。电枢板16布置在摩擦板12的侧面30上。进一步地，电枢板16可以绕轴线26布置并以该轴线26为中心。电枢板16被固定而不能旋转，但是可以沿轴向移向以及移离摩擦板12和压力板14以允许制动器10接合以及分离。电枢板16可以包括延伸穿过电枢板16的多个孔或位于电枢板16的径向外表面中的多个凹部，这些孔或凹部构造为允许紧固件32穿过电枢板16。以此方式，紧固件32限制或阻止电枢板16绕轴线26旋转，但允许电枢板16沿轴线26移动。
弹簧18提供了偏压装置，该偏压装置用于沿一个朝向摩擦板12与压力板14的沿着轴线26的方向偏压电枢板16，以使制动器10接合。弹簧18可以布置在场壳体20和电枢板16之间并在电枢板16上施加偏压力来将摩擦板12朝向压力板14推压。应当理解，制动器10可以包括单个环形弹簧18或绕轴线26以环形阵列布置的多个弹簧18。在后一情况下，可以将弹簧18绕轴线26沿周向均匀地间隔开。
场壳体20与导体22一起提供了推压装置，该推压装置用于沿背离于摩擦板12与压力板14的沿着轴线26的相反方向推压电枢板16，以使制动器10分离。场壳体20还可以提供结构支撑和确立包括压力板14和弹簧18在内的制动器10的其他部件的方位。场壳体20可以是环形形状的并且绕轴线26布置且以该轴线26为中心，并且场壳体20可以布置在电枢板16的与摩擦板12相反的一侧上。场壳体20可以由诸如铁磁材料之类的具有较低磁阻的材料制成。根据各种实施方式，场壳体20由具有较高碳含量的金属合金制成，使得场壳体20在暴露于电磁场之后具有较高的剩磁。根据某些实施方式，场壳体20由具有至少0.35％重量含量的碳或碳当量的材料制成。场壳体20可以限定有径向延伸的端壁34和轴向延伸且径向对准的内壁36和外壁38，内壁36和外壁38从端壁34朝向电枢板16轴向地延伸。内壁36可以限定有一个或多个封闭孔40，这些封闭孔40构造为接收各弹簧的一端。外壁38还可以限定有一个或多个封闭孔42，这些封闭孔42构造为接收紧固件32。导体22可以包括常规的绕制线圈或类似导体，并构造为接收在壁36、38之间的场壳体20内。供应至导体22的“电流”根据电流的强度和极性以及制动器10的当前状态产生或削弱包括电枢板16和场壳体20的电磁回路，如下面更详细地讨论的。电磁回路克服弹簧18的偏压力沿朝向场壳体20而背离于摩擦板12的方向推动电枢板16，以使制动器10分离。
提供控制器24以控制电流向导体22的输送，并因此控制制动器10的操作。控制器24可以包括可编程微处理器或微控制器，或者可以包括专用集成电路(ASIC)。控制器24可以包括中央处理单元(CPU)。控制器24还可以包括存储器和输入/输出(I/O)接口，控制器24可以通过该接口接收多个输入信号并发送多个输出信号。控制器24控制从诸如电池或电容器之类的电源(未示出)向导体22的电流输送。
控制器24构造为向导体22传送短时电流脉冲，以便施用和释放制动器10。由于制动器10的构造，制动器10作为双稳态制动器工作，其中电流脉冲使制动器10在接合状态和分离状态之间移动，以及使制动器10在该脉冲结束后直到下一个电流脉冲提供至导体22为止保持在指定状态。当制动器10接合时(即，当电枢板16接合摩擦板12并在弹簧18施加的偏压力作用下将摩擦板12夹在电枢板16和压力板14之间时)，控制器24可以通过将任一极性的电流脉冲传送至导体22来使制动器10分离。电流脉冲建立包括电枢板16和场壳体20的电磁回路。特别地，电流脉冲产生的磁通势的量等于导体22中的匝数(N)乘以电流(I)的量。磁通势产生了横穿电枢板16与场壳体20之间的气隙的磁通量(φ)，且该磁通量(φ)取决于电磁回路中的磁阻(R)。电磁回路中的磁通(φ)在电枢板16和场壳体20之间产生与弹簧18的偏压力相反的吸引力(F)，该吸引力是由场壳体20的壁36、38形成的内、外磁极处的力的组合：F＝φ2/(外磁极面积)+φ2/(内磁极面积)。所供应的电流(I)的量必须足以产生大于弹簧18偏压力的吸引力(F)，以便沿背离于摩擦板12而朝向场壳体20的轴向方向推动电枢板16，以便使致动器10分离。
根据本教示，制动器10构造为即使在电流脉冲终止之后也保持超过弹簧18的偏压力的吸引力(F)。如上所讨论的，电枢板16和场壳体20中的至少一者可以由具有较高碳含量的材料制成。由此，电枢板16和场壳体20具有较高的剩磁，即使在电流脉冲结束之后且不再向导体22提供电流，该剩磁仍继续存在。由于这种剩磁，电枢板16和场壳体20之中的磁回路在电流脉冲终止之后仍得以维持，进而使制动器10保持在分离或释放状态。在一个实施方式中，电枢板16和场壳体20中的至少一者具有至少0.35％重量含量的碳或碳当量，以便具有较高的剩磁。然而，电枢板16和/或场壳体20的确切材料组成可以基于影响电枢板16与场壳体20之间的吸引力的量的其他因素而改变，所述因素诸如为当制动器10分离时电枢板16与场壳体20之间的气隙的尺寸、以及场壳体20的内壁36、38所形成的磁极面积。此外，可以在考虑包括退火、机械应力(例如，精压)以及材料的热处理在内的影响残余磁化强度的其他因素而选择材料组成。一般地，电枢板16和/或场壳体20的材料选择为在考虑这些其他因素时在电枢板16和/或场壳体20之间产生超过弹簧16的偏压力的残余吸引力。
当期望再次接合或再次施用制动器10时，控制器24可以将另一电流脉冲传送至导体22。用于接合制动器10的电流脉冲的极性与用于使制动器10分离的脉冲的极性相反。电流脉冲再次产生磁通势，该磁通势的量等于导体22中的匝数(N)乘以电流的(I)量，但是该磁通势沿与用于使制动器10分离的电流脉冲所产生的力相反的方向操作。矫顽(coercive)磁通势会减小横穿电枢板16与场壳体20之间的气隙的剩余磁通量(φ)。由此，电流脉冲会削弱电枢板16和场壳体20之中的磁回路，从而允许弹簧18沿着轴线26向背离于场壳体20而朝向摩擦板12的方向移动电枢板16，以再次接合制动器10。因为在制动器10接合期间弹簧18的偏压力使电枢板16移动，用于使制动器10接合的电流脉冲的幅度可小于用于使制动器10分离的电流脉冲的幅度(其中必须克服弹簧18施加的力)。进而，通过考虑电枢板16与场壳体20之间的气隙的尺寸，可以使再次接合或再次施用制动器10所需的电流量最小化。特别地，该气隙的存在还对抗电枢板16和场壳体20之间的残余吸引力。在常规的退磁曲线的曲线图中，可以在曲线的第二象限中从原点开始、以等于气隙的长度除以气隙的面积的斜率来绘制气隙线。该线与退磁曲线的交点表示在没有电流提供至导体22时剩下的剩余磁通量。从该点，可以确定当与气隙的冲击结合时产生足以克服电枢板16与场壳体20之间的残余吸引力的矫顽磁通势所需的电流量。
如上所述，控制器24产生电流脉冲用于使制动器10在(完全)接合位置和(完全)分离位置之间移动。然而，在一些实施方式中，可能期望施加部分制动扭矩以控制旋转体中的运动速率。在这些实施方式中，控制器24可以进一步构造为以较高的频率产生极性交替的电流脉冲，以产生小于弹簧18单独提供的扭矩的制动扭矩。控制器24可以响应于存储在存储器中的一组编程指令(即，软件)、响应于传感器反馈(例如，旋转体的速度或电枢板16沿着轴线26的位置)和/或响应于通过常规用户界面输入的用户命令而产生这些脉冲。
根据本教示的制动器10相对于常规制动器是有利的。特别地，本发明的制动器10提供了一种双稳态制动器，其中，制动器10可以保持在接合和分离状态而无需连续的电流供应，从而限制了功率消耗和热量。此外，制动器10避免使用永磁体，从而降低了制动器的成本和复杂性。
尽管已经参照一个或多个特定实施方式示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变和修改。

Claims (15)

1.一种制动器，包括：
摩擦板，所述摩擦板构造为联接至轴以与所述轴一起绕旋转轴线旋转；
压力板，所述压力板绕所述轴线布置在所述摩擦板的第一侧上并且被固定而不能旋转；
电枢板，所述电枢板绕所述轴线布置在所述摩擦板的第二侧上；
场壳体，所述场壳体绕所述轴线布置在所述电枢板的相对于所述摩擦板的相对侧上；
弹簧，所述弹簧沿朝向所述摩擦板而背离于所述场壳体的第一轴向方向偏压所述电枢板，以使所述制动器接合；以及
导体，所述导体布置在所述场壳体内；
其中，当所述制动器接合时，将具有第一极性的第一电流脉冲传送至所述导体而建立包括所述电枢板和所述场壳体的电磁回路，所述电磁回路沿背离于所述摩擦板而朝向所述场壳体的第二轴向方向推动电枢板，以使所述制动器分离，由于所述电枢板和所述场壳体中至少一者中的剩磁，在所述第一电流脉冲终止后，包括所述电枢板和所述场壳体的磁回路仍得以维持，所述磁回路产生大于所述弹簧的偏压力的吸引力，并且当所述制动器分离时，将具有与所述第一极性相反的第二极性的第二电流脉冲传送至所述导体而削弱磁回路，从而允许所述弹簧沿背离于所述场壳体而朝向所述摩擦板的所述第一轴向方向移动所述电枢板，以使所述制动器接合。
2.根据权利要求1所述的制动器，其中，所述第二电流脉冲的幅度小于所述第一电流脉冲的幅度。
3.根据权利要求1所述的制动器，其中，所述电枢板和所述场壳体中的至少一者具有至少0.35％重量含量的碳或碳当量。
4.根据权利要求3所述的制动器，其中，所述电枢板和所述场壳体两者均具有至少0.35％重量含量的碳或碳当量。
5.根据权利要求1所述的制动器，其中，所述压力板联接至所述场壳体。
6.根据权利要求1所述的制动器，其中，所述弹簧布置在所述场壳体与所述电枢板之间。
7.一种制动器，包括：
摩擦板，所述摩擦板构造为联接至轴以与所述轴一起绕旋转轴线旋转；
压力板，所述压力板绕所述轴线布置在所述摩擦板的第一侧上并且被固定而不能旋转；
电枢板，所述电枢板绕所述轴线布置在所述摩擦板的第二侧上；
场壳体，所述场壳体绕所述轴线布置在所述电枢板的相对于所述摩擦板的相对侧上；
弹簧，所述弹簧沿朝向摩擦板而背离于所述场壳体的第一轴向方向偏压所述电枢板，以使所述制动器接合；和
导体，所述导体布置在所述场壳体内；
控制器，所述控制器构造为：
当将所述制动器分离时，将第一电流脉冲传送至所述导体，所述第一电流脉冲具有第一极性并配置为建立包括所述电枢板和所述场壳体的电磁回路，所述电磁回路沿背离于所述摩擦板而朝向所述场壳体的第二轴向方向推动所述电枢板，由于所述电枢板和所述场壳体中至少一者中的剩磁，在所述第一电流脉冲终止后，包括所述电枢板和所述场壳体的磁回路仍得以维持，所述磁回路产生大于弹簧的偏压力的吸引力；并且
当将所述制动器接合时，将第二电流脉冲传送至所述导体，所述第二电流脉冲具有与所述第一极性相反的第二极性并配置成削弱所述磁回路，从而允许所述弹簧沿背离于所述场壳体而朝向所述摩擦板的所述第一轴向方向移动所述电枢板。
8.根据权利要求7所述的制动器，其中，所述第二电流脉冲的幅度小于所述第一电流脉冲的幅度。
9.根据权利要求7所述的制动器，其中，所述电枢板和所述场壳体中的至少一者具有至少0.35％重量含量的碳或碳当量。
10.根据权利要求9所述的制动器，其中，所述电枢板和所述场壳体两者均具有至少0.35％重量含量的碳或碳当量。
11.根据权利要求7所述的制动器，其中，所述压力板联接至所述场壳体。
12.根据权利要求7所述的制动器，其中，所述弹簧布置在所述场壳体与所述电枢板之间。
13.一种制动器，包括：
摩擦板，所述摩擦板构造为联接至轴以与所述轴一起绕旋转轴线旋转；
压力板，所述压力板绕所述轴线布置在所述摩擦板的第一侧上并且被固定而不能旋转；
电枢板，所述电枢板绕所述轴线布置在所述摩擦板的第二侧上；
场壳体，所述场壳体绕所述轴线布置在所述电枢板的相对于所述摩擦板的相对侧上；
弹簧，所述弹簧沿朝向摩擦板而背离于所述场壳体的第一轴向方向偏压所述电枢板，以使所述制动器接合；和
导体，所述导体布置在所述场壳体内；
其中，所述电枢板和所述场壳体中的至少一者具有剩磁，所述剩磁在通过向导体提供电流脉冲而使所述制动器分离后并在该电流脉冲终止之后在所述电枢板和所述场壳体之间产生大于所述弹簧的偏压力的吸引力。
14.根据权利要求13所述的制动器，其中，所述电枢板和所述场壳体中的至少一者具有至少0.35％重量含量的碳或碳当量。
15.根据权利要求13所述的制动器，其中，所述电枢板和所述场壳体两者均具有至少0.35％重量含量的碳或碳当量。
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