CN1990064A - 磁阻尼救生器 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种磁阻尼救生器，包括壳体、卷筒、保险绳和传动装置。卷筒通过转轴支撑在壳体上，保险绳的一端固定并缠绕在卷筒上。所述磁阻尼救生器还包括机电转换装置和能量接收装置，卷筒经传动装置传动机电转换装置，机电转换装置将机械能转换成电能并由能量接收装置接收，从而提高磁阻尼救生器的安全性及实用性。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种救生器，可用在建筑灾难(火灾、地震、恐怖事件等)、军舰和客货远洋轮船灾难发生时，作为受困人员自救逃生避难器材。同时本发明磁阻尼救生器也可作为建筑外墙面清洗人员的一种安全设备。
【背景技术】
在众多自然灾害中，地震、火灾最具突发性，它们给人类造成的伤亡也最大。对于高层建筑灾情突发时的民用自救器材，由于其用途、使用环境、保存时间等条件的特殊性，对救生器材的实用性和安全性都有极高的要求。可是，现有高层建筑用救生器材，由于受机械摩擦原理所限，结构设计不能保证安全实用，当灾害发生时，靠救援人员很难及时救出高层建筑内被困人员。其存在的主要缺点是：1、采用磨擦制动，使用次数少、可靠性和安全性差，只能供专业消防人员使用，不适合于平民自救使用。2、下降速度不可调，人体重时下降快，人体轻时下降慢，不利于穿越火层和小孩紧急逃生，也不能根据需要停在空中。3、由于采用机械摩擦控速，安全绳一般采用外包麻皮的钢丝绳，轮式挤压摩擦安全绳外皮达到缓减速度的目的。齿轮挤压保险绳时生产磨损，磨损后的保险绳一方面易断，另一方面使挤压阻力减小，下降速度相应加快，影响安全性。4、保险绳不耐火，由于现有高层建筑用救生器材是靠其内部齿轮之间挤压绳索产生阻力来减缓人体下降速度，一般保险绳的用料是钢绳外包麻皮，因此，在穿越火层时，保险绳并不“保险”。5.在使用时两端保险绳在相距几厘米内作相对运动，相对运动速度可达3m/s，故使用者极易受伤。6、使用高度受限(100M以下)。因为摩擦产生热，通常在50米以上高度使用时易失速。7在使用时，两根保险绳相对运动，极易使人受伤。8、主机与保险绳分离成两块，不便使用操作。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种能使高层建筑上的受困人员安全逃生的磁阻尼救生器。
本发明的进一步目的是提供一种具有自回复功能的磁阻尼救生器，能使从高层建筑物的高处下降下来的救生器自动反回到高层建筑的高处，实现反复自救。
实现上述目的的技术方案是：一种磁阻尼救生器，包括壳体、卷筒、保险绳和传动装置。卷筒通过转轴支撑在壳体上，保险绳的一端固定并缠绕在卷筒上。所述磁阻尼救生器还包括机电转换装置和能量接收装置，卷筒经传动装置传动机电转换装置，机电转换装置将机械能转换成电能并由能量接收装置接收。
所述机电转换装置包括永磁体、感应线圈、定子和转子，所述传动装置传动转子，转子上固定永磁体或感应线圈，定子上对应固定感应线圈或永磁体，使其当转子相对于定子转动时，永磁体与感应线圈之间因切割磁力线的相对运动产生磁阻尼，感应线圈的输出端接能量接收装置，通过能量接收装置接收感应线圈内产生的能量。
所述能量接收装置是储能装置或发热装置。
所述储能装置是超极电容或蓄电池。
所述发热装置是电阻。
还包括第一单向导通二极管，由感应线圈、能量接收装置和第一单向导通二极管构成导电回路。
在所述第一单向导通二极管的两端并联有开关。
在能量接收装置与第一单向导通二极管串联后的两端并联有至少一个第二单向导通二极管。
还包括发热电阻，第二单向导通二极管与发热电阻串联后并接在能量接收装置与第一单向导通二极管串联后的两端。
所述传动装置是变速传动装置，用于增速后驱动机电转换装置。
所述变速传动装置是一组变速行星轮传动装置。
还包括限重装置，限重装置支撑在壳体上，卷筒通过转轴支撑在限重装置上，使其当载重量超过设定值时，卷筒的外缘下移后卡在壳体上。
所述限重装置是承载弹簧，卷筒两侧的转轴支撑在对应设置的承载弹簧上。
本发明采用上述技术方案，其有益的技术效果在于：
1、通过在救生器中设置机电转换装置和能量接收装置，卷筒经传动装置驱动机电转换装置，机电转换装置将机械能转换成电磁能量并由能量接收装置接收。本发明巧妙地将人体在从高位向低位下降过程中释放出的动能转换成电磁能量，并由能量接收装置接收。因而，当救生器降落到地面时不会产生过度的动能冲击，确保了人身安全。本发明首创性地实现了利用磁阻尼调控人体下降速度的目的。
减缓了救生器的下降速度，当释放能量速度与能量接收速度达到平衡时，速度变得稳定；同时
2、采用由定子、转子、永磁体和感应线圈组成的机电转换装置，技术成熟可靠。
3、能量接收装置采用超级电容或者蓄电池等蓄能元件，结构简单、实用，并且蓄能元件储存的能量通过反转救生器自动回复到原救生位置，实现自动反复救助，方法简单、科学、实用。
4、在感应线圈与能量接收装置中串接电阻，当电阻小时下降速度慢，当电阻大时下降速度慢，可对下降速度进行更有效的调节。
5、通过并联至少两套能量吸收装置，在每一套能量吸收装置中设置相应的开关，保证救生器工作的可靠性，防止失速，并且可改变能量接收的速度，实现下降速度的调节。
6、通过在回路中设置单向导通二极管，当采用手动操作方式转动卷筒时，由于线圈回路等效于断开状态，不会产生磁阻尼，能够轻松地将救生器提升到高位，进行下一次救生。
7、通过在电容或者蓄电池两端并联单向导通二极管，即使电容或电池断开或损坏时，利用二极管单向导通时存在一定的内阻，可通过该内阻消耗转化的电能，避免当电容或电池断开或损坏时发生失速的危险。
8、通过在电容或者蓄电池两端并联功耗电阻，即使电容或电池断开或损坏时，由于该功耗电阻的存在，避免了当电容或电池断开或损坏时发生失速的危险。
9、通过设置限重装置，可有效防止在人员超重的情况下发生失速危险的可能性。
【附图说明】
下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步的详细说明：
图1是一种磁阻尼救生器的结构框图。
图2是图1中一种机电转换装置的结构示意图。
图3a是磁阻尼救生器的一种电路图。
图3b是磁阻尼救生器的另一种电路图。
图4是本发明磁阻尼救生器的结构示意图。
图5是本发明磁阻尼救生器的固定装置结构示意图。
图6是本发明磁阻尼救生器的磁阻尼装置结构剖面图。
图7是本发明磁阻尼救生器的传动装置传动示意图。
图8是本发明磁阻尼救生器的止转骨架正视图。
图9是本发明磁阻尼救生器的自救状态电路图。
图10是本发明磁阻尼救生器的手动回绳状态电路图。
图11是本发明磁阻尼救生器的自动回绳状态电路图。
【具体实施方式】
结合图1至图11，一种磁阻尼救生器，包括卷筒、传动装置、机电转换装置及能量接收装置。所述卷筒缠绕足够长度的安全绳。卷筒在下降过程中产生的机械动能经传动装置传动给机电转换装置，机电转换装置将传动装置传来的机械动能转换成电能，然后由能量吸收装置储存或者消耗。
发电机是机电转换装置中的一种最成熟的实现方式，包括定子503、转子502、感应线圈506和永磁体504。转子、定子与感应线圈、永磁体之间的位置结构并非唯一的。作为一种实施方式，转子502上固定永磁体504，定子503上对应固定感应线圈506。作为另一种实施方式，转子502上固定感应线圈506，定子503上对应固定永磁体504。只要感应线圈和永磁体分别固定在定子或转子上即可，利用感应线圈与永磁体的相对运动，使其当转子相对于定子转动时，永磁体与感应线圈之间因切割磁力线的相对运动产生磁阻尼。
在感应线圈内阻很小的情况下，传动装置可为一转轴。卷筒固定在转轴上，卷筒经转轴传动机电转换装置。在感应线圈内阻较大的情况下，所述传动装置可为变速传动装置。通过变速传动装置增速后传动定子，用以提高感应线圈的能量转换率，使其实现卷筒在下降过程中产生的机械动能的变化与感应线圈因切割磁力线运动所生产的能量达到一种平衡。
请参考图3a至图3b，能量接收装置可采用储能或者耗能的方式，而且还可以采用至少两组并联接入的方式，并在每一组中设置开关。通过多组接入，一是提高可靠性，防止储能元件断开造成失速的危险，二是通过开关控制速度。在储能方式中，能量接收装置可为超级电容或者蓄电池。在耗能方式中，能量接收装置可为耗能电阻。
在感应线圈与能量接收装置构成的回路中接入单向导通二极管，当救生器处于下降的过程中时，开关K闭合，电容被充电，同时由于并接的两个单向导通二极管存在一定内阻，单向导通二极管等效于一个功耗电阻。当救生器使用完毕需要收回安全绳10，当采用手动操作方式反向转动卷筒时，开关K断开，电容无法放电，由于单向导通二极管的存在，线圈回路等效于断开状态，不会产生磁阻尼，能够轻松地将救生器安全绳回收，以备进行下一次救生。当采用自动操作方式反向转动卷筒时，接通开关K，形成电容放电回路，电容放电并驱动永磁阻尼器的卷筒自动反转，将救生器安全绳回收，以备进行下一次救生。
请参考图4至图8，以下为本发明磁阻尼救生器的具体实施方式的详细描述。
本发明磁阻尼救生器包括承重止转骨架1、永磁阻尼装置5(以下简称阻尼装置)、固定缠绕在永磁阻尼装置5的不锈钢丝安全绳10及连接在安全绳10一端的安全衣裤16。所述磁阻尼救生器通过一固定装置悬挂在墙体上，所述固定装置包括固定于墙体的立柱18、垂直于立柱18向外突伸的悬臂17，悬臂17末端装设有吊环。所述磁阻尼装置则通过吊环悬挂在悬臂17的末端。本发明磁阻尼救生器不需能源，而利用能量转换原理，将人体重量在某一高度的势能通过变速传动装置，传递至阻尼装置5的磁场内，从而产生一种反作用的磁阻尼，反制阻尼装置外壳旋转的速度。人体重量越大反制的磁阻尼越大，当体重一定时人体在下降的速度为匀速，从而保证被困人员逃生的安全。具体结构详述如下。
所述止转骨架1具有中空的腔体，止转骨架1一端连接一出线盒9，出线盒9内旋转装设一承重主滚筒8。所述止转骨架1内设有一对主轴孔。主轴孔的下方安装一限重装置。主轴孔上方的止转骨架1侧壁上开设一回绳孔3，一回绳小齿轮2固定在回绳孔3的内侧。所述回绳小齿轮2可由一回绳摇把20驱动旋转。所述阻尼装置5包括一贯穿阻尼装置的主轴510，所述阻尼装置5收容在所述承重止转骨架1的腔体内，同时阻尼装置5的主轴510装配在止转骨架1侧壁的主轴孔内。所述阻尼装置5的主轴510在靠近回绳孔3的一侧对应装设一与回绳小齿轮啮合的回绳大齿轮4。
所述安全衣裤16悬挂于安全绳10的末端。所述安全绳10则固定缠绕在永磁阻尼装置5上，本实施方式中，安全绳10采用不锈钢丝绳制作，耐火性强，增加安全性。安全绳10的末端连接一套环11。所述安全衣裤16上装设有若干安全带15，一安全带上连接板13通过安全钩12连接安全绳10末端的套环11，从而将安全衣裤16活动连接在安全绳10上。
所述限重装置包括一对安装槽及一对限重弹簧6。所述限重弹簧6分别收容在安装槽内，限重弹簧6一端支撑在安装槽底面另一端则将阻尼装置5的主轴510顶起。所述限重装置的下方进一步装设一制动轴7，所述制动轴7连接一用来限制阻尼装置5转动的制动臂22。
请参考图3，所述由主轴510支撑的磁阻尼装置5进一步包括一卷筒501、一收容在卷筒501内的变速传动装置及阻尼发生装置。所述安全绳10固定缠绕在永磁阻尼装置5的卷筒501上。所述卷筒501由一对壳盖501-1、501-2从两侧密封。壳盖501-1、501-2外围分别延伸一法兰边，卷筒501通过主510轴支撑在限重装置上，当载重量超过设定值时，弹簧6会被压缩，卷筒501的法兰边下移后卡在止转骨架1底面，使得阻尼装置5的卷筒501无法转动。壳盖501-1的法兰边上装设有制动块530，所述制动块530可与旋转装设在止转骨架1制动轴7上的制动臂22配合，从而阻止磁阻尼装置壳盖501的旋转。壳盖501-1中部装设所述与回绳小齿轮2啮合的回绳大齿轮4。
所述变速传动装置与阻尼发生装置之间由一间隔壁513密封及隔离。所述变速传动装置可密封在充满油介质的间隔壁513及密封壁520之间，从而达到润滑变速传动装置的目的。变速传动装置可为迫使线圈与永磁体发生相对运动的行星齿轮组或者摆线机构或涡轮涡杆机构。本实施方式中，所述变速传动装置为一组变速行星轮传动装置，其包括一与密封壁520固定连接的内齿轮509、三个行星轮512-1、512-2、512-3及由三个行星轮512-1、512-2、512-3驱动的中心转动齿轮505。卷筒501在人体重力的作用下转动，随之转动的内齿圈509驱动啮合的三个行星轮512-1、512-2、512-3转动，转动的行星轮512-1、512-2、512-3同时驱动与它们啮合的中心转动齿轮505，并使得中心转动齿轮505的转速大大提高。
所述阻尼发生装置包括转子502、定子503和能量接收装置C。本发明实施方式中，所述转子502由轴承508支撑在主轴510上，并由收容腔将所述定子503包围。所述转子502内侧固定有一圈永磁体504，永磁体504在转子的收容腔内形成磁场。所述定子503固定支撑在主轴510上，定子503上形成若干卡槽507，每一卡槽507可装设一感应线圈506。所述转子502与所述中心转动齿轮505固定连接为一体。所述高速旋转的中心转动齿轮505同样带动转子502高速旋转。所述变速传动装置的中心转动齿轮505迫使线圈506与永磁体504发生相对运动，永磁体504与感应线圈506之间因切割磁力线的相对运动产生磁阻尼，阻止悬在安全绳10末端的人体出现自由落体下降的现象。
所述转子502与定子503的结构并非唯一的。作为一种实施方式，转子502上固定永磁体504，定子503上对应固定感应线圈506，作为另一种实施方式，转子502上固定感应线圈506，定子503上对应固定永磁体504，使其当转子502相对于定子503转动时，永磁体504与感应线圈506之间因切割磁力线的相对运动产生磁阻尼。
感应线圈506的输出端接能量接收装置，通过能量接收装置接收感应线圈内产生的能量。作为能量接收装置的一种实施方式，所述能量接收装置可是储能装置，所述储能装置是超极电容C或蓄电池。作为能量接收装置的另一种实施方式，所述能量接收装置可是发热装置。所述发热装置是电阻R。
所述能量接收装置还包括由感应线圈506和能量接收装置构成导电回路。在所述第一单向导通二极管D1的两端并联有开关K。在能量接收装置与第一单向导通二极管D1串联后的两端并联有两个第二单向导通二极管D2、D3。两个第二单向导通二极管D2、D3可与发热电阻R串联后并接在能量接收装置与第一单向导通二极管D1串联后的两端。
请参考图9至图11，使用时，在自救工作状态，安全绳10一端固定缠绕在阻尼装置5的卷筒501上，另一端与承重止轴转骨架1出线盒9外的安全衣裤16相连。被困人员穿上安全衣裤16后，下降时安全绳10会拉动永磁阻尼装置5的卷筒501旋转。所述变速传动装置与永磁阻尼装置5的卷筒501内间隔壁513上三个行星轮513-1、513-2、513-3相啮合，另一端与永磁阻尼装置5内转子502固定联接，卷筒501的转动通过变速传动装置将人体势能传递至阻尼装置5内的转子502上，迫使感应线圈506与永磁体504发生相对旋转运动，从而产生一种反重力作用力的磁场阻力，反作用于阻尼装置5的卷筒501上，产生磁阻尼，达到控制负荷下降速度的目的。
请参考图5，所述感应线圈506与永磁体504发生相对旋转运动的同时产生感生电流及电动势，感生电能在发热装置，电阻R上消耗。
本发明磁阻尼救生器的止转骨架1内设置有限重装置。若被困人员体重超负荷，支撑在限重弹簧6上的阻尼装置5的主轴510下降，限重弹簧6被压缩，阻尼装置5的卷筒501的法兰边下移后卡在止转骨架1底面，卷筒501无法转动，使得磁阻尼救生器停止工作，以确保逃生人员安全。本发明采用了弹簧限重装置，一但超过最大负荷，磁阻尼救生器将停止工作，待多余负荷撤离后，限重弹簧6恢复形变才可继续工作。
本发明还采用了制动轴7制动臂22结构，被困人员可通过操纵制动臂22卡入或者旋出阻尼装置5壳盖501-1的制动块530，达到人为停止磁阻尼装置5的卷筒501继续转动的目的。
在被困人员营救完毕之后，需要将安全绳回收到止转骨架1内的卷筒501上。本发明的磁阻尼救生器具有可由手动回绳及自动回绳两种方式。
在手动回绳中，将回绳摇把20插入止转骨架1并与止转骨架1内的回绳小齿轮2配合回绳孔3。转动回绳摇把20，回绳摇把20的转动通过与回绳小齿轮2相啮合的回绳大齿轮4，回绳大齿轮4固定在卷筒501的壳盖501-1中部，同时会带动卷筒501反向旋转，将安全绳10收卷在卷同501上。请参考图6，回绳卷筒501的方向旋转也会使感应线圈506与永磁体504发生相对旋转运动，产生反向的感生电流及电动势，但是，当K断开时，在第一单向导通二极管D1及两个第二单向导通二极管D2、D3的反向截止功能作用下，所产生的能量接收装置C是无法接受储存的。
作为本发明的另一种自动回绳方法，请参考图7，利用能量接收装置电容C所储存的电能，接通开关K以后，电容C储存的电能驱动卷筒501旋转，自动将安全绳10收卷回来。
本发明磁阻尼救生器不用能源，靠人体重力为动力，并且使用磁阻尼救生器被困人员的体重与磁场反作用力成正比，当体重一定时，阻尼装置外壳旋转的速度是匀速的，从而可以在安全下降速度范围内(0.16-1.5m/s)匀速降至地面而自救逃生。本发明磁阻尼救生器负荷范围大，救生效率高，一人或多人均可同时逃生。并且磁阻尼是成熟技术，与现有主要靠摩擦控速的救生器材相比，其安全性、实用性大大提高。
Claims (13)
1、一种磁阻尼救生器，包括壳体、卷筒、保险绳和传动装置，卷筒通过转轴支撑在壳体上，保险绳的一端固定并缠绕在卷筒上，其特征在于：还包括机电转换装置和能量接收装置，卷筒经传动装置传动机电转换装置，机电转换装置将机械能转换成电能并由能量接收装置接收。
2、根据权利要求1所述的磁阻尼救生器，其特征在于：所述机电转换装置包括永磁体、感应线圈、定子和转子，所述传动装置传动转子，转子上固定永磁体或感应线圈，定子上对应固定感应线圈或永磁体，使其当转子相对于定子转动时，永磁体与感应线圈之间因切割磁力线的相对运动产生磁阻尼，感应线圈的输出端接能量接收装置，通过能量接收装置接收感应线圈内产生的电能。
3、根据权利要求2所述的磁阻尼救生器，其特征在于：所述能量接收装置是储能装置。
4、根据权利要求3所述的磁阻尼救生器，其特征在于：所述储能装置是超极电容或蓄电池。
5、根据权利要求3所述的磁阻尼救生器，其特征在于：所述能量接收装置是发热电阻。
6、根据权利要求2所述的磁阻尼救生器，其特征在于：还包括第一单向导通二极管，由感应线圈、能量接收装置和第一单向导通二极管构成导电回路。
7、根据权利要求6所述的磁阻尼救生器，其特征在于：在所述第一单向导通二极管的两端并联有开关。
8、根据权利要求6所述的磁阻尼救生器，其特征在于：在能量接收装置与第一单向导通二极管串联后的两端并联有至少一个第二单向导通二极管。
9、根据权利要求8所述的磁阻尼救生器，其特征在于：还包括发热电阻，第二单向导通二极管与发热电阻串联后并接在能量接收装置与第一单向导通二极管串联后的两端。
10、根据权利要求1-9任意一项所述的磁阻尼救生器，其特征在于：所述传动装置是变速传动装置，用于增速后驱动机电转换装置。
11、根据权利要求1-9任意一项所述的磁阻尼救生器，其特征在于：所述变速传动装置是一组变速行星轮传动装置。
12、根据权利要求1-11任意一项所述的磁阻尼救生器，其特征在于：还包括限重装置，限重装置支撑在壳体上，卷筒通过转轴支撑在限重装置上，使其当载重量超过设定值时，卷筒的外缘下移后卡在壳体上。
13、根据权利要求12所述的磁阻尼救生器，其特征在于：所述限重装置是承载弹簧，卷筒两侧的转轴支撑在对应设置的承载弹簧上。
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