KR101608773B1 - 브레이크용 영구 자석 센터링 시스템 - Google Patents

브레이크용 영구 자석 센터링 시스템 Download PDF

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즈비그뉴 피에히
로버트 휠러
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오티스 엘리베이터 컴파니
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Abstract

엘리베이터 권상기(12)용 브레이크 조립체(22)가 개시된다. 브레이크 조립체(22)는 회전 요소(30), 회전 요소(30)와 작동이 연계되어 장착된 고정 요소(34), 및 고정 요소(34)에 연결된 위치설정 디바이스(36)를 포함할 수 있다. 추가적으로, 위치설정 디바이스(36)는 회전 요소(30)에 대한 고정 요소(34)의 센터링을 용이하게 하도록 회전 요소(30)와 자기적 상호작용이 이루어질 수 있다.

Description

브레이크용 영구 자석 센터링 시스템{PERMANENT MAGNET CENTERING SYSTEM FOR BRAKE}
본 발명은 일반적으로 브레이크 시스템들에 관한 것으로, 특히 디스크 브레이크 시스템(disc brake system) 내의 회전자에 대한 캘리퍼(caliper)의 센터링(centering)에 관한 것이다.
디스크 브레이크들은 작동 중인 대상물의 회전을 정지시키거나 감속시키기 위해 폭넓게 사용된다. 디스크 브레이크의 일 적용예는 엘리베이터 시스템이며, 특히 트랙션-기반 엘리베이터 시스템(traction-based elevator system)이다. 이러한 엘리베이터 시스템들은, 일반적으로 트랙션 시브에 휘감긴 호이스팅 로프(hoisting rope)들을 통해 평형추(counterweight)에 연결된 엘리베이터 차체(elevator car)를 포함한다. 트랙션 시브는 모터에 의해 구동되어, 트랙션 시브의 회전이 호이스팅 로프를 이동시키도록 하고, 이로 인해 엘리베이터 차체의 원하는 이동이 야기된다. (예를 들어, 브레이크를 작동시킴으로써) 엘리베이터 차체의 움직임을 중지시키거나 감속시키기 위하여, 트랙션 시브는 디스크 브레이크에 연결된다.
트랙션 시브는 각 측면에서 디스크 브레이크의 회전자 또는 회전 디스크(rotating disc)로서 작동하는 플랜지(flange)와 커플링될 수 있다. 트랙션 시브 및 회전자들은 함께 회전하여 엘리베이터 차체의 이동을 용이하게 한다. 회전자들의 양측에 마찰이 적용되는 경우, 회전자들 및 트랙션 시브는 감속되거나 중지되며, 이로 인해 엘리베이터 차체의 이동이 감속되거나 중지된다. 회전자들에 대한 마찰은 캘리퍼에 의해 적용되며, 각각의 캘리퍼는 브레이크 패드(brake pad)들, 브레이크 코일(brake coil)들 및 스프링들의 적어도 한 세트를 갖는다. 브레이크가 작동되는 경우, 브레이크 코일들이 해제(disengage)되고 스프링들은 브레이크 패드들에 힘을 가하며, 브레이크 패드들이 회전자들에 접촉하여 트랙션 시브 및 회전자들의 움직임에 대항하는 접선 마찰력(tangential friction force)들을 생성한다.
캘리퍼는 접선 방향 및 반경 방향으로는 고정되지만, 회전자들에 대해 축방향으로는 어느 정도의 병진운동(translation) 또는 플로트(float)를 허용하도록 장착된다. 이 플로트 양은 작동 중에 직면하게 되는 하중 및 축방향 움직임의 범위 하에서 올바른 제동 작동을 허용하기 위해 필요하지만, 이러한 플로트는 회전자들에 대한 캘리퍼의 오프-센터링(off-centering)의 원인이기도 하다. 캘리퍼 및 회전자들의 센터링은 브레이크가 풀린 경우, 브레이크 패드들이 회전자들에 접촉하는 것을 방지하도록 돕는다. 이상적으로, 캘리퍼는 항상 스스로 각각의 브레이크 패드와 회전자들의 회전자 제동 표면들 사이에 균일한 갭을 갖도록 회전자들 위에서 센터링될 것이다. 하지만, 통상적으로는 그렇지가 않다. 이에 따라, 특히 캘리퍼를 센터링하고, 브레이크가 풀린 경우 브레이크 패드들이 회전자들에 접촉하지 않을 것을 보장하도록 지금까지 수 개의 기술들이 제안되었다.
효과적이긴 하지만, 이러한 종래 기술들은 여러 단점을 갖는다. 예를 들어, 대부분의 종래 기술들에서는 캘리퍼 및 회전자들을 센터링하기 위해 센서들과 같은 기계적 디바이스들이 채택된다. 이 센서들은 회전자들과 실질적인 물리적 접촉을 유지하여, 정지마찰 및 마찰 손실들을 유도한다. 또한, 흔히 이러한 기술들은 디스크 브레이크의 전체 비용 및 유지보수에 추가될 뿐 아니라, 오작동하기 쉽고 수명이 더 짧은 전원 공급기 또는 다른 폐쇄-루프 시스템의 작동을 필요로 한다. 추가적으로, 이러한 센서들은 회전자들과 센서들에 대한 장착 유닛 간의 열 팽창 차이(differential thermal expansion)를 수용하지 않을 수 있다.
따라서, 회전자들에 대한 캘리퍼의 센터링을 용이하게 하도록 신뢰성 있고, 견실하며, 및/또는 저가인 시스템을 개발하는 것이 유리할 것이다. 추가적으로 또는 대안적으로, 이러한 시스템이 정지마찰 및 마찰 손실들을 최소화하고, 여하한의 열 팽창들을 수용하며, 및/또는 별도의 전원 공급 시스템의 필요성을 제거하는 것이 유리할 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 브레이크 조립체가 개시된다. 브레이크 조립체는 회전 요소, 회전 요소와 작동이 연계되어 장착된 고정 요소, 및 고정 요소에 연결된 위치설정 디바이스를 포함할 수 있다. 추가적으로, 위치설정 디바이스는 회전 요소에 대한 고정 요소의 센터링을 용이하게 하도록 회전 요소와 자기적 상호작용이 이루어질(magnetically interface) 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 회전 요소는 회전자일 수 있고, 고정 요소는 캘리퍼 조립체일 수 있으며, 위치설정 디바이스는 선택적으로 2 개의 측부(side portion)들 및 영구 자석을 포함할 수 있다. 또한, 선택적으로 영구 자석은 강자성 재료로 만들어질 수 있는 2 개의 측부들 사이에 개재될 수 있다.
다른 실시예에서, 2 개의 측부들 각각은 선택적으로 제 1 연결 표면(interfacing surface)을 가질 수 있고, 회전 요소는 제 2 연결 표면을 가질 수 있으며, 제 1 및 제 2 연결 표면들이 서로 상호작용하여 회전 요소와 위치설정 디바이스가 자기적 상호작용이 이루어지도록 할 수 있다.
추가적인 실시예에서, 제 1 연결 표면은 선택적으로 복수의 제 1 팁(tip)들을 갖는 복수의 제 1 티쓰(teeth)를 가질 수 있고, 제 2 연결 표면은 복수의 제 2 팁들을 갖는 복수의 제 2 티쓰를 가질 수 있다. 복수의 제 1 티쓰는 선택적으로 복수의 제 2 티쓰와 자기적 상호작용이 이루어질 수 있고, 복수의 제 1 팁들은 고정 요소가 회전 요소와 센터링되는 경우에 마주하는 복수의 제 2 팁들과 정렬될 수 있으며, 선택적으로 복수의 제 1 팁들은 고정 요소가 회전 요소로부터 오프-센터링되는 경우에는 마주하는 복수의 제 2 팁들로부터 오프셋(offset)될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 위치설정 디바이스는 선택적으로 복수의 제 1 및 제 2 팁들에 집중되는 자속을 발생시킬 수 있다.
또 다른 실시예에서, 제 2 연결 표면은 회전 요소의 환형 홈 내에 기계가공될 수 있고, 환형 홈은 선택적으로 비-자성 정지부(non-magnetic stop)를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 엘리베이터 시스템에 대한 기계부(machine)가 개시된다. 기계부는 트랙션 시브, 및 트랙션 시브를 구동시키는 전기 모터를 포함할 수 있다. 추가적으로, 기계부는 트랙션 시브를 제동시키는 브레이크 조립체를 포함할 수 있고, 브레이크 조립체는 캘리퍼 조립체 및 영구 자석을 갖는 위치설정 디바이스를 가지며, 위치설정 디바이스는 캘리퍼 조립체에 연결되고 트랙션 시브와 자기적 상호연결이 이루어진다.
몇몇 실시예들에서, 위치설정 디바이스는 선택적으로 캘리퍼 조립체와 트랙션 시브의 회전자 사이에 위치될 수 있다. 추가적으로, 위치설정 디바이스는 선택적으로 복수의 제 1 팁들을 갖는 복수의 제 1 티쓰를 포함할 수 있고, 회전자는 복수의 제 2 팁들을 갖는 복수의 제 2 티쓰를 포함할 수 있으며, 복수의 제 1 및 제 2 팁들은 캘리퍼 조립체와 회전자를 센터링하도록 서로 정렬될 수 있다.
다른 실시예에서, 위치설정 디바이스는 선택적으로 복수의 제 1 및 제 2 팁들을 정렬시키도록 복수의 제 1 및 제 2 팁들에 집중될 수 있는 자속을 발생시킬 수 있다.
또 다른 실시예에서, 위치설정 디바이스는 선택적으로 제 1 연결 표면을 가질 수 있고, 이는 트랙션 시브의 제 2 연결 표면과 상호작용한다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 고정 요소와 회전 요소를 센터링하는 방법이 개시된다. 상기 방법은 회전 요소, 회전 요소와 작동이 연계되어 연결된 고정 요소, 및 고정 요소에 연결되고 회전 요소와 자기적 상호작용이 이루어지는 위치설정 디바이스를 갖는 브레이크 조립체를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 추가적으로, 상기 방법은 위치설정 디바이스에 의해 자속을 발생시키는 단계, 및 회전 요소를 통해 자속을 보내서(route) 고정 요소와 회전 요소의 센터링된 위치를 복원하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 각각의 제동 작동 후 상기 발생시키는 단계를 반복하는 단계를 더 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 자속을 발생시키는 단계는 선택적으로 위치설정 디바이스로부터 회전 요소까지, 그리고 회전 요소로부터 위치설정 디바이스까지의 폐쇄-루프 자속 경로를 정의하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 자속 경로를 정의하는 단계는 선택적으로 회전 요소로의 자속의 측방향 이동(lateral movement)을 제한하는 단계를 포함할 수 있다.
첨부된 도면들과 함께, 다음 상세한 설명으로부터 다른 장점들 및 특징들이 분명해질 것이다.
기재된 방법들 및 장치들을 더 완전히 이해하기 위해, 첨부된 도면들에 더 상세히 나타낸 예시적인 실시예들을 참조하여야 한다:
도 1은 본 발명의 디스크 브레이크 시스템을 갖는 기계부를 사용하는 엘리베이터 시스템의 간소화된 개략적인 도면;
도 2는 도 1의 디스크 브레이크 시스템을 갖는 기계부의 더 상세한 사시도;
도 3은 도 2의 디스크 브레이크 시스템의 일부분의 더 상세한 확대 사시도;
도 4는 디스크 브레이크 시스템의 캘리퍼 조립체가 제거되어 있는 도 3의 디스크 브레이크 시스템의 확대 사시도;
도 5는 도 3의 라인 5-5를 따라 취해진 디스크 브레이크 시스템의 단면도;
도 6은 도 2 내지 도 5의 디스크 브레이크 시스템 내에서 사용되는 자기 디바이스를 통한 자속 경로를 나타내는 도면; 및
도 7a 및 도 7b는 도 6의 자기 디바이스의 자속 밀도 벡터 플롯을 나타내는 도면이다.
다음 상세한 설명은 소정의 특정한 예시적인 실시예들에 대해 설명되었고 제공될 것이지만, 본 발명의 범위는 이러한 실시예들에 제한되지 않으며, 단순히 실시가능성(enablement) 및 최적 상태를 목적으로 제공될 뿐임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술사상 및 폭은 본 명세서에 최종적으로 첨부된 청구항들 내에 포함되고 구체적으로 기재된 실시예들 및 그 균등물들보다 폭넓다.
이제 도 1을 참조하면, 본 발명의 적어도 몇몇 실시예들에 따른 엘리베이터 시스템(2)의 간소화된 개략적인 도면이 도시된다. 엘리베이터 시스템(2)의 구성요소들 모두가 도시되지는 않고, 및/또는 본 명세서에서 상세히 설명되지 않지만, 통상적인 엘리베이터 시스템은 호이스팅 로프들(도시되지 않음)을 통해 평형추(6)에 연결된 엘리베이터 차체(4)를 포함할 수 있다. 호이스팅 로프들은 필요에 따라 엘리베이터 차체(4)를 이동시키거나 중지시키도록 트랙션 시브 내의 전기 모터에 의해 구동되는 트랙션 시브(10)[예를 들어, 트랙션 시브(10)는 전기 모터의 회전자일 수 있음]에 걸쳐 연장될 수 있다. 트랙션 시브(10) 상의 디스크 브레이크 시스템(아래에서 설명됨)이 엘리베이터 시스템(2)을 감속시키거나 중지시키도록 돕는다. 본 명세서에서, 전기 모터, 트랙션 시브(10) 및 디스크 브레이크 시스템은 집합적으로 엘리베이터 권상기(elevator traction machine: 12)라고 칭해진다. 평형추(6)와 함께 엘리베이터 시스템(2)은 알려진 방식으로 작동하므로, 표현의 간명함을 위해 상세히 설명되지 않는다. 하지만, 엘리베이터 차체 프레임, 가이드 조립체, 구동 조립체 등과 같은, 앞서 설명된 것 이외의 구성요소들이 본 발명의 범위 내에서 고려되고 의도됨을 이해할 것이다.
이제 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 엘리베이터 권상기(12)의 예시적인 실시예가 더 상세히 도시된다. 나타낸 바와 같이, 엘리베이터 권상기(12)는 예를 들어 승강로 위 기계실에 엘리베이터 권상기를 장착하거나 위치시키는 데 도움이 되는 다양한 구조 부재들(예를 들어, 호이스팅 로프들)을 포함할 수 있다. 구조 부재들은, 예를 들어 복수의 스트럿(strut: 18)(예를 들어, 강철 스트럿 또는 채널)들을 갖는 베드 플레이트(bed plate: 16)를 포함할 수 있다. 추가적으로, 구조 부재들은 베드 플레이트(16)에 장착되고 이로부터 연장되는 한 쌍의 기계 스탠드(machine stand: 20)들을 포함할 수 있다.
또한, 기계 스탠드(20)들 각각은 형상, 크기 및 형태가 서로 동일(또는 실질적으로 동일)할 수 있다. 또한, 엘리베이터 권상기(12)는 2 개의 기계 스탠드(20)들 사이에서 트랙션 시브(10)를 통해 연장되는 샤프트(샤프트 상에 전기 모터의 고정자가 장착됨)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 기계 스탠드(20)들은 고정자 및 여하한의 회전부들의 무게를 지탱하는 샤프트의 단부들을 고정하기 위해 사용될 수 있다. 도시 및/또는 설명되지는 않지만 이러한 기계 스탠드들 및/또는 디스크 브레이크 시스템들과 조합하여, 또는 이와 함께 통상적으로 사용되는 인코더들과 같은 다른 구성요소들이 본 발명의 범위 내에서 고려되고 의도된다.
트랙션 시브(10)의 어느 한 측면에 장착된 플랜지들이 브레이크 조립체(22)의 회전 요소들 또는 회전자(30)들로서 작동한다. 또한, 브레이크 조립체(22)는 1 이상의 고정 요소들 또는 캘리퍼 조립체(34)들을 포함할 수 있으며, 이들 중 1 이상은 핀(24)들과 같은 적절한 체결구들에 의해 각각의 기계 스탠드(20)들 중 하나에 장착될 수 있고, 추가적으로 각 회전자(30)들 중 하나에 인접할 수 있다. 도 2에 보이진 않지만, 브레이크 조립체(22)는 각자의 회전자(30)들 각각에 대해 캘리퍼 조립체(34)들 각각을 센터링하는 위치설정 디바이스(36)(도 3 참조)를 더 포함할 수 있다. 위치설정 디바이스(36)는 아래의 도 3 내지 도 7에서 더 상세히 설명된다.
작동 시, 브레이크 조립체(22)는 전기적으로 작동될 수 있다. 엘리베이터 시스템(2)의 브레이크(도시되지 않음)에 (알려진 방식으로) 동력이 공급되는(energize) 경우, 캘리퍼 조립체(34)들 내에 위치된 브레이크 코일(보이지 않음)들이 자기장을 생성하여, 브레이크 패드들(이 또한 보이지 않고 캘리퍼 조립체들 내에 위치됨)을 회전자(30)들로부터 떨어지게 이동시키고, (전기 모터에 의해) 트랙션 시브(10)를 움직이게 하는 회전으로 하여금 엘리베이터 차체(4)를 이동시키게 한다. 전원이 끊어지면(de-energize), 캘리퍼 조립체(34)들 내의 브레이크 코일들은 더 이상 브레이크 패드들에 영향을 주지 않고, 캘리퍼 조립체들 내의 스프링들이 회전자(30)들을 향해 브레이크 패드들을 이동시키고 회전자(30)들과 접촉시켜, 회전자들의 회전을 정지시키고 엘리베이터 차체(4)의 이동을 중지시킨다.
또한, 브레이크 조립체(22)의 작동 중에 캘리퍼 조립체(34)들의 일부 또는 전부가 접선 방향 및 반경 방향으로는 기계 스탠드(20)들에 고정될 수 있지만, 아래에서 설명되는 바와 같이 축방향으로는 어느 정도의 병진운동 또는 플로트를 가질 수 있다. 축방향 플로트는, 예를 들어 온도 등으로 인한 엘리베이터 권상기(12)의 치수 변화들을 수용하도록 돕는다. 일 예시로서, 엘리베이터 권상기(12)의 일 단부 상의 캘리퍼 조립체(34)들은 모두 축방향 플로트를 허용할 수 있다. 캘리퍼 조립체(34)들의 이 축방향 플로트는 도 3에서 화살표(37)로 나타내어진다. 플로트를 고려하고 캘리퍼 조립체(34)들이 제동 작동에 후속하여 각자의 회전자(30)들에 대해 센터링된 위치로 되돌아갈 것을 보장하기 위해, 아래에서 설명되는 위치설정 디바이스(36)가 사용될 수 있다.
이제 도 3 및 도 4를 참조하면, 위치설정 디바이스(36)는 더 상세히 도시되고 설명된다. 구체적으로, 도 3은 위치설정 디바이스가 캘리퍼 조립체(34)들 중 하나와 회전자(30)들 중 하나 사이에 위치되어 있는 브레이크 조립체(22)의 일부를 더 상세히 나타내는 한편, 도 4는 캘리퍼 조립체들 중 하나가 제거되어 있는 브레이크 조립체의 일부를 나타낸다. 설명의 단순함을 위해, 위치설정 디바이스(36)는 아래에서 단지 캘리퍼 조립체(34)들 중 하나[이후, 간단히 캘리퍼 조립체(34)라고도 함] 및 회전자(30)들 중 하나[이후, 간단히 회전자(30)라고도 함]에 대해서만 설명된다. 하지만, 동일한 설명(teaching)들이 엘리베이터 권상기(12) 내의 다른 캘리퍼 조립체(34)들 및 다른 회전자(30)들에 적용가능하고, 이 캘리퍼 조립체(34)들 및 회전자(30)들 각각은 이들 사이에 위치된 위치설정 디바이스(36)를 가짐을 이해할 것이다.
위치설정 디바이스(36)는 특히 자기 위치설정 디바이스(magnetic positioning device)일 수 있으며, 특히 캘리퍼 조립체(고정 요소)(34)에 연결되고 회전자(회전 요소)(30)와 자기적 상호작용이 이루어지는 수동형 영구 자석 디바이스(passive permanent magnetic device)일 수 있다. 적어도 몇몇 실시예들에서, 위치설정 디바이스(36)는 기계적으로 너트, 볼트, 스크루 등과 같은 체결구들에 의해, 또는 점착제(adhesive) 및 접착제(glue)에 의해 캘리퍼 조립체(34)에 연결(또는 장착)될 수 있다. 다른 실시예들에서, 위치설정 디바이스(36)는 자기적으로, 또는 다른 형태의 메카니즘에 의해 캘리퍼 조립체(34)에 장착될 수도 있다. 위치설정 디바이스(36)와 회전자(30) 간의 연결(자기적 상호작용)은 아래에서 더 상세히 설명된다. 캘리퍼 조립체(34)와 회전자(30) 사이에 위치설정 디바이스(36)를 연결하고, 회전자와 위치설정 디바이스가 자기적 상호작용이 이루어지도록 하는 것으로 인해, 캘리퍼 조립체는 각각의 브레이크 패드 및 회전자의 회전자 제동 표면 사이에 균일한 갭을 갖도록(예를 들어, 등거리로 위치되도록) 회전자에 센터링되어, 브레이크가 풀리는 경우(예를 들어, 동력이 공급되는 경우) 브레이크 패드가 회전자(예를 들어, 회전자 제동 표면)와 접촉하지 않을 것을 보장할 수 있다.
캘리퍼 조립체(34) 및 회전자(30)의 센터링을 용이하게 하기 위해, 위치설정 디바이스(36)는 영구 자석(40)(도 4 참조)이 개재되는 측부(38)들을 포함할 수 있다. 적어도 몇몇 실시예들에서는 측부(38)들이 각각 강철과 같은 강자성 재료로 만들어질 수 있지만, 다른 실시예들에서는 다른 타입의 강자성 재료가 사용될 수 있다. 이와 관련하여, 영구 자석(40)과 자기적 상호작용이 이루어지기 위해 회전자(30)는 주철(예를 들어, 회주철)과 같은 강자성 재료로 구성될 수 있지만, 디스크 브레이크 회전자들을 구성하는 데 통상적으로 사용되는 다른 타입의 강자성 재료가 사용될 수 있다.
강자성 재료들로 측부(38)들 및 회전자(30)를 구성함으로 인해, 측부(38)들 및 회전자(30)를 통하는 영구 자석(40)으로부터의 자속 경로(아래에서 도 6에 설명됨)가 회전자 및 캘리퍼 조립체(34)를 센터링하기 위해 확립될 수 있다. 또한, 자속 경로를 확립하기 위해, 영구 자석(40)은 소정 방위 또는 방향으로 위치될 수 있다. 예를 들어, 나타낸 바와 같이 적어도 몇몇 실시예들에서 영구 자석(40)은 영구 자석의 북극이 화살표(41)로 나타낸 방향을 향하고, 자속이 영구 자석의 북극으로부터 남극으로 흐르도록 방위될 수 있다. 다른 실시예들에서, 북극은 화살표(41)의 방향의 반대 방향을 향할 수 있으며, 자속은 아래에 도 6에서 설명되는 방향의 반대 방향으로 흐를 수 있다.
도 3 및 도 4의 실시예들에서, 측부(38)들 각각은 형상 및 크기가 유사(또는 실질적으로 유사)하고, 영구 자석(40)이 측부들 사이에서 중심에(또는 실질적으로 중심에) 위치되는 것으로 도시되었지만, 항상 그럴 필요는 없다. 오히려, 다른 실시예들에서 측부(38)들 각각은 서로 상이한 구성(예를 들어, 형상 및 크기)을 취할 수 있고, 및/또는 영구 자석(40)은 2 개의 비대칭 측부들 사이에서 오프-센터링되어 위치될 수 있다. 또한, 영구 자석(40) 중 단 하나만이 도시되었지만, 다른 실시예들에서 다수의 영구 자석들 및/또는 각각이 1 이상의 영구 자석들을 갖는 다수의 위치설정 디바이스들이 캘리퍼 조립체(34)와 회전자(30) 사이에서 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
영구 자석(40)의 형상, 크기 및 재료, 및 캘리퍼 조립체(34)와 회전자(30) 사이에서의 위치설정 디바이스(36)의 위치는 다른 실시예들에서 변경될 수도 있다. 구체적으로, 위치설정 디바이스(36)의 형상, 크기 및 구성은 엘리베이터 권상기(12)의 크기, 캘리퍼 조립체(34)의 크기와 무게, 및 캘리퍼 조립체와 회전자를 센터링하는 데 필요한 축방향 힘(F)과 같은 수 개의 인자들에 의존하여 변경될 수 있다. 또한, 앞선 파라미터들은 영구 자석(40)이 위치설정 디바이스(36) 및 회전자(30)를 통하는 자속(아래에서 설명됨)을 생성하도록 배치되어, 위치설정 디바이스에 의해 캘리퍼 조립체(34) 및 회전자의 상대 위치의 어떠한 변화라도 감지되도록 하고, 브레이크 조립체(22)를 그 센터링된 위치로 복원하기 위해 자기 전단력(예를 들어, 축방향 복원력)들이 작용하도록 하는 한 변경될 수 있다.
이제 도 3 및 도 4와 함께 도 5 및 도 6을 참조하면, 위치설정 디바이스(36)는 제 1 및 제 2 연결 표면들(42 및 44) 각각에 의해 회전자(30)와 자기적 상호작용이 이루어지도록 연결될 수 있다. 제 1 연결 표면(42)은 각각의 측부(38)들 상에 기계가공될 수 있는 한편, 제 2 연결 표면(44)은 회전자(30)의 환형 홈(46) 내에 기계가공될 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 연결 표면들(42 및 44) 각각은 팁들(52 및 54)을 각각 갖고, 팁들 사이에는 작은 간격을 갖는 복수의 티쓰(48 및 50)로 기계가공될 수 있다.
회전자(30)와 위치설정 디바이스(36)가 자기적 상호작용이 이루어지도록 하기 위해, 측부(38)들은 제 1 연결 표면(42) 상의 티쓰(48)가 제 2 연결 표면(44) 상의 티쓰(50)와 상호작용하도록 환형 홈(46) 내에 삽입될 수 있다. 특히, 제 1 및 제 2 연결 표면들(42 및 44) 간의 자기적 상호작용은 티쓰(48)의 팁들(52)이 티쓰(50)의 팁들(54)과 정렬하도록(예를 들어, 직접 접촉하거나 교접하도록) 확립된다. 회전자(30)와 위치설정 디바이스(36)가 자기적 상호작용이 이루어지도록 하는 것으로 인해, 위치설정 디바이스와 회전자 간의 여하한의 실질적인 직접 물리적 접촉이 회피되어, 정지마찰 및 마찰 손실들을 최소화한다. 또한, 본 실시예에서는 환형 홈(46)을 통해 회전자(30)와 자기적 상호작용이 이루어지는 단일 위치설정 디바이스(36)가 개시되었지만, 적어도 몇몇 실시예들에서는 각각이 위치설정 디바이스를 갖는 다수의 환형 홈들이 사용될 수 있다.
팁들(52 및 54)의 정렬된 위치는 캘리퍼 조립체(34)와 회전자(30)의 센터링된 위치를 나타낸다. 팁들(52 및 54)의 정렬로부터의 [화살표(37) 방향으로의 캘리퍼 조립체의 축방향 이동으로 인한] 여하한의 편차는 캘리퍼 조립체(34) 및 회전자(30)의 오프-센터링된 위치를 유도한다. 이 오프-센터링된 위치는 위치설정 디바이스(36), 및 특히 위치설정 디바이스의 영구 자석(40)에 의해 보정될 수 있으며, 이는 팁들(52 및 54) 간의 정렬을 복원하도록 자속을 생성하여, 아래에서 설명되는 방식으로 센터링된 위치에 캘리퍼 조립체(34) 및 회전자(30)를 되돌린다.
특히 티쓰(48 및 50)에 대해, 티쓰의 쌍들 각각은 (강철과 같은) 강자성 재료로 제조될 수 있는 매칭 티쓰(matching teeth)일 수 있고, 각각 팁들(52 및 54)을 갖는 사다리꼴 또는 삼각 구성을 취할 수 있으며, 모따기된 단부(chamfered end portion)들을 가질 수 있거나 갖지 않을 수 있다. 바람직하게는, 제 1 연결 표면(42) 상의 티쓰(48) 수가 제 2 연결 표면(44) 상의 티쓰(50) 수와 같을 수 있지만, 항상 그럴 필요는 없다. 또한, 적어도 몇몇 예시적인 실시예들에서는, 제 1 및 제 2 연결 표면들(42 및 44) 각각에 15 개의 티쓰(48 및 50)가 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 티쓰의 수는 변경될 수 있다. 이와 유사하게, 몇몇 예시적인 실시예들에서 티쓰(48 및 50) 각각에 대해 1.67 밀리미터의 투쓰 간 피치(tooth-to-tooth pitch)(예를 들어, 2 개의 연속 팁들 간의 거리)가 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 티쓰(48 및 50)의 투쓰 간 피치는 변경될 수 있다.
이제 도 6, 도 7a, 및 도 7b를 참조하면, 영구 자석(40)의 자속 경로(56)가 도 6에 도시되는 한편, 자속(62)의 자속 밀도 벡터 플롯들(58 및 60)이 도 7a 및 도 7b에 각각 도시된다. 앞서 설명된 바와 같이, 영구 자석(40)을 갖는 위치설정 디바이스(36) 및 회전자(30)는 티쓰(48 및 50)의 팁들(52 및 54)이 각각 캘리퍼 조립체(34) 및 회전자(30)의 센터링된 위치에 대응하는 정렬된 위치에 있도록 설정된다. 작동 시, 도 3에서 화살표(37)로 나타낸 축방향 힘들(F)이 캘리퍼 조립체(34) 또는 회전자(30) 중 어느 하나에 작용하고 그 구성요소들을 오프-센터링함에 따라, 영구 자석(40)에 의해 생성된 자속(예를 들어, 자기장)(62)(도 7a 및 도 7b에 복수의 화살표들로 나타냄)이 [예를 들어, 축방향 힘(F)의 반대 방향으로] 축방향 복원력을 발생시켜, 팁들(52 및 54) 간의 정렬을 복원하고 캘리퍼 조립체 및 회전자를 안정적인 센터링된 위치로 되돌린다. 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 자속(62)은 최소 자기저항(reluctance)의 위치를 유지하도록 자속 경로(56)를 따르는 경향이 있으며, 자기저항의 여하한의 증가는 최소 자기저항 위치로 자속을 되돌리는 축방향 복원력으로 저지(counter)된다.
영구 자석(40)에 의해 생성된 자속(62)에 대응하는 자속 경로(56)에 대해, 이는 (북극으로부터 남극으로) 화살표(41) 방향으로 연장되고, 위치설정 디바이스(36)의 측부(38)들을 통해 회전자(30)로, 그리고 다른 측부를 통해 다시 영구 자석으로의 폐쇄 루프를 따른다. 또한, 자속 경로(56)는 위치설정 디바이스(36)로부터 회전자(30)로, 그리고 회전자(30)로부터 위치설정 디바이스(36)로 최단 경로를 취하려고 한다. 자속(62) 및 자속 경로(56)에 대한 최단 거리 및 최소 자기저항은 티쓰(48)의 팁들(52)이 마주하는 티쓰(50)의 팁들(54)과 똑바로 정렬될 때 얻어진다. 그러므로, 도 6에서 자속 경로(56)의 루프 부분(64)들에 의해 나타낸 바와 같이, 자속(62)은 위치설정 디바이스(36)의 티쓰(48)의 팁들(52) 각각으로부터 회전자(30)의 티쓰(50)의 대응하는 팁들(54) 각각으로 흐른다. 이에 따라, 자속(62)은 마주하거나 대응하는 쌍의 티쓰(48 및 50)의 팁들(52 및 54) 사이에 집중된다.
팁들(52 및 54)의 이러한 정렬된(또는 센터링된) 위치는 캘리퍼 조립체(34) 및 회전자(30)의 센터링된 위치에 대응한다. 이 위치가 플롯(58)에 도시되며, 이때 대응하는 팁들(52 및 54)은 서로 정렬되고 영(0) 밀리미터의 오프셋을 갖는다. 회전자(30)의 티쓰(50)의 팁들(54)이 위치설정 디바이스(36)의 티쓰(48)의 팁들(52)로부터 멀리 측방향으로 이동되어[예를 들어, 캘리퍼 조립체(34)의 축방향 이동으로 인해 오프셋되어] 캘리퍼 조립체(34) 및 회전자(30)의 오프-센터링된 위치를 유도하는 경우, 자속(62)의 자기저항은 증가한다. 팁들(52 및 54)의 최소 자기저항 위치를 복원하기 위해, 자속(62)은 반대 축방향 복원력을 생성하고 오프셋된 팁들(54)을 다시 팁들(52)과 정렬된 위치로 오게 한다. 플롯(60)은 티쓰(48 및 50)의 팁들(52 및 54) 각각에 대한 0.25(quarter) 밀리미터의 오프셋, 및 영구 자석(40)에 의해 생성된 복원력을 나타낸다.
이에 따라, 자속(62)은 항상 최소 자기저항의 위치를 유지하는 경향이 있으며, [팁들(52 및 54)의 오프셋으로 인한] 자기저항의 여하한의 증가는 영구 자석(40)이 자기저항의 최소화를 시도하고 팁들(52 및 54)의 정렬을 유지하게 하여, 캘리퍼 조립체(34) 및 회전자(30)의 센터링된 위치를 유지한다. 또한, 위치설정 디바이스(36) 및 회전자(30) 간의 직접적인 접촉을 방지하기 위해, 자속 경로(56)에서 회전자의 환형 홈(46) 내에 비-자성 정지부(66)가 위치된다. 정지부(66) 및 위치설정 디바이스(36)의 내부 반원 형상부는 비-자성 장벽을 생성하여, 티쓰(48 및 50)가 없는 디스크로 자속(62)이 흐르는 것을 방지한다.
산업적 이용가능성
일반적으로, 본 발명은 트랙션 시브와 작동이 연계되어 연결된 브레이크 조립체를 설명한다. 브레이크 조립체는 회전 요소들 또는 회전자들, 고정 요소들 또는 캘리퍼 조립체들, 및 캘리퍼 조립체들과 회전자들 사이에 각각 위치된 위치설정 디바이스들을 포함할 수 있다. 각각의 위치설정 디바이스들은 각각의 회전자들을 통하는 자속을 생성하여 각각의 회전자들과 각각의 캘리퍼 조립체들을 센터링하도록 배치되는 영구 자석을 포함할 수 있다.
(앞서 설명된 위치설정 디바이스의 형태로) 영구 자석의 사용을 통해 캘리퍼 조립체들 및 회전자들을 센터링하는 것으로 인해, 본 발명은 통상적인 센터링 메카니즘들보다 나은 다수의 장점들을 제공한다. 예를 들어, 센터(위치설정 디바이스)와 위치가 감지되는 부분(회전자) 사이에 실질적인 물리적 접촉이 존재하지 않으므로, 여하한의 마찰 손실들이 제거되거나 적어도 실질적으로 감소한다. 또한, 위치설정 디바이스는 수동 제어를 제공하므로, 통상적인 체계의 폐쇄-루프 제어 시스템 및 전원 공급기의 필요성을 제거한다. 추가적으로, 위치설정 디바이스는 정지마찰(정적 마찰) 및 마찰을 수반하는 기계적 센터링 디바이스들의 전형적인 문제들을 극복하고, 기준부(센서 장착부)와 감지되는 부분(회전자들) 간의 열 팽창 차이를 수용할 능력을 제공한다. 따라서, 위치설정 디바이스는 견실하고, 유지 및 사용이 더 쉬우며, 최소 유지보수로 긴 수명을 갖고, 설치 및 작동 비용이 적은 브레이크 조립체 및 이에 따른 디스크 브레이크 시스템을 제공한다.
또한, 앞선 기재내용은 엘리베이터 시스템에 대해 설명되었지만, 디스크 브레이크 시스템은 디스크 브레이크들을 사용하는 다른 타입의 기계들 및 시스템들에도 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
소정 실시예들만이 설명되었지만, 당업자라면 앞선 설명으로부터 대안예 및 변형예를 분명히 알 것이다. 이 대안예 및 다른 대안예는 본 발명 및 첨부된 청구항들의 범위 및 기술사상 내에서 균등물로 간주된다.

Claims (20)

  1. 브레이크 조립체(brake assembly: 22)에 있어서:
    회전 요소(30);
    상기 회전 요소(30)의 일부분과 작동이 연계되어 장착된 고정 요소(34); 및
    상기 회전 요소(30)의 일 측면에 배치된 고정 요소(34)에 연결되고, 상기 회전 요소에 대한 상기 고정 요소(34)의 센터링(centering)을 용이하게 하도록 상기 회전 요소(30)와 자기적 상호작용이 이루어지는(magnetically interface) 위치설정 디바이스(36)
    를 포함하는 브레이크 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 요소는 회전자(30)이고, 상기 고정 요소는 캘리퍼 조립체(34)인 브레이크 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 위치설정 디바이스(36)는 2 개의 측부(side portion: 38)들 사이에 개재된 영구 자석(40)을 포함하고, 상기 영구 자석(40)과 2 개의 측부(38)들은 상기 회전 요소(30)에 대해 횡으로(transversely) 배치된 브레이크 조립체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 2 개의 측부(38)들 각각은 강자성 재료로 만들어지는 브레이크 조립체.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 2 개의 측부(38)들 각각은 제 1 연결 표면(interfacing surface: 42)을 갖고, 상기 회전 요소(30)는 제 2 연결 표면(44)을 가지며, 상기 제 1 및 제 2 연결 표면들은 서로 상호작용하여 상기 위치설정 디바이스(36)와 상기 회전 요소(30)가 자기적 상호작용이 이루어지도록 하는 브레이크 조립체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 연결 표면(42)은 복수의 제 1 팁(tip: 52)들을 갖는 복수의 제 1 티쓰(teeth: 48)를 갖고, 상기 제 2 연결 표면(44)은 복수의 제 2 팁(54)들을 갖는 복수의 제 2 티쓰(50)를 갖는 브레이크 조립체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 티쓰(48)는 상기 복수의 제 2 티쓰(50)와 자기적으로 상호작용하는 브레이크 조립체.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 고정 요소(34)가 상기 회전 요소(30)와 센터링되는 경우, 상기 복수의 제 1 팁(52)들은 마주하는 상기 복수의 제 2 팁(54)들과 정렬되는 브레이크 조립체.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 고정 요소(34)가 상기 회전 요소(30)로부터 오프-센터링(off-center)되는 경우, 상기 복수의 제 1 팁(52)들은 마주하는 상기 복수의 제 2 팁(54)들로부터 오프셋되는 브레이크 조립체.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 위치설정 디바이스(36)는 상기 복수의 제 1 및 제 2 팁들(52, 54)에 집중되는 자속(62)을 발생시키는 브레이크 조립체.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 연결 표면(44)은 상기 회전 요소(30)의 환형 홈(46) 내에 기계가공되는 브레이크 조립체.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 환형 홈(46)은 비-자성 정지부(non-magnetic stop: 66)를 더 포함하는 브레이크 조립체.
  13. 엘리베이터 시스템(2)에 대한 기계부(machine: 12)에 있어서:
    2 개의 측면들을 갖는 트랙션 시브(traction sheave: 10);
    상기 트랙션 시브(10)를 구동시키는 전기 모터; 및
    상기 트랙션 시브(10)를 제동시키는 적어도 하나의 브레이크 조립체(22)
    를 포함하고, 상기 적어도 하나의 브레이크 조립체(22) 각각은 캘리퍼 조립체(34) 및 영구 자석(40)을 갖는 위치설정 디바이스(36)를 가지며-상기 영구자석(40)은 위치설정 디바이스(36)에 전체적으로 배치됨-, 상기 위치설정 디바이스(36)는 상기 캘리퍼 조립체(34)에만 연결되고 상기 트랙션 시브(10)의 일 측면과 자기적 상호작용이 이루어져 상기 캘리퍼 조립체를 상기 트랙션 시브(10)에 대해 위치설정 하도록 돕는 기계부.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 위치설정 디바이스(36)는 상기 캘리퍼 조립체(34)와 상기 트랙션 시브(10)의 회전자(30) 사이에 전체적으로 배치되는 기계부.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 위치설정 디바이스(36)는 복수의 제 1 팁(52)들을 갖는 복수의 제 1 티쓰(48)를 갖고, 상기 회전자(30)는 복수의 제 2 팁(54)들을 갖는 복수의 제 2 티쓰(50)를 가지며, 상기 복수의 제 1 및 제 2 팁들(52, 54)은 서로 정렬되어 상기 캘리퍼 조립체(34)와 상기 회전자(30)를 센터링하는 기계부.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 위치설정 디바이스(36)는 상기 복수의 제 1 및 제 2 팁들(52, 54)을 정렬시키기 위해 상기 복수의 제 1 및 제 2 팁들(52, 54)에 집중되는 자속(62)을 발생시키는 기계부.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 위치설정 디바이스(36)는 상기 트랙션 시브(10)의 제 2 연결 표면(44)과 상호작용하는 제 1 연결 표면(42)을 갖는 기계부.
  18. 고정 요소(34) 및 회전 요소(30)를 센터링하는 방법에 있어서:
    회전 요소(30), 상기 회전 요소(30)와 작동이 연계되어 연결된 고정 요소(34), 및 상기 고정 요소(34)에 연결되고 상기 회전 요소(30)와 자기적 상호작용이 이루어지는 위치설정 디바이스(36)를 갖는 브레이크 조립체(22)를 제공하는 단계;
    상기 위치설정 디바이스(36)에 의해 자속을 발생시키는 단계;
    상기 회전 요소(30)를 통해 상기 자속을 보내서(route) 상기 고정 요소(34)와 상기 회전 요소(30)의 센터링된 위치를 복원하는 단계; 및
    각각의 제동 작동 후 상기 발생시키는 단계를 반복하는 단계
    를 포함하는 센터링 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    자속(62)을 발생시키는 단계는 상기 위치설정 디바이스(36)로부터 상기 회전 요소(30)까지, 그리고 상기 회전 요소(30)로부터 상기 위치설정 디바이스(36)까지의 폐쇄-루프 자속 경로(56)를 정의하는 단계를 포함하는 센터링 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    자속 경로(56)를 정의하는 단계는 상기 회전 요소(30)로의 상기 자속(62)의 측방향 이동(lateral movement)을 제한하는 단계를 더 포함하는 센터링 방법.
KR1020147001049A 2011-06-16 2011-06-16 브레이크용 영구 자석 센터링 시스템 KR101608773B1 (ko)

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