基於磁流變效應的具有自動保護功能的電梯制動裝置及方法與流程

2023-07-28 10:04:32

本發明涉及一種基於磁流變效應的曳引電梯制動裝置及方法，特別涉及採用永磁體與線圈作為勵磁裝置將其應用於磁流變液的曳引電梯制動裝置及方法。

背景技術：

電梯是一種以電動機為動力的垂直升降機，可用於多層建築乘人或載運貨物的運輸工具。隨著高層建築的快速發展，電梯的需求量越來越大，高性能的電梯技術提高了人們的工作效率和生活體驗。電梯屬於特種設備，在使用過程中必須保障其安全性能，同時也需要滿足舒適性、節能環保、噪聲低等方面的需求，但是目前電磁式曳引電梯制動器存在一些缺點如機械磨損、振動衝擊、噪音高等。磁流變液是一種新型智能材料，是由具有導磁性的磁性顆粒通過添加劑分散溶於非導磁性基礎液中形成的懸浮液。在受到外加磁場作用下，具有高剪切屈服應力，並且受到磁場強度增強而增強，而無外加磁場作用時，在幾毫秒內恢復原本低粘度的狀態，具有轉換變化過程迅速可逆。根據磁流變效應的特性，近年來磁流變液被廣泛應用於新型制動器的研究，並且具有了良好的應用前景，將磁流變技術應用於曳引電梯制動器具有創新性與可行性。

目前，磁流變制動器大多為盤式制動器（例如詳見中國專利CN201310393903.6，美國專利US20120211315 A1），利用磁流變液填充於定子與轉子之間，通過均勻作用於磁流變液間隙的磁場使得磁流變液產生剪切屈服應力，從而產生制動力矩。在原磁流變曳引電梯制動器中（詳見中國專利CN201310420595.1，名稱為「基於磁流變效應的電梯曳引離合制動系統及其方法和裝置」），磁流變制動器裝置採用雙線圈結構設計的制動器，根據電梯制動器使用情況，需要考慮緊急情況下電梯的安全，本專利加入了永磁體裝置，以保證在緊急情況下，磁流變制動器也具有制動力矩。同時，在原有磁流變制動器中，沒有設計冷卻液散熱流道，制動器在制動過程中，由機械能轉換為熱能，導致磁流變液溫度升高，所以冷卻散熱是必須的。根據中國專利CN203702929U，名稱為「一種水冷式磁流變制動器」，利用在兩側端蓋上加工出水槽，通過水循環進行散熱，但是由於冷卻液流道與磁流變液距離較大，在進行制動過程中，磁流變液還是處於較高溫度，冷卻效果並不理想，在本磁流變制動器中，加入內部冷卻液流道進行冷卻液散熱，具有更好的冷卻換熱效果。

技術實現要素：

發明的目的在於提供一種基於磁流變效應的具有自動保護功能的電梯制動裝置，它具有激勵電流小，線圈發熱低、制動力矩大、低速制動性能好、制動力矩可控性好、結構簡單、自動保護的永磁體結構、冷卻液流道的特點。

為實現上述目的，本發明的技術方案在於：一種基於磁流變效應的具有自動保護功能的電梯制動裝置，包括轉子總成及定子總成，轉子總成通過軸承固定於定子總成上，所述轉子總成包括制動軸及旋轉套筒；所述定子總成包括轉動軸端蓋、勵磁結構、外側端蓋-永磁體、永磁體結構以及底座；勵磁結構一側與外側端蓋-永磁體固定連接，另一側與轉動軸端蓋固定連接，並與轉子總成的旋轉套筒形成間隙；永磁體結構通過軸承與轉子總成接觸，並且通過外側端蓋-永磁體固定於定子總成上；所述轉動軸端蓋外側設置有進出口水端端蓋；所述轉子總成與定子總成之間填充磁流變液。

進一步的，所述旋轉套裝包括旋轉套筒-上、旋轉套筒-中、旋轉套筒-下；旋轉套筒-中一端、旋轉套筒-下一端分別開設有進液孔；3個套筒依次嵌套；冷卻液通過進出口水端端蓋的進水口，流經制動軸內部；通過旋轉套筒-中的進液孔到達旋轉套筒-上與旋轉套筒-中間隙，進行冷卻換熱，之後通過旋轉套筒-中與旋轉套筒-下間隙，通過旋轉套筒-下的進液孔流入制動軸；最後經過進出口水端端蓋的出水口流出。

進一步的，勵磁結構包括兩組沿軸向分布的勵磁線圈結構、勵磁線圈結構包括勵磁線圈、磁軛-中、隔磁環、磁軛-側；所述勵磁線圈設置於磁軛-中，勵磁線圈外側與磁軛-側連接，勵磁線圈底部與隔磁環上端連接；一磁軛-側與轉動軸端蓋固定連接，另一磁軛-側與外側端蓋-永磁體固定連接；磁軛-中底部、磁軛-側底部、隔磁環另一端與旋轉套筒形成間隙；該間隙填充有磁流變液；兩個勵磁線圈繞線方式相反，使得兩個勵磁線圈產生的磁場互相疊加，磁力線環繞著勵磁線圈，同時繞過隔磁環，使得磁感線穿過磁流變液和旋轉套筒，磁感線在勵磁線圈周圍，並且繞過隔磁環穿過磁流變液，形成閉合的磁感線迴路，穿過磁流變液的磁感線，導致磁流變液產生磁流變效應，進而使磁流變液發生磁流變效應進而產生制動力矩；通過控制通入勵磁線圈的電流，控制勵磁線圈所產生的磁場強度，進而控制制動器的制動力矩。

進一步的，所述永磁體結構包括永磁體-缸體、永磁體-導向環、永磁體-外側端蓋、永磁體-進氣圓筒、導向滑塊、永磁體-軸承端蓋、永磁體-移動端蓋、永磁體-移動套、永磁體、及復位彈簧；

永磁體-缸體及永磁體-導向環通過固定於外側端蓋-永磁體上；永磁體-缸體兩側分別連接永磁體-外側端蓋和永磁體-軸承端蓋；永磁體-軸承端蓋通過軸承與制動軸連接；永磁體-外側端蓋與永磁體-進氣圓筒連接；所述永磁體-移動套上固定有永磁體；復位彈簧一端與永磁體-外側端蓋連接，另一端與永磁體-移動套連接；永磁體、永磁體-移動端蓋及永磁體-移動套構成一個活塞，永磁體-移動端蓋與及永磁體-移動套相連接；永磁體-移動套通過移動密封圈與永磁體-進氣圓筒接觸；通過將壓縮空氣通入永磁體-進氣圓筒，將活塞往永磁體-外側端蓋移動，此時永磁體產生的磁場不會作用於磁流變液，當切斷通入永磁體-進氣圓筒的壓縮空氣，永磁體活塞將由彈簧進行復位，永磁體的磁場通過永磁體-缸體作用於磁流變液上，進而產生制動力矩。

進一步的，所述的外側端蓋-永磁體與永磁體-缸體連接；連接處設置有一壓力彈簧；壓力彈簧一端與外側端蓋-永磁體連接，壓力彈簧另一端與壓力補償環一端連接；壓力補償環另一端與旋轉套筒連接；外側端蓋-永磁體與壓力補償環、壓力彈簧組成壓力補償裝置。

進一步的，所述永磁體結構由4塊充磁方向相反的永磁體組成，分別為2對充磁方向相反的釹鐵硼永磁體材料。

一種基於磁流變效應的具有自動保護功能的電梯制動方法，提供一上述的基於磁流變效應的具有自動保護功能的電梯制動裝置，所述磁流變制動裝置的制動軸通過聯軸器與蝸杆相連接，所述蝸杆通過聯軸器與電機相連接，所述電梯制動系統由控制器進行控制，所述控制器輸入多路信號，包括電機過熱信號、編碼器信號、磁流變液溫度信號、速度信號、限位開關信號、斷電信號及其他信號；所述控制器輸出四路信號，第一路的電機控制信號通過電機驅動器對電機進行轉速控制；第二路的壓縮機控制信號通過控制空氣壓縮機的氣壓對永磁體進行位置控制；第三路勵磁線圈控制信號通過控制輸入直流電源的電流，將直流電源輸入勵磁線圈對磁流變曳引電梯制動裝置制動力矩進行控制；第四路的冷卻液循環控制信號通過控制冷卻裝置的水泵冷卻液流速，控制水泵將冷卻液流入進出水口端端蓋，通過冷卻液流道對磁流變曳引電梯制動裝置進行冷卻換熱以控制磁流變液的溫度。

進一步的，電流通過勵磁線圈產生了環繞在勵磁線圈磁場，由於勵磁線圈的電流方向相反，使勵磁線圈所產生的磁場方向相反，磁場相互疊加；磁場穿過磁流變液，使磁流變液發生磁流變效應，磁流變液的表觀粘度發生了變化，在磁場強度達到某一臨界值時，磁流變液停止流動而達到固化，具有一定的抗剪切能力，通過磁致剪切應力作用在旋轉套筒-上，達到制動的效果；

壓縮空氣由空氣壓縮機產生並通過永磁體-進氣圓筒進入永磁體結構中，將永磁體向旋轉套筒外側移動；此時永磁體產生的磁場通過永磁體-缸體，不對磁流變液造成影響，當遇到緊急情況時，由所述控制器關閉空氣壓縮機的輸入，永磁體結構在復位彈簧的壓力下向旋轉套筒內部移動，此時永磁體產生的磁場通過永磁體-缸體穿過磁流變液和旋轉套筒-下，由永磁體磁場引起的磁致剪切應力作用在旋轉套筒-下，達到制動的效果。

進一步的，所述直流電源由電梯電源經過整流器產生。

與現有技術相比，本發明的優點在於：

1、在本磁流變曳引電梯制動裝置中，採用了永磁體與普通勵磁線圈相結合的結構。在正常運行情況下，根據控制勵磁線圈電流來控制制動器的制動力矩，在緊急情況下，通過切斷進入永磁體-進氣圓筒的壓縮空氣，可以使永磁體在復位彈簧的壓力下，往磁流變液方向移動，從而實現永磁體的磁場作用於磁流變液進而產生制動力矩達到制動的效果。

2、在本磁流變曳引電梯制動裝置中，採用內部冷卻液流道進行散熱。冷卻液由進出口端端蓋上的進水口流入制動器，通過制動軸內部獨特設計的流道將冷卻液輸送到旋轉套筒上，並通過冷卻換熱的方式將制動過程中磁流變液產生的熱量帶走，最後冷卻液通過出口流道流出。通過以上散熱方式，可以使磁流變液保持在較低的溫度範圍內，使其具有良好的控制性能和穩定性能。

3、利用磁流變效應代替了原有機械式制動器，磁流變液可以在幾毫秒內由牛頓流體變成具有高剪切屈服應力的類固體，使得磁流變液曳引電梯制動裝置具有響應時間短，通過控制勵磁線圈的電流進而控制磁流變液的剪切屈服應力來達到控制制動力矩的目的，使本制動裝置控制簡單可靠。磁流變液在制動過程中屬於流體制動，沒有傳統曳引制動的高噪聲，機械磨損以及衝擊大，其具有制動力矩平穩且連續可調，易於控制，制動衝擊小，噪聲小，能量消耗低等特點。磁流變曳引電梯制動裝置的勵磁線圈採用雙線圈結構，具有磁感應強度大，在磁流變液間隙分布較均勻。

附圖說明

圖1為本發明實施例的結構示意圖。

圖2為本發明實施例的左視圖。

圖3為冷卻液通道流向示意圖。

圖4為永磁體充磁方向示意圖。

圖5為勵磁裝置磁力線分布示意圖。

圖6為永磁體裝置壓縮空氣流動示意圖。

圖7為基於本發明的曳引電梯磁流變制動系統的原理圖。

其中：1.O型密封圈；2.永磁體-缸體；3.永磁體-導向環；4.導向滑塊；5.永磁體-外側端蓋；6永磁體；7.永磁體-移動端蓋；8.永磁體-移動套；9.內六角螺栓；10.永磁體-進氣圓筒；11.復位彈簧；12.內六角螺栓；13.移動密封圈；14.內六角螺栓；15.永磁體-軸承端蓋；16.磁流變液；17.底座；18.O型密封圈；19.緊定螺釘；20. 緊定螺釘；21.普通平鍵；22.制動軸；23.旋轉密封；24.進出水口端端蓋；25.軸承6011；26.唇形密封圈；27.軸承16010；28.旋轉套筒-下；29.旋轉套筒-中；30.旋轉套筒-上；31.轉動軸端蓋；32.內六角螺栓；33.勵磁線圈；34.磁軛-中；35.隔磁環；36.磁軛-側；37.外側端蓋-永磁體；38.外六角螺塞；39.O型密封圈；40.壓力補償環；41.壓力彈簧；42.內六角螺栓；43.進水口；44.出水口；45.電機；46.轎廂；47.平層速度檢測繼電器型號；48.電機過熱信號；49.編碼器信號；50.斷電保護信號；51.限位繼電器信號；52.電機驅動器；53.控制器；54.其他信號；55.制動裝置磁流變液溫度信號；56.直流電源；57.整流器；58.電梯電源；59.磁流變曳引電梯制動裝置；60.空氣壓縮機；61.冷卻裝置；62.溫度傳感器；63.對重；64.蝸杆；65.蝸輪；66.聯軸器。

具體實施方式

結合附圖和具體實施例對本發明做進一步解釋說明。

本發明提供一種基於磁流變效應的具有自動保護功能的電梯制動裝置，包括轉子總成及定子總成，轉子總成通過軸承固定於定子總成上，所述轉子總成包括制動軸及旋轉套筒；所述定子總成包括轉動軸端蓋、勵磁結構、外側端蓋-永磁體、永磁體結構以及底座；勵磁結構一側與外側端蓋-永磁體固定連接，另一側與轉動軸端蓋固定連接，並與轉子總成的旋轉套筒形成間隙；永磁體結構通過軸承與轉子總成接觸，並且通過外側端蓋-永磁體固定於定子總成上；所述轉動軸端蓋外側設置有進出口水端端蓋；所述轉子總成與定子總成之間填充磁流變液。

如圖1所示，本發明具有自動保護功能的磁流變電梯制動裝置，包括了制動軸22、旋轉套筒-下28、旋轉套筒-中29、旋轉套筒-上30、轉動軸端蓋31、進出水口端端蓋24、磁軛-側36、磁軛-中34、隔磁環35、外側端蓋-永磁體37、壓力補償環40、壓力彈簧41、永磁體-外側端蓋5、永磁體-缸體2、永磁體-導向環3、導向滑塊4、永磁體-進氣圓筒10、永磁體-軸承端蓋15、復位彈簧11、永磁體6、永磁體-移動端蓋7、永磁體-移動套8、底座17。其中，旋轉套筒-下28、旋轉套筒-中29、旋轉套筒-上30與制動軸22組成轉子總成。轉子總成通過軸承固定於定子總成上，定子總成由進出水口端端蓋24、轉動軸端蓋31、勵磁裝置、外側端蓋-永磁體37、壓力補償環40、彈簧41、永磁體結構、底座17組成。其中，勵磁線圈由勵磁線圈33、磁軛-中34、隔磁環35、磁軛-側36組成，通過外側端蓋-永磁體37與轉動軸端蓋31固定，並與轉子總成的旋轉套筒形成間隙，進行填充磁流變液16。永磁體結構由永磁體-缸體2、永磁體-導向環3、永磁體-外側端蓋5、導向滑塊4、永磁體-軸承端蓋15、永磁體-移動端蓋7、永磁體-移動套8、永磁體6、彈簧11組成，永磁體結構通過軸承27與轉子總成接觸，並且通過外側端蓋-永磁體37固定於定子總成上。

如圖1所示，制動裝置上設有4個外六角螺塞37，具有注液孔與排氣孔的功能。制動器安裝完畢後，可以取出外六角螺塞37，將磁流變液16均勻的填充在定子總成與轉子總成的間隙中。

由兩個勵磁線圈33置於磁軛-中34，外側接有兩個磁軛-側36，以及兩個隔磁環35組成勵磁裝置，並通過內六角螺栓分別與轉動軸端蓋31和外側端蓋-永磁體37進行固定，通過兩個繞線方式相反的勵磁線圈33，使得兩個勵磁線圈33產生的磁場互相疊加，磁力線環繞著勵磁線圈33，同時繞過隔磁環35，使得磁感線穿過磁流變液16和旋轉套筒-上30，如圖5所示，磁感線在勵磁線圈33周圍，並且繞過隔磁環35穿過磁流變液16，形成閉合的磁感線迴路，穿過磁流變液16的磁感線，導致磁流變液16產生磁流變效應，進而使磁流變液16發生磁流變效應進而產生制動力矩。

永磁體結構，外部由永磁體-缸體2以及永磁體-導向環3通過內六角螺栓14固定於外側端蓋-永磁體37上，永磁體-缸體2兩側通過內六角螺栓分別連接永磁體-外側端蓋5和永磁體-軸承端蓋15，永磁體-軸承端蓋15通過軸承27與制動軸22連接，永磁體-外側端蓋5通過內六角螺栓9與永磁體-進氣圓筒10連接，內部由永磁體6、永磁體-移動端蓋7及永磁體-移動套8構成一個活塞，永磁體-移動端蓋7通過內六角螺栓9與及永磁體-移動套8相連接，並通過移動密封圈13與永磁體-進氣圓筒10接觸，通過將壓縮空氣通入永磁體-進氣圓筒10，將永磁體活塞往永磁體-外側端蓋5移動，此時永磁體產生的磁場不會作用於磁流變液16，當切斷通入永磁體-進氣圓筒10的壓縮空氣，永磁體活塞將由彈簧11進行復位，永磁體的磁場通過永磁體-缸體2作用於磁流變液16上，進而產生制動力矩，以達到自動保護的功能。如圖4所示，永磁體分為4塊，分別為2對充磁方向相反的釹鐵硼永磁體材料，該方案可以保證磁流變液間隙具有較高的磁感應強度，以及較均勻的磁場強度分布。

如圖1所示，在外側端蓋-永磁體37，通過6個彈簧41與壓力補償環40，以及永磁體-缸體2形成一個密閉容腔，當磁流變液16在工作過程中，由於離心力以及熱膨脹作用產生壓力時，可以進行壓力補償，提高制動過程的平穩性，保證裝置的可靠性。

如圖3所示，根據磁流變液16在制動過程中，制動裝置將機械能轉化為熱能，導致磁流變液溫度升高，磁流變液材料的工作溫度範圍為-40℃到150℃。冷卻液由進水口43通入，通過進出口水端端蓋24，流經制動軸22內部進水端冷卻液流道到達旋轉套筒-上30與旋轉套筒-中29間隙，進行冷卻換熱，之後通過旋轉套筒-中29與旋轉套筒-下28間隙，流入制動軸22內部出水端冷卻液流道經過進出口水端端蓋24，由出水口44流出，在制動軸上設有緊定螺釘19、緊定螺釘20以及防水膠以達到密封的作用。設有冷卻液流道，可以保證在制動過程中，磁流變液16可以保持在較低的工作範圍內，保證磁流變液16具有良好的磁流變效應，以及制動裝置具有更高的穩定性。

本發明還提供一種基於磁流變效應的具有自動保護功能的電梯制動方法， 控制原理如圖7所示。其包括上述的基於磁流變效應的具有自動保護功能的電梯制動裝置，所述磁流變制動裝置59的制動軸22通過聯軸器66與蝸杆64相連接，所述蝸杆64通過聯軸器66與電機45的輸出軸相連接，所述蝸杆64與蝸輪65相連接組成並與蝸輪65上的曳引輪組成電梯曳引機構，所述蝸輪66帶動轎廂46和對重63進行上下運動，所述控制器53採集電梯信息，包括了由電機45信息輸入的電機過熱信號48，編碼器信號49，平層速度檢測繼電器型號47，斷電保護信號50，限位繼電器信號51，由磁流變曳引電梯制動裝置59上的溫度傳感器62採集的制動裝置磁流變液溫度信號55，以及其他信號54，並通過控制器53進行控制，所述控制器53輸出四路信號，即第一路的電機控制信號通過電機驅動器52對電機45進行轉速控制；第二路的壓縮機控制信號通過控制空氣壓縮機60的氣壓對永磁體6進行位置控制；第三路勵磁線圈控制信號通過控制輸入直流電源56的電流，將直流電源輸入勵磁線圈33對磁流變曳引電梯制動裝置59制動力矩進行控制，所述直流電源56由電梯電源58經過整流器57產生；第四路的冷卻液循環控制信號通過控制冷卻裝置61的水泵冷卻液流速，控制水泵將冷卻液流入進出水口端端蓋24，通過圖3的冷卻液流道對磁流變曳引電梯制動裝置59進行冷卻換熱以控制磁流變液16的溫度。

工作原理：

電流通過勵磁線圈33產生了環繞在勵磁線圈33的磁場，由於勵磁線圈33的電流方向相反，使勵磁線圈33所產生的磁場方向相反，磁場相互疊加，如圖5所示，磁場穿過磁流變液16，使磁流變液16發生磁流變效應，磁流變液16的表觀粘度發生了巨大的變化，在磁場強度達到某一臨界值時，磁流變液16停止流動而達到固化，具有一定的抗剪切能力，通過磁致剪切應力作用在旋轉套筒-上30，達到制動的效果。

壓縮空氣由空氣壓縮機60產生並通過永磁體-進氣圓筒10進入永磁體結構中，將永磁體6向旋轉套筒外側移動，如圖6所示，此時永磁體6產生的磁場通過永磁體-缸體2，不對磁流變液16造成影響，當遇到緊急情況時，如控制器53採集到斷電保護信號50，電機過熱信號48等需要採取緊急制動時，由所述控制器53關閉空氣壓縮機60的輸入，永磁體結構在復位彈簧11的壓力下向旋轉套筒內部移動，此時永磁體6產生的磁場通過永磁體-缸體2穿過磁流變液16和旋轉套筒-下28，由永磁體6磁場引起的磁致剪切應力作用在旋轉套筒-下28，達到制動的效果。

以上是本發明的較佳實施例，凡依本發明技術方案所作的改變，所產生的功能作用未超出本發明技術方案的範圍時，均屬於本發明的保護範圍。