制動機構的改進及與制動機構相關的改進的製作方法

2023-05-23 01:35:31

專利名稱：制動機構的改進及與制動機構相關的改進的製作方法
技術領域：
本發明涉及制動機構的改進以及與制動機構相關的改進，更具體地涉及一種改進的渦流制動機構。
背景技術：
渦流制動系統用在一系列應用中以提供非接觸制動，並且由於制動表面之間不存在摩擦接觸而提供優於傳統摩擦制動器的顯著優點。渦流制動器基於以下原理工作當導體運動穿過磁場(或反之)時，相對運動在導體內感應出循環的電流「漩渦」。電流漩渦又感應出抵抗外加電磁場的作用的磁場。因此， 渦流制動器利用該相抗的磁場作為導體在磁場中運動的制動器，反之亦然。渦流磁場的強度、進而抵抗力取決於多個因素，包括——外加磁場的強度；——穿過導體的磁通量；——導體和磁場的幾何尺度，例如尺寸、物理分隔；——導體的電導率；和——導體和磁場之間的相對速度。因此，通過變化上述參數中的任意一個或多個來獲得可變制動力。為了有助於清晰而避免冗長，在此參考要求用於轉動構件的制動力矩的應用，更具體地關於本發明對其具有特別應用的自動保護系統。然而，本文對自動保護系統的參考不應看作限制，而是可以由本領域普通技術人員理解，存在渦流制動系統的不計其數的應用。轉子相對於磁場的轉動速度(角速度)將在本文被稱為「轉動速度」，或方便地縮略為「速度」。轉動板式渦流制動系統通常使用順磁性傳導性盤，該順磁性傳導性盤構造為在正交於由位於盤的一側或兩側的磁體施加的磁場的平面內轉動。當盤相對於磁場轉動時，產生渦流及相應的磁場。由此，向轉動的盤施加制動力矩。導體與磁體之間的更高的相對速度將產生更高的制動力矩，由此可能限制轉動速度。在達到閾值「特性速度」之前，制動力矩僅與速度線性地成比例。在此特性速度之上，制動力矩對速度的響應變為非線性的，並且達到最大值，之後開始隨著進一步的速度增加而減小。此特性在圖1中圖示。圖1示出了典型盤式渦流制動系統的制動力矩與轉動速度的近似曲線圖。特性速度取決於盤的電阻，而盤的電阻則取決於盤的溫度、材料、導磁率和結構。在特性速度之下操作的典型渦流盤系統的制動力矩近似由如下關係確定T AdB2R2 ω其中，制動力矩T成比例於A 與磁場相交的導體的表面積；
B2 外加磁場強度的平方；d:盤的厚度；R2 從轉動軸線至磁場中導體的半徑(距離)的平方；ω 轉動速度。因此，制動力矩的非線性響應可以通過變化磁場強度B和/或至轉動中心R的距離實現。磁場可以由永磁體和/或電磁體供應。磁場強度取決於磁場密度和磁迴路的構造，即所使用的材料和系統中部件的空間位置。對於永磁體系統，磁迴路的變化(例如A、d或R的變化)是改換制動力矩最有效的方式。因此，典型的渦流制動系統將磁體朝向盤的周緣設置從而使R最大。普通的磁迴路構造利用安置在盤的一側或兩側上的永磁體，其中每個磁體後面具有鋼背襯。設置鋼板以增強磁場強度，同時為磁體提供結構性支承。自動保護裝置用在攀登、滑降之類中以控制攀登者的下降速率。自動保護裝置還在攀登者上升時自動地縮回繩纜以保持繩纜張緊，從而避免繩纜中出現鬆弛。現有的自動保護系統通常使用摩擦制動或液壓阻尼機構來控制下降速率。與渦流制動器相比較，摩擦制動器很明顯具有缺點，因為摩擦接觸涉及產生大量的熱、磨損和相應的安全問題。液壓阻尼機構昂貴且易出現洩漏、壓力和校準問題。理想的自動保護系統將以最小的摩擦和相應的磨損提供恆定或可控的下降速率， 同時還在小的緊湊型裝置中提供充足的制動力。現有技術中存在各種渦流制動系統。然而，沒有一種現有技術的系統看起來適於自動保護中的應用或在施加的力矩可能變化的情況下要求恆定的轉動速度的其他應用。典型的現有技術板式制動系統使用各種磁迴路構造，並且具有伴隨的優缺點。下面描述典型現有技術的示例。Sugimoto的專利US 4，567，963中描述了一種現有技術板式渦流制動裝置，該現有技術板式渦流制動裝置包括傳導性盤，該傳導性盤通過超速傳動齒輪裝置聯接至轉子， 以使該盤以比轉子成比例更大的轉動速度轉動。轉子包括線軸，從該線軸分配繩纜。一系列永磁體被附連至平行於盤的轉動平面延伸、並且相對於轉動軸線間隔開的鐵板。這些磁體在轉動過程中在盤內產生渦流，並且按理產生相應的磁場和制動作用。該Sugimoto系統還包括散熱片以輔助由盤中的渦流產生的熱量的消散。隨著轉動速度(ω)增大，轉子的轉動由不斷增大的力緩速。超速傳動裝置提供與盤直接聯接至轉子相比增加的緩速力，因此， 在Sugimoto裝置中，上述力矩關係將類似於T - AdB2R2kco，其中，k是超速傳動齒輪比。儘管Sugimoto裝置可能比簡單的板式系統更有效，但是其不能調整以變化所施加的制動力，並且依賴於超速傳動機構即通過增加盤與磁場之間的相對速度來改進位動力。超速傳動機構增加了成本、複雜性、尺寸、磨損、增大的生熱和失效的可能性。此外，轉子的轉動速度仍將隨著外加力矩而變化。Sugimoto裝置已經藉助於變化轉動速度提供了相對於較小裝置更大的制動作用。 然而，齒輪機構約束尺寸的限值進而約束了可能的小型化程度。因此，Sugimoto裝置對於自動保護是不可取的，自動保護需要在頻繁和/或長時間使用過程中能夠安全可靠操作的緊湊型裝置。
在Berges等的專利US 5，342，000中描述了與Sugimoto裝置類似的裝置。Berges 等描述了一種具有離心離合器的板式渦流制動系統，該離心離合器在轉子達到足夠的轉動速度時接合渦流制動系統。應當注意，Sugimoto或Berges等的裝置均不能在不拆卸和不改變超速傳動齒輪比或磁場強度的情況下進行調整以控制制動作用。因此，這些裝置證明在需要適應不同外加力矩的應用中是不方便的。已經進行了種種嘗試以提供可變制動系統，示例性裝置在Muramatsu的專利US 4，612，469、Imanishi 等的專利 EP 1，480，320、Reiser 的專利 US 3，721，394 和 Gersemsky 等的專利US 6，460，828中描述。Muramatsu裝置具有能夠相對於磁體陣列手動調整位置的轉動盤，從而提供在其中改變由該盤相交的磁場面積(A)的裝置。Muramatsu裝置可以是可調整的以改變制動作用和能夠獲得的最大制動力矩，但仍受到盤的尺寸和磁體的強度的約束，由此證明在較小尺寸有利情況下例如對於自動保護裝置的情況下是不方便的。此外，Muramatsu裝置必須手動變化。Imanishi等描述的裝置基於與Muramatsu描述的相類似的原理工作。然而， Imanishi等的系統不是改變與磁場相交的盤面積，而是使用附連至線性驅動器的磁體陣列，從而使陣列沿軸向遠離盤或朝向盤運動，以分別減小或增加分隔和與盤相交的磁通量。 與Muramatsu裝置一樣，Imanishi等的制動作用不能自動地調整以適應不同的外加力矩。Reiser等的專利US 3，721，394中描述了 Imanishi等的裝置的自動化變體，並將繩纜線軸聯接至傳導性盤，傳導性盤設置在磁體陣列上方，兩者之間具有彈簧。繩纜從線軸解開時，彈簧上的重量減小，彈簧延伸，增加了盤與磁體之間的間隔，由此在繩纜解開時減小了制動作用。彈簧被校準從而在繩纜解開時使線軸的轉動速度保持恆定。Reiser系統依賴於靜態支承裝置和線軸中的不同的重量改變，因此不適於自動保護裝置。此外，Reiser 裝置的制動作用僅隨轉動速度和磁場強度變化，而不隨外加力矩變化。Gersemsky等的專利US 6，460，828中描述了用於起重器械的制動器，該制動器使用改變磁體相對於轉動傳導性盤的位置的磁迴路。磁體附連至樞轉臂的自由端，彈簧附連至該自由端並附連至與盤相鄰的靜止點。盤轉動時，感應的渦流提供對盤的制動作用以抑制轉動。反作用力通過制動作用施加於磁體以使該臂樞轉，從而使磁體徑向向外運動以增加制動力矩。彈簧將壓縮並抵抗此反作用力，由此提供對盤的制動作用。盤的反向轉動將產生相反的反作用力，該相反的反作用力將沿著相反方向迫壓磁體，隨後彈簧延伸並抵抗反作用力以施加制動作用。因此，Gersemsky等的系統提供足夠的制動作用，與盤的轉動方向無關。作為不斷增加的相對速度的結果，磁體的徑向運動也增加制動作用。儘管達到了其目的，但由於所施加的制動力矩僅取決於磁體的相對速度(與轉動速度和到轉動軸線的半徑成比例)，故而Gersemsky等的系統在適應性上受限。此外，自動保護裝置通常需要僅沿一個方向的制動，因此，諸如Gersemsky等的系統的通用制動裝置可能是不適合的。因此，提供能夠在廣泛的外加載荷或力矩下限制轉子的轉動速度的渦流制動機構將是有利的。本發明的目標是解決上述問題，或者至少為公眾提供有用的選擇。
包括在本說明書中引用的任何專利或專利申請的所有參考文獻均通過參引包含在本文中。沒認為任何參考文獻構成現有技術。參考文獻的討論陳述了其作者所主張的， 而申請人保留質疑所引用的文獻的準確性和相關性的權利。可以很顯然地理解，儘管在本文述及多個現有技術公開物；但這種參考不承認任何這些文獻構成在本領域中、在紐西蘭或在其他任何國家的公知常識。公認的，在不同的司法裁判權下，術語「包括」可以認為屬於排他性或包含性意義中的任意一個。出於本說明書的目的，除非另行指出，否則術語「包括」應當具有包含性意義——即理解為不僅包括其直接引用的所列出的部件，而且還包括其他非特定部件或元件。此基本原理還將在關於方法或過程中一個或多個步驟而使用術語「包括在」或「包括」 時使用。根據僅以示例方式給出的下文描述，本發明的其他方面和優點將變得很清楚。

發明內容
根據本發明的第一方面，提供了一種渦流制動機構，包括——轉子，所述轉子能夠繞轉子軸線轉動；——至少一個導電構件，所述至少一個導電構件聯接至所述轉子用於隨所述轉子轉動；——至少一個磁體，所述至少一個磁體構造為施加至少部分地正交於傳導性構件的轉動平面延伸的磁場，並且其特徵在於，所述轉子轉動時，所述傳導性構件構造為從所述轉子軸線至少部分地徑向運動至所述外加磁場中。一般而言，當傳導性構件與磁場相交時，傳導性構件穿過外加磁場的運動感應出傳感性構件中的渦流。為了有助於清晰而避免冗長，本文將參考聯接至轉子的傳導性構件。然而，可以理解，「反向」構造也是可能的，並且在本發明的範圍內。此「反向」構造可以具有聯接至轉子的磁體，並且構造為朝向傳導性構件運動，使得傳導性構件將與磁場相交。為了有助於清晰而避免冗長，本發明將在本文中關於本發明對其具有特別應用的用於自動保護的制動機構進行描述。然而，應當理解，本發明可以在其他轉動制動或緩速應用中使用，因此本文對自動保護的參引僅僅是示例性的，並且不應看作是限制性的。還可以理解，本發明也可以通過將轉子例如藉助於凸輪或鏈式驅動機構聯接至線性裝置而用於線性制動應用中。本文提及的傳導性構件的「徑向」運動應當理解為包括部件沿著朝向或遠離轉子和/或傳導性構件的轉動軸線的方向的任何運動，並且應解釋為包括線性和非線性的徑向運動。本文提及的「向外」徑向運動指沿著遠離轉動軸線的方向的運動，類似地，「向內」 指朝向轉動軸線的方向。本文提及的傳導性構件「聯接」至轉子應當理解為表示使傳導性構件隨轉子轉動的任意直接或間接的連接。還應當理解，該連接不需要是機械式的。為了有助於清晰，由磁體施加的磁場在本文將稱作「外加」磁場，而由傳導性構件中的渦流產生的磁場則稱作「反應」磁場。在優選實施方式中，傳導性構件中感應出的渦流產生抵抗外加磁場的反應磁場。 因此，由相抗的「外加」磁場與「反應」磁場產生的反作用力被傳遞至傳導性構件以抵抗其運動。由於傳導性構件聯接至轉子，故而轉子的轉動也受到反作用力的抵抗。如本文所用，術語「制動器」或「制動」分別指用於施加抵抗物體運動的力的任何設備或過程。如本文所用，術語「轉子」指任何可轉動元件，可包括驅動軸、軸、齒輪、螺釘、盤、 車輪、嵌齒、其組合或任何其他可轉動構件。如本文所用，術語「傳導性構件」指任何導電、優選非含鐵構件。如本文所用，術語「磁體」指能夠產生磁場的任何磁體或裝置，並且可以包括電磁體、「永」磁體、「暫時」磁體、磁化鐵磁材料或者其任意組合。優選地，傳導性構件構造為從轉子軸線至少部分地徑向運動至磁場中。優選地，傳導性構件繞轉子軸線隨轉子轉動。應當理解，傳導性構件無需直接連接至轉子，也可能反而通過中間齒輪或其他聯接裝置連接。在這種實施方式中，附連至傳導性構件的齒輪或聯接裝置可以認為是「轉子」 或轉子的一部分。還應當理解，在傳導性構件間接聯接至轉子的這種實施方式中，傳導性構件可以繞平行於或不平行於轉子軸線的另一軸線轉動。在另一實施方式中，轉子可以通過超速、低速齒輪傳動裝置聯接至輸入軸之類，使轉子以不同於輸入軸的速度轉動。優選地，轉子聯接至線軸並且構造為隨著線軸轉動。因此，可以藉助於通過制動機構控制轉子的轉動速度來控制繩纜從線軸分配或縮回的速率。優選地，制動機構包括多個導電構件(此後簡稱作傳導性構件)。可以藉助於增加運動穿過外加磁場的傳導性構件的數量來增加制動作用。然而， 傳導性構件的數量和尺寸將受到應用的尺寸和重量約束的限制。因此，例如在自動保護應用中，優選地設置三個所述傳導性構件。優選地，傳導性構件樞轉地附連至轉子，並構造為繞樞轉軸線樞轉，以在轉子轉動時至少部分地徑向運動至外加磁場中。優選地，傳導性構件在偏心於轉子軸線的點處樞轉地附連至轉子。傳導性構件優選地具有偏心於樞軸和轉子軸線的質量中心(或質心)。因此，傳導性構件將作為由轉子經由樞轉連接部施加於傳導性構件的力矩、以及施加於定中心於質心上的傳導性構件上的離心作用的結果而樞轉。離心作用的強度取決於轉子速度和外加力矩，因此傳導性構件將以取決於轉子速度以及作為外加力矩的結果的速率徑向運動。在另一實施方式中，質量中心(或質心)可以位於樞轉軸線處。例如，傳導性構件可以成形為關於樞轉軸線具有均勻質量分布的抗衡布置。這種實施方式提供了徑向力直接繞樞轉軸線的轉移，因而不向臂施加關於樞轉軸線的轉矩。因此，此實施方式中的制動響應獨立於施加在臂質量上的徑向力。應當理解，傳導性構件可以是適於該應用的任意形狀。傳導性構件的形狀確定由傳導性構件在徑向運動至磁場中時相交的磁場的面積、產生的渦流和反應磁場、進而相應的制動力矩。可以修改傳導性構件的形狀以修改應用所要求的制動力矩特性。優選地，諸如彈簧或其他偏置構件/機構的偏置裝置的一端在遠離樞轉軸線的點處附連至傳導性構件，而另一端在一個位置處附連至轉子以提供抵抗由於轉子轉動產生的傳導性構件的徑向運動的偏置力。因此，偏置裝置的校準提供了用於控制傳導性構件的徑向運動的速率進而傳導性構件與外加磁場相交的面積的方法。在運動穿過外加磁場的過程中施加於傳導性構件的制動力也可以通過偏置裝置和/或通過傳導性構件到轉子的附連施加於轉子。優選地，偏置裝置包括校準機構，該校準機構能夠選擇性地增加和/或減少所施加的偏置裝置的偏置力的水平。這種校準機構可以例如藉助於張緊螺釘提供，該張緊螺釘能夠可逆地縮回/延伸彈簧，以此調整所施加的偏置裝置的偏置力。這種張緊螺釘可以證明在無需拆卸以調整或替換偏置裝置的情況下快速而容易地校準制動機構中是有用的。在自動保護應用中，這種快速的校準可以證明在有必要改變所要求的最大轉動速度的情況下是重要的。可以理解，偏置裝置可以構造為使傳導性構件根據各應用的要求朝向或遠離外加磁場偏置。例如，在要求通過增加外加力矩來增加制動力矩(以防止加速)的應用中，偏置裝置優選地使傳導性構件徑向偏置出外加磁場。在替代性實施方式中，(對於要求通過外加力矩減小制動力矩的應用)偏置裝置可以附連至傳導性構件並附連至轉子，以提供對傳導性構件的偏置力，從而使傳導性構件徑向運動至外加磁場中。傳導性構件可以構造為例如通過提供配重或將質心設置在樞轉軸線的與偏置裝置附連裝置相對的一側而在轉動時徑向向內運動。可以例如通過將傳導性構件設置在能夠繞中間點樞轉的杆的一端上、而杆的另一端具有構造為當轉子轉動時在離心作用下向外運動的配重來獲得這種實施方式。可以將傳導性構件或替代性地可以將配重通過偏置裝置附連至轉子以便將傳導性構件向外加磁場偏置。因此，轉子轉動時，杆將抵抗施加於傳導性構件的偏置力和制動力矩而使傳導性構件樞轉遠離磁場。優選地，偏置裝置沿著將要制動的轉動方向在與偏心樞轉軸線間隔開的位置處附連至轉子。在替代性實施方式中，偏置裝置可以設置為在一端附連至轉子而在另一端處附連至繞樞轉軸線的傳導性構件的扭轉彈簧或類似彈簧，扭轉彈簧構造為抵抗傳導性構件朝向或遠離(取決於應用)磁場的樞轉。上述彈簧構造優選地分別通過傳導性構件與外加磁場相交的最大和最小面積，將傳導性構件的樞轉範圍約束在最大和最小彈簧延伸之間。樞轉範圍還優選地約束到樞轉軸線的一側，以保證制動力矩僅沿著一個轉動方向而不會在相反方向上施加。這種「單向」構造在自動保護應用中是有用的，在自動保護應用中不期望當上升時在繩纜上有制動作用，因為這將抵抗繩纜縮回機構並且可能產生繩纜中的鬆弛。傳導性構件向磁場運動的速率取決於施加在傳導性構件上的外加力矩、「彈簧」偏置力和反作用離心力，即如果抵抗彈簧偏置力的外加力矩的分量和離心力(取決於轉動速度和傳導性構件質量)大於彈簧偏置力，則傳導性構件將朝向磁場運動。彈簧延伸時，彈簧 「偏置力」或回復力Fs近似根據Fs = kx而增加，其中k是彈簧常數，而χ是從平衡位置的
10延伸。一旦傳導性構件在磁場中，則渦流反作用力將增加至由外加力矩和離心力引起的樞轉，因此彈簧偏置力抵抗全部三個力，因此彈簧將延伸，直至回復力等於繞樞轉軸線施加於傳導性構件的力矩。優選地，制動機構包括多個永磁體，該多個永磁體布置成與轉子同心的大體圓形或弧形的磁體陣列。在替代性實施方式中，制動機構可以包括多個永磁體，該多個永磁布置成線性陣列，例如布置成方形或三角形陣列，其中轉動軸線大體在其中心。優選地，兩個所述陣列設置在傳導性構件的轉動平面的相對側上，具有相反極的每個陣列的磁體大致彼此相對。因此產生在相對磁體的相反的極(北極對南極)之間、優選地沿著大致垂直於傳導性構件的轉動平面的方向延伸的磁場。在替代性實施方式中，一個陣列可以設置在轉子的一側上，鋼或鐵磁性板則位於另一側上。然而，可以理解，這種「一側式」磁體陣列可能提供比相比較的兩側式陣列更弱的磁場。在另一實施方式中，設置在傳導性構件一側或兩側上的磁體陣列可以設置為哈爾巴赫或類似構造，從而沿著傳導性構件的方向集中磁場。優選地，磁體陣列設置有在傳導性構件相對「外」側附連至磁體表面的鋼或其他鐵磁性背襯。在又一實施方式中，磁體可設置為成形為為包圍轉子和傳導性構件的單個磁體， 這樣傳導性構件的徑向運動將造成傳導性構件與外加磁場相交。可以理解，為了產生渦流作用，傳導性構件必須與磁場相交並相對於磁場運動。通過示例，這可以通過如下方式獲得a)將磁體固定在位並轉動轉子和傳導性構件，使得傳導性構件與磁場相交並運動穿過磁場，反之亦然；或b)以不同角速度轉動傳導性構件和磁體，例如轉子和傳導性構件可以構造為沿著與磁體相同的方向但以更大的角速度轉動，或者替代性地，磁體可以構造為沿著與傳導性構件的轉動方向相反的方向轉動。因此，在一個優選實施方式中，磁體固定在位從而磁體不隨轉子轉動，轉子和傳導性構件能夠相對於磁體轉動，使得傳導性構件與磁場相交並運動穿過磁場。應當理解，本實施方式中使用的術語「固定」指磁體相對於轉子靜止，例如類似於馬達定子。因此，術語「固定」不應解釋為表示磁體相對於任何殼體、上部構造或其他物體固定在位。在優選實施方式中，磁體構造為在轉子轉動時以與轉子的角速度不同的角速度轉動。轉子轉動時，(一個或多個)磁體相對於轉子的轉動提供了改變相對角速度因而改變制動力矩強度的機構。(一個或多個)磁體可以沿著與轉子相同的方向轉動以減小制動力矩，或沿著相反方向轉動以增加制動力矩。在優選實施方式中，磁體聯接至轉子，以沿著與轉子的轉動方向大致相反的方向隨轉子轉動。在優選實施方式中，轉子通過聯接傳動裝置聯接至磁體。在此實施方式中，聯接傳動裝置可以用於改換轉子(和傳導性構件)相對於磁體的相對角速度，其中外加力矩通過聯接傳動裝置驅動連接至磁體並聯接至轉子的鼓。在替代性實施方式中，可能反過來布置。貫穿本說明書所提及的聯接傳動裝置應當理解為指用於在其所聯接的兩個物品之間傳遞動力的機構。聯接傳動裝置可以是機械式、或者流體齒輪傳動裝置、或鏈式驅動或摩擦聯接裝置、或本領域普通技術人員熟知的任何其他這種傳動裝置。例如，齒輪傳動裝置可以構造為使(一個或多個)磁體沿著與轉子的轉動方向相反的方向轉動，由此可能倍增傳導性構件與磁體之間的相對速度。因此，此制動機構可以通過增加傳導性構件與磁體之間的相對速度獲得增加的制動作用，而不顯著增加材料或尺寸。在其他實施方式中，轉子可以通過多種裝置，包括通過鏈式驅動或摩擦聯接裝置聯接至磁體。在另一實施方式中，可以設置止動件以限制傳導性構件的徑向運動範圍。優選地，止動件安置為將傳導性構件的徑向運動限制於所相交的最大磁場的位置。可以利用這種止動件在傳導性構件在磁場中時，通過有效地相對於轉子「固定」傳導性構件而將施加於傳導性構件的制動力轉移給轉子。此外，設置這種止動件提供了「安全」結構以保證如果偏置裝置斷開、分離或然則失效，傳導性構件仍將向轉子施加(優選地最大的)制動力矩。沒有這種止動件，則傳導性構件可能移出磁場而不再施加制動力矩。在替代性實施方式中，止動件可以設置為偏置的棘齒機構的一部分，傳導性構件抵抗偏置力運動至漸進的徑向位置，進而產生漸進的制動力矩水平。根據本發明的另一方面，提供了一種渦流制動機構，包括——轉子，該轉子能夠繞轉子軸線轉動；——至少一個導電構件，該至少一個導電構件聯接至轉子而隨轉子轉動；——至少一個磁體，該至少一個磁體構造為施加至少部分地正交於傳導性構件的轉動平面延伸的磁場；並且其特徵在於，在轉子轉動時，傳導性構件構造為從轉子軸線徑向向外運動至外加磁場中，當傳導性構件與磁場相交時，傳導性構件穿過外加磁場的運動由此感應出傳導性構件中的渦流。優選地，磁場主要地大致正交於傳導性構件的轉動平面延伸。優選地，設置有多個磁體和傳導性構件，每個傳導性構件均能夠可逆地運動至由一個或多個磁體施加的磁場中。優選地，傳導性構件構造為響應於轉子的轉動從轉子軸線沿著徑向軌道相對於轉子運動。優選地，傳導性構件構造為作為由聯接的轉子施加的徑向加速度的結果運動至磁場中，因此傳導性構件相對於轉子徑向向外運動。優選地，諸如彈簧或等效偏置構件/機構的偏置裝置附連至傳導性構件並附連至轉子，以提供抵抗傳導性構件的向外徑向運動的偏置力。因此，偏置裝置的校準提供了用於控制傳導性構件的徑向運動速率進而控制傳導性構件與磁場相交的面積的方法。
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因此，此「線性」實施方式提供了獨立於轉子轉動方向工作的制動機構。可以通過改變偏置力的水平來修改和校準施加於「線性」和「樞轉」(即具有樞轉的傳導性構件)實施方式的制動力矩的構造，由此提供適應要求特定製動力矩曲線圖的應用的有效方法。根據本發明的渦流制動機構可以構造為使轉子的轉動速度在一定範圍的外加力矩(「操作範圍」)上是恆定的，外加力矩是施加於轉子使其轉動的力。在(操作範圍內的) 外加力矩的任何增加與導體與更多磁場相交感應出的渦流導致的制動力矩的相等反向增加相平衡時，上述恆定轉動速度可能會因此而增加。因此，當轉子初始開始轉動時，根據本發明的渦流制動機構與現有技術的裝置相類似地工作，即轉動速度大致線性地隨外加力矩增加。這種情況持續，直至聯接至轉子以隨轉子轉動的電導體進入磁體的外加磁場。導體穿過磁場的運動感應出導體內的渦流，該渦流抵抗穿過磁場的運動，由此提供對導體的運動的制動力。制動力的大小取決於多種因素， 包括導體與磁場相交的程度和場的強度。在根據本發明的渦流制動機構中，磁場強度、導體構造和偏置機構均可以選擇為使得在要求的力矩的整個操作範圍內，施加於轉子的力矩的增加被制動力矩的相等反向增加平衡，由此產生在整個操作範圍內轉子的恆定轉動速度。在本發明的特定實施方式下，在一些外加力矩下，導體可能與可能的磁場的最大面積相交。在此力矩下，制動力矩也處於最大值。因此，當外加扭矩進一步增加時，轉動速度將再次變得相對於外加力矩的增加大致呈線性關係。根據本發明的另一方面，提供了一種繩纜分配裝置，包括大致如上文描述的制動機構，和線軸繩纜，該線軸繩纜聯接至轉子和/或傳導性構件以隨轉子和/或傳導性構件轉動。優選地，該繩纜分配裝置是自動保護裝置。優選地，轉子和/或線軸包括用於抵抗繩纜從線軸的延伸的偏置縮回機構，該縮回機構構造為當施加於繩纜的張緊力落至低於預定水平時縮回繩纜。如本文所用，術語「繩纜」指任何纜線、繩子、細繩、鏈子、導線、帶或任何其他一段柔性材料。根據本發明的另一方面，提供一種制動物體的轉動的方法，該方法包括如下步驟——將傳導性構件聯接至物體而隨物體轉動；——設置至少一個磁體，該至少一個磁體構造為施加至少部分地正交於可轉動傳導性構件的轉動平面延伸的磁場；——將傳導性構件構造為在物體轉動時運動至磁場中。根據本發明的另一方面，提供了一種大致如上文描述的制動物體的轉動的方法， 還包括如下步驟——轉動物體，因此使傳導性構件運動至磁場中，由此在傳導性構件中感應出渦流。因此，本發明可以通過提供一種渦流制動機構來提供相對於現有技術的顯著優點，該渦流制動機構能夠做到如下的一個或多個在一定的外加力矩範圍內，將速度限制為恆定水平；使用緊湊型設備施加足夠的制動力矩；提供用於與自動下降器/自動保護裝置一起使用的渦流制動器。可以理解，本發明可能因此發現特別用於多種應用中的速度控制和/或制動的特別用途，例如通過示例的方式，對如下設備的速度控制風力渦輪機、水力渦輪機和其他轉動渦輪機中的轉子；例如划船運動練習器、周轉訓練機的訓練設備；過山車和其他娛樂乘坐裝置；升降電梯和自動扶梯系統；疏散下降機和防火梯裝置；傳送系統；工廠生產設施中的轉動驅動器；諸如傳送帶的物料處理裝置，或者例如斜槽中的制動裝置，或者控制物品滑下滑道的下降速率；動態顯示指示牌，例如在控制轉動標記的轉動速度中；路邊安全系統，例如可以將制動器連接在系統中以通過制動中的能量耗散來提供碰撞衰減。事實上，本發明可以用在任何轉動制動和/或速度限制系統中。


通過僅以示例性方式給出並參照附圖的下文描述，本發明的更多特徵和優點將變得顯而易見，圖中圖1示出了示例性現有技術的渦流制動機構的「力矩-速度」曲線圖；圖加示出了轉子靜止時根據本發明一個優選實施方式的渦流制動機構的示意性平面圖；圖2b示出了轉子在中等制動力矩下轉動時圖加所示渦流制動機構的示意性平面圖；圖2c示出了轉子在最大制動力矩下轉動時圖加和圖2b所示渦流制動機構的示意性平面圖；圖3示出了圖2所示渦流制動機構的局部示意性側視圖；圖4示出了圖2和圖3中示出的渦流制動機構的替代性構造的局部示意性側視圖；圖如示出了當力矩初始施加於轉子時(即「起動」時)圖2和圖3中示出的渦流制動機構的受力圖；圖恥示出了當外加力矩增加時圖2和圖3中示出的渦流制動機構的受力圖；圖5c示出了當施加的恆定力矩與制動力矩相同時(即處於「穩定狀態」時)圖2 和圖3中示出的渦流制動機構的受力圖；圖5d示出了處於最大制動扭矩的圖2和圖3中示出的渦流制動機構的受力圖k示出了當外加力矩減小時圖2和圖3中示出的渦流制動機構的受力圖；圖6示出了與圖2至圖3和圖5所示的制動機構一起使用的轉子的「力矩-速度」 曲線圖；圖7示出了與圖2至圖3和圖5所示的制動機構一起使用的轉子的「速度-力矩」 曲線圖；圖8示出了圖2至圖3和圖5所示的制動機構的替代性構造的「速度-力矩」曲線圖；圖9示出了圖2至圖3和圖5所示的制動機構的另一替代性構造的「速度-力矩」 曲線圖；圖IOa示出了根據本發明的第二優選實施方式的渦流制動機構的示意性平面圖；圖IOb示出了圖IOa中示出的制動機構的局部放大圖；和圖11示出了根據本發明另一實施方式的渦流制動機構的示意圖。
具體實施例方式圖1示出了利用構造為在磁場中轉動的傳導性盤的示例性現有技術渦流制動機構的「力矩-速度」曲線圖。當該盤轉動時，盤中感應出渦流，並且產生與外加磁場相抗的反應磁場。該相抗的磁場產生抵抗該盤穿過磁場的反作用力。施加於盤的制動力矩的大小取決於磁場強度和轉動速度，因此，當速度增加時，制動力矩也增加。該系統將根據外加力矩將速度限制為一定的水平。然而，制動力矩進而平衡速度僅在預定操作範圍內與速度線性成比例(如圖1中示出的)，直至達到閾值「特性速度」(S)，在該閾值「特性速度」(S)處制動力矩變為非線性並達到最高值，之後開始隨著速度的增加而減小。因此，現有技術的系統僅在達到特性速度之前以對外加力矩的線性響應調節速度方面是有效的。因此，這些現有技術的系統不適合於自動保護(auto-belay)和其中可能需要在更寬範圍的外加力矩下保持恆定速度的其他應用。圖加至圖2c、圖3和圖fe至圖k示出了根據本發明一個優選實施方式的渦流制動機構，該渦流制動機構總體上由箭頭1指示。為清晰起見，在圖fe至圖5e中，示出了僅一個傳導性構件3附連至轉子2。制動機構1聯接至形成自動保護裝置(未示出)的一部分的線軸繩纜(未示出)。 該線軸繩纜連接至制動機構1的轉子2，並將隨轉子2轉動。繩纜23從線軸延伸至用戶的線束。轉子2具有偏置的縮回機構(未示出)，該縮回機構用於抵抗繩纜23從線軸的延伸， 並用於當繩纜張緊力(和外加力矩)減小時(例如當用戶在攀登同時升高時)自動地縮回繩纜23。因此，可以利用制動機構1通過控制轉子2的轉動速度來調節繩纜從線軸的分配速度。制動機構1包括轉子2和以聯接到轉子2的樞轉臂3的形式設置的三個導電導電構件，該轉子2能夠繞轉子軸線X轉動。臂3在偏心於轉子軸線X的點8處樞轉地附連至轉子2。多個磁體4相對於轉子軸線X設置並固定在位。磁體4在臂3和轉子2的轉動平
15面的相對側上形成兩個圓形陣列5 (圖2中僅示出了一個)。圖3示出了位於臂3的轉動平面的任一側的磁體4。每個磁體5均與轉子2同軸地布置，並且施加正交於臂3的轉動平面延伸的磁場 6。兩個磁體陣列5的磁體4具有大致彼此相對的相反的極。因此，磁場6形成為沿著正交於轉子2和臂3的轉動平面的方向在相對磁體4的相對的極(北極對南極)之間延伸。鋼或其他鐵磁性背襯7 (圖3中示出)在與臂3相對的一側上附連至每個磁體陣列5的外表面。此鋼背襯7幫助加強磁場6，以及能夠保護磁體4免受衝擊破壞。圖4中示出了一種替代性構造，其中只有一個磁體陣列5具有鋼背襯7。如從圖加至圖2c的過程示出的，一旦向轉子2施加切向力Fapp(例如由於攀登者下降)，轉子2就將轉動，並且臂3將繞樞轉點8樞轉。當施加力Fapp使轉子2加速時，臂 3將運動至外加磁場6中並與磁場6相交。臂3穿過外加磁場6的任意運動(例如當轉動時)在臂3中感應出渦流，該渦流又產生抵抗外加磁場6的反應磁場。臂3具有與磁體陣列5的輪廓相配的弧形外邊緣10，這樣與磁場6的最大面積相交，同時使臂3的尺寸和重量最小化。臂3成形為當轉子靜止時嵌套在一起，即每個傳導性構件3的「後部」成形為與下一傳導性構件3的「前部」抵接。將理解，此處述及轉子「靜止」 是指轉子相對於磁場6不轉動或運動。當臂3繞樞轉點8樞轉時，每個臂3的逐步增大的部分運動至磁場6中並與磁場 6相交。臂3還成形為使得在圖加中示出的縮回位置，臂3組合在一起以佔據可能的最小量的空間，由此最小化制動機構1的尺寸要求，同時在處於圖2b和圖2c中示出的磁場6中時的可能制動力矩最大化。偏置裝置以彈簧12的形式設置，該彈簧12在遠離樞轉軸線8的點13處附連至臂 3，並且在沿著將要制動的轉動方向R(即圖2中示出的順時針方向)與樞轉軸線8間隔開的位置14處附連至轉子2。由此，彈簧12提供抵抗臂3的樞轉(以及由此徑向)運動的偏置。可以改變彈簧12的強度以控制臂3朝向磁場6的運動，並由此控制制動機構1的特性。臂3的樞轉範圍由彈簧12約束於一個扇形區，由此保證當沿一個方向轉動時，臂 3將僅僅運動至磁場6中。這種「單向」構造在其中在上升時不希望在繩纜23上具有制動作用的自動保護應用中是有用的，因為這可能抵抗繩纜縮回機構，並且可能在繩纜23中產生鬆弛。轉子2附連有安全止動件(未示出)，安全止動件與臂3接合以限制臂3樞轉運動的範圍。該止動件通過附連至臂3的突出部(未示出)與固定至轉子2的剛性槽(未示出)之間的滑動接合形成。該突出部在槽中自由滑動，但受到限制臂3運動範圍的槽的長度的限制。因此，止動件(未示出)提供了「安全」結構，以保證如果彈簧12斷開、分離或失效，臂3仍將向轉子2施加(優選地最大的)制動力矩。當突出部達到槽的長度時，該止動件還輔助將制動力矩傳遞至轉子2。臂3相對於轉子軸線X偏心地安裝，使每個臂3具有相對於樞軸8和轉子軸線X 偏心的質心9，這樣當轉子2轉動時，臂3將徑向向外運動並使臂3繞樞轉點8樞轉。
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在自動保護應用中，通過載荷(例如人)在圍繞轉子2或所連接線軸卷繞的繩纜 23上產生張緊力，由此在轉子2上施加力矩(TApp = FAppXr)以引起轉動。外加磁場6在臂3中感應出渦流，並產生抵抗外加磁場6的反應磁場。因此，外加磁場和反應磁場之間的斥力提供抵抗臂3穿過磁場6的運動的反作用力Feddy。圖fe至圖 5e是示出了施加在每個臂3上的力的局部示意圖。為了清晰起見，圖fe至圖k中僅示出了 一個臂3。可以理解，圖fe至圖k的受力圖未示出施加在臂3上的許多且變化的動力的精確、詳細的分析，因此示出的力僅僅是簡單化和指示性的。提供受力圖如至圖5e以示出施加在臂上的主要力的簡化示例。圖fe至圖k中的每一個均包括一個框圖，在框圖中增加了主要的力，以示出在質心9處的近似淨力。應當理解，這些力僅僅是指示性的，而力線可能不具有精確的長度或者方向。圖fe示出了初始「起動」階段的渦流制動機構1的受力圖，在初始「起動」階段僅存在切向施加力Fapp，而彈簧12未延伸。因為此力Fapp切向地施加於轉子，所以力矩Tapp施加於轉子，並且轉子從靜止狀態開始加速。此力Fapp的分量(Fapp(S)和Fapp (13))分別通過樞轉點8和彈簧連接部13施加於臂3。應當理解，在另一構造中，(一個或多個)臂可以成形和安置為使得在起動階段臂的至少一部分與磁場相交。因此，轉子一開始轉動，即施加渦流制動作用。此外，因為臂3連接至轉子2，所以當轉動時其將在向心加速度下朝向轉子軸線X 加速。該向心力通過連接部8、13施加於本體。F。p是通過質心9施加在臂3上抵抗臂3的向心加速度的力。臂3還具有抵抗運動變化的慣性。為了進行此分析，此慣性將與臂的質量和繞質心9施加的慣性力矩相關。圖fe至圖k中示出的力通過近似公式在下表中詳述。可以理解，這些公式和力
僅僅是近似和指示性的。
權利要求
1.一種渦流制動機構，包括轉子，所述轉子能夠繞轉子軸線轉動；至少一個導電構件，所述至少一個導電構件聯接至所述轉子用於隨所述轉子轉動；至少一個磁體，所述至少一個磁體構造為施加至少部分地正交於傳導性構件的轉動平面延伸的磁場，並且其特徵在於，所述轉子轉動時，所述傳導性構件構造為從所述轉子軸線至少部分地徑向運動至所述外加磁場中。
2.如權利要求1所述的渦流制動機構，其中，所述傳導性構件繞所述轉子軸線轉動。
3.如權利要求1或2中任一項所述的渦流制動機構，其中，所述磁體構造為在所述轉子轉動時以與所述轉子的角速度不同的角速度轉動。
4.如權利要求3所述的渦流制動機構，其中，所述磁體聯接至所述轉子用於在與所述轉子的轉動方向大致相反的方向上隨所述轉子轉動。
5.如權利要求3或4中任一項所述的渦流制動機構，其中，所述轉子通過聯接傳動裝置聯接至所述磁體。
6.如前述權利要求中任一項所述的渦流制動機構，其中，所述轉子通過聯接傳動裝置聯接至輸入軸，使得所述轉子以與所述輸入軸的轉動速度不同的轉動速度轉動。
7.如前述權利要求中任一項所述的渦流制動機構，其中，所述轉子聯接至線軸繩纜，並且構造為隨著所述線軸繩纜轉動。
8.如前述權利要求中任一項所述的渦流制動機構，其中，所述傳導性構件樞轉地附連至所述轉子，並且構造為繞樞轉軸線樞轉，以便在所述轉子轉動時至少部分地徑向運動至外加磁場中。
9.如權利要求8所述的渦流制動機構，其中，所述傳導性構件具有位於樞軸和所述轉子軸線上或者偏心於所述樞軸和所述轉子軸線的質心。
10.如權利要求8或權利要求9所述的渦流制動機構，其中，所述傳導性構件在偏心於所述轉子軸線的點處樞轉地附連至所述轉子。
11.如前述權利要求中任一項所述的渦流制動機構，其中，偏置裝置在遠離所述樞轉軸線的點處附連至所述傳導性構件，並且在一個位置處附連至所述轉子以提供抵抗由於所述轉子轉動產生的傳導性構件的運動的偏置力。
12.如權利要求11所述的渦流制動機構，其中，所述偏置裝置包括校準機構，所述校準機構能夠選擇性地增加和/或減少所施加的偏置裝置的偏置力的水平。
13.如權利要求11或權利要求12所述的渦流制動機構，其中，所述偏置裝置在沿著將要制動的轉動方向與偏心的樞轉軸線間隔開的位置處附連至所述轉子。
14.如權利要求1至權利要求10中任一項所述的渦流制動機構，其中，偏置裝置附連至所述傳導性構件，並且在一個位置處附連至所述轉子以提供抵抗由於所述轉子轉動產生的傳導性構件的運動的偏置力。
15.如前述權利要求中任一項所述的渦流制動機構，其中，設置有止動件以限制所述傳導性構件的徑向運動範圍。
16.如權利要求15所述的渦流制動機構，其中，所述止動件設置為將所述傳導性構件的徑向運動限制於所截取的最大磁場的位置。
17.如權利要求15所述的渦流制動機構，其中，所述止動件設置為偏置的棘齒機構的一部分，所述傳導性構件抵抗所述偏置力運動至漸進的徑向位置。
18.如前述權利要求中任一項所述的渦流制動機構，其中，所述制動機構包括多個永磁體，所述多個永磁體布置成與所述轉子同心的大體圓形磁體陣列。
19.如權利要求18所述的渦流制動機構，其中，所述多個永磁體布置成兩個大體圓形磁體陣列，分別在所述傳導性構件的轉動平面的相對兩側上，每個陣列的磁體均具有大致彼此相對的相反極。
20.如權利要求18所述的渦流制動機構，其中，所述磁體陣列設置在所述轉子的一側， 並且鐵磁性板位於另一側。
21.如權利要求18至20中任一項所述的渦流制動機構，其中，所述磁體陣列設置有鐵磁性背襯，所述鐵磁性背襯在所述傳導性構件的相對的「外」側上附連至所述磁體的表面。
22.如前述權利要求中任一項所述的渦流制動機構，其中，所述制動機構包括多個所述傳導性構件。
23.如權利要求1至10中任一項所述的渦流制動機構，其中，在所述轉子轉動時，所述傳導性構件構造為徑向運動至外加磁場中。
24.如權利要求23所述的渦流制動機構，其中，所述傳導性構件構造為響應於所述轉子的轉動沿著徑向軌道相對於所述轉子運動。
25.如權利要求23或權利要求M所述的渦流制動機構，其中，偏置構件附連至所述傳導性構件並且附連至所述轉子，以提供抵抗所述傳導性構件的向外徑向運動的偏置力。
26.如前述權利要求中任一項所述的渦流制動機構，其中，所述傳導性構件構造為作為由聯接的所述轉子施加的徑向加速度的結果運動至磁場中。
27.如前述權利要求中任一項所述的渦流制動機構，其中，所述磁場主要大致正交於所述傳導性構件的轉動平面延伸。
28.—種繩纜分配裝置，包括制動機構，所述制動機構具有轉子，所述轉子能夠繞轉子軸線轉動；至少一個導電構件，所述至少一個導電構件聯接至所述轉子用於隨所述轉子轉動；至少一個磁體，所述至少一個磁體構造為施加至少部分地正交於傳導性構件的轉動平面延伸的磁場；和線軸繩纜，其中，所述轉子轉動時，所述傳導性構件構造為從所述轉子軸線至少部分地徑向運動至所述外加磁場中，並且所述線軸繩纜聯接至所述轉子和/或所述傳導性構件，以便隨所述轉子和/或所述傳導性構件轉動。
29.如權利要求洲所述的繩纜分配裝置，其中，所述轉子和/或所述線軸包括抵抗繩纜從所述線軸延伸的偏置的縮回機構，所述縮回機構構造為當施加於所述繩纜的張緊力下降至預定水平以下時縮回所述繩纜。
30.一種自動保護裝置，包括如權利要求觀或權利要求四所述的繩纜分配裝置。
31.一種制動物體的轉動的方法，所述方法包括如下步驟i)設置至少一個磁體，所述至少一個磁體構造為施加至少部分地正交於可轉動的傳導性構件的轉動平面延伸的磁場；ii)將所述傳導性構件聯接至所述物體用於隨所述物體一起繞轉子軸線轉動；iii)將所述傳導性構件構造為在所述物體轉動時從所述轉子軸線至少部分地徑向運動至所述磁場中。
32.—種制動物體的轉動的方法，還包括如下步驟轉動所述物體以便使傳導性構件運動至磁場中。
33.一種大致如圖2至圖5所示並參照圖2至圖5描述的制動機構。
34.一種大致如圖2至圖5所示並參照示例描述的制動轉動的方法。
35.一種大致如圖10所示並參照圖10描述的制動機構。
36.一種大致如圖10所示並參照示例描述的制動轉動的方法。
全文摘要
一種渦流制動機構，包括轉子，所述轉子能夠繞轉子軸線轉動；至少一個導電構件，所述至少一個導電構件聯接至所述轉子用於隨所述轉子轉動；至少一個磁體，所述至少一個磁體構造為施加至少部分地正交於傳導性構件的轉動平面延伸的磁場，並且其特徵在於，所述轉子轉動時，所述傳導性構件構造為從所述轉子軸線至少部分地徑向運動至所述外加磁場中。
文檔編號A63B69/00GK102428633SQ201080020158
公開日2012年4月25日 申請日期2010年1月29日 優先權日2009年3月10日
發明者克里斯多福·詹姆斯·阿林頓, 安德魯·卡爾·迪爾, 布魯斯·約翰·羅伯特森 申請人:霍姆斯解決方案有限公司