系统、机械制动器和用于控制机械制动器的方法与流程

本发明涉及常闭式机械制动器，并更为准确地涉及确定常闭式机械制动器的气隙的幅度以及控制这种类型的机械制动器。本发明的一些实施例涉及抑制常闭机械制动器的打开噪声和关闭噪声。

背景技术：

机械制动器通常用于机械工程中以制动旋转电机或机器部件。

常闭机械制动器是指具有至少一个励磁线圈的机械制动器类型，当它被通电时，闭合的机械制动器打开，并且当它被断电时，打开的机械制动器关闭并保持关闭，通常在通过弹簧力而受力时导致关闭。常闭机械制动器的相反可以被认为是常开机械制动器，其通过给励磁线圈通电而闭合。

这种类型的常闭机械制动器的一个特殊应用是电梯的操作制动器。这增加了电梯的安全性，因为在停电的情况下必须停止电梯轿厢在电梯井道中向上和向下移动。当电梯已经停止后，电梯的操作制动器保持关闭。电梯的操作制动器在电梯开始移动时打开，并且在电梯停止时关闭。

为了使常闭机械制动器足够快地反应以消除励磁线圈的通电，常闭机械制动器通常包括强力闭合弹簧。强力闭合弹簧将制动靴快速地移动向制动鼓，这可能引起噪声，噪声被感受为烦扰的。为了使强力关闭弹簧被压缩以打开制动器，制动靴必须随着强的力而移动。制动靴的金属承载部件可能在打开运动结束时产生被感受为烦扰的噪声。

为了解决常闭机械制动器的打开噪声和闭合噪声的阻尼问题，本领域已知的是在申请人的国际申请中提出的解决方案，其作为印刷出版物WO2012/152998A2公开，所述解决方案是在常闭机械制动器的框架部件和通过电磁体相对于所述框架部件移动的承载件之间放置具有弹性的柔性阻尼器。

同样在本领域中已知的是，在Inventio AG的欧洲专利0 897 371中，为了解决常闭机械制动器的打开噪声和闭合噪声的阻尼问题，是在电梯制动器中，针对制动靴的运动的期望速度曲线被形成为制动靴的位置的函数，并且根据速度曲线，通过调节制动器的励磁线圈的电流而调节制动靴的速度。通过连接到承载板的电位计而机械地检测制动靴的位置数据。这使得能够温和地关闭电梯制动器。

技术实现要素：

从欧洲专利0 897 371中可知用于电梯的操作制动器包括易受磨损的电位计。当对电梯使用这种类型的操作制动器时，每次使用操作制动器时，即，每次电梯必须开始移动以及每次电梯必须停止时，滑块(德语，Schleifer)沿着位置传感器(德语，Weggeber)行进。

根据本发明的第一方面的目的在于特别是针对耐磨损性而改进用于确定常闭机械制动器的气隙的方法，另一方面在于使机械制动器的控制多样化。关于确定气隙，可以通过根据独立权利要求1的系统来解决该目的。关于机械制动器的控制，可以通过根据独立权利要求1的系统来解决该目的，同样可以借助于权利要求8的并行的方法来解决该目的。

根据本发明的第二方面的目的是降低安静地关闭/打开正常操作下的常闭机械制动器的打开噪声和/或闭合噪声。该目的可以通过使用根据权利要求2的系统和根据权利要求10的方法来解决。

根据本发明的第三方面的目的是使在正常操作下的常闭机械制动器的控制多样化。该目的可以通过根据权利要求6的机械制动器和根据权利要求9的方法来解决。

通过“正常运行”的表述，我们强调正常操作(BP)和紧急操作(ES)之间的区别在于：在紧急情况下的电梯使用中，电梯轿厢必须尽快停止，在这种情况下，由机械制动器的关闭产生的噪声当然不被认为是烦扰的。因此，在紧急情况下使用常闭机械制动器不需要温和地闭合，而是尽可能快地闭合。

从属权利要求描述了系统和方法的优选实施例。

发明的优势

用于借助于至少一个励磁线圈打开以及借助于至少一个闭合弹簧关闭来控制常闭机械制动器的打开和/或关闭的系统包括以下连接或可相互连接：

a)用于控制机械制动器的打开和/或关闭的至少一个估计和控制回路，该估计和控制回路包括：

至少一个计算元件，其中记录有机械制动器的目标气隙值；

至少一个气隙估计器，其被配置为基于通过从电流纹波测量励磁线圈的电感所得的输入来产生估计气隙值；

至少一个气隙调节器，其被配置为基于机械制动器的目标气隙值和估计气隙值来产生针对励磁线圈的电流的目标值；以及

电流调节器，其被配置为基于目标值和针对励磁线圈的电流的输入来产生调制参考；

以及

b)用于控制机械制动器的打开和/或关闭的至少一个测量和控制电路，该测量和控制电路包括：

至少一个励磁线圈；

放大器电路，其被配置为基于调制参考来产生控制电压；

随控制电压可控的功率输出级，用于以大于由励磁线圈的时间常数L/R所确定的截止频率的频率将电压连接在励磁线圈上；以及

用于产生用于测量由连接在励磁线圈上的电压所引起的励磁电流的输入的电流表；

其中：

c)估计和控制回路被配置为使用由测量和控制电路产生的输入；以及

d)测量和控制电路被配置为使用由估计和控制回路产生的调制参考以用于将电压连接在励磁线圈上。

除此之外，e)该系统还被配置为基于励磁线圈的测量的电感的变化来调整待被连接在励磁线圈上的电压。

借助于该系统，间隙的幅度被间接地估计，并且估计数据被用于控制机械制动器。与欧洲专利0 897 371中提出的配置相比，这不仅改善了系统的耐磨性，而且使机械制动器的控制多样化。

通过测量由要连接在励磁线圈上的电压所引起的励磁电流的变化来实现间接测量。因此，实际上测量了励磁线圈的电感的变化。这使得能够在不直接反馈电枢的气隙的幅度的情况下控制机械制动器，从而提高了维护自由性。

要连接的电压以大于由励磁线圈的时间常数L/R确定的截止频率的频率连接。

当至少一些目标气隙值被选择为使得当目标气隙值接近开口面积的最大值或者闭合面积的最小值时，在开启和/或关闭区域中它们的时间导数或时域的速度变化减小，可以抑制常闭机械制动器的打开噪声和/或关闭噪声。与在印刷出版物WO2012/152998A2中描述的解决方案相比，在使用中可能随时间磨损和硬化的具有弹性的柔性阻尼部件可以被忽略。另一方面，与欧洲专利0 897 371中给出的解决方案相比，可以在不使用在使用中磨损的测量电位计的情况下实现在正常操作(BS)中的机械制动器的温和地打开和/或关闭，以用于估计气隙幅度。

当在关闭和/或打开机械制动器时通过实验确定目标气隙值的曲线图时，可以基于对机械制动器的关闭和/或打开进行的测试运行，从所讨论的常闭机械制动器的操作的角度验证适当的值。这有利于装配公差的管理。在复位弹簧的弹簧常数方面，每个常闭机械制动器或多或少地存在差异。因此，可以放松(slacken)制造公差。最优选地，以实验方式，气隙调节器在所确定的目标气隙值之间斜坡变化。

当系统被配置为基于测量的励磁线圈的电感的变化来调整要连接在励磁线圈上的电压时，可以通过使用明确的物理量来实现该系统。

根据本发明的第三方面，借助于至少一个励磁线圈打开并且借助于至少一个闭合弹簧关闭的常闭机械制动器包括根据本发明的第一或第二方面的系统，该系统被配置为控制用于打开和/或关闭机械制动器的励磁线圈。响应于由励磁线圈的控制电压所引起的电流的输入，通过目标气隙值来控制要连接在励磁线圈上的电流。这种类型的常闭机械制动器可以采用比使用开/关(on/off)类型励磁线圈控制常闭机械制动器更通用的控制方式来控制。

根据本发明的第三方面的机械制动器可以非常有利地用作电梯的机械制动器。在这种情况下，可以在正常操作(BS)下更好地管理电梯的机械制动器的控制，并且因此可以调节操作制动器的操作噪声和操作速度之间的关系。在紧急操作(ES)中，机械制动器最好是当然通过将励磁线圈切换到立即断电而关闭。

在借助于至少一个励磁线圈打开并通过至少一个闭合弹簧关闭来用于控制常闭机械制动器的方法中，使用根据本发明的第一或第二方面的用于控制要连接在励磁线圈上的电压的系统。优选地，要使用的机械制动器是根据本发明的第三方面的常闭机械制动器，在该机械制动器中，要与控制电压连接的电压取自变频器的中间电路。

在该方法中，最优选地，目标气隙值被优化以抑制机械制动器的打开噪声和/或关闭噪声。以这种方式，不仅可以使常闭机械制动器的控制多样化，而且可以抑制其操作噪声。

附图说明

在下文中，将借助于在图1至图8中呈现的示例性实施例更详细地呈现电梯和电梯的操作制动器。在附图中：

图1是机械制动器的主要部件的简化图；

图2示出了电梯电机的轴，其周围是三个机械制动器；

图3描述了在正常操作情况(BS)下来自机械制动器的期望的速度曲线；

图4描述了针对机械制动器的气隙的目标气隙的时间分布；

图5描述了作为气隙幅度的函数的流过机械制动器的励磁线圈的电流；

图6示出了被配置用于控制常闭机械制动器的系统，该常闭机械制动器借助于至少一个励磁线圈而打开并且借助于至少一个闭合弹簧而关闭，该系统包括连接到测量和控制电路的估计和控制回路；

图7描述了励磁线圈的磁化和磁场的相互依赖性；以及

图8示出了电流纹波(即峰值I_max和最小值0)对电压脉冲宽度的依赖性。

在所有附图中，相同的附图标记表示相同的技术部分。

具体实施方式

图1是常闭机械制动器1的主要部件的简化图。机械制动器1包括框架部件2，在框架部件2内是至少一个励磁线圈9。机械制动器1还包括承载件4，其相对于框架部件2可移动，取决于所实现的模型，该承载件可以是盘4'。承载件4的运动使制动靴5运动。承载件4的往复运动最优选地由导向件8(例如导向螺栓或导向杆)限制。

机械制动器1是常闭机械制动器。当励磁线圈9未通电时，闭合弹簧3(例如杯形弹簧和/或弹簧组)将承载件4推离框架部件2。在这种情况下，气隙7保持在框架部件2和承载件4之间，其中，气隙7的幅度d相对于被制动的旋转部件13的表面上的制动靴5和制动鼓6负相关。换句话说，当d＝0时，制动靴5与制动鼓6的距离为其最大值(机械制动器完全打开)，并且当d＝d_max时，制动靴5被抵靠制动鼓6压紧(在这种情况下机械制动器1是关闭的)。

在图1中示出了励磁线圈9，图1所示的状态中励磁线圈9未被激励：在这种情况下，测量和控制电路30还没有将电压U₉连接在励磁线圈9上。在电压U₉已经断开之后，由在励磁线圈9的框架部件2中并且在气隙7上以及在承载件4中产生的磁场Φ所引起的弱化的力(weakening force)在这种情况下不再能够抵抗由闭合弹簧3引起的闭合力，在这之后机械制动器1关闭。

图2示出了电梯电机M的轴13，围绕轴13具有三个机械制动器1，三个机械制动器形成电梯的操作制动器或其一部分。代替三个单独的机械制动器1，可以选择一些其他数量(2,3,4,5,6，...)的使能冗余。在图2中标记的是气隙的幅度d，即，每个机械制动器1具有其自己的气隙7。

代替分开的机械制动器1，可以想到装备有承载件/盘的机械制动器1，每个承载件/盘移动制动靴5，其具有冗余使能的数量(2,3,4,5,6...)的专用闭合弹簧3。

机械制动器1的闭合弹簧3保持操作制动器1关闭，即当电磁体的励磁线圈9不通电时，它将制动靴5和盘4'按压抵靠制动鼓6。

当电磁体的励磁线圈9通电时，电磁体的吸引力超过闭合弹簧3的推力，在这种情况下，制动靴5和盘4'向更靠近框架部件2移动，在这种情况下机械制动器1打开。

从电磁体的操作的角度来看，重要的是框架部件2是导磁(铁磁)材料，并且承载件4以及可能还有盘4'是导磁材料。气隙7必须保留在框架部件2和承载件4之间。

图3描述了在正常操作情况(BS)下来自机械制动器1的期望的速度曲线。当开始机械制动器1的打开时(当向左移动时，从点d_max开始)，承载件4，盘4'和制动靴5从空闲(idle)状态加速到其最大速度。当机械制动器完全打开时(当从左移动时，到点0)，机械制动器1不应突然停止，而是应在减速距离期间减速。在图3中标记的为机械制动器1的打开的加速区域C、移动区域B和减速区域A。相应地，当关闭机械制动器1时，A将是加速区域、B是移动区域，且C是减速区域。

图4描绘了在根据图3的速度曲线的情况下针对机械制动器1的目标气隙s^*(t)的时间曲线。当在区域A中从左向右移动时，在时间t₁时刻，速度v₁增加直到时刻t₂到速度v₂，并且进一步增加直到时刻t₃到速度v₃。当从右向左移动时，速度相应地减小，即v₃→v₂→v₁。

当在区域C中从左向右移动时，在时间上的t₄时刻，速度v₄减小直到时刻t₅到速度v₅，并且进一步减小直到时刻t₆到速度v₆。当从右向左移动时，速度相应地增加，即v₆→v₅→v₄。

在时刻t_A和t_B之间，即在运动区域B中，目标气隙的变化速度，即承载件4，盘4'和制动靴5的运动速度保持大致恒定。代替恒定速度，当然可以针对运动区域B定义任何其他速度曲线。

图5描述了作为目标气隙值s^*(t)的幅度的函数的流过机械制动器的励磁线圈的电流I。当目标气隙值s^*(t)减小(描述较小的气隙7)时，机械制动器以较小的电流I保持打开。

图6示出了被配置用于控制常闭机械制动器1的系统，常闭机械制动器通过至少一个励磁线圈9而打开并且通过至少一个闭合弹簧3而关闭，该系统包括连接到测量和控制电路30的估计和控制回路20。

计算元件形成目标气隙值s^*(t)，即气隙的参考值。

气隙调节器24将目标气隙值s^*(t)与估计气隙值s^{^}(t)(即由气隙估计器26计算的气隙估计)进行比较，并且基于比较来计算针对励磁线圈电流的目标值I^*(t)，即计算针对电磁体的励磁线圈9的电流I的参考值。

电流的参考值，即针对励磁线圈的电流的目标值I^*(t)被提供给电流调节器25，该电流调节器25将励磁线圈的电流的目标值I^*(t)与输入(即与励磁线圈9的测量电流I(t))进行比较，并且为脉冲宽度发生器21(其可以是脉冲宽度调制器)形成调制参考PW^*。

基于上述调制参考PW^*计算脉冲宽度发生器21的脉宽调制(PWM)与控制信号的脉冲比，即调制指数。

换句话说，基于针对电流调节器25中的励磁线圈的电流的目标值I^*(t)并且基于输入I(t)来确定调制参考PW^*(例如脉冲宽度参考)。基于调制参考PW^*，脉冲宽度发生器21产生脉冲宽度电压U_PW。脉冲宽度电压U_PW被提供给诸如一个或多个光隔离器27的放大器电路，该放大器电路基于U_PW形成调制参考U_GE。

利用调制参考U_GE来控制可控功率输出级。可控功率输出级可以例如被实现为通过两个或更多个IGBT 31、34和可能的整流器(例如二极管32、34)形成的桥。借助于可控功率输出级，适当的电压U₉连接在励磁线圈9上。代替IGBT 31、34或除了IGBT 31、34之外，例如，MOSFET可以用于可控功率输出级。

在励磁线圈9处，用电流表12测量电流I(t)。然后以上述方式将电流I(t)的测量结果不仅提供给气隙估计器26，而且还提供给电流调节器25。

图7描述了作为磁场强度H的函数的磁通密度B。穿过励磁线圈9的磁动势Θ＝NI(N＝线圈匝数，I是流过励磁线圈的导体的电流)产生强度为H＝Θ/l_m的磁场，其中l_m是场线的平均长度。

图8示出了电流纹波的峰值I_max和最小值0对脉冲宽度电压U_PW的依赖性的原理。

发明人已经观察到，机械制动器1的气隙7的幅度影响励磁线圈9的电感，并且因此影响电流的变化速度。通过确定这种依赖性，如通过校准运行，可以利用用于公式化气隙估计器26的描述I(t)→s^{^}(t)的信息。

换句话说，可以调节电磁可控的常闭机械制动器1的控制电流以衰减机械制动器1的噪声。由于承载件4、盘4'和制动靴5的位置反馈是通过从机械制动器的电磁体的励磁线圈9的电流I测量机械制动器1的电磁体的电感和/或电感的变化来实现的，可以通过控制连接在励磁线圈9上的电压U₉来调节机械制动器1的打开和/或关闭。与机械制动器1的电感相比，励磁线圈9的控制电压U₉优选地比本领域公知的更大，使得针对通过电压U₉调节机械制动器1的电流I实现良好的动态特性。这可以以如下方式被实现，例如通过使电压U₉与来自变频器的中间电路的控制电压U_PW连接，该电压大约为540-600V或甚至更高。

例如，具有10kHz频率的脉冲宽度参考PW^*和相应地调制参考U_GE可以被提供给控制和调节电路30，以使得由电流I的DC电平产生的力超过闭合弹簧3的力(即机械制动器1打开)，并且另一方面，电流的切换频率(例如10kHz)的变化尽可能是线性的。

在所执行的测试中，从锯齿波电流I的峰值和最小值中测量电流，在这种情况下，通过上述的平均而获得DC电平，并且通过差值而获得纹波的幅度。纹波的幅度主要取决于负载的电感，因为当提供例如0V和560V电压时，负载的电阻效应开始以由机械制动器的励磁线圈9的时间常数L/R所确定的方式限制电流的上升速率，仅当电流已经能够做出明显长于切换频率的周期时间(例如，1/10kHz)的阶跃响应时。

于是从电流纹波测量的电感取决于励磁线圈9的电感和磁路的气隙7。换句话说，可以从电感计算针对气隙7的估计。

如果对于气隙7获得足够好的估计/在对于气隙7获得足够好的估计的情况下，可以通过简单的级联控制来控制盘4'的位置，其中外部控制回路是气隙调节器24，内部回路是电流调节器25。

可以例如以这种方式来执行盘4'的学习和/或校准运行，以使得在没有反馈的情况下打开盘4'，并且从气隙估计可以看出，气隙7不超过的最大数字是多少。此后，气隙调节器24的最大值被设置为测量的数字，并且参考一直斜坡上升仅到该数值。换句话说，在关闭/打开之间驱动参考，在这种情况下，对于每个机械制动器1，参考是单独的。

本发明不应被视为仅限于下面的权利要求，而是应当被理解为包括所述权利要求的所有法律等同物和所呈现的实施例的组合。使用的附图标记列表：

d：气隙幅度

M：电机

Φ：磁场

1：机械制动器

2：框架部件

3：闭合弹簧

4：承载件

4’：盘

5：制动靴

6：制动鼓

7：气隙

8：导向件

9：励磁线圈

12：电流表

13：制动旋转部件

20：估计和控制电路

21：脉宽发生器

23：计算元件

24：气隙调节器

25：电流调节器

26：气隙估计器

27：放大器电路(例如，光隔离器)

30：测量和控制电路

31：IGBT(功率输出级部件)

32：二极管(功率输出级部件)

33：二极管(功率输出级部件)

34：IGBT(功率输出级部件)