基于磁流变效应的具有自动保护功能的电梯制动装置及方法与流程

本发明涉及一种基于磁流变效应的曳引电梯制动装置及方法，特别涉及采用永磁体与线圈作为励磁装置将其应用于磁流变液的曳引电梯制动装置及方法。

背景技术：

电梯是一种以电动机为动力的垂直升降机，可用于多层建筑乘人或载运货物的运输工具。随着高层建筑的快速发展，电梯的需求量越来越大，高性能的电梯技术提高了人们的工作效率和生活体验。电梯属于特种设备，在使用过程中必须保障其安全性能，同时也需要满足舒适性、节能环保、噪声低等方面的需求，但是目前电磁式曳引电梯制动器存在一些缺点如机械磨损、振动冲击、噪音高等。磁流变液是一种新型智能材料，是由具有导磁性的磁性颗粒通过添加剂分散溶于非导磁性基础液中形成的悬浮液。在受到外加磁场作用下，具有高剪切屈服应力，并且受到磁场强度增强而增强，而无外加磁场作用时，在几毫秒内恢复原本低粘度的状态，具有转换变化过程迅速可逆。根据磁流变效应的特性，近年来磁流变液被广泛应用于新型制动器的研究，并且具有了良好的应用前景，将磁流变技术应用于曳引电梯制动器具有创新性与可行性。

目前，磁流变制动器大多为盘式制动器（例如详见中国专利CN201310393903.6，美国专利US20120211315 A1），利用磁流变液填充于定子与转子之间，通过均匀作用于磁流变液间隙的磁场使得磁流变液产生剪切屈服应力，从而产生制动力矩。在原磁流变曳引电梯制动器中（详见中国专利CN201310420595.1，名称为“基于磁流变效应的电梯曳引离合制动系统及其方法和装置”），磁流变制动器装置采用双线圈结构设计的制动器，根据电梯制动器使用情况，需要考虑紧急情况下电梯的安全，本专利加入了永磁体装置，以保证在紧急情况下，磁流变制动器也具有制动力矩。同时，在原有磁流变制动器中，没有设计冷却液散热流道，制动器在制动过程中，由机械能转换为热能，导致磁流变液温度升高，所以冷却散热是必须的。根据中国专利CN203702929U，名称为“一种水冷式磁流变制动器”，利用在两侧端盖上加工出水槽，通过水循环进行散热，但是由于冷却液流道与磁流变液距离较大，在进行制动过程中，磁流变液还是处于较高温度，冷却效果并不理想，在本磁流变制动器中，加入内部冷却液流道进行冷却液散热，具有更好的冷却换热效果。

技术实现要素：

发明的目的在于提供一种基于磁流变效应的具有自动保护功能的电梯制动装置，它具有激励电流小，线圈发热低、制动力矩大、低速制动性能好、制动力矩可控性好、结构简单、自动保护的永磁体结构、冷却液流道的特点。

为实现上述目的，本发明的技术方案在于：一种基于磁流变效应的具有自动保护功能的电梯制动装置，包括转子总成及定子总成，转子总成通过轴承固定于定子总成上，所述转子总成包括制动轴及旋转套筒；所述定子总成包括转动轴端盖、励磁结构、外侧端盖-永磁体、永磁体结构以及底座；励磁结构一侧与外侧端盖-永磁体固定连接，另一侧与转动轴端盖固定连接，并与转子总成的旋转套筒形成间隙；永磁体结构通过轴承与转子总成接触，并且通过外侧端盖-永磁体固定于定子总成上；所述转动轴端盖外侧设置有进出口水端端盖；所述转子总成与定子总成之间填充磁流变液。

进一步的，所述旋转套装包括旋转套筒-上、旋转套筒-中、旋转套筒-下；旋转套筒-中一端、旋转套筒-下一端分别开设有进液孔；3个套筒依次嵌套；冷却液通过进出口水端端盖的进水口，流经制动轴内部；通过旋转套筒-中的进液孔到达旋转套筒-上与旋转套筒-中间隙，进行冷却换热，之后通过旋转套筒-中与旋转套筒-下间隙，通过旋转套筒-下的进液孔流入制动轴；最后经过进出口水端端盖的出水口流出。

进一步的，励磁结构包括两组沿轴向分布的励磁线圈结构、励磁线圈结构包括励磁线圈、磁轭-中、隔磁环、磁轭-侧；所述励磁线圈设置于磁轭-中，励磁线圈外侧与磁轭-侧连接，励磁线圈底部与隔磁环上端连接；一磁轭-侧与转动轴端盖固定连接，另一磁轭-侧与外侧端盖-永磁体固定连接；磁轭-中底部、磁轭-侧底部、隔磁环另一端与旋转套筒形成间隙；该间隙填充有磁流变液；两个励磁线圈绕线方式相反，使得两个励磁线圈产生的磁场互相叠加，磁力线环绕着励磁线圈，同时绕过隔磁环，使得磁感线穿过磁流变液和旋转套筒，磁感线在励磁线圈周围，并且绕过隔磁环穿过磁流变液，形成闭合的磁感线回路，穿过磁流变液的磁感线，导致磁流变液产生磁流变效应，进而使磁流变液发生磁流变效应进而产生制动力矩；通过控制通入励磁线圈的电流，控制励磁线圈所产生的磁场强度，进而控制制动器的制动力矩。

进一步的，所述永磁体结构包括永磁体-缸体、永磁体-导向环、永磁体-外侧端盖、永磁体-进气圆筒、导向滑块、永磁体-轴承端盖、永磁体-移动端盖、永磁体-移动套、永磁体、及复位弹簧；

永磁体-缸体及永磁体-导向环通过固定于外侧端盖-永磁体上；永磁体-缸体两侧分别连接永磁体-外侧端盖和永磁体-轴承端盖；永磁体-轴承端盖通过轴承与制动轴连接；永磁体-外侧端盖与永磁体-进气圆筒连接；所述永磁体-移动套上固定有永磁体；复位弹簧一端与永磁体-外侧端盖连接，另一端与永磁体-移动套连接；永磁体、永磁体-移动端盖及永磁体-移动套构成一个活塞，永磁体-移动端盖与及永磁体-移动套相连接；永磁体-移动套通过移动密封圈与永磁体-进气圆筒接触；通过将压缩空气通入永磁体-进气圆筒，将活塞往永磁体-外侧端盖移动，此时永磁体产生的磁场不会作用于磁流变液，当切断通入永磁体-进气圆筒的压缩空气，永磁体活塞将由弹簧进行复位，永磁体的磁场通过永磁体-缸体作用于磁流变液上，进而产生制动力矩。

进一步的，所述的外侧端盖-永磁体与永磁体-缸体连接；连接处设置有一压力弹簧；压力弹簧一端与外侧端盖-永磁体连接，压力弹簧另一端与压力补偿环一端连接；压力补偿环另一端与旋转套筒连接；外侧端盖-永磁体与压力补偿环、压力弹簧组成压力补偿装置。

进一步的，所述永磁体结构由4块充磁方向相反的永磁体组成，分别为2对充磁方向相反的钕铁硼永磁体材料。

一种基于磁流变效应的具有自动保护功能的电梯制动方法，提供一上述的基于磁流变效应的具有自动保护功能的电梯制动装置，所述磁流变制动装置的制动轴通过联轴器与蜗杆相连接，所述蜗杆通过联轴器与电机相连接，所述电梯制动系统由控制器进行控制，所述控制器输入多路信号，包括电机过热信号、编码器信号、磁流变液温度信号、速度信号、限位开关信号、断电信号及其他信号；所述控制器输出四路信号，第一路的电机控制信号通过电机驱动器对电机进行转速控制；第二路的压缩机控制信号通过控制空气压缩机的气压对永磁体进行位置控制；第三路励磁线圈控制信号通过控制输入直流电源的电流，将直流电源输入励磁线圈对磁流变曳引电梯制动装置制动力矩进行控制；第四路的冷却液循环控制信号通过控制冷却装置的水泵冷却液流速，控制水泵将冷却液流入进出水口端端盖，通过冷却液流道对磁流变曳引电梯制动装置进行冷却换热以控制磁流变液的温度。

进一步的，电流通过励磁线圈产生了环绕在励磁线圈磁场，由于励磁线圈的电流方向相反，使励磁线圈所产生的磁场方向相反，磁场相互叠加；磁场穿过磁流变液，使磁流变液发生磁流变效应，磁流变液的表观粘度发生了变化，在磁场强度达到某一临界值时，磁流变液停止流动而达到固化，具有一定的抗剪切能力，通过磁致剪切应力作用在旋转套筒-上，达到制动的效果；

压缩空气由空气压缩机产生并通过永磁体-进气圆筒进入永磁体结构中，将永磁体向旋转套筒外侧移动；此时永磁体产生的磁场通过永磁体-缸体，不对磁流变液造成影响，当遇到紧急情况时，由所述控制器关闭空气压缩机的输入，永磁体结构在复位弹簧的压力下向旋转套筒内部移动，此时永磁体产生的磁场通过永磁体-缸体穿过磁流变液和旋转套筒-下，由永磁体磁场引起的磁致剪切应力作用在旋转套筒-下，达到制动的效果。

进一步的，所述直流电源由电梯电源经过整流器产生。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、在本磁流变曳引电梯制动装置中，采用了永磁体与普通励磁线圈相结合的结构。在正常运行情况下，根据控制励磁线圈电流来控制制动器的制动力矩，在紧急情况下，通过切断进入永磁体-进气圆筒的压缩空气，可以使永磁体在复位弹簧的压力下，往磁流变液方向移动，从而实现永磁体的磁场作用于磁流变液进而产生制动力矩达到制动的效果。

2、在本磁流变曳引电梯制动装置中，采用内部冷却液流道进行散热。冷却液由进出口端端盖上的进水口流入制动器，通过制动轴内部独特设计的流道将冷却液输送到旋转套筒上，并通过冷却换热的方式将制动过程中磁流变液产生的热量带走，最后冷却液通过出口流道流出。通过以上散热方式，可以使磁流变液保持在较低的温度范围内，使其具有良好的控制性能和稳定性能。

3、利用磁流变效应代替了原有机械式制动器，磁流变液可以在几毫秒内由牛顿流体变成具有高剪切屈服应力的类固体，使得磁流变液曳引电梯制动装置具有响应时间短，通过控制励磁线圈的电流进而控制磁流变液的剪切屈服应力来达到控制制动力矩的目的，使本制动装置控制简单可靠。磁流变液在制动过程中属于流体制动，没有传统曳引制动的高噪声，机械磨损以及冲击大，其具有制动力矩平稳且连续可调，易于控制，制动冲击小，噪声小，能量消耗低等特点。磁流变曳引电梯制动装置的励磁线圈采用双线圈结构，具有磁感应强度大，在磁流变液间隙分布较均匀。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例的左视图。

图3为冷却液通道流向示意图。

图4为永磁体充磁方向示意图。

图5为励磁装置磁力线分布示意图。

图6为永磁体装置压缩空气流动示意图。

图7为基于本发明的曳引电梯磁流变制动系统的原理图。

其中：1.O型密封圈；2.永磁体-缸体；3.永磁体-导向环；4.导向滑块；5.永磁体-外侧端盖；6永磁体；7.永磁体-移动端盖；8.永磁体-移动套；9.内六角螺栓；10.永磁体-进气圆筒；11.复位弹簧；12.内六角螺栓；13.移动密封圈；14.内六角螺栓；15.永磁体-轴承端盖；16.磁流变液；17.底座；18.O型密封圈；19.紧定螺钉；20. 紧定螺钉；21.普通平键；22.制动轴；23.旋转密封；24.进出水口端端盖；25.轴承6011；26.唇形密封圈；27.轴承16010；28.旋转套筒-下；29.旋转套筒-中；30.旋转套筒-上；31.转动轴端盖；32.内六角螺栓；33.励磁线圈；34.磁轭-中；35.隔磁环；36.磁轭-侧；37.外侧端盖-永磁体；38.外六角螺塞；39.O型密封圈；40.压力补偿环；41.压力弹簧；42.内六角螺栓；43.进水口；44.出水口；45.电机；46.轿厢；47.平层速度检测继电器型号；48.电机过热信号；49.编码器信号；50.断电保护信号；51.限位继电器信号；52.电机驱动器；53.控制器；54.其他信号；55.制动装置磁流变液温度信号；56.直流电源；57.整流器；58.电梯电源；59.磁流变曳引电梯制动装置；60.空气压缩机；61.冷却装置；62.温度传感器；63.对重；64.蜗杆；65.蜗轮；66.联轴器。

具体实施方式

结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。

本发明提供一种基于磁流变效应的具有自动保护功能的电梯制动装置，包括转子总成及定子总成，转子总成通过轴承固定于定子总成上，所述转子总成包括制动轴及旋转套筒；所述定子总成包括转动轴端盖、励磁结构、外侧端盖-永磁体、永磁体结构以及底座；励磁结构一侧与外侧端盖-永磁体固定连接，另一侧与转动轴端盖固定连接，并与转子总成的旋转套筒形成间隙；永磁体结构通过轴承与转子总成接触，并且通过外侧端盖-永磁体固定于定子总成上；所述转动轴端盖外侧设置有进出口水端端盖；所述转子总成与定子总成之间填充磁流变液。

如图1所示，本发明具有自动保护功能的磁流变电梯制动装置，包括了制动轴22、旋转套筒-下28、旋转套筒-中29、旋转套筒-上30、转动轴端盖31、进出水口端端盖24、磁轭-侧36、磁轭-中34、隔磁环35、外侧端盖-永磁体37、压力补偿环40、压力弹簧41、永磁体-外侧端盖5、永磁体-缸体2、永磁体-导向环3、导向滑块4、永磁体-进气圆筒10、永磁体-轴承端盖15、复位弹簧11、永磁体6、永磁体-移动端盖7、永磁体-移动套8、底座17。其中，旋转套筒-下28、旋转套筒-中29、旋转套筒-上30与制动轴22组成转子总成。转子总成通过轴承固定于定子总成上，定子总成由进出水口端端盖24、转动轴端盖31、励磁装置、外侧端盖-永磁体37、压力补偿环40、弹簧41、永磁体结构、底座17组成。其中，励磁线圈由励磁线圈33、磁轭-中34、隔磁环35、磁轭-侧36组成，通过外侧端盖-永磁体37与转动轴端盖31固定，并与转子总成的旋转套筒形成间隙，进行填充磁流变液16。永磁体结构由永磁体-缸体2、永磁体-导向环3、永磁体-外侧端盖5、导向滑块4、永磁体-轴承端盖15、永磁体-移动端盖7、永磁体-移动套8、永磁体6、弹簧11组成，永磁体结构通过轴承27与转子总成接触，并且通过外侧端盖-永磁体37固定于定子总成上。

如图1所示，制动装置上设有4个外六角螺塞37，具有注液孔与排气孔的功能。制动器安装完毕后，可以取出外六角螺塞37，将磁流变液16均匀的填充在定子总成与转子总成的间隙中。

由两个励磁线圈33置于磁轭-中34，外侧接有两个磁轭-侧36，以及两个隔磁环35组成励磁装置，并通过内六角螺栓分别与转动轴端盖31和外侧端盖-永磁体37进行固定，通过两个绕线方式相反的励磁线圈33，使得两个励磁线圈33产生的磁场互相叠加，磁力线环绕着励磁线圈33，同时绕过隔磁环35，使得磁感线穿过磁流变液16和旋转套筒-上30，如图5所示，磁感线在励磁线圈33周围，并且绕过隔磁环35穿过磁流变液16，形成闭合的磁感线回路，穿过磁流变液16的磁感线，导致磁流变液16产生磁流变效应，进而使磁流变液16发生磁流变效应进而产生制动力矩。

永磁体结构，外部由永磁体-缸体2以及永磁体-导向环3通过内六角螺栓14固定于外侧端盖-永磁体37上，永磁体-缸体2两侧通过内六角螺栓分别连接永磁体-外侧端盖5和永磁体-轴承端盖15，永磁体-轴承端盖15通过轴承27与制动轴22连接，永磁体-外侧端盖5通过内六角螺栓9与永磁体-进气圆筒10连接，内部由永磁体6、永磁体-移动端盖7及永磁体-移动套8构成一个活塞，永磁体-移动端盖7通过内六角螺栓9与及永磁体-移动套8相连接，并通过移动密封圈13与永磁体-进气圆筒10接触，通过将压缩空气通入永磁体-进气圆筒10，将永磁体活塞往永磁体-外侧端盖5移动，此时永磁体产生的磁场不会作用于磁流变液16，当切断通入永磁体-进气圆筒10的压缩空气，永磁体活塞将由弹簧11进行复位，永磁体的磁场通过永磁体-缸体2作用于磁流变液16上，进而产生制动力矩，以达到自动保护的功能。如图4所示，永磁体分为4块，分别为2对充磁方向相反的钕铁硼永磁体材料，该方案可以保证磁流变液间隙具有较高的磁感应强度，以及较均匀的磁场强度分布。

如图1所示，在外侧端盖-永磁体37，通过6个弹簧41与压力补偿环40，以及永磁体-缸体2形成一个密闭容腔，当磁流变液16在工作过程中，由于离心力以及热膨胀作用产生压力时，可以进行压力补偿，提高制动过程的平稳性，保证装置的可靠性。

如图3所示，根据磁流变液16在制动过程中，制动装置将机械能转化为热能，导致磁流变液温度升高，磁流变液材料的工作温度范围为-40℃到150℃。冷却液由进水口43通入，通过进出口水端端盖24，流经制动轴22内部进水端冷却液流道到达旋转套筒-上30与旋转套筒-中29间隙，进行冷却换热，之后通过旋转套筒-中29与旋转套筒-下28间隙，流入制动轴22内部出水端冷却液流道经过进出口水端端盖24，由出水口44流出，在制动轴上设有紧定螺钉19、紧定螺钉20以及防水胶以达到密封的作用。设有冷却液流道，可以保证在制动过程中，磁流变液16可以保持在较低的工作范围内，保证磁流变液16具有良好的磁流变效应，以及制动装置具有更高的稳定性。

本发明还提供一种基于磁流变效应的具有自动保护功能的电梯制动方法， 控制原理如图7所示。其包括上述的基于磁流变效应的具有自动保护功能的电梯制动装置，所述磁流变制动装置59的制动轴22通过联轴器66与蜗杆64相连接，所述蜗杆64通过联轴器66与电机45的输出轴相连接，所述蜗杆64与蜗轮65相连接组成并与蜗轮65上的曳引轮组成电梯曳引机构，所述蜗轮66带动轿厢46和对重63进行上下运动，所述控制器53采集电梯信息，包括了由电机45信息输入的电机过热信号48，编码器信号49，平层速度检测继电器型号47，断电保护信号50，限位继电器信号51，由磁流变曳引电梯制动装置59上的温度传感器62采集的制动装置磁流变液温度信号55，以及其他信号54，并通过控制器53进行控制，所述控制器53输出四路信号，即第一路的电机控制信号通过电机驱动器52对电机45进行转速控制；第二路的压缩机控制信号通过控制空气压缩机60的气压对永磁体6进行位置控制；第三路励磁线圈控制信号通过控制输入直流电源56的电流，将直流电源输入励磁线圈33对磁流变曳引电梯制动装置59制动力矩进行控制，所述直流电源56由电梯电源58经过整流器57产生；第四路的冷却液循环控制信号通过控制冷却装置61的水泵冷却液流速，控制水泵将冷却液流入进出水口端端盖24，通过图3的冷却液流道对磁流变曳引电梯制动装置59进行冷却换热以控制磁流变液16的温度。

工作原理：

电流通过励磁线圈33产生了环绕在励磁线圈33的磁场，由于励磁线圈33的电流方向相反，使励磁线圈33所产生的磁场方向相反，磁场相互叠加，如图5所示，磁场穿过磁流变液16，使磁流变液16发生磁流变效应，磁流变液16的表观粘度发生了巨大的变化，在磁场强度达到某一临界值时，磁流变液16停止流动而达到固化，具有一定的抗剪切能力，通过磁致剪切应力作用在旋转套筒-上30，达到制动的效果。

压缩空气由空气压缩机60产生并通过永磁体-进气圆筒10进入永磁体结构中，将永磁体6向旋转套筒外侧移动，如图6所示，此时永磁体6产生的磁场通过永磁体-缸体2，不对磁流变液16造成影响，当遇到紧急情况时，如控制器53采集到断电保护信号50，电机过热信号48等需要采取紧急制动时，由所述控制器53关闭空气压缩机60的输入，永磁体结构在复位弹簧11的压力下向旋转套筒内部移动，此时永磁体6产生的磁场通过永磁体-缸体2穿过磁流变液16和旋转套筒-下28，由永磁体6磁场引起的磁致剪切应力作用在旋转套筒-下28，达到制动的效果。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。