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双绕组混合励磁制动器

阅读：0发布：2020-11-28

专利汇可以提供双绕组混合励磁制动器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且双绕组混合励磁制动器，属于电磁机构技术领域，本发明为解决现有电磁式制动器存在制动转矩低；剩磁现象响应速度低；可靠性低的问题。本发明所述双绕组混合励磁制动器包括制动器衔铁、外铁心、永磁体、内铁心、内绕组、外绕组、固定件和多根支撑弹簧，外铁心和内铁心为截面为L形的同轴部件，外铁心的L形的底部沿径向向内，内铁心的L形的底部沿径向向外，沿轴向的外铁心的底部和内铁心之间设置有永磁体，外铁心和内铁心围成向上开口的环形区域，该环形区域内设置有内绕组和外绕组，制动器衔铁是与外铁心同轴设置的圆环结构，制动器衔铁的圆环端面是面向环形区域的开口设置，制动器衔铁通过多根支撑弹簧固定在固定件上，固定件固定在电机轴承上。，下面是双绕组混合励磁制动器专利的具体信息内容。

权利要求

1.双绕组混合励磁制动器，其特征在于，它包括制动器衔铁（1-1）、外铁心（1-2）、永磁体（1-3）、内铁心（1-4）、内绕组（1-6）、外绕组（1-7）、固定件（1-8）和多根支撑弹簧（1-5），外铁心（1-2）和内铁心（1-4）为截面为L形的同轴部件，外铁心（1-2）的L形的底部沿径向向内，内铁心（1-4）的L形的底部沿径向向外，沿轴向的外铁心（1-2）的底部和内铁心（1-4）之间设置有永磁体（1-3），外铁心（1-2）和内铁心（1-4）围成向上开口的环形区域，该环形区域内设置有内绕组（1-6）和外绕组（1-7），
制动器衔铁（1-1）是与外铁心（1-2）同轴设置的圆环结构，制动器衔铁（1-1）的圆环端面是面向环形区域的开口设置，制动器衔铁（1-1）通过多根支撑弹簧（1-5）固定在固定件（1-8）上，固定件（1-8）固定在电机轴承上。
2.根据权利要求1所述双绕组混合励磁制动器，其特征在于，内绕组（1-6）和外绕组（1-7）沿轴向或径向并列设置。
3.根据权利要求2所述双绕组混合励磁制动器，其特征在于，内绕组（1-6）
和外绕组（1-7）沿径向并列设置时，内绕组（1-6）和外绕组（1-7）满足条件
，其中：为内绕组（1-6）的线径，为外绕组（1-7）的线径；为内绕组（1-6）平均每匝长度，为外绕组（1-7）平均每匝长度。
4.根据权利要求2所述双绕组混合励磁制动器，其特征在于，内绕组（1-6）和外绕组（1-7）沿轴向并列设置时，内绕组（1-6）和外绕组（1-7）满足条件，其中：为内绕组（1-6）的线圈匝数；为外绕组（1-7）的线圈匝数。

说明书全文

双绕组混合励磁制动器

技术领域

[0001] 本发明涉及用于空间机械臂的双绕组混合励磁制动器，属于电磁机构技术领域。

背景技术

[0002] 空间机械臂可以代替宇航员在太空工作，如空间站的搭建与维护，卫星的释放与回收等。当机械臂发生失电故障时，工作中的机械臂由于自身惯性和臂杆重力影响，不能立即停止运动，从而机械臂将会对宇航员或设备仪器造成伤害。因此在空间机械臂技术中，机械臂失电保护问题已成为关注的热点问题。

[0003] 目前国内外机械臂中大多采用电磁式制动器，现有的电磁式制动器，在励磁线圈失电后由弹簧压缩衔铁，衔铁和摩擦盘作用产生制动转矩。由于弹簧压力作用面积有限，因此制动转矩不大。

[0004] 现有制动器工作有两个工作状态：通电保持状态和断电制动状态。如果制动器中绕组发生故障，制动器将由通电保持状态转换到断电制动状态，制动器阻止关节中驱动电机运动，从而影响机械臂的正常工作，导致空间机械臂的可靠性差。

[0005] 电磁式制动器由于有剩磁现象的影响，当剩磁现象明显时，励磁绕组失电后，制动器不能迅速进入制动状态。因此剩磁现象的存在将影响空间机械臂及其周围设备的安全。

[0006] 现有的电磁式制动器主要有以下不足：相同体积制动转矩低；剩磁现象影响制动器响应速度甚至制动失败；制动器可靠性低等问题。

发明内容

[0007] 本发明目的是为了解决现有电磁式制动器存在的相同体积制动转矩低；剩磁现象影响制动器响应速度甚至制动失败；制动器可靠性低的问题，提供了一种双绕组混合励磁制动器。

[0008] 本发明所述双绕组混合励磁制动器，它包括制动器衔铁、外铁心、永磁体、内铁心、内绕组、外绕组、固定件和多根支撑弹簧，外铁心和内铁心为截面为L形的同轴部件，外铁心的L形的底部沿径向向内，内铁心的L形的底部沿径向向外，沿轴向的外铁心的底部和内铁心之间设置有永磁体，外铁心和内铁心围成向上开口的环形区域，该环形区域内设置有内绕组和外绕组，
制动器衔铁是与外铁心同轴设置的圆环结构，制动器衔铁的圆环端面是面向环形区域的开口设置，制动器衔铁通过多根支撑弹簧固定在固定件上，固定件固定在电机轴承上。

[0009] 本发明的优点：本发明所述双绕组混合励磁制动器由永磁体和励磁绕组同时作用，通过改变两个磁场的作用方式来完成制动器制动状态和保持状态的转换。混合励磁制动器相同体积可以提供更大的制动转矩，并且不存在因剩磁现象而造成的制动失灵问题。双绕组的设计提高了制动器的可靠性，使得当一套绕组发生故障时，另一套绕组可以独立承担工作任务，而不影响系统整体性能。制动器的两套绕组采用合理的设计，保证的两套绕组切换后，制动性能没有明显差异。
附图说明

[0010] 图1是本发明所述双绕组混合励磁制动器的本体结构示意图，内外绕组沿径向并列设置；图2是本发明所述双绕组混合励磁制动器的本体结构示意图，内外绕组沿轴向并列设置；
图3是双绕组混合励磁制动器的控制电路图。

具体实施方式

[0011] 具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述双绕组混合励磁制动器，它包括制动器衔铁1-1、外铁心1-2、永磁体1-3、内铁心1-4、内绕组1-6、外绕组1-7、固定件1-8和多根支撑弹簧1-5，外铁心1-2和内铁心1-4为截面为L形的同轴部件，外铁心1-2的L形的底部沿径向向内，内铁心1-4的L形的底部沿径向向外，沿轴向的外铁心1-2的底部和内铁心1-4之间设置有永磁体1-3，外铁心1-2和内铁心1-4围成向上开口的环形区域，该环形区域内设置有内绕组1-6和外绕组1-7，
制动器衔铁1-1是与外铁心1-2同轴设置的圆环结构，制动器衔铁1-1的圆环端面是面向环形区域的开口设置，制动器衔铁1-1通过多根支撑弹簧1-5固定在固定件1-8上，固定件1-8固定在电机轴承上。

[0012] 为了解决空间机械臂中制动器绕组故障所造成的可靠性差的问题，实施方式所述双绕组混合励磁制动器采用冗余设计，设置了内绕组1-6和外绕组1-7两套绕组。两套绕组工作于冷备份状态，当一套绕组出现故障时，切换到另一套绕组替代工作，而不影响系统的整体性能。

[0013] 双绕组混合励磁制动器根据电磁铁原理，通过励磁绕组（内绕组1-6或外绕组1-7）和永磁体1-3产生的磁场的单独作用和共同作用实现制动器工作状态的转换，制动器本体结构图如图1或图2所示。制动器工作有两个工作状态：通电保持状态和断电制动状态。

[0014] 控制电路如图3所示。控制装置2-2对交流电源2-1进行PWM变换产生释放衔铁分离的电压U1和制动器处于保持状态的电压U2，保证了机械臂可以从故障中恢复的快速性。

[0015] 当空间机械臂正常工作时，制动器励磁绕组通电，其产生的磁场抵消掉永磁体1-3产生的磁场，制动器衔铁1-1在支撑弹簧1-5的作用下与外铁心1-2和内铁心1-4的端面分离，制动器处于保持状态。当空间机械臂发生断电故障时，励磁绕组产生的磁场消失，制动器衔铁1-1在永磁体1-3的磁场作用下产生电磁吸力，制动器衔铁1-1的摩擦面与外铁心1-2和内铁心1-4的上表面吸合，进入制动状态。根据麦克斯韦吸力计算公式，可以得到制动器衔铁1-1所受到的电磁吸力为：（1）
其中为气隙处磁感应强度，所述气隙是指制动器衔铁1-1与外铁心1-2和内铁心1-4的端面之间的气隙，为接触面积，为气隙磁通，为空气磁导率。

[0016] 在电磁吸力作用下，制动器衔铁1-1的圆环端面与外铁心1-2和内铁心1-4的端面摩擦，产生制动转矩，制动转矩对空间机械臂产生制动作用，制动转矩的大小为：（2）其中为电磁吸力，为摩擦有效直径，为制动器衔铁1-1的圆环端面与外铁心1-2和内铁心1-4的端面之间的摩擦系数。

[0017] 安装方式：制动器衔铁1-1通过支撑弹簧1-5相连与机械臂关节电机轴承一同旋转，内外铁心固定于机械臂中静止部件上，通过制动器衔铁1-1摩擦面与外铁心1-2和内铁心1-4的端面摩擦产生制动转矩。

[0018] 具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，内绕组1-6和外绕组1-7沿轴向或径向并列设置。

[0019] 内绕组1-6和外绕组1-7沿径向并列设置时，如图1所示，内绕组1-6和外绕组1-7满足条件，其中：为内绕组1-6的线径，为外绕组1-7的线径；为内绕组
1-6平均每匝长度，为外绕组1-7平均每匝长度。

[0020] 图1所示的结构适用于轴向空间具有尺寸限制的机械臂中，两套绕组采用并列排布绕制方式，为了保证内绕组1-6和外绕组1-7具有相同的制动性能，绕组参数需要合理的设计，绕组的合理设计体现在绕组参数中的匝数及线径选择上，两套绕组独立工作时产生的制动效果相等，即保持两套绕组产生的磁动势相等。因此需保证：（3）
其中（4）
（5）将公式（4）和公式（5）代入公式（3）中并整理后为：
（6）公式（3）至公式（5）中参数说明：
为内绕组1-6线圈的匝数；
为外绕组1-7线圈的匝数；
为内绕组1-6或外绕组1-7的端电压，内绕组1-6和外绕组1-7并联，二者的端电压相等，制动器衔铁1-1与铁心分离时， =U1，保持状态时， =U2；
为内绕组1-6线圈的等效电阻值；
为外绕组1-7线圈的等效电阻值；
为电阻率；
为内绕组1-6的线径；
为外绕组1-7的线径；
为内绕组1-6平均每匝长度；
为外绕组1-7平均每匝长度。

[0021] 内绕组1-6和外绕组1-7沿轴向并列设置时，如图2所示，内绕组1-6和外绕组1-7满足条件，其中：为内绕组1-6的线圈匝数；为外绕组1-7的线圈匝数。

[0022] 图2所示的结构适用于径向空间具有尺寸限制的机械臂中，两套绕组采用上下排列绕制方式，为了保证两套绕组对制动器整体具有相同的影响，两套绕组应满足：。

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