一种低发热失电制动器

1.本发明涉及机电技术领域，具体涉及一种低发热失电制动器，该制动器尤其适用于天文望远镜等对发热和温升敏感的领域。

背景技术：

2.大型地基天文望远镜在观测时通过跟踪轴系的运动来跟踪天体，从安全考虑，跟踪轴系需要配备失电制动器进行刹车制动。望远镜的一次观测可以持续数小时，需要失电制动器长期通电。实践表明，传统失电制动器的热功率可达35瓦到数百瓦，失电制动器在长期通电时的温升可达40℃到80℃。失电制动器的温升会加热周围空气和结构、影响镜筒视宁度、引发结构热变形，最终可能影响望远镜的观测效果，所以必须降低失电制动器的热功率和温升。
3.传统失电制动器的基本原理是采用电磁铁在通电时吸引衔铁、放松制动盘，在失电时依靠弹簧压紧衔铁、进而压紧制动盘进行制动。电磁铁是失电制动器的核心元件，失电制动器的制动扭矩虽然来源于压紧弹簧，但是制动扭矩的大小与电磁铁的吸力大小有关，而电磁铁的吸力与发热功率直接相关。
4.失电制动器的温升主要由发热功率和散热功率决定。降低失电制动器的温升主要有2条途径：1、降低发热功率。2、增加散热功率。对于第1条途径，受限于物理规律，传统失电制动器因电磁铁的吸力与发热功率强相关，发热功率降低的幅度有限。对于第2条途径，增加散热功率需要采用结构尺寸较大的翅片式散热结构、液冷或者热管散热系统等，若散热系统的传热距离不远，仍会将热量散发到周围空气和结构中，依旧影响镜筒视宁度和引发结构热变形。

技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种低发热失电制动器，本制动器尤其适用于天文望远镜等对发热和温升敏感的领域。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种低发热失电制动器，包括电磁铁、底座、钢球、制动弹簧、后衔铁、复位弹簧、推力盘、摩擦盘、目标轴，摩擦盘通过花键副安装于目标轴上，制动弹簧设置于底座和推力盘之间，用于提供推力盘到摩擦盘的压紧力以形成制动扭矩，所述底座的上部开有径向导孔，导孔内放置钢球，所述钢球可以在导孔中沿孔的轴向自由滚动，底座导孔的内侧为推力盘，底座导孔的外侧为后衔铁，钢球的运动在底座的内侧受推力盘限制，在底座的外侧受后衔铁限制，后衔铁的内孔分为上、下两段，上段为后衔铁与底座配合的约束段，下段为用于防止后衔铁向上运动时钢球脱落的钢球防脱段，下段的孔径大于上段的孔径，所述推力盘设有轴向长槽；
8.通电待机时，在电磁铁的作用下，后衔铁向底座移动，后衔铁推动钢球沿导孔向底座的中心运动；当后衔铁贴紧底座时，后衔铁的约束段的下端面低于钢球的中心面，此时钢
球的向外运动被后衔铁的约束段锁定，钢球向内贴紧推力盘的轴向长槽，挡住推力盘的向下移动；
9.失电制动时，后衔铁在复位弹簧的弹力作用下远离底座，后衔铁的约束段的下端面高于导孔的轴线，钢球沿导孔向外运动，钢球对推力盘的阻挡消失，推力盘在制动弹簧的作用下压紧摩擦盘，从而对目标轴进行制动。
10.进一步的，所述复位弹簧提供失电后后衔铁的上升力，复位弹簧的上升力大于钢球与后衔铁的摩擦力，钢球和后衔铁的摩擦力与电磁铁长期通电的电磁力之和大于复位弹簧的上升力。
11.进一步的，通过使用不同弹力的复位弹簧，获得不同的降低热功率的效果。
12.进一步的，所述推力盘的上端设置有限位凸缘，在推力盘的上下运动范围内，限位凸缘的端部一直抵接于钢球，限位凸缘的端部一直高于钢球的中心。
13.进一步的，所述后衔铁的约束段的内表面为圆柱面或者上端直径小、下端直径大的圆台面；当后衔铁的约束段的内表面为圆台面时，通过改变圆台的母线与轴的角度，改变在失电时对复位弹簧弹性力的需求。
14.进一步的，还包括短暂延时断电继电器，所述电磁铁在通电初始阶段为全功率，通电后短暂延时断电继电器使电磁铁的电流降低，电磁铁在后续的通电阶段保持低功率状态。
15.进一步的，所述底座和推力盘在下部均设有导向段，底座的导向段为孔，推力盘的导向段为轴，底座和推力盘的导向段为间隙配合；所述后衔铁和底座在上部均设有导向段，后衔铁的导向段为孔，底座的导向段为轴，后衔铁和底座的导向段为间隙配合。
16.进一步的，还包括底板，所述底板固定，所述底座和推力盘均安装于底板上，所述目标轴活动穿设于底板，所述摩擦盘位于所述推力盘和底板之间，所述推力盘沿轴向压紧所述摩擦盘与底板时，作用于摩擦盘的摩擦扭矩通过花键副传递到目标轴，目标轴得到制动。
17.进一步的，还包括安装于底座上方的后罩、用于调整推力盘和底板之间间距的调整螺钉。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
19.本发明的失电制动器在长期通电时的功耗和热功率很小。例如，传统失电制动器的热功率达数十瓦，相同制动扭矩下，本发明的失电制动器的长期通电功耗和热功率可以降低一个数量级以上，尤其适用于天文望远镜等对发热和温升敏感的领域。
20.本发明的失电制动器的结构相对紧凑。在实现低发热、低温升时，不需要复杂的散热系统。
21.本发明的失电制动器的结构相对简单，运动可靠。
22.本发明的失电制动器易实现系列化、标准化。
附图说明
23.图1为低发热失电制动器的通电状态示意图。
24.图2为图1中a部分的放大结构示意图。
25.图3为低发热失电制动器的失电状态示意图。
26.图4为图3中b部分的放大结构示意图。
27.图中标记：1、底座；2、后罩；3、电磁铁；4、后衔铁；5、复位弹簧；6、钢球；7、制动弹簧；8、摩擦盘；9、推力盘；10、短暂延时断电继电器；11、调整螺钉；12、底板；13、目标轴。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
29.本实施例提供一种如图1到图4所示的低发热失电制动器。该低发热失电制动器包括底座1、后罩2、电磁铁3、后衔铁4、复位弹簧5、钢球6、制动弹簧7、摩擦盘8、推力盘9、短暂延时断电继电器10、调整螺钉11、底板12和目标轴13。
30.为便于阐述，约定方向：所述底板12位置为下，所述后罩2位置为上。
31.本实施例的所述底座1为圆柱形，如图1所示，底座1开有环形槽，在环形槽内安装所述电磁铁3，所述环形槽允许电磁铁3的磁场穿过底座的两个端面，所述磁场在底座1的下端面通过所述推力盘9闭合，所述磁场在底座1的上端面通过所述后衔铁4闭合。
32.所述底座1的上部开有3个径向导孔(径向导孔的数量不限定为3个，可以视具体情况而定)，每个径向导孔内放置一粒钢球6，所述钢球6可以在导孔中沿孔的轴向灵活滚动。底座导孔的内侧为所述推力盘9，底座导孔的外侧为所述后衔铁4。所述钢球6的运动在底座1的内侧受推力盘9限制，在底座1的外侧受后衔铁4限制。
33.本实施例的所述底座1和推力盘9在下部设有导向段，底座1为孔，推力盘9为轴，导向段为间隙配合。所述后衔铁4和底座1在上部设有导向段，后衔铁4为孔，底座1为轴，导向段为间隙配合。根据零件运动的灵活、可靠来确定配合间隙的大小。
34.本实施例的所述推力盘9的上端设置有限位凸缘，在推力盘9的上下运动范围内，限位凸缘的端部一直抵接于钢球6，限位凸缘的端部一直高于钢球6的中心。
35.本实施例的所述后衔铁4的内孔分为上、下两段：上段为后衔铁4跟底座1的配合段，该段的下部为约束段；下段为钢球6防脱段，其功能是防止在后衔铁4向上运动时所述钢球6发生脱落。
36.后衔铁的约束段的内表面为圆柱面或者上端直径小、下端直径大的圆台面，本实施例的所述后衔铁4的约束段的内表面为圆柱面，如图2、4所示。本实施例的所述后衔铁4的内孔上段的后衔铁4跟底座1的配合段以及内孔上段的下部的约束段直径相同。
37.本实施例的所述复位弹簧5为圆形薄片结构，复位弹簧5的自由位置为圆心和圆周共面。所述复位弹簧5的圆心连接所述底座1，所述复位弹簧5的圆周连接所述后衔铁4。当所述后衔铁4在电磁铁吸力的作用下贴紧所述底座1时，所述复位弹簧5的弹力向上，即弹力让后衔铁4远离所述底座1；当复位弹簧5位于自由位置时，所述后衔铁4的约束段的下端面高于所述导孔的轴线，所以此状态下钢球6沿导孔的向外运动不会被后衔铁4的约束段锁定；当所述后衔铁4在钢球6推力的作用下远离所述底座1时，所述复位弹簧5的弹力向下，即弹力将后衔铁4压向底座1。
38.本实施例的所述复位弹簧5可为其他弹簧类型，只是本实施例从结构紧凑出发将所述复位弹簧5选为圆形薄片结构。
39.本实施例的所述底板12固定，所述目标轴13即需要进行制动的旋转轴。
40.本实施例的所述摩擦盘8与所述目标轴13的中心有花键副，在花键副的约束下，摩
擦盘8不能绕所述目标轴13转动，只能沿所述目标轴13的轴向移动。
41.本实施例的所述摩擦盘8位于所述推力盘9和所述底板12之间。所述推力盘9沿轴向压紧所述摩擦盘8与所述底板12时，作用于摩擦盘8的摩擦扭矩通过花键副传递到目标轴13，目标轴13得到制动。
42.本实施例的所述制动弹簧7提供所述推力盘9到所述摩擦盘8的压紧力，最终形成制动扭矩。
43.本实施例的所述复位弹簧5提供失电时后衔铁4的上升力。复位弹簧5的上升力大于钢球6跟后衔铁4的摩擦力。钢球6跟后衔铁4的摩擦力加上电磁铁3长期通电的电磁力大于复位弹簧5的上升力。
44.本实施例的失电制动器通电后的动作为：在电磁铁的作用下，推力盘沿轴向向上移动，远离底板，原来作用于摩擦盘的摩擦扭矩消失，摩擦盘不受阻碍地跟随目标轴转动；后衔铁向底座移动，后衔铁的约束段下端面的内圆推动钢球沿导孔向底座的中心运动。在后衔铁贴紧底座时，后衔铁的约束段的下端面低于导孔的轴线，此时钢球的向外运动被后衔铁的约束段锁定。钢球贴向内紧推力盘，挡住推力盘的向下移动。本发明的电磁铁在通电初始阶段为全功率，通电后经过短暂时间，延时断电继电器将电磁铁的电流可以降低一个数量级以上，电磁铁在后续的长期通电阶段保持低功率状态。如图1、2所示。
45.本实施例的失电制动器失电后的动作为：后衔铁在复位弹簧的弹力作用下向上运动、远离底座，当后衔铁的约束段的下端面高于导孔的轴线时，钢球可以沿导孔向外运动，从而钢球对推力盘的阻挡消失，推力盘在制动弹簧的作用下压紧摩擦盘和底板，从而对目标轴进行制动。如图3、4所示
46.本实施例的延时断电继电器与长期供电线路并联。本实施例的电磁铁的励磁线路分为两部分，大部分励磁线路连接延时断电继电器，少部分励磁线路连接长期供电线路。通电后短时间内，电磁铁所有的励磁线圈全功率运行，经过几秒的延时后，延时断电继电器断开回路，连接延时断电继电器的线圈停止励磁，而连接长期供电线路的线圈持续励磁。本实施例的失电制动器在后续时间得以长期低功率待机运行。
47.本发明可以通过使用不同弹力的复位弹簧，改变后衔铁约束段圆台的母线与轴的角度、钢球直径、推力盘与钢球的接触点高度、后衔铁的约束段端面的高度等参数，获得不同的降低热功率的效果。
48.综上所述，本发明中底座的尾部开有径向导孔，钢球可以在导孔中沿底座的径向灵活滚动。在待机时，在电磁铁作用下，后衔铁贴紧底座、将钢球向内约束进而挡住推力盘。在失电制动时，后衔铁在复位弹簧的弹力作用下远离底座、释出钢球、撤销对推力盘的阻挡，推力盘在制动弹簧的作用下压紧摩擦盘和底板，从而对目标轴制动。本发明的电磁铁在待机初始阶段为全功率，而后经过短暂时间，延时断电继电器降低电磁铁的电流到很小值，电磁铁在后续的长期通电阶段保持低功率状态。本发明的显著优点是在长期通电时制动器的功耗低、热功率小，尤其适用于天文望远镜等对发热和温升敏感的领域。
49.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种低发热失电制动器，其特征在于，包括电磁铁、底座、钢球、制动弹簧、后衔铁、复位弹簧、推力盘、摩擦盘、目标轴，摩擦盘通过花键副安装于目标轴上，制动弹簧设置于底座和推力盘之间，用于提供推力盘到摩擦盘的压紧力以形成制动扭矩，所述底座的上部开有径向导孔，导孔内放置钢球，所述钢球可以在导孔中沿孔的轴向自由滚动，底座导孔的内侧为推力盘，底座导孔的外侧为后衔铁，钢球的运动在底座的内侧受推力盘限制，在底座的外侧受后衔铁限制，后衔铁的内孔分为上、下两段，上段为后衔铁与底座配合的约束段，下段为用于防止后衔铁向上运动时钢球脱落的钢球防脱段，下段的孔径大于上段的孔径，所述推力盘设有轴向长槽；通电待机时，在电磁铁的作用下，后衔铁向底座移动，后衔铁推动钢球沿导孔向底座的中心运动；当后衔铁贴紧底座时，后衔铁的约束段的下端面低于钢球的中心面，此时钢球的向外运动被后衔铁的约束段锁定，钢球向内贴紧推力盘的轴向长槽，挡住推力盘的向下移动；失电制动时，后衔铁在复位弹簧的弹力作用下远离底座，后衔铁的约束段的下端面高于导孔的轴线，钢球沿导孔向外运动，钢球对推力盘的阻挡消失，推力盘在制动弹簧的作用下压紧摩擦盘，从而对目标轴进行制动。2.根据权利要求1所述的低发热失电制动器，其特征在于，所述复位弹簧提供失电后后衔铁的上升力，复位弹簧的上升力大于钢球与后衔铁的摩擦力，钢球和后衔铁的摩擦力与电磁铁长期通电的电磁力之和大于复位弹簧的上升力。3.根据权利要求2所述的低发热失电制动器，其特征在于，通过使用不同弹力的复位弹簧，获得不同的降低热功率的效果。4.根据权利要求2所述的低发热失电制动器，其特征在于，所述推力盘的上端设置有限位凸缘，在推力盘的上下运动范围内，限位凸缘的端部一直抵接于钢球，限位凸缘的端部一直高于钢球的中心。5.根据权利要求1所述的低发热失电制动器，其特征在于，所述后衔铁的约束段的内表面为圆柱面或者上端直径小、下端直径大的圆台面；当后衔铁的约束段的内表面为圆台面时，通过改变圆台的母线与轴的角度，改变在失电时对复位弹簧弹性力的需求。6.根据权利要求1所述的低发热失电制动器，其特征在于，还包括短暂延时断电继电器，所述电磁铁在通电初始阶段为全功率，通电后短暂延时断电继电器使电磁铁的电流降低，电磁铁在后续的通电阶段保持低功率状态。7.根据权利要求1所述的低发热失电制动器，其特征在于，所述底座和推力盘在下部均设有导向段，底座的导向段为孔，推力盘的导向段为轴，底座和推力盘的导向段为间隙配合；所述后衔铁和底座在上部均设有导向段，后衔铁的导向段为孔，底座的导向段为轴，后衔铁和底座的导向段为间隙配合。8.根据权利要求1所述的低发热失电制动器，其特征在于，还包括底板，所述底板固定，所述底座和推力盘均安装于底板上，所述目标轴活动穿设于底板，所述摩擦盘位于所述推力盘和底板之间，所述推力盘沿轴向压紧所述摩擦盘与底板时，作用于摩擦盘的摩擦扭矩通过花键副传递到目标轴，目标轴得到制动。9.根据权利要求1所述的低发热失电制动器，其特征在于，还包括安装于底座上方的后罩、用于调整推力盘和底板之间间距的调整螺钉。

技术总结

本发明公开了一种低发热失电制动器。该失电制动器包括电磁铁、底座、钢球、制动弹簧、后衔铁、复位弹簧、推力盘、摩擦盘、目标轴。通电待机时，电磁铁使后衔铁向底座移动，后衔铁推动钢球沿导孔向底座的中心运动，当后衔铁的约束段的下端面低于钢球的中心面时，钢球的向外运动被后衔铁的约束段锁定，钢球向内贴紧推力盘，挡住推力盘的向下移动；失电制动时，后衔铁在复位弹簧的弹力作用下远离底座，后衔铁的约束段的下端面高于导孔的轴线，钢球沿导孔向外运动，钢球对推力盘的阻挡消失，推力盘在制动弹簧的作用下压紧摩擦盘，从而对目标轴进行制动。本发明在长期通电时的功耗低、热功率小，尤其适用于天文望远镜等对发热和温升敏感的领域。域。域。