机电式弹簧组制动器在 MRL 机器中的应用

“本文讨论了直流电磁弹簧施加制动器的一些基本组件和操作。”

乔纳森·布利克

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本文是 ELEVATOR WORLD 继续教育计划的一部分。需要获得继续教育学分的电梯行业人员可以通过阅读本文并完成第 121 页的评估考试问题获得一小时学分。如需了解本文和更多继续教育机会，请访问 www.elevatorbooks.com.

经 NAEC 批准，经 NAESA International 批准，经 QEI Services, Inc. 批准

学习目标

• 阅读本文后，您应该了解：
  
  直流电磁弹簧施加制动器的基本部件和操作
• 通常配置为用于电梯应用的弹簧应用制动器的选项
• 用于提高直流制动器响应时间的开关方法
• 用于在操作期间抑制噪音的制动器设计
• 冗余制动器设计及其作为安全制动器的应用

介绍

近来无机房 (MRL) 无齿轮牵引应用的普及已经引起了新的制动要求。 为了节省空间，许多 MRL 机器现在被设计得更长更薄。 此设计中使用的制动器必须具有小直径，但能够产生相对较大的扭矩。 此外，MRL 机器可以位于居民或员工的耳边，因此绝对需要安静的制动操作。 由于电机的位置并不总是很容易接近，因此重点放在易于调整和维护的可靠制动解决方案上。 本文介绍了电枢驱动弹簧组制动器的基本操作及其在无齿轮 MRL 电梯应用中的使用。

绳索技术的进步使 MRL 无齿轮机器能够使用直径越来越小的滑轮。 虽然鼓式和盘式制动器对大直径滑轮特别有效，但电枢驱动的直流制动器正成为无齿轮 MRL 应用的首选制动技术。 除了提供故障安全断电制动器接合外，直流制动器还采用了只有一个移动部件的可靠设计。 存在在运行期间几乎听不见的降噪模型。 此外，制动器具有多种选择，可以轻松配置以满足应用的特定要求。 甚至可以将冗余 MRL 电机制动器评定为安全紧急制动器——这在传统的齿轮配置中是不可能的。

操作理论

1820 年，Hans Christian Øersted 发现流过导线的电流会在导体周围感应出磁场。 这种现象后来被安培定律解释。 不久之后，物理学家们了解到，将导线缠绕成一个围绕铁芯的线圈会显着集中感应磁场。 他们还发现，由线圈电感产生的磁场强度与线圈匝数和流过线圈的电流成正比。 这些发现的结果导致了电磁铁的产生——一种可以通过向线圈施加电力来制造的磁铁。

电磁弹簧组直流制动器由一个电磁铁组成，该电磁铁由一个磁铁外壳和线圈组成。 磁铁通常通过可调节的安装螺钉安装到电机端盖上。 多个压缩弹簧放置在磁体表面的机加工凹槽中，并加载以在非旋转电枢上施加弹簧力。 摩擦衬片花键连接到轴毂并夹在电枢和另一个合适的摩擦表面之间。 轮毂轴向定位时，磁铁和电枢之间的小气隙使用空心垫片安装螺栓进行调整。

断电（制动接合）

在稳态（断电）情况下，没有直流电压施加到电磁线圈，因此没有电流流动，也没有感应出磁场。 当弹簧力施加到电枢上时，摩擦衬片夹在电枢和摩擦表面之间，并产生扭矩，使轴保持静止。

通电（制动器分离）

当向线圈施加电压时，电流开始流动，并产生磁场。 磁场继续建立，直到它大到足以使磁通量跳过磁铁和电枢之间的小气隙，并完成一个磁路。 电路的磁力压缩弹簧，衔铁被拉入磁铁的表面。 弹簧力不再施加在摩擦片上，因此轮毂和电机轴可以自由旋转。

刹车选项

直流制动的优势之一是其久经考验的可靠性。 KEB 设计采用冗余压缩弹簧，每个弹簧的额定循环次数超过 10 万次。 线圈完全封装在环氧树脂中，并使用 H 类电线。 使用高能摩擦衬片，可抵抗玻璃和扭矩衰减。 电枢是制动器中唯一的移动部件，因此没有任何杠杆或连杆机构会像交流制动装置那样发生故障。 直流弹簧组制动器的另一个优点是其设计灵活性和其他可用选项。 以下是电梯应用中所需的一些更常见的功能。 

手动手动释放

手动手动释放允许操作员打开制动器，而无需向电磁线圈通电。 此功能主要用于测试和故障排除，但也可用于紧急情况。 手动释放装置由安装在磁铁外壳背面的轭和手柄组成。 安装螺栓穿过磁轭和磁铁外壳并固定电枢。 当手动释放杆向后拉时，磁铁中的弹簧被压缩，衔铁被拉过气隙，使摩擦衬片和轴自由旋转。 出于安全原因，杠杆需要恒定的力或“恒定的力”来保持制动器打开 - 松开手柄将导致制动器接合。

微动开关

监控制动器状态的能力是电梯控制器的一项重要功能。 制动状态的验证提高了系统的安全性并允许优化控制序列时序。 制动反馈还允许控制器确保在正常操作期间的任何时候都不会驱动制动器。 在汽车仍在减速时接合制动器或在制动器完全分离之前驱动电机会导致摩擦盘过早磨损并缩短制动器的使用寿命。 制动微动开关提供反馈信号，指示制动器的状态——接合或分离。 通常，微动开关配置为在制动器完全释放时闭合。 实现微动开关的一种方法是将其放置在磁体外壳的机加工凹槽中。 此外，一个柱塞固定在电枢上，它的长度经过调整，使其位于开关的正上方。 当电枢拉过气隙时，柱塞随之移动并向下推开关，从而闭合接触器。 使用可以处理电梯应用的重复循环的工业级开关非常重要。

降噪设计

当电枢启动并与磁体外壳或摩擦衬片接触时，直流制动器中会产生可听噪声。 制动器释放过程中的金属对金属噪音在制动器尺寸较大时尤为明显。 更大的制动器需要更大的电枢，从而允许更多的磁通量通过。 较大电枢的质量增加具有更多的动能，从而产生更大的接触声音。

KEB 主要使用两种方法来降低直流制动器的噪音。 第一种设计需要在磁铁和电枢之间放置消音材料。 材料的目的是充当两种金属材料之间的绝缘体，吸收运动衔铁的能量。 但是，应注意确保电枢完全拉入磁体中，并且摩擦盘不会产生残余扭矩。 虽然这种方法减轻了金属对金属的接触，但它只能减少制动释放过程中产生的噪音。

电梯制动器中的第二种降噪设计涉及减慢电枢的速度。 因为实际电枢驱动的持续时间很短，所以这对制动器的整体计时没有明显影响。 该解决方案的优点是在接合和分离方向上都改善了制动噪音。 KEB 采用特殊电枢设计的降噪电梯解决方案在 65 米处的额定噪音低于 1 分贝。 如果需要，可以进行进一步的设计考虑，以将 55 米处的噪音水平降低到 1 分贝以下。

过励磁和降低电压开关

还应该注意的是，直流制动器固有地具有切换延迟，即从发出制动器信号到产生或减小扭矩的时间。 这主要是由于制动器的接合和分离需要磁体中磁通量的建立和衰减，这不是瞬时的。 由于线圈的电感增加以及需要建立和衰减的磁场量，较大制动器的开关延迟甚至更长。 

改善制动器释放延迟的一种解决方案是过度激励制动器，或者在短时间内施加大于额定电压的电压，直到电枢吸合。气隙为磁路提供阻力，并且需要峰值磁通以便跳过气隙以与电枢形成电路。 电枢拉入后，将其保持在原位所需的通量要少得多。 此时，制动电压可以恢复到其标称值。 这种过励磁切换有助于产生磁通量，但只会提高制动释放期间的反应时间。

制动器接合时间可以通过在降低电压的情况下保持制动器释放来改善。 如前所述，一旦电枢被拉过气隙，它就可以用相当小的电压固定在适当的位置。 保持在较低的电压意味着电路中需要衰减的通量将减少，以便弹簧力将电枢返回到其静态位置。 与过励磁开关类似，存在可以将制动器保持在较低电压的特殊制动开关，从而提高制动器接合时间。 在较低的电压下保持制动器打开也对应于在整个运行寿命期间较少的发热和较低的线圈损耗。

双刹车设计

由于制动器对电梯的安全至关重要，因此系统中需要某种制动冗余。 冗余要求的性质可能因管理规范和指令而异。 世界范围内使用的一项流行指令是 DIN EN 81——电梯建造和安装的安全规则。 EN 81 中与电动升降机有关的部分规定，机电制动器必须具有两组独立的机械部件，能够制动汽车。 由于它与电枢驱动的制动器有关，因此可以通过多种不同的方式设计和应用冗余制动系统。

DDN 型 – 双刹车 

提供冗余制动系统的一种方法是利用两个独立的制动器。 这提供了两个独立的电气和机械系统。 制动器通常堆叠在一起并从制造商处发货，准备好安装法兰和预设气隙。 刹车 

尺寸应使每个单独的制动器能够根据管理规范停止电梯。 独立的电路还意味着制动器可以由独立于控制器的安全电路控制，从而进一步提高系统冗余度。

D8 型 – 分体式电枢设计

一种减小双制动器的整体尺寸和成本同时仍能满足单独机械制动部件要求的方法是实施分体式电枢设计。 制动器使用一个公共磁铁和两个独立的半电枢或“分体电枢”。 每个电枢都有自己的一组弹簧，并且能够自行使汽车减速。 这种方案的优点是制动器的总长度比叠片式双制动器短。 此外，分体式电枢设计使用的材料显着减少，因此比真正的双制动器更经济。 D8 设计中提供所有选项 - 两个电枢都可以通过单独的手动释放和微动开关监控进行调整。

ACO 情况下的紧急制动

DIN EN 81-1（第 9.10 节）还需要一种检测和减慢上行方向超速汽车的方法。 在传统的齿轮应用中，机电式电机制动器不能被视为上升轿厢超速 (ACO) 情况下的紧急制动装置，因为它没有直接连接到牵引绳轮。 由于 MRL 无齿轮机器将制动器和滑轮结合在一个共用轴上，因此如果正确使用电机制动器，现在可以被视为紧急制动器。 这很重要，因为电机制动器可以代替绳夹或滑轮制动器作为安全制动器，从而节省空间和金钱。 KEB 双制动器 (DDN) 和分体式电枢制动器 (D8) 制动器均已通过 TÜV 认证，可根据 EN 81-1 用作 ACO 情况下的安全制动器。 客户应要求其电机和制动器制造商提供第三方检测机构的检测结果或证明，证明制动器符合适用的紧急制动器规范。

结语

与传统解决方案相比，MRL 电梯具有明显的空间和效率优势，因此它们的普及将继续。 电机制动器是 MRL 机器设计中非常重要的部件，有助于其紧凑的设计和可维护性。 电枢驱动的弹簧组制动器是一种经过验证的解决方案，故障部件少，使用寿命长。 设计灵活，可以轻松配置以满足应用程序的要求。 这些制动器甚至可以作为紧急制动装置，取代笨重、更昂贵的解决方案。 简而言之，弹簧应用直流制动器满足 MRL 应用的严格安全和功能要求，是一种可行的制动解决方案。

学习强化问题

使用以下学习强化问题来学习继续教育评估考试，可在 www.elevatorbooks.com 或本期第 121 页在线获得。

• 为什么弹簧施加的制动器有时被称为“故障安全”制动器？
• 当操作员用手动释放器保持制动器打开，然后松开手动释放器时会发生什么？
• 松开制动器时，微动开关通常会打开还是关闭？
• 可以做些什么来改善直流制动器的切换时间？
• 分体式电枢设计可以用作双制动器吗？