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一种基于磁流变液设计的可分离式制动装置
成果类型：: 发明专利
发布时间: 2023-09-08 11:19:51
科技成果产业化落地方案
方案提交机构：天津市滨海新区| 宋学姮 | 2023-09-14 14:22:44
本发明属于机械传动技术领域，涉及一种基于磁流变液设计的可分离式制动装置，包括分离驱动单元、磁场生成单元、主轴制动单元、磁流变液、控制单元。本发明的制动装置通过分离驱动单元带动磁场生成单元在主轴轴向上运动，实现磁场生成单元与主轴制动单元有效磁通面积的改变，填充于磁场生成单元和主轴上的制动筒状片体之间的磁流变液在磁场作用下状态会发生固液状态转换，其粘滞力也会随之发生改变，从而使主轴制动单元在提供制动力矩与无力矩刚性传动之间状态转换，实现制动与非制动功能灵活切换。
1.一种基于磁流变液设计的可分离式制动装置，其特征在于，包括：定子和转子，所述定子与转子间形成齿合间隙；输出轴，所述转子固定于输出轴上；外壳，所述外壳内形成封闭空间，用于容纳所述定子、转子和输出轴；磁流变液，所述磁流变液填充于外壳内的封闭空间；励磁单元，所述励磁单元通电励磁，形成的磁场穿过所述定子和所述转子以及它们之间形成的所述齿合间隙，断电后所述励磁单元形成的磁场消失；
齿合分离驱动单元，所述齿合分离驱动单元主动调节所述定子和所述转子间的齿合间隙的长度或间隙的间距中的一种；
控制单元，所述控制单元用于控制所述励磁单元的励磁电流大小以及控制调节所述齿合分离驱动单元。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁流变液设计的可分离式制动装置，其特征在于：
所述定子为多圈同心圆环，形成梳齿状，当所述励磁单元通电时，所述定子能快速励磁，当所述励磁单元断电时，所述定子能快速消磁。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁流变液设计的可分离式制动装置，其特征在于：
所述转子为多圈同心圆环，形成梳齿状，当所述励磁单元通电时，所述转子能快速励磁，当所述励磁单元断电时，所述转子能快速消磁。
传统旋转制动装置大都采用接触摩擦方式制动，制动过程对接触部件会有明显的摩擦损耗，降低摩擦部件的使用寿命。此外，传统制动装置除了接触损耗外，同时也会摩擦生热，该热量使得制动装置周围温度迅速升高，高温对整个装置的性能影响较大，例如：热变形会降低系统的安全系数，也会加速部件老化等。另外，传统旋转制动装对摩擦力矩大小的可控性较低，很难实现连续无极调控，摩擦制动响应时间也较长。对此，近年来，研究者提出了基于磁流变液的旋转制动器。
与传统旋转制动装置相比，基于磁流变液的旋转制动装置具有快速无极调控阻抗力矩的优势，响应时间在毫秒级。此外，该类智能制动器可消除传统制动器的摩擦损耗问题，大大延长装置的使用寿命。
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本发明的目的是提供一种基于磁流变液的可分离式旋转制动装置，通过调节装置内部的转子和定子间的齿合间隙的齿合长度和齿合宽度从而提高所述旋转制动装置的输出阻抗力矩的动态调整区间，进而提高所述磁流变液可分离式旋转制动装置在假肢，外骨骼，智能驱动器中的使用性能。具体实现时，为降低所述旋转制动装置在断电下的输出阻抗力矩，减小装置内部转子和定子间的齿合间隙的齿合长度，增大齿合间隙的齿合宽度。为提高所述旋转制动装置在通电下的输出阻抗力矩，增大装置内部转子和定子间的齿合间隙的齿合长度，减小齿合间隙的齿合宽度。例如，基于所述磁流变液可分离式旋转制动装置的半被动膝关节假肢，在人体摆动状态，能提供更低的阻抗力矩，确保膝关节流畅的摆动；在站立状态能提供足够大的阻抗支撑力矩，支撑截肢者的身体重量，从而整体提高假肢的行走辅助功能。此外，应注意到，改变内部转子和定子间的齿合间隙的齿合长度和宽度会改变间隙内磁流变液的磁场分布。增加齿合长度，减小齿合宽度，在同样的励磁电流下，间隙中的磁流变液的磁场强度会增加。反之，当减小齿合长度，增加齿合宽度，在同样励磁电流下，间隙中的磁流变液的磁场强度会减小。
技术合作
在本发明提供的一些实施例中，所述齿合分离驱动单元包括电机、传动机构、滚珠丝杠螺母副，所述定子和所述转子其中一个与所述滚珠丝杠螺母副中的螺母连接，所述电机可通过传动机构驱动所述滚珠丝杠螺母副中的丝杆转动，引起所述螺母前移和后退，从而改变所述定子和所述转子之间的所述齿合间隙的齿合长度。所述电机可以为步进电机和伺服电机中的一种。
具体地，所述丝杆通过轴承固定在外壳上，螺母与丝杆配合，所述定子固定于螺母上；丝杆中空，所述主轴穿过丝杆内部，且通过轴承与丝杆连接，所述转子固定在所述主轴上。
所述传动机构可以为主动带轮和从动带轮，或者，主动齿轮和从动齿轮，或者，主动链轮和从动链轮。
此外，应注意到本发明设计的基于磁流变液的旋转可分离式制动装置可单独使用或结合电机、弹性单元等一起用于人体上下假肢各关节、上下肢外骨骼各关节和机械臂各关节等方面，用于提供可控阻抗力矩，改善系统顺应性，或切换电机，弹性单元的工作模式。
以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。
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