制动机构与动力致动器 本发明涉及用来抑制工作端如提供有回位弹簧的阀或阻尼器的操作速度的制动机构和采用该制动机构的动力致动器。
做为常规动力致动器，采用将阀或阻尼器作为工作端的弹簧回位型致动器。在该弹簧回位型致动器中，驱动马达的转动力通过减速机构，传送到工作端，提高扭矩，从而打开或关闭构成工作端的阀或阻尼器，该阀或阻尼器提供有回位弹簧。当由于电源故障或类似原因造成电源供不到驱动马达时，回位弹簧的力(回复力)将阀或阻尼器强制全关闭或全打开。在强制全关闭或全打开阀或阻尼器的回复过程中，产生制动力(制动扭矩)以缓和全关闭或全打开过程产生的冲量。该回复过程的制动方法的一个例子包括下面方法或类似方法。
I.利用重力的惯性制动法
II.利用摩擦的调速器法
III.利用空气阻力的推进器法
I.利用重力的惯性制动法
如图16A所示，该方法中，制动机构1带有一个转盘1-1，与连在工作端的电源传送线路，在线路中间转动连接。重物1-2A和1-2B排放在转盘1-1上，并通过弹簧1-3A和1-3B与转动中心相连。这可以在回复过程中增加转动惯量，抑制工作端操作速度的增加。这种，转动惯量可以由离心力即转速来改变，如图16B所示，相对于转速N，制动扭矩TB基本稳定。相应地，工作端的操作速度(回位速度)，从回复开始到回复结束，会表现如图16c所示的特性。
图16c所示的特性可表示为：
dw/dt＝(TS-TB)/J
转动惯量J与速度平方成正比例增加，制动扭矩TB与转速无关保持稳定。
II.利用摩擦的调速器法
如图17A所示，该方法中，制动机构2带有一个壳体2-1，与连在工作端的电源传送线路，在线路中间地转动连接。鼓轮2-2A和2-2B安装在壳体2-1内，并通过弹簧2-3A和2-3B与转动中心相连。回复过程中，鼓轮2-2A和2-2B由离心力推向向外放射的方向，在它们和壳体2-1之间产生摩擦，从而抑制工作端操作速度的增加。这种情况下，制动扭矩TB大约从转速No开始增加，该速度时，鼓轮2-2A和2-2B开始产生与壳体的摩擦，如图17B所示，摩擦与转速N基本成正比。相应地，工作端的回复速度从回复开始到回复结束将表现如图17c所示的特性。
图17c所示的特性可表示为：
dw/dt＝(TS-TB)/J
当转速等于或小于预定值时，制动扭矩TB不变，当转速超过预定值时，开始变化。
III.利用空气阻力的推进器法
如图18A所示，该方法中，制动机构3带有一个推进器3-1，与连在工作端的电源传送线路，在线路中间转动连接。回复过程中，推进器3-1转动，由空气阻力产生制动力，从而抑制工作端操作速度的增加。这种情况，制动扭矩TB大约与转速N基本成正比关系增加，如图18B所示。相应地，工作端的回复速度从回复开始到回复结束将表现如图18c所示的特性。
图18c所示的特性可表示为：
dw/dt＝(TS-TB)/J
制动扭矩TB会随转速变化。
但是，根据这类常规弹簧回位型致动器，由于与转速N成正比例制动扭矩不能在惯性制动法I中得到，因此在工作端的回复操作中不能获得稳定操作速度。由于产生制动力部分在调速器法II中产生摩擦，因此由于摩擦会导致性能下降。由于就形状而言，制动力在推进器法III中受到限制，因此不能获得大的制动力，为了获得大的制动力就需要大的形状。任一种方法中，改变工作端回复时间的结构是复杂的。
本发明的目的之一在于提供能获得与转速成正比的稳定制动力的制动机构和动力致动器。
本发明的另一目的在于提供能在小型的结构中获得大的制动力的制动机构和动力致动器。
本发明的再一目的在于提供能改变工作端回昨时间的制动机构和动力致动器。
为了达到本发明的上述目的，提供了一套制动机构，它包括：一个转动传送机构，在由驱动源提供的第一转动方向上，传送至少一个转动力，该转动传送机构被给与一个在与第一转动方向相反的第二转动方向上的回复趋势：一个带有与转动传送机构转动连接的输出轴的马达设备；和一个制动装置，在第一转动方向上产生一个扭矩，传送到与驱动源断开的输出轴，该输出轴通过转动传送机构，根据回复趋热转动，在第二个旋转方向上回复，从而抑制了转动传送机构的回复转动。
图1A是用在如图2所示的弹簧回位型致动器中的DC马达设备的基本结构的简图。图1B和1C是表示如图1A所示的DC马达设备特性的曲线，图1D是表示如图2所示的致动器特性的曲线。
图2是根据本发明的第一个实施例的弹簧回位型致动器的部分剖面侧图。
图3是图2所示的弹簧回位型致动器的电路图。
图4A到4D是用来解释图2和图3所示的弹簧回位型驱动器操作过程的时序图。
图5A、图5B和5C分别是用来解释用于获得制动扭矩TB的电阻元件方法方法的连线图和曲线。
图6A、图6B和6C分别是用来解释用于获得制动扭矩TB的可变电阻元件方法的连线图和曲线。
图7A、图7B和7C分别是用来解释用于获得制动扭矩TB的整流元件方法的连线图和曲线。
图8A、图8B和8C分别是用来解释用于获得制动扭矩TB的第一种恒压元件方法的连线图和曲线。
图9A、图9B和图9C分别是用来解释用于获得制动扭矩TB的第二种恒压元件方法的连线图和曲线。
图10A、图10B和10C分别是用来解释用于获得制动扭矩TB的恒流元件方法(电流抑制元件方法)的连线图和曲线。
图11A、图11B和11C分别是用来解释用于获得制动扭矩TB的第一种发光元件方法的连线图和曲线。
图12A、图12B和12C分别是用来解释用于获得制动扭矩TB的第二种发光元件方法的连线图和曲线。
图13是根据本发明的第二个实施例的弹簧回位型致动器的部分割面侧图。
图14是如图13所示的弹簧回位型致动器的电路图。
图15A到15C是用来解释如图13和14所示的弹簧回位型致动器工作过程的时序图。
图16A、图16B和16C分别是用来解释利用重力的常规惯性制动法的结构图和曲线。
图17A、图17B和17C分别是用来解释利用磨擦的常规调速器法的结构图和曲线。
图18A、图18B和18C分别是用来解释利用空气阻力的常规推进器法的结构图和曲线。
参考附图详细介绍一下本发明。
[第一个实施例]
图2表示根据本发明的第一个实施例的动力致动器(弹簧回型致动器)。参考图2，参考数字10代表作为工作端的阀；11代表装在阀10上的回位弹簧；12代表驱动马达；13代表减速齿轮系；14代表DC马达设备；15代表制动电路。
做为驱动马达12，采用了带离合器的同步马达。当连接上离合器时，驱动马达12的输出轴12-1通过减速齿轮系13与阀10转动连接。减速齿轮系13由一个与压入配合在驱动马达12的输出轴12-1上的小齿轮12-2啮合的一级减速齿轮13-1、一个与减速齿轮13-1啮合的二级减速齿轮13-2、一个与减速齿轮13-2啮合的三级减速齿轮13-3和一个与减速齿轮13-3啮合的四级减速齿轮13-4构成。当采用没安装离合器的驱动马达做为驱动马达12时，离合器另外安装。
图1A表示DC马达设备14的基本结构。如图1A所示，DC马达设备14具有激磁磁铁14-1和14-2、一个电枢线圈14-3和一个电刷14-4。如图2所示，小齿轮14-6压入配合在电枢(未示出)的转动轴(输出轴)14-5电枢上绕着电枢线圈14-3，而小齿轮14-6与减速化13-1啮合。更确切地说，DC马达设备14的输出轴14-5；与通过减速齿轮13，在驱动马达12和阀10之间传送动力的传送线路在中间转动连接。如图1A所示，连接在DC马达设备14的电刷14-4上的节点14-7a和14-7b，在制动电路15中是短路的。
图3表示如图2所示的弹簧回位型致动器。参考图3，参考数字12-3代表驱动马达12的马达线圈；12-4代表安装在驱动马达12内的离合器线圈；16代表用来选择驱动马达12的转动方向的工作选择器开关；17代表整流电路，该电路接收作为分流输入供给驱动马达12的电源(AC电源)，产生供给离合器线圈12-4的DC电源。整流电路17和离合器线卷12-4构成离合器驱动电路。
参考图4A到4D所示的时序图，介绍一下上述弹簧回位型致动器的工作过程。介绍其中阀10是比例阀的情况。做为驱动马达12，当接上离合器，电源没供给马达时，采用马达自身扭矩能确保阀10的位置的那种马达。做为工作选择器开关16，采用能选择A侧(关闭侧)、B侧(打开侧)和中间位置(中间)C的那种开关。
如图4B所示，在点to，如果工作选择器开关16处于中间位置，则AC电源处于电源供应状态(图4A)。阀10的开度是50％(阀4c)。这种情况下，DC电源通过整流电路17，供给离合器线圈12-4。由于接上了装在驱动马达12内的离合器，因此通过保持马达自身的扭矩，确保阀10的开度为50％。
从这个状态到点t1，如图4B所示将工作选择器开关拨动A侧时，驱动马达12向相反方向转动。该反转动力通过减速齿轮系13传送到阀10，将之移向关闭方向。来自驱动马达12的反转动力通过减速齿轮系13传送到DC马达设备14，转动输出轴14-5。
当DC马达设备14的输出轴14-5由外力F驱动时，DC马达设备14作为发电机产生反电动势。这种情况下，由于制动电路15的节点14-7a和14-7b是短路的，因此DC马达设备14的电枢线圈14-3产生的电流工流向电枢线圈14-3。Fleming的左手定则生效，产生与外力F产生的转动方向相反的扭矩(制动扭矩)TB。
当DC马达设备14的输出轴14-5受到来自驱动马达12的做为外力F的反转力而转动时，如图4D所示，在t1到t2期间产生与外力F产生的转动方向相反的制动扭矩TB。如图1B所示，制动扭矩TB与转速N成正比。由于此时转速N很低，所以制动扭矩TB也不大。
如图4B所示，当工作选择器开关16在点t2重新拨到中间位置时，驱动马达12的反转就停止了。这种情况下，阀10停在20％的开度，开度为20％的状态由驱动马达12的保持扭矩保持。由于驱动马达12停下来，DC马达设备14产生的反电动热就消失了，而且制动扭矩TB也消失了。
如图4B所示，当工作选择器开关16在点t3拨到B侧时，驱动马达12转向前进方向，该正转力通过减速齿轮系13转送到阀10，在开度方向上操纵阀10。此时，来自驱动马达12的正转力通过减速齿轮13-1传送到DC马达设备14，转动输出轴14-5。
相应地，来自驱动马达12的正转力作为外力F时，Fleming左手定则与驱动马达12反转时一样生效。如图4D所示，在t3到t4期间产生与外力F产生的转动方向相反的制动扭矩TB。如图1C所示，该制动扭矩TB与转速N成正比。由于此时转速N很低，因此制动扭矩TB也不大。
如图4B所示，当工作选择器开关16在点t4拨到中间位置C时，驱动马达12的正转动停止。这种情况下，阀10停在80％的开度，该开度为80％的状态由驱动马达12的保持扭矩保持。由于驱动马达12停下，所以DC马达设备14中产生的反电动势消失，制动扭矩TB也消失。
如图4A所示，假定在点t5发生电源故障，并且供给驱动马达12的AC电源断开。这种情况下，尽管由于工作选择器开关16置于中间位置C，而使驱动马达12停止，但由于电源关闭供给离合器线圈12-4的DC电源断开，且离合器也断开。从而驱动马达12产生的保持扭矩消失，在回位弹簧11的回复力的作用下，阀10以很高的速度在关闭方向上回复。
然而，此时回位弹簧11的回复力通过减速齿轮系13传送到DC马达设备14，DC马达设备14的输出轴14-5开始转动。此时如图4D所示，在t5到t6期间，DC马达设备14产生与回位弹簧11的回复力F产生的转动方向相反的制动动扭矩TB。如图1B所示，该制动扭矩TB与转速N成正比。由于此时转速N很高，所以制动扭矩TB很大，并且阀10的回复速度被很大程度地缓和。
如图1D所示，离回复结束越近，从回复开始到回复结束的阀10的回复速度就变得越稳定。图1D所示的特性可表示为：
dw/dt＝(TS(Q)-TB)/J
制动扭矩TB能够随转速变化。
当回复结束时，如图4C所示，在点t6阀10停在开度为0％的位置，由于阀10停下来，所以DC马达设备14中产生的反电动势消失，制动扭矩TB也消失。
如上述所述，根据本实施例，可以获得与转速N成正比的制动扭矩TB，从而可以在阀10回复过程中获得稳定操作速度。确切地说，在阀10的正常操作(低速转动)期间，负荷不大，回复过程(高速转动)中大的制动力是为了获得足够长的回复时间，从而减小全关闭过程中的冲量。在调速器方法中，制动扭矩TB不是通过摩擦获得，而是用电获得。因此，性能不降低，并且可以稳定获得与转速成正比的制动扭矩TB。可以象推进器法一样，用小型结构获得大的制动扭矩TB，而不增大尺寸。
尽管上述实施例中DC马达设备1 4的节点14-7a和14-7b在制动电路15中短路，它们不必一直短路。短路时，电阻不产生任何损失，并且相应地可以获得最佳的制动效率。部件的数目很少从而降低成本。打开和关闭方向的特性相同，可以获得与转速成正比的制动扭矩TB。除短路法，也可以用下述方法。这些方法是基本方法，可以将各种方法复合作用，也可以单独使用。
[电阻元件法]
如图5A所示，在DC马达设备14的节点14-7a与14-7b之间接一个固定电阻Rs。在阀10在打开和方向操作期间，DC马达设备14中产生一个与转动方向相反、与转速成正比的制动扭矩TB，抑制阀10的操作速度。这种情况下，能依靠固定电阻Rs的电阻获得的预定的制动特性(制动扭矩TB相对于转速N的特性)。图5B和5C分别表示关闭方向和打开方向的制动特性。当制动扭矩TB和转速N的特性是预定的时，该方法可以很容易实现。
[变电阻元件法]
如图6A所示，在DC马达设备14的节点14-7a和14-7b之间接一个可变电阻Rr.在阀10在打开和关闭方向上操作期间，DC马达设备14中产生一个与转动方向相反、与转速成正比的制动扭矩TB，抑制阀10的操作速度。在这种情况下，通过改变可变电阻Rr的电阻，能够获得理想制动特性(制动扭矩TB相对于转速N的特性)。图6B和6C分别表示关闭和打开方向上的制动特性。用该方法，可以吸收诸如齿轮、弹簧和类似部件质量的变化，并处理技术条件(specification)的变化。
[整流元件法]
如图7A所示，在DC马达设备14的节点14-7a和14-7b之间接一个整流二极管。在阀10在关闭方向上操作期间。DC马达设备14中产生一个与转动方向相反、与转速N成正比的制动扭矩TB，抑制阀10的操作速度。这种情况下，在阀10在关闭方向上操作期间，基本不会产生与转动方向相反的制动扭矩。图7B和7C分别表示在关闭和打开方向上的特性。当驱动马达的驱动扭矩没有余量，或制动机构是弹簧回位型时，该方法尤其有效，并可以采用低扭矩即小型、低廉的驱动马达。该整流元件并不限定为二极管，例如，可以采用包含三极管的整流元件。
[第一种恒压元件法]
如图8A所示，在DC马达设备14的节点14-7a和14-7b之间按一下齐纳＝极管Dz。在阀10在关闭方向上操作期间，当转速N超过预定值时，DC马达设备14产生一个与转速方向相反、与转速N成正比的制动扭矩TB，抑制阀10的操作速度。这种情况下，在阀10在关闭方向上操作期间，如果转速没有超过预定值，基本不产生制动扭矩TB。在阀10在打开方向上操作期间，产生一个与转动方向相反、与转速N成正比的制动扭矩TB，抑制阀10的操作速度。图8B和8C分别表示关闭和打开方向上的制动特性。当断定在高速转动期间转速没有超过上限时，或当通过减小施加在齿轮上的负荷，来防止部件如齿轮的性能下降时，该方法很有效。
[第二恒压元件法]
如图9A所示，在DC马达设备14的节点14-7a和14-7b之间接一个变险器Va。在阀10在关闭和打开方向上操作期间，当转速N超过预定值时，在DC马达设备14中产生一个与转动方向相反、与转速N成正比的制动扭矩TB，抑制阀10的操作速度、这种情况下，在阀10在关闭和打开方向上操作期间，如果转速N没有超过预定值，基本不产生制动扭矩TB。图9B和9C分别表示在关闭和打开方向上的制动特性。当断定在高速转动期间转速没有超过上限时，或当通过减小施加在齿轮上的负荷防止部件，如齿轮的性能下降时，该方法很有效。
[恒流元件(电流抑制元件法)]
如图10A所示，在DC马达设备14的节点14-7a和14-7b之间接一个恒流二极管Di。在阀10在关闭方向上操作期间，当转速N没有超过预定值时，在DC马达设备14中产生一个与转动方向相反、与转速N成正比的制动扭矩TB，当转速N超过预定值时，产生一个定值、与转动方向相反的制动扭矩TB，从而抑制阀10的操作速度。在阀10在打开方向操作期间，产生一个与转动方向相反、与转速N成正比的制动扭矩TB，抑制阀10的操作速度。图10B和10C分别表示在关闭和打开方向上的制动特性。用该方法，制动扭矩TB可以稳定在某一特定值，即DC马达设备14中的电流可以稳定在某一特定值，即DC马达设备14中的电流可以限制在一个较小值，相应地DC马达设备14可以使用很长一段时间。
[第一种发光元件法]
如图11A所示，在DC马达设备14的节点14-7a和14-7b之间接一个发光二极管Dp。在阀10在关闭方向操作期间，发光二极管Dp发光，产生一个与转动方向相反、与转速成正比的制动扭矩TB，抑制阀10的操作速度。这种情况下，在阀10在打开方向上操作期间，基本不产生与转动方向相反的制动动扭矩TB。图11B和11C分别表示在关闭和打开方向上的制动特性。用该方法，仅当阀10在关闭方向上操作时才有电流流动，发光二极管Dp发光表示阀10处于回位过程。
[第二种发光元件法]
如图12A所示，在DC马达设备14的节点14-7T14-7b之间接一个灯泡Lm。在阀10在打开和关闭方向操作期间，汀泡Lm亮，产生一个与转动方向相反、与转速N成正比的制动相矩TB，抑制阀10的操作速度。图12B和12C分别表示在关闭和打开方向上的制动特性。用该方法，当阀10在关闭和打开方向上操作时，都有电流流动，灯泡亮表示阀10在工作。
[第二个实施例]
图13表示根据本发明的第二个实施例的弹簧回位型致动器。
在第二个实施例中，图2所示第一个实施例中的驱动马达12由一个DC驱动马达(DC马达)17代替。DC马在17具有两个功能，即图2所示的驱动马达12的功能和DC马达设备14的功能。DC马达17没装有机械离合器，它的输出轴17-1通过小齿轮17-2与减速齿轮系13转运连接。除此之外，该致动器的设置与图2所示类似，所以与图2中一样的部分就用与图2相同的参考数字代表，并省略关于此的详细介绍。
图14表示如图13所示的弹簧回位型致动器。参考图14，参考数字18代表用来开关操作的装在给DC马达17供应电源(AC电源)的供应线路上的ON/off开关；19代表整流电路19，用来从通过ON/off开关输入的AC电源中产生DC电源；20代表继电器；20-1，20-2代表继电器20的触点。
根据图14所示的触点20-1、20-2的状态，电源没有供给继电器20，即ON/off开关18为关。这种状态下，继电器触点20-1和20-2的移动触点S1和S2接到制动电路15一侧，DC马达17的节点17-3a和17-3b通过制动电路15短路。与此相反，当ON/off开关on时，触点20-1和20-2的移动触点S1和S2接到整流电路19一侧，DC电源从整流电路19供给DC马达17。在该电路设置中，继电器20和继电器触点20-1和20-2构成了模式选择电路，在驱动模式和制动模式之间进行状态选择。
参考图15A到15C所示的时序图，介绍一下该弹簧型回位型致动器的工作过程。这种情况下，阀10作为ON/off阀，不保持在中间开度。
如图15A所示，在点to当工作选择器开关18为关时，阀10的开度是0％。这种情况下，继电器20-1和20-2的移动触点S1和S2接到制动电路15一侧，且DC马达17的节点17-3a和17-3b通过制动电路15短路。
如图15A所示，在点t1当工作选择器开关18打开时，AC电源开始供给整流电路19。同时，继电器20被驱动，继电器触点20-1和20-2的移动触点S1和S2接到整流电路19一侧。因而来自整流电路19的DC电源供给DC马达17。DC马达17转向正方向，它的正转力通过减速齿轮系13传送给阀10，如图15B所，从而阀10在打开方向上操作。
如图15B所示，在点t2阀10全打开。这种情况下，工作选择器开关保持打开，且DC马达17仍然作为驱动马达保持阀10的全开状态，抵消回位弹簧11的作用力。当阀10在打开方向上操作时，当然不产生制动扭矩TB。
如图15A所示，在t3点当工作选择器开关18关闭时，供给准流电路19的AC电源断开，继电器触点20-1和20-2的移动触点S1和S2接到制动电路15一侧。当供给整流电路19的AC电源断开时，供给DC马达17的DC电源也断开。相应地，阀10在回位弹簧11回复力的作用下，以较高速度，在关闭方向上回复。
此时，将Fleming左手定侧应用于DC马达17。如图15C所示，在点t3到t4期间，产生一个与回位弹簧11的回复力F产生的转动方向相反的制动扭矩TB。该制动扭矩TB与转速N成正比。由于此时转速N很高，所以制动扭矩TB很大，阀10的回复速度被很大程度的缓和。换而言之，这种情况下，DC马达17作为制动器。
如图15B所示，在点t4阀10全关闭，制动扭矩TB消失。工作选择器开关保持关，继电器触点20-1和20-2的移动触点S1和S2接到制动电路15一侧。
在第二个实施例中，制动电路15同样不必一直短路，可以用与第一个实施例中所介绍的相同的各种方法。
在本发明中，作为获得制动扭矩TB的马达设备，采用DC机械型马达(DC伺服马达)、同步机器型马达(步进马达、无电刷马达)和类似马达。
如上述所述，根据本发明，至少在工作端回复过程中，马达设备中产生一个与转动方向相反的扭矩，抑制工作端操作速度。能够稳定获得与转速成正比的制动力，并且能够用小型的设备获得较大制动力，而不增大尺寸。如果在马达设备两个节点间接入一个可变电阻元件，形成一个制动装置，工作端的回复时间可以通过选择该可变电阻的电阻来改变。