Permanentmagnet-Bremsen im Vergleich

Permanentmagnet-Bremsen im Vergleich
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Konventionelle PM Bremse Links geöffnet, rechts: geschlossen
10.11.2015 | Permanentmagnet-Bremsen als Haltebremsen mit Notstoppfunktion gehören heute aus guten Gründen zu den meist verbreitesten Sicherheitsbremsen in der Robotik und im Maschinenbau. Sie überzeugen durch höchste Drehmomente bezogen auf die Baugröße (Leistungsdichte), einen verschleiß- und restmomentfreien Betrieb, kurze Schaltzeiten und Verdrehspielfreiheit und somit bestens geeignet für Servomotoren.

Bei konventionellem Design der PM-Bremsen gibt es allerdings Grenzen bedingt durch das Wirkprinzip, was z.B. Spannungstoleranzen oder Betriebstemperaturbereich anbelangt. Permanentmagnetbremsen in „High-Torque“-Technologie bieten hier Vorteile und sind deshalb für anspruchsvolle Anwendungen die richtige Wahl. Typische Beispiele dafür finden sich vor allem bei Outdoor-Anwendungen, z.B. in Windkraftanlagen oder im Sicherheitsbereich.

Permanentmagnet-Bremsen (PM-Bremsen) zum Halten oder für die Not-Stopp-Funktion werden an der Festlagerseite des Motors entweder A- oder B-seitig montiert. Im unbestromten Zustand ist die Bremse geschlossen; der Anker wird vom Permanentmagnetfeld gegen den Stator bzw. das Erregersystem gezogen. Im bestromten Zustand entsteht ein elektromagnetisches Feld, das die Anziehungskraft der Permanentmagnete aufhebt und so den Anker durch die Zugkraft der Federn zwischen Anker und Flanschnabe vom Erregersystem löst. Die Bremse lüftet. Durch die kraftschlüssige Verbindung zwischen Anker, Nabe und Welle ist die PM-Bremse spielfrei. Außerdem überzeugt sie vor allem durch ihre kompakten Abmessungen und ihr vergleichsweise geringes Gewicht. Die Leistungsdichte ist dank der Permanentmagnete doppelt so hoch wie beispielsweise bei Federdruckbremsen (FD) üblich.
Da der Anker vollständig durch die Feder gelüftet wird, gibt es anders als bei FD-Bremsen auch keinen Abrieb. Bei dieser entsteht immer ein Anlaufverschleiß, da sich bei Drehzahlerhöhung erst ein Luftpolster zwischen Belag und Reibflächen aufbauen muss. PM-Bremsen mit ihrer Reibpaarung Stahl/Stahl sind zudem sehr temperaturstabil und haben über den gesamten Temperaturbereich ein garantiert hohes Drehmoment, während bei FD-Bremsen der organische Reibbelag mit Änderungen des Reibwerts und erhöhtem Verschleiß auf Temperaturerhöhung reagiert.

Die Grenzen des bisherigen Magnetkreises

Bei klassischen PM-Bremsen ist der Betriebstemperaturbereich jedoch nicht für alle Anwendungen ausreichend, was mit dem normalerweise üblichen Aufbau des Magnetkreises zusammenhängt. Bild 1 zeigt den magnetischen Fluss einer konventionellen PM-Bremse bei bestromter und unbestromter Spule. Liegt keine Spannung an, ist die Bremse geschlossen; sie öffnet sobald die Lüftungsspannung (U1) anliegt. Wenn der Wert U2 erreicht wird, kommt es zu einer Überkompensation; dass heißt die – eigentlich geöffnete – Bremse schließt wieder. Konventionelle PM-Bremsen sind deshalb im Spannungsabstand zwischen U1 und U2 so ausgelegt ist, dass eine sichere Funktion bei den im industriellen Umfeld üblichen Temperaturen zwischen -5 und +120 °C gewährleistet ist.
An dem Temperaturfenster lässt sich leider nicht so einfach rütteln, da der Spulenwiderstand sich linear mit der Temperatur verändert. Liegen die Umgebungstemperaturen nun außerhalb des Fensters, kommt es zu Fehlfunktionen. Schließlich bleibt die angelegte Spannung mit typischerweise 24 V gleich, der Widerstand der Spule verändert sich jedoch in Abhängigkeit von der Temperatur, was wiederum Auswirkungen auf den Spulenstrom und damit die Stärke des elektromagnetischen Feldes hat. Wird es zu kalt, sinkt der Widerstand und dadurch steigt der Spulenstrom; die Überkompensationsspannung U2 sinkt unter 24 V und die Bremse schließt fälschlicherweise wieder. Andersherum steigt bei zu hohen Temperaturen die Lüftungsspannung U1 auf über 24 V; die Bremse kann nicht öffnen.


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High Torque PM Bremse Links geöffnet, rechts geschlossen
Anforderungen an zukünftige Systeme

Diese Eigenschaften des Magnetkreises konventioneller PM-Bremsen lassen sich kaum verändern; sind sie doch mit der möglichen Spulenleistung und Bauform eng verknüpft. So lässt sich beispielsweise die Spulenleistung wegen der damit verbundenen Wärmeentwicklung nicht beliebig erhöhen. Bezüglich Temperaturbereich, Haltemoment und Spannungstoleranzen haben konventionelle PM-Bremsen also durchaus ihre Grenzen. Allerdings sind diese weit gesteckt und kommen in den meisten Anwendungen in Handhabungstechnik und Robotik nicht zum Tragen. Es gibt jedoch auch Bereiche, die durchaus höhere Anforderungen an die Bremsen haben.
Outdoor-Anwendungen z.B. in Windkraftanlagen erfordern einen erweiterten Temperaturbereich. Außerdem gibt es Anwendungen, bei denen eine „saubere“ 24-V-Versorgungsspannung nicht immer gewährleistet ist. Hier sollten die Bremsen auch bei Spannungsschwankungen zuverlässig arbeiten. Auch gibt es zunehmend neue Motorbaureihen am Markt, die höhere Drehmomente liefern und bei gleichem Bauraum stärkere Bremsen brauchen. „High Torque“-PM-Bremsen werden diesen hohen Anforderungen gerecht.

„High Torque“: Schalenmagnet statt Scheibe

Die Grundlage liefert ein völlig neuer Aufbau des magnetischen Kreises und eine optimierte Lage der Polflächen. Im Gegensatz zur konventionellen PM-Bremse ist bei der „High-Torque“-Ausführung der Permanentmagnet nicht ring-, sondern schalenförmig ausgeführt (Bild 2). Durch diesen patentierten Aufbau verändert sich bei bestromter Spule – d.h. bei geöffneter Bremse – der Verlauf des magnetischen Flusses (Bild 2). Dadurch fallen Reaktionen auf Temperaturänderungen oder Spannungsschwankungen deutlich geringer aus. Eine Überkompensation (also ein unerwünschtes Schließen der Bremse) bei extremen Temperaturen oder unsauberer Versorgungsspannung wird so sicher vermieden. Die zulässigen Betriebstemperaturen bei „High Torque“-Bremsen dürfen dann zwischen -15 °C und +120 °C liegen; bei Sonderbauformen sind sogar bis zu -40 °C möglich. Auch bei in dieser Hinsicht anspruchsvollen Anwendungen lassen sich dadurch die Vorzüge der PM-Bremsen nutzen. Man muss nicht zwangsläufig zu FD-Bremsen greifen und die damit verbundenen Nachteile wie niedrigere Leistungsdichte oder Verschleiß der Reibbeläge durch das Anlaufmoment in Kauf nehmen. Letzteres ist gerade in Windkraftanlagen unerwünscht, da Wartungsarbeiten hier besonders aufwendig und kostenintensiv sind. Ähnliches gilt aber durchaus auch für anspruchsvolle Anwendungen in Robotik oder Medizin- und Sicherheitstechnik. Die „High Torque“-Bremsen gibt es in unterschiedlichen Ausführungen mit Drehmomenten von 0,1 bis 500 Nm. Sie sind einfach zu montieren und sehr robust. Als Option stehen unterschiedliche Ankerausführungen zur Verfügung.


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High Torque PM-Bremse für Temperaturbereiche von -40°C bis + 120°C
Als Lösungsanbieter entwickelt, fertigt und vermarktet Kendrion innovative und hochwertige
elektromagnetische und mechatronische Systeme und Komponenten für Kunden auf der ganzen Welt. Der Geschäftsbereich Industrial Drive Systems (IDS) entwickelt und produziert elektromechanische Bremsen und Kupplungen für die industrielle Antriebstechnik. Typische Anwendungsbereiche finden sich überwiegend in den Bereichen Roboter- und Automatisierungstechnik, Werkzeug- und Produktionsmaschinenbau sowie Medizintechnik und Fördertechnik. Die Beschäftigung mit Elektromagneten findet ihren Ursprung bereits im Jahr 1911, als der erst 20 Jahre alte Firmengründer Wilhelm Binder einen Traum verwirklichte und sich selbstständig machte. Heute, über hundert Jahre nach der Firmengründung, ist Kendrion mit ihrem breiten Sortiment an Permanentmagnet- und Federdruckbremsen bestens für die Anforderungen und Aufgaben der Zukunft gerüstet. Die neu entwickelte Federdruckbremse Kobra komplettiert das Portfolio, sodass für jede Applikation immer die optimale Lösung zur Verfügung steht.

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