- Pressemitteilung 15.01.2015 „High-Torque“ oder klassisch: zwei Technologien für unterschiedliche Anwendungen

Permanentmagnet-Bremsen im Vergleich Permanentmagnet-Bremsen als Haltebremsen mit Notstoppfunktion gehören heute aus guten Gründen zu den am meisten verbreiteten 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. Damit sind sie bestens geeignet für Servomotoren in den unterschiedlichsten Einsatzbereichen. 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 OutdoorAnwendungen, z.B. in Windkraftanlagen oder im Sicherheitsbereich.

Bild 1: Die Grenzen klassischer PM-Bremsen sind weit gesteckt und kommen in den meisten Anwendungen in Handhabungstechnik und Robotik nicht zum Tragen. Es gibt jedoch auch Bereiche, die durchaus höhere Anforderungen in die Bremsen haben.

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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

(Bild 2). Im bestromten Zustand

entsteht

ein

elektromagnetisches Feld, das

die Anziehungskraft

der

Permanentmagnete

aufhebt und so den Anker durch Federn

die

Zugkraft

zwischen

der

Bild 2: Aufbau einer „klassischen“ Permanentmagnet-Bremse.

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 Leider ist aber auch bei PM-Bremsen der Betriebstemperaturbereich nicht für alle Anwendungen ausreichend, was mit dem normalerweise üblichen Aufbau des Magnetkreises zusammenhängt. Bild 3 zeigt den magnetischen Fluss einer konventionellen PM-Bremse bei bestromter und unbestromter Spule.

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Liegt keine Spannung an, ist

die

Bremse

schlossen; sobald

sie

die

spannung

geöffnet

Lüftungs-

(U1)

anliegt

(Bild 4). Wenn der Wert U2 erreicht wird, kommt es zu einer

Überkompensation;

das heißt die – eigentlich geöffnete

–

Bremse

schließt wieder. Konven-

Bild 3: Magnetischer Fluss einer konventionellen PM-Bremse bei bestromter

tionelle PM-Bremsen sind

(links) und unbestromter (rechts) Spule.

deshalb

im

Spannungs-

abstand 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. Bild 4: Spannungsdiagramm einer klassischen PM-Bremse.

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. 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

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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 5). Durch diesen patentierten Aufbau verändert sich bei bestromter Spule – d.h. bei geöffneter Bremse – der Verlauf des magnetischen Flusses (Bild 6). Dadurch fallen Reaktionen auf Temperatur-änderungen oder

Spannungsschwan-

kungen deutlich geringer aus. Bild 5: Aufbau einer „High Torque“-PM-Bremse. Der Permanentmagnet ist hier nicht ring-, sondern schalenförmig ausgeführt.

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

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wie niedrigere Leistungsdichte oder Verschleiß der Reibbeläge

durch

Anlaufmoment nehmen. gerade

in

das Kauf

Letzteres in

ist

Windkraft-

anlagen unerwünscht, da Wartungsarbeiten

hier

besonders aufwendig und

Bild 6: Magnetischer Fluss einer „High Torque“-PM-Bremse bei bestromter (links)

kostenintensiv

sind.

und unbestromter (rechts) Spule.

Ähnliches

aber

gilt

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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