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Physikalische Eigenschaften von Sicherheitsbremsen neu analysiert

Physikalische Eigenschaften von Sicherheitsbremsen neu analysiert

Physikalische Eigenschaften von Sicherheitsbremsen neu analysiert

Die Strom-Effizienz von elektromagnetischen Sicherheitsbremsen spielt zunehmend eine immer wichtigere Rolle in der energetischen Gesamtbetrachtung einer Maschine. Zusätzlich muss der Bauraumreduzierung Rechnung getragen werden, was bedeutet, dass Sicherheitsbremsen deutlich kompakter sein müssen.

Physikalische Eigenschaften von Sicherheitsbremsen neu analysiert

Bild: Miki Pulley

Das Wirkprinzip einer elektromagnetischen Sicherheitsbremse basiert auf der Erzeugung von Reibung. Die daraus resultierende Bremskraft oder das Bremsmoment wird durch vorgespannte ­Federn erzeugt. Gelüftet werden die Bremsen elektromagnetisch, durch den Aufbau eines Magnetfeldes welches der Federkraft entgegenwirkt. Im energielosen Zustand ist die Bremse geschlossen und bringt das Brems- und Haltemoment auf. Was bedeutet das energetisch betrachtet für den alltäglichen Gebrauch einer Maschine, welche mit einer oder mehreren Sicherheitsbremsen ausgerüstet ist?
Im Ruhezustand der Maschine ist die Bremse stromlos und hat keine Energieaufnahme. Damit die Maschine jedoch betrieben werden kann, muss die Sicherheitsbremse gelüftet und damit ­konstant unter Strom gesetzt werden. Die Bremse nimmt somit Energie auf und wandelt diese in Wärme um. Kurz gesagt, die Bremse verursacht Kosten, wenn die Wirkung der Bremse, nämlich das ­Abbremsen oder Halten, nicht gebraucht wird.
Welche physikalischen Eigenschaften (oder: technischen Grundlagen) beeinflussen den Energieverbrauch bei einer elektromagnetischen Bremse? Auch wir bei Miki Pulley können die Physik nicht neu erfinden. Somit sind wir daran gebunden, bestehende Eigenschaften zu hinterfragen und gegebenenfalls zu optimieren. Wir haben die Spulengeometrie und die Erregung der magnetischen Feldstärke genauer betrachtet. Unsere langjährige Produk­tionserfahrung hat es uns ermöglicht, die Spulen neu, ohne Spulenträger zu wickeln. Das erlaubt eine freie Formgebung der Spule. Miki Pulley kann mehr Windungen bei gleichem Volumen erreichen und dadurch die magnetische Flussdichte erhöhen. Mittels FEM-Analyse konnte eine Erhöhung der magne­tischen Feldstärke um 18 % nachgewiesen werden.

 BXR-LE – Sicherheitsbremsen neu definiert

BXR-LE – Sicherheitsbremsen neu definiert (Bild: Miki Pulley)

Über 90 % Strom einsparen

Die magnetische Feldstärke H wird durch den angelegten Strom erzeugt und hängt mit der magnetischen Flussdichte B zusammen. Die magnetische Flussdichte B ist wiederum abhängig von der mag­netischen Leitfähigkeit (des betrachteten Raumpunktes beziehungsweise Materials).
Wir haben beim Einschalten des Stromes zum Zeitpunkt t > 0 s zur Berechnung der verfügbaren Flussdichte somit Eisen und einen schmalen Luftspalt zur Verfügung. Zum Zeitpunkt t >> 0 s nur Eisen, da die Ankerplatte nach bereits rund 0,03 s an den Stator angezogen wird. Es entsteht ein geschlossener magnetischer Kreis.
Da Luft ein Isolator ist, ist die Flussdichte B und damit auch magnetische Feldstärke H zum Zeitpunkt t >> 0 s bei konstant gebliebenem Strom deutlich höher. Miki Pulley hat u. a. in empirischen Tests untersucht, was im gelüfteten Zustand (d. h. der Rotor ist frei drehend) die minimale Stromaufnahme der Bremse sein muss, um eine dauerhaft zuverlässig gelüftete Bremse zu garantieren.
Unsere Lösung ist das mitgelieferte Power Supply, welches die Stromaufnahme nach bereits 0,2 s von 24 auf 7 V reduziert. So können wir nachweislich über 90 % Stromeinsparung (von 22 auf 1,9 W) pro Bremse realisieren. Weiterer positiver Effekt ist die Tatsache, dass dadurch auch weniger Wärme erzeugt wird und das System deutlich weniger stark belastet wird. Das spiegelt sich in einer deutlich geringeren Signal-Fehlerrate und in einer längeren Lebensdauer der Bremse wider.

Erhöhung der magnetischen Feldstärke um 18 % durch Weglassen des Spulenträgers bei der Wicklung der Spule (Bild: Miki Pulley)

Reduzierung der Stromaufnahme nach 0,2 s (Bild: Miki Pulley)

Es wird kompakter

Neben der elektrischen Effizienz standen noch weitere Eigenschaften einer Sicherheitsbremse bei Miki Pulley im Fokus. Miniaturisierung in der Industrie erfordert das Zusammenspiel von allen Komponenten. Der Markt verlangt nach kompakten, immer leichteren, wartungsfreien und ohne viel Aufwand zu installierenden Sicherheitsbremsen, ohne jedoch auf hohe Drehmomentaufnahme verzichten zu müssen.
Das maximale Drehmoment unserer Sicherheitsbremsen wird neben anderen Parametern direkt von der Federkraft und dem Reibbelag beeinflusst. Die Federkraft haben wir bereits durch eine Erhöhung der magnetischen Flussdichte steigern können. Somit bleibt der Rotor mit seinem Reibbelag als abschliessende Option übrig.
Den Aufbau des Rotors mit dem Reibbelag haben wir grundlegend verändert. Anstatt den Reibbelag auf einer dünnen Metallschicht aufzukleben, haben wir ein Gitternetz genommen. Dies ­reduziert das Eigengewicht und die Dicke des Rotors bereits ­beträchtlich. Zusätzlich erhalten wir durch die Verschmelzung der beiden Reibbeläge durch das Gitter hindurch eine sehr hohe Haftfestigkeit des Materials.
Die Rezeptur des Reibbelages kann individuell an die Anwendung angepasst werden. So haben wir bereits standardmässig Beläge für Haltefunktion, Bremsfunktion oder eine Kombination aus beidem ausgelegt. Die Rezeptur und Herstellung des Reibbelages ist Know-how von Miki Pulley. Das erlaubt uns, die Materialien konstant zu variieren um die Reib- und Verschleisswerte zu verändern.

Hochfestes Fiberglas-Gitternetz wird mit dem harzhaltigen Reibbelag verschmolzen (Bild: Miki Pulley)

Die Höhe der Sicherheitsbremse konnte bei gleichbleibender Drehmomentaufnahme auf ca. 1/3 der ursprünglichen Höhe reduziert werden (Bild: Miki Pulley)

Referenzliste für mehr Überblick

Anhand der erbrachten Optimierungen haben wir eine vollkommen neue und kompakte Sicherheitsbremse realisiert, ohne dabei auf gleichbleibende Aufnahme von Drehmomenten verzichten zu müssen. Typische Anwendungsbeispiele sind in Roboterachsen, Nabenmotoren und Elektromotoren zu finden. Kurz gesagt: überall dort, wo der Bauraum reduziert werden soll und trotzdem gleichbleibende Drehmomente aufgenommen werden sollen.
Mit der Miki Pulley BXR und BXR-LE Modellreihe decken wir aktuell Drehmomente von 0,06 bis 55 Nm ab. Kundenspezi-fische Abmessungen, Drehmomente und Reibbeläge sind ebenfalls ­realisierbar. Eine eigens von Miki Pulley erstellte umfang­reiche Cross-Referenz-Liste für Miki Pulley ­Bremsen und gängige Elektro-Motoren zeigt, welche Standardbremse für den ­jeweiligen Motortyp geeignet ist. Diese ­Liste wird konstant erweitert, um den neuen Motoren auf dem Markt Rechnung zu tragen.

www.mikipulley.eu


Autor: Dipl.-Ing. Marc Schweisfurth ist geschäftsführender Gesellschafter bei der Miki Pulley Europe AG in Schaffhausen, Schweiz

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Veröffentlicht von

Redaktion ANTRIEBSTECHNIK

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