Eine Publikation der Binkert Medien AG
Permanentmagnet-Bremsen im Vergleich : Ausgabe 01/2015, 09.04.2015

Besser bremsen mit einer Magnetschale

Bei ihrem konventionellen Design stossen Permanentmagnet-Bremse an Grenzen, etwa was Spannungstoleranzen oder Betriebstemperaturbereiche anbelangt. Die High-Torque-Technologie liefert einen völlig neuen Aufbau des magnetischen Kreises. Dadurch kommt es selbst bei Temperaturen bis –40 °C zu keinen Fehlfunktionen mehr.

Bilder: Kendrion

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.

Magnete verdoppeln die Leistung

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 Bremse funktioniert nur bei bestimmten Temperaturen

Der Betriebstemperaturbereich ist allerdings auch bei PM-Bremsen nicht für alle Anwendungen ausreichend, was mit dem normalerweise üblichen Aufbau des Magnetkreises zusammenhängt. Liegt bei einer konventionellen PM-Bremse 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; das heisst, die – eigentlich geöffnete – Bremse schliesst wieder. Konventionelle PM-Bremsen sind deshalb im Spannungsabstand zwischen U1 und U2 so ausgelegt, dass eine sichere Funktion bei den im industriellen Umfeld üblichen Temperaturen zwischen –5 und +120 °C gewährleistet ist.

Ausserhalb des Temperaturbereichs kommt es zu Fehlleistungen

An dem Temperaturfenster lässt sich nicht so einfach rütteln, da der Spulenwiderstand sich linear mit der Temperatur verändert. Liegen die Umgebungstemperaturen aus-serhalb 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.

Herkömmliche Technologie reicht für die meisten Anwendungen

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 wie 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.

Schalenmagnet erweitert die PM-Bremse in andere Temperaturbereiche

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. Durch diesen Aufbau verändert sich bei bestromter Spule, das heisst bei geöffneter Bremse, der Verlauf des magnetischen Flusses. 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 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 bei diesen Systemen Wartungsarbeiten besonders aufwendig und kostenintensiv sind. Ähnliches gilt aber auch für anspruchsvolle Anwendungen in der Robotik oder der Medizin- und Sicherheitstechnik.

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Aufbau einer klassischen Permanentmagnetbremse


Bei der High-Torque-PM-Bremse ist der Permanentmagnet nicht ring-, sondern schalenförmig ausgeführt