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Federdruckbremsen - Energetisch optimiert - KEM

Federdruckbremse
Energetisch optimiert

Beim Bremsen wurde bisher kaum übers Energiesparen nachgedacht. Steigende Strompreise verlangen ebenso nach energetisch optimierten Bremslösungen wie Motoren höherer Energieeffizienzklassen. Federdruckbremsen einer neuen Generation tragen der Entwicklung nach Energieeinsparung nun im besonderen Maße Rechnung.

 

Exklusiv in KEM Die Autoren: Jörg Heilmann, Global Sales Manager, Kendrion (Villingen) GmbH, Villingen, und Ellen-Christine Reiff, Redaktionsbüro Stutensee, Stutensee

Die hier vorgestellten Federdruckbremsen erreichen Energieeinsparungen von bis zu 75 %, überzeugen durch hohe Drehmomente und sind obendrein auch noch ausgesprochen langlebig. Dass gleichzeitig bei Produktion, Werkstoffauswahl und Recycling viel Wert auf Nachhaltigkeit und Umweltschutz gelegt wird, ist ebenfalls positiv zu vermerken.
Federdruckbremsen sind ideale Sicherheitsbremsen wenn es darum geht, bewegte Massen oder Lasten im Stillstand sicher zu halten. Die gängigste Bauart ist die elektromagnetische, ruhestrombetätigte Federdruckbremse, die üblicherweise an der B-Lagerseite eines Elektromotors angebaut wird. Unbestromt drücken Federn gegen die Ankerscheibe der Bremse. Die Reibbeläge des Rotors, der über eine Verzahnung mit der Motorwelle verbunden ist, werden zwischen dieser Ankerscheibe und der Anbaufläche der Bremse auf der Motorrückseite eingespannt.
Wird die Spule der Bremse bestromt, baut sich ein Magnetfeld auf, das die Ankerscheibe anzieht und so den Rotor mit den Reibbelägen freigibt. Im energielosen Zustand ist die Bremse geschlossen. Durch dieses Prinzip sind Federdruckbremsen ausfallsicher (fail-safe) unter allen Betriebsbedingungen, einschließlich Not-Aus und Stromausfall oder einer Beschädigung der Bremse, wie beispielsweise durch Bruch der Energiezuleitung oder Ausfall der Magnetspule. Auch dann bleibt die Brems- und Haltefunktion erhalten.
Definierter Luftspalt
Funktionsweise und Eigenschaften einer Federdruckbremse basieren damit prinzipiell auf einfachen physikalischen Zusammenhängen: So verhält sich die magnetische Kraft proportional zum magnetischen Fluss; der wiederum ist proportional sowohl zum aufgenommenen Strom als auch zur magnetischen Permeabilität, also zum Kehrwert des magnetischen Widerstands. Letzterer wird praktisch ausschließlich von der Größe des Luftspalts bestimmt. Das bedeutet, je größer der Luftspalt ist, desto kräftiger muss das Magnetfeld sein. In Folge dessen muss mehr Energie fürs Schalten aufgewendet werden; bei kleinerem Luftspalt ist der Energieaufwand (für das Schalten) deutlich geringer.
Genau bei diesem physikalischen Zusammenhang setzten die Bremsenspezialisten von Kendrion an, als sie mit der Entwicklung der Kobra (Kendrion Optimized Brake) starteten. Dabei ist es ihnen gelungen, frei und unabhängig von bereits bestehenden Produkten eine neuartige energieeffiziente Sicherheitsbremse zu entwickeln. Die Konstrukteure haben sich dazu vor allem die Größe des Luftspalts vorgenommen, um mit möglichst geringer elektrischer Leistung eine möglichst große Kraft, also ein hohes Bremsmoment oder Drehmoment zu erreichen.
Einsparpotenzial beim Energieverbrauch
Bei konventionellen Federdruckbremsen gilt es beim Luftspalt, d.h. beim Abstand zwischen Reibscheibe und Ankerplatte, immer die fertigungsbedingten Toleranzen zu berücksichtigen, die üblicherweise um die 0,16 mm betragen. Daraus ergeben sich für marktübliche Bremsen z. B. maximale Neuluftspalte von 0,3 mm, was in der Bremsenauslegung reduzierte Federkräfte mit daraus resultierendem geringerem Bremsmoment zur Folge hat. Hier schlummert Optimierungspotenzial, das jetzt erstmals erschlossen werden konnte: Die Grundlage dafür liefert ein in der Produktion mit hoher Genauigkeit eingestellter und überwachter Neuluftspalt. Hierbei werden die für den Abstand zuständigen Hülsen in einem zum Patent angemeldeten Verfahren auf Maß eingepresst. Toleranzen, die bei konventionellen Bremssystemen zu berücksichtigen sind, werden dadurch zuverlässig vermieden. Die Luftspalttoleranzen reduzieren sich von bei üblichen Bremsen vorliegenden 0,16 mm (Neuluftspalt: 0,13 bis 0,29 mm) auf 0,04 mm (Neuluftspalt: 0,13 bis 0,17 mm).
Die definierte und deutlich kleinere Luftspalttoleranz und der dadurch bedingte niedrigere magnetische Widerstand bringen gleich mehrere Vorteile. Dies kann beispielsweise entweder zur Erhöhung des Drehmoments, zur Verringerung des Haltestroms oder auch zur Verlängerung der Lebensdauer genutzt werden. So arbeiten die neuen Bremsen im Vergleich zu bisher marktüblichen Lösungen mit bis zu 80 % mehr Drehmoment oder dreifacher Lebensdauer. Da durch den niedrigeren magnetischen Widerstand die Leistungsaufnahme des Haltemagneten um etwa ein Drittel sinkt (z. B. von bisher 29 auf jetzt 19 W), entsteht weniger Wärme, was die Alterung der Komponenten verringert.
Besonders viel Energie lässt sich einsparen, wenn die Bremse noch mit einem Elektronikmodul (ESM, Energiesparmodul) zur leistungsreduzierten Ansteuerung kombiniert wird, welches die marktüblichen Gleichrichtermodule ersetzt und damit im Wesentlichen kostenneutral eingesetzt werden kann. I

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Kendrion (Villingen) Beate Hermannstädter, Assistenz der Geschaftsleitung
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