Permanentmagnetbremse im Miniaturformat

Die Autoren: Dr. Gregor Langer, Geschäftsführer, und Wilfried Niere, Verkaufsleiter, Kendrion (Aerzen), Aerzen

Miniaturisierung ist schon seit etlichen Jahren eine treibende Kraft beim technischen Fortschritt. Eng mit ihr verknüpft ist der Wunsch nach möglichst geringer Masse und niedrigem Energieverbrauch. Auch auf die Bremsentechnik hat dieser Trend Auswirkungen: Die miniaturisierte Permanentmagnetbremse von Kendrion (Aerzen) misst im Durchmesser lediglich 14 mm, wiegt nur 13,6 g, ist für einen Motorwellendurchmesser von 1,5 mm ausgelegt und passt damit perfekt zu kleinen Elektromotoren. Motorwellenpositionen, z. B. in Endlagen, können jetzt auch im unbestromten Zustand gehalten werden. Energieeinsparungen und weniger Abwärme sind die Folge. Dabei profitieren solche Anwendungen meist auch vom geringen Gewicht der kleinen Bremsen. Das Spektrum reicht hier von der Robotik und Medizintechnik bis hin zur Luft- und Raumfahrt oder mobilen Anwendungen in anderen Bereichen.

Permanentmagnetbremsen sind – unabhängig davon, wie groß oder klein sie sind – immer Haltebremsen. Sie haben also die Aufgabe, Lasten im Stillstand zu halten. Das Abbremsen der Bewegung wird dabei vom Antrieb übernommen. Nur im Fehlerfall, beispielsweise beim Not-Stopp, leistet die Haltebremse Bremsarbeit, um das System zum Stillstand zu bringen und anschließend in Ruhe zu halten. Aufgrund ihres Funktionsprinzips sind Permanentmagnetbremsen im stromlosen Zustand geschlossen.

Ist die Permanentbremse, (oft auch als Dauermagnetbremse bezeichnet) unbestromt, wird der Bremsanker vom Permanentmagnetfeld gegen den Stator bzw. das Erregersystem der Bremse gezogen. Die Bremse ist geschlossen und hält das Antriebssystem bis zum angegebenen Haltemoment im Stillstand. Im bestromten Zustand entsteht dann ein elektromagnetisches Feld, das die Anziehungskraft der Dauermagnete aufhebt, sodass der Anker durch die Zugkraft der Federn zwischen Anker und Flanschnabe vom Erregersystem gelöst wird. Die Bremse lüftet.

Durch die kraftschlüssige Verbindung zwischen Anker, Nabe und Welle ist die Permanentmagnetbremse spielfrei. Sie überzeugt gleichzeitig durch die für die Baugröße hohen Bremsmomente, also ihre Leistungsdichte, einen verschleiß- und restmomentfreien Betrieb, auch beim Motoranlauf, sowie kurze Schaltzeiten und Verdrehspielfreiheit. Permanentmagnetbremsen sind außerdem temperaturstabil und haben über den gesamten Temperaturbereich ein garantiert hohes Drehmoment. Im vorliegenden Fall wird letzteres von Anfang an zur Verfügung gestellt, sodass die Bremsen direkt und ohne Einlaufvorgang einsetzbar sind. Durch diese Eigenschaften ist die Lösung bestens geeignet für Servomotoren, beispielsweise in der Handhabungstechnik und Robotik.

Bisher konnte man diese Vorteile allerdings bei Kleinstantrieben nicht nutzen, da es keine Permanentmagnetbremsen entsprechender Baugröße gab. Natürlich können auch die kleinen Motoren ohne Bremse bestimmte Positionen und Endlagen halten, dazu müssen sie allerdings bestromt werden. Dann gilt: Je länger die angetriebene Einheit in einer bestimmten Lage bleibt, z. B. für einen bestimmten Bearbeitungsschritt, desto mehr Energie wird trotz Stillstand verbraucht. Gar nicht so selten ist dann der Energiebedarf fürs Halten höher als der für die Bewegung. Gleichzeitig produziert der bestromte Motor Abwärme, was in manchen Anwendungen ebenfalls unerwünscht sein kann und dann eventuell zusätzlichen Aufwand für Kühlmaßnahmen erfordert. Kleine Permanentmagnetbremsen sind folglich gleich aus mehreren Gründen für viele Applikationen interessant.

Eine Permanentmagnetbremse zu miniaturisieren ist allerdings kein Kinderspiel, denn das Verkleinern stellt hohe Anforderungen. Schließlich arbeiten in der Bremse drei Systeme zusammen, die optimal aufeinander abgestimmt werden müssen: das Permanentmagnet- und das Elektromagnetsystem sowie die Feder. Dabei gilt, je kleiner die Bremse, desto filigraner werden die physikalischen Gegebenheiten in ihrem Innern. Bei der Konstruktion müssen zudem die Leistungsgrenzen der eingesetzten Materialien berücksichtigt werden. Gleichzeitig sind die Anforderungen an die Fertigung beachtlich, da sich in dieser miniaturisierten Welt selbst kleine, in vielen anderen Bereichen durchaus tolerierbare Toleranzen negativ auswirken würden.

Diesen Herausforderungen hat sich Kendrion (Aerzen) jetzt erfolgreich gestellt. Mit viel Erfahrung und Know-how ist es den Spezialisten gelungen, die derzeit wohl kleinste Permanentmagnetbremse der Welt zu entwickeln. Sie misst im Durchmesser lediglich 14 mm, wiegt nur 13,6 g und ist für einen Motorwellendurchmesser von 1,5 mm ausgelegt. Sie passt somit perfekt zu allen elektrischen Kleinstantrieben in diesem Durchmesserbereich.

An den Motoren werden die Bremsen aufgeklebt, um die Abmessungen durch Flansche usw. nicht zusätzlich wieder zu vergrößern. Die kompakte Bremse benötigt folglich nur wenig Bauraum, was gerade bei der in vielen Bereichen fortschreitenden Miniaturisierung ein entscheidender Vorteil ist. Geringe Masse und die erzielbaren Energieeinsparungen sind natürlich ebenfalls Eigenschaften, von denen sich profitieren lässt. Anwendungen, bei denen es auf jedes Watt und jedes Gramm ankommt, gibt es schließlich quer durch alle Branchen, angefangen von der Robotik und Medizintechnik bis hin zur Luft- und Raumfahrt sowie in akkubetriebenen, mobilen Anwendungen. Der kleinen Permanentmagnetbremse eröffnen sich somit interessante Einsatzgebiete. I

Kendrion (Aerzen) GmbH

Wilfried Niere, Verkaufsleiter

Tel.: 05154 9531-34

Permanentmagnetbremsen auf individuelle Anforderungen maßgeschneidert