Sicherer Halt für Kleinstantriebe auch ohne BestromungPermanentmagnetbremse im Miniaturformat
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 nun Auswirkungen: Die derzeit kleinste Permanentmagnetbremse der Welt hat weniger Durchmesser als eine 1-Cent-Münze 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.
Permanentmagnet-Bremsen 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, z.B. beim Not-Stopp, leistet die Haltebremse Bremsarbeit, um das System zum Stillstand zu bringen und anschließend in Ruhe zu halten. Aufgrund ihres Funktionsprinzips sind Permanentmagnet-Bremsen im stromlosen Zustand geschlossen.
Wer bremst, gewinnt
Ist die Permanent-, oft auch als Dauermagnetbremse bezeichnet, unbestromt, wird der Brems-Anker 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 sehr 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.
Mit Know-how und Erfahrung zur Minibremse
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 Elektromagnet-System 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 kleinste, 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 kleinste Permanentmagnetbremse der Welt zu entwickeln. Sie misst im Durchmesser lediglich 14 Millimeter, wiegt nur 13,6 Gramm und ist für einen Motorwellendurchmesser von 1,5 Millemetern ausgelegt. Sie passt somit perfekt zu allen elektrischen Kleinstantrieben in diesem Durchmesserbereich.
Kompakt, leicht und energiesparend
An den Motoren werden die Bremsen aufgeklebt, um die Abmessungen durch Flansche etc. 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, zumal die Aerzener Bremsenspezialisten potentielle Anwender kompetent beraten. Die Mini-Bremsen sind schließlich keine „Produkte von der Stange“, sondern filigrane High-Tech-Systeme im Miniaturformat, die auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.
Alle Bilder: Kendrion (Aerzen)
