01.10.2014

Federdruck und Permanentmagnet im Vergleich:

Bremse ist nicht gleich Bremse

Je nach Einsatzbedingung braucht es eine Halte- oder Arbeitsbremse. Erstere hat die Aufgabe, Lasten im Stillstand zu halten - der Bremsvorgang wird dabei vom Antrieb übernommen. Nur im Fehlerfall oder beim Not-Stopp muss die Haltebremse Bremsarbeit ein System zum Stillstand bringen. Die Arbeitsbremse hingegen, vernichtet regelmäßig Bewegungsenergie und hält anschließend das System im Stillstand. Doch ihre Tage beziehungsweise Einsätze sind gezählt.

Autor: Dipl.-Ing. (FH) Jörg Heilmann, Global Sales Manager, Kendrion (Villingen) GmbH


Bild 1: Sicherheitsbremsen müssen bewegte Massen oder Lasten abbremsen und bei Bedarf im Stillstand sicher halten. Typische Einsatzbereiche finden sich bei Aufzügen und Hängebahnen genauso wie in der Robotik oder im Maschinenbau.
Bild: Kendrion (Villingen) GmbH

Arbeitsbremsen treten mehr und mehr in den Hintergrund, da moderne Antriebe und Steuerungen die Bremsaufgabe sicher bewältigen und zudem verschleißfrei arbeiten. Applikationen, in denen sie noch zum Einsatz kommen, werden durch Federdruckbremsen bedient, da die eingesetzten Reibsysteme - ähnlich wie die Bremsbeläge beim Auto - gut geeignet sind, um eine hohe Gesamtarbeit über die Lebensdauer zur Verfügung zu stellen. Bei den zahlenmäßig deutlich überwiegenden Applikationen für Haltebremsen kommen sowohl Permanentmagnet-(PE) als auch Federdruckbremsen(FD) zum Einsatz. Der Anwender hat hier die Qual der Wahl: Er muss entscheiden, welches Funktionsprinzip sich besser eignet und dabei die jeweils charakteristische Eigenschaften für die unterschiedlichen Einsatzbereiche abwägen.

Zwei Wirkprinzipien

Beide Typen sind im stromlosen Zustand geschlossen, da es sich um Sicherheitsbremsen handelt, die bei wegbrechender Energieversorgung das System sicher halten müssen. Es gibt jedoch grundsätzliche Unterschiede: Bei der FD-Bremse (Bild 2, links), die üblicherweise an der B-Lagerseite eines Elektromotors angebaut wird, drücken im unbestromten Zustand Federn gegen die Ankerscheibe der Bremse. Die Reibbeläge des Rotors, der über eine Verzahnung mit der Motorwelle verbunden ist, werden zwischen Ankerscheibe und Anbaufläche 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. Die Bremse lüftet. Beim PE-Wirkprinzip hingegen wird im unbestromten Zustand der Anker oder der Rotor vom Permanentmagnetfeld gegen den Stator oder das Erregersystem gezogen (Bild 2, rechts). 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 PE-Bremse spielfrei. Es gilt allerdings definierte Einbaubedingungen einzuhalten, um im Motor einen definierten Luftspalt zu gewährleisten.

Leistungsdichte und Dynamik

Aus den beiden Wirkprinzipien und den unterschiedlichen Reibpaarungen (Stahl/Stahl bei PE; organische Reibbeläge/Stahl bei FD) resultieren wesentliche Eigenschaften sowie die typischen Anwendungsfelder: PE-Bremsen eignen sich gut für Servomotoren, beispielsweise in der Handhabungstechnik und Robotik. Hier überzeugen sie vor allem durch kompakte Abmessungen und vergleichsweise geringes Gewicht. Die Leistungsdichte ist üblicherweise doppelt so hoch wie bei FD-Bremsen. Aber auch weitere Gründe sprechen für die leichten, dynamischen Bremsen in der Robotik: Die Abriebsfreiheit wird durch das Wirkprinzip sichergestellt. Der Anker wird vollständig durch die Feder gelüftet. Bei der FD-Bremse entsteht ein Anlaufverschleiß, da sich bei Drehzahlerhöhung erst ein Luftpolster zwischen Belag und Reibflächen aufbauen muss. Dieser Verschleiß kann sich durch Beschleunigungen der Reibscheibe erhöhen. Zudem verhält sich die PE-Bremse beim Einsatz als reine Haltebremse mit Notstoppfunktion anders. Sie ist auf Grund ihres Aufbaus restmomentfrei; es gibt nur Abrieb bei den Notstopps. Im Betrieb wird der Anker vollständig durch die Feder gelüftet. Demgegenüber hat die FD-Bremse ein Anlaufmoment, was zu einem gewissen Verschleiß bei jedem Anlauf führt. Oftmals kann der Verschleiß durch Beschleunigungskräfte nicht genau bestimmt werden, da meist nur eine Seite der Reibscheibe betroffen ist. Ein weiterer Unterschied liegt im Temperaturbereich. PE-Bremsen sind hier sehr stabil und garantieren über den gesamten Temperaturbereich ein hohes Drehmoment. Anders bei den FD-Bremsen: Hier wird die Temperaturstabilität im Wesentlichen durch die Zusammensetzung des organischen Reibbelags beeinflusst - vergleichbar mit einem Autoreifen, der auch für verschiedene Einsatzbedingungen entwickelt wird. Bei hohen Reibkoeffizienten hat der Belag eine gute Haftung, man erreicht hohe Drehmomente, dafür verschleißt der Belag aber sehr schnell. FD-Bremsen zeigen dann einen stärkeren Abfall über den gesamten Temperaturbereich und haben bei +120 oder -40°C teilweise nur noch das halbe Drehmoment. FD-Bremsen erzielen also entweder gute Drehmomente, sind dann aber nicht so temperaturstabil oder es liegt bei einem temperaturstabilem Belag der Reibkoeffizient vergleichsweise niedriger. Bei einem vorgegebenen Temperaturbereich lässt sich das Drehmoment eine FD-Bremse aber sehr genau auf den vom Kunden spezifizierten Designprozess einstellen.

Einfach montierbare Allrounder

Hub- und Fahrantriebe mit hohen Bremsenergien und definiertem Bremsmoment - also kontrolliertes Verzögern bei Notstopp - können durch PE-Bremsen nicht bedient werden. Darüber hinaus gibt es zahlreiche Anwendungen, bei denen keine hohe Dynamik und Leistungsdichte erforderlich ist, zum Beispiel Krane, Hängeförderer oder Rolltore. Die Bremse muss nur im Fall der Fälle bremsen, bei Not-Stopp gegebenenfalls hohe Verzögerungswerte pro Bremsung liefern und das Gewicht zuverlässig halten. Schaltzeit und Leistungsdichte spielen dann nur eine untergeordnete Rolle. Hohe Bremsarbeit ist für organische Reibbeläge kein Problem und die FD-Bremsen lassen sich bei Bedarf auch als Arbeitsbremse nutzen. Außerdem ist das Trägheitsmoment durch das vergleichsweise geringe Gewicht der Reibscheibe niedriger als bei PE-Bremsen. Hinzu kommt, dass in diesen Applikationen meist IEC-Standardmotoren eingesetzt sind, an denen sich FD-Bremsen unkompliziert montieren lassen. Die Bremse, deren Aufbau im Vergleich zu Permanentmagnet-Bremsen weniger komplex ist, bleibt in der Regel gut zugänglich. Wer in einen kostengünstigen Standardmotor einsetzen kann, wird daher normalerweise zu einer FD-Lösung greifen und einen auf die Anwendung abgestimmten Reibbelag ausgewählen. Die FD-Bremse kann dann gut auf ein gewünschtes Drehmoment mit einer relativ kleinen Toleranz eingestellt werden. Ist zudem der Temperaturbereich noch vergleichsweise klein, kann über diesen Bereich das Drehmoment gut gehalten werden. Außerdem ist auch hier die Entwicklung nicht stehen geblieben: Mit den Kobra-Bremsen von Kendrion können 80% mehr Drehmoment oder die dreifache Lebensdauer im Vergleich zu marktüblichen Lösungen erreicht werden. Durch Reduktion der Ansteuerleistung wird der Stromverbrauch um ein Drittel gesenkt und Wärme vermieden, was die Alterung der Komponenten verringert.

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Gute Beratung tut not

Zusammenfassend haben also sowohl FD- als auch PE-Bremsen ihre Berechtigung; die eierlegende Wollmilchsau gibt es nicht. Da bei der Auswahl sehr unterschiedliche Aspekte zu berücksichtigen sind, ist kompetente Beratung wichtig. Dann ist es natürlich von Vorteil, wenn der beratende Bremsenhersteller beide Wirkprinzipien im Programm hat und seine Kunden neutral, sprich ohne Eigeninteresse, berät. n

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