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DER KONSTRUKTEUR 11/2019

DER KONSTRUKTEUR 11/2019

MASCHINENSICHERHEIT

MASCHINENSICHERHEIT WENIGER WÄRME WIRKT WUNDER Sicherheitsbremsen sorgen im Notfall dafür, dass bewegte Massen sicher gestoppt werden. Im Haltezustand verbraucht die Bremse durchgängig Energie und erzeugt Wärme, die in engen Bauräumen mit viel Leistungselektronik unerwünscht ist. Ansteuermodule für elektromagnetische Bremsen reduzieren den Energiebedarf der Bremse und somit auch die Wärmeentwicklung. SPECIAL Elektromagnetische, bei Ruhestrom gelüftete Bremsen sind ideale Sicherheitsbremsen, die bei Stromausfall oder bei Versagen der Energieversorgung, z. B. durch Leitungsbruch, Systeme sicher stoppen. Die Funktionsweise basiert prinzipiell auf einfachen physikalischen Zusammenhängen. Im energielosen Zustand ist die Bremse geschlossen. Fließt Strom durch die Spule, baut sich ein Magnetfeld auf, das die Ankerscheibe anzieht und so den Rotor freigibt. Das heißt im Umkehrschluss, wenn nicht gebremst wird, verbraucht die Bremse Energie und erzeugt Wärme. Diese Wärmeentwicklung ist immer dann kritisch, wenn die Leistungsdichte im Vordergrund steht oder auch temperaturempfindliche Elektronik im Antrieb integriert werden soll. Je kompakter der Bauraum ist, desto mehr verschärft sich die Problematik. Daher sollten die Komponenten im Antrieb möglichst wenig Wärme erzeugen. KOMPAKTES ANSTEUERMODUL Der Bremsenspezialist Kendrion hat auf diese Anforderungen reagiert und speziell für elektromagnetische Aktoren die Ansteuermodule der „Slim Collection“ entwickelt. Sie werden als Pulsweitenmodulation (PWM) für Servomotoren sowie als Übererregungs-, Brücken- oder Einweggleichrichter für Asynchronmotoren angeboten und eignen sich für Bremsen bis ca. 225 W Halte- bzw. 450 W Schaltleistung. Zum schnellen und kraftvollen Einschalten kann zeitbegrenzt die volle Schaltspannung zur Verfügung gestellt werden, was die Öffnungszeit verkürzt. Danach schaltet die Elektronik durch Microcontroller gesteuert auf einen variablen Wert herunter. Diese Absenkung der Haltespannung durch die neuen Ansteuermodule führt zu einer Energieeinsparung von bis zu 75 % im Normalbetrieb des Motors. Der Wärmehaushalt des gesamten Antriebs wird dadurch deutlich entspannt. Beim Abschalten oder Ausfall der Eingangsspannung wird durch einen integrierten Spannungssensor initiiert, dass die elektronische Ausgangsspannung abgeschaltet wird. Die Bremse schaltet dadurch schneller, fällt ein und kann mit reduziertem Nachlaufweg Autoren: Martin von Wysocki, Entwicklung Elektronik; Dominik Hettich, Head of R&D, beide Kendrion GmbH, Villingen die Applikation sicher zum Stillstand bringen. Gleichzeitig werden durch induktive Lasten entstehende hohe Abschaltspannungen im Modul auf zulässige Werte begrenzt. Um beim PWM-Modul ein sauberes Signal im Dauerbetrieb zu erhalten, ist eine Freilaufdiode über der Bremse notwendig. Beim DIE ABSENKUNG DER HALTE- SPANNUNG DURCH DIE ANSTEUERMODULE BEWIRKT EINE ENERGIEEINSPARUNG VON BIS ZU 75% Abschalten der Stromzufuhr wird auf einen Varistor umgeschaltet. Dies ermöglicht im Vergleich zu konventionellen Lösungen deutlich schnellere Schließzeiten. KOMPLETTE ELEKTRONIK AUF EINER LEITERPLATTE Hinzu kommen weitere Eigenschaften, die dem Anwender einen Mehrwert liefern. Die Ansteuermodule beanspruchen wenig Platz, da ausschließlich modernste, hochintegrierte Mikroelektronikund Leistungsbauteile, also kleine SMD-Bauteile verwendet werden, die sich automatisiert bestücken lassen. Letzteres gilt sogar für die Anschlussklemme. Somit können alle Bauteile mit dem Reflow-Verfahren gelötet werden, was den gesamten Produktionsprozess deutlich 01 Kompaktes Ansteuermodul für elektromagnetische Bremsen 90 DER KONSTRUKTEUR 11/2019

02 Die Ansteuermodule beanspruchen wenig Platz, da ausschließlich hochintegrierte Mikroelektronik- und Leistungsbauteile verwendet werden optimiert und verkürzt. Dadurch lassen sich auch kleine Losgrößen zu geringen Kosten produzieren. Die komplette Elektronik des Ansteuermoduls ist somit auf einer Leiterplatte untergebracht, die anschließend im Niederdruckverfahren mit bis zu 150 °C temperaturbeständigem Kunststoff umspritzt wird. Dieses aus der Steckertechnologie bekannte Hot-Melt-Verfahren lässt sich dank der Verfügbarkeit hochtemperaturfester Kunststoffe nun auch für die Leistungselektronik nutzen. Der Kunststoff sorgt für gute Wärmeableitung und schützt die Bauteile gegen Vibration, Schock und widrige Umgebungsbedingungen. Ein zusätzliches Gehäuse ist daher nicht notwendig, was sich ebenfalls bei den Kosten, beim Platzbedarf und auch beim Installationsaufwand positiv bemerkbar macht: Das lediglich 60 × 24 × 13 mm kleine Modul findet antriebsnah oder im Klemmenkasten kleiner und mittlerer Motoren problemlos Platz und wird mit nur einer zentralen Schraube befestigt. Die Schneidklemme erleichtert den Anschluss der Bremse am Modul. Die Zuleitung der Bremse kann werkzeuglos befestigt werden, dadurch ist ein Anschrauben nicht mehr erforderlich. Darüber hinaus bietet die innovative Fertigungstechnologie noch einen weiteren Vorteil: Kundenspezifische Bauformen sind dank geringer Werkzeugkosten auch für kleine Stückzahlen umsetzbar. Bilder: zhudifeng / iStockphoto; Jens Hagen; Kendrion www.kendrion-ids.com „WÄRMEREDUKTION WIRD ZU EINEM WICHTIGEN THEMA“ Dominik Hettich, Head of R&D, Kendrion GmbH Da der Trend nicht nur in der Antriebstechnik zu kompakten Bauformen geht, sind heute in vielen Anwendungen elektrische Antriebe mit hoher Leistungsdichte gefragt. Gleichzeitig spielt aber auch die Integration elektronischer Baugruppen eine wesentliche Rolle; die kompakten Antriebe sollen zusätzlich möglichst „intelligent“ sein. Dies wirkt sich allerdings kritisch auf den Temperaturhaushalt in der Applikation aus, z. B. in einem Robotergelenk, wo Leistungselektronik, Antrieb, Getriebe, Sensorik und Bremse hochintegriert sind. Wärmereduktion wird dann zu einem wichtigen Thema. Kompakte Ansteuermodule für elektromagnetische Bremsen, die den Haltestrom absenken, sind in diesem Zusammenhang eine praxisgerechte Lösung. Sie reduzieren den Energiebedarf und in Folge dessen auch die Wärmeentwicklung. www.DerKonstrukteur.de

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