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Bremse Federdruck- und Permanentmagnet-Bremse im Vergleich

| Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Jörg Heilmann / Ute Drescher

Federdruck- und Permanentmagnet-Bremsen gehören zu den am meisten verbreiteten Sicherheitsbremsen für Aufzüge, Hängebahnen, Windkraftanlagen oder Robotik und Maschinenbau. Doch Bremse ist nicht gleich Bremse. Die Applikation entscheidet über die Wahl der optimalen Bremse.

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An IEC-Standard-Normmotoren lassen sich Federdruckbremsen sehr gut montieren.
An IEC-Standard-Normmotoren lassen sich Federdruckbremsen sehr gut montieren.
(Bild: Kendrion)

Bremse ist nicht gleich Bremse. Je nach Einsatzbedingung unterscheidet man zunächst einmal zwischen Halte- und Arbeitsbremse. Die Haltebremse hat 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. Im Gegensatz dazu hat die Arbeitsbremse die Aufgabe, die Bewegungsenergie zu vernichten und wiederum anschließend das System im Stillstand in Ruhe zu halten. Typische Einsatzbereiche für Halte- und Arbeitsbremsen finden sich bei Aufzügen, Hängebahnen und Windkraftanlagen ebenso wie in der Robotik und im Maschinenbau.

Der Einsatz von Arbeitsbremsen tritt mehr und mehr in den Hintergrund, da moderne Antriebe und Steuerungen die Bremsaufgabe sicher bewältigen und zudem verschleißfrei arbeiten können. Applikationen, in denen Arbeitsbremsen zum Einsatz kommen, werden durch Federdruckbremsen bedient, da die dort eingesetzten organischen Reibsysteme (ähnlich wie die Bremsbeläge beim Auto) gut dafür geeignet sind, eine hohe Gesamtarbeit über die Lebensdauer zur Verfügung zu stellen. Für den zahlenmäßig deutlich überwiegenden Anteil der Haltebremsen-Applikationen kommen sowohl Permanentmagnet- als auch Federdruckbremsen zum Einsatz. Der Anwender hat hier die Qual der Wahl, wie in so vielen anderen Bereichen auch. Er muss entscheiden, welches Funktionsprinzip sich für seine Applikation am besten eignet. Beide haben dabei jeweils charakteristische Eigenschaften, die sie für die unterschiedlichen Einsatzbereiche prädestinieren.

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Zwei Wirkprinzipien – unterschiedliche Eigenschaften

Für beide Bremsentypen gilt, dass sie im stromlosen Zustand geschlossen sind. Es handelt sich um Sicherheitsbremsen; bei Stromausfall oder bei Versagen der Energieversorgung, z.B. durch Leitungsbruch wird das System sicher gehalten. Darüber hinaus gibt es jedoch grundsätzliche Unterschiede.

Bei der Federdruckbremse (Bild), 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 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. Die Bremse lüftet.

Beim Wirkprinzip „Permanentmagnet“ dagegen wird im unbestromten Zustand der Anker bzw. der Rotor vom Permanentmagnetfeld gegen den Stator bzw. das Erregersystem gezogen (Bild). 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 Permanentmagnetbremse spielfrei. Es gilt allerdings definierte Einbaubedingungen einzuhalten, um im Motor einen definierten Luftspalt zu gewährleisten.

Permanentmagnet-Bremsen, hohe Leistungsdichte und Dynamik

Aus diesen beiden Wirkprinzipien mit ihren unterschiedlichen Reibpaarungen, Stahl/Stahl bei der Permanentmagnetbremse sowie organische Reibbeläge/Stahl bei der Federdruckbremse, resultieren definierte, wesentliche Eigenschaften, aus denen sich für beide Bremsenarten typische Anwendungsfelder ergeben: Permanentmagnet-Bremsen (PE) eignen sich gut für Servomotoren, beispielsweise in der Handhabungstechnik und Robotik. Hier überzeugen sie vor allem durch ihre kompakten Abmessungen und ihr vergleichsweise geringes Gewicht. Die Leistungsdichte ist dank der Permanentmagnete doppelt so hoch wie bei Federdruckbremsen (FD) üblich. Aber auch aus anderen Gründen wird man den leichten und gleichzeitig dynamischen und nahezu abriebfreien Bremsen in der Robotik gern den Vorzug geben.

Die Abriebsfreiheit der PE-Bremse wird durch das Wirkprinzip der Bremse 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, z.B. der Erdbeschleunigung bei vertikaler Anordnung des Antriebs oder durch Fliehkräfte bei der Drehung der Rotorblätter einer Windkraftanlage erhöhen; wobei hier meist nur ein Reibbelag betroffen ist. Die PE-Bremse verhält sich beim Einsatz als reine Haltebremse mit Notstoppfunktion anders als die FD-Bremse. Die PE-Bremse 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. Erschwerend kommt noch der oben erwähnte Verschleiß durch Beschleunigungskräfte hinzu. Oftmals kann dieser zusätzliche Verschleiß nicht genau bestimmt werden, da meist nur eine Seite der Reibscheibe betroffen ist.

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