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5-2019

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Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Steuern und Regeln

Steuern und Regeln Maximale Performance auf minimalem Bauraum Kompaktes Ansteuermodul für elektromagnetische Bremsen durch Leitungsbruch, wird das System sicher gestoppt. 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 Wärme entwicklung 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. Bild 1: In vielen Anwendungen spielen elektrische Antriebe in kompakter Bauform und mit hoher Leistungsdichte eine wichtige Rolle. (Quelle: zhudifeng / iStockphoto) Autoren: Martin von Wysocki, Entwicklung Elektronik (links) und Dominik Hettich, Head of R&D Kendrion (Villingen) GmbH sales-ids@kendrion.com www.kendrion-ids.com 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 praxis gerechte Lösung. Sie reduzieren den Energiebedarf und in Folge dessen auch die Wärmeentwicklung. Ideale Sicherheitsbremsen Elektromagnetische, bei Ruhestrom gelüftete Bremsen sind ideale Sicherheitsbremsen, wenn bewegte Massen oder Lasten im Stillstand gehalten werden müssen (Bild 1). Bei Stromausfall oder bei Versagen der Energieversorgung, z. B. Weniger Wärme, mehr Leistung und optimierte Schaltzeit Kendrion hat auf diese Anforderungen reagiert und speziell für elektromagnetische Aktoren die Ansteuermodule der „Slim Collection“ (Bild 2) entwickelt. Sie werden als PWM-Modul für Servo motoren sowie als Übererregungs-, Brückenoder Einweggleichricher für Asynchronmotoren angeboten und eignen sich für Bremsen bis ca. 225 W Halte- bzw. 450 W Schalt leistung (Bild 3). Zum schnellen und kraftvollen Einschalten kann zeitbegrenzt die volle Schaltspannung zur Verfügung gestellt werden, was die Öffnungszeit verkürzt. Danach schaltet die Elektronik microcontrollergesteuert 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. Bild 2: Kompaktes Ansteuermodul „Slim Collection“ für elektromagnetische Bremsen. (Quelle: Kendrion) 44 PC & Industrie 5/2019

Steuern und Regeln Bild 3: Ansteuermodul für Bremsen in AC- und DC-Motoren. (Quelle: Kendrion) Integrierter Spannungssensor 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 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 Abschalten der Stromzufuhr wird auf einen Varistor umgeschaltet. Dies ermöglicht im Vergleich zu konventionellen Lösungen deutlich schnellere Schließzeiten. Innovative Fertigungstechnologie Hinzu kommen weitere Eigenschaften, die dem Anwender einen Mehrwert liefern. Die Ansteuermodule beanspruchen beispielsweise deutlich weniger Platz als am Markt vorhandene Lösungen (Bild 4). Dafür gibt es gleich mehrere Gründe. So werden ausschließlich modernste, hochintegrierte Mikroelektronik- und Leistungsbauteile, also kleine SMD-Bauteile verwendet, 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 optimiert und verkürzt. Dadurch Bild 4: Innovative Fertigungstechnologien als Grundlage für kompakte Bauform und Leistungsfähigkeit. (Quelle: Kendrion) 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 Über Kendrion Kendrion entwickelt, fertigt und vermarktet hochwertige elektromagnetische Systeme und Komponenten für Industrie- und Automotive-Anwendungen. Bereits seit mehr als einem Jahrhundert liefert das Unternehmen Präzisionsteile für weltweit tätige Innovationsführer in den Bereichen PKW, Nutzfahrzeuge und Industrie. Der Geschäftsbereich Industrial Drive Systems (IDS) konstruiert und produziert elektromagnetische Bremsen und Kupplungen für die industrielle Antriebstechnik. Typische Anwendungsbereiche finden sich überwiegend in der Roboter- und Automatisierungstechnik, im Werkzeug- und Produktionsmaschinenbau sowie in der Medizin- und Fördertechnik. Heute ist die Kendrion (Villingen) GmbH mit ihrem breiten Sortiment an Permanentmagnet- und Federdruckbremsen bestens für die Anforderungen und Aufgaben der Zukunft gerüstet. bei den Kosten, beim Platzbedarf und auch beim Installationsaufwand positiv bemerkbar macht: Das lediglich 60 x 24 x 13 mm kleine Modul findet antriebsnah oder im Klemmen kasten kleiner und mittlerer Motoren problemlos Platz (Bild 5) 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. Fazit Kendrion ist der erste Anbieter, der diese Fertigungstechnologien für Ansteuermodule einsetzt. Welche Vorteile sich dadurch für den Anwender ergeben, lässt sich mit wenigen Worten auf den Punkt bringen: kompakte Bauform, hohe Leistungsdichte, einfache Montage und günstiger Preis. ◄ Bild 5: Vergleich zu konventionellen Bauformen: Höhere Leistungsdichte bei deutlich niedrigerem Preis. (Quelle: Kendrion) PC & Industrie 5/2019 45

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel