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. Und die kompakten Antriebe sollen zusätzlich möglichst auch »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.
Bild 1: In vielen Anwendungen spielen elektrische Antriebe in kompakter Bauform und
mit hoher Leistungsdichte eine wichtige Rolle
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. 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 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.
Weniger Wärme, mehr Leistung und optimierte Schaltzeit
Bild 2: Kompaktes Ansteuermodul »Slim Collection« für elektromagnetische Bremsen
Der Bremsenspezialist Kendrion hat auf diese Anforderungen reagiert und speziell für elek-tromagnetische Aktoren die Ansteuermodule der »Slim Collection« (Bild 2) entwickelt. Sie werden als PWM-Modul für Servomotoren sowie als Übererregungs-, Brücken- oder Einweggleichricher für Asynchronmotoren angeboten und eignen sich für Bremsen bis ca. 225 W Halte- bzw. 450 W Schaltleistung (Bild 3). Zum schnellen und kraftvollen Einschalten kann zeitbegrenzt die volle Schaltspannung zur Verfügung gestellt werden, was die Öffnungszeit verkürzt. Danach schaltet die Elektronik – gesteuert durch einen Microcontroller – 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 3: Ansteuermodul für Bremsen in AC- und DC-Motoren
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. 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 lassen sich auch kleine Losgrößen zu geringen Kosten produzieren.
Bild 4: Vergleich zu konventionellen Bauformen: die Platzersparnis
ist deutlich
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. Bei diesem Verfahren wird mit lösungsmittelfreien und bei Raumtemperatur mehr oder weniger festen Schmelzklebstoffen oder mit Heißklebestoffen gearbeitet, die im heißen Zustand auf die Klebefläche aufgetragen werden und beim Abkühlen eine feste Verbindung herstellen.
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 mm x 24 mm x 13 mm kleine Modul findet antriebsnah oder im Klemmenkasten kleiner und mittlerer Motoren problemlos Platz (Bild 4) 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.
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.
