DE102021110606A1

DE102021110606A1 - Bremseinheit mit einer Magnetbremse für elektrisch angetriebene Hebezeuge

Info

Publication number: DE102021110606A1
Application number: DE102021110606.0A
Authority: DE
Inventors: Oliver Nachbauer; Gregor Rebmann
Original assignee: Movecat GmbH
Current assignee: MOVEKET GMBH, DE
Priority date: 2021-04-26
Filing date: 2021-04-26
Publication date: 2022-10-27
Also published as: WO2022229101A1

Abstract

Es wird eine Bremseinheit für elektrisch angetriebene Hebezeuge mit Elektromotor vorgeschlagen, bei denen die Elektromagnete der Bremseinheit über Leistungshalbleiterelemente gesteuert werden. Dadurch ergeben sich kürzere Ansprechzeiten, gezielt steuerbare Ansprechzeiten und ein verbessertes, insbesondere kontrollierbares und sicheres, Betriebsverhalten.

Description

Hebezeuge mit einem Elektromotor zum Anheben bzw. Absenken der Last sind seit langem bekannt und haben sich in den verschiedensten Einsatzbereichen, wie zum Beispiel der Veranstaltungstechnik, der Logistik und dem Bauwesen, bewährt. Ein Beispiel für ein solches Hebezeug ist in der EP 1 184 329 beschrieben.
Kurz gesagt, wird bei einem solchen Hebezeug auf einer Trommel, die von dem Elektromotor angetrieben wird, ein Tragmittel auf- bzw. abgewickelt bzw. im Falle einer Kette angetrieben. Unter dem Begriff „Tragmittel“ werden Seile, Bänder oder Ketten subsumiert. An dem Tragmittel eines Hebezeugs ist ein Haken befestigt, an dem wiederum eine Last hängt. Je nach Drehrichtung des Elektromotors wird das Tragmittel so bewegt, dass die Last angehoben oder abgesenkt wird. Wenn die Last weder angehoben noch abgesenkt, sondern ihre Position beibehalten soll, dann wird eine Betriebsbremse aktiviert, welche die weitere Bewegung des Tragmittels verhindert. Der Elektromotor ist stromlos, wenn die Betriebsbremse aktiv ist.
Dieses Konzept kann analog auch auf horizontal wirkende Zug-Schubeinrichtungen übertragen werden. Dann ist die Betriebsbremse mit einer Feststellbremse eines Kraftfahrzeugs vergleichbar.
Selbstverständlich müssen die Steuerung des Elektromotors und der Betriebsbremse aufeinander abgestimmt sein. Insbesondere darf die Bremse nicht geschlossen sein, wenn der Elektromotor die Last anheben oder absenken soll. Andererseits muss unter allen Umständen sichergestellt sein, dass die Last nicht unkontrolliert, der Schwerkraft folgend, nach unten absinkt. Bei Zug- / Schubeinrichtungen ist zu verhindern, dass die Einrichtung sich unkontrolliert bewegt und mit Menschen oder anderen Gegenständen kollidiert. Um dies unter allen Umständen zu gewährleisten, sehen die einschlägigen technischen Regelwerke für den Bereich „Bühne“ bzw. Veranstaltungstechnik vor, dass eine Bremseinheit der Hebezeuge nicht nur eine Betriebsbremse, sondern zusätzlich eine Sicherheitsbremse aufweist. Die Betriebsbremse und die Sicherheitsbremse sind jeweils für sich alleine in der Lage, die maximal zulässige Last des Hebezeugs abzubremsen bzw. zu halten. Dann ist auch bei Ausfall der Betriebsbremse gewährleistet, dass die Last von der Sicherheitsbremse sicher abgebremst und gehalten wird.
In der Regel werden die Betriebsbremse und die Sicherheitsbremse in einer Bremseinheit konstruktiv zusammengefasst und als elektromagnetisch gelüftete Haltebremsen ausgeführt. Mit dem Begriff „elektromagnetisch gelüftete Haltebremse“ ist gemeint, dass ein Elektromagnet vorgesehen ist, dessen Ankerplatten, wenn der Elektromagnet bestromt wird, die Kraft von Druckfedern überwinden, welche die Bremse schließen. Weil der Elektromagnet mit Gleichstrom arbeitet, spricht man auch von Gleichstrombremsen.
Um eine „fail-safe“-Funktion zu gewährleisten, sind die Betriebs- und die Sicherheitsbremse geöffnet, wenn der/die Elektromagnete bestromt sind. Sobald die Stromzufuhr zu dem Elektromagnet unterbrochen wird, bricht das Magnetfeld des Elektromagneten zusammen, die Ankerscheiben des Elektromagnets werden nicht mehr angezogen und die Kraft der Druckfedern schließt die Betriebs- bzw. die Sicherheitsbremse.
Ein Beispiel für eine solche doppeltwirkende Bremseinheit ist aus der DE 10 2008 026 247 A1 bekannt. Auf die Beschreibung dieser doppeltwirkenden Haltebremse in der der DE 10 2008 026 247 A1 wird im Weiteren Bezug genommen. Es sei ergänzend angemerkt, dass es eine Vielzahl von anderen doppeltwirkenden Haltebremsen bekannt sind, von denen einige in den Absätzen [0007] bis [0015] der DE 10 2008 026 247 B4 ) genannt werden.
Die Ansteuerung des Elektromotors und der Bremseinheit (umfassend eine Betriebsbremse und eine Sicherheitsbremse) muss zeitlich sehr gut aufeinander abgestimmt sein, um zu verhindern, dass die Last unkontrolliert nach unten absinken kann. Andererseits soll auch verhindert werden, dass der Elektromotor gegen eine oder beide geschlossenen Bremsen arbeitet. Das wäre eine unnötige Belastung und würde zu einer vorzeitigen Alterung des Elektromotors führen.
Wenn der Elektromotor, die Stromversorgung der Bremseinheit und/oder die Steuerung des Hebezeugs ausfallen sollte, dann bricht das Magnetfeld der Elektromagnete von Betriebs- und Sicherheitsbremse zusammen und die Druckfedern der Betriebs- und der Sicherheitsbremse schließen die Bremse, so dass die an dem Hebezeug hängende Last von beiden Bremsen in doppelter Weise abgebremst und gehalten wird. Die Bremsleistung beider Bremsen zusammen ist sehr groß, da jede der Bremsen alleine die Last des Hebezuges sicher abbremsen und halten kann.
Es liegt auf der Hand, dass - beispielsweise bei einem Stromausfall - das Schließen der Betriebsbremse und der Sicherheitsbremse möglichst rasch erfolgen soll, damit die Last in der (kurzen) Zeitspanne zwischen dem Ausfall der Stromversorgung und dem Greifen der Betriebs- und der Sicherheitsbremse unter dem Einfluss der Schwerkraft möglichst wenig nach unten absinkt. Jedes Absinken der Last stellt ein erhebliches Gefährdungspotential für Menschen, die sich in der Nähe der Last befinden, oder auch Gerätschaften dar.
Je weiter die Last absinkt, desto höher sind auch die Geschwindigkeit mit der sich die Last nach unten bewegt und deren kinetische Energie. Die kinetische Energie der Last wächst quadratisch mit der Geschwindigkeit der Last an. Diese kinetische Energie muss von der Betriebsbremse bzw. der Sicherheitsbremse abgebremst, d.h. vernichtet, werden. Demzufolge ist es günstig, wenn der Zeitraum zwischen dem Ausfall der Stromversorgung oder einer Störung des Elektromotors und dem Schließen der Betriebs- bzw. der Sicherheitsbremse möglichst kurz ist.
Beim Unterbrechen der Stromversorgung vor einem Bremsengleichrichter der Betriebs-/oder der Sicherheitsbremse baut sich das Magnetfeld in der Spule langsam ab. Es liegt in der Natur des Elektromagneten, dass nach einem Spannungsabfall, wie er beim Unterbrechen der Stromversorgung auftritt, das Magnetfeld erst verzögert einfällt, weil die in dem Magnetfeld der Magnetspule (4) des Elektromagneten gespeicherte Energie in elektrische Energie umgewandelt und über einen Bremsgleichrichter (z.B. Freilaufdiode) vollständig entladen werden muss.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bremseinheit bereitzustellen, die besonders schnell anspricht, wenn die Stromversorgung der Elektromagnete unterbrochen wird, um die Belastung der Bremsen, aber auch des Hebezeugs zu verringern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Bremseinheit für elektrisch angetriebene Hebezeuge mit Elektromotor, wobei zum direkten Abbremsen einer Last des Hebezeugs eine einfach oder doppelt wirkende elektro-magnetisch gelüftete Haltebremse vorgesehen ist, wobei die Haltebremse eine Betriebsbremse mit einer ersten durch Federdruck beaufschlagten Bremsscheibe und einer ersten Magnetspule zum Betätigen einer ersten Ankerscheibe umfasst, wobei die erste Magnetspule über eine Zwischenschaltung umfassend eine Gleichrichterschaltung mit einer Stromversorgung verbunden oder von ihr getrennt wird, dadurch gelöst, dass stromversorgungsseitig ein Schaltelement angeordnet ist, und dass die Zwischenschaltung ein zwischen der Gleichrichterschaltung und der ersten Magnetspule angeordnetes erstes steuerbares Leistungshalbleiterelement umfasst, so dass die Stromversorgung der ersten Magnetspule sowohl vor als auch nach der Gleichrichterschaltung unterbrochen werden kann.
Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, mittels der Zwischenschaltung die Spannung sowohl vor als auch nach der Gleichrichterschaltung zu unterbrechen und zum Unterbrechen nach der Gleichrichterschaltung ein steuerbares Leistungshalbleiterelement einzusetzen. Steuerbare Leistungshalbleiterelemente haben quasi keine Trägheit, d.h. sobald eine Steuerspannung zum Steuern des Leistungshalbleiterelements entsprechend geändert wird, wird der Stromfluss zum Versorgen der Magnetspule durch das steuerbare Leistungshalbleiterelement nahezu ohne zeitliche Verzögerung unterbrochen. Infolgedessen bricht das Magnetfeld der Magnetspule rascher zusammen und die Druckfedern der Bremseinheit bewegen die Ankerplatte früher von dem Joch des Bremsmagneten weg als dies bei herkömmlichen Schützen, die bisher bei einer Betriebsbremse Verwendung fanden, der Fall ist. In Folge dessen schließt die Betriebsbremse schneller. Herkömmliche Schütze arbeiten mit Elektromagneten und bewegten Teilen.
Durch die Verwendung des steuerbaren Leistungshalbleiterelements, das den Stromfluss zum Versorgen der Magnetspule nahezu ohne zeitliche Verzögerung unterbricht, wenn eine Steuerspannung zum Steuern des Leistungshalbleiterelements entsprechend geändert wird, kann der Zeitpunkt zum Betätigen der Bremse gezielt gesteuert werden. Vorteilhafterweise kann der Zeitpunkt zum Betätigen der Bremse derart präzise vorgegeben werden, dass die Bremse auch gezielt zeitverzögert betätigt werden kann. Es derartige gezielte Steuerung ist bei der Verwendung eines herkömmlichen Schützes nicht möglich.
Nachteilig bei einem herkömmlichen Schütz ist weiter das Auftreten von Abreißfunken oder Schaltlichtbögen beim Trennen der Kontakte - besonders, wenn induktive Lasten oder Gleichstrom geschaltet werden. Dies führt zu Kontaktabbrand und elektrischen Störemissionen.
Durch die Verwendung von einem steuerbaren Leistungshalbleiterelement arbeitet die Unterbrechung der Stromversorgung der Magnetspule mit verschleißfreien elektronischen Halbleitern und erreicht dadurch praktisch eine nahezu unbegrenzte Schalthäufigkeit und Schaltzuverlässigkeit. Weiter wird durch ein steuerbares Leistungshalbleiterelement im Vergleich zu einem herkömmlichen Schütz die elektromagnetische Verträglichkeit erhöht.
Der erfindungsgemäße Wechsel von Schütz mit elektromagnetischer Betätigung zu einem steuerbaren Leistungshalbleiterelement erfordert keine tiefgreifenden Eingriffe in die Steuerung bzw. Verdrahtung der Bremseinheit, vielmehr kann sie auch bei bestehenden oder in Produktion befindlichen Bremseinheiten realisiert werden. Durch Dimensionierung und Parametrierung von Bauteilen der Zwischenschaltung kann die Erfindung an eine jeweiligen Bremse und an jeweilige Anforderungen optimal angepasst werden.
In Folge der Unterbrechung der Stromversorgung kommt es unmittelbar zu einem Potentialanstieg in der Wicklung der Magnetspule. Zu diesem Zweck erweist es sich als vorteilhaft, dass die Zwischenschaltung wenigstens eine Diode, insbesondere eine Supressordiode, umfasst. Über die Supressordiode, auch bekannt als TVS-Diode, kann der Potentialanstieg abgeleitet werden, das Einfallen des Magnetfeldes und damit das Schließen der Bremse wird beschleunigt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Haltebremse weiter eine Sicherheitsbremse umfasst. Die Sicherheitsbremse ist vorteilhafterweise analog zur Betriebsbremse ausgebildet. Die Sicherheitsbremse umfasst eine zweite durch Federdruck beaufschlagte Bremsscheibe und eine zweite Magnetspule zum Betätigen einer zweiten Ankerscheibe, wobei die zweite Magnetspule über eine Zwischenschaltung umfassend eine Gleichrichterschaltung mit einer Stromversorgung verbunden oder von ihr getrennt wird. Weiter ist bei der Sicherheitsbremse vorgesehen, dass stromversorgungsseitig ein Schaltelement angeordnet ist, und dass die Zwischenschaltung ein zwischen der Gleichrichterschaltung und der zweiten Magnetspule angeordnetes zweites steuerbares Leistungshalbleiterelement umfasst, so dass die Stromversorgung der zweiten Magnetspule sowohl vor als auch nach der Gleichrichterschaltung unterbrochen werden kann.
Bei bisher bekannten Hebezeugen war vorgesehen, dass die Betriebsbremse aktiv durch die Verwendung eines Schütz geschlossen wurde. Bei der Sicherheitsbremse war bisher kein Schütz vorgesehen. Durch den beschriebenen Aufbau der Sicherheitsbremse, hat die Sicherheitsbremse neben den oben bereits genannten positiven Effekten (Das Absinken der Last und die erforderliche Bremsarbeit werden verringert) einen weiteren positiven Effekt: Sowohl der Zeitpunkt zum Betätigen der Betriebsbremse als auch der Zeitpunkt zum Betätigen der Sicherheitsbremse kann gezielt gesteuert werden. Insbesondere können die beiden Bremsen mit einem vorgebbaren zeitlichen Versatz angesteuert werden. Dieser zeitliche Versatz reduziert die mechanische Stoßbelastung des Hebezeugs während des Bremsvorgangs.
Es erweist sich als vorteilhaft, dass bei einer Bremseinheit umfassend die Betriebsbremse und die Sicherheitsbremse die Zwischenschaltung der ersten Magnetspule der Betriebsbremse und die Zwischenschaltung der zweiten Magnetspule der Sicherheitsbremse jeweils eine eigene Gleichrichterschaltung vorgesehen ist. Die beiden Gleichrichterschaltungen sind auf drei Phasen einer gemeinsamen Stromversorgung verteilt. Durch Verwenden einer eigenen Gleichrichterschaltung kann mit Sicherheit eine Fehlfunktion vermieden werden, der durch eine fehlende Phase verursacht wird. so wird sichergestellt, dass nur bei korrekter Stromversorgung beide Bremsen sicher öffnen.
Bei dem ersten steuerbaren Leistungshalbleiterelement und/oder dem zweiten steuerbaren Leistungshalbleiterelement handelt es sich beispielsweise um einen Feldeffekttransistor, FET, insbesondere, MOSFET, insbesondere Leistungs-MOSFET.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das erste steuerbare Leistungshalbleiterelement und/oder das zweite steuerbare Leistungshalbleiterelement selbstsperrende Feldeffekttransistoren, FETs. Das hat zur Folge, dass die FETs die Stromversorgung zu dem oder den Elektromagneten der Bremseinheit unterbrechen, wenn keine Steuerspannung am Gate anliegt. Auch hier wird demnach wieder eine Fail-Safe-Funktionalität realisiert.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung umfasst die Bremseinheit eine mit dem des ersten steuerbaren Leistungshalbleiterelement verbundene Auswerteeinheit und/oder eine mit dem zweiten steuerbaren Leistungshalbleiterelement verbundene Auswerteeinheit, wobei anhand der Auswerteeinheit die Funktion und/oder ein Zustand der Betriebsbremse und/oder der Sicherheitsbremse überwacht werden kann. Mit der Auswerteeinheit kann beispielsweise beim Betätigen der Bremse zum Öffnen der Stromfluss und/oder die benötigte Zeitdauer zum Öffnen der Bremse überwacht werden. Auf diese Weise kann der Zustand und Funktion der Bremsen überwacht werden. Weiter kann mittels der Auswerteeinheit ein Durchbruch an dem steuerbaren Leistungshalbleiterelement detektiert werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung umfasst die Bremseinheit ein Steuergerät wobei das Steuergerät dazu ausgebildet ist, den Zeitpunkt zum Betätigen der Betriebsbremse und/oder den Zeitpunkt zum Betätigen der Sicherheitsbremse gezielt zu steuern. In weiter Bildung dieses Erfindungsgedankens erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Steuergerät dazu ausgebildet ist, beim Betätigen Bremseinheit das erste steuerbare Leistungshalbleiterelement der Betriebsbremse zeitlich vor dem zweiten steuerbaren Leistungshalbleiterelement anzusteuern. Die Verzögerung zwischen Betriebsbremse und Sicherheitsbremse ist damit gezielt steuerbar. Dadurch wird die gewünschte zeitliche Verzögerung zwischen dem Ansprechen/Eingreifen der Betriebsbremse und der Sicherheitsbremse realisiert, mit den bereits erläuterten Vorzügen bezüglich der Begrenzung der mechanischen Belastungen des Hebezeugs.
Auch beim Öffnen der Bremsen kann es sich als vorteilhaft erweisen, die Bremsen zeitverzögert zu Betätigen. Der Aufbau eines Magnetfelds in den beiden Elektromagneten erfordert für sehr kurze Zeit hohe Ströme. Durch ein versetztes Ansteuern der beiden Elektromagneten kann verhindert werden, dass die Stromspitzen beider Elektromagneten zeitlich zusammenfallen und sich somit aufaddieren.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung steuert das Steuergerät die Bremseinheit in Abhängigkeit von Steuersignalen einer übergeordneten Steuerung, insbesondere eine Motorsteuerung des Elektromotors, an. Alternativ ist es auch möglich, dass das Steuergerät für die Bremseinheit in eine übergeordnete Steuerung integriert ist.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Es zeigen:

1 eine Kupplungsbremseinheit mit einer doppeltwirkenden elektromagnetisch gelüfteten Haltebremse;
2 ein Schaltbild (stark vereinfacht) der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung der Bremseinheit gemäß 1;
3 eine Beschaltung einer Haltebremse umfassend eine Betriebsbremse und eine Sicherheitsbremse;
4 einen beispielhaften Strom- und Spannungsverlauf an einer Magnetspule einer Haltebremse, und
5 weitere beispielhafte Stromverläufe an einer Magnetspule einer Haltebremse.

Die in 1 dargestellte Kupplungs-Bremseinheit für ein elektrisch angetriebenes Hebezeug ist hinsichtlich ihrer konstruktiven Merkmale aus der DE 210 2008 126 247 A1 bekannt. Daher wird bezüglich der Offenbarung der konstruktiven Merkmale weitgehend auf diese Druckschrift Bezug genommen. Die Bremseinheit weist im Kraftfluss zwischen einem nicht weiter dargestellten Antriebsmotor und einer nicht dargestellten Getriebe-Eingangswelle eine Rutschkupplung 1 und zum Abbremsen der Last eine in Eingriff mit der Motorwelle 2 befindliche doppeltwirkende, elektromagnetisch gelüftete Haltebremse auf. Die Rutschkupplung 1 verhindert die Überlast im Antriebsstrang und bewahrt den Antriebsstrang vor bleibenden Schäden. Die erfindungsgemäße Bremseinheit kann auch ohne Rutschkupplung realisiert werden.
Die Elektromagnete 33, 35 der Haltebremse umfassen jeweils eine Ankerscheibe 3.1 und 3.2. Die Ankerscheiben 3.1, 3.2 werden mit der Federkraft von nicht dargestellten Druckfedern beaufschlagt. Wenn die Elektromagnete 33, 35 bestromt sind, sind die von den Magneten 33, 35 auf die Ankerscheiben 3.1, 3.2 ausgeübten Magnetkräfte größer als die Federkraft der Druckfedern. Sobald die Stromversorgung der Magnete 33, 35 unterbrochen wird, drücken die Druckfedern die Ankerscheiben 3.1, 3.2 gegen die Bremsscheiben 5, 7, so dass die Sicherheitsbremse 6 und die Betriebsbreme 8 schließen.
Die Betriebsbremse 8 mit einer ersten Bremsscheibe 7 ist kupplungsseitig gegenüber der Sicherheitsbremse 6 mit einer zweiten Bremsscheibe 5 angeordnet, deren konstruktiven Merkmale identisch sind.
Die Rutschkupplung 1 besteht aus einem Kupplungsflansch 9, der mit einem Reibbelag 11 versehen ist und aus einer Kupplungsscheibe 13, die axial verschiebbar aber drehfest auf der Motorwelle 2 befestigt ist. Die Befestigung erfolgt mit einer längeren Passfeder 12. Anstelle der Passfeder 12 kann die Motorwelle 2 zur Übertragung des Drehmoments ein Vielnutprofil oder ein Keilwellenprofil mit einer Keilwellenverzahnung aufweisen. Der Kupplungsflansch 9, gegenüber der Kupplungsscheibe 13, ist in Achsrichtung ortsfest und drehbar mit einem Radiallager 14 in einem Flansch 31 der Kupplungs-Bremseinheit gelagert. Das Einstellen des Rutschmoments erfolgt mit einer konzentrisch zu der Motorwelle 2 angeordneten Kupplungsdruckfeder 16 über eine Spannbuchse 17 sowie eine Spannhülse 18, die mit einer Spannmutter 19 betätigt wird. Diese Spannelemente der Rutschkupplung 1 sind axialbeweglich. Die gegen die Kupplungsscheibe 13 wirkende Spannbuchse 17 ist mit der längeren Passfeder 12 ebenso axial verschiebbar wie die Kupplungsscheibe 13 und drehfixiert angeordnet. Dadurch wird die Kupplungsscheibe 13 beim Anspannen der Kupplungsdruckfeder 16 mit dem gewünschten Rutschmoment gegen den Kupplungsflansch 9 beziehungsweise den Reibbelag 11 gedrückt.
Zugleich besitzt die Spannbuchse 17 eine Außenverzahnung zur Mitnahme der Bremsscheibe 5 der Sicherheitsbremse 6, die zur Kraftübertragung eine passgerechte Innenverzahnung oder Profilierung aufweist. Damit ist die Bremsscheibe 5 der Sicherheitsbremse 6 gegenüber der Spannbuchse 17 gleichfalls axialbeweglich und drehfixiert gelagert. Die Passung kann als Spielpassung ausgelegt werden, so dass sich die Bremsscheibe 5 auf der Spannbuchse 17 leicht axial verschieben lässt und das Drehmoment der Welle auf die Bremsscheibe 5 übertragen wird. Über die Spannbuchse 17 und die längere Passfeder 12 ist die Bremsscheibe 5 mit der Kupplungsscheibe 13 damit kraftschlüssig verbunden. Durch die Anordnung der Spannbuchse 17 und der Kupplungsdruckfeder 16 mit der Spannhülse 18 innerhalb des Bremsmagnetkörpers 21 kann die Kupplungs-Bremseinheit sehr kompakt ausgeführt werden.
Spiegelbildlich gesehen weist die auf der gegenüberliegenden Seite des Bremsmagnetkörpers 21 angeordnete Bremsscheibe 7 der Betriebsbremse 8 mit der Spannhülse 18 die gleiche Innenverzahnung beziehungsweise Außenverzahnung oder ein Keilwellenprofil mit Spielpassung auf. Die Bremsscheibe 7 der Betriebsbremse 8 und die Spannhülse 18 sind in Achsrichtung verschiebbar gelagert, wobei die Spannhülse 18 auf der Motorwelle 2 drehfest mit einem Passfederelement 22 angeordnet ist. Anstelle des Passfederelements 22 kann ebenso ein Vielnutprofil oder ein Keilwellenprofil verwendet werden.
Der zwischen den Bremsscheiben 5, 7 angeordnete Bremsmagnetkörper 21 ist zusammengefügt aus einer linken Magnetspule 4 und einer spiegelbildlich angeordneten rechten Magnetspule 4 mit jeweils einer Ankerscheibe 3.1, 3.2. Die Magnetspulen 4 werden bei diesem Ausführungsbeispiel durch eine Halterung zusammengehalten.
Beim Stromdurchfluss durch die Magnetspule 4 werden die Ankerscheiben 3.1. 3.2 durch den Bremsmagnetkörper 21 angezogen. Beim Abschalten der Magnetspule 4 werden die Ankerscheiben 3.1, 3.2 freigegeben und durch mehrere in Bewegungsrichtung wirkende Spiralfedern (nicht sichtbar in 1), die in den Innenbohrungen des Bremsmagnetkörpers 21 angeordnet sind, in Richtung der Bremsscheibe 5 für die Sicherheitsbremse 6 und die Bremsscheibe 7 der Betriebsbremse 8 gedrückt.
In 2 sind die elektrische Stromversorgung und die Schaltung eines Elektromotors 31 sowie eines ersten Elektromagneten 35 der Betriebsbremse 8 und eines zweiten Elektromagneten 33 der Sicherheitsbremse 6 dargestellt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Elektromotor 31 ein Drehstrom- oder Wechselstrommotor, der mit Wechsel- bzw. Drehstrom (AC) versorgt wird. Die Bestromung des Elektromotors 31 erfolgt über eine Schalteinheit 39, welche nicht nur das Ein- und Ausschalten des Elektromotors 31 übernimmt, sondern auch die Drehrichtung des Elektromotors 31 steuert. Angesteuert wird die Schalteinheit 39 von einer übergeordneten Steuerung 41. Diese Steuerung 41 erhält verschiedene Eingangssignale, beispielsweise von einem Bediengerät (nicht dargestellt) und Sensoren.
Wenn beispielsweise der Bediener des Hebezeugs das Anheben der Last wünscht, wird ein entsprechendes Signal von dem Bediengerät an die übergeordnete Steuerung 41 übermittelt, welche dieses dann unter anderem in ein Steuersignal für die Schalteinrichtung 39 des Elektromotors umsetzt. Dabei kann beispielsweise die Drehrichtung des Motors 31 gesteuert werden.
Der erste Elektromagnet 35 und der zweite Elektromagnet 33 werden über separate Stromversorgungen mit Gleichstrom DC versorgt. Wenn der zweite Magnet 33 bestromt ist, zieht die zugehörige Spule die zweite Ankerplatte 3.1 (siehe 1) gegen die Kraft der Druckfedern an, so dass die Sicherheitsbremse 6 geöffnet wird. Wenn die Stromversorgung zu dem zweiten Magnet 33 unterbrochen wird, dann bricht das Magnetfeld des Elektromagneten zusammen und die Federkraft der in der Bremseinheit vorhandenen Druckfedern schließt die Sicherheitsbremse 6.
In entsprechender Weise führt das Bestromen des ersten Magneten 35 zum Öffnen der Betriebsbremse 8. Sobald die Stromversorgung des ersten Elektromagneten 35 unterbrochen wird, schließt die Betriebsbremse 8.
Die Stromversorgung des ersten Magneten 35 wird durch ein erstes steuerbares Leistungshalbleiterelement 45 geöffnet bzw. geschlossen, während die Stromversorgung des zweiten Elektromagneten 33 durch ein zweites steuerbares Leistungshalbleiterelement 43 geschlossen oder unterbrochen wird. Das erste und das zweite steuerbare Leistungshalbleiterelement 43, 45 sind über Signalleitungen (ohne Bezugszeichen) mit einem Steuergerät 47 verbunden. Dieses Steuergerät 47 ist für die Ansteuerung der Schaltelemente 43, 45 zuständig. Das Steuergerät 47 kann auch in die übergeordnete Steuerung 41 integriert sein.
Das Steuergerät 47 wird in Abhängigkeit von Signalen der übergeordneten Steuerung 41 betätigt. Wenn also beispielsweise die übergeordnete Steuerung 41 das Anheben einer Last bewirken will, dann werden sowohl die Schalteinrichtung 39 für den Elektromotor angesteuert als auch mittelbar über das Steuergerät 47 auch das erste und das zweite steuerbare Leistungshalbleiterelement 43 bzw. 45. Anders ausgedrückt: Wenn der Motor 31 mit Strom geschlossen ist (d. h. die Stromversorgung ist geschlossen), dann sind die Stromversorgungen der Elektromagnete 33 und 35 ebenfalls geschlossen, so dass die Betriebsbremse 8 und die Sicherheitsbremse 6 offen sind. Dann kann der Motor 31 die Last an dem Hebezeug anheben oder absenken.
Es ist beispielsweise vorgesehen, dass das erste steuerbare Leistungshalbleiterelement 45 und/oder das zweite erste steuerbare Leistungshalbleiterelement 43 als Feldeffekttransistoren (FETs) ausgebildet sind. Dies bedeutet, dass über die Signalleitungen an die Leistungshalbleiterelemente 43 bzw. 45 eine Gatespannung angelegt werden kann.
In vorteilhafter Ausgestaltung sind die Feldeffekttransistoren als selbstsperrende Feldeffekttransistoren ausgebildet, so dass, wenn keine Gatespannung an den Schaltelementen 43 bzw. 45 anliegt (Gatespannung = 0 V), die Stromversorgung zu den Elektromagneten 33 bzw. 35 unterbrochen ist.
Wenn das Steuergerät 47 eine entsprechende Gatespannung über die Signalleitungen an den Leistungshalbleiterelementen 43 bzw. 45 anlegt, dann werden die FETs durchgängig, so dass die Stromversorgung der Elektromagnete 33 und 35 geschlossen ist und die Ankerplatten 3.1 und 3.2 angezogen werden. In der 2 sind die Drain-Seite und die Source-Seite der Schaltelemente mit D bzw. S angegeben. Diese Nomenklatur ist im Bereich der Feldeffekttransistoren üblich.
Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Bremsbeschaltung sind in 3 dargestellt.
3 zeigt die Beschaltung der Bremseinheit mit einer Haltebremse. Schematisch ist in 3 eine Betriebsbremse 8 und eine Sicherheitsbremse 6 dargestellt. Die Betriebsbremse 8, insbesondere die Magnetspule 4 der Betriebsbremse 8, wird über eine Zwischenschaltung 50 umfassend eine Gleichrichterschaltung 52 mit einer Stromversorgung verbunden oder von ihr getrennt. Stromversorgungsseitig ist ein Schaltelement 54, insbesondere Hauptschalter, zum Unterbrechen der Stromversorgung vorgesehen. Die Zwischenschaltung 50 umfasst weiter ein zwischen der Gleichrichterschaltung 52 und der ersten Magnetspule 4 angeordnetes erstes steuerbares Leistungshalbleiterelement 45. Die Stromversorgung der ersten Magnetspule 4 der Betriebsbremse 8 kann dementsprechend sowohl vor als auch nach der Gleichrichterschaltung 52 unterbrochen werden. In 3 ist weiter schematische eine Ansteuerung 56 des steuerbaren Leistungshalbleiterelements 45 dargestellt.
Die Ansteuerung wird beispielsweise anhand eines (nicht dargestellten) Steuergeräts 47 realisiert. Das Steuergerät 47 ist beispielsweise dazu ausgebildet, den Zeitpunkt zum Betätigen der Betriebsbremse gezielt zu steuern durch gezieltes Ansteuern des Leistungshalbleiterelements 45 zu steuern.
In die Ansteuerung 56 kann auch eine Auswertefunktion integriert sein. Alternativ kann auch eine nicht dargestellte separate Auswerteeinheit vorgesehen sein. Anhand der Auswertefunktion bzw. der Auswerteeinheit kann die Funktion und/oder ein Zustand der Betriebsbremse überwacht werden.
Beim Unterbrechen der Stromversorgung zum Betätigen der Betriebsbremse wird die in dem Magnetfeld der Magnetspule 4 des Elektromagneten gespeicherte Energie in elektrische Energie umgewandelt und über ein geeignetes Bauelement entladen. Die Entladung erfolgt beispielsweise anhand einer Diode 58, insbesondere eine Supressordiode. Die Diode 58 ist beispielsweise antiparallel geschaltet, das bedeutet, dass die Diode 58 im „Normalbetrieb“ in Sperrrichtung geschaltet ist. Nach der Unterbrechung der Stromversorgung ist die Diode 58 dann für den Induktionsstrom durchlässig.
Die Zwischenschaltung kann vorteilhafterweise noch weitere Bauelemente, insbesondere Widerstände und Dioden, insbesondere Supressordioden, umfassen. Durch geeignete Wahl und Dimensionierung der Bauelemente kann die Zwischenschaltung an verschiedene Dimensionierungen der Haltebremse angepasst werden. Vorteilhafterweise kann eine weitere Diode, insbesondere Supressordiode, zum Schutz des Leistungshalbleiterelements 45 vorgesehen sein.
Weiter ist in 3 schematisch eine Zwischenschaltung 60 der Sicherheitsbremse 6 dargestellt. Die Zwischenschaltung 60 der Sicherheitsbremse 6 ist gemäß der dargestellten Ausführungsform analog zur Zwischenschaltung 50 der Betriebsbremse 8 ausgebildet. Die Zwischenschaltung 60 der Sicherheitsbremse 6 umfasst dementsprechend eine Gleichrichterschaltung 62, ein Schaltelement 64, ein zweites steuerbares Leistungshalbleiterelement 43, eine Ansteuerung 66 und eine Diode 68.
Die Bauelemente der Zwischenschaltung 60 der Sicherheitsbremse 6 und der Zwischenschaltung 50 der Sicherheitsbremse 8 können sich in ihrer Dimensionierung unterscheiden.
Beim Ansteuern der Leistungshalbleiterelemente 45 und 43 erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Steuergerät 47 dazu ausgebildet ist, beim Betätigen das erste steuerbare Leistungshalbleiterelement 45 der Betriebsbremse 8 zeitlich vor dem zweiten steuerbaren Leistungshalbleiterelement 43 der Sicherheitsbremse 6 anzusteuern. Dadurch kann eine zeitliche Verzögerung zwischen dem Auslösen der Betriebsbremse und der Sicherheitsbremse vorgegeben werden. Beispielsweise kann es sich dabei um eine zeitliche Verzögerung von 0,2 bis 0,4 Sekunden handeln.
4 zeigt einen beispielhaften Strom- und Spannungsverlauf an einer Magnetspule 4, beispielsweise einer Betriebsbremse 8 oder einer Sicherheitsbremse 8. Die Verläufe sind über eine Zeitdauer von 0.0 sec bis 1,0 sec dargestellt. Die Skala für die Spannung ist für Werte von -500 V bis 600 V dargestellt, die Skala für den Strom ist für Werte von -20 mA bis 200 mA dargestellt.
Die Kurve des Spannungsverlaufs ist mit dem Bezugszeichen 70 gekennzeichnet. Die Kurve des Stromverlaufs ist mit dem Bezugszeichen 72 gekennzeichnet.
Zum Zeitpunkt t = 0,1 s wird die Versorgung der Magnetspule 4 eingeschaltet und zum Zeitpunkt t = 0,8 s wird die Versorgung über das Leistungshalbleiterelement 43, 45 abgeschaltet.
Zum Zeitpunkt t = 0,8 s beträgt die Spannung an der 0 V, das Leistungshalbleiterelement ist aber noch leitend. Der Strom fließt im Freilauf und sinkt.
Zum Zeitpunkt t = 0,810 s ist das Leistungshalbleiterelement komplett gesperrt, und die Spannung sinkt weiter und wird negativ aufgrund der Entladung über die Supressordiode, die nun leitend wird.
Der Strom sinkt ab dem Zeitpunkt t = 0,810 s schneller. Zum Zeitpunkt t = 0,85 s ist die Magnetspule 4 vollständig strom- und spannungslos.
Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Abschaltung des Leistungshalbleiterelements nach 10 ms an der Magnetspule 4 wirksam. Durch Ändern der Beschaltungsdimensionierung können auch größere oder kleinere Zeiten erreicht werden.
Eine herkömmliche Schützsteuerung, beispielsweise ein Leistungsschütz wie der LC1K0901Q7 (400 Vac Spule) von Schneider Electric, weist eine Ansprechzeit von 10 bis 20 ms sowohl beim Einschalten als auch beim Abschalten auf. Die Verzögerung kann dabei nicht exakt vorgegeben werden.
Beim Abschalten mit der Schützsteuerung kommt es zu einem Schaltlichtbogen, der sehr hohe Spannungswerte erreichen kann und eine Quelle für EMV-Emissionen darstellt. Durch den Lichtbogen kommt es auch zum Kontaktabbrand und einer damit einhergehenden beschränkten Lebensdauer des Schützes. Da der Lichtbogen regulär erst beim Nulldurchgang des Stromes erlischt oder wenn die Luftstrecke größer als die entsprechend notwendige Spannung zur Aufrechterhaltung wird und die Bremsspule ein Gleichstromverbraucher ist, muss der Lichtbogen durch externe Löschglieder begrenzt werden. Unabhängig davon ist die Lichtbogendauer nicht einfach zu bestimmen und kommt zur mechanischen Abschaltdauer hinzu.
Aus den dargestellten Strom- und Spannungsverläufen ist die kürzere Ansprechdauer der erfindungsgemäßen Bremseneinheit mit einem steuerbaren Leistungshalbleiterelement gegenüber einer herkömmlichen mit Schütz-Ansteuerung ersichtlich. Im Vergleich zu einem Schütz schließt die erfindungsgemäße Betriebsbremse, deren Elektromagnet von einem steuerbaren Leistungshalbleiterelement geschaltet wird, um etwa 0,2 Sekunden früher.
5 zeigt einen Vergleich zwischen einem Stromverlauf mit einer AC-seitigen Abschaltung, vgl. Kurve 74, und einem Stromverlauf mit einer DC-seitigen Abschaltung, vgl. Kurve 72. Die Verläufe sind über eine Zeitdauer von 0.0 sec bis 1,5 sec dargestellt. Die Skala für den Strom ist für Werte von -20 mA bis 200 mA dargestellt. Der Stromverlauf 72 entspricht dem Stromverlauf 72 aus 4. Zum Zeitpunkt t = 0,1 s wird die Versorgung der Magnetspule 4 eingeschaltet.
Bei der DC-seitigen Abschaltung wird zum Zeitpunkt t = 0,8 s die Versorgung über das Leistungshalbleiterelement 43, 45 abgeschaltet, vgl. Kurve 72.
Bei der AC-seitigen Abschaltung wird zum Zeitpunkt t = 0,8 s die Versorgung über das Schaltelement 54, 64 abgeschaltet, vgl. Kurve 74.
Bis zum Zeitpunkt t = 0,810 s ist der Verlauf der Kurven 72, 74 nahezu identisch.
Bei einer DC-seitigen Abschaltung ist die Magnetspule 4 zum Zeitpunkt t = 0,85 s komplett stromlos. Bei einer AC-seitigen Abschaltung ist die Magnetspule 4 erst ca. bei zum Zeitpunkt t = 1,5 s stromlos. Anhand des Stromverlaufs 74 lässt sich der genaue Zeitpunkt, wann die Bremse genau schließt, nicht genau bestimmen. Ein Richtwert aus der Industrie gibt einen „Faktor 8 - 10“ an, also im Bereich t = 1,2 s bis 1,3 s, wenn der Strom schon auf 5 % des Nominalstroms gesunken ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1184329 [0001]
DE 102008026247 A1 [0007]
DE 102008026247 B4 [0007]
DE 2102008126247 A1 [0032]

Claims

Bremseinheit für elektrisch angetriebene Hebezeuge mit Elektromotor (31), wobei zum direkten Abbremsen einer Last des Hebezeugs eine einfach oder doppelt wirkende elektro-magnetisch gelüftete Haltebremse (1) vorgesehen ist, wobei die Haltebremse (1) eine Betriebsbremse (8) mit einer ersten durch Federdruck beaufschlagten Bremsscheibe (7) und einer ersten Magnetspule (4) zum Betätigen einer ersten Ankerscheibe (3.2) umfasst, wobei die erste Magnetspule (4) über eine Zwischenschaltung (50) umfassend eine Gleichrichterschaltung (52) mit einer Stromversorgung verbunden oder von ihr getrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass stromversorgungsseitig ein Schaltelement (54) angeordnet ist, und dass die Zwischenschaltung (50) ein zwischen der Gleichrichterschaltung (52) und der ersten Magnetspule (4) angeordnetes erstes steuerbares Leistungshalbleiterelement (45) umfasst, so dass die Stromversorgung der ersten Magnetspule (4) sowohl vor als auch nach der Gleichrichterschaltung (52) unterbrochen werden kann.
Bremseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschaltung (50) wenigstens eine Diode, insbesondere eine Supressordiode, umfasst.
Bremseinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass die Haltebremse (1) weiter eine Sicherheitsbremse (6) mit einer zweiten durch Federdruck beaufschlagten Bremsscheibe (5) und einer zweiten Magnetspule (4) zum Betätigen einer zweiten Ankerscheibe (3.1) umfasst, wobei die zweite Magnetspule (4) über eine Zwischenschaltung (60) umfassend eine Gleichrichterschaltung (62) mit einer Stromversorgung verbunden oder von ihr getrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass stromversorgungsseitig ein Schaltelement (64) angeordnet ist, und dass die Zwischenschaltung (60) ein zwischen der Gleichrichterschaltung (62) und der zweiten Magnetspule (4) angeordnetes zweites steuerbares Leistungshalbleiterelement (43) umfasst, so dass die Stromversorgung der zweiten Magnetspule (4) sowohl vor als auch nach der Gleichrichterschaltung (62) unterbrochen werden kann.
Bremseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Bremseinheit umfassend die Betriebsbremse (8) und die Sicherheitsbremse (6) die Zwischenschaltung (50) der ersten Magnetspule (4) der Betriebsbremse (8) und die Zwischenschaltung (60) der zweiten Magnetspule (4) der Sicherheitsbremse (8) jeweils eine eigene Gleichrichterschaltung (52, 62) umfasst.
Bremseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste steuerbare Leistungshalbleiterelement (43) und/oder das zweite steuerbare Leistungshalbleiterelement (45) ein Feldeffekttransistor, FET, insbesondere, MOSFET, insbesondere Leistungs-MOSFET, ist.
Bremseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste steuerbare Leistungshalbleiterelement (45) und/oder das zweite steuerbare Leistungshalbleiterelement (43) selbstsperrende Feldeffekttransistoren, FETs, sind.
Bremseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem des ersten steuerbaren Leistungshalbleiterelement (45) verbundene Auswerteeinheit und/oder eine mit dem zweiten steuerbaren Leistungshalbleiterelement (43) verbundene Auswerteeinheit vorgesehen ist, wobei anhand der Auswerteeinheit die Funktion und/oder ein Zustand der Betriebsbremse (8) und/oder der Sicherheitsbremse (6) überwacht werden kann.
Bremseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Steuergerät (47) umfasst, und dass das Steuergerät (47) dazu ausgebildet ist, den Zeitpunkt zum Betätigen der Betriebsbremse (8) und/oder den Zeitpunkt zum Betätigen der Sicherheitsbremse (6) gezielt zu steuern.
Bremseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (47) dazu ausgebildet ist, beim Betätigen Bremseinheit das erste steuerbare Leistungshalbleiterelement (45) der Betriebsbremse (8) zeitlich vor dem zweiten steuerbaren Leistungshalbleiterelement (43) anzusteuern.
Bremseinheit nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (47) die Bremseinheit in Abhängigkeit von Steuersignalen einer übergeordneten Steuerung (41), insbesondere einer Motorsteuerung des Elektromotors (31), ansteuert, oder dass das Steuergerät (47) für die Bremseinheit in eine übergeordnete Steuerung integriert ist.