DE102012008547A1

DE102012008547A1 - Verfahren zum Überwachen einer elektromagnetisch betätigbaren Bremse und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102012008547A1
Application number: DE201210008547
Authority: DE
Inventors: Helge Thomas; Manuel Heil
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2011-06-14
Filing date: 2012-05-02
Publication date: 2012-12-20

Abstract

Verfahren zum Überwachen einer elektromagnetisch betätigbaren Bremse und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei die Bremse eine Spulenwicklung aufweist, insbesondere wobei mit einem von der Spulenwicklung erzeugten Magnetfeld eine Ankerscheibe derart anziehbar ist, dass die Bremse gelüftet wird, wobei der Strom der Spulenwicklung erfasst wird und der zeitliche Stromverlauf derart ausgewertet wird, dass ein, insbesondere beim Lüften der Bremse durch Positionsveränderung der Ankerscheibe der Bremse bewirktes, Einknicken des Stroms detektierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer elektromagnetisch betätigbaren Bremse und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Es ist bekannt, elektromagnetisch betätigbare Bremsen zu lüften, indem eine Bremsspulenwicklung bestromt wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Sicherheit in einer Anlage zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Vorrichtung nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren nach den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren zum Überwachen einer elektromagnetisch betätigbaren Bremse sind, dass die Bremse eine Spulenwicklung aufweist,
insbesondere wobei mit einem von der Spulenwicklung erzeugten Magnetfeld eine Ankerscheibe derart anziehbar ist, dass die Bremse gelüftet wird,
wobei der Strom der Spulenwicklung erfasst wird und der zeitliche Stromverlauf derart ausgewertet wird, dass ein, insbesondere beim Lüften der Bremse durch Positionsveränderung der Ankerscheibe der Bremse bewirktes, Einknicken des Stroms detektierbar ist.
Von Vorteil ist dabei, dass die Sicherheit erhöhbar ist. Denn durch Erfassen und Auswerten des Stromverlaufs ist ein Zustandsverlauf der Bremse detektierbar. Die benötigten Mittel sind dabei nicht aufwendig, weil schon ein einfacher Shuntwiderstand ausreicht, wobei die an ihm abfallende Spannung einem Analog-Eingang eines sowieso vorhandenen Mikrocontrollers zuzuführen ist, insbesondere wobei der Mikrocontroller die pulsweitenmodulierten Ansteuersignale für einen Wechselrichter erzeugt. Somit ist die Erfindung einfach und kostengünstig ausführbar. Mittels Auswerten des Stromverlaufs ist bei Bewegen der Ankerscheibe infolge der hierdurch bewirkten Induktivitätsveränderung ein entsprechender Stromverlauf, insbesondere ein Einknicken des Stromverlaufs beim Lüften der Bremse, detektierbar bewirkt. Das Einknicken ist detektierbar und somit das Lüften der Bremse bemerkbar. Aus der Zeitverzögerung zwischen Ansteuersignal zum Lüften der bremse und Detektion der Positionsveränderung der Ankerscheibe ist ein Rückschluss auf den Verschleißzustand der Bremse ausführbar. Somit ist der Verschleiß und die Funktion der Bremse überwachbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Bestromung der Spulenwicklung zum Zeitpunkt t1 begonnen, insbesondere wofür ein entsprechendes Ansteuersignal an einen Leistungshalbleiterschalter angelegt wird, welcher den die Spulenwicklung versorgenden Strom steuert, insbesondere mittels eines im Versorgungsstrompfad der Spulenwicklung angeordneten Leistungshalbleiterschalters. Von Vorteil ist dabei, dass kein zusätzlicher Aufwand für die Stromerfassung notwendig ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zur Detektion des Einknickens der Stromverlauf die erste zeitliche Ableitung bestimmt und das entsprechende Signal auf Nulldurchgang und/oder Vorzeichenwechsel überwacht, wobei der Zeitpunkt t2 des Nulldurchgangs, Vorzeichenwechsels und/oder eine lokalen Minimums bestimmt wird. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache kostengünstige Bestimmung ermöglicht ist. Dabei ist die zeitliche Ableitung vorzugsweise diskret ausgeführt, also als Differenzenquotient, nämlich Quotient aus Stromänderung und Zeitabstand zwischen den beiden zugehörigen Erfassungen des Stromwerts.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Auswertung des erfassten Stromwerts in einer Steuerelektronik eines Umrichters ausgeführt,
insbesondere wobei die Steuerelektronik einen Leistungshalbleiterschalter ansteuert, mit welchem der Strom der Spulenwicklung steuerbar ist,
insbesondere wobei die Steuerelektronik pulsweitenmodulierte Ansteuersignale für Leistungshalbleiterschalter eines Wechselrichters erzeugt, der ausgangsseitig einen Motor speist und dessen Versorgungsspannung eine unipolare Spannung ist,
insbesondere wobei der Stromwert in einer Zuleitung erfasst wird, mit welcher dem Wechselrichter Strom aus einem Potential der Versorgungsspannungsquelle zuleitbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Stromerfassung ermöglicht ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird aus der Zeitdifferenz t2 – t1 ein Wert für den Verschleiß der Bremsbeläge bestimmt oder überwacht, ob ein kritischer Wert überschritten wird, der charakteristisch ist für eine notwendige Wartung der Bremse, insbesondere Austausch der Bremsbeläge. Von Vorteil ist dabei, dass der Verschleiß überwachbar und bestimmbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird bei Detektieren des Einknickens des Stroms ein Startsignal für einen Motor erzeugt,
insbesondere wobei der Motor von einem Wechselrichter gespeist wird, der aus derselben Spannungsquelle wie auch die Bremsspulenwicklung. Von Vorteil ist dabei, dass
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird nach Ansteuern der Bremse zum Zeitpunkt t1 überwacht, ob innerhalb einer Zeitspanne ein Einknicken des Stromverlaufs, insbesondere also ein Zeitpunkt t2, bestimmt wird,
insbesondere wobei die Zeitspanne größer ist als die bei jedem Verschleißgrad der Bremsbeläge, insbesondere also Abnutzungsgrad der Bremsbeläge, sich ergebende Reaktionszeit der Bremse. Von Vorteil ist dabei, dass ein einfaches kostengünstiges Detektieren ermöglicht ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Ansteuersignal zum Lüften der Bremse einer Sicherheitseinrichtung zugeführt, welche überwacht, ob innerhalb einer sicher gewährleisteten Zeitverzögerung das Einknicken des Stromes aufgetreten ist, insbesondere so dass dem Ansteuersignal ein Rückmeldepfad zugeordnet ist zur Erhöhung der Sicherheit. Von Vorteil ist dabei, dass die Sicherheit erhöhbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird mittels Überwachen des Einknickens des Stromes das Lüften der Bremse überwacht. Von Vorteil ist dabei, dass die Bremsfunktion einfach und kostengünstig überwachbar ist.
Wichtige Merkmale bei der Vorrichtung zur Durchführung eines vorbeschriebenen Verfahrens sind, dass ein Shuntwiderstand zur Erfassung des Stromes einer Bremsspulenwicklung vorgesehen ist in einem Strompfad zur Versorgung der Bremsspulenwicklung,
wobei das erfasste Stromsignal einer Steuerelektronik zugeführt wird, welche pulsweitenmodulierte Ansteuersignale für Leistungshalbleiter einer Wechselrichterstufe erzeugt.
Von Vorteil ist dabei, dass keine zusätzlichen Teile notwendig sind.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
Die Erfindung wird nun anhand von schematischen Abbildungen näher erläutert:
In der 1 ist der Stromverlauf des Bremsenstroms einer elektromagnetisch bestätigbaren Bremse dargestellt.
Dabei weist die Bremse einen Elektromagneten auf, der bei Bestromung ein Magnetfeld erzeugt, welches eine Ankerscheibe anzieht, die von entgegen der elektromagnetischen Anziehungskraft wirkenden Federelementen bei Nichtbestromung des Elektromagneten in entgegengesetzter Richtung bewegt wird.
Dabei ist die Ankerscheibe in axialer Richtung zur Bremsrotorwelle beweglich angeordnet. Vorzugsweise sind hierzu Führungselemente vorgesehen.
Die Bremsrotorwelle ist in Umfangsrichtung formschlüssig mit einem Belagträger verbunden, auf dem beidseitig Bremsbeläge angeordnet sind. Die formschlüssige Verbindung ist vorzugsweise als Zahnkupplung ausgeführt. Insbesondere weist die Bremsrotorwelle hierzu einen axialen Bereich auf, der eine sich in axialer Richtung erstreckende Verzahnung aufweist. Der Belagträger weist eine mittig angeordnete Innenverzahnung auf, die mit der Verzahnung im Eingriff steht und somit in Umfangsrichtung drehfest und in axialer Richtung relative Bewegbarkeit des Belagträgers erlaubt.
Die Ankerscheibe wird von den Federelementen bei Nichtbestromung des Elektromagneten auf eine Stirnseite des Belagträgers gedrückt, also auf einen der Bremsbeläge.
Auf der der Ankerscheibe gegenüber liegenden axialen Stirnseite wird somit der Belagträger gegen eine fest angeordnete Bremsfläche gedrückt. Dabei ist die Bremsfläche an einem Teil angeordnet, welches verbunden, insbesondere fest verbunden, ist mit einem Lager der Bremsrotorwelle. Außerdem stützen sich die auf die Ankerschiebe drückenden Federelemente an dem Teil mit Bremsfläche oder an einem mit diesem verbundenen Teil ab.
Zum Lüften der Bremse wird die Spulenwicklung des Elektromagneten mit einer Spannungsquelle verbunden, so dass sich ein Strom aufbaut entsprechend der Induktivität der Bremsspulenwicklung. In 1 ist der zeitliche Stromverlauf gezeigt und der Zeitpunkt des Verbindens mit t1 bezeichnet. Das Verbinden erfolgt über einen steuerbaren Leistungshalbleiterschalter, der im Strompfad von der Spannungsquelle zur Bremsspule angeordnet ist. Bei Anliegen eines entsprechenden Ansteuersignals wird der Leistungshableiterschalter leitend und die Bremsspule gelüftet, also die Bremsspule bestromt und somit die Bremse gelüftet.
Bis zum Zeitpunkt t2 wird noch die Ankerscheibe von den Federelementen gegen den Belagträger und dieser somit gegen die Bremsfläche gedrückt. In dieser Position wird das vom Elektromagnet erzeugte Magnetfeld vom Spulenkern, auf dem oder in dem die Bremsspulenwicklung angeordnet ist, über einen großen Luftspalt zur Ankerscheibe geführt. Der magnetische Kreis ist sozusagen fast offen.
Zum Zeitpunkt t2 erreicht der Strom einen derartigen Wert, dass das aufgebaute Magnetfeld eine derart große anziehende Kraft auf die Ankerscheibe ausübt, dass diese sich aus ihrer Position bewegt entgegen der durch die Federelemente erzeugten Federkraft. Somit übersteigt die Magnetkraft die Federkraft. Beim Hinzubewegen der Ankerscheibe auf den Spulenkern hin wird der Luftspalt im Magnetkreis verkleinert und somit die Induktivität vergrößert. Somit verringert sich der Strom bei konstanter Spannung der Spannungsquelle entsprechend. Nach dem Lüften erreicht die Ankerscheibe ihre Lüftposition, liegt also am Spulenkern an oder hat zumindest den kleinsten Abstand in ihrem möglichen Positionsbereich. Somit ist der Magnetkreis geschlossen oder möglichst gut geschlossen, soweit die begrenzte axiale Bewegbarkeit der Ankerscheibe dies ermöglicht. Der Strom steigt danach weiter an, bis er den stationären Wert erreicht.
Insgesamt steigt der Strom also beginnend am Zeitpunkt t1 exponentiell an, wobei nach dem Zeitpunkt t2 ein Einknicken des Stromes erfolgt, das von einem weiteren exponentiellen Anstieg gefolgt ist.
Erfindungsgemäß wird der Stromverlauf erfasst und die zeitliche Ableitung bestimmt. Das Einknicken des Stromverlaufs bewirkt in der zeitlichen Ableitung Vorzeichenwechsel und somit Nulldurchgänge. Da diese klar erkennbar sind, wird der Nulldurchgang beziehungsweise Vorzeichenwechsel oder auch ein im Bereich des Lüftens auftretendes lokales Extremum zur Bestimmung eines Ausgangssignals verwendet.
Vorzugsweise wird als Spannungsquelle der Zwischenkreis eines Umrichters verwendet und zur Stromerfassung ein Shunt-Widerstand, welcher in einer das Zwischenkreispotential führenden elektrischen Leitung angeordnet ist. Somit ist im geregelten Betrieb der Strom erfassbar, welcher einem aus dem Zwischenkreis gespeisten Wechselrichter und der Bremsspule zugeführt wird. Hierzu wird zum Zeitpunkt des Schließens von Leistungshalbleiterschaltern der Wechselrichterhalbbrücken ein Strom erfasst und dem jeweiligen PWM-Schaltzustand zugeordnet. Bei geöffneten Leistungshalbleiterschaltern wird dann der Strom der Bremsspule erfasst.
Eine erste Verwendung dieses Ausgangssignals ist das Überwachen der Bremsfunktion. Dabei wird nach Ansteuern des Leistungshalbleiterschalters überwacht, ob innerhalb eines vorgebbaren Zeitfensters das Lüften der Bremse, also das Einknicken des Stromverlaufs auftritt oder nicht. Somit ist ein Überprüfen der Bremsfunktion ausführbar, insbesondere unabhängig vom Verschleißzustand der Bremse, insbesondere des Bremsbelags.
Denn bei abgenutztem Bremsbelag ist im eingefallenen Zustand der Bremse die Ankerscheibe weiter vom Spulenkern des Elektromagneten entfernt und somit ein höherer Strom zum Lüften, also bis zum Auftreten des Einknickens des Stromes, notwendig.
Eine zweite Verwendung des Ausgangssignals ist das Überwachen des Bremsenverschleißes. Hierbei wird also die Zeitspanne zwischen zum Zeitpunkt t1 erzeugtem Steuersignal zum Bestromen des die Versorgungsspannung der Bremsspule steuernden Leistungshalbleiterschalters und dem Zeitpunkt t2, also Auftreten des Einknickens des Spulenstroms, bestimmt. Sobald diese Zeitspanne einen kritischen Wert überschreitet, wird eine Warninformation weitergeleitet und/oder angezeigt. Somit ist eine Wartung der Bremse rechtzeitig ausführbar, insbesondere wobei die Bremsbeläge ausgetauscht und erneuert werden.
Eine dritte Verwendung des Ausgangssignals ist für das zeitnahe Ansteuern eines Elektromotors verwendbar, der möglichst genau dann gestartet werden soll, wenn das Lüften der Bremse erfolgt, also das Einknicken des Stromes erfolgt. Zu diesem Zeitpunkt t2, also zum detektierten Einknicken des Stromes, ist der Motor startbar. Somit wird der Motor genau dann gestartet, wenn die Bremse gelüftet ist. Der Motor muss also nicht gegen die Bremse Arbeit leisten.
Eine vierte Verwendung des Ausgangssignals ist zur Erhöhung der Sicherheit einsetzbar. Dabei wird einerseits das Ansteuersignal dem im Strompfad der Bremse angeordneten Leistungshalbleiterschalter zugeführt und andererseits einer Sicherheitseinrichtung, welche überwacht, ob die Bremse daraufhin gelüftet wird. Hierzu wird das Ansteuersignal um eine sicher gewährleistete Zeitspanne verzögert und dann überwacht, ob das Einknicken des Stromes aufgetreten ist. Somit ist eine dem Ansteuersignal ein Rückmeldepfad zugeordnet, so dass die Wirkung des Ansteuersignals überprüfbar ist.
Vorteilig ist bei der Erfindung, dass der Bremsenstrom im Zwischenkreis, also im Umrichter, erfasst wird. Außerdem wird der erfasste Stromverlauf von einer Rechnereinheit, insbesondere Mikrocontroller, der Steuerelektronik des Umrichters ausgewertet. Es ist also keine zusätzliche Rechnereinheit notwendig sondern nur ein Heranführen des erfassten Stromverlaufs an die sowieso vorhandenen Rechnereinheit, insbesondere an einen Eingang der Rechnereinheit.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird
Bezugszeichenliste

I: Strom
t: Zeit
t1: Einschaltzeitpunkt für die Spannungsversorgung der Bremse
t2: Zeitpunkt des Lüftens der Bremse

Claims

Verfahren zum Überwachen einer elektromagnetisch betätigbaren Bremse, wobei die Bremse eine Spulenwicklung aufweist, insbesondere wobei mit einem von der Spulenwicklung erzeugten Magnetfeld eine Ankerscheibe derart anziehbar ist, dass die Bremse gelüftet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom der Spulenwicklung erfasst wird und der zeitliche Stromverlauf derart ausgewertet wird, dass ein, insbesondere beim Lüften der Bremse durch Positionsveränderung der Ankerscheibe der Bremse bewirktes, Einknicken des Stroms detektierbar ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromung der Spulenwicklung zum Zeitpunkt t1 begonnen wird, insbesondere wofür ein entsprechendes Ansteuersignal an einen Leistungshalbleiterschalter angelegt wird, welcher den die Spulenwicklung versorgenden Strom steuert, insbesondere mittels eines im Versorgungsstrompfad der Spulenwicklung angeordneten Leistungshalbleiterschalters.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion des Einknickens der Stromverlauf die erste zeitliche Ableitung bestimmt wird und das entsprechende Signal auf Nulldurchgang und/oder Vorzeichenwechsel überwacht wird, wobei der Zeitpunkt t2 des Nulldurchgangs. Vorzeichenwechsels und/oder eine lokalen Minimums bestimmt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung des erfassten Stromwerts in einer Steuerelektronik eines Umrichters ausgeführt wird, insbesondere wobei die Steuerelektronik einen Leistungshalbleiterschalter ansteuert, mit welchem der Strom der Spulenwicklung steuerbar ist, insbesondere wobei die Steuerelektronik pulsweitenmodulierte Ansteuersignale für Leistungshalbleiterschalter eines Wechselrichters erzeugt, der ausgangsseitig einen Motor speist und dessen Versorgungsspannung eine unipolare Spannung ist, insbesondere wobei der Stromwert in einer Zuleitung erfasst wird, mit welcher dem Wechselrichter Strom aus einem Potential der Versorgungsspannungsquelle zuleitbar ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Zeitdifferenz t2 – t1 ein Wert für den Verschleiß der Bremsbeläge bestimmt wird oder überwacht wird, ob ein kritischer Wert überschritten wird, der charakteristisch ist für eine notwendige Wartung der Bremse, insbesondere Austausch der Bremsbeläge.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Detektieren des Einknickens des Stroms ein Startsignal für einen Motor erzeugt wird, insbesondere wobei der Motor von einem Wechselrichter gespeist wird, der aus derselben Spannungsquelle wie auch die Bremsspulenwicklung.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ansteuern der Bremse zum Zeitpunkt t1 überwacht wird, ob innerhalb einer Zeitspanne ein Einknicken des Stromverlaufs, insbesondere also ein Zeitpunkt t2, bestimmt wird, insbesondere wobei die Zeitspanne größer ist als die bei jedem Verschleißgrad der Bremsbeläge, insbesondere also Abnutzungsgrad der Bremsbeläge, sich ergebende Reaktionszeit der Bremse.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuersignal zum Lüften der Bremse einer Sicherheitseinrichtung zugeführt wird, welche überwacht, ob innerhalb einer sicher gewährleisteten Zeitverzögerung das Einknicken des Stromes aufgetreten ist, insbesondere so dass dem Ansteuersignal ein Rückmeldepfad zugeordnet ist zur Erhöhung der Sicherheit.
Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Überwachen den Einknickens des Stromes das Lüften der Bremse überwacht wird.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Shuntwiderstand zur Erfassung des Stromes einer Bremsspulenwicklung vorgesehen ist in einem Strompfad zur Versorgung der Bremsspulenwicklung, wobei das erfasste Stromsignal einer Steuerelektronik zugeführt wird, welche pulsweitenmodulierte Ansteuersignale für Leistungshalbleiter einer Wechselrichterstufe erzeugt.