DE202007010875U1

DE202007010875U1 - Vorrichtung zur Steuerung und Überwachung einer elektromagnetisch betätigten Bremse sowie Bremsenanordnung mit einer solchen Vorrichtung

Info

Publication number: DE202007010875U1
Application number: DE202007010875U
Authority: DE
Original assignee: Pintsch Bamag AG; Pintsch Bamag Antriebs und Verkehrstechnik GmbH
Current assignee: Pintsch Bamag AG; Pintsch GmbH
Priority date: 2006-06-13
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2017-06-14

Abstract

Vorrichtung zum Steuern einer elektromagnetisch betätigten Bremse mit einer ein Magnetfeld erzeugenden Spule und einer durch das Magnetfeld gegen eine Vorspannkraft bewegbaren Ankerscheibe, die durch die Vorspannkraft gegen einen Reibbelagträger mit einem Reibbelag vorgespannt ist, wobei das Magnetfeld durch Beaufschlagung der Spule mit einem Spulenstrom erzeugt wird, der Zeitverlauf des Spulenstroms überwacht wird und die Spule bei einem bestimmten Erregerstrom lüftet,
dadurch gekennzeichnet,
– daß Mittel vorgesehen sind, um die Spule nach dem Lüften mit einem getakteten und gegenüber dem Erregerstrom niedrigeren Haltestrom mit sägezahnformigem Zeitverlauf zu beaufschlagen.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung und Überwachung einer elektromagnetisch betätigten Bremse mit einer ein Magnetfeld erzeugenden Spule und einer durch das Magnetfeld gegen eine Vorspannkraft bewegbaren Ankerscheibe, die durch die Vorspannkraft gegen einen Reibbelagträger mit einem Reibbelag vorgespannt ist, wobei das Magnetfeld durch Beaufschlagung der Spule mit einem Spulenstrom erzeugt und der Zeitverlauf dieses Spulenstroms überwacht wird. Die Erfindung betrifft auch eine mit einer entsprechenden Vorrichtung versehene Bremsenanordnung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Elektromagnetisch betätigte Bremsen und Vorrichtungen der hier in Frage stehenden Art sind gut bekannt, z.B. aus der EP 1 462 673 B1 oder der EP 1 534 130 B1 , die allgemeines Fachwissen betreffend das hier in Frage stehende technische Gebiet enthalten und auf deren Offenbarung insofern zur Vermeidung von Wiederholungen verwiesen wird.
Elektromagnetische Bremsen der hier betroffenen Art dienen z.B. als Sicherheitsbremsen bei Kränen dazu, ein Abrollen eines Zugseiles und damit ein Herunterfallen einer Last bei Ausfall eines Motors zu verhindern. Sie sind im Grundzustand eingerückt, d.h. die Ankerscheibe ist z.B. durch Schraubenfedern gegen eine Reibbelagscheibe vorgespannt. Durch Anlegen eines Stromes baut sich in der Spule ein Magnetfeld auf, das bei einem bestimmten Strom, dem sog. Erregerstrom, stark genug ist, die Ankerscheibe von der Reibbelagscheibe zu lösen, so daß zwischen den Scheiben ein Luftspalt entsteht, weshalb man davon spricht, daß die Bremse "lüftet".
In der EP 0 735 292 B1 wird eine Verfahren zum Steuern einer solchen Bremse beschrieben, bei dem nach dem Erreichen des Erregerstroms auf einen niedrigeren Haltestrom umgeschaltet wird.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Steuerung und Überwachung einer elektromagnetisch betätigten Bremse der eingangs genannten Art anzugeben, welche ein besonders schnelles Schließen der Bremse ermöglichen, was z.B. bei Kränen besonders wichtig ist, um schwere oder gar tödliche Unfälle durch herabrutschende Lasten zu vermeiden. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist es, den Verschleißzustand der Bremse zu ermitteln und dem Benutzer derart anzuzeigen, daß er Wartungszeiten genau planen kann.
Die Aufgabe wird gelöst von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Aus- und Durchführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche. Der nebengeordnete Anspruch 11 betrifft eine Bremsenanordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Erfindung erlaubt es, eine Bremse derart zu speisen, daß beim Ausschalten der Spule die Ankerscheibe sehr schnell "abfällt", d.h. sich von dem durch die Spule gebildeten Elektromagneten löst und damit schließt, da nur ein im Verhältnis zum Lösestrom, der auch Erregerstrom genannt wird und der zum Aufbauen des die Ankerscheibe von dem Reibbelagträger lösenden Magnetfeldes notwendig ist, deutlich geringerer Haltestrom abzubauen ist.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden rein beispielhaften und nicht-beschränkenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Steuerung und Überwachung von vier Bremsen.
2 zeigt den zeitlichen Verlauf des Spulenstroms beim Ansteuern einer Bremse mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird vorteilhaft in Form eines elektronischen Schaltgerätes für Federdruckbremsen realisiert, an das mehrere Bremsen gleichzeitig angeschlossen werden können. Die 1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines solchen, durch die punktierte Linie 10 angedeuteten Schaltgerätes, an das bei diesem Beispiel vier Bremsen 12, 14, 16 und 18 angeschlossen sind, die jeweils über eine ein Magnetfeld erzeugende Spule und eine durch das Magnetfeld gegen eine Vorspannkraft bewegbare Ankerscheibe besitzen, die durch die Vorspannkraft gegen einen Reibbelagträger mit einem Reibbelag vorgespannt ist, wobei das Magnetfeld durch Beaufschlagung der Spule mit einem Spulenstrom erzeugt wird.
Handelt es sich bei den Bremsen z.B. um Bremsen mit jeweils einer 110V-Spule, kann das Schaltgerät zu ausgelegt sein, daß es mit einer aus dem Wechselstromnetz stammenden Nennspannung zwischen 220 V und 440 V betrieben wird, die, ggf. nach Durchgang durch einen optionalen Filter 20, in einem Gleichrichter 22 gleichgerichtet wird.
Die Bremsen 12, 14, 16 und 18 werden dann durch elektronische Schalter (Halbleiterbauelemente) in Form der Transistoren 24 und 26 aus der gleichgerichteten Netzspannung betrieben. Die Transistoren sind wie gezeigt über eine Freilaufdiode 27 miteinander verbunden. Die elektronischen Schalter werden aktiviert, wenn der (nicht gezeigte) Steuereingang des Geräts mit einem logischen Spannungssignal bestromt wird.
Damit der Ausfall eines Schalters oder dessen Ansteuerung nicht zum ungewollten Lüften der Bremse führt, ist in beiden Speiseleitungen der Bremsen jeweils ein elektronsicher Schalter vorgesehen. Die elektronischen Schalter sind somit redundant ausgeführt.
Beide Schalter werden von einem in das Gerät integrierten Mikrocontroller 28 angesteuert. Dieser prüft zunächst die korrekte Funktion der elektronischen Schalter bevor diese bei erfolgreich abgelaufener Diagnose gemeinsam betätigt werden.
Vorteilhaft kann vorgesehen werden daß zur Betätigung der Bremsen übergeordnetes zusätzliches Freigabesignal vorhanden sein muß, das als Freigabesignal mit der Ansteuerung der beiden elektronischen Schalter über die Hardware verknüpft ist. Dies stellt sicher, daß die elektronischen Schalter nur bei korrekter externer Ansteuerung vom Mikrocontroller angesteuert werden können. Die Ansteuerung der elektronischen Schalter per Software des Mikrocontrollers erfolgt dann zweckmäßigerweise ebenfalls nur bei korrekt erkanntem Freigabesignal. Ferner kann vorgesehen sein, daß der Mikrocontroller 28 beide Eingangssignale und das resultierende Freigabesignal überwacht, so daß eine Ansteuerung der elektronischen Schalter über die Software nur bei plausibler Signalsequenz erfolgt, die über das Mikrocontroller-Programm geprüft wird, was verhindert, daß der Defekt eines einzelnen Bauteils oder ein Programmfehler zu einem ungewollten Einschalten der Bremse führt.
Die Wicklungen der Spulen der angeschlossenen Bremsen werden dann derart gespeist, daß sie bei Vorliegen eines Steuersignals zunächst mit der vollen gleichgerichteten Wechselspannung erregt werden, bis die jeweilige Ankerscheibe komplett lüftet, um anschließend den Spulenstrom durch eine Stromtaktung auf Haltestrom abzuregeln. Dabei erfolgt das Regeln auf den Haltestrom über die Ansteuerelektronik des Transistors 24. Der Haltestrom ist getaktet und gegenüber dem Erregerstrom deutlich niedriger. Er besitzt einen sägezahnförmigen Zeitverlauf. Der Verlauf des Stromes der einzelnen Bremsen kann über Stromwandler 32, 34, 36, 38 erfaßt werden.
Die 3 zeigt einen typischen Stromverlauf nach dem Einschalten einer Bremse. Der nach Gleichrichtung mit einer leichten Welligkeit behaftete Strom steigt zunächst an, bis die Ankerscheibe vom Reibbelag löst (Zeitpunkt t1) und sich in Richtung auf die Spule in Bewegung setzt. Wenn die Ankerscheibe einen nahe der Spule angeordneten Anschlag erreicht, steigt der Spulenstrom bis auf einen durch den Spulenwiderstand bestimmten Endwert (Erregerstrom/Lösestrom), der zum Zeitpunkt t2 erreicht wird. Zu diesem Zeitpunkt kann von einem sicheren, vollständigen Lösen der Bremse ausgegangen werden, so daß auf den niedrigeren Haltestrom mit Sägezahnprofil umgeschaltet werden kann.
Damit nicht nur das Lüften der Bremse beschleunigt wird, sondern auch beim Ausschalten des Magnetfeldes die Ankerscheibe noch schneller abfällt, kann die beim Abschalten durch die Spuleninduktivität erzeugte Gegenspannung auf hohem Niveau konstant gehalten und die zurückgespeiste Energie über eingebaute Varistoren 30 in Wärme umgesetzt werden, bis der Spulenstrom ganz abgeklungen ist.
Vorteilhaft kann die beim Ausschalten des der Spule zugeführten Stromes durch die Spuleninduktivität erzeugte Gegenspannung auf einen Wert im Bereich von 800 bis 1000 V begrenzt werden, was gegenüber dem Stand der Technik eine Erhöhung um rund 100 % darstellt und den Vorteil hat, zu einem besonders schnellen Abbau des Magnetfeldes und damit Schließen der Bremse zu führen. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Geräten mit herkömmlichen Schaltern war wegen der Lichtbogenproblematik eine Gegenspannung von nur rund 400 V möglich. Zusammen mit dem ohnehin niedrigeren Haltestrom schließt daher eine erfindungsgemäß gesteuerte Bremse etwa doppelt bis dreimal so schnell wie herkömmlich gesteuerte Bremsen.
Das Konzept und damit die Ermittlung des Verschleißzustands des Reibbelages einer Bremse basiert auf dem aus dem für die Bremse abgeleiteten Ersatzschaltbild. Aus dem Ersatzschaltbild leiten sich die für die Softwareerstellung erforderlichen mathematischen Beziehungen ab. Dabei können vorteilhaft nicht nur der ohmsche und der induktive Teil einer Bremse, sondern auch ein zusätzlicher transienter (virtueller) Widerstand berücksichtigt werden, der schwindet und nur während der Reaktionsphase der Ankerscheibe existiert. Für die Verschleißermittlung werden dann charakteristische Kenngrößen bestimmter Bremsen eingespeichert. Diese Größen fungieren gleichzeitig auch als Parameter der magnetischen Beziehungen die mit in das Formelwerk der Software einfließen.
Der integrierte Mikrocontroller kann dann den Verschleißzustand des Reibbelags ermitteln und frühzeitig z.B. über Relais und Leuchtdioden eine Wartungsmeldung z.B. bei einem Abnutzungsgrad von 90 % ausgeben, bevor der Reibbelag vollständig abgenutzt ist, was es vorteilhaft erlaubt, Wartungszeiten frühzeitig zu planen. Ist der Reibbelag abgenutzt, erfolgt eine entsprechende Warnmeldung. Dabei ermittelt der Mikrocontroller den Verschleißzustand eines Reibbelags berührungslos über Strom-, Spannungs- und Zeitmessung.
Vorteilhaft kann in die Ermittlung des Verschleißzustandes auch die Temperatur der Spule einfließen, die nach dem Stand der Technik bislang nicht berücksichtigt wurde, obwohl die Temperatur einen deutlichen Einfluß auf die Verschleißermittlung hat. Dabei kann die Temperatur der Spule indirekt, insbesondere aus dem Spulenwiderstand beim Abfallen der Bremse, ermittelt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht auch die Durchführung eines Verfahrens zum Steuern und Überwachen einer elektromagnetisch betätigten Bremse mit einer ein Magnetfeld erzeugenden Spule und einer durch das Magnetfeld gegen eine Vorspannkraft bewegbaren Ankerscheibe, die durch die Vorspannkraft gegen einen Reibbelagträger mit einem Reibbelag vorgespannt ist, wobei das Magnetfeld durch Beaufschlagung der Spule mit einem Spulenstrom erzeugt wird, der Zeitverlauf des Spulenstroms überwacht wird und die Spule bei einem bestimmten Erregerstrom lüftet, wobei das Verfahren so arbeitet, daß die Spule nach dem Lüften mit einem getakteten und gegenüber dem Erregerstrom niedrigeren Haltestrom mit sägezahnformigem Zeitverlauf beaufschlagt wird.
Besitzt die Spule eine bestimmte Nennspannung, insbesondere im Bereich von 230 V, besitzt, kann das Verfahren so durchgeführt werden, daß die Spule zum Lüften mit einer Spannung ungefähr im Bereich der doppelten Nennspannung, insbesondere im Bereich von 400 V, beaufschlagt wird.
Vorteilhaft kann beim Ausschalten des der Spule zugeführten Stromes die durch die Spuleninduktivität erzeugte Gegenspannung auf hohem Niveau konstant gehalten und die dabei zurückgespeiste Energie über eingebaute Varistoren in Wärme umgesetzt werden, bis der Spulenstrom ganz abgeklungen ist.
Bevorzugt erfolgt die Stromzufuhr zur Spule über Halbleiterbauelemente und nicht über einen den gesamten Spulenstrom führenden Schutzkontakt.
Die beim Ausschalten des der Spule zugeführten Stromes durch die Spuleninduktivität erzeugte Gegenspannung kann auf einen Wert im Bereich von 800 bis 1000 V begrenzt werden.
Der Verschleißzustand des Reibbelags kann ermittelt und digital in wenigstens zwei verschiedenen Abnutzungsgraden angezeigt werden. Dabei kann die Ermittlung des Verschleißzustandes durch Berücksichtigung des transienten Spulenwiderstandes erfolgen, der nur während der Reaktionsphase der Ankerscheibe existiert. Die Ermittlung des Verschleißzustandes kann auch unter Berücksichtigung der Temperatur der Spule erfolgen. Dazu kann die Temperatur der Spule indirekt, und zwar insbesondere aus dem Spulenwiderstand beim Abfallen der Ankerscheibe, ermittelt werden.
Die Erfindung erlaubt es auch mehrere, insbesondere drei bis acht Bremsen unter Verwendung eines einzigen elektronischen Schaltgerätes zu steuern und zu überwachen.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die Erfindung gegenüber dem Stand der Technik insbesondere

– Verdrahtungsvorteile besitzt, da keine Schützkontakte zum Schalten der Bremse, kein externer Gleichrichter für die Gleichspannungserzeugung und keine externe Schutzbeschaltung erforderlich sind und ein interner Kurzschluß-Schutz und eine interne Erdschlußüberwachung vorgesehen werden können und das Schalten der Bremsen durch integrierte Halbleiterschalter erfolgt, die redundant ausgeführt sind, wobei Meldungen der korrekten Halbleiterfunktion an eine übergeordnete Steuerung gegeben werden können,
– Vorteile bei der Verschleißermittlung besitzt, da der Spulenwiderstand und die Erregungsspannung kompensiert werden können und das Stromsignals zur Eliminierung der Restwelligkeit werden kann, so daß ein höhere Auflösung zur besseren Differenzierbarkeit des Stromsignals auch bei Schnellerregung erzielt wird, wobei
– eine Schnellerregung der Bremsen und ein schneller Abbau des Magnetfeldes erlaubt, so daß kürzere Schaltzyklen möglich sind,
– eine Regelung des Haltestromes der Bremse durch Pulspaketsteuerung mit Reduzierung der Verlustleistung bietet,
– eine verbesserte Informationsanzeige erlaubt, wie z.B. eine numerische Verschleißanzeige, Anzeige von Wartungsintervallen und/oder erweiterte Diagnoseanzeigen für Erdschluß, Kurzschluß, Überlast.

Claims

Vorrichtung zum Steuern einer elektromagnetisch betätigten Bremse mit einer ein Magnetfeld erzeugenden Spule und einer durch das Magnetfeld gegen eine Vorspannkraft bewegbaren Ankerscheibe, die durch die Vorspannkraft gegen einen Reibbelagträger mit einem Reibbelag vorgespannt ist, wobei das Magnetfeld durch Beaufschlagung der Spule mit einem Spulenstrom erzeugt wird, der Zeitverlauf des Spulenstroms überwacht wird und die Spule bei einem bestimmten Erregerstrom lüftet, dadurch gekennzeichnet, – daß Mittel vorgesehen sind, um die Spule nach dem Lüften mit einem getakteten und gegenüber dem Erregerstrom niedrigeren Haltestrom mit sägezahnformigem Zeitverlauf zu beaufschlagen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Spule eine bestimmte Nennspannung, insbesondere im Bereich von 230 V, besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um die Spule zwecks Lüften mit einer Spannung ungefähr im Bereich der doppelten Nennspannung, insbesondere im Bereich von 400 V, zu beaufschlagen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um die beim Ausschalten des der Spule zugeführten Stromes durch die Spuleninduktivität erzeugte Gegenspannung auf hohem Niveau konstant zu halten, und daß Varistoren vorgesehen sind, um die dabei zurückgespeiste Energie in Wärme umzusetzen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle eines den gesamten Spulenstrom führenden Schutzkontaktes Halbleiterbauelemente vorgesehen sind, über welche die Stromzufuhr zur Spule erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel vorgesehen sind, um die beim Ausschalten des der Spule zugeführten Stromes durch die Spuleninduktivität erzeugte Gegenspannung auf einen Wert im Bereich von 800 bis 1000 V zu begrenzen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um den Verschleißzustand des Reibbelages zu ermitteln und digital in wenigstens zwei verschiedenen Abnutzungsgraden anzuzeigen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Ermittlung des Verschleißzustandes berührungslos arbeiten und insbesondere in Form elektronischer Mittel vorliegen, die den Verschleißzustand aus dem zeitlichen Verlauf des Spulenstroms unter Berücksichtigung des nur während der Reaktionsphase der Ankerscheibe existierenden transienten Spulenwiderstandes ermitteln.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Ermittlung des Verschleißzustandes die Temperatur der Spule bei der Ermittlung des Verschleißzustandes berücksichtigen können.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Ermittlung des Verschleißzustandes die Temperatur der Spule indirekt, insbesondere aus dem Spulenwiderstand beim Abfallen der Bremse, ermitteln.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an der Vorrichtung mehrere Bremsen, insbesondere drei bis acht Bremen, angeschlossen sind und von dieser gesteuert und überwacht werden.
Bremsenanordnung umfassend wenigstens eine elektromagnetisch betätigte Bremse mit einer ein Magnetfeld erzeugenden Spule und einer durch das Magnetfeld gegen eine Vorspannkraft bewegbaren Ankerscheibe, die durch die Vorspannkraft gegen einen Reibbelagträger mit einem Reibbelag vorgespannt ist, wobei das Magnetfeld durch Beaufschlagung der Spule mit einem Spulenstrom erzeugt wird, der Zeitverlauf des Spulenstroms überwacht wird und die Spule bei einem bestimmten Erregerstrom lüftet, und eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Bremsenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein elektronisches Schaltgerät für Federdruckbremsen umfaßt, an dem eine Mehrzahl von Bremsen, insbesondere drei bis acht Bremsen, gleichzeitig angeschlossen sind.