Hamulce elektromagnetyczne - ich rodzaje oraz wskazówki dotyczące doboru do aplikacji przemysłowych

Stosuje się je jako hamulce pozycjonujące i bezpieczeństwa. Do dyspozycji są różne opcje wykonań pod względem wyposażenia, zasilania i warunków środowiskowych, co pozwala na wybór odpowiedniej opcji do konkretnych wymagań użytkownika.

Przeznaczone są do wyhamowywania wirujących części maszyn, mającego na celu:

• hamowanie awaryjne w celu zapewnienia funkcji bezpieczeństwa napędu;
• unieruchomienie mechanizmów wykonawczych maszyn – funkcja dokładnego pozycjonowania;
• zredukowanie do minimum wybiegu napędów.

Przykładowe zastosowania:

• silniki z hamulcem (silniki samohamowne),
• napędy stosowane w dźwigach przemysłowych i osobowych,
• maszyny do obróbki drewna,
• turbiny wiatrowe,
• maszyny przemysłowe z ograniczonym wybiegiem,
• wózki przemysłowe,
• wyciągarki przemysłowe,
• pojazdy dla niepełnosprawnych,
• schody ruchome,
• pojazdy elektryczne.

To tylko niektóre obszary, w których urządzenia te znajdują zastosowanie.

Jak to działa

Konstrukcja klasycznego hamulca tarczowego została sprowadzona do czterech podstawowych elementów, takich jak: elektromagnes, zwora, tarcza hamulcowa, tarcza mocująca oraz tulejka zębata, pozwalająca na sprzężenie elementu roboczego hamulca, jakim jest tarcza hamulcowa, z wyhamowywanym wałem. Na rysunku 1 przedstawiona została konstrukcja hamulca.

W stanie spoczynku, czyli gdy obwód elektromagnesu nie jest zasilany, tarcza hamulcowa pozostaje zablokowana między tarczą mocującą a zworą, na którą oddziałują sprężyny umieszczone w korpusie elektromagnesu – napęd jest unieruchomiony. Z chwilą podania napięcia do cewki elektromagnesu następuje zwolnienie tarczy hamulcowej poprzez przyciągnięcie zwory – napęd znajduje się w stanie swobodnym lub może zostać wprawiony w ruch.

W ofertach producentów znajdziemy hamulce z elektromagnesami prądu przemiennego oraz zasilane prądem stałym z wykorzystaniem odpowiednich prostowników czy układów zasilających. Nie inaczej jest w przypadku firmy Ema-Elfa Sp. z o.o. należącej do Grupy Cantoni.

 

Rys. 1 . Konstrukcja hamulca tarczowego

Seria HZG

HZg to rodzina hamulców prądu przemiennego. Pierwowzór tej konstrukcji sięga lat 60. ubiegłego wieku, kiedy to znana była ona jako HZe i stosowana praktycznie w każdym napędzie samohamownym, począwszy od prostej maszyny, na urządzeniach dźwigowych kończąc. Jej zaletą jest dynamiczna praca połączona z krótkimi czasami działania, co stawało się szczególnie istotne w czasach, gdy nie były dostępne zespoły sterujące w postaci przemienników częstotliwości (falowników), a prostota aplikacji zapewniała bezproblemową eksploatację.

Hamulce prądu przemiennego mają jedną wadę: rozbudowany obwód elektromagnesu, charakterystyczny dla konstrukcji prądu przemiennego. Dopracowanie technologii wykonania i zastosowanie nowych materiałów powoduje jednak, że nie ma obaw co do ich awaryjności. Przykładem może być wykorzystanie w silnikach napędowych maszyn górniczych.

Seria HZg firmy Ema-Elfa Sp. z o.o. występuje w pięciu wielkościach mechanicznych i dwóch seriach – czyli podstawowa oraz z podwójnymi tarczami hamulcowymi, znana jako 2HZg, pozwalająca na osiąganie większych momentów hamowania w zależności od wymagań napędu.

 

Fot. 1. HZg – rodzina hamulców prądu przemiennego

Hamulce prądu stałego

Ekspansja hamulców prądu stałego rozpoczęła się z chwilą pojawienia się na rynku niezawodnych i dopracowanych elementów półprzewodnikowych, pozwalających na konstruowanie i produkowanie odpowiednich prostowników czy całych układów sterujących.

Podstawowa konstrukcja hamulca to H2SP oraz jego wersja HPS z możliwością regulacji momentu hamowania, gdzie centralna nakrętka zamontowana od czoła hamulca pozwala na redukcję momentu hamowania. Na fotografii 2 widać obie podstawowe wersje.

H2SP i HPS znalazły zastosowanie w układach napędowych maszyn, gdzie wymagane są odpowiednie kryteria bezpieczeństwa (zatrzymanie wirujących elementów) lub konieczne jest pozycjonowanie napędu, czyli zatrzymanie w określonym miejscu czy pozycji.

Szeroka gama wielkości mechanicznych oraz mnogość opcji wyposażenia pozwala na zastosowanie odpowiedniego hamulca, w zależności od wymaganego obciążenia oraz warunków klimatycznych czy przepisów norm bezpieczeństwa wymaganych w danej aplikacji.

Do specjalnych zastosowań opracowano hamulce spełniające normy PN-EN 81-20 oraz PN-EN 81-50, wykorzystując jako bazę serie hamulców H2SP. Odmiana znana jako 2H2SP pozwala na budowanie napędów spełniających wymogi powyższych norm. Wyrób przeznaczony jest do podwójnych układów bezpieczeństwa, stosowanych w urządzeniach dźwigowych i windach, gdzie występuje bezpośrednie zagrożenie dla człowieka. Na fotografii 3 prezentujemy wersję z dźwigniami ręcznego odhamowania.

 

Fot. 2. Hamulce prądu stałego – H2SP i HPS

Hamulce tego rodzaju znalazły również nietypowe zastosowanie – w układach napędowych urządzeń scenicznych, np. w teatrach. Jednak surowe wymogi co do poziomu hałasu wymagały odpowiednich zmian w konstrukcji elektromagnesu (zwora podczas swojej pracy emituje głośne dźwięki, uderzając o powierzchnie korpusu elektromagnesu) poprzez dodanie odpowiednich elementów tłumiących. Wyrób spełniający te wymagania to 2H2SP…BT.

Hamulce te unieruchamiają ciężar w sytuacjach uszkodzenia, błędnych manewrów i awarii. Muszą być w stanie przenieść wszystkie występujące w takich sytuacjach siły. Aby sprostać takim wymaganiom, przy zachowaniu możliwie prostego w części mechanicznej i pewnego w działaniu napędu, stosuje się zamiast silników wielobiegowych stosunkowo proste silniki asynchroniczne sterowane przemiennikami częstotliwości, wyposażone w elektromagnetyczne hamulce tarczowe o specyficznej dla układów dźwigowych konstrukcji. Względy bezpieczeństwa wymagane od takich hamulców zmusiły do opracowania mechanizmu hamowania o podwójnym obwodzie bezpieczeństwa.

 

Fot. 3. Hamulec H2SP w wersji z dźwigniami ręcznego odhamowania

Z uwagi na zapotrzebowanie układów napędowych o podwyższonym do IP67 stopniu ochrony, opracowany został hamulec serii NE. Stworzony na bazie H2SP wyrób wyposażono w zewnętrzną osłonę, eliminując wpływ zewnętrznego środowiska na pracę i eksploatację hamulca. Wysokie wymagania PRS (Polskiego Rejestru Statków) potwierdziły słuszność zastosowanych rozwiązań, a użycie napędów na pokładach jednostek pływających o nieograniczonym rejonie sprawdziło w warunkach eksploatacyjnych odporność hamulców.

Rozwój konstrukcji hamulców NE pozwolił na opracowanie elektromagnetycznych hamulców przeciwwybuchowych serii NEX, spełniających wymagania dla urządzeń i systemów ochronnych przeznaczonych do użytku w przestrzeniach zagrożonych wybuchem gazów i pyłów (dyrektywa 2014/34/UE ATEX). Badania potwierdzone zostały certyfikatem WE: KDB 15ATEX0067X, wydanym przez jednostkę notyfikowaną.

 

Fot. 4. Hamulec serii NE

Hamulce przeznaczone są do pracy w warunkach określonych jako: Ex II 2D Ex t IIIC T125°C Db oraz Ex II 3G Ex nA IIB T3 Gc.

Rozwinięciem serii są hamulce serii HEX, opracowane w 2017 r., z przeznaczeniem do stosowania w urządzeniach pracujących w obszarach zagrożonych występowaniem metanu, pyłu i gazów wybuchowych.

 

Fot. 5. Elektromagnetyczny hamulec przeciwwybuchowy serii NEX

 

Fot. 6. Seria hamulców HEX

Seria hamulców HEX spełnia zasadnicze wymagania dla urządzeń i systemów ochronnych przeznaczonych do użytku w przestrzeniach zagrożonych wybuchem gazów i pyłów (dyrektywa 2014/34/UE ATEX), potwierdzone certyfikatem wydanym przez jednostkę notyfikowaną. Jej użycie zatwierdzone jest dla następujących kategorii:

Ochrona przed wybuchem metanu i pyłu węglowego dla I grupy urządzeń, kategorii M2, ochrona przed wybuchem pyłów dla II grupy urządzeń, kategorii 2D:

Ex I M2 Ex db [ia] I Mb oraz Ex II 2D Ex tb [ia] IIIC T125°C Db

Ochrona przed wybuchem gazów i pyłów dla II grupy urządzeń, kategorii 2G/2D:

Ex II 2G Ex db [ia] IIB T4 Gb oraz Ex II 2D Ex tb [ia] IIIC T125°C Db

Obszar zastosowań oraz możliwe aplikacje serii HEX:

• zakłady górnicze podziemne oraz odkrywkowe,
• zakłady chemiczne,
• przemysł petrochemiczny i rafineryjny,
• silniki z hamulcem – zestaw samohamowny w wykonaniu przeciwwybuchowym,
• reduktor z hamulcem – zestaw w wykonaniu przeciwwybuchowym,
• windy oraz wyciągarki pracujące w strefie zagrożonej wybuchem.

Uwagi końcowe

To tylko podstawowe wersje opracowanych hamulców. Na stronach Grupy Cantoni znajdują się materiały opisujące modele do specjalnych zastosowań, np. hamulce do obrabiarek do drewna, znane jako seria H, stosowane wszędzie tam, gdzie przepisy bezpieczeństwa wymagają zatrzymania wirujących elementów maszyny w określonym czasie. Z kolei seria HS przeznaczona jest do stosowania w napędach o małym obciążeniu.

Trzeba jednocześnie pamiętać, że hamulce prądu stałego wymagają stosowania do zasilania odpowiednich układów w postaci prostowników – szeroka ich gama znajduje się również w serwisie Cantoni Group.

Na koniec istotna uwaga – kryteria odnośnie do zastosowania odpowiedniego hamulca spełniającego warunki pracy co do obciążenia, czasów działania itd. winien określić projektant urządzenia czy samego napędu.

Mieczysław Kempa
Fabryka Aparatury Elektrycznej EMA-ELFA Sp. z o.o. należąca do Cantoni Group
www.cantonigroup.com/pl