La aplicación de frenos de resorte electromecánicos en máquinas MRL

"Este artículo analiza algunos de los componentes básicos y el funcionamiento de los frenos de aplicación por resorte electromagnéticos de CC".

por Jonathan Bullick

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OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

• Después de leer este artículo, debería haber aprendido sobre:
  
  Los componentes básicos y el funcionamiento de un freno de resorte electromagnético de CC
• Las opciones comúnmente configuradas para frenos aplicados por resorte para aplicaciones de elevadores
• Métodos de conmutación utilizados para mejorar el tiempo de respuesta de los frenos de CC
• Diseños de frenos utilizados para amortiguar el ruido durante el funcionamiento
• Diseños de frenos redundantes y su aplicación como freno de seguridad

Introducción

El reciente aumento de la popularidad de las aplicaciones de tracción sin engranajes sin cuarto de máquinas (MRL) ha dado lugar a nuevos requisitos de frenos. En un esfuerzo por ahorrar espacio, muchas máquinas MRL ahora se están diseñando para que sean más largas y delgadas. Los frenos utilizados en este diseño deben tener un diámetro pequeño pero ser capaces de desarrollar pares relativamente grandes. Además, las máquinas MRL se pueden ubicar al alcance del oído de los residentes o empleados, por lo que es absolutamente necesario un funcionamiento silencioso de los frenos. Debido a que la ubicación del motor no siempre es fácilmente accesible, se hace hincapié en una solución de freno confiable que sea fácil de ajustar y mantener. Este artículo describe el funcionamiento básico de un freno de resorte accionado por armadura y su uso en una aplicación de ascensor MRL sin engranajes.

Los avances en la tecnología de cables han permitido que las máquinas sin engranajes de MRL utilicen poleas de diámetro cada vez más pequeño. Si bien los frenos de tambor y de disco son particularmente efectivos con poleas de mayor diámetro, los frenos de CC accionados por armadura se están convirtiendo en la tecnología de frenos preferida para las aplicaciones de MRL sin engranajes. Además de proporcionar una activación del freno de apagado a prueba de fallas, los frenos de CC utilizan un diseño confiable con una sola parte móvil. Existen modelos con amortiguación de ruido que son casi inaudibles durante el funcionamiento. Además, los frenos vienen con varias opciones y se pueden configurar fácilmente para cumplir con los requisitos específicos de la aplicación. Incluso es posible que un freno de motor MRL redundante se clasifique como un freno de emergencia de seguridad, algo que no es posible con las configuraciones de engranajes tradicionales.

teoría de operación

En 1820, Hans Christian Øersted descubrió que la corriente que fluye a través de un cable induce un campo magnético alrededor del conductor; este fenómeno sería explicado más tarde por la Ley de Ampere. Poco después, los físicos aprendieron que enrollar el cable en una bobina alrededor de un núcleo de hierro concentra significativamente el campo magnético inducido. También descubrieron que la fuerza del campo magnético creado por el inductor enrollado es proporcional al número de vueltas de la bobina y la corriente que fluye a través de la bobina. El resultado de estos hallazgos condujo a la creación del electroimán, un imán que se puede fabricar aplicando energía eléctrica a una bobina.

Un freno de CC de resorte electromagnético consta de un electroimán, compuesto por una carcasa de imán y una bobina. El imán generalmente se monta en la campana del motor con tornillos de montaje ajustables. Se colocan múltiples resortes de compresión en cavidades maquinadas en la cara del imán y se cargan para aplicar una fuerza de resorte en una armadura no giratoria. Un revestimiento de fricción está conectado por estrías a un cubo de eje y se intercala entre el inducido y otra superficie de fricción adecuada. Con el cubo ubicado axialmente, se ajusta un pequeño espacio de aire entre el imán y la armadura utilizando los pernos de montaje del espaciador hueco.

Apagado (aplicación del freno)

En un escenario de estado estable (apagado), no se aplica voltaje de CC a la bobina magnética, por lo que no fluye corriente y no se induce ningún campo magnético. A medida que se aplica la fuerza del resorte a la armadura, el revestimiento de fricción se intercala entre la armadura y la superficie de fricción, y se desarrolla un par de torsión que mantiene el eje estacionario.

Encendido (desconexión del freno)

Cuando se aplica voltaje a la bobina, la corriente comienza a fluir y se crea un campo magnético. El campo magnético continúa construyéndose hasta que es lo suficientemente grande para que el flujo magnético salte el pequeño espacio de aire entre el imán y la armadura, y complete un circuito magnético. La fuerza magnética del circuito comprime los resortes y la armadura se empuja hacia la cara del imán. La fuerza del resorte ya no se aplica al revestimiento de fricción, por lo que el cubo y el eje del motor pueden girar libremente.

Opciones de freno

Una ventaja de un freno de CC es su confiabilidad comprobada. El diseño KEB incorpora resortes de compresión redundantes, que están clasificados para más de 10 millones de ciclos cada uno. La bobina está completamente encapsulada en epoxi y utiliza alambre clase H. Se utilizan revestimientos de fricción de alta energía, que son resistentes al acristalamiento y al desvanecimiento por torsión. La armadura es la única parte móvil del freno, por lo que no hay palancas ni conexiones que puedan fallar como sus contrapartes de freno de CA. Otra ventaja del freno de resorte de CC es su flexibilidad de diseño y otras opciones disponibles. A continuación se presentan algunas de las características más comunes requeridas en las aplicaciones de ascensores. 

Liberación manual manual

Una liberación manual permite que un operador abra el freno sin aplicar energía a la bobina magnética. Esta función se usa principalmente para realizar pruebas y solucionar problemas, pero también se puede usar en situaciones de emergencia. Una liberación manual se compone de un yugo y una manija, que están montados en la parte posterior de la carcasa del imán. Los pernos de montaje atraviesan el yugo y la carcasa del imán y capturan la armadura. A medida que la palanca de liberación manual se tira hacia atrás, los resortes del imán se comprimen y la armadura se tira a través del espacio de aire, lo que permite que el revestimiento de fricción y el eje giren libremente. Por razones de seguridad, la palanca requiere una fuerza constante o un “esfuerzo constante” para mantener el freno abierto; al soltar la manija, el freno se activará.

Micro interruptor

La capacidad de monitorear el estado del freno es una característica importante para un controlador de elevador. La verificación del estado de los frenos mejora la seguridad del sistema y permite optimizar la temporización de la secuencia de control. La retroalimentación del freno también permite que el controlador se asegure de que el freno no esté siendo accionado en ningún momento durante la operación normal. Embragar el freno mientras el automóvil todavía está desacelerando o accionar el motor antes de que el freno se haya desacoplado por completo hará que el disco de fricción se desgaste prematuramente y acorte la vida útil del freno. Un microinterruptor de freno proporciona una señal de retroalimentación que indica el estado del freno, activado o desactivado. Por lo general, el microinterruptor está configurado para cerrarse cuando el freno se ha soltado por completo. Una forma de implementar un microinterruptor es colocándolo en un bolsillo mecanizado en la carcasa del imán. Además, se fija un émbolo al inducido y se ajusta su longitud para que quede justo encima del interruptor. A medida que la armadura atraviesa el espacio de aire, el émbolo se mueve con él y empuja hacia abajo el interruptor, cerrando un contactor. Es importante utilizar un interruptor de grado industrial que pueda manejar los ciclos repetitivos de una aplicación de elevación.

Diseños amortiguados por ruido

Se crea un ruido audible en un freno de CC cuando la armadura actúa y hace contacto con la carcasa del imán o el revestimiento de fricción. El ruido de metal contra metal durante la liberación del freno es particularmente pronunciado con frenos de mayor tamaño. Los frenos más grandes requieren armaduras más grandes, lo que permite el paso de más flujo magnético. El aumento de masa de una armadura más grande tiene más energía cinética, lo que genera un sonido de contacto más fuerte.

KEB utiliza principalmente dos métodos para reducir el ruido en los frenos de CC. El primer diseño requiere colocar un material amortiguador de ruido entre el imán y la armadura. El propósito del material es actuar como aislante entre los dos materiales metálicos y absorber la energía de la armadura en movimiento. Sin embargo, se debe tener cuidado para asegurarse de que la armadura se introduzca completamente en el imán y que no haya un par residual creado por el disco de fricción. Si bien este método mitiga el contacto metal con metal, solo reduce el ruido creado durante la liberación del freno.

El segundo diseño de amortiguación de ruido en los frenos de los ascensores consiste en reducir la velocidad de la armadura. Debido a que la duración de la activación real del inducido es tan corta, esto no tiene efectos visibles en la sincronización general del freno. La ventaja de esta solución es que se mejora el ruido del freno tanto en la dirección de acoplamiento como en la de desembrague. La solución de ascensor con amortiguación de ruido de KEB que utiliza un diseño de armadura especial tiene una clasificación estándar de menos de 65 decibelios a 1 metro. Si es necesario, se pueden realizar más consideraciones de diseño para reducir los niveles de ruido por debajo de 55 decibelios a 1 metro.

Sobreexcitación y conmutación de voltaje reducido

También se debe tener en cuenta que los frenos de CC tienen retrasos de conmutación inherentes, el tiempo desde que se indica el freno hasta que se desarrolla o reduce el par. Esto se debe en gran parte al hecho de que el acoplamiento y desacoplamiento del freno requiere la acumulación y disminución del flujo en el imán, que no es instantáneo. Los retrasos de conmutación son aún más largos para los frenos más grandes debido a la mayor inductancia de la bobina y la cantidad de campo magnético que se necesita construir y decaer. 

Una solución para mejorar los retrasos en la liberación del freno es sobreexcitar el freno o aplicar un voltaje mayor que el nominal durante un período corto hasta que la armadura se retraiga. El entrehierro ofrece resistencia al circuito magnético y se necesita un flujo máximo para para saltar el espacio de aire para crear un circuito con la armadura. Después de que la armadura se retrae, la cantidad de flujo necesario para mantenerla en su lugar es considerablemente menor. En este punto, la tensión del freno puede volver a su valor nominal. Esta conmutación de sobreexcitación ayuda a desarrollar el flujo magnético, pero solo mejora los tiempos de reacción durante la liberación del freno.

Los tiempos de activación del freno se pueden mejorar manteniendo el freno liberado con un voltaje reducido. Como se mencionó anteriormente, una vez que la armadura se tira a través del espacio de aire, se puede mantener en su lugar con un voltaje considerablemente menor. Mantener un voltaje más bajo significa que habrá menos flujo en el circuito que necesita decaer para que la fuerza del resorte regrese la armadura a su posición estática. Al igual que el interruptor de sobreexcitación, existen interruptores de freno especiales que pueden mantener el freno en un voltaje más bajo, mejorando así los tiempos de activación del freno. Mantener el freno abierto a un voltaje más bajo también corresponde a menos calentamiento y pérdidas de bobina más bajas durante la vida útil de la operación.

Diseños de doble freno

Debido a que el freno es fundamental para la seguridad del ascensor, se requiere algún tipo de redundancia de frenado en el sistema. La naturaleza de los requisitos de redundancia puede variar según las especificaciones y directivas vigentes. Una directiva popular utilizada en todo el mundo es DIN EN 81: Normas de seguridad para la construcción e instalación de ascensores. La parte de la EN 81 que se refiere a los ascensores eléctricos establece que el freno electromecánico debe tener dos conjuntos independientes de componentes mecánicos capaces de frenar una cabina. En lo que se refiere a los frenos accionados por armadura, hay varias maneras diferentes de diseñar y aplicar sistemas de frenos redundantes.

Tipo DDN – Freno doble 

Una forma de proporcionar un sistema de frenos redundante es utilizar dos frenos independientes. Esto proporciona dos sistemas eléctricos y mecánicos separados. Los frenos a menudo se apilan juntos y el fabricante los envía listos para montar con bridas y espacios de aire preestablecidos. Los frenos 

debe estar dimensionado de tal manera que cada freno individual sea capaz de detener el elevador de acuerdo con el código vigente. Los circuitos eléctricos separados también implican que los frenos pueden controlarse mediante circuitos de seguridad separados del controlador, lo que mejora aún más la redundancia del sistema.

Tipo D8: diseño de armadura dividida

Un método para reducir el tamaño total y el costo de un freno doble y al mismo tiempo lograr el requisito de componentes de frenado mecánico separados es implementar un diseño de armadura dividida. El freno utiliza un imán común y dos medias armaduras separadas o “armaduras divididas”. Cada armadura tiene su propio juego de resortes y es capaz de desacelerar el auto por sí mismo. La ventaja de esta solución es que la longitud total del freno es más corta que la del freno doble apilado. Además, el diseño de armadura dividida utiliza significativamente menos material y, por lo tanto, es más económico que un verdadero freno doble. Todas las opciones están disponibles en el diseño D8: ambas armaduras se pueden adaptar con liberaciones manuales separadas y monitoreo de microinterruptores.

Freno de emergencia en una situación ACO

DIN EN 81-1 (Sección 9.10) también requiere un medio para detectar y reducir la velocidad de un automóvil con exceso de velocidad en dirección ascendente. En las aplicaciones tradicionales con engranajes, el freno de motor electromecánico no podía considerarse un dispositivo de frenado de emergencia en una situación de exceso de velocidad del automóvil ascendido (ACO), porque no estaba directamente acoplado a la polea de tracción. Dado que las máquinas sin engranajes de MRL incorporan el freno y la polea en un eje común, el freno del motor ahora puede considerarse un freno de emergencia si se aplica correctamente. Esto es significativo, porque el freno de motor podría reemplazar a un freno de polea o pinza de cable como freno de seguridad, ahorrando así espacio y dinero. Tanto los frenos KEB de doble freno (DDN) como los frenos de armadura dividida (D8) han sido certificados por TÜV para usarse como frenos de seguridad para situaciones ACO según EN 81-1. Los clientes deben solicitar al fabricante del motor y del freno que proporcione los resultados de las pruebas o la certificación de una agencia de pruebas externa de que el freno cumple con las especificaciones aplicables de frenos de emergencia.

Conclusión

Los ascensores MRL ofrecen claras ventajas de espacio y eficiencia sobre las soluciones tradicionales, por lo que su proliferación continuará. El freno del motor es un componente muy importante en el diseño de la máquina MRL y puede contribuir a su diseño compacto y capacidad de servicio. Los frenos de resorte accionados por inducido son una solución comprobada con pocas piezas defectuosas y una vida útil prolongada. El diseño es flexible y se pueden configurar fácilmente para cumplir con los requisitos de la aplicación. Estos frenos pueden incluso calificar como dispositivos de frenado de emergencia, reemplazando soluciones más voluminosas y costosas. En resumen, los frenos de CC aplicados por resorte cumplen con los estrictos requisitos funcionales y de seguridad de la aplicación MRL y son una solución de freno viable.

Preguntas de refuerzo del aprendizaje

Utilice las preguntas de refuerzo del aprendizaje a continuación para estudiar para el Examen de evaluación de educación continua disponible en línea en www.elevatorbooks.com o en la página 121 de este número.

• ¿Por qué a veces se hace referencia a un freno de resorte como un freno "a prueba de fallas"?
• ¿Qué sucede cuando un operador mantiene abierto un freno con una liberación manual y luego suelta la liberación manual?
• ¿Un microinterruptor suele abrirse o cerrarse cuando se suelta el freno?
• ¿Qué se puede hacer para mejorar los tiempos de conmutación de los frenos de CC?
• ¿Se puede usar un diseño de armadura dividida como freno doble?