L'applicazione dei freni elettromeccanici a molla nelle macchine MRL

"Questo articolo discute alcuni dei componenti di base e il funzionamento dei freni a molla elettromagnetici CC."

di Jonathan Bullick

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obiettivi formativi

• Dopo aver letto questo articolo, dovresti aver appreso:
  
  I componenti di base e il funzionamento di un freno elettromagnetico a molla CC
• Le opzioni comunemente configurate per i freni a molla per le applicazioni degli ascensori
• Metodi di commutazione utilizzati per migliorare il tempo di risposta dei freni CC
• I modelli dei freni utilizzati per smorzare il rumore durante il funzionamento
• Progettazioni di freni ridondanti e loro applicazione come freno di sicurezza

Introduzione

La recente crescita della popolarità delle applicazioni di trazione gearless senza sala macchine (MRL) ha dato origine a nuovi requisiti di freno. Nel tentativo di risparmiare spazio, molte macchine MRL sono ora progettate per essere più lunghe e più sottili. I freni utilizzati in questo progetto devono avere un diametro piccolo ma essere in grado di sviluppare coppie relativamente grandi. Inoltre, le macchine MRL possono essere posizionate a portata d'orecchio di residenti o dipendenti, quindi è assolutamente necessario un funzionamento silenzioso dei freni. Poiché la posizione del motore non è sempre facilmente accessibile, si pone l'accento su una soluzione frenante affidabile che sia di facile regolazione e manutenzione. Questo articolo descrive il funzionamento di base di un freno a molla azionato dall'indotto e il suo utilizzo in un'applicazione per ascensori MRL senza ingranaggi.

I progressi nella tecnologia delle funi hanno consentito alle macchine gearless MRL di utilizzare pulegge di diametro sempre più piccolo. Mentre i freni a tamburo e a disco sono particolarmente efficaci con pulegge di diametro maggiore, i freni a corrente continua azionati dall'indotto stanno diventando la tecnologia frenante preferita per le applicazioni MRL senza ingranaggi. Oltre a fornire un innesto del freno di spegnimento sicuro, i freni CC utilizzano un design affidabile con una sola parte mobile. Esistono modelli insonorizzati che sono quasi impercettibili durante il funzionamento. Inoltre, i freni sono dotati di diverse opzioni e possono essere facilmente configurati per soddisfare i requisiti specifici dell'applicazione. È anche possibile che un freno motore MRL ridondante sia classificato come freno di emergenza di sicurezza, cosa impossibile con le tradizionali configurazioni a ingranaggi.

Teoria di funzionamento

Nel 1820, Hans Christian Øersted scoprì che la corrente che scorre attraverso un filo induce un campo magnetico attorno al conduttore; questo fenomeno sarebbe poi spiegato dalla legge di Ampere. Poco dopo, i fisici hanno appreso che avvolgere il filo in una bobina attorno a un nucleo di ferro concentra significativamente il campo magnetico indotto. Hanno anche scoperto che l'intensità del campo magnetico creato dall'induttore a spirale è proporzionale al numero di spire della bobina e alla corrente che scorre attraverso la bobina. Il risultato di questi risultati ha portato alla creazione dell'elettromagnete, un magnete che può essere realizzato applicando energia elettrica a una bobina.

Un freno CC a molla elettromagnetica è costituito da un elettromagnete, composto da un alloggiamento del magnete e da una bobina. Il magnete è solitamente montato sulla campana del motore con viti di montaggio regolabili. Molteplici molle di compressione sono posizionate in tasche lavorate sulla faccia del magnete e sono caricate per applicare una forza elastica su un'armatura non rotante. Un rivestimento di attrito è collegato scanalato a un mozzo dell'albero e inserito a sandwich tra l'armatura e un'altra superficie di attrito adatta. Con il mozzo posizionato assialmente, un piccolo traferro tra il magnete e l'indotto viene regolato utilizzando i bulloni di montaggio del distanziatore cavo.

Spegnimento (innesto del freno)

In uno scenario di stato stazionario (spegnimento), non viene applicata tensione CC alla bobina magnetica, quindi non scorre corrente e non viene indotto alcun campo magnetico. Quando la forza della molla viene applicata all'indotto, il rivestimento di attrito viene inserito tra l'indotto e la superficie di attrito e viene sviluppata una coppia che mantiene fermo l'albero.

Accensione (disinserimento del freno)

Quando viene applicata tensione alla bobina, la corrente inizia a fluire e viene creato un campo magnetico. Il campo magnetico continua a crescere fino a quando non è abbastanza grande da consentire al flusso magnetico di saltare il piccolo traferro tra il magnete e l'armatura e completare un circuito magnetico. La forza magnetica del circuito comprime le molle e l'armatura viene tirata sulla faccia del magnete. La forza della molla non viene più applicata alla guarnizione di attrito, quindi il mozzo e l'albero motore possono ruotare liberamente.

Opzioni freno

Uno dei vantaggi di un freno CC è la sua comprovata affidabilità. Il design KEB incorpora molle di compressione ridondanti, classificate per oltre 10 milioni di cicli ciascuna. La bobina è completamente incapsulata in resina epossidica e utilizza filo di classe H. Vengono utilizzate guarnizioni di attrito ad alta energia, resistenti alla smaltatura e allo sbiadimento della coppia. L'armatura è l'unica parte mobile del freno, quindi non ci sono leve o collegamenti che possono guastarsi come le loro controparti del freno CA. Un altro vantaggio del freno a molla CC è la sua flessibilità di progettazione e altre opzioni disponibili. Seguono alcune delle caratteristiche più comuni richieste nelle applicazioni per ascensori. 

Rilascio manuale della mano

Un rilascio manuale manuale consente all'operatore di aprire il freno senza applicare alimentazione alla bobina magnetica. Questa funzione viene utilizzata principalmente per il test e la risoluzione dei problemi, ma può essere utilizzata anche in situazioni di emergenza. Un rilascio manuale è composto da un giogo e una maniglia, che sono montati sul retro dell'alloggiamento del magnete. I bulloni di montaggio scorrono attraverso il giogo e l'alloggiamento del magnete e catturano l'armatura. Quando la leva di rilascio manuale viene tirata indietro, le molle nel magnete vengono compresse e l'armatura viene tirata attraverso il traferro, consentendo al rivestimento di attrito e all'albero di ruotare liberamente. Per motivi di sicurezza, la leva richiede una forza costante o uno "sforzo costante" per mantenere il freno aperto: rilasciando la maniglia, il freno si innesterà.

Microinterruttore

La capacità di monitorare lo stato del freno è una caratteristica importante per un controller per ascensori. La verifica dello stato del freno migliora la sicurezza del sistema e consente di ottimizzare i tempi della sequenza di controllo. Il feedback del freno consente inoltre al controller di garantire che il freno non venga azionato in nessun momento durante il normale funzionamento. Inserendo il freno mentre l'auto sta ancora decelerando o azionando il motore prima che il freno sia completamente disinserito, il disco di attrito si usura prematuramente e riduce la vita operativa del freno. Un microinterruttore del freno fornisce un segnale di feedback che indica lo stato del freno – inserito o disinserito. Solitamente, il microinterruttore è configurato per chiudersi quando il freno è completamente rilasciato. Un modo per implementare un microinterruttore è posizionarlo in una tasca lavorata nell'alloggiamento del magnete. Inoltre, uno stantuffo è fissato all'armatura e la sua lunghezza è regolata in modo che si trovi appena sopra l'interruttore. Quando l'armatura attrae il traferro, lo stantuffo si muove con esso e spinge verso il basso l'interruttore, chiudendo un contattore. È importante utilizzare un interruttore di livello industriale in grado di gestire i cicli ripetitivi di un'applicazione di sollevamento.

Disegni smorzati dal rumore

Un rumore udibile viene creato in un freno CC quando l'indotto si attiva ed entra in contatto con l'alloggiamento del magnete o con la guarnizione di attrito. Il rumore metallo su metallo durante il rilascio del freno è particolarmente pronunciato con freni di dimensioni maggiori. I freni più grandi richiedono armature più grandi, che consentono il passaggio di più flusso magnetico. La massa maggiore di un'armatura più grande ha più energia cinetica, creando un suono di contatto più forte.

KEB utilizza principalmente due metodi per ridurre il rumore nei freni CC. Il primo progetto richiede il posizionamento di un materiale fonoassorbente tra il magnete e l'armatura. Lo scopo del materiale è fungere da isolante tra i due materiali metallici e assorbire l'energia dell'armatura mobile. Tuttavia, occorre prestare attenzione per garantire che l'armatura attiri completamente il magnete e che non vi sia una coppia residua creata dal disco di attrito. Sebbene questo metodo mitighi il contatto metallo su metallo, riduce solo il rumore creato durante il rilascio del freno.

Il secondo progetto di smorzamento del rumore nei freni degli ascensori prevede il rallentamento della velocità dell'indotto. Poiché la durata dell'attivazione effettiva dell'indotto è così breve, ciò non ha effetti visibili sulla fasatura complessiva del freno. Il vantaggio di questa soluzione è che la rumorosità del freno è migliorata sia nella direzione di innesto che di disinnesto. La soluzione per ascensori insonorizzati di KEB che utilizza uno speciale design dell'armatura è classificata per meno di 65 decibel a 1 metro come standard. Se necessario, è possibile effettuare ulteriori considerazioni di progettazione per ridurre i livelli di rumore al di sotto di 55 decibel a 1 metro.

Sovraeccitazione e commutazione a tensione ridotta

Va anche notato che i freni CC hanno intrinsecamente ritardi di commutazione, il tempo da quando il freno viene segnalato a quando la coppia viene sviluppata o ridotta. Ciò è in gran parte dovuto al fatto che l'innesto e il disinnesto del freno richiedono la formazione e il decadimento del flusso nel magnete, che non è istantaneo. I ritardi di commutazione sono ancora più lunghi per i freni più grandi a causa della maggiore induttanza della bobina e della quantità di campo magnetico che deve essere costruito e decaduto. 

Una soluzione per migliorare i ritardi di rilascio del freno è sovraeccitare il freno o applicare una tensione superiore a quella nominale per un breve periodo fino a quando l'indotto non si inserisce. Il traferro offre resistenza al circuito magnetico ed è necessario un flusso di picco per per saltare il traferro per creare un circuito con l'armatura. Dopo che l'armatura si è ritirata, la quantità di flusso necessaria per mantenerla in posizione è considerevolmente inferiore. A questo punto è possibile riportare la tensione del freno al valore nominale. Questa commutazione di sovraeccitazione aiuta a sviluppare il flusso magnetico ma migliora solo i tempi di reazione durante il rilascio del freno.

I tempi di innesto del freno possono essere migliorati tenendo il freno rilasciato con una tensione ridotta. Come accennato in precedenza, una volta che l'armatura è stata tirata attraverso il traferro, può essere tenuta in posizione con una tensione notevolmente inferiore. Mantenere una tensione inferiore significa che ci sarà meno flusso nel circuito che deve decadere affinché la forza della molla riporti l'armatura nella sua posizione statica. Simile all'interruttore di sovraeccitazione, esistono speciali interruttori del freno che possono trattenere il freno a una tensione inferiore, migliorando così i tempi di innesto del freno. Tenere il freno aperto a una tensione più bassa corrisponde anche a un minor riscaldamento e minori perdite della bobina per tutta la durata del funzionamento.

Disegni a doppio freno

Poiché il freno è fondamentale per la sicurezza dell'ascensore, è necessaria una sorta di ridondanza della frenatura nel sistema. La natura dei requisiti di ridondanza può variare in base alle specifiche e alle direttive vigenti. Una direttiva popolare utilizzata in tutto il mondo è la DIN EN 81 – Norme di sicurezza per la costruzione e l'installazione di ascensori. La parte della EN 81 relativa agli ascensori elettrici stabilisce che il freno elettromeccanico deve avere due gruppi indipendenti di componenti meccanici in grado di frenare un'auto. Per quanto riguarda i freni azionati dall'indotto, esistono diversi modi in cui è possibile progettare e applicare i sistemi frenanti ridondanti.

Tipo DDN – Doppio freno 

Un modo per fornire un sistema frenante ridondante consiste nell'utilizzare due freni indipendenti. Ciò fornisce due sistemi elettrici e meccanici separati. I freni sono spesso impilati insieme e spediti dal produttore pronti per il montaggio con flange e traferri preimpostati. I freni 

deve essere dimensionato in modo tale che ogni singolo freno sia in grado di arrestare l'ascensore secondo il codice normativo. Circuiti elettrici separati implicano anche che i freni possono essere controllati da circuiti di sicurezza separati dal controller, migliorando ulteriormente la ridondanza del sistema.

Tipo D8 – Design ad armatura divisa

Un metodo per ridurre le dimensioni complessive e il costo di un freno doppio pur soddisfacendo i requisiti di componenti di frenatura meccanica separati consiste nell'attuare un design ad armatura divisa. Il freno utilizza un magnete comune e due mezze armature separate o "armatura divisa". Ogni armatura ha il proprio set di molle ed è in grado di decelerare l'auto da sola. Il vantaggio di questa soluzione è che la lunghezza complessiva del freno è inferiore a quella del freno doppio sovrapposto. Inoltre, il design dell'armatura divisa utilizza molto meno materiale ed è quindi più economico di un vero doppio freno. Tutte le opzioni sono disponibili nel design D8: entrambe le armature possono essere adattate con sganci manuali separati e monitoraggio del microinterruttore.

Freno di emergenza in una situazione ACO

La DIN EN 81-1 (Sezione 9.10) richiede anche un mezzo per rilevare e rallentare un'auto a velocità eccessiva nella direzione verso l'alto. Nelle tradizionali applicazioni a ingranaggi, il freno motore elettromeccanico non poteva essere considerato un dispositivo di frenata di emergenza in una situazione di sovravelocità di cabina in salita (ACO), perché non era direttamente accoppiato alla puleggia di trazione. Poiché le macchine gearless MRL incorporano il freno e la puleggia su un albero comune, il freno motore può ora essere considerato un freno di emergenza se applicato correttamente. Questo è significativo, perché il freno motore potrebbe sostituire una pinza per funi o un freno per puleggia come freno di sicurezza, risparmiando così spazio e denaro. Sia il freno KEB a doppio freno (DDN) che il freno ad armatura divisa (D8) sono stati certificati TÜV per essere utilizzati come freni di sicurezza per situazioni ACO secondo EN 81-1. I clienti devono chiedere al produttore del motore e del freno di fornire i risultati dei test o la certificazione di un'agenzia di test di terze parti che il freno è conforme alle specifiche del freno di emergenza applicabili.

Conclusione

Gli ascensori MRL offrono vantaggi di spazio ed efficienza distinti rispetto alle soluzioni tradizionali, quindi la loro proliferazione continuerà. Il freno motore è un componente molto importante nella progettazione della macchina MRL e può contribuire al suo design compatto e alla sua facilità di manutenzione. I freni a molla azionati dall'indotto sono una soluzione collaudata con poche parti difettose e una lunga durata operativa. Il design è flessibile e possono essere facilmente configurati per soddisfare i requisiti dell'applicazione. Questi freni possono anche essere qualificati come dispositivi di frenata di emergenza, sostituendo soluzioni più ingombranti e più costose. In breve, i freni CC a molla soddisfano i severi requisiti di sicurezza e funzionalità dell'applicazione MRL e rappresentano una valida soluzione frenante.

Domande sul rinforzo dell'apprendimento

Utilizzare le seguenti domande di rinforzo dell'apprendimento per studiare per l'esame di valutazione della formazione continua disponibile online su www.elevatorbooks.com oa pagina 121 di questo numero.

• Perché un freno a molla viene talvolta definito freno "fail-safe"?
• Cosa succede quando un operatore tiene un freno aperto con un rilascio manuale, quindi lascia andare il rilascio manuale?
• Di solito un microinterruttore si apre o si chiude quando il freno è disinserito?
• Cosa si può fare per migliorare i tempi di commutazione dei freni a corrente continua?
• È possibile utilizzare un design ad armatura divisa come doppio freno?