Silnik z hamulcem elektromagnetycznym – budowa, regulacja szczeliny i zastosowania

Silnik z hamulcem elektromagnetycznym to zwykły silnik indukcyjny, najczęściej trójfazowy, który od strony przewietrznika ma dobudowany hamulec sprężynowy zwalniany elektromagnesem. Takie rozwiązanie stosuje się wszędzie tam, gdzie wał po wyłączeniu zasilania musi się zatrzymać w krótkim, powtarzalnym czasie albo pozostać zablokowany pod obciążeniem: w podnośnikach, wciągarkach, bramach, przenośnikach pochyłych, stołach obrotowych czy maszynach do obróbki drewna.

W praktyce warsztatowej najwięcej pytań dotyczy trzech rzeczy: jak hamulec jest zasilany, dlaczego po kilku latach zaczyna ciągnąć lub hamuje za słabo i jak ustawić szczelinę powietrzną. W tym poradniku przechodzimy przez budowę, zasadę działania, regulację i typowe usterki, a na końcu podpowiadamy, na co patrzeć przy doborze silnika hamulcowego do konkretnej maszyny.

Wszystkie wartości liczbowe podane poniżej mają charakter orientacyjny. Wiążące są dane z tabliczki znamionowej silnika i hamulca oraz instrukcja producenta, a prace przy instalacji elektrycznej powinna wykonywać osoba z aktualnymi uprawnieniami SEP.

Budowa silnika z hamulcem elektromagnetycznym

Część elektryczna silnika hamulcowego niczym nie różni się od klasycznego silnika klatkowego: stojan z uzwojeniem, wirnik klatkowy, dwie tarcze łożyskowe i skrzynka zaciskowa. Różnica zaczyna się za tylną tarczą łożyskową. Wał jest tam wydłużony i przechodzi przez zespół hamulca, a całość przykrywa wydłużona osłona przewietrznika.

Główne elementy hamulca

• Korpus elektromagnesu z cewką – przykręcony do tarczy łożyskowej, nieruchomy.
• Kotwica (zwora) – stalowa tarcza, która może przesuwać się osiowo, ale nie obraca się razem z wałem.
• Sprężyny dociskowe – rozmieszczone w korpusie, dociskają kotwicę do tarczy hamulcowej.
• Tarcza hamulcowa z okładzinami ciernymi – osadzona na wielowypuście lub piaście na wale, obraca się razem z wirnikiem i może przesuwać się osiowo.
• Powierzchnia przeciwcierna – tarcza łożyskowa lub osobna płyta, o którą dociskana jest tarcza hamulcowa.
• Śruby lub nakrętki regulacyjne – służą do ustawienia szczeliny powietrznej, a w części konstrukcji także siły docisku sprężyn.
• Prostownik – montowany w skrzynce zaciskowej, gdy cewka hamulca jest zasilana napięciem stałym.
• Dźwignia ręcznego luzowania – opcjonalna, pozwala zwolnić hamulec bez zasilania, np. przy montażu albo awarii.

Hamulec prądu stałego i przemiennego

Najpopularniejsze są hamulce z cewką prądu stałego (DC). Cewka zasilana jest przez prostownik z tego samego napięcia co silnik albo z osobnego obwodu. Hamulce tego typu pracują cicho, mają niewielki pobór mocy i dobrze znoszą częste załączenia. Spotyka się też hamulce prądu przemiennego (AC), zasilane bezpośrednio z sieci trójfazowej. Działają szybciej przy luzowaniu, ale są głośniejsze, a ich elektromagnes jest wrażliwszy na zanieczyszczenia i nierówne przyleganie kotwicy. Który wariant ma Twój silnik, sprawdzisz na tabliczce hamulca lub w opisie produktu.

Jak działa hamulec sprężynowy zwalniany elektromagnetycznie

Kluczowa cecha tego typu hamulca to zasada „hamuje bez prądu”. Gdy cewka nie jest zasilana, sprężyny dociskają kotwicę do tarczy hamulcowej, a ta zostaje ściśnięta między kotwicą a powierzchnią przeciwcierną. Wał jest zablokowany. Po podaniu napięcia na cewkę elektromagnes przyciąga kotwicę, pokonując siłę sprężyn, tarcza hamulcowa uwalnia się i silnik może się obracać.

Taka logika ma duże znaczenie dla bezpieczeństwa. Zanik napięcia w sieci, przepalenie bezpiecznika czy przerwa w przewodzie powodują zahamowanie, a nie swobodny wybieg napędu. Dlatego silniki hamulcowe są standardem w napędach podnoszenia i wszędzie tam, gdzie ciężar ładunku mógłby obrócić wał po zatrzymaniu.

Sposoby podłączenia cewki i czas reakcji

Na szybkość zadziałania hamulca w dużym stopniu wpływa sposób wyłączania cewki. W układzie, w którym prostownik zasilany jest z zacisków silnika, po odłączeniu zasilania silnik przez chwilę pracuje jak generator i podtrzymuje napięcie na cewce. Hamulec zadziała wtedy z opóźnieniem. Gdy wymagane jest szybkie hamowanie, stosuje się:

• wyłączanie po stronie prądu stałego, czyli przerwanie obwodu między prostownikiem a cewką dodatkowym stykiem stycznika,
• osobne zasilanie prostownika, niezależne od zacisków silnika,
• prostowniki z funkcją szybkiego wyłączania, jeśli przewiduje je producent hamulca.

Przy zasilaniu silnika z falownika prostownika hamulca nie wolno podłączać do zacisków silnika, bo napięcie wyjściowe przemiennika jest zmienne i impulsowe. Cewkę zasila się wtedy z sieci przez osobny stycznik sterowany wyjściem przekaźnikowym falownika. Więcej o pracy silników z przemiennikami częstotliwości znajdziesz w artykule czy każdy silnik nadaje się do regulacji częstotliwości.

Regulacja szczeliny powietrznej hamulca krok po kroku

Okładziny cierne zużywają się przy każdym hamowaniu, więc szczelina między kotwicą a korpusem elektromagnesu z czasem rośnie. Gdy przekroczy wartość dopuszczalną, elektromagnes nie jest w stanie przyciągnąć kotwicy. Objawy to brak luzowania, buczenie, zapach spalenizny, przegrzewanie tarczy hamulcowej, a w skrajnym przypadku spalona cewka. Typowa szczelina nominalna w małych hamulcach mieści się zwykle w zakresie kilku dziesiątych milimetra, ale dokładną wartość nominalną i maksymalną zawsze podaje producent hamulca.

1. Odłącz i zabezpiecz zasilanie. Wyłącz napęd, zablokuj rozłącznik przed ponownym załączeniem i sprawdź brak napięcia. Jeśli hamulec utrzymuje ładunek, najpierw opuść go lub zabezpiecz mechanicznie.
2. Zdejmij osłonę przewietrznika. W silnikach hamulcowych często trzeba też zdjąć przewietrznik lub osłonę gumową hamulca.
3. Oczyść hamulec. Pył z okładzin usuń odkurzaczem lub pędzlem, nie przedmuchuj sprężonym powietrzem w stronę twarzy. Sprawdź, czy na powierzchniach ciernych nie ma oleju i smaru.
4. Zmierz szczelinę. Szczelinomierzem sprawdź odstęp między kotwicą a korpusem w co najmniej trzech miejscach na obwodzie, w pobliżu śrub mocujących.
5. Wyreguluj. Poluzuj nakrętki kontrujące i równomiernie dokręcaj lub odkręcaj śruby regulacyjne, aż szczelina osiągnie wartość nominalną i będzie jednakowa na całym obwodzie.
6. Zakontruj i sprawdź ponownie. Po dokręceniu nakrętek kontrujących zmierz szczelinę jeszcze raz, bo kontrowanie potrafi ją zmienić.
7. Sprawdź grubość okładziny. Jeśli tarcza hamulcowa jest poniżej grubości minimalnej, sama regulacja nic nie da. Tarczę trzeba wymienić.
8. Test funkcjonalny. Po złożeniu osłon kilka razy załącz i wyłącz napęd bez obciążenia, a potem z obciążeniem. Hamulec powinien luzować wyraźnym kliknięciem i hamować bez poślizgu.

W części hamulców można też zmienić moment hamowania, dokręcając pierścień regulacyjny albo wyjmując część sprężyn. Zmniejszanie momentu ma sens przy zbyt gwałtownym zatrzymywaniu lekkich mechanizmów, ale w napędach podnoszenia nie wolno schodzić poniżej wartości wynikającej z obliczeń dla maksymalnego ładunku.

Typowe usterki i diagnostyka hamulca

Pomiar rezystancji cewki i izolacji wykonuje się tak samo jak w przypadku uzwojeń silnika. Opisujemy to szerzej w poradniku o diagnostyce silnika elektrycznego miernikiem. Jeśli silnik hamulcowy grzeje się bardziej niż zwykle, zanim zaczniesz szukać usterki w uzwojeniu, sprawdź, czy hamulec w ogóle się luzuje – to częsta i łatwa do przeoczenia przyczyna.

Zastosowania silników z hamulcem

Silnik z hamulcem wybiera się tam, gdzie zwykły wybieg albo hamowanie przeciwprądem są niewystarczające lub niebezpieczne. Typowe zastosowania to:

• urządzenia dźwigowe i podnośniki – wciągarki, podesty, windy towarowe, gdzie hamulec utrzymuje ładunek po zatrzymaniu;
• bramy i szlabany – zatrzymanie w zadanej pozycji i blokada przed przepchnięciem;
• przenośniki pochyłe – ochrona przed cofaniem się taśmy z materiałem;
• maszyny do obróbki drewna i metalu – skrócenie czasu wybiegu narzędzia po wyłączeniu, co ogranicza ryzyko kontaktu z obracającym się elementem;
• stoły obrotowe, pozycjonery, podajniki – powtarzalne zatrzymanie w tym samym położeniu;
• napędy scenicze i wystawiennicze – zatrzymanie elementów ruchomych w bezpiecznej pozycji.

Silnik hamulcowy bardzo często współpracuje z przekładnią. Warto pamiętać, że przekładnia ślimakowa o dużym przełożeniu może być w pewnym stopniu samohamowna, ale nie należy traktować tego jako zabezpieczenia ładunku – samohamowność zależy od przełożenia, smarowania, temperatury i drgań. Przy podnoszeniu hamulec na silniku jest właściwym rozwiązaniem. O łączeniu silnika z reduktorem piszemy w artykule montaż silnika do reduktora ślimakowego krok po kroku.

Jak dobrać silnik z hamulcem do maszyny

Dobór zaczyna się tak samo jak w przypadku zwykłego silnika: moc, prędkość obrotowa, napięcie, forma montażu i klasa pracy. Ogólny tok postępowania opisuje artykuł jak dobrać silnik elektryczny do maszyny. W silniku hamulcowym dochodzą jednak dodatkowe kryteria.

Moment hamowania

Moment hamulca powinien być większy od momentu obciążenia sprowadzonego na wał silnika, z zapasem zależnym od zastosowania. W napędach podnoszenia zapas jest wyraźnie większy niż w przenośnikach poziomych. Moment hamulca podaje producent; nie należy go zakładać „na oko” na podstawie mocy silnika.

Częstotliwość łączeń i klasa pracy

Każde zahamowanie zamienia energię kinetyczną mas wirujących w ciepło na okładzinach. Przy częstym zatrzymywaniu dużych mas hamulec może się przegrzewać, a okładziny szybko zużywać. Napędy pracujące cyklicznie dobiera się z uwzględnieniem charakteru pracy – pomocny będzie tekst o tym, co oznaczają klasy pracy silników S1–S9 w praktyce.

Forma montażu i dostępność hamulca

Silniki z hamulcem występują w wersji łapowej B3, kołnierzowej B5 i B14 oraz łapowo-kołnierzowej B34 i B35. Przy wyborze pamiętaj, że hamulec wydłuża silnik od strony przewietrznika, więc za osłoną musi zostać miejsce na dopływ powietrza i dostęp przy regulacji szczeliny. Jeśli hamulec ma dźwignię ręcznego luzowania, sprawdź, czy da się do niej sięgnąć po zabudowie maszyny.

Zabezpieczenie i sterowanie

Silnik hamulcowy wymaga zabezpieczenia przeciążeniowego tak samo jak każdy inny. Zasady doboru opisujemy w poradniku jak dobrać wyłącznik silnikowy i nastawę prądu. W układzie sterowania warto przewidzieć możliwość wyłączania hamulca po stronie DC, jeśli zależy Ci na krótkim czasie zatrzymania. Projekt obwodów sterowania maszyny powinien uwzględniać wymagania normy PN-EN 60204-1 dotyczącej wyposażenia elektrycznego maszyn.

Eksploatacja i przeglądy hamulca

Hamulec jest elementem eksploatacyjnym. Częstotliwość przeglądów zależy od liczby zatrzymań i masy hamowanych elementów, dlatego przy intensywnej pracy warto kontrolować szczelinę częściej niż wynika to z ogólnego harmonogramu przeglądów maszyny. Lista kontrolna przeglądu:

• pomiar szczeliny w kilku punktach i porównanie z wartością maksymalną,
• pomiar grubości tarczy hamulcowej,
• usunięcie pyłu z okładzin z wnętrza osłony,
• kontrola swobodnego ruchu kotwicy na kołkach prowadzących,
• sprawdzenie dokręcenia przewodów cewki i prostownika,
• próba hamowania z obciążeniem i ocena drogi zatrzymania,
• kontrola osłony gumowej lub uszczelnienia, jeśli silnik pracuje w zapyleniu lub wilgoci.

Nie smaruj żadnych elementów w obrębie powierzchni ciernych. Zaolejona tarcza hamulcowa traci znaczną część momentu i zwykle nadaje się tylko do wymiany.

Najczęstsze pytania

Czy silnik z hamulcem można zasilać z falownika?

Tak, ale prostownik hamulca zasila się wtedy osobno z sieci, a nie z zacisków silnika. Falownik powinien sterować hamulcem przez wyjście przekaźnikowe, tak aby hamulec luzował dopiero po wytworzeniu momentu przez silnik.

Jak często regulować szczelinę hamulca?

Zależy to od liczby zatrzymań i obciążenia. W intensywnie pracujących napędach kontrola co kilka miesięcy jest rozsądna, w rzadko używanych wystarczy przegląd okresowy maszyny. Wartości graniczne podaje producent hamulca.

Dlaczego hamulec piszczy lub buczy?

Najczęściej z powodu zabrudzonych powierzchni elektromagnesu, zbyt dużej szczeliny albo spadku napięcia zasilania cewki. Przy hamulcach AC buczenie może też wynikać z nierównego przylegania kotwicy.

Czy zamiast hamulca wystarczy przekładnia ślimakowa?

Nie należy na tym polegać. Samohamowność przekładni ślimakowej nie jest gwarantowana w każdych warunkach, zwłaszcza przy drganiach. W napędach podnoszenia hamulec jest koniecznym zabezpieczeniem.

Jak zluzować hamulec bez prądu?

Jeśli hamulec ma dźwignię ręcznego luzowania, wystarczy jej użyć. W przeciwnym razie trzeba odkręcić śruby regulacyjne zgodnie z instrukcją. Przed luzowaniem zabezpiecz ładunek przed opadnięciem.

Silniki z hamulcem w ofercie sklepu

Jeśli szukasz napędu z hamulcem do konkretnej maszyny, zacznij od kategorii silniki trójfazowe z hamulcem, w której znajdziesz wersje łapowe, kołnierzowe oraz łapowo-kołnierzowe w kilku prędkościach obrotowych. Dla przykładu, do niewielkiego przenośnika lub bramy często wystarcza jednostka pokroju silnika z hamulcem 0,55 kW 1400 obr/min w wielkości 71 B3, ale ostateczny wybór zawsze opieraj na obliczeniach momentu i danych katalogowych. Gdy napęd ma pracować z przekładnią, przejrzyj także kategorię przekładnie ślimakowe.