Bei Elektromotoren wird grundsätzlich zwischen mechanischen, elektromagnetisch gelüfteten Reibbremsen und rein elektrischen Bremsverfahren unterschieden. Nur mechanische Bremsen können einen Motor im stromlosen Zustand sicher im Stillstand halten (fail-safe); elektrische Verfahren bremsen zwar verschleißfrei oder sogar energierückgewinnend, benötigen für den tatsächlichen Stillstand aber meist eine zusätzliche mechanische Bremse. Mehr zur Drehzahlregelung selbst im Artikel Drehzahl regeln (PWM).
Federkraftbremse (Federdruckbremse)
Die Federkraftbremse ist die am weitesten verbreitete Bremsart an Elektromotoren. Im stromlosen Zustand drücken vorgespannte Druckfedern im Spulenkörper eine axial verschiebbare Ankerscheibe gegen den mit Reibbelägen versehenen Rotor - der entstehende Reibschluss erzeugt das Bremsmoment. Wird die Erregerspule im Elektromagneten bestromt, zieht das entstehende Magnetfeld die Ankerscheibe gegen die Federkraft an, die Bremse lüftet und der Rotor dreht frei.
Man unterscheidet die Einflächenbremse mit einer Reibfläche (flache, kompakte Bauweise, laut Herstellerangaben etwa im Bereich von 0,25 bis wenige Nm bei kleinen Baugrößen) von der Zweiflächen- bzw. Lamellenbremse mit mehreren Reibflächen, die bei gleichem Durchmesser ein deutlich höheres Bremsmoment erreicht - herstellerabhängig reichen die Baureihen von wenigen Nm bis in den Bereich mehrerer tausend Nm für Großausführungen. Weitere Varianten sind Bremsen mit oder ohne manuelle Lüftung (Lüfthebel), mit oder ohne automatische Verschleißnachstellung sowie trocken- oder nasslaufende Ausführungen.
Aufgabe: Als fail-safe Halte-, Betriebs- und Notstoppbremse hält die Federkraftbremse den Motor zuverlässig bei Stromausfall - typisch bei Hubwerken, Kranen, Hängeförderern, Rolltoren, Aufzügen und Windkraftanlagen.
Vorteile:
- Fail-safe: hält zuverlässig auch bei Stromausfall.
- Hohes erreichbares Haltemoment, robuster und einfacher Aufbau.
- Gute Integration an genormten Motorbaugrößen, präzise einstellbares Bremsmoment.
Nachteile:
- Mechanischer Verschleiß der Reibbeläge, dadurch wiederkehrender Wartungsbedarf (Lüftspiel prüfen und nachstellen).
- Hörbares Schaltgeräusch beim Bremsen und Lüften.
- Bremsmoment kann bei extremen Temperaturen leicht abweichen.
Permanentmagnet-Haltebremse
Die Permanentmagnetbremse funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip wie die Federkraftbremse, hält die Ankerscheibe im stromlosen Zustand aber über das Feld eines Dauermagneten statt über Federn. Zum Lüften erzeugt der Elektromagnet ein Gegenfeld, das die Haltekraft des Permanentmagneten aufhebt; Federn zwischen Anker und Flanschnabe lösen den Anker vollständig vom Erregersystem. Die Reibpaarung besteht meist aus Stahl auf Stahl statt eines organischen Reibbelags.
Vorteile:
- Etwa doppelt so hohe Leistungsdichte wie die Federkraftbremse - kompakter und leichter bei gleichem Bremsmoment.
- Nahezu abriebfrei im Normalbetrieb, da der Anker beim Lüften vollständig abhebt.
- Temperaturstabiler über den gesamten Betriebsbereich, sehr dynamisch - gut geeignet für Servoanwendungen.
Nachteile:
- Nicht für hohe Bremsarbeiten bzw. große Bremsenergien ausgelegt.
- Komplexerer Aufbau und ein beim Einbau genau einzuhaltender Luftspalt.
- Tendenziell höhere Kosten als eine vergleichbare Federkraftbremse.
Einsatzgebiete: Vor allem Servomotoren, Handhabungstechnik und Robotik, wo Kompaktheit und Dynamik wichtiger sind als eine hohe Dauerbremsarbeit - während die robustere Federkraftbremse eher bei Kranen, Hängeförderern und Windkraftanlagen mit hoher Bremsarbeit dominiert.
Generatorisches Bremsen (Nutzbremsung)
Beim generatorischen Bremsen arbeitet der Motor im Bremsfall als Generator: Die dabei erzeugte elektrische Energie fließt über den Zwischenkreis des Frequenzumrichters und wird - sofern der Umrichter rückspeisefähig ausgeführt ist (Active Front End) - ins Versorgungsnetz zurückgespeist oder in einem Speicher zwischengepuffert. Ohne eine solche Rückspeiseeinheit steigt die Zwischenkreisspannung an, und die Energie muss stattdessen über einen Bremswiderstand vernichtet werden.
Vorteile:
- Energierückgewinnung statt Energieverlust, je nach Anwendung und Umrichtertechnik werden laut Herstellerangaben große Anteile der sonst verheizten Bremsenergie zurückgewonnen.
- Verschleißfrei, da rein elektrodynamisch wirkend.
Nachteile:
- Benötigt einen rückspeisefähigen Umrichter bzw. ein entsprechend ausgelegtes Netz - höhere Investitionskosten.
- Keine Eignung als Haltefunktion im Stillstand.
Einsatzgebiete: Hubwerke und Krane beim Lastabsenken, Förderanlagen mit energieintensiven Bremszyklen sowie Elektrofahrzeuge und Bahnen.
Widerstandsbremse (Bremschopper)
Die Widerstandsbremse nutzt denselben generatorischen Effekt wie die Nutzbremsung, verheizt die erzeugte Energie aber über einen ohmschen Bremswiderstand, statt sie zurückzuspeisen: Ein Bremschopper - im Kern ein Schalttransistor im Zwischenkreis - schaltet den Widerstand bei Überschreiten einer Grenzspannung zu.
Vorteile:
- Einfacher, robuster Aufbau ohne Anforderungen an die Netzrückspeisefähigkeit.
- Geringere Investitionskosten als eine rückspeisefähige Lösung.
Nachteile:
- Die Bremsenergie geht vollständig als Abwärme verloren.
- Zusätzlicher Kühlungsaufwand, im Vergleich zur Rückspeisung energetisch ineffizient.
Einsatzgebiete: Industrieantriebe, Bahntechnik und Windkraftanlagen überall dort, wo eine Netzrückspeisung nicht vorgesehen ist oder nur gelegentlich hohe Bremsleistung anfällt.
Gegenstrombremsung (Plugging)
Bei der Gegenstrombremsung werden während der Drehung zwei Motorzuleitungen vertauscht, wodurch sich die Drehfeldrichtung beziehungsweise bei Gleichstrommotoren die Polarität umkehrt. Der Motor "versucht" dadurch gegenzulaufen, was ein starkes Bremsmoment erzeugt. Unmittelbar nach dem Stillstand muss der Motor vom Netz getrennt werden, da er sonst in Gegenrichtung anläuft.
Vorteile:
- Einfaches Verfahren für ein hohes Bremsmoment bis in den Stillstand.
Nachteile:
- Energetisch sehr ungünstig, da sowohl mechanische als auch elektrische Leistung vollständig in Wärme umgesetzt werden.
- Höhere Strom- und Momentstöße beim Umschalten als beim Direktanlauf, bei Gleichstrom-Reihenschlussmotoren wegen Bürstenfeuer praktisch ungeeignet.
- Für große Motoren wegen der Erwärmung kaum geeignet.
Einsatzgebiete: Schnelles Stillsetzen kleinerer Drehstrommotoren, etwa bei Hebezeugen zur Realisierung einer Gegenstrom-Senkbremsschaltung.
Gleichstrombremsung (DC-Injection)
Nach dem Abschalten des Drehfelds wird die Ständerwicklung eines Drehstrommotors - meist eines Asynchronmotors - an eine Gleichspannungsquelle gelegt, die bei modernen Frequenzumrichtern intern erzeugt wird. Das dadurch entstehende, stillstehende Magnetfeld induziert im noch drehenden Läufer Ströme, die nach der Lenzschen Regel ein Bremsmoment erzeugen. Das Bremsmoment ist bei höheren Drehzahlen am stärksten und fällt kurz vor dem Stillstand auf null ab.
Vorteile:
- Softwareseitig als Standardfunktion in praktisch jedem modernen Frequenzumrichter verfügbar, keine zusätzliche Hardware nötig.
- Schnelle Abbremsung ohne Anforderungen an eine Netzrückspeisung.
Nachteile:
- Für große Schwungmassen ungeeignet, da die gesamte Bewegungsenergie im Läufer in Wärme umgesetzt wird.
- Ungeeignet für häufiges, periodisches Bremsen wegen der thermischen Belastung des Läufers.
- Kein Haltemoment im Stillstand, da das Bremsmoment bei Drehzahl null auf null sinkt.
Einsatzgebiete: Standardfunktion moderner Frequenzumrichter zur schnellen Abbremsung von Asynchronmotoren ohne Netzrückspeisung.
Kurzschlussbremsung
Besonders bei permanentmagneterregten Gleichstrom-, BLDC- und Servomotoren lässt sich ein Bremsmoment erzeugen, indem die Wicklungsanschlüsse - meist über einen definierten Widerstand - kurzgeschlossen werden. Die durch die Rotordrehung induzierte Spannung treibt dabei einen Kurzschlussstrom, der ein bremsendes Gegenmoment erzeugt.
Vorteile:
- Funktioniert auch ohne aktive Stromversorgung bei Netzausfall und schont dadurch mechanische Bremsen.
- Eignet sich zur Realisierung einer konstanten, sicheren Sinkgeschwindigkeit bei hängenden Lasten.
Nachteile:
- Das maximale Bremsmoment lässt sich über die Widerstandswahl nur eingeschränkt einstellen.
- Keine Eignung als Haltebremse, da ohne Drehung keine Spannung induziert wird und somit kein Haltemoment entsteht.
Einsatzgebiete: Netzausfallschutz zum Abbremsen hoher Trägheitsmomente ohne USV sowie definierte Sinkgeschwindigkeiten bei Servo- und BLDC-Antrieben.
Wirbelstrombremse
Bei der Wirbelstrombremse bewegt sich ein rotierender Metallkörper relativ zu einem von Spulen erzeugten Magnetfeld in einem feststehenden Gehäuse. Die Relativbewegung induziert nach der Lenzschen Regel Wirbelströme im Metallkörper, deren eigenes Magnetfeld der Bewegung entgegenwirkt und so kontaktlos ein Bremsmoment erzeugt - die Bewegungsenergie wird dabei berührungslos in Wärme umgesetzt.
Vorteile:
- Vollständig verschleißfrei, da keine mechanische Reibung auftritt.
- Wartungsarm im Dauerbetrieb.
Nachteile:
- Kein Haltemoment im Stillstand - die Bremswirkung sinkt mit abnehmender Drehzahl gegen null.
- Nicht als alleinige Feststellbremse geeignet, benötigt für den Stillstand eine zusätzliche mechanische Bremse.
Einsatzgebiete: Vor allem Fahrzeug- und Bahntechnik sowie Prüfstände; in der stationären Antriebstechnik als verschleißfreie Zusatzbremse bei hohem Dauerbremsbedarf, etwa bei langen Gefällestrecken im Senkbetrieb.
Vergleich auf einen Blick
| Bremsart | Fail-safe | Verschleißbehaftet | Hält im Stillstand | Typischer Einsatzzweck |
|---|---|---|---|---|
| Federkraftbremse | Ja | Ja (Reibbelag) | Ja | Haltebremse bei Hubwerken, Kranen, Toren |
| Permanentmagnetbremse | Ja | Minimal | Ja | Servomotoren, Robotik, Handhabung |
| Generatorisches Bremsen | Nein | Nein | Nein | Energieeffiziente Lastabsenkung |
| Widerstandsbremse | Nein | Nein | Nein | Standard-Bremsfunktion ohne Rückspeisung |
| Gegenstrombremsung | Nein | Nein (therm. Belastung) | Nein | Schnelles Stillsetzen kleiner Drehstrommotoren |
| Gleichstrombremsung | Nein | Nein | Nein | Standardfunktion in Frequenzumrichtern |
| Kurzschlussbremsung | Teilweise (nur drehend) | Nein | Nein | Netzausfallschutz, definierte Sinkgeschwindigkeit |
| Wirbelstrombremse | Nein | Nein (verschleißfrei) | Nein | Verschleißfreie Dauerbremse im Fahrbetrieb |
Haltebremse, Betriebsbremse oder Notstoppbremse?
Nur die Federkraftbremse und die Permanentmagnetbremse eignen sich als echte Haltebremse, die einen stillstehenden Motor dauerhaft und fail-safe sichert - beide decken zusätzlich auch die Rollen Betriebs- und Notstoppbremse ab. Alle rein elektrischen Verfahren wirken dagegen nur bei drehendem Motor: Generatorisches Bremsen und die Widerstandsbremse sind klassische Betriebsbremsen, Gegenstrom- und Gleichstrombremsung eignen sich zusätzlich als Schnellstopp, und die Kurzschlussbremsung dient vor allem als Notbremse bei Energieausfall. Die Wirbelstrombremse schließlich ist eine reine Dauerbremse im laufenden Betrieb ohne jede Halte- oder Notstofunktion.
Welche Motortypen in der Praxis welche Bremsverfahren nutzen, hängt stark von der Anwendung ab: Bei Gleichstrommotoren dominiert die Federkraftbremse als mechanische Haltebremse, ergänzt um Ankerkurzschluss- oder Gegenstrombremsung als Notbremsverfahren. Bei Asynchron-/Drehstrommotoren ist die Federkraftbremse als Bremsmotor-Standard verbreitet, während Frequenzumrichter per Gleichstrombremsung, Gegenstrombremsung oder generatorischem Bremsen zusätzliche elektrische Bremsfunktionen bereitstellen. Bei BLDC- und Servomotoren kommt meist die kompakte Permanentmagnetbremse als Haltebremse zum Einsatz, elektrisch ergänzt durch Kurzschluss- oder generatorisches Bremsen über den Servoumrichter. Welche Kombination für Ihre Anwendung sinnvoll ist, legen wir gemeinsam im Rahmen der Motorauslegung fest - mehr zur grundsätzlichen Motorauswahl im Artikel Bürstenmotor oder bürstenloser Motor?.
Häufige Fragen
Welche Bremsarten gibt es für Elektromotoren?
Man unterscheidet mechanische, elektromagnetisch gelüftete Bremsen wie die Federkraftbremse und die Permanentmagnetbremse von rein elektrischen Bremsverfahren wie generatorischem Bremsen, Widerstandsbremsen, Gegenstrombremsung, Gleichstrombremsung und Kurzschlussbremsung sowie der kontaktlosen Wirbelstrombremse.
Was ist eine Federkraftbremse und wofür wird sie eingesetzt?
Eine Federkraftbremse presst im stromlosen Zustand über Federn eine Ankerscheibe auf den Rotor und bremst dadurch mechanisch; zum Lüften wird eine Spule bestromt. Sie ist die Standard-Haltebremse bei Hubwerken, Kranen, Toren und anderen Anwendungen, bei denen ein Motor bei Stromausfall sicher stillstehen muss.
Was unterscheidet eine Permanentmagnetbremse von einer Federkraftbremse?
Bei der Permanentmagnetbremse hält ein Dauermagnet die Ankerscheibe, nicht eine Feder; ein Elektromagnet erzeugt beim Lüften ein Gegenfeld, das die Haltekraft aufhebt. Sie ist kompakter, nahezu abriebfrei und dynamischer, aber für geringere Bremsarbeiten ausgelegt als die robustere Federkraftbremse.
Was versteht man unter einer elektronischen Bremse?
Als elektronische oder elektrische Bremse bezeichnet man Verfahren, die ein Bremsmoment ohne mechanische Reibung erzeugen - etwa durch generatorisches Bremsen, Gleichstrom- oder Gegenstrombremsung über den Frequenzumrichter, oder durch Kurzschließen der Motorwicklung.
Was ist der Unterschied zwischen generatorischem Bremsen und einer Widerstandsbremse?
Bei beiden Verfahren arbeitet der Motor im Bremsfall als Generator. Beim generatorischen Bremsen (Nutzbremsung) wird die erzeugte Energie ins Netz oder einen Speicher zurückgespeist, während eine Widerstandsbremse dieselbe Energie über einen Bremswiderstand in Wärme umwandelt und damit ungenutzt vernichtet.
Kann eine elektrische Bremse einen Motor im Stillstand halten?
Nein. Generatorisches Bremsen, Widerstands-, Gegenstrom-, Gleichstrom- und Kurzschlussbremsung sowie die Wirbelstrombremse erzeugen nur bei drehendem Motor ein Bremsmoment; bei Drehzahl null sinkt dieses auf null. Für eine sichere Haltefunktion im Stillstand ist zusätzlich eine mechanische Bremse wie die Federkraftbremse nötig.
Was ist Gegenstrombremsung und wann wird sie eingesetzt?
Bei der Gegenstrombremsung wird die Drehfeldrichtung bzw. Polarität während der Drehung umgekehrt, wodurch ein starkes Bremsmoment entsteht; der Motor muss direkt nach dem Stillstand vom Netz getrennt werden. Sie eignet sich für das schnelle Stillsetzen kleinerer Drehstrommotoren, ist aber thermisch stark belastend.
Wofür wird eine Wirbelstrombremse genutzt?
Eine Wirbelstrombremse erzeugt kontaktlos und verschleißfrei ein Bremsmoment, indem ein Magnetfeld Wirbelströme in einer rotierenden Scheibe induziert. Da die Bremswirkung bei sinkender Drehzahl gegen null geht, eignet sie sich nur als verschleißfreie Dauerbremse im laufenden Betrieb, nicht als Haltebremse im Stillstand.
Quellen (Auswahl): Wikipedia: Elektrische Bremse, Wikipedia: Gegenstrombremsung, Wikipedia: Gleichstrombremsen, Wikipedia: Nutzbremse, Wikipedia: Bremswiderstand, Wikipedia: Wirbelstrombremse, KEB Automation: Federkraftbremsen, Kendrion: Einflächenbremse, konstruktionspraxis.vogel.de: Federdruck- vs. Permanentmagnetbremse, servoantriebstechnik.de: Kurzschlussbremsung.
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