Los frenos electromagnéticos o frenos EM se utilizan para reducir la velocidad o detener vehículos utilizando fuerza electromagnética para aplicar resistencia mecánica (fricción). Originalmente se llamaban frenos electromecánicos pero con el paso de los años el nombre cambió a "frenos electromagnéticos", en referencia a su método de actuación que generalmente no tiene relación con los frenos electromecánicos modernos . Desde que se hizo popular a mediados del siglo XX, especialmente en trenes y tranvías , la variedad de aplicaciones y diseños de frenos ha aumentado dramáticamente, pero el funcionamiento básico sigue siendo el mismo.
Tanto los frenos electromagnéticos como los frenos de corrientes parásitas utilizan fuerza electromagnética, pero los frenos electromagnéticos dependen en última instancia de la fricción, mientras que los frenos de corrientes parásitas utilizan fuerza magnética directamente.
En las locomotoras, un varillaje mecánico transmite el par a un componente de frenado electromagnético.
Los tranvías y trenes utilizan frenos de vía electromagnéticos en los que el elemento de frenado se presiona contra el carril mediante una fuerza magnética . Se diferencian de los frenos mecánicos de vía, en los que el elemento de frenado se presiona mecánicamente sobre el carril.
Los motores eléctricos en aplicaciones industriales y robóticas también emplean frenos electromagnéticos.
Las recientes innovaciones de diseño han llevado a la aplicación de frenos electromagnéticos en aplicaciones aeronáuticas. [1] En esta aplicación, se utiliza primero una combinación de motor/generador como motor para hacer girar los neumáticos hasta alcanzar la velocidad antes del aterrizaje, reduciendo así el desgaste de los neumáticos, y luego como generador para proporcionar frenado regenerativo . [1]
Un freno de placa de fricción utiliza una superficie de fricción de placa única para acoplar los miembros de entrada y salida del embrague. Los frenos electromagnéticos de una cara representan aproximadamente el 80% de todas las aplicaciones de frenos eléctricos.
Los frenos de apagado detienen o retienen una carga cuando la energía eléctrica se pierde accidentalmente o se desconecta intencionalmente. En el pasado, algunas empresas se referían a estos frenos como "a prueba de fallos". Estos frenos se utilizan normalmente en o cerca de un motor eléctrico. Las aplicaciones típicas incluyen robótica, frenos de retención para husillos de bolas del eje Z y frenos de servomotores. Los frenos están disponibles en múltiples voltajes y pueden tener bujes de juego estándar o de juego cero. También se pueden utilizar varios discos para aumentar el par de frenado, sin aumentar el diámetro del freno. Hay dos tipos principales de frenos de parada. El primero son los frenos de resorte. El segundo son los frenos de imanes permanentes.
Tipo de resorte : cuando no se aplica electricidad al freno, un resorte empuja contra una placa de presión, apretando el disco de fricción entre la placa de presión interior y la placa de cubierta exterior. Esta fuerza de sujeción por fricción se transfiere al cubo, que está montado en un eje.
Tipo de imán permanente : un freno de retención de imán permanente se parece mucho a un freno electromagnético de aplicación eléctrica estándar. En lugar de apretar un disco de fricción mediante resortes, utiliza imanes permanentes para atraer una armadura de una sola cara. Cuando se aplica el freno, los imanes permanentes crean líneas de flujo magnético, que a su vez pueden atraer la armadura hacia la carcasa del freno. Para desactivar el freno, se aplica energía a la bobina que crea un campo magnético alternativo que anula el flujo magnético de los imanes permanentes.
Se considera que ambos frenos apagados están activados cuando no se les aplica energía. Por lo general, se les exige que se mantengan o se detengan solos en caso de una pérdida de energía o cuando no hay energía disponible en el circuito de una máquina. Los frenos de imán permanente tienen un par muy alto para su tamaño, pero también requieren un control de corriente constante para compensar el campo magnético permanente. Los frenos aplicados por resorte no requieren un control de corriente constante, pueden usar un rectificador simple, pero tienen un diámetro mayor o necesitarían discos de fricción apilados para aumentar el torque.
Los frenos de partículas magnéticas son únicos en su diseño respecto a otros frenos electromecánicos debido al amplio rango de par operativo disponible. Al igual que un freno electromecánico, el par en relación con el voltaje es casi lineal; sin embargo, en un freno de partículas magnéticas, el par se puede controlar con mucha precisión (dentro del rango de RPM de funcionamiento de la unidad). Esto hace que estas unidades sean ideales para aplicaciones de control de tensión, como control de tensión de bobinado de alambre, láminas, películas y cintas. Debido a su rápida respuesta, también se pueden utilizar en aplicaciones de ciclo alto, como lectores de tarjetas magnéticas, máquinas clasificadoras y equipos de etiquetado.
Las partículas magnéticas (muy similares a las limaduras de hierro) se encuentran en la cavidad del polvo. Cuando se aplica electricidad a la bobina, el flujo magnético resultante intenta unir las partículas, casi como un lodo de partículas magnéticas. A medida que aumenta la corriente eléctrica, la unión de las partículas se vuelve más fuerte. El rotor del freno atraviesa estas partículas unidas. La salida de la carcasa está unida rígidamente a alguna parte de la máquina. A medida que las partículas comienzan a unirse, se crea una fuerza de resistencia en el rotor, lo que ralentiza y, finalmente, detiene el eje de salida.
Las unidades de histéresis eléctricas tienen un rango de par extremadamente amplio. Dado que estas unidades se pueden controlar de forma remota, son ideales para aplicaciones de bancos de pruebas donde se requiere un par variable. Dado que el par de arrastre es mínimo, estas unidades ofrecen el rango de par más amplio disponible de cualquiera de los productos de histéresis. La mayoría de las aplicaciones que involucran unidades de histéresis motorizadas se encuentran en los requisitos del banco de pruebas.
Cuando se aplica electricidad al campo, se crea un flujo magnético interno. Luego, ese flujo se transfiere a un disco de histéresis (que puede estar hecho de una aleación de AlNiCo [2] ) que pasa a través del campo. El disco de histéresis está unido al eje del freno. Un arrastre magnético en el disco de histéresis permite un arrastre constante o una eventual parada del eje de salida.
Cuando se elimina la electricidad del freno, el disco de histéresis puede girar libremente y no se transmite ninguna fuerza relativa entre ninguno de los miembros. Por lo tanto, el único par que se ve entre la entrada y la salida es el arrastre del rodamiento.
Se utilizan múltiples frenos de disco para ofrecer un par extremadamente alto en un espacio pequeño. Estos frenos se pueden usar en seco o en húmedo, lo que los hace ideales para funcionar en aplicaciones de cajas de cambios de varias velocidades, aplicaciones de máquinas herramienta o en equipos todoterreno.
Los frenos de disco electromecánicos funcionan mediante accionamiento eléctrico, pero transmiten el par mecánicamente. Cuando se aplica electricidad a la bobina de un electroimán, el flujo magnético atrae la armadura hacia la cara del freno. Al hacerlo, aprieta los discos de fricción interior y exterior. El cubo normalmente está montado sobre el eje que está girando. La carcasa del freno está montada sólidamente en el bastidor de la máquina. A medida que se aprietan los discos, el par se transmite desde el cubo al bastidor de la máquina, deteniendo y sujetando el eje.
Cuando se elimina la electricidad del freno, la armadura puede girar libremente con el eje. Los resortes mantienen alejados el disco de fricción y la armadura. No hay contacto entre las superficies de frenado y la resistencia es mínima.