skf-sensor-bearing-unit-in-electric-motor

Spolehlivé sledování stavu elektromotorů nejnovějších generací senzorovaných ložisek SKF

Neustále rostoucí využití motorů na střídavý proud v nejrůznějších průmyslových aplikacích zvyšuje nároky na přesné monitorování otáček a smyslu otáčení, a to i v obtížných prostředích. Skupina SKF uvedla na trh novou generaci senzorovaných ložisek, která jsou vhodná pro náročné provozní podmínky a dosahují vysoké výkonnosti při nízkých provozních nákladech.

Autoři: Fabrice Mathé, manažer rozvoje obchodních příležitostí pro výrobkovou řadu ložisek se snímači, SKF France, Saint-Cyr, Francie Amélie Grellier, projektová vedoucí komunikace pro celosvětový trh, SKF France, Saint-Cyr, Francie

Další segment Ložiska se snímači Další služby

Souhrn

SKF uvádí na trh novou generaci senzorovaných ložisek pro regulaci elektromotorů na střídavý proud. Tyto kompaktní jednotky zajišťují spolehlivou funkci v nejrůznějších průmyslových aplikacích od vysokozdvižných vozíků po golfové vozíky. Účelem ložiskové jednotky s enkodérem SKF BMD pro elektromotory je splnění stále rostoucích provozních nároků. Je vybavena novými vlastnostmi pro zvýšení ochrany snímačů a snadné zabudování do systémů regulace otáček a smyslu otáčení. Zlepšená ochrana nabízí vyšší odolnost proti působení elektromagnetických polí, delší provozní trvanlivost a nižší provozní náklady.

Obchodní kontakty

Fabrice Mathe, Fabrice.Mathe@skf.com

Nejnovější výsledek vývoje v oblasti konstrukce senzorovaných ložisek představuje ložisková jednotka s enkodérem SKF BMD pro elektromotory (obr. 1). Cílem vývoje bylo splnění nároků mnoha aplikací včetně elektromobilů (obr. 2), vysokozdvižných vozíků (obr. 3), zařízení na manipulaci s materiálem, zemědělských (obr. 4), lesních a stavebních strojů. Nová jednotka s enkodérem v kompaktním a odolném provedení splňuje požadavky na spolehlivý provoz. Vyznačuje se vyšší odolností proti magnetickým a elektromagnetickým polím, delší dobou provozuschopnosti a nižšími záručními náklady.

Kromě těchto odvětví roste poptávka po asynchronních motorech a souvisejících regulačních zařízeních také v segmentu malých elektrovozidel, do něhož patří vozidla pro osobní dopravu, golfové vozíky (obr. 5) i vozíky na přepravu cestujících na letištích.

Ložiskové jednotky s enkodérem SKF jsou používány jako senzory pro získání zpětné vazby v asynchronních motorech.
Asynchronní motory jsou opatřeny frekvenčním měničem. Frekvenční měnič přivádí střídavý proud s proměnnou frekvencí do cívek statoru, které indukují proud a magnetické pole v rotoru. Indukce vyžaduje, aby frekvence statoru byla vyšší než otáčky rotoru – rozdíl je tzv. skluz. Asynchronní motory nemohou pracovat při synchronních otáčkách (kdy se pole statoru a rotoru otáčejí se stejnými otáčkami), protože by nevznikl točivý moment rotoru. Maximální točivý moment a účinnost motoru jsou rovněž funkcí skluzu (obr. 6).

Změnou frekvence statoru a regulací skluzu, tzn. otáček rotoru pomocí senzoru pro získání zpětné vazby- např. ložiskovou jednotkou s enkodérem SKF BMD pro elektromotory – lze zajistit, že motor bude pracovat s maximálním točivým momentem při různých otáčkách (obr. 7).

Trakční motory ve vysokozdvižných vozících mohou pracovat také při otáčkách vyšších, než jsou základní. V důsledku toho musí být snížen točivý moment motoru (obr. 8), aby nebyl překročen maximální výkon.

Historie inovativního řešení
Společnost SKF se může pochlubit dlouhou historií vývoje senzorovaných ložisek. První řadu těchto ložisek uvedla na trh již v roce 1995. Od té doby nepřetržitě pracuje na jejich dalším zdokonalování. Výsledkem tohoto úsilí je nejnovější jednotka nazvaná BMD, která představuje pátou generaci ložisek se snímači SKF pro regulaci motorů na střídavý proud (obr. 9).

Při vývoji výrobků SKF je kladen stále větší důraz na jejich snadnou montáž do zařízení pro konečné uživatele a současně na vyšší spolehlivost, nižší nároky na údržbu i menší provozní náklady. Stejně jako předcházející ložiska lze také ložiskové jednotky s enkodérem SKF pro elektromotory využít v nových i stávajících motorech na střídavý proud. Vývoj nové řady BMD se zaměřil především na řešení dvou specifických požadavků trhu – na lepší ochranu snímače a zvýšení stupně automatizace výroby při nižších nákladech.

Vyšší odolnost ložiska vůči mechanickým a elektromagnetickým vlivům představuje základní konstrukční požadavek. Jednotky řady BMD jsou založeny na kuličkových ložiskách SKF 6206 Explorer, která se vyznačují malými rozměry, vysokou výkonností a dlouhou trvanlivostí. Jednotky jsou navíc vybaveny odolnou snímací technikou (obr. 10).

Enkodér je nabízen ve dvou standardních provedeních – s konektorem nebo bez konektoru (obr. 11). Jednou z předností nové jednotky je možnost jejího využití jako přímé náhrady starších ložisek se snímači SKF BMB a BMO bez dalších úprav. Nové jednotky jsou nejen plně zaměnitelné s těmito předcházejícími typy, ale navíc jsou vhodné pro automatickou manipulaci, a tedy usnadňují montáž a snižují výrobní náklady. Vzhledem ke kompaktní konstrukci nevyžadují výrazné rozšíření uložení – jednotka je širší o pouhých 6,2 mm kvůli zabudované snímací technice (obr. 12). To je užitečné především pro vysokozdvižné vozíky, v nichž je prostor omezený.

Snímací technika
Ložiskové jednotky s enkodérem SKF využívají Hallův jev k vytvoření signálu inkrementálního enkodéru. Snímače založené na tomto jevu jsou v podstatě čidla, která mění výstupní napětí v přítomnosti magnetického pole. Impulsní kroužek spojený s vnitřním kroužkem ložiska je kompozitní zmagnetizovaný kroužek, který je složen z velkého počtu severních a jižních pólů. Počet pólů závisí na velikosti ložiska. Těleso snímače, které je spojeno s vnějším kroužkem, chrání Hallův článek SKF. Snímač dokáže přesně měřit otáčky až do 0 min-1. Těleso snímače obsahuje nejen řídicí elektroniku, ale i Hallův článek, který vytváří výstupní signál složený ze dvou obdélníkových vln (obr. 13).

Tyto signály může regulátor motoru interpretovat podle potřeby. Například smysl otáčení lze určit z fázového posunutí, kdy se náběžná hrana signálu objeví nejdříve. Pomalé otáčky je možné zjistit na základě měření času mezi dvěma událostmi. Takovými událostmi jsou náběžné a sestupné hrany jedné nebo druhé obdélníkové vlny. Vysoké otáčky mohou být určeny podle počtu událostí, k nimž dojde v průběhu určité časové periody.

Dvě obdélníkové vlny jsou vzájemně posunuty o 90°. Tento fázový posun změní znaménko podle smyslu otáčení. Přítomnost dvou signálů v kvadratuře umožňuje procesní jednotce vynásobit počet přírůstků úhlových poloh za jednu otáčku. Například pokud použijeme standardní senzorované ložisko SKF se 64 impulsy za jednu otáčku a standardní elektronické rozhraní, které dokáže zjistit časy náběžné hrany (nízká/vysoká) a sestupné hrany (vysoká/nízká) každého z obou signálů, lze získat 256 událostí za jednu otáčku, což odpovídá úhlovému rozlišení 1,4° (obr. 13).

K přednostem tohoto snímacího systému patří spolehlivá funkce jednotek s kryty ve všech rozsazích otáček od velmi nízkých až do cca 12 000 min-1 , resp. 7500 min-1 v případě jednotek s těsněními. Další předností ložiskových jednotek s enkodérem SKF BMD je jejich schopnost pracovat při okolních teplotách až do 150 °C. Tato vlastnost je důležitá například při použití ve vozidlech, v nichž jsou vystavena tepelným rázům, vysokým vibracím a extrémním elektromagnetickým vlivům.

Řešení ochrany
Hlavní nebezpečí pro senzorovaná ložiska představují napěťové špičky, které způsobují nadměrné elektronické namáhání snímací elektroniky. Napěťové špičky může vyvolat mnoho prvotních příčin, například vedení napájecích vodičů motoru vedle vodičů snímače.

Součástí této konstrukce, chráněné pěti patenty, jsou nová mechanická a elektronická řešení ochrany, která dále zvyšují odolnost systému. To je obzvláště důležité pro ochranu ložisek se snímači proti napěťovým špičkám, které mohou nepříznivě ovlivnit elektroniku snímačů. Mechanickou ochranu ložiska se snímačem zajišťuje Faradayova klec, kterou tvoří vnější povrch tělesa snímače. Faradayova klec vytváří účinné fyzické stínění vnějších magnetických polí (obr. 14).

Elektronické stínění zajišťuje integrovaný elektromagnetický interferenční filtr (EMI), který chrání snímač proti proudovým rázům a elektrostatickým výbojům. Tento filtr zlepšil elektromagnetickou kompatibilitu a ochranu spolu s elektromagnetickou imunitou proti elektrostatickým výbojům (ESD), rychlým transientům (EFT) a záření. Umístění filtru zajišťuje vysokou úroveň ochrany. Filtry jsou dále umístěny na vstupním i výstupním vedení, avšak nemají vliv na vlastní signál. Provedené testy dokazují, že filtr splňuje a dokonce překračuje standardy EMC a ESD, jejichž dodržení vyžaduje mnoho průmyslových uživatelů. Například SKF testuje filtr EMI při teplotách 25 °C a 125 °C a napětí 8 kV na signálových vedeních. Filtr je funkční i při 22 kV (25 °C) a 15 kV (125 °C). Testy prokázaly splnění výkonových standardů, které vyžaduje průmyslové prostředí i výrobci stavebních a zemědělských strojů.

Tyto vlastnosti zaručují neobyčejně spolehlivou funkci nové ložiskové jednotky s enkodérem SKF pro elektromotory ve všech vhodných aplikacích a omezují riziko vrácení jednotky z provozu a nákladných oprav na nejnižší možnou míru (obr. 1415).

Obr. 1: Rozložený pohled na asynchronní motor s ložiskovou jednotkou s enkodérem SKF BMD. Obr. 2: Aplikace: elektromobily. Obr. 3: Aplikace: vysokozdvižné vozíky. Obr. 4: Aplikace: zemědělské stroje. Obr. 5: Aplikace: golfové vozíky. Obr. 6: Účinnost motoru a závislost točivého momentu na jmenovitém skluzu. Obr. 7: Točivý moment motoru při různých otáčkách v závislosti na proměnné frekvenci statoru a regulovaném skluzu. Obr. 8: Nastavení točivého momentu motoru jako funkce maximálního výkonu. Obr. 9: Ložiskové jednotky s enkodérem SKF BMD jsou používány především jako senzory pro získání zpětné vazby v asynchronních motorech. Obr. 10: Rozložený pohled – ložisková jednotka s enkodérem SKF BMD. Obr. 11: Jednotka je dodávána ve standardním provedení nebo bez konektoru. Obr. 12: Ložiskové jednotky s enkodérem SKF vyžadují pouhých 6,2 mm navíc pro snímací techniku. Obr. 13: Signály přenášejí informace o smyslu otáčení a otáčkách. Obr. 14: Snímač je chráněn novým ocelovým pouzdrem. Obr. 15: EMI filtr v pouzdru.

Související obsah