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

Tillförlitlig motorstyrning med en ny generation sensorlager från SKF

Den ökande användningen av AC-motorer i de mest skilda industriella applikationer ökar behovet av noggrann övervakning av varvtal och riktning, även i krävande miljöer. SKF presenterar en ny generation sensorlager som hanterar tuffa driftförhållanden och som leve­rerar höga prestanda till lägre driftkostnader.

Författare:
Fabrice Mathé,
affärsutvecklingschef för sensorlager, SKF France, Saint-Cyr, Frankrike,
Amélie Grellier, projektledare för global marknadskommunikation, SKF France, Saint-Cyr, Frankrike.

Övrig industri Övriga tjänster Sensorlager

Sammandrag

SKF lanserar en ny generation av sensorlager för styrning av AC-motorer. De kompakta enheterna erbjuder tillförlitlig funktion i de mest skilda applikationer, från gaffeltruckar till golfbilar. Nya SKF Motor Encoder Unit, BMD, är konstruerad för tuffa miljöer. Sensorlagerenheten erbjuder nya funktioner som ger effektivt skydd och som tillåter enkel integration i styrsystem för varvtal och rotationsriktning. Enheten har fått högre motståndskraft mot elektromagnetiska fält, ökad livslängd livslängd och lägre driftkostnader.

Försäljning och råd

Fabrice Mathe, Fabrice.Mathe@skf.com

Den senaste utvecklingen inom sensorlagerkonstruktion representeras av SKF Motor Encoder Unit, BMD (fig. 1). Produkten har utvecklats för att uppfylla kraven från applikationer som elfordon (fig. 2), gaffeltruckar (fig. 3), materialhantering och jordbruk (fig. 4) samt skogsbruks- och entreprenadmaskiner. Den nya pulsgivaren uppfyller kraven på höga prestanda med sin kompakta och robusta konstruktion som ger ökad motståndskraft mot magnetiska och elektromagnetiska fält för högre tillgänglighet och lägre garantikostnader.

Förutom på de nämnda marknaderna ökar efterfrågan på asynkronmotorer och tillhörande reglerteknik inom sektorn för mind­re elfordon – till exempel golfbilar (fig. 5) och fordon för passagerartransport på flygplatser.

Allt fler tillverkare av den här typen av utrustning strävar efter att förbättra prestanda och tillförlitlighet och efter att leverera kostnadseffektivitet genom lägre installations- och driftkostnader.

SKF Motor Encoder Unit används som återkopplande sensorer i asynkronmotorer
Asynkronmotorer matas av frekvensomriktare. Frekvensomriktaren levererar växelström med variabel frekvens till statorspolarna, vilket inducerar ett strömflöde och ett magnetfält i rotorn. Denna induktion kräver en statorfrekvens som är något högre än rotorvarvtalet. Skillnaden kallas eftersläpning. Asynkronmotorer kan inte köras med synkront varvtal (samma varvtal hos statorfält och rotor) eftersom inget rotorvridmoment skulle uppstå. Det maximala vridmomentet och motorns verkningsgrad är också en funktion av eftersläpningen (fig. 6).

Genom att variera statorfrekvensen och styra eftersläpningen, det vill säga rotorvarvtalet, med en återkopplande pulsgivare som SKF Motor Encoder Unit kan motorn köras med maximalt vridmoment vid olika varvtal (fig. 7).

Traktionsmotorer i gaffeltruckar arbetar dessutom över basvarvtalet. Därför måste motorns vridmoment reduceras – annars skulle max tillåtet effektuttag överskridas (fig. 8).

Innovationshistorik
SKF har lång erfarenhet av sensor­lager. De första produkterna av denna typ lanserades 1995 och sedan dess har SKF kontinuerligt utvecklat tekniken. Den senaste konstruktionen kallas BMD, och representerar den femte generationen av SKFs sensorlager för styrning av AC-motorer (fig. 9).

SKFs ingenjörer utvecklar allt fler produkter som lätt kan integreras i slutanvändarnas konstruktioner och som erbjuder hög tillförlitlighet, litet underhållsbehov och lägre driftkostnader. SKF Motor Encoder Unit i BMD-utförande kan, precis som sina föregångare, användas med nya och befintliga AC-motorapplikationer. Den nya BMD-serien har utvecklats för att svara mot två specifika marknadskrav – bättre skydd för givaren och ökade möjligheter till produktionsautomation till lägre kostnad.

Ökad robusthet i både den mekaniska och den elektromagnetiska miljön är därför centralt för konstruktionen. BMD-serien baseras på spårkullagret SKF Explorer 6206, som utmärks av kompakthet, höga prestanda och hög livslängd, och som är utrustat med robust sensorteknik (fig. 10).

Pulsgivarenheten finns i två standardutföranden, med eller utan en extern anslutning (fig. 11). En av fördelarna med den nya konstruktionen är att den direkt och utan modifieringar kan ersätta SKFs tidigare sensorlagerkonstruktioner, BMB och BMO. Förutom att vara helt utbytbar med dessa tidigare modeller stöder BMD-konstruktionen automatisk hantering för enkel montering och lägre produktionskostnader. SKF Motor Encoder Unit är en kompakt enhet – bara 6,2 extra millimeter behövs för att rymma sensortekniken (fig. 12). Detta är särskilt fördelaktigt i just gaffeltrucksapplikationer, där utrymmet är begränsat.

Sensorteknik
SKF Motor Encoder Unit utnyttjar Halleffekten för att generera en inkrementell signal. Sensorer­ baserade på Halleffekten är i princip givare vars utspänning påverkas i närvaro av ett magnetfält. En impulsring av komposittyp monterad på lagrets innerring har ett antal nord- och sydpoler. Antalet poler beror på lagrets storlek. Sensorkroppen, som är monterad på ytterringen, skyddar SKFs Halleffektcell. Sensorn ger en korrekt utsignal ner till noll r/min och sensorkroppen innehåller både styrelektroniken och Halleffekt­cellen, vilken producerar en utsignal bestående av två fyrkantvågor (fig. 13).

Signalerna kan tolkas av motorstyrningen efter behov. Till exempel kan rotationsriktningen bestämmas genom fasförskjutningen, när den första positiva signalflanken detekteras. Låga varvtal kan mätas via tiden mellan två elektriska händelser, i detta fall endera fyrkantsvågens positiva och negativa flank. Höga varvtal mäts genom räkning av antalet elektriska händelser under en given tidsperiod.

De båda fyrkantsvågorna är inbördes 90° fasförskjutna. Denna fasförskjutning ändrar tecken med rotationsriktningen. Närvaron av två signaler med 90° fasförskjutning tillåter processorenheten att multiplicera antalet vinkel­lägesinkrement per varv. Till exempel kan ett standardmässigt SKF-sensorlager som avger 64 pulser per varv och som har ett elektroniskt gränssnitt som kan detektera de positiva (låg till hög) och negativa (hög till låg) flankerna hos de båda signalerna, generera 256 elektriska händelser per varv. Det motsvarar en vinkelupplösning på 1,4° (fig. 13).

Ett sensorsystem av den typen fungerar bra genom hela varvtalsområdet, från extremt låga varvtal och upp till ca 12 000 r/min för enheter med skyddsplåt och 7 500 r/min för enheter med tätning. En annan specifik egenskap hos SKF Motor Encoder Unit, BMD, är dess förmåga att arbeta vid omgivningstemperaturer upp till 150 °C. Sådana termiska prestanda är viktigt i miljöer som ofta förekommer i fordon, kännetecknade av snabba temperaturförändringar, kraftiga vibrationer och extrema elektromagnetiska förhållanden.

Skyddsfunktioner
De största farorna för sensorlager är spänningstoppar, som belastar sensorelektroniken. Det kan finnas många orsaker till spänningstoppar, till exempel att motorns matningsledare löper nära sensorns signalledare.

Den aktuella konstruktion, som skyddas av fem patent, stöds också av nya skyddslösningar, en mekanisk och en elektronisk, vilket ytterligare ökar ­systemets robusthet.  Det är särskilt ­viktigt att skydda sensorlager mot spänningstoppar som kan orsaka problem i sensorelektroniken. Det mekaniska skyddet för sensorlagret är en Faraday-bur, som bildas av sensorkroppens utsida, en effektiv fysisk sköld mot yttre magnetfält (fig. 14).

Det elektroniska skyddet är ett integrerat filter mot elektromagnetisk interferens (EMI), som skyddar sensorn mot spänningstoppar och elektrostatiska urladdningar. Filtret förbättrar sensorns EMC-egenskaper och ger hög immunitet mot elektrostatiska urladdningar (ESD), snabba elektriska transiter (EFT) och strålning. Det effektiva skyddet beror på filtrets placering. Dessutom appliceras filtret både på sensorns inkommande och utgående ledare, utan att påverka själva signalen. Prestanda har testats och visar sig uppfylla och även överträffa en rad EMC- och ESD-standarder som krävs av många användare inom industrin. Exempelvis testar SKF EMI-filtret vid 25 °C och 125 °C, med 8 kV på signalledningarna. Filtret fungerar fortfarande vid 22 kV (25 °C) och 15 kV (125 °C). Filtren har i test visat sig uppfylla de prestandanormer som gäller i industrimiljö och för entreprenad- och jordbruksmaskiner.

De beskrivna egenskaperna gör nya SKF Motor Encoder Unit till en extremt pålitlig komponent i alla potentiella tillämpningar, med minimal risk för reklamationer från drift och dyra reparationer (fig. 14 och 15).

Fig. 1: Sprängskiss av en asynkronmotor med en SKF Motor Encoder Unit, BMD. Fig. 2: Applikationer: elbilar. Fig. 3: Applikationer: gaffeltruckar. Fig. 4: Applikationer: jordbruksmaskiner. Fig. 5: Applikationer: golfbilar.    Fig. 6: Motorns verkningsgrad och vridmoment som funktioner av nominell eftersläpning.Fig. 7: Motorns vridmoment vid olika varvtal genom variation av statorfrekvens och eftersläpning.Fig. 8: Justering av motorns vridmoment som funktion av maximal effekt.Fig. 9: SKF Motor Encoder Unit används huvudsakligen som återkopplande sensor i asynkronmotorer.    Fig. 10: Sprängskiss av SKF Motor Encoder Unit, BMD.Fig. 11: Enheten finns som standard med eller utan kontaktdon.Fig. 12: SKF Motor Encoder Unit kräver endast 6,2 mm extra utrymme för att rymma sensortekniken.   Fig. 13: Signalerna kan tolkas till information om rotationsriktning och varvtal. Fig. 14: Nytt stålhölje skyddar sensorn.Fig. 15: Inkapslat EMI-filter.

Relaterat innehåll