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SKF最新一代传感器轴承帮助实现电机控制的高可靠性

交流电机在众多工业领域中的广泛使用,对准确监控电机速度和方向提出了更高的要求,即便是在苛刻的应用环境下,亦是如此。SKF推出的新一代传感器轴承运行成本低、性能出色,可应对严苛的运行条件。

作者 法国Saint-Cyr SKF传感器轴承产品线业务开 发经理Fabrice Mathé 法国Saint-Cyr SKF全球市场传讯项目主管 Amélie Grellier

 

其他业务 其他服务 传感轴承

概要

SKF正推出针对交流电机控制应用的新一代传感器轴承。这些紧凑的单元在叉车、高尔夫车等多种工业应用中都具有很高的可靠性。新的SKF电机解码器单元BMD用于日益严苛的工作环境,其最新特点是具有加强的传感器保护功能,以及易于集成到速度和方向控制系统,从而增强了抗电磁场干扰能力,提高了使用寿命,降低了运行成本。

销售联系方式

Fabrice Mathe, Fabrice.Mathe@skf.com

SKF最新设计的传感器轴承是SKF电机编码器单元BMD (图. 1),它旨在满足众多应用要求,如电动汽车 (图. 2)、 叉车 (图. 3) 、物料输送设备、农业机械  (图. 4)、林业设备和工程机械。新编码器单元设计紧凑、可靠,可更好地抵抗磁场和电磁场的干扰,延长正常工作时间,降低维修费用,从而使其满足对性能可靠性的要求。

除了以上市场外,在小型电动车辆领域,如个人交通工具、高尔夫车 (图. 5)、机场客运车辆,对交流感应电机和相关控制技术的需求不断增长。

此类设备的制造商正不断努力提高整体性能和可靠性,并通过降低装配和运行成本来实现成本效益的最大化。

SKF电机编码器单元用作交流感应电机的反馈传感器
交流感应电机内安装有一个频率转换器,它在定子线圈中产生频率可变的交流电流,从而在转子中感应出电流和磁场。这个感应过程要求定子频率要高于转子速度,即滑差。感应电机无法以同步转速(定子磁场与转子速度一致)运行,否则无法产生转子转矩。最大转矩和电机效率也是滑差的函数 (图. 6)。

通过改变定子频率和控制滑差,即用反馈传感器(如SKF电机解码器单元)控制转子速度,电机可以在不同速度上产生最大转矩 (图. 7)。

叉车的牵引电机也会在基速以上运行。因此,为保证电机在最大功率以下工作,需要降低电机转矩 (图. 8)。

创新历史
SKF研发传感器轴承的历史悠久,在1995年就推出了首个系列产品。自那以后,SKF持续改进产品,其最新设计产品是BMD,它是SKF用于交流电机控制应用的第五代传感器轴承 (图. 9)。

SKF工程师不断开发能够轻松集成到最终用户设计上的产品,这些产品可靠性高、运行成本低、无需频繁维护。与前几代产品一样,BMD设计的SKF电机编码器单元,可用于新的和现有交流电机应用。已经开发的新BMD系列产品旨在满足两个具体的市场要求,即加大对传感器的保护、以低成本实现更高程度的自动化。

在设计的过程中,研发人员重点关注提高产品在机械和电磁环境下的耐用性。BMD系列采用SKF6206探索者深沟球轴承,它的特点是尺寸小、性能高、寿命长,并采用了可靠的传感技术 (图. 10)。

解码器单元现有两个标准版本,两个都可配置或不配置外部连接器 (图. 11)。新设计的一大优势是,无需改动即可直接代替SKF以前的传感器轴承设计BMB和BMO。此外,BMD设计可与这些以前的型号完全互换,具有自动处理、易于装配、运行成本低的特点。因为SKF解码器单元较为紧凑,只需额外很少的6.2mm的空间 (图. 12) 就能容纳传感器技术,特别适用于叉车等空间有限的应用场合。

传感技术
SKF电机解码器单元使用霍尔效应技术来产生增量式解码器信号。基于霍尔效应的传感器本质上是根据所处磁场改变电压输入的变换器。安装在轴承内圈上的脉冲环,是含有许多南极和北极的磁环。南北极的数量取决于轴承的大小。安装在外圈上的传感器主体,能保护SKF霍尔效应单元。传感器可精确到零转/分。传感器主体含有控制电路和霍尔效应单元,后者产生由两个方波组成的输出信号 (图. 13)。

电机控制器可按需要解读信号。例如,当信号的上升沿首次出现时,可从相移确定转向。低速可通过测量两个电事件之间的时间间隔获得,而事件是方波的上升沿和下降沿。高速可通过测量给定时间内的电事件的数量获得。

两个方波的相位差是90˚。这个相移的符号随着旋转方向的变化而变化。借助两个正交信号的存在,处理单元可将每转角度位置增量的数量相乘。例如,使用每转64脉冲的标准SKF传感器轴承以及能探测两个信号的上升(低/高)和下降(高/低)时间的标准电气接口,每转就能获得256个电事件,进而转换成1.4˚的角分辨率(图. 13)。

这个传感系统的特性是速度适应范围宽:对带防尘盖单元来说,范围从极低速到约12,000转/分;对带密封单元来说,范围从极低速到7,500转/分。SKF电机解码器单元BMD系列的另外一个特点是能够在最高150˚C的环境温度中工作。这种耐热性能在汽车应用环境中非常重要,因为这种环境会产生热冲击、剧烈振动、极端电磁场。

保护功能
传感器轴承的主要风险是浪涌电压,它能导致传感器电子部件的电子过载。许多不同的根源能导致浪涌电压,如当电机电源线靠近传感器线时。

这个专利设计也得到新保护技术的支持(一个是机械方面的,一个是电子方面的),进一步提高了系统的可靠性。这对保护传感器轴承免于能导致传感器电路部分出现问题的浪涌电压的干扰特别重要。传感器轴承的机械保护是通过传感器主体外侧形成的法拉第保持架来实现的,它提供了能有效避免外部磁场影响的物理防护 (图. 14)。

电路保护是通过集成电磁接口(EMI)过滤器来实现的,它保护传感器免受电源浪涌和静电放电(ESD)的影响。这个过滤器提高了电磁兼容性保护能力和对静电放电、电快速顺变和辐射的抵抗能力。过滤器的位置对保护水平至关重要。此外,输入和输出线都装有过滤器,它们对信号本身没有任何影响。对其性能的测试表明它达到并超过许多不同的工业用户所要求的许多EMC和ESD标准。例如,SKF测试表明,EMI过滤器在25˚C和125˚C时,信号线上施加8 kV电压,过滤器仍能在22 kV(25˚C)和15 kV(125˚C)工作。它们也通过了工业环境以及农业和建筑机械所要求的性能标准测试。

此外,更令人关注的一点是BMD得到五个专利的保护。

这些功能让SKF新电机解码器单元在所有潜在应用中都非常可靠,把市场退货和昂贵修理的风险降到最低 (图. 14 and 15)。

图1:带有SKF电机解 码器单元BMD的交流 感应电机分解图。 图2:应用:电动汽车。 图3:应用:叉车。 图4:应用:农业机械。 图5:应用:高尔夫车。 图6:电机效率、转矩与额定滑差之间的关系。 图7:通过改变定子频率和受控滑差获得的电 机转矩与速度关系。 图8:电机转矩与最大功率间的函数变化 图9:SKF电机解码器单元主要用作交流感应电机 的反馈传感器。 图10:SKF电机解码器单元BMD的分解图。 图11:单元有带或不带连接器的两种标准版本。 图12:SKF电机解码器单元 的传感器只需6.2mm额外空 间即可容纳传感器技术。 图13:信号信息指示转向和速度。 图14:新型钢外壳保护传感器。 图15:封装EMI过滤器。

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