Um die rauen Umgebungsbedingungen zu bewältigen, die durch die
Umstellung von Gleichstrommotoren auf leistungsfähigere kompakte Wechsel-strommotoren entstanden sind, entwickelte SKF eine neue Drehzahlgebertechnik für Industrieelektrofahrzeuge

Der Austausch vonGleichstrom- gegen Wechselstrommotoren, ein zunehmender Trend in der Industrie, stellt neue Herausforderungen für die Konstrukteure von Mechatroniklösungen in der Regel- und Messtechnik dar.

Durch die Übernahme kompakterer und leistungsstärkerer Wechselstrommotoren werden Bauraum und Materialkosten eingespart. Die größere Kompaktheit der Motorausführungen bedeutet, dass alle zusammenhängenden Bauteile wie die Elektronik, Lager usw. kompakter angebracht sind. Sie müssen in einer ständig anspruchsvolleren Umgebung bestehen und Leistung erbringen.

Für bestimmte Bauteile, so auch die Sensorelektronik, kann die zunehmend raue elektromagnetische und physikalische Umgebung ein echtes Problem sein.

Zum Feststellen der Drehzahl, Richtung und Position werden in der bestehenden Sensorlagertechnologie hauptsächlich Halleffekt-Komponenten eingesetzt.

Wegen der Interferenzen durch die starken magnetischen Felder dieser Wechselstrommotoren, entstanden aufgrund der höheren Motorströme (zwischen 600 und 800 A), ist das Hauptproblem heute ein nicht optimales oder erwartungsgemäßes Arbeiten dieser Elemente.

In Zukunft könnten für die nächste Generation Elektromotoren für Indus trie-fahrzeuge Ströme bis zu 1.000 A die Regel werden.

SKF hat eine neue Generation von Drehzahlsensoren für elektrische Wechselstrommotoren entwickelt, die unempfindlich gegenüber den Auswirkungen starker Magnetfelder sind.

Wichtig ist, der Sensor kann in die Lagerausführung integriert werden, den allgemeinen Trend zu größerer Bauteilintegration und ,Plug and Play‘ Lösungen für elektrische Fahrzeugsysteme weiterführend.

SKF hat eine lange Geschichte mit dem Einbau von Sensoren in Lagern bei Anwendungen, die von Autos über Industrieanwendungen bis zu Lokomotiven und Windkraftanlagen reichen.

Ihre Konstrukteure verstehen die Notwendigkeit zur Herstellung von robusten Sensoren, die geringe Wartung mit langer Gebrauchsdauer verbinden.

Die bei SKF gewonnene Erfahrung in der Mechatronik hat die Weiterentwicklung der Sensorlagertechnik ermöglicht, die den derzeitigen und künftigen Anforderungen nach industriellen Antriebssystemen gerecht wird, und das ohne magnetische Kompatibilitätsprobleme.

Für diese besondere Anwendung mussten die Entwickler einer Anzahl von Anforderungen gerecht werden. Eines der zentralen Konzepte für die Encodereinheit war die Bauart als ,Plug and Play‘ Einheit, die hohe Zuverlässigkeit und leichte Integration bietet. Gleichzeitig wurde versucht, die Wartungskosten für den Kunden zu senken. Die entwickelte Einheit kann nicht nur bei neuen Antrieben verwendet werden, sie kann auch bei bestehenden Industrieelektrofahrzeugen nachgerüstet werden.

Natürlich war eine der stärksten Triebfedern für die Entwicklung der Wunsch nach Robustheit, sowohl in mechanischen als auch in elektromagnetischen Umgebungen. Die neue Encodereinheit mit der Bezeichnung BMH kombiniert die kompakte Baureihe der SKF Explorer Rillenkugellager, die sich durch schmale Abmessungen, hohe Leistung und lange Lebensdauer auszeichnen, mit moderner Sensortechnologie. Das erste Modell basiert auf der populärsten Lagergröße für Industriefahrzeug-Anwendungen, dem Rillenkugellager 6206. Der Sensor erhöht die Gesamtbreite um 6 mm. Die BMH Encodereinheit ist standardmäßig ab Lager erhältlich oder kann als kundenspezifische Lösung, komplett mit maß-geschneiderten Kabeln und Steckern, angeboten werden. Die BMH Encodereinheit ist mit zwei offenen Kollektorausgängen ausgestattet.

Das Sensorsystem selbst verwendet eine induktive Mikrospulentechnik, die zum ersten Mal für Sensorlageranwendungen angewendet wurde. Hier erfassen zwei Gruppen mit induktiven Mikrospulen elektromagnetische (EM) Impulse, die von einem bewegenden metallischen Ring moduliert werden, der gemeinsam mit dem Lager-Innenring rotiert.

Die Mikrospulen verwandeln das EM Signal in einen Strom, der anschließend in eine Spannung umgesetzt wird. Ein Schmitt-Trigger erzeugt dann die Impulse, die in direkter Beziehung mit der Drehzahl stehen.

Das entstandene Signal kann deutlich erkannt, von jedem Störgeräusch unterschieden werden und liefert einen vielseitig verwendbaren Signalausgang. Eines der Merkmale dieses Sensors ist, dass er für extrem niedrige Drehzahlen und genaue Messungen im Bereich von null bis etwa 20.000 min-1 einsetzbar ist. Ein weiteres Merkmal der BMH Encodereinheit ist die Fähigkeit, bei Umgebungstemperaturen bis zu 150 °C zu arbeiten. Ein derartiges thermisches Verhalten ist bei Fahrzeuganwendungen sehr wichtig. Thermische Schocks, starke Vibrationen und extreme elektromagnetische Zustände sind hier gängige Betriebsbedingungen.

Die Technik ist unempfindlich gegenüber magnetischen Störfeldern. Eine magnetische Abschirmung für die Bauteile ist daher überflüssig, das kommt der allgemeinen Flexibilität des Systems zugute. Die Bauteile können zum Beispiel im Innern der Motorwicklung oder Magnetbremse montiert werden. Dies eröffnet für Entwickler von Elektroantrieben die Möglichkeit, neue gewicht- und platzsparende Konstruktionen zu verwirklichen, die Sensorik, Regelelektronik, Antrieb und Bremsen in sich vereinigen.

Weil die Einheit als ,Plug and Play‘ konzi-piert ist, muss das Team, das für die Entwicklung der Elektroantriebe zuständig ist, sich nicht um die besonderen Anforderungen an die Sensorik in Hinblick auf ihre Umgebung kümmern. Die Anzahl aufwendiger Tests und Qualifikationen des Sensorlagersystems werden dadurch reduziert.

Der Encoder, gebaut im Hinblick auf zukünftige Entwicklungen auf dem Gebiet der Elektroantriebe, verlangt weniger Wartungs- und Reparaturarbeiten während der Garantiezeit. Dies ist ein weiterer Vorteil für die Hersteller.

Die BMH Encodereinheit ist ein auf Vorrat lieferbares Produkt. Die Verfügbarkeit ist also kein Problem und Ersatzteile haben im Allgemeinen kurze Lieferzeiten.

Industriefahrzeuge bewegen sich mehr und mehr weg von Gleichstromausführungen in Richtung Wechselstrommotoren. Hier hat SKF ein wachsendes Interesse an SKF Sensorlagerlösungen festgestellt.

Diese neue Sensorlagerlösung hat noch weitere Vorteile. Sie bietet eine effiziente und kompakte Bauweise in einer Standardlösung an und kann leicht in neue und vorhandene elektrische Fahrantriebe eingebaut werden.

SKF fertigt viele andere Mechatroniklösungen für Industriefahrzeuge, einschließlich Lenkeinheiten, die wesentliche Bestandteile für ,Steer-by-Wire‘ Systeme (elektrische Fahrzeuglenkung) sind. Sie verbinden zuverlässige Encodertechnik mit der Einfachheit von ,Plug and Play‘. Durch die Kompaktheit dieser Einheiten kann das Lenkrad da angeordnet werden, wo es für den Fahrer sinnvoll ist. Aufgrund verbesserter Ergonomie und besserer allgemeiner Arbeitsbedingungen nimmt die Fahrereffizienz zu. Unterschiedliche Fahrzeuge verlangen unterschiedliche Lösungen und SKF bietet eine Reihe von Lenkeinheiten an.