Всё более широкое использование электродвигателей переменного тока в различных отраслях создаёт дополнительный спрос на средства точного контроля частоты и направления вращения, в том числе при работе в сложных условиях эксплуатации. SKF выпустила новое поколение сенсорных подшипников для работы в тяжёлых условиях с сохранением высоких технических парамет­ров при низких эксплуатационных расходах.

Новейшей разработкой в облас­ти конструирования сенсорных подшипников стал сенсорный подшипник SKF с неподвижным наружным кольцом серии BMD (рис. 1). Он разработан для различных областей применения, включая электромобили (рис. 2), вилочные погрузчики (рис. 3), погрузочно-разгрузочное и сельскохозяйственное оборудование (рис. 4), а также лесотехничес­кие и строительные машины. Новый сенсорный подшипник с неподвижным наружным кольцом обеспечивает надёжную работу, имеет компактную и прочную конструкцию, обладает повышенной стойкостью к магнитному и электромагнитному воздействию, что увеличивает срок эксплуатации оборудования и снижает затраты на гарантийный ремонт.

Кроме указанных отраслей, растёт спрос на асинхронные электродвигатели переменного тока и сопутствующие средства мониторинга в секторе малых электромобилей – от личного транспорта до гольфмобилей (рис. 5) и пассажирских электрокаров в аэропортах.

Производители такого оборудования стремятся постоянно повышать общую эффективность и надёжность его функционирования, а также добиться экономичности путём снижения затрат на сборку и эксплуатацию.

Использование сенсорного подшипника SKF с неподвижным наружным кольцом в качестве датчика обратной связи в асинхронных электродвигателях переменного тока
В состав асинхронных электродвигателей переменного тока входит преобразователь частоты. Он создаёт переменный ток изменяющейся частоты в обмотках статора, индуцируя ток и магнитное поле в роторе. Для этого необходимо, чтобы частота тока в статоре была больше частоты вращения ротора (так называемое скольжение). Асинхронные электродвигатели не могут работать при одинаковой частоте поля статора и ротора, поскольку при этом не возникает вращающий момент ротора. Максимальный вращающий момент и КПД электродвигателя также зависят от скольжения (рис. 6).

Если изменять частоту тока в статоре и контролировать скольжение, то есть частоту вращения ротора, при помощи датчика обратной связи, например, сенсорного подшипника SKF, то электродвигатель сможет работать с максимальным вращающим моментом на разных скоростях (рис. 7).

Тяговые электродвигатели для вилочных погрузчиков также работают на оборотах, превышающих номинальные. Поэтому во избежание превышения максимальной мощности необходимо уменьшать вращающий момент электродвигателя (рис. 8).

История инновационных разработок
SKF уже много лет разрабатывает сенсорные подшипники, первая серия которых была выпущена в 1995 г. С тех пор компания постоянно совершенствовала свою продукцию, что в итоге привело к созданию конструкции под названием BMD, которая представляет собой пятое поколение сенсорных подшипников SKF для управления электродвигателями переменного тока (рис. 9).

Инженеры SKF стремятся создавать такие модели, которые легко интегрируются в оборудование конечных пользователей, при этом обеспечивая высокую надёжность, уменьшение потребности в техобслуживании и снижение эксплуатационных расходов. Как и предшествующие модели, сенсорные подшипники с неподвижным наружным кольцом серии BMD могут использоваться как в новых, так и в уже существующих установках с электродвигателями переменного тока. Новая серия BMD разработана с целью удовлетворения двух специфических требований, предъявляемых к этим изделиям на рынке: усиление защиты датчика и повышение уровня автоматизации производства при уменьшении затрат.

Основной особенностью конструкции этой серии является повышенная надёжность как при механических, так и при электромагнитных воздействиях. В серии BMD используются радиальные шарикоподшипники 6206 SKF Explorer, которые отличаются малыми размерами, высокими эксплуатационными характеристиками и длительным сроком службы, а также эффективными сенсорными технологиями (рис. 10).

Сенсорный подшипник с неподвижным наружным кольцом поставляется в двух стандартных исполнениях: с внешним коннектором и без него (рис. 11). Одним из преимуществ новой конструкции является возможность замены сенсорных подшипников SKF предыдущих серий (BMB и BMO) без модификации. Помимо полной взаимозаменяемости с предыдущими моделями, серия BMD поддерживает автоматическое перемещение для упрощения сборки и снижения производственных затрат. Благодаря компактности сенсорных подшипников SKF этой серии для размещения сенсорного датчика требуется очень небольшое дополнительное пространство, всего 6,2 мм (рис. 12). Это особенно важно, например, для вилочных погрузчиков, где пространство ограничено.

Сенсорные технологии
В сенсорных подшипниках SKF с неподвижным наружным кольцом реализована технология, основанная на эффекте Холла, которая обеспечивает функциональность шагового энкодера. Сенсоры, использующие эффект Холла, по существу являются датчиками, выходное напряжение которых изменяется в присутствии магнитного поля. Импульсное кольцо, присоединяемое к внутреннему кольцу подшипника, представляет собой составное ферромагнитное кольцо, имеющее определённое количество северных и южных полюсов. Количество полюсов зависит от размера подшипника. Корпус, присоединённый к наружному кольцу, защищает датчик Холла, который запатентован SKF. Датчик позволяет производить точные измерения вплоть до нулевой частоты. В корпусе датчика находятся управляющие электронные схемы и сам датчик Холла, которые генерируют два прямоугольных сигнала (рис. 13).

Сигналы могут обрабатываться контроллерами электродвигателя по мере необходимости. Например, направление вращения может быть определено по фазовому сдвигу при появлении переднего фронта сигнала. Низкие частоты вращения можно определить, измерив время по границам прямоугольных сигналов. Высокие частоты вращения определяются путём подсчёта импульсов за определённый период времени.

Два прямоугольных сигнала смещены по фазе на 90°. Этот фазовый сдвиг меняет знак в зависимости от направления вращения. Наличие двух сигналов со сдвигом по фазе позволяет блоку обработки увеличить количество обрабатываемых битов информации во второй степени для определения более мелких шагов углового смещения на оборот. Например, с помощью стандартного подшипника SKF с датчиком с 64 импульсами на оборот и стандартным электронным интерфейсом, способным обнаружить время возрастания (низкий / высокий) и падения (высокий / низкий) каждого из двух сигналов, можно получить 256 импульсов на оборот, что соответствует погрешности определения угла в 1,4° (рис. 13).

Характеристики этой сенсорной системы позволяют ей прекрасно работать во всех диапазонах, от очень низких частот вращения вплоть до частоты в 12 000 об/мин в исполнении с защитной шайбой и 7500 об/мин в исполнении с уплотнением. Другой характерной особеннос­тью сенсорных подшипников SKF серии BMD является возможность эксплуатации при окружающей температуре до 150 °C. Такая температурная стойкость важна при использовании на транспортных средствах, где могут быть перепады температур, сильная вибрация и воздействие мощных электромагнитных полей.

Защитные характеристики
Основную угрозу для стабильной работы сенсорных подшипников представляют пиковые напряжения, которые приводят к перегрузке электронной схемы датчика. Пиковые напряжения могут возникать в результате множества различных причин, например, если провода питания электродвигателя и провода датчика расположены рядом.

В данной запатентованной конструкции подшипников (получено 5 патентов) используется новая технология защиты, как механической, так и электронной, что дополнительно повышает надёжность системы. Это особенно важно для защиты сенсорных подшипников от пиковых напряжений, которые могут повредить электронную схему датчика. Механическая защита сенсорного подшипника обеспечивается с помощью экранированной камеры (клетки Фарадея), образуемой наружной поверхностью корпуса датчика, которая обеспечивает эффективную физическую защиту от воздействия внешних магнитных полей (рис. 14).

Электронная защита обеспечивается с помощью встроенного фильтра электромагнитных помех, защищающего датчик от перепадов напряжения и электростатических разрядов. Использование этого фильтра позволило повысить электромагнитную совместимость, а также обеспечить устойчивость к электростатическим разрядам, скачкам напряжения и излучению. Расположение фильтра обеспечивает высокий уровень защиты. Кроме того, фильтр включается во входную и выходную линии и не оказывает влияния на передаваемый сигнал. Согласно проведённым испытаниям, характеристики фильтра соответствуют и даже превосходят целый ряд стандартов в области электромагнитной совместимости и устойчивости к электростатическим разрядам, соблюдение которых необходимо клиентам в разных отраслях промышленности. Например, при испытании фильтра электромагнитных помех на сигнальных линиях при напряжении 8 кВ и температуре 25 °C и 125 °C, фильтр продолжил функционировать при значениях напряжения 22 кВ (25 °C) и 15 кВ (125 °C). Фильтры также прошли испытания на соотв етствие стандартам, соблюдение которых обязательно для применения в промышленных условиях, а также для строительного и сельскохозяйственного оборудования.

Перечисленные характеристики делают сенсорные подшипники SKF с неподвижным наружным кольцом чрезвычайно надёжными во всех возможных областях применения и позволяют минимизировать риски, связанные с возвратом техники и дорогостоящим ремонтом (рис. 14 и 15).