带有集成传感器的轴承单元

　　FAG、SKF等公司开发的带有集成传感器的轴承是把某些功能的传感器与轴承结合为一体而形成的独特结构单元。如带有运动传感器的深沟球轴承，除支承旋转轴外，还可以测量轴承内外圈的相对运动。有时也称这类轴承为智能轴承。传感轴承的类型除深沟球轴承外，还有角接触球轴承、圆锥及圆柱滚子轴承。以下以带有集成传感器的深沟球轴承为例说明其结构、工作原理及应用。
　　1　结构
　　带有集成传感器的深沟球轴承除宽度不同外，其他主要尺寸及内部结构与标准深沟球轴承相同。速度传感器单元附加在轴承的非密封端（图1），传感器座安装在外圈的密封槽内。设计坚固的传感器可承受轴向载荷，传感器座与脉冲发生环之间的迷宫式密封可使轴承免受污染，并防止轴承内的润滑脂外溢。屏蔽的电缆以圆周方向附在传感器座上，不受张力，而且电缆几乎不占空间。
　　用粉末烧结的铁磁材料制成的脉冲发生环或计数环与旋转的内圈一体，在其圆周上交替分布着极性相反的锯齿状永久磁极，齿的数目也就是轴承每转一周产生的脉冲数取决于轴承的尺寸，如表1所示。外圈上的传感器座中安装有电子单元，其主要由永久磁铁和Hall-IC（霍尔传感器）构成。
　　2　工作原理
　　位于Hall-IC上部的永磁体产生磁场，磁力线通过霍尔传感器、再通过脉冲发生圈上的齿及霍尔传感器的外部回到永磁体上。由于脉冲发生环的旋转，每次齿通过传感器的下面时，磁场强度增加；每次齿的间隙处于传感器的下面，永磁体产生磁力线的流动几乎被隔断。每次磁场的变化，Hall-IC都被触发。霍尔发生器产生的正弦模拟信号由Schmitt触发器转变为方波信号（图2），通过一个带有活性驱动晶体管的输出平台及电缆线传递到用户电子处理单元。输出电路见图3，传感器的操作电压为5～24V。
　　轴承的速度为脉冲频率与脉冲发生环上齿数之比，霍尔传感器的Z大转换频率为20kHz，所测得轴承的转速可接近于0。若只测量速度，仅需一个霍尔传感器。使用两只传感器时，还可测量转动的状态。根据转动的状态，产生一个相位移90°的信号。除此之外，第二个传感器可以增加每转的脉冲数。
　　3　特点及应用
　　3.1 传感器轴承的特点
　　带集成传感器的轴承与外置步进记录器或编码器相比具有如下优点：
　　（1）成本低。传感器轴承价格比外置步进记录器或编码器的低50%。
　　（2）需求空间小。有传感器的深沟球轴承内外径与标准的深沟球轴承一样，仅宽度增加8mm；在圆周上有节省空间的电缆输出口，且电缆不受张力。
　　（3）装配简单。传感器轴承是可以直接安装使用单元，不需调节，并带有防转系统。
　　（4）轴承不需维护。和标准的深沟球轴承一样，一端带有防尘盖或密封，另一端带有间隙密封，终身润滑。
　　（5）可用作有定位的轴承。坚固的传感器外壳允许承受轴向载荷。
　　（6）测量准确度高。脉冲频率高且分辨误差低，角分辨率可达1.4°。
　　3.2 应用
　　带集成传感器的轴承除支承转动轴外，还可测量2个套圈间的相对运动。传感器用于记录旋转的速度和方向，从这些数据可以获得角速度及转速。在控制工程方面，为了监控各种设备及自动地运行这些信息的需求也日益增加。
　　带传感器轴承的应用包括：轿车、火车、叉车、升降机和电梯、造纸机械、频控的三相异步电动机、机床上的变速电机、皮带传送机、纺织机械和打包机。其中一个典型的例子是传感器轴承在带有防抱死刹车系统（ABS）车辆上的应用，轮毂轴承中的传感器能测车轮的速度变化，车载计算机可根据这些变化做出相应的反应，这种装有传感器轴承的车轮以“智能轮”而著称。