Разбиране на магнитното привличане в електрическите двигатели

Устройства

Преносим балансьор и виброанализатор Balanset-1A

$2,358.31

Части

Сензор за вибрации

$107.47

Части

Оптичен сензор (лазерен тахометър)

$148.07

Устройства

Balanset-4

$8,123.32

Части

Магнитна стойка с размер 60 kgf

$54.93

Части

Рефлективна лента

$11.94

Устройства

Динамичен балансьор "Balanset-1A" OEM

$2,071.73

Определение: Какво е магнитно привличане?

Магнитно привличане (наричано още небалансирано магнитно привличане или UMP) е нетна радиална електромагнитна сила, която се развива в електрически двигатели и генератори, когато въздушната междина между ротора и статора не е равномерна. Когато роторът е извън центъра (ексцентричен) в отвора на статора, въздушната междина става по-малка от едната страна и по-голяма от противоположната. Тъй като магнитната сила е обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между луфтовете, магнитното привличане е много по-силно от страната с по-малката междина, създавайки нетна сила, дърпаща ротора към тази страна.

Магнитното привличане създава вибрация при два пъти по-висока честота от електрическата мрежа (120 Hz за 60 Hz двигатели, 100 Hz за 50 Hz двигатели), може значително да отклони ротора, да ускори износването на лагерите и в тежки случаи да доведе до катастрофален контакт между ротора и статора. Това представлява връзка между механична ексцентричност и електромагнитни сили, която може да създаде положителна обратна връзка, водеща до прогресивна повреда.

Физически механизъм

Равномерна въздушна междина (нормално състояние)

• Ротор, центриран в отвора на статора
• Въздушна междина, еднаква по цялата обиколка (обикновено 0,3-1,5 мм)
• Магнитните сили от всички страни се балансират и неутрализират
• Нетна радиална сила ≈ нула
• Минимални електромагнитни вибрации

Ексцентрична въздушна междина (UMP условие)

Когато роторът е извън центъра:

1. Асиметрия на пролуките: Едната страна има по-малка празнина (например 0,5 мм), противоположната страна по-голяма (например 1,0 мм)
2. Закон за обратните квадрати: Магнитната сила ∝ 1/gap², така че силата от страната с малката празнина е много по-силна
3. Нетна сила: Небалансираните сили не се неутрализират, създавайки нетно привличане към страната с малката празнина.
4. Величина: Може да бъде от стотици до хиляди паунда дори при умерени двигатели
5. Посока: Винаги към страната с най-малката празнина

Защо 2× Честота на линията?

Магнитното привличане пулсира с 2× електрическа честота:

• Трифазният променлив ток създава въртящо се магнитно поле
• Силата на магнитното поле пулсира с 2× мрежова честота (присъщо на 3-фазни системи)
• При ексцентричен ротор, тази пулсация създава вибрация с честота 2×f
• 60 Hz мотор → 120 Hz вибрация
• 50 Hz мотор → 100 Hz вибрация

Причини за небалансирано магнитно привличане

Износване на лагери

• Най-честата причина за развитие на UMP
• Хлабината на лагера позволява на ротора да се движи извън центъра
• Гравитацията дърпа ротора надолу, намалявайки долната въздушна междина
• UMP измества ротора допълнително извън центъра
• Положителна обратна връзка: UMP ускорява износването на лагерите

Производствени толеранси

• Ексцентричност на ротора: Роторът не е идеално кръгъл или не е центриран върху вала
• Ексцентричност на отвора на статора: Отворът на статора не е концентричен с монтажните повърхности
• Грешки при сглобяване: Крайните камбани не са подравнени, роторът е наклонен по време на монтажа
• Подреждане на толеранси: Натрупване на малки грешки, създаващи измерима ексцентричност

Оперативни причини

• Термичен растеж: Диференциално разширение, влияещо върху равномерността на въздушната междина
• Изкривяване на кадъра: Мека основа или рамка за монтаж, изкривяваща се от напрежение
• Отклонение на вала: Натоварване или сили на съединяване, огъващ вал
• Проблеми с фондацията: Утаяване или влошаване на положението на двигателя, изместващо се

Ефекти и последствия

Директни ефекти

• Радиална сила върху ротора: Непрекъснато дърпане към едната страна
• Претоварване на лагера: Един лагер носи допълнително натоварване от магнитното опъване
• Вибрация при 2×f: Повишена електромагнитна вибрационна компонента
• Отклонение на вала: Магнитната сила огъва вала, влошавайки ексцентричността

Механизъм за прогресивен отказ

UMP може да създаде самоподсилващ се цикъл на отказ:

1. Първоначална ексцентричност (от износване на лагера или производство)
2. Магнитното привличане се развива към страната с малка празнина
3. Силата допълнително отклонява ротора, намалявайки още повече хлабината
4. По-силно магнитно привличане от по-малка междина
5. Ускорено износване на лагерите от натоварената страна
6. Нарастваща ексцентричност и магнитно привличане
7. Евентуален контакт между ротор и статор и катастрофална повреда

Вторични щети

• Ускорена повреда на лагера поради асиметрично натоварване
• Възможно е триене на ротора и статора, което поврежда и двата компонента
• Огъване на вала или постоянно извиване
• Повреда на намотката на статора от удари на ротора
• Загуба на ефективност поради неоптимална въздушна междина

Откриване и диагностика

Вибрационен подпис

• Основен индикатор: Повишена 2× мрежова честота (120 Hz или 100 Hz)
• Типичен модел: 2×f амплитуда > 30-50% от 1× вибрация на скоростта на движение
• Потвърждение: Вибрацията при 2×f не е пропорционална на механичния дисбаланс
• Независимост от натоварването: 2×f амплитуда, относително постоянна с натоварването (за разлика от механичните източници)

Разграничение от други 2×f източници

Източник	Характеристики
Несъответствие	2× скорост на работа (не 2× мрежова честота); висока аксиална вибрация
Магнитно издърпване	2× мрежова честота (120/100 Hz); електромагнитен произход
Неизправности на статора	2× честота на мрежата; налице е токов дисбаланс
Резонанс на рамката	2× честота на мрежата; вибрации на рамката >> вибрации на лагера

Допълнителни диагностични тестове

Измерване на въздушна междина

• Измерете въздушната междина на няколко места по обиколката (изисква разглобяване на двигателя)
• Ексцентричността > 10% на средната празнина показва проблем
• Документирайте минималните и максималните стойности на пролуките

Текущ анализ

• Измерване на фазни токове за баланс
• Дисбалансът може да съпътства UMP
• Спектърът показва 2× линейна честотна компонента

Тест без товар

• Работете с разкачен двигател на празен ход
• Ако вибрацията 2×f остане висока, това показва електромагнитен източник (повреда на UMP или статора).
• Ако 2×f спадне значително, това показва механично несъосие.

Количествено определяне на силата на магнитно привличане

Приблизителна формула

Силата на UMP може да се оцени:

• F ∝ (ексцентричност / хлабина) × мощност на двигателя
• Силата се увеличава линейно с ексцентричност
• Силата се увеличава драстично с по-малки пролуки
• По-големите двигатели произвеждат пропорционално по-големи сили

Типични величини

• 10 к.с. двигател, ексцентрицитет 10%: ~50-100 фунта сила
• 100 к.с. двигател, ексцентрицитет 20%: ~500-1000 фунта сила
• 1000 к.с. двигател, ексцентрицитет 30%: ~5000-10 000 фунта сила
• Въздействие: Тези сили значително натоварват лагерите и могат да деформират валовете

Методи за корекция

За ексцентричност, причинена от лагери

• Сменете износените лагери, за да възстановите правилното центриране на ротора
• Използвайте лагери с по-малки допуски, ако се появява повтаряща се ексцентричност
• Проверете дали изборът на лагер е подходящ за натоварванията на двигателя, включително UMP
• Проверете дали лагерите са наместени на вала и в крайните камбани

За производствена ексцентричност

• Малки случаи (< 10%): Приемете и наблюдавайте дали вибрациите са приемливи
• Умерено (10-25%): Помислете за разпробиване на статора или машинна обработка на ротора
• Тежка (> 25%): Необходима е подмяна на двигателя или основен ремонт
• Гаранция: Производствената ексцентричност може да бъде предмет на гаранционна претенция за нови двигатели

За проблеми с монтажа/инсталацията

• Проверете подравняването на крайния звънец и затягането на болтовете
• Правилно меко стъпало условия
• Уверете се, че рамката не е деформирана от монтажните напрежения
• Проверете за опъване на тръбата или сили на съединяване, които издърпват двигателя от позицията му.

Стратегии за превенция

Дизайн и избор

• Специфирайте двигатели с малки допустими отклонения от нормите за въздушна междина за критични приложения
• Изберете качествени двигатели от реномирани производители
• По-големите въздушни междини намаляват величината на UMP (но намаляват ефективността)
• Разгледайте конструкциите на магнитните лагери за екстремни приложения

Инсталация

• Внимателно подравняване по време на монтажа
• Проверете дали меката основа е отстранена преди окончателното завинтване
• Проверете аксиалното положение на ротора и поплавъка
• Уверете се, че крайните камбани са правилно подравнени и затегнати

Поддръжка

• Сменете лагерите, преди да се появи прекомерно износване
• Мониторирайте 2× тенденциите на вибрациите на честотата на линията
• Периодично баланс и проверка на подравняването
• Поддържайте двигателя чист, за да предотвратите блокиране на охлаждането, водещо до термична деформация

Специални съображения

Големи двигатели

• Силите на UMP могат да бъдат огромни (тонове сила)
• Изборът на лагер трябва да отчита натоварванията от горната помпа (UMP).
• Изчисленията за отклонение на вала трябва да включват UMP
• Мониторингът на въздушната междина може да бъде вграден в големи критични двигатели

Високоскоростни двигатели

• Центробежните сили се комбинират с UMP
• Потенциал за нестабилност, ако UMP е твърде голям
• Допустимите отклонения за тесни въздушни междини са критични

Вертикални мотори

• Гравитацията не центрира ротора, както при хоризонталните двигатели.
• UMP може да издърпа ротора на всяка страна
• Аксиалният лагер трябва да е адекватен за теглото на ротора плюс всички аксиални компоненти на UMP

Връзка с други двигателни проблеми

UMP и ексцентричност на ротора

• Ексцентричност причинява UMP
• UMP може да влоши ексцентричността (положителна обратна връзка)
• И двете създават вибрации, но с различни честоти (1× срещу 2×f)

Неизправности на UMP и статора

• И двете произвеждат вибрации с 2× линейна честота
• Неизправности на статора също показват текущ дисбаланс
• UMP от ексцентрицитет без токов дисбаланс
• Може да съществува едновременно: повреда на статора И ексцентричност

UMP и живот на лагерите

• UMP увеличава радиалните натоварвания на лагерите
• Намалява живота на лагера (живот ∝ 1/Натоварване³)
• Създава асиметрично износване на лагерите
• Един лагер може да се повреди преждевременно, докато другият е приемлив

Магнитното привличане представлява важна връзка между механичните и електромагнитните явления в електрическите двигатели. Разбирането на UMP като източник на вибрации с 2× линейна честота, връзката му с ексцентричността на въздушната междина и потенциала му за създаване на прогресивна повреда чрез претоварване на лагерите, позволява правилна диагностика и коригиране на това специфично за двигателя състояние.

---

← Обратно към основния индекс