Pochopení magnetické přitažlivosti v elektromotorech

Zařízení

Přenosný vyvažovač a analyzátor vibrací Balanset-1A

Díly

Optický senzor (laserový otáčkoměr)

Kompletní sada pro vibrační diagnostiku a vyvažování od společnosti Vibromera, včetně čtyř vibračních senzorů s kabely, modulu signálního rozhraní, laserového otáčkoměru s magnetickým stojanem, digitální váhy, USB kabelu a přepravního kufříku. Systém je určen pro vyvažování rotorů a monitorování stavu průmyslových zařízení.

Zařízení

Magnetický stojan Insize-60-kgf

Díly

Dynamický balancer "Balanset-1A" OEM

Definice: Co je magnetická přitažlivost?

Magnetický tah (nazývaná také nevyvážená magnetická přitažlivost neboli UMP) je čistá radiální elektromagnetická síla, která se vyvíjí v elektromotorech a generátorech, když vzduchová mezera mezi rotorem a statorem není rovnoměrná. Když je rotor v otvoru statoru mimo střed (excentrický), vzduchová mezera se na jedné straně zmenší a na opačné straně zvětší. Protože magnetická síla je nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti mezery, je magnetická přitažlivost na straně s menší mezerou mnohem silnější, což vytváří čistou sílu, která přitahuje rotor k této straně.

Magnetická přitažlivost vytváří vibrace při dvojnásobné frekvenci elektrické sítě (120 Hz pro motory 60 Hz, 100 Hz pro motory 50 Hz) může výrazně vychýlit rotor, urychlit opotřebení ložisek a v závažných případech vést ke katastrofickému kontaktu rotoru a statoru. Představuje vazbu mezi mechanickou excentricitou a elektromagnetickými silami, která může vytvářet pozitivní zpětnou vazbu vedoucí k postupnému selhání.

Fyzikální mechanismus

Rovnoměrná vzduchová mezera (normální stav)

Rotor vystředěný ve statorovém otvoru
Vzduchová mezera stejná po celém obvodu (obvykle 0,3–1,5 mm)
Magnetické síly na všech stranách se vyrovnávají a ruší
Čistá radiální síla ≈ nula
Minimální elektromagnetické vibrace

Excentrická vzduchová mezera (podmínka UMP)

Když je rotor mimo střed:

Asymetrie mezer: Jedna strana má menší mezeru (např. 0,5 mm), opačná strana větší (např. 1,0 mm)
Zákon inverzní kvadratické rovnice: Magnetická síla ∝ 1/mezera², takže síla na straně s malou mezerou je mnohem silnější
Čistá síla: Nevyvážené síly se neruší a vytvářejí tak síťovou přitažlivost směrem k straně s malou mezerou.
Velikost: Může vážit stovky až tisíce liber i u motorů střední třídy
Směr: Vždy směrem ke straně s nejmenší mezerou

Proč 2× frekvence linky?

Magnetická síla pulzuje s 2× elektrickou frekvencí:

Třífázový střídavý proud vytváří rotující magnetické pole
Síla magnetického pole pulzuje s 2× frekvencí sítě (což je vlastní třífázovým systémům)
U excentrického rotoru tato pulzace vytváří vibrace o frekvenci 2×f
Motor 60 Hz → vibrace 120 Hz
Motor 50 Hz → vibrace 100 Hz

Příčiny nevyvážené magnetické přitažlivosti

Opotřebení ložiska

Nejčastější příčina vzniku UMP
Vůle ložiska umožňuje rotoru otáčet se mimo střed
Gravitace táhne rotor dolů a zmenšuje tak spodní vzduchovou mezeru.
UMP dále vychyluje rotor mimo střed
Pozitivní zpětná vazba: UMP urychluje opotřebení ložisek

Výrobní tolerance

Excentricita rotoru: Rotor není dokonale kulatý nebo není vystředěný na hřídeli
Excentricita statorového otvoru: Vrtání statoru není soustředné s montážními plochami
Chyby při montáži: Koncové zvony nejsou zarovnané, rotor je během montáže natažený
Tolerance se shlukují: Hromadění malých chyb vytvářejících měřitelnou excentricitu

Provozní příčiny

Tepelný růst: Diferenciální roztažnost ovlivňující rovnoměrnost vzduchové mezery
Zkreslení snímku: Měkká patka nebo rám odolný proti deformaci při montáži
Průhyb hřídele: Zatížení nebo spojovací síly ohýbající hřídel
Problémy s nadací: Usazení nebo zhoršení polohy posunu motoru

Účinky a důsledky

Přímé účinky

Radiální síla na rotoru: Neustálý tah směrem k jedné straně
Přetížení ložiska: Jedno ložisko nese dodatečné zatížení od magnetického tahu
Vibrace při 2×f: Zvýšená elektromagnetická vibrační složka
Průhyb hřídele: Magnetická síla ohýbá hřídel, čímž se zhoršuje excentricita

Mechanismus progresivního selhání

UMP může vytvořit samovolně se posilující cyklus selhání:

Počáteční excentricita (z důvodu opotřebení ložiska nebo výroby)
Magnetická přitažlivost se vyvíjí směrem ke straně s malou mezerou
Síla dále vychýlí rotor, čímž se mezera více zmenší
Silnější magnetická přitažlivost z menší mezery
Zrychlené opotřebení ložiska na zatížené straně
Rostoucí excentricita a magnetická přitažlivost
Případný kontakt rotoru a statoru a katastrofální selhání

Sekundární poškození

Zrychlené selhání ložiska v důsledku asymetrického zatížení
Možné tření rotoru a statoru poškozuje obě součásti
Ohýbání hřídele nebo trvalé prohnutí
Poškození vinutí statoru nárazy rotoru
Ztráta účinnosti v důsledku neoptimální vzduchové mezery

Detekce a diagnostika

Vibrační podpis

Primární indikátor: Zvýšená 2× síťová frekvence (120 Hz nebo 100 Hz)
Typický vzorec: 2× amplituda f > 30–501 TP3T vibrací při 1× rychlosti chodu
Potvrzení: Vibrace při 2×f nejsou úměrné mechanické nevyváženosti
Nezávislost na zátěži: Amplituda 2×f relativně konstantní se zatížením (na rozdíl od mechanických zdrojů)

Rozlišení od jiných zdrojů 2×f

Zdroj	Charakteristiky
Nesprávné zarovnání	2× provozní rychlost (ne 2× síťová frekvence); vysoké axiální vibrace
Magnetický tah	2× síťová frekvence (120/100 Hz); elektromagnetický původ
Poruchy statoru	2× frekvence sítě; přítomna proudová nerovnováha
Rezonance rámu	2× frekvence sítě; vibrace rámu >> vibrace ložiska

Další diagnostické testy

Měření vzduchové mezery

Změření vzduchové mezery na více místech po obvodu (vyžaduje demontáž motoru)
Excentricita > 10% průměrné mezery naznačuje problém
Zdokumentujte minimální a maximální hodnoty mezer

Aktuální analýza

Měření fázových proudů pro vyvážení
Nerovnováha může doprovázet UMP
Spektrum ukazuje 2× složku linkové frekvence

Zkouška bez zátěže

Nechte motor běžet odpojený bez zátěže
Pokud vibrace 2×f zůstávají vysoké, indikuje to elektromagnetický zdroj (porucha UMP nebo statoru)
Pokud 2×f výrazně klesne, indikuje to mechanickou příčinu nesouososti.

Kvantifikace magnetické tažné síly

Přibližný vzorec

Sílu UMP lze odhadnout:

F ∝ (excentricita / mezera) × výkon motoru
Síla se lineárně zvyšuje s excentricitou
Síla se dramaticky zvyšuje s menšími mezerami
Větší motory produkují proporcionálně větší síly

Typické magnitudy

Motor 10 HP, excentricita 10%: síla ~50-100 liber
Motor 100 HP, excentricita 20%: síla ~500-1000 liber
Motor 1000 HP, excentricita 30%: síla ~5000-10 000 liber
Dopad: Tyto síly značně zatěžují ložiska a mohou deformovat hřídele

Korekční metody

Pro excentricitu způsobenou ložisky

Vyměňte opotřebovaná ložiska pro obnovení správného vystředění rotoru
Pokud se excentricita opakuje, použijte ložiska s menšími tolerancemi
Ověřte, zda je výběr ložiska vhodný pro zatížení motoru včetně zatížení motoru UMP.
Zkontrolujte usazení ložiska na hřídeli a v koncových zvonech

Pro excentricitu výroby

Méně závažné případy (< 10%): Přijměte a sledujte, zda jsou vibrace přijatelné
Střední (10-25%): Zvažte vyvrtání statoru nebo obrábění rotoru
Těžká (> 25%): Nutná výměna motoru nebo jeho zásadní oprava
Záruka: Výstřednost výroby může být u nových motorů předmětem záruční reklamace

Pro problémy s montáží/instalací

Ověřte zarovnání koncového zvonu a utahovací moment šroubů
Opravit měkká noha podmínky
Zajistěte, aby rám nebyl deformován montážními napětími
Zkontrolujte napětí v potrubí nebo spojovací síly, které vytahují motor z jeho polohy.

Preventivní strategie

Návrh a výběr

Pro kritické aplikace specifikujte motory s malými tolerancemi vzduchové mezery
Vyberte si kvalitní motory od renomovaných výrobců
Větší vzduchové mezery snižují velikost UMP (ale snižují účinnost)
Zvažte konstrukce magnetických ložisek pro extrémní aplikace

Instalace

Pečlivé zarovnání během instalace
Před finální montáží šroubů ověřte, zda je odstraněna měkká patka.
Zkontrolujte axiální polohu rotoru a jeho plovoucí polohu.
Zajistěte, aby koncové zvony byly správně zarovnány a utaženy

Údržba

Vyměňte ložiska před nadměrným opotřebením
Monitorování trendů vibrací 2× frekvence sítě
Periodické váhy a ověření zarovnání
Udržujte motor čistý, abyste zabránili ucpávání chladicího systému a tepelné deformaci.

Zvláštní aspekty

Velké motory

Síly UMP mohou být obrovské (tuny síly)
Výběr ložiska musí zohledňovat zatížení horního tlakového čerpadla (UMP).
Výpočty průhybu hřídele by měly zahrnovat UMP
Monitorování vzduchové mezery může být začleněno do velkých kritických motorů

Vysokorychlostní motory

Odstředivé síly se kombinují s UMP
Potenciál nestability, pokud je UMP příliš velký
Tolerance těsné vzduchové mezery jsou kritické

Vertikální motory

Gravitace necentruje rotor jako u horizontálních motorů
UMP může rotor táhnout na libovolnou stranu
Axiální ložisko musí být dostatečné pro hmotnost rotoru a všechny axiální komponenty UMP.

Vztah k dalším motorickým problémům

UMP a excentricita rotoru

Excentricita způsobuje UMP
UMP může zhoršit excentricitu (pozitivní zpětná vazba)
Oba vytvářejí vibrace, ale na různých frekvencích (1× vs. 2×f)

Poruchy UMP a statoru

Oba produkují vibrace s 2× linkovou frekvencí
Poruchy statoru také ukazují aktuální nerovnováhu
UMP z excentricity bez proudové nerovnováhy
Může koexistovat: porucha statoru A excentricita

UMP a životnost ložisek

UMP zvyšuje radiální zatížení ložiska
Snižuje životnost ložiska (Životnost ∝ 1/Zatížení³)
Vytváří asymetrické opotřebení ložisek
Jedno ložisko může předčasně selhat, zatímco jiné je přijatelné

Magnetické přitahování představuje důležité propojení mezi mechanickými a elektromagnetickými jevy v elektromotorech. Pochopení UMP jako zdroje vibrací o 2× síťové frekvenci, jeho vztahu k excentricitě vzduchové mezery a jeho potenciálu pro vznik postupného selhání v důsledku přetížení ložiska umožňuje správnou diagnostiku a nápravu tohoto stavu specifického pro motor.

← Zpět na hlavní index

Co je magnetická přitažlivost? Nevyvážená magnetická síla v motorech

Publikováno uživatelem admin dne Říjen 31, 2025 Říjen 31, 2025