Was sind gebrochene Rotorstäbe? Ausfall des Käfigläufermotors • Tragbarer Auswuchtapparat, Schwingungsanalysator "Balanset" zum dynamischen Auswuchten von Brechern, Ventilatoren, Mulchern, Schnecken an Mähdreschern, Wellen, Zentrifugen, Turbinen und vielen anderen Rotoren Was sind gebrochene Rotorstäbe? Ausfall des Käfigläufermotors • Tragbarer Auswuchtapparat, Schwingungsanalysator "Balanset" zum dynamischen Auswuchten von Brechern, Ventilatoren, Mulchern, Schnecken an Mähdreschern, Wellen, Zentrifugen, Turbinen und vielen anderen Rotoren

Was sind gebrochene Rotorstäbe? Ausfall eines Käfigläufermotors

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Gebrochene Rotorstäbe verstehen

Definition: Was sind gebrochene Rotorstäbe?

Gebrochene Rotorstäbe sind vollständige Brüche der Leiterstäbe in Käfigläufer-Induktionsmotorrotoren. Dies ist im Wesentlichen der gleiche Zustand wie Rotorstabdefekte betont aber insbesondere den vollständigen Bruch der Stäbe und nicht Risse oder hochohmige Verbindungen. Wenn ein oder mehrere Stäbe brechen, kann kein elektrischer Strom durch diese Stäbe fließen, wodurch eine elektromagnetische Asymmetrie entsteht, die charakteristische Vibration und aktuelle Unterschriften mit Seitenbänder bei Schlupffrequenz Abstand um die Laufgeschwindigkeit.

Gebrochene Rotorstäbe sind besonders gefährlich, da sie eine Kaskadenfunktion auslösen: Ein gebrochener Stab erhöht Strom und Spannung in benachbarten Stäben, wodurch diese nach und nach ausfallen. Wird der Zustand nicht frühzeitig erkannt (ein einzelner gebrochener Stab), kann sich der Zustand schnell verschlechtern und mehrere Stäbe brechen. Dies kann zu einem katastrophalen Rotorausfall führen, der einen Motoraustausch erforderlich macht.

Wie Rotorstäbe brechen

Thermische Ermüdung (am häufigsten)

Wiederholte Heiz- und Kühlzyklen:

  • Anlaufstrom: Beim Motorstart beträgt der Rotorstrom das 5- bis 7-fache des Normalwerts (Blockierzustand des Rotors).
  • Wärmeausdehnung: Aluminiumstäbe dehnen sich deutlich aus (Koeffizient 23 µm/m/°C)
  • Zwang: Der Eisenkern dehnt sich weniger aus (12 µm/m/°C), was die Ausdehnung des Stabes einschränkt
  • Stress: Differenzielle Ausdehnung erzeugt thermische Spannungen in Stäben
  • Ermüdung: Wiederholte Startzyklen verursachen Low-Cycle-Ermüdung
  • Rissbildung: Typischerweise an der Verbindung zwischen Stab und Ringende (Punkt mit hoher Spannung)

Mechanische Beanspruchung

  • Fliehkräfte bei hohen Geschwindigkeiten
  • Elektromagnetische Kräfte beim Betrieb und Anlauf
  • Vibrationen durch externe Quellen
  • Stoßbelastungen beim Anfahren oder Lastwechsel

Herstellungsfehler

  • Porosität: Hohlräume in Aluminiumgussrotoren
  • Schlechte Bindung: Unzureichende Verbindung zwischen Stab und Kern
  • Materialeinschlüsse: Verunreinigungen im Guss
  • Schwache Endringverbindungen: Schlechte Verbindungen zwischen Stange und Endring

Betriebsbedingungen

  • Häufiges Starten: Jeder Start ist ein thermisches und mechanisches Belastungsereignis
  • Lasten mit hoher Trägheit: Lange Beschleunigungszeiten erhöhen die Belastung der Stange
  • Rückfahrservice: Beim Einstecken entstehen extreme Ströme
  • Einphasig: Der Betrieb mit einer Phase, die ausfällt, überlastet die Rotorstäbe

Die charakteristische Seitenbandsignatur

Warum Seitenbänder auftreten

Das charakteristische Diagnosemuster:

  1. Ein gebrochener Stab kann keinen Strom leiten, was zu einer elektrischen Asymmetrie führt
  2. Asymmetrie dreht sich mit Schlupffrequenz (Differenz zwischen Synchron- und Rotordrehzahl)
  3. Erzeugt Drehmomentpulsationen mit der doppelten Schlupffrequenz
  4. Drehmomentpulsation moduliert 1× Vibration durch mechanische Unwucht
  5. Ergebnis: Seitenbänder bei Laufgeschwindigkeit ± Schlupffrequenzintervalle

Vibrationsmuster

  • Zentralgipfel: 1× Laufgeschwindigkeit (fr)
  • Unteres Seitenband: fr – fs (wobei fs = Schlupffrequenz)
  • Oberes Seitenband: fr + fs
  • Mehrere Seitenbänder: fr ± 2fs, fr ± 3fs mit zunehmender Schwere
  • Symmetrie: Seitenbänder symmetrisch um 1× Peak

Beispiel

4-poliger 60-Hz-Motor bei Volllast:

  • Synchrondrehzahl: 1800 U/min
  • Tatsächliche Geschwindigkeit: 1750 U/min (29,17 Hz)
  • Schlupf: 50 U/min (0,833 Hz)
  • Vibrationsspitzen bei: 28,3 Hz, 29,17 Hz, 30,0 Hz
  • Gebrochener Balken, bestätigt durch symmetrische Seitenbänder bei ±0,833 Hz

Aktuelle Signatur (MCSA)

Die Motorstromanalyse zeigt ein ähnliches Muster:

  • Zentralgipfel: Netzfrequenz (50 oder 60 Hz)
  • Seitenbänder: fline ± 2fs (Hinweis: 2× Schlupffrequenz im Strom, nicht 1×)
  • Beispiel: 60 Hz-Motor mit 1 Hz Schlupf → Seitenbänder bei 58 Hz und 62 Hz
  • Vorteil: Nicht-invasiv, kann kontinuierlich überwachen
  • Empfindlichkeit: Erkennt gebrochene Stangen oft früher als Vibrationen

Fortschrittsstufen

Einzelner gebrochener Balken

  • Es treten kleine Seitenbänder auf (20-40% des 1× Peaks)
  • Leichte Drehmomentpulsation (möglicherweise nicht wahrnehmbar)
  • Motorleistung nahezu normal
  • Kann mit Überwachung monatelang betrieben werden
  • Ersatz sollte geplant werden

Mehrere benachbarte unterbrochene Balken

  • Starke Seitenbänder (> 50% von 1× Peak)
  • Spürbare Drehmomentpulsation
  • Erhöhter Schlupf und Temperatur
  • Der Fortschritt beschleunigt sich, da benachbarte Balken überhitzen
  • Austausch dringend (Zeitraum Wochen)

Schwerer Zustand

  • Seitenbänder können die 1-fache Spitzenamplitude überschreiten
  • Starke Drehmomentpulsation beeinträchtigt die angetriebene Ausrüstung
  • Hohe Vibrationen und Temperaturen
  • Risiko eines Endringversagens oder eines vollständigen Rotorausfalls
  • Sofortiger Austausch erforderlich

Best Practices zur Erkennung

Schwingungsanalyse

  • Verwenden Sie hochauflösende FFT (< 0,2 Hz Auflösung) zur Auflösung von Seitenbändern
  • Testmotor unter Last (Seitenbänder stärker ausgeprägt bei Stromfluss)
  • Berechnen Sie die erwartete Schlupffrequenz für den Motor
  • Suchspektrum für symmetrische Seitenbänder bei ±fs um 1×
  • Trend der Seitenbandamplitude im Zeitverlauf

MCSA-Test

  • Klemmen Sie Stromsonden an die Motorleitungen
  • Stromwellenform erfassen und FFT berechnen
  • Suchen Sie nach Seitenbändern bei fline ± 2fs
  • Vergleichen Sie mit dem gesunden motorischen Ausgangswert
  • Kann erkennen, bevor die Vibrationssymptome verschwinden

Korrekturmaßnahmen

Sofortige Reaktion

  • Erhöhen Sie die Überwachungshäufigkeit (monatlich → wöchentlich → täglich).
  • Wachstumsrate der Seitenbandamplitude verfolgen
  • Ersatzmotor bestellen oder Rotoraustausch planen
  • Reduzieren Sie den Arbeitszyklus, wenn möglich (minimieren Sie die Starts).
  • Dokumentverlauf zur Fehleranalyse

Reparaturoptionen

  • Rotorwechsel: Am zuverlässigsten für große Motoren (> 100 PS)
  • Rotor-Neuguss: Fachgeschäfte können Aluminiumrotoren umgießen
  • Motoraustausch: Oft am wirtschaftlichsten für kleine Motoren (< 50 PS)
  • Ursachenuntersuchung: Ermitteln Sie, warum die Balken gebrochen sind, um ein erneutes Auftreten zu verhindern

Verhütung

  • Verwenden Sie Sanftanlaufgeräte oder Frequenzumrichter, um den Anlaufstrom und die thermische Belastung zu reduzieren
  • Begrenzen Sie die Starthäufigkeit bei Lasten mit hoher Trägheit
  • Geben Sie Motoren an, die für den tatsächlichen Arbeitszyklus ausgelegt sind (Motoren mit häufigem Start für den Betrieb mit hoher Zykluszahl).
  • Sorgen Sie für ausreichende Belüftung und Kühlung des Motors
  • Schutz vor einphasigen Bedingungen

Gebrochene Rotorstäbe sind zwar nur für 10–15 % der Motorausfälle verantwortlich, erzeugen aber charakteristische Schlupffrequenz-Seitenbandsignaturen, die eine zuverlässige Früherkennung durch Schwingungs- oder Stromanalyse ermöglichen. Das Verständnis des thermischen Ermüdungsmechanismus, das Erkennen des charakteristischen Seitenbandmusters und die Implementierung einer Zustandsüberwachung ermöglichen einen geplanten Motoraustausch, bevor sich Einzelstabausfälle zu katastrophalen Mehrfachstabausfällen und längeren ungeplanten Ausfallzeiten entwickeln.

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