Rotorstabdefekte verstehen
Definition: Was sind Rotorstabdefekte?
Rotorstabdefekte (Auch als gebrochene oder gerissene Rotorstäbe bezeichnet) sind Brüche, Risse oder hochohmige Verbindungen in den Leiterstäben von Kurzschlussläufermotoren. Kurzschlussläufermotoren bestehen aus Aluminium- oder Kupferstäben, die in Nuten eines Eisenkerns eingebettet sind und deren Enden durch Kurzschlussringe (Endringe) verbunden sind. Brechen Stäbe oder reißen die Endringverbindungen, kann der Strom nicht mehr ungehindert durch die beschädigten Stäbe fließen. Dies führt zu elektromagnetischer Asymmetrie, pulsierendem Drehmoment und charakteristischen Leistungsveränderungen. Vibration und aktuelle Unterschriften mit Seitenbänder bei Gleitfrequenzabstand.
Rotorstabdefekte sind für 10-15% Motorausfälle verantwortlich und stellen ein besonders problematisches Problem dar, da sie sich von einem einzelnen gebrochenen Stab zu mehreren Ausfällen ausweiten können, was zu starken Vibrationen, Drehmomentpulsationen und schließlich zum Ausfall des Motors führt, wenn sie nicht erkannt und behoben werden.
Arten von Rotorstabdefekten
1. Gebrochene Rotorstangen
- Beschreibung: Vollständiger Bruch der Stromschiene
- Standort: Typischerweise in der Nähe der Endringe, wo sich thermische und mechanische Spannungen konzentrieren.
- Progression: Beginnt meist mit einem Riss und schreitet bis zum vollständigen Bruch fort.
- Mehrere Balken: Ein gebrochener Stab erhöht die Spannung auf benachbarte Stäbe, was zu fortschreitendem Versagen führt.
2. Gerissene Endringe
- Beschreibung: Brüche in den Kurzschlussringen, die die Rotorstangen verbinden
- Wirkung: Ähnlich wie gebrochene Stäbe – unterbricht den Stromfluss
- Standort: Häufig an der Verbindungsstelle zwischen Steg und Ring
- Häufiger in: Große Motoren, Motoren mit häufigem Anlauf, Lasten mit hoher Massenträgheit
3. Hochfeste Verbindungen
- Beschreibung: Schlechte elektrische Verbindung zwischen Stäben und Endringen
- Ursache: Herstellungsfehler, Temperaturwechsel, Korrosion
- Wirkung: Ähnliche Symptome wie bei gebrochenen Stäben, aber möglicherweise nur zeitweise.
- Erkennung: Eher subtile Signaturen als vollständige Brüche
4. Rotorporosität
- Hohlräume in Aluminiumgussrotoren
- Verringert den effektiven Leiterquerschnitt
- Kann zu Rissen und Brüchen führen
- Herstellungsfehler, der sich aber möglicherweise erst später im Leben bemerkbar macht.
Ursachen für Rotorstabbrüche
Thermische Spannungen
- Thermische Zyklen: Expansion/Kontraktion durch Start/Stilllegung
- Differenzielle Expansion: Aluminiumstangen dehnen sich stärker aus als Eisenkerne
- Hotspots: Lokale Überhitzung durch hohen Widerstand
- Häufige Starts: Jeder Start erzeugt einen Thermoschock.
Mechanische Spannungen
- Zentrifugalkräfte: Insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsmotoren
- Elektromagnetische Kräfte: Pulsierende Kräfte während des Betriebs
- Anlaufdrehmoment: Hohe Ströme beim Anlauf erzeugen mechanische Spannungen
- Vibration: Ermüdungsstäbe für externe Vibrationen
Herstellungsfehler
- Porosität in gegossenen Rotoren
- Schlechte Verbindung zwischen Steg und Ringende
- Materialeinschlüsse oder Hohlräume
- Unzureichende Wärmebehandlung
Betriebsbedingungen
- Häufiges Starten: Thermische und elektromagnetische Belastung
- Hohe Massenträgheitslasten: Lange Beschleunigungszeiten erhöhen die Belastung der Stange
- Blockierte Rotorereignisse: Extreme Strömungen und Kräfte
- Einphasig: Der Betrieb bei Ausfall einer Phase erzeugt asymmetrische Ströme.
Vibrationssignatur
Charakteristisches Muster
Das charakteristische Merkmal von Rotorstabdefekten sind Seitenbänder um die Laufgeschwindigkeit:
- Zentralgipfel: 1× Laufgeschwindigkeit (fr)
- Seitenbänder: fr ± fs, fr ± 2fs, fr ± 3fs
- Wo fs = Schlupffrequenz (typischerweise 1-3 Hz)
- Muster: Symmetrische Seitenbänder, die in Abständen der Gleitfrequenz angeordnet sind
Berechnung der Schlupffrequenz
- fs = (Nsync – Nactual) / 60
- Beispiel: 4-poliger 60-Hz-Motor
- Nsync = 1800 U/min, Nactual = 1750 U/min
- fs = (1800 – 1750) / 60 = 0,833 Hz
- Seitenbänder treten bei 29,17 ± 0,833 Hz (28,3 Hz und 30,0 Hz) auf.
Lastabhängigkeit
- Keine Last: Minimale Seitenbänder (geringer Schlupf, geringer Strom durch gebrochene Stäbe)
- Leichte Last: Kleine Seitenbänder beginnen sich zu zeigen
- Volllast: Starke Seitenbänder, offensichtlichste Diagnose
- Diagnostische Strategie: Testen Sie unter Last, um die beste Empfindlichkeit zu erzielen.
Aktuelle Signatur (MCSA)
Die Analyse des Motorstroms zeigt das gleiche Muster wie die Vibration:
- Seitenbänder um die Netzfrequenz (nicht die Laufgeschwindigkeit)
- Muster: fline ± 2fs (doppelte Schlupffrequenz im Strom)
- Für einen 60-Hz-Motor mit 1 Hz Schlupf: Seitenbänder bei 58 Hz und 62 Hz
- Die Amplitude nimmt mit der Anzahl der gebrochenen Stäbe zu.
- Kann in manchen Fällen früher erkannt werden als Vibrationen.
Erkennung und Diagnose
Schwingungsanalyseverfahren
- Erwartetes Muster berechnen: Bestimmen Sie die Synchrondrehzahl, messen Sie die Istdrehzahl und berechnen Sie die Schlupffrequenz.
- Hochauflösende FFT: Verwenden Sie eine hohe Auflösung (< 0,2 Hz) zur Auflösung der Seitenbänder
- Achten Sie auf Seitenbänder: Suche nach Maxima bei 1× ± Gleitfrequenz
- Unter Last: Test mit Motor unter normaler Betriebslast
- Muster bestätigen: Überprüfen Sie die Symmetrie der Seitenbänder bei korrektem Abstand.
Schweregradbewertung
- Seitenband < 40% von 1× Spitze: Möglicherweise ist ein einzelner Balken gebrochen, Monitor
- 40-60% von 1×: Bestätigt: Gebrochene Stange(n), Ersatz geplant.
- > 60% von 1×: Mehrere Stangen gebrochen, dringender Ersatz erforderlich
- Seitenbänder > 1× Spitze: Schwerwiegender Zustand, sofortiges Handeln erforderlich
Folgen und Verlauf
Erster Ausfall (Einzelstab)
- Leichte Drehmomentpulsation
- Kleine Seitenbänder erscheinen
- Kann mit nur einem gebrochenen Stab monatelang laufen.
- minimale Leistungsbeeinträchtigung
Progressives Versagen (Mehrere Balken)
- Benachbarte Balken überhitzen aufgrund des erhöhten Stroms
- Thermische Belastung verursacht zusätzliche Ausfälle.
- Drehmomentpulsationen nehmen zu
- Die Vibrationen werden stark
- Kann innerhalb weniger Wochen von einem einzelnen Balken auf mehrere Balken erweitert werden.
Schwerer Zustand
- Mehrere nebeneinanderliegende gebrochene Stäbe
- Starke Drehmomentpulsation
- Hohe Vibrationen und Lärm
- Überhitzung des Rotors
- Risiko eines vollständigen Rotorausfalls
- Kann den Stator durch zu hohen Strom beschädigen
Korrekturmaßnahmen
Bei Erkennung
- Erhöhung der Überwachungshäufigkeit (monatlich → wöchentlich)
- Führen Sie eine MCSA durch, um die Diagnose zu bestätigen.
- Planen Sie den Austausch des Motors oder des Rotors.
- Halten Sie einen Ersatzmotor bereit, falls die Anwendung kritisch ist.
- Ermitteln Sie die Ursache (warum die Stangen gebrochen sind).
Reparaturoptionen
- Rotorwechsel: Zuverlässigste Lösung für große Motoren
- Kompletter Motoraustausch: Oft am wirtschaftlichsten für kleine Motoren
- Rotor-Neuguss: Fachgeschäfte können Aluminiumrotoren umgießen
- Vorübergehender Betrieb: Ein einzelner gebrochener Stab kann den Weiterbetrieb unter Überwachung ermöglichen.
Verhütung
- Häufige Starts minimieren (Sanftanlaufgeräte oder Frequenzumrichter verwenden)
- Vermeiden Sie einphasige Zustände
- Sorgen Sie für ausreichende Belüftung und Kühlung
- Verwenden Sie Motoren, die für den jeweiligen Betriebszyklus ausgelegt sind (häufig anlaufende Motoren für Anwendungen mit hoher Zyklenzahl).
- Überwachung zur Früherkennung vor dem Auftreten mehrerer Ausfälle
Rotorstabdefekte zählen zu den am besten diagnostisch erkennbaren Motorfehlern. Ihre charakteristischen Schlupffrequenz-Seitenbänder ermöglichen eine zuverlässige Erkennung mittels Schwingungs- und Stromanalyse. Die frühzeitige Erkennung erlaubt einen geplanten Motoraustausch, bevor es zu Ausfällen mehrerer Stäbe kommt, die katastrophale Rotorschäden und längere ungeplante Ausfallzeiten verursachen können.
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