1. Grundlagen der Elektrotechnik für den Schwingungsanalysten

Bevor man Motordefekte anhand von Schwingungsspektren diagnostizieren kann, ist es unerlässlich, die wichtigsten elektrischen Frequenzen zu verstehen, die die Motorschwingungen verursachen.

1.1. Netzfrequenz (LF)

Die Wechselstromfrequenz: 50 Hz in den meisten Teilen Europas, Asiens, Afrikas und Russlands; 60 Hz in Nordamerika und Teilen Südamerikas und Asiens. Alle elektromagnetischen Kräfte im Motor werden von dieser Frequenz abgeleitet.

1.2. Doppelte Netzfrequenz (2×LF)

Die dominante Frequenz der elektromagnetischen Kraft bei Wechselstrommotoren. In einem 50-Hz-System gilt: 2×LF = 100 Hz; in einem 60-Hz-System, 2×LF = 120 Hz. Die magnetische Anziehungskraft zwischen Stator und Rotor erreicht zweimal pro elektrischem Zyklus ihren Höchstwert, wodurch 2×LF die grundlegende "elektrische Schwingungsfrequenz" jedes Wechselstrommotors darstellt.

1.3. Synchrondrehzahl und Schlupf

Das Statormagnetfeld rotiert mit synchroner Drehzahl:

wobei P ist die Polzahl. Der Rotor eines Induktionsmotors dreht sich immer etwas langsamer. Dieser Unterschied beträgt Beleg:

Typischer Schlupf bei Volllast für Standard-Induktionsmotoren: 1–5%. Für einen 2-poligen Motor bei 50 Hz: N_s = 3000 U/min, tatsächliche Drehzahl ≈ 2940–2970 U/min.

1.4. Poldurchgangsfrequenz (F)_p)

Die Geschwindigkeit, mit der die Rotorpole an den Statorpolen vorbeigleiten. Das Ergebnis ist Universal- — unabhängig von der Anzahl der Masten:

Für einen Motor, der mit 50 Hz und 2% Schlupf läuft: F_p = 2 × 0,02 × 50 = 2 Hz. Diese Frequenz erscheint als charakteristische Seitenbänder in den Spektren gebrochener Rotorstäbe.

1.5. Rotorstab-Passfrequenz

Dabei ist R die Anzahl der Rotorstäbe. Diese Frequenz und ihre Seitenbänder werden relevant, wenn die Rotorstäbe beschädigt sind.

1.6. Tabelle der Schlüsselfrequenzen

StatorRotorWicklungenLuftspaltMechanischAxial Jegliche Luftspaltverzerrung verändert direkt die magnetische Anziehungskraft und damit unmittelbar das Schwingungsmuster. Das Symbol ± kennzeichnet Seitenbänder (Modulation).

2. Überblick über Diagnosemethoden

Keine einzelne Methode kann alle Defekte an Elektromotoren erkennen. Ein umfassendes Diagnoseprogramm kombiniert mehrere sich ergänzende Methoden:

VibrationMCSAESAMCAThermografie Keine einzelne Methode bietet eine vollständige Abdeckung. Ein kombinierter Diagnoseansatz wird dringend empfohlen.

2.1. Schwingungsspektralanalyse

Das wichtigste Werkzeug für die Diagnose der meisten rotierenden Maschinen. Beschleunigungsmesser an Lagergehäusen erfassen Spektren, die mechanische Defekte (Unwucht, Fehlausrichtung, Lagerverschleiß) und einige elektrische Defekte (ungleichmäßiger Luftspalt, lose Wicklungen) aufdecken., Die Schwingungsanalyse allein kann nicht alle elektrischen Fehler im Motor aufdecken..

2.2. Motorstromsignaturanalyse (MCSA)

Eine Stromzange an einer Phase erfasst das Stromspektrum. Gebrochene Rotorstäbe erzeugen Seitenbänder bei LF ± F p. Die MCSA wird online durchgeführt und ist vollständig nicht-invasiv.

2.3. Analyse der elektrischen Signatur (ESA)

Analysiert gleichzeitig Spannungs- und Stromspektren am MCC. Erkennt Asymmetrien der Versorgungsspannung, Oberwellenverzerrungen und Probleme mit der Stromqualität.

2.4. Motorstromkreisanalyse (MCA)

Ein offline Prüfung zur Messung des Phasen-Phasen-Widerstands, der Induktivität, der Impedanz und des Isolationswiderstands. Unverzichtbar bei Wartungsstillständen.

2.5. Temperaturüberwachung

Die Temperaturentwicklung der Statorwicklung und der Lager ermöglicht eine frühzeitige Warnung vor Überlastung, Kühlungsproblemen und Isolationsverschlechterung.

3. Statordefekte

Statordefekte sind für etwa 23–37% aller Motorausfälle. Der Stator ist der stationäre Teil, der den laminierten Eisenkern und die Wicklungen enthält. Defekte verursachen Vibrationen hauptsächlich an den 2×LF (100 Hz / 120 Hz) und deren Vielfache.

3.1. Stator-Exzentrizität – Ungleichmäßiger Luftspalt

Der Luftspalt zwischen Rotor und Stator beträgt typischerweise 0,25–2 mm. Selbst eine 10%-Variante erzeugt ein messbares elektromagnetisches Kraftungleichgewicht.

Ursachen

• Weicher Fuß — die häufigste Ursache
• Abgenutzte oder beschädigte Lagergehäuse
• Rahmenverformung durch unsachgemäßen Transport oder Montage
• Thermische Verformung unter Betriebsbedingungen
• Mangelhafte Fertigungstoleranzen

Spektrale Signatur

• Typischerweise dominant 2×LF im Radialgeschwindigkeitsspektrum
• Oftmals begleitet von einer geringfügigen Erhöhung von 1X und 2x aufgrund unausgeglichener magnetischer Anziehung (UMP)
• Statische Exzentrizität: 2×LF dominiert bei geringer Modulation
• Dynamische Komponente: Seitenbänder bei 2×LF ± 1X kann erscheinen

Schweregradbewertung

Hinweis: Dies sind beispielhafte Richtlinien, kein formeller Standard. Vergleichen Sie die Werte immer mit den gerätespezifischen Basiswerten.

Bestätigungstest

Test im ausgeschalteten Zustand (Schnapptest): Während die Vibration überwacht wird, wird der Motor stromlos geschaltet. Wenn der 2×LF-Spitzenwert fällt stark — innerhalb von Sekunden, viel schneller als das mechanische Auslaufen — die Quelle ist elektromagnetisch.

3.2. Lose Statorwicklungen

Die Statorwicklungen sind während jedes Betriebszyklus elektromagnetischen Kräften mit der doppelten Nennfrequenz (2×LF) ausgesetzt. Mechanische Befestigungen (Epoxidharz, Lack, Keile) können sich im Laufe der Jahre verschlechtern. Lose Wicklungen vibrieren mit der doppelten Nennfrequenz (2×LF) und zunehmender Amplitude, was den Isolationsverschleiß durch Reibkorrosion beschleunigt.

Spektrale Signatur

• vorwiegend radiale Schwingung
• 2×LF ist möglicherweise weniger stabil – leichte Amplitudenschwankungen.
• Schwere Fälle: Oberwellen bei 4×LF, 6×LF

Konsequenzen

Das ist zerstörerisch für die Wicklungsisolierung — führt zu beschleunigtem Verschleiß, unvorhersehbaren Erdschlüssen und einem kompletten Statorausfall, der ein Neuwickeln erforderlich macht.

3.3. Lose Stromkabel – Phasenasymmetrie

Ein schlechter Kontakt erzeugt Widerstandsasymmetrie. Sogar 1% Spannungsasymmetrie verursacht ungefähr 6–10% Stromasymmetrie. Die unausgeglichenen Ströme erzeugen eine rückwärts rotierende Magnetfeldkomponente.

Spektrale Signatur

• Die 2×LF-Amplitude erhöht sich aufgrund des unausgeglichenen magnetischen Zuges
• In einigen Fällen, Seitenbänder nahe ±⅓×LF (~16,7 Hz in 50-Hz-Systemen) um den 2×LF-Peak
• Im aktuellen Spektrum (MCSA): erhöhter Gegensequenzstrom

Praktische Überprüfungen

• Überprüfen Sie alle Kabelanschlüsse, Sammelschienenverbindungen und Schützkontakte.
• Phasenwiderstand messen – Abweichung innerhalb von 1%
• Messen Sie die Versorgungsspannung an allen drei Phasen – die Asymmetrie sollte 1% nicht überschreiten.
• IR-Thermografie der Kabelanschlussdose

3.4. Kurzgeschlossene Statorbleche

Beschädigungen der Zwischenlagenisolierung ermöglichen die Zirkulation von Wirbelströmen und führen zur Bildung lokaler Überhitzungsstellen. Diese sind in Schwingungsspektren nicht immer erkennbar. Die Infrarot-Thermografie ist die primäre Detektionsmethode.. Offline: Elektromagnetischer Kerntest (EL-CID-Test).

3.5. Windungsschluss

Ein Windungsschluss erzeugt eine lokale Stromschleife, wodurch die effektive Windungszahl der betroffenen Spule reduziert wird. Dies führt zu einer erhöhten... 2×LF, Erhöhte dritte Harmonische im Niederfrequenzbereich des Stroms und Phasenstromasymmetrie. Am besten mittels MCA-Überspannungstest offline detektieren.

2×LF1x / 2xSeitenbänder Der Test bei ausgeschalteter Stromversorgung bestätigt den elektromagnetischen Ursprung: Wenn der 2×LF-Wert beim Abschalten stark abfällt (viel schneller als beim Auslaufen), ist die Quelle elektromagnetischer Natur.

4. Rotordefekte

Rotorfehler machen etwa aus 5–10% von Motorausfällen Sie sind jedoch oft am schwierigsten frühzeitig zu erkennen.

4.1. Gebrochene Rotorstangen und gerissene Endringe

Wenn ein Stab bricht, führt die Stromumverteilung zu einer lokalen magnetischen Asymmetrie – im Grunde einem "magnetischen Schwerpunkt", der sich mit der Schlupffrequenz relativ zum Statorfeld dreht.

Vibrationssignatur

• 1X Gipfel mit Seitenbänder bei ± F_p. Für 50 Hz / 2% Schlupf: Seitenbänder bei 1X ± 2 Hz
• Schwere Fälle: zusätzliche Seitenbänder bei ± 2F_p, ± 3F_p
• 2×LF kann auch F anzeigen_p Seitenbänder

MCSA-Signatur

MCSA-Schweregradskala

Wichtig: MCSA erfordert eine konstante Last nahe den Nennbedingungen. Bei Teillast sinkt die Seitenbandamplitude.

Zeitwellenform

Gebrochene Rotorstäbe erzeugen eine charakteristische ""Schlag"-Muster — Amplitudenmodulationen bei der Polpassfrequenz. Oft sichtbar, bevor spektrale Seitenbänder deutlich hervortreten.

1X±Fp-SeitenbänderMCSA-Seitenbänder Gebrochene Rotorstäbe lassen sich am besten mittels MCSA (Multi-Critical Stress Analysis) nachweisen. Das Schwingungsspektrum gibt Hinweise auf den Defekt; MCSA ermöglicht eine quantitative Schweregradbestimmung.

4.2. Rotorexzentrizität (statisch und dynamisch)

Statische Exzentrizität

Die Wellenmittellinie ist gegenüber der Statorbohrung versetzt. Dies führt zu einer erhöhten 2×LF. Im aktuellen Zustand: Rotornut-Oberschwingungen bei f_RBPF ± LF.

Dynamische Exzentrizität

Der Rotormittelpunkt umkreist den Statorbohrungsmittelpunkt. Erzeugt 1x mit 2×LF-Seitenbändern und erhöhter Rotorstab-Durchlassfrequenz. Aktuell: Seitenbänder bei LF ± f_verrotten.

In der Praxis sind in der Regel beide Typen gleichzeitig vorhanden – es handelt sich um ein Überlagerungsmuster.

4.3. Thermischer Rotorbogen

Bei großen Motoren kann ein Temperaturgradient entstehen, der zu einer vorübergehenden Verformung führt. 1X, das sich mit der Zeit ändert Nach dem Anfahren steigt die Amplitude typischerweise 15–60 Minuten lang an und stabilisiert sich dann. Der Phasenwinkel ändert sich mit der Entwicklung der Biegung. Um eine mechanische Unwucht (die stabil ist) zu erkennen, überwachen Sie 1X-Amplitude und -Phase 30–60 Minuten nach dem Anfahren.

4.4. Verschiebung des elektromagnetischen Feldes (axiale Verschiebung)

Wenn der Rotor axial verschoben Im Vergleich zum Stator wird die elektromagnetische Feldverteilung axial asymmetrisch. Der Rotor erfährt eine oszillierende axiale elektromagnetische Kraft bei 2×LF.

Ursachen

• Falsche axiale Rotorpositionierung während der Montage oder nach dem Lageraustausch
• Lagerverschleiß, der übermäßiges axiales Spiel verursacht
• Wellenschubkraft der angetriebenen Maschine
• Wärmeausdehnung während des Betriebs

Axiale EM-KraftVerschiebung / ÜberhangStator CLErkennung Das axiale 2×LF-Signal, das beim Ausschalten sofort verschwindet, ist das entscheidende Unterscheidungsmerkmal zu mechanischen Ursachen.

5. Elektrische Defekte im Zusammenhang mit Lagern

5.1. Lagerströme und EDM

Die Spannung zwischen Welle und Gehäuse verursacht einen Stromfluss durch die Lager. Ursachen: magnetische Asymmetrie, Gleichtaktspannung des Frequenzumrichters, statische Aufladung. Wiederholte Entladungen erzeugen mikroskopisch kleine Vertiefungen (Funkenerosion) was dazu führt Flöten — gleichmäßig verteilte Rillen auf den Laufbahnen.

Spektrale Signatur

• Lagerfehlerhäufigkeiten (BPFO, BPFI, BSF) mit sehr gleichmäßigen, "sauberen" Spitzenwerten
• Erhöhter hochfrequenter Rauschpegel im Beschleunigungsspektrum
• Fortgeschritten: charakteristischer "Waschbrett"-Sound

Verhütung

• Isolierte Lager (beschichtete Ringe)
• Wellenerdungsbürsten (insbesondere für VFD-Anwendungen)
• Gleichtaktfilter am VFD-Ausgang
• Regelmäßige Wellenspannungsmessung – unter 0,5 V Spitze

6. Auswirkungen von Frequenzumrichtern (FU)

6.1. Frequenzverschiebung

Alle elektrischen Motorfrequenzen verschieben sich proportional zur Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters. Läuft der Frequenzumrichter mit 45 Hz, entspricht 2 × LF 90 Hz. Alarmbänder müssen … geschwindigkeitsadaptiv.

6.2. PWM-Oberschwingungen

Im Spektrum treten Schaltfrequenzen (2–16 kHz) und Seitenbänder auf. Dies kann hörbare Geräusche und Lagerströme verursachen.

6.3. Torsionsanregung

Niedere Harmonische (5., 7., 11., 13.) erzeugen Drehmomentpulsationen, die Torsions-Eigenfrequenzen anregen können.

6.4. Resonanzanregung

Beim Durchlaufen eines Drehzahlbereichs durch einen Frequenzumrichter können die Anregungsfrequenzen die Eigenfrequenzen der Struktur überschreiten. Für frequenzumrichtergesteuerte Geräte sollten kritische Drehzahlkennlinien erstellt werden.

7. Zusammenfassung der Differenzialdiagnostik

ElektrischeMechanisch2×LF-AnalyseRotordefekte Der Stromausfalltest ist der erste Schritt im Diagnoseprozess. Sobald die elektrische Ursache bestätigt ist, grenzen die dominante Frequenz und Richtung die Diagnose weiter ein.

8. Instrumentierung und Messtechniken

8.1. Anforderungen an die Schwingungsmessung

8.2. Balanset-1A für die Motordiagnose

Das tragbare Zweikanal-Vibrometer Balanset-1A (VibroMera) bietet Kernfunktionen für die Motorvibrationsdiagnostik:

Nach der Diagnose und Behebung des Motordefekts kann das Balanset-1A verwendet werden für Rotorauswuchtung vor Ort — Durchführung des gesamten Diagnose- und Korrekturprozesses ohne Ausbau des Motors.

8.3. Bewährte Messverfahren

• Drei Richtungen – vertikal, horizontal und axial – an jedem Lager. Die axiale Verschiebung ist entscheidend für die EM-Feldverschiebung.
• Oberflächen vorbereiten — Farbe und Rost entfernen, um eine zuverlässige Beschleunigungsmesserkopplung zu gewährleisten
• Stationäre Bedingungen — Nenndrehzahl, Last, Temperatur
• Betriebsbedingungen aufzeichnen — Drehzahl, Last, Spannung, Stromstärke bei jeder Messung
• Konstantes Timing — gleiche Bedingungen für Trendvergleiche
• Test im ausgeschalteten Zustand Bei Verdacht auf elektrische Vibrationen – dauert nur Sekunden und liefert eine zuverlässige Quellenidentifizierung

9. Normative Referenzen

• GOST R ISO 20816-1-2021 — Schwingungen. Messung und Bewertung von Maschinenschwingungen. Teil 1. Allgemeine Richtlinien.
• GOST R ISO 18436-2-2005 — Zustandsüberwachung. Schwingungszustandsüberwachung. Teil 2. Schulung und Zertifizierung.
• ISO 20816-1:2016 — Mechanische Schwingungen. Messung und Auswertung. Teil 1: Allgemeine Richtlinien.
• ISO 10816-3:2009 — Bewertung von Maschinenschwingungen. Teil 3: Industriemaschinen >15 kW.
• IEC 60034-14:2018 — Rotierende elektrische Maschinen. Teil 14: Mechanische Schwingungen.
• IEEE 43-2013 — Empfohlene Vorgehensweise zur Prüfung des Isolationswiderstands.
• IEEE 1415-2006 — Leitfaden für Wartungs- und Prüfungsarbeiten an Induktionsmaschinen.
• NEMA MG 1-2021 — Motoren und Generatoren. Schwingungsgrenzwerte und Prüfverfahren.
• ISO 1940-1:2003 — Anforderungen an die Auswuchtung von Rotoren.

10. Schlussfolgerung

1. 2×LF ist der primäre elektromagnetische Indikator. Ein deutlicher Peak bei genau der doppelten Versorgungsfrequenz deutet stark auf eine elektromagnetische Quelle hin. Der Test im stromlosen Zustand bestätigt dies.
2. Die Richtung ist wichtig. Radial 2×LF → Luftspalt / Wicklungen / Versorgung. Axial 2×LF + 1X → Verschiebung des elektromagnetischen Feldes — einer der zerstörerischsten Defekte.
3. Die Seitenbänder erzählen die Geschichte. ± ⅓×LF → Probleme mit der Versorgungsleitung. ± F_p → gebrochene Rotorstäbe. Das Seitenbandmuster ist oft aussagekräftiger als der Hauptpeak.
4. Die spektrale Auflösung ist entscheidend. Bei 2-poligen Motoren mit 50 Hz beträgt der Unterschied zwischen 2X und 2×LF nur etwa 2 Hz. Eine Auflösung von ≤ 0,5 Hz ist erforderlich.
5. Methoden kombinieren. Vibration + MCSA + MCA + Thermografie. Keine einzelne Methode deckt alle Defekte ab.
6. Sprechen Sie mit den Elektrikern. Die Mitarbeiter von Motorenreparaturwerkstätten besitzen unersetzliches Wissen über spezifische Motoren, deren Geschichte und die Versorgungslage.

Empfohlener Arbeitsablauf

Diagnostische SchritteMCSAÜberprüfung Befolgen Sie diese Abfolge systematisch. Der Test im ausgeschalteten Zustand (Schritt 2) dauert nur wenige Sekunden und unterscheidet zuverlässig zwischen elektrischer und mechanischer Fehlerquelle.

Moderne tragbare Zweikanal-Vibrometer wie z. B. das Balanset-1A Ermöglichen es den Außendiensttechnikern, spektrale Schwingungsanalysen mit der für die Motordefekterkennung erforderlichen Auflösung und Phasengenauigkeit durchzuführen – von der Erkennung ungleichmäßiger Luftspalte über die Kreuzphasenanalyse bis hin zur anschließenden Rotorwuchtung vor Ort.