¿Qué es la fuerza magnética? Fuerza magnética desequilibrada en motores • Equilibrador portátil, analizador de vibraciones "Balanset" para el equilibrado dinámico de trituradoras, ventiladores, mulcheras, sinfines de cosechadoras, ejes, centrífugas, turbinas y muchos otros rotores. ¿Qué es la fuerza magnética? Fuerza magnética desequilibrada en motores • Equilibrador portátil, analizador de vibraciones "Balanset" para el equilibrado dinámico de trituradoras, ventiladores, mulcheras, sinfines de cosechadoras, ejes, centrífugas, turbinas y muchos otros rotores.

¿Qué es la fuerza magnética? Fuerza magnética desequilibrada en los motores

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Comprensión de la fuerza magnética en los motores eléctricos

Definición: ¿Qué es la atracción magnética?

atracción magnética La fuerza electromagnética radial neta (también llamada fuerza desequilibrada o UMP) se desarrolla en motores y generadores eléctricos cuando el entrehierro entre el rotor y el estátor no es uniforme. Cuando el rotor está descentrado (excéntrico) en el alojamiento del estátor, el entrehierro se reduce en un lado y aumenta en el opuesto. Dado que la fuerza magnética es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia del entrehierro, la atracción magnética es mucho mayor en el lado con el entrehierro más pequeño, creando una fuerza neta que tira del rotor hacia ese lado.

La atracción magnética crea vibración Una frecuencia que duplica la frecuencia de la línea eléctrica (120 Hz para motores de 60 Hz, 100 Hz para motores de 50 Hz) puede deformar significativamente el rotor, acelerar el desgaste de los cojinetes y, en casos extremos, provocar un contacto catastrófico entre el rotor y el estátor. Esto representa un acoplamiento entre la excentricidad mecánica y las fuerzas electromagnéticas que puede generar una retroalimentación positiva que conduce a una falla progresiva.

Mecanismo físico

Espacio de aire uniforme (condición normal)

  • Rotor centrado en el orificio del estátor
  • Espacio de aire uniforme en toda la circunferencia (normalmente de 0,3 a 1,5 mm).
  • Las fuerzas magnéticas en todos los lados se equilibran y se cancelan.
  • Fuerza radial neta ≈ cero
  • Vibración electromagnética mínima

Entrehierro excéntrico (condición UMP)

Cuando el rotor está descentrado:

  1. Asimetría de la brecha: Un lado tiene una separación menor (por ejemplo, 0,5 mm), el lado opuesto tiene una separación mayor (por ejemplo, 1,0 mm).
  2. Ley del inverso del cuadrado: La fuerza magnética es proporcional a 1/espacio², por lo que la fuerza en el lado del espacio pequeño es mucho mayor.
  3. Fuerza neta: Las fuerzas desequilibradas no se anulan, creando una atracción neta hacia el lado del espacio pequeño.
  4. Magnitud: Puede costar desde cientos hasta miles de libras incluso en motores de gama media.
  5. Dirección: Siempre hacia el lado con la abertura más pequeña.

¿Por qué 2× Frecuencia de línea?

La atracción magnética pulsa al doble de la frecuencia eléctrica:

  • La corriente alterna trifásica crea un campo magnético rotatorio.
  • La intensidad del campo magnético pulsa al doble de la frecuencia de la línea (inherente a los sistemas trifásicos).
  • Con un rotor excéntrico, esta pulsación crea una vibración a 2×f
  • Motor de 60 Hz → vibración de 120 Hz
  • Motor de 50 Hz → vibración de 100 Hz

Causas de una fuerza magnética desequilibrada

Desgaste de los cojinetes

  • Causa más común del desarrollo de UMP
  • La holgura de los cojinetes permite que el rotor funcione descentrado.
  • La gravedad tira del rotor hacia abajo, reduciendo el espacio de aire inferior.
  • UMP descentra aún más el rotor.
  • Comentarios positivos: UMP acelera el desgaste de los rodamientos

Tolerancias de fabricación

  • Excentricidad del rotor: El rotor no es perfectamente redondo o no está centrado en el eje.
  • Excentricidad del orificio del estátor: El orificio del estátor no es concéntrico con las superficies de montaje.
  • Errores de ensamblaje: Las tapas de los extremos no están alineadas; el rotor quedó torcido durante el montaje.
  • Comparación de tolerancias: Acumulación de pequeños errores que crean una excentricidad medible

Causas operacionales

  • Crecimiento térmico: Expansión diferencial que afecta la uniformidad del espacio de aire
  • Distorsión del marco: Marco de deformación por tensión de montaje o pie cojo
  • Deflexión del eje: Las fuerzas de carga o acoplamiento doblan el eje.
  • Cuestiones fundamentales: Posición del motor de asentamiento o deterioro

Efectos y consecuencias

Efectos directos

  • Fuerza radial sobre el rotor: Tirón continuo hacia un lado
  • Sobrecarga del cojinete: Un rodamiento soporta una carga adicional debido a la atracción magnética.
  • Vibración a 2×f: Componente de vibración electromagnética elevada
  • Deflexión del eje: La fuerza magnética dobla el eje, empeorando la excentricidad.

Mecanismo de falla progresiva

UMP puede crear un ciclo de fallos que se refuerza a sí mismo:

  1. Excentricidad inicial (debida al desgaste del rodamiento o a la fabricación)
  2. La atracción magnética se desarrolla hacia el lado del espacio pequeño.
  3. La fuerza desvía aún más el rotor, reduciendo la separación.
  4. Mayor atracción magnética debido a una menor separación
  5. Desgaste acelerado del cojinete en el lado cargado
  6. Aumento de la excentricidad y la atracción magnética
  7. Contacto eventual entre el rotor y el estátor y fallo catastrófico

Daño secundario

  • Fallo acelerado de los rodamientos debido a una carga asimétrica
  • Posibles roces entre el rotor y el estátor que podrían dañar ambos componentes
  • Curvatura del eje o arco permanente
  • Daños en el devanado del estátor por impactos del rotor
  • Pérdida de eficiencia por entrehierro no óptimo

Detección y diagnóstico

Firma de vibración

  • Indicador principal: Frecuencia de línea elevada al doble (120 Hz o 100 Hz)
  • Patrón típico: Amplitud 2×f > 30-50% de vibración a 1× velocidad de funcionamiento
  • Confirmación: La vibración a 2×f no es proporcional al desequilibrio mecánico.
  • Independencia de carga: Amplitud 2×f relativamente constante con la carga (a diferencia de las fuentes mecánicas)

Diferenciación de otras fuentes 2×f

Fuente Características
Desalineación 2× velocidad de funcionamiento (no 2× frecuencia de línea); alta vibración axial
Atracción magnética 2× frecuencia de línea (120/100 Hz); origen electromagnético
Fallas del estátor Frecuencia de línea doble; desequilibrio actual presente
Resonancia del marco Frecuencia de línea 2×; vibración del bastidor >> vibración del rodamiento

Pruebas de diagnóstico adicionales

Medición del entrehierro

  • Medir la holgura de aire en varios puntos alrededor de la circunferencia (requiere desmontar el motor).
  • Una excentricidad superior a 10% en la separación promedio indica un problema.
  • Valores mínimos y máximos de la brecha del documento

Análisis actual

  • Medir las corrientes de fase para comprobar el equilibrio
  • El desequilibrio puede acompañar al UMP
  • El espectro muestra el doble de la componente de frecuencia de línea.

Prueba sin carga

  • Haga funcionar el motor desacoplado sin carga.
  • Si la vibración 2×f se mantiene alta, indica una fuente electromagnética (falla en la bomba de alta presión o en el estátor).
  • Si 2×f disminuye significativamente, indica una fuente de desalineación mecánica.

Cuantificación de la fuerza de atracción magnética

Fórmula aproximada

La fuerza UMP se puede estimar:

  • F ∝ (excentricidad / separación) × potencia del motor
  • La fuerza aumenta linealmente con la excentricidad.
  • La fuerza aumenta drásticamente con espacios más pequeños.
  • Los motores más grandes producen fuerzas proporcionalmente mayores.

Magnitudes típicas

  • Motor de 10 HP, excentricidad 10%: Fuerza de aproximadamente 50 a 100 libras
  • Motor de 100 CV, excentricidad 20%: Fuerza de aproximadamente 500 a 1000 libras
  • Motor de 1000 CV, excentricidad 30%: Fuerza de entre 5000 y 10 000 libras
  • Impacto: Estas fuerzas someten a los cojinetes a una carga significativa y pueden desviar los ejes.

Métodos de corrección

Para la excentricidad causada por el rodamiento

  • Reemplace los cojinetes desgastados para restablecer el centrado adecuado del rotor.
  • Utilice rodamientos con tolerancias más ajustadas si la excentricidad es recurrente.
  • Verifique que la selección de rodamientos sea adecuada para las cargas del motor, incluido el UMP.
  • Comprobar el ajuste de los rodamientos en el eje y en las tapas de los extremos.

Para la excentricidad de fabricación

  • Casos menores (< 10%): Aceptar y supervisar si la vibración es aceptable
  • Moderado (10-25%): Considere el rectificado del estátor o el mecanizado del rotor.
  • Grave (> 25%): Se requiere reemplazo del motor o una reparación importante
  • Garantía: Las excentricidades de fabricación pueden dar lugar a una reclamación de garantía en motores nuevos.

Para problemas de montaje/instalación

  • Verifique la alineación de la campana del extremo y el par de apriete de los pernos.
  • Correcto pie cojo condiciones
  • Asegúrese de que el marco no se deforme debido a las tensiones de montaje.
  • Compruebe si hay tensión en la tubería o fuerzas de acoplamiento que estén sacando el motor de su posición.

Estrategias de prevención

Diseño y selección

  • Para aplicaciones críticas, especifique motores con tolerancias de entrehierro ajustadas.
  • Seleccione motores de calidad de fabricantes de renombre.
  • Los espacios de aire más grandes reducen la magnitud de la UMP (pero reducen la eficiencia).
  • Considere diseños de cojinetes magnéticos para aplicaciones extremas.

Instalación

  • Alineación cuidadosa durante la instalación
  • Verifique que se haya eliminado el punto blando antes del atornillado final.
  • Comprobar la posición axial y la flotación del rotor
  • Asegúrese de que las tapas de los extremos estén correctamente alineadas y apretadas con el par de apriete adecuado.

Mantenimiento

  • Reemplace los rodamientos antes de que se produzca un desgaste excesivo.
  • Monitorear las tendencias de vibración de frecuencia de línea 2×
  • Periódico balance y verificación de alineación
  • Mantenga el motor limpio para evitar obstrucciones en el sistema de refrigeración que puedan provocar deformaciones térmicas.

Consideraciones especiales

Motores grandes

  • Las fuerzas UMP pueden ser enormes (toneladas de fuerza).
  • La selección de rodamientos debe tener en cuenta las cargas UMP.
  • Los cálculos de deflexión del eje deben incluir el UMP.
  • La monitorización del entrehierro puede incorporarse en motores críticos de gran tamaño.

Motores de alta velocidad

  • Las fuerzas centrífugas se combinan con UMP
  • Potencial de inestabilidad si la UMP es demasiado grande
  • Tolerancias de espacio de aire ajustadas críticas

Motores verticales

  • La gravedad no centra el rotor como en los motores horizontales.
  • UMP puede desplazar el rotor hacia cualquier lado.
  • El cojinete de empuje debe ser adecuado para el peso del rotor más cualquier componente axial de la UMP.

Relación con otros problemas motores

UMP y excentricidad del rotor

  • Excentricidad causa UMP
  • La UMP puede empeorar la excentricidad (retroalimentación positiva).
  • Ambos generan vibración pero a frecuencias diferentes (1× frente a 2×f).

Fallas en el UMP y el estátor

  • Ambos producen una vibración de frecuencia 2×.
  • fallas del estátor También muestran el desequilibrio actual
  • UMP por excentricidad sin desequilibrio de corriente
  • Pueden coexistir: fallo del estátor Y excentricidad

UMP y vida útil de los rodamientos

  • UMP aumenta las cargas radiales del rodamiento.
  • Reduce la vida útil del rodamiento (Vida útil ∝ 1/Carga³)
  • Crea un desgaste asimétrico de los cojinetes
  • Un rodamiento puede fallar prematuramente mientras que otros son aceptables

La fuerza magnética representa un acoplamiento importante entre los fenómenos mecánicos y electromagnéticos en los motores eléctricos. Comprender la fuerza magnética uniaxial (UMP) como la fuente de vibraciones a dos veces la frecuencia de línea, su relación con la excentricidad del entrehierro y su potencial para generar fallas progresivas por sobrecarga de los rodamientos permite un diagnóstico y corrección adecuados de esta condición específica del motor.

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