Qu'est-ce que l'attraction magnétique ? Force magnétique déséquilibrée dans les moteurs • Équilibreur portable, analyseur de vibrations " Balanset " pour l'équilibrage dynamique des concasseurs, ventilateurs, broyeurs, vis sans fin de moissonneuses-batteuses, arbres, centrifugeuses, turbines et de nombreux autres rotors. Qu'est-ce que l'attraction magnétique ? Force magnétique déséquilibrée dans les moteurs • Équilibreur portable, analyseur de vibrations " Balanset " pour l'équilibrage dynamique des concasseurs, ventilateurs, broyeurs, vis sans fin de moissonneuses-batteuses, arbres, centrifugeuses, turbines et de nombreux autres rotors.

Qu'est-ce que l'attraction magnétique ? Force magnétique déséquilibrée dans les moteurs

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Comprendre l'attraction magnétique dans les moteurs électriques

Définition : Qu'est-ce que l'attraction magnétique ?

attraction magnétique (également appelée attraction magnétique déséquilibrée ou UMP) est une force électromagnétique radiale nette qui se développe dans les moteurs et générateurs électriques lorsque l'entrefer entre le rotor et le stator n'est pas uniforme. Lorsque le rotor est décentré (excentré) dans l'alésage du stator, l'entrefer diminue d'un côté et augmente de l'autre. La force magnétique étant inversement proportionnelle au carré de l'entrefer, l'attraction magnétique est beaucoup plus forte du côté où l'entrefer est le plus faible, créant une force nette tirant le rotor vers ce côté.

L'attraction magnétique crée vibration À deux fois la fréquence du réseau électrique (120 Hz pour les moteurs 60 Hz, 100 Hz pour les moteurs 50 Hz), le rotor peut être dévié de manière significative, l'usure accélérée des roulements peut être accélérée et, dans les cas les plus graves, entraîner un contact rotor-stator catastrophique. Il s'agit d'un couplage entre l'excentricité mécanique et les forces électromagnétiques, susceptible de créer une rétroaction positive conduisant à une défaillance progressive.

Mécanisme physique

Entrefer uniforme (condition normale)

  • Rotor centré dans l'alésage du stator
  • Entrefer égal sur toute la circonférence (généralement 0,3 à 1,5 mm)
  • Les forces magnétiques de tous côtés s'équilibrent et s'annulent
  • Force radiale nette ≈ zéro
  • Vibration électromagnétique minimale

Entrefer excentrique (condition UMP)

Lorsque le rotor est décentré :

  1. Asymétrie de l'écart : Un côté a un espace plus petit (par exemple, 0,5 mm), le côté opposé est plus grand (par exemple, 1,0 mm)
  2. Loi du carré inverse : Force magnétique ∝ 1/gap², donc force du côté du petit gap beaucoup plus forte
  3. Force nette : Les forces déséquilibrées ne s'annulent pas, créant une traction nette vers le côté du petit écart
  4. Ampleur: Peut peser des centaines à des milliers de livres, même dans des moteurs de puissance moyenne.
  5. Direction: Toujours vers le côté avec le plus petit écart

Pourquoi 2× fréquence de ligne ?

L'attraction magnétique pulse à une fréquence électrique 2× :

  • Le courant alternatif triphasé crée un champ magnétique rotatif
  • L'intensité du champ magnétique pulse à une fréquence de ligne 2× (inhérente aux systèmes triphasés)
  • Avec un rotor excentrique, cette pulsation crée une vibration à 2×f
  • Moteur 60 Hz → Vibration 120 Hz
  • Moteur 50 Hz → Vibration 100 Hz

Causes d'une attraction magnétique déséquilibrée

Usure des roulements

  • Cause la plus fréquente du développement de l'UMP
  • Le jeu des roulements permet au rotor de fonctionner de manière décentrée
  • La gravité tire le rotor vers le bas, réduisant ainsi l'entrefer inférieur
  • L'UMP décentre encore plus le rotor
  • Retour positif : l'UMP accélère l'usure des roulements

Tolérances de fabrication

  • Excentricité du rotor : Rotor pas parfaitement rond ou pas centré sur l'arbre
  • Excentricité de l'alésage du stator : L'alésage du stator n'est pas concentrique avec les surfaces de montage
  • Erreurs d'assemblage : Cloisons d'extrémité non alignées, rotor armé lors du montage
  • Cumul des tolérances : Accumulation de petites erreurs créant une excentricité mesurable

Causes opérationnelles

  • Croissance thermique : Dilatation différentielle affectant l'uniformité de l'entrefer
  • Distorsion de l'image : Pied mou ou cadre de déformation sous contrainte de montage
  • Déviation de l'arbre : Charge ou forces d'accouplement pliant l'arbre
  • Problèmes de fondation : Dégradation ou détérioration de la position du moteur de changement de vitesse

Effets et conséquences

Effets directs

  • Force radiale sur le rotor : Traction continue vers un côté
  • Surcharge du roulement : Un roulement supporte une charge supplémentaire due à l'attraction magnétique
  • Vibration à 2×f : Composante de vibration électromagnétique élevée
  • Déviation de l'arbre : La force magnétique plie l'arbre, aggravant l'excentricité

Mécanisme de défaillance progressive

L’UMP peut créer un cycle d’échec auto-entretenu :

  1. Excentricité initiale (due à l'usure du roulement ou à la fabrication)
  2. L'attraction magnétique se développe vers le côté à petite distance
  3. La force dévie davantage le rotor, réduisant ainsi davantage l'écartement
  4. Une attraction magnétique plus forte grâce à un espace plus petit
  5. Usure accélérée des roulements côté chargé
  6. Augmentation de l'excentricité et de l'attraction magnétique
  7. Contact rotor-stator éventuel et défaillance catastrophique

Dommages secondaires

  • Défaillance accélérée des roulements due à une charge asymétrique
  • Possibles frottements rotor-stator endommageant les deux composants
  • Cintrage de l'arbre ou arc permanent
  • Dommages aux enroulements du stator causés par des chocs au rotor
  • Perte d'efficacité due à un entrefer non optimal

Détection et diagnostic

Signature vibratoire

  • Indicateur principal : Fréquence de ligne 2× élevée (120 Hz ou 100 Hz)
  • Modèle typique : amplitude 2×f > 30-50% de vibration à 1× vitesse de fonctionnement
  • Confirmation: Vibration à 2×f non proportionnelle au déséquilibre mécanique
  • Indépendance de charge : amplitude 2×f relativement constante avec la charge (contrairement aux sources mécaniques)

Différenciation par rapport aux autres sources 2×f

Source Caractéristiques
Désalignement Vitesse de fonctionnement 2× (et non 2× fréquence de ligne) ; vibrations axiales élevées
attraction magnétique 2× fréquence de ligne (120/100 Hz) ; origine électromagnétique
Défauts de stator 2× fréquence de ligne ; déséquilibre de courant présent
Résonance du cadre Fréquence de ligne 2× ; vibration du châssis >> vibration du roulement

Tests de diagnostic supplémentaires

Mesure de l'entrefer

  • Mesurer l'entrefer à plusieurs endroits autour de la circonférence (nécessite le démontage du moteur)
  • Une excentricité > 10% de l'écart moyen indique un problème
  • Documenter les valeurs d'écart minimum et maximum

Analyse actuelle

  • Mesurer les courants de phase pour l'équilibre
  • Un déséquilibre peut accompagner l'UMP
  • Le spectre montre une composante de fréquence de ligne 2×

Essai à vide

  • Faire fonctionner le moteur découplé à vide
  • Si la vibration 2×f reste élevée, cela indique une source électromagnétique (UMP ou défaut du stator)
  • Si 2×f chute de manière significative, cela indique une source de désalignement mécanique

Quantification de la force d'attraction magnétique

Formule approximative

La force UMP peut être estimée :

  • F ∝ (excentricité / écart) × puissance du moteur
  • La force augmente linéairement avec l'excentricité
  • La force augmente considérablement avec des écarts plus petits
  • Les moteurs plus gros produisent des forces proportionnellement plus grandes

Magnitudes typiques

  • Moteur 10 CV, excentricité 10% : ~50-100 lb de force
  • Moteur 100 CV, excentricité 20% : ~500-1000 lb de force
  • Moteur 1000 CV, excentricité 30% : ~5000-10 000 lb de force
  • Impact: Ces forces sollicitent considérablement les roulements et peuvent dévier les arbres

Méthodes de correction

Pour l'excentricité causée par le roulement

  • Remplacer les roulements usés pour rétablir le centrage correct du rotor
  • Utiliser des roulements avec des tolérances plus serrées si l'excentricité se reproduit
  • Vérifiez que la sélection des roulements est adaptée aux charges du moteur, y compris l'UMP
  • Vérifier l'ajustement du roulement sur l'arbre et dans les cloches d'extrémité

Pour l'excentricité de fabrication

  • Cas mineurs (< 10%): Accepter et surveiller si les vibrations sont acceptables
  • Modéré (10-25%) : Envisager le réalésage du stator ou l'usinage du rotor
  • Sévère (> 25%) : Remplacement du moteur ou révision majeure requise
  • Garantie : L'excentricité de fabrication peut faire l'objet d'une réclamation sous garantie sur les nouveaux moteurs

Pour les problèmes d'assemblage/d'installation

  • Vérifier l'alignement de la cloche d'extrémité et le couple de serrage des boulons
  • Correct pied mou conditions
  • Assurez-vous que le cadre n'est pas déformé par les contraintes de montage
  • Vérifiez la tension du tuyau ou les forces d'accouplement qui tirent le moteur hors de sa position

Stratégies de prévention

Conception et sélection

  • Spécifiez des moteurs avec des tolérances d'entrefer serrées pour les applications critiques
  • Sélectionnez des moteurs de qualité auprès de fabricants réputés
  • Des entrefers plus grands réduisent l'amplitude de l'UMP (mais réduisent l'efficacité)
  • Envisager des conceptions de paliers magnétiques pour des applications extrêmes

Installation

  • Alignement minutieux lors de l'installation
  • Vérifier que le pied mou a été éliminé avant le montage final
  • Vérifier la position axiale du rotor et le flotteur
  • Assurez-vous que les cloches d'extrémité sont correctement alignées et serrées

Entretien

  • Remplacez les roulements avant qu'une usure excessive ne se développe
  • Surveiller les tendances des vibrations de fréquence de ligne 2×
  • Périodique équilibre et vérification de l'alignement
  • Maintenez le moteur propre pour éviter les blocages de refroidissement entraînant une distorsion thermique

Considérations particulières

Gros moteurs

  • Les forces UMP peuvent être énormes (des tonnes de force)
  • La sélection des roulements doit tenir compte des charges UMP
  • Les calculs de déflexion de l'arbre doivent inclure l'UMP
  • La surveillance de l'entrefer peut être intégrée dans les grands moteurs critiques

Moteurs à grande vitesse

  • Les forces centrifuges se combinent avec l'UMP
  • Potentiel d'instabilité si l'UMP est trop grande
  • Des tolérances d'entrefer serrées sont essentielles

Moteurs verticaux

  • La gravité ne centre pas le rotor comme dans les moteurs horizontaux
  • L'UMP peut tirer le rotor vers n'importe quel côté
  • Le palier de butée doit être adapté au poids du rotor plus tout composant axial UMP

Relation avec d'autres problèmes moteurs

UMP et excentricité du rotor

  • Excentricité provoque l'UMP
  • L'UMP peut aggraver l'excentricité (rétroaction positive)
  • Les deux créent des vibrations mais à des fréquences différentes (1× contre 2×f)

Défauts UMP et stator

  • Les deux produisent une vibration de fréquence de ligne 2×
  • Défauts de stator montrent également le déséquilibre actuel
  • UMP d'excentricité sans déséquilibre de courant
  • Peut coexister : défaut du stator ET excentricité

UMP et durée de vie des roulements

  • L'UMP s'ajoute aux charges radiales supportées
  • Réduit la durée de vie du roulement (Durée de vie ∝ 1/Charge³)
  • Crée une usure asymétrique des roulements
  • Un roulement peut tomber en panne prématurément tandis que d'autres peuvent être acceptables.

L'attraction magnétique représente un lien important entre les phénomènes mécaniques et électromagnétiques dans les moteurs électriques. Comprendre l'UMP comme source de vibrations à fréquence de ligne 2×, sa relation avec l'excentricité de l'entrefer et son potentiel de défaillance progressive par surcharge des roulements permet de diagnostiquer et de corriger correctement cette condition spécifique au moteur.

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