Comprensione dell'attrazione magnetica nei motori elettrici

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Equilibratore portatile e analizzatore di vibrazioni Balanset-1A

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Sensore di vibrazioni

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Sensore ottico (tachimetro laser)

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Standard magnetico Insize-60-kgf

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Nastro riflettente

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Bilanciatore dinamico "Balanset-1A" OEM

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Definizione: Che cos'è l'attrazione magnetica?

attrazione magnetica (chiamata anche attrazione magnetica sbilanciata o UMP) è una forza elettromagnetica radiale netta che si sviluppa nei motori elettrici e nei generatori quando il traferro tra rotore e statore non è uniforme. Quando il rotore è decentrato (eccentrico) nel foro dello statore, il traferro diventa più piccolo da un lato e più grande dal lato opposto. Poiché la forza magnetica è inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra i due lati, l'attrazione magnetica è molto più forte sul lato con il traferro più piccolo, creando una forza netta che tira il rotore verso quel lato.

L'attrazione magnetica crea vibrazione a una frequenza doppia rispetto a quella della rete elettrica (120 Hz per motori a 60 Hz, 100 Hz per motori a 50 Hz), può flettere significativamente il rotore, accelerare l'usura dei cuscinetti e, nei casi più gravi, portare a un contatto catastrofico tra rotore e statore. Rappresenta un accoppiamento tra eccentricità meccanica e forze elettromagnetiche che può creare un feedback positivo che porta a un guasto progressivo.

Meccanismo fisico

Traferro d'aria uniforme (condizione normale)

• Rotore centrato nel foro dello statore
• Intercapedine d'aria uguale su tutta la circonferenza (tipicamente 0,3-1,5 mm)
• Le forze magnetiche su tutti i lati si bilanciano e si annullano
• Forza radiale netta ≈ zero
• Vibrazione elettromagnetica minima

Traferro eccentrico (condizione UMP)

Quando il rotore è decentrato:

1. Asimmetria del gap: Un lato ha uno spazio più piccolo (ad esempio 0,5 mm), il lato opposto è più grande (ad esempio 1,0 mm)
2. Legge dell'inverso del quadrato: Forza magnetica ∝ 1/gap², quindi la forza sul lato con piccolo gap è molto più forte
3. Forza netta: Le forze sbilanciate non si annullano, creando una trazione netta verso il lato con piccolo spazio vuoto
4. Magnitudo: Può arrivare a centinaia o migliaia di libbre anche nei motori moderati
5. Direzione: Sempre verso il lato con lo spazio più piccolo

Perché una frequenza di linea doppia?

L'attrazione magnetica pulsa a una frequenza elettrica 2×:

• La corrente alternata trifase crea un campo magnetico rotante
• L'intensità del campo magnetico pulsa a una frequenza di linea pari a 2 volte quella dei sistemi trifase.
• Con il rotore eccentrico, questa pulsazione crea vibrazioni a 2×f
• Motore 60 Hz → vibrazione 120 Hz
• Motore 50 Hz → vibrazione 100 Hz

Cause di attrazione magnetica sbilanciata

Usura dei cuscinetti

• La causa più comune dello sviluppo di UMP
• Il gioco del cuscinetto consente al rotore di funzionare fuori centro
• La gravità tira il rotore verso il basso, riducendo il traferro inferiore
• L'UMP sposta ulteriormente il rotore dal centro
• Feedback positivo: UMP accelera l'usura dei cuscinetti

Tolleranze di fabbricazione

• Eccentricità del rotore: Rotore non perfettamente rotondo o non centrato sull'albero
• Eccentricità del foro dello statore: Foro dello statore non concentrico con le superfici di montaggio
• Errori di assemblaggio: Campane terminali non allineate, rotore armato durante il montaggio
• Accumulo delle tolleranze: Accumulo di piccoli errori che creano eccentricità misurabile

Cause operative

• Crescita termica: Espansione differenziale che influenza l'uniformità del traferro
• Distorsione del fotogramma: Telaio deformabile per piede zoppo o sollecitazione di montaggio
• Flessione dell'albero: Forze di carico o di accoppiamento che piegano l'albero
• Problemi di fondazione: Assestamento o deterioramento della posizione del motore di spostamento

Effetti e conseguenze

Effetti diretti

• Forza radiale sul rotore: Tirata continua verso un lato
• Sovraccarico del cuscinetto: Un cuscinetto trasporta un carico extra dovuto all'attrazione magnetica
• Vibrazione a 2×f: Componente di vibrazione elettromagnetica elevata
• Flessione dell'albero: La forza magnetica piega l'albero, peggiorando l'eccentricità

Meccanismo di guasto progressivo

L'UMP può creare un ciclo di guasti auto-rinforzante:

1. Eccentricità iniziale (dovuta all'usura dei cuscinetti o alla fabbricazione)
2. L'attrazione magnetica si sviluppa verso il lato con piccolo spazio vuoto
3. La forza devia ulteriormente il rotore, riducendo ulteriormente lo spazio
4. Maggiore attrazione magnetica grazie a uno spazio più piccolo
5. Usura accelerata dei cuscinetti sul lato caricato
6. Aumento dell'eccentricità e dell'attrazione magnetica
7. Eventuale contatto rotore-statore e guasto catastrofico

Danni secondari

• Guasto accelerato dei cuscinetti dovuto a carico asimmetrico
• Possibili sfregamenti rotore-statore che danneggiano entrambi i componenti
• Piegatura dell'albero o arco permanente
• Danni agli avvolgimenti dello statore causati da urti del rotore
• Perdita di efficienza dovuta a traferro non ottimale

Rilevamento e diagnosi

Firma di vibrazione

• Indicatore primario: Frequenza di linea elevata 2× (120 Hz o 100 Hz)
• Modello tipico: 2×f ampiezza > 30-50% di vibrazione a velocità di corsa 1×
• Conferma: Vibrazione a 2×f non proporzionale allo squilibrio meccanico
• Indipendenza dal carico: Ampiezza 2×f relativamente costante con il carico (a differenza delle sorgenti meccaniche)

Differenziazione da altre fonti 2×f

Fonte	Caratteristiche
Disallineamento	Velocità di corsa 2× (non frequenza di linea 2×); elevata vibrazione assiale
attrazione magnetica	2× frequenza di linea (120/100 Hz); origine elettromagnetica
Guasti dello statore	Frequenza di linea 2×; presente squilibrio di corrente
Risonanza del frame	2× frequenza di linea; vibrazione del telaio >> vibrazione del cuscinetto

Ulteriori test diagnostici

Misurazione del traferro

• Misurare lo spazio d'aria in più punti lungo la circonferenza (richiede lo smontaggio del motore)
• Un'eccentricità > 10% della distanza media indica un problema
• Documentare i valori minimi e massimi degli spazi vuoti

Analisi attuale

• Misurare le correnti di fase per l'equilibrio
• Lo squilibrio può accompagnare l'UMP
• Lo spettro mostra una componente di frequenza di linea 2×

Prova a vuoto

• Far funzionare il motore scollegato senza carico
• Se la vibrazione 2×f rimane elevata, indica una fonte elettromagnetica (guasto UMP o statore)
• Se 2×f scende in modo significativo, indica una fonte di disallineamento meccanico

Quantificazione della forza di trazione magnetica

Formula approssimativa

La forza UMP può essere stimata:

• F ∝ (eccentricità / gap) × potenza del motore
• La forza aumenta linearmente con l'eccentricità
• La forza aumenta notevolmente con spazi più piccoli
• I motori più grandi producono forze proporzionalmente maggiori

Magnitudo tipiche

• Motore da 10 CV, eccentricità 10%: ~50-100 libbre di forza
• Motore da 100 CV, eccentricità 20%: ~500-1000 libbre di forza
• Motore da 1000 CV, eccentricità 30%: ~5000-10.000 libbre di forza
• Impatto: Queste forze caricano in modo significativo i cuscinetti e possono flettere gli alberi

Metodi di correzione

Per eccentricità causata dal cuscinetto

• Sostituire i cuscinetti usurati per ripristinare il corretto centraggio del rotore
• Utilizzare cuscinetti con tolleranze più strette se l'eccentricità si ripete
• Verificare che la selezione dei cuscinetti sia adeguata ai carichi del motore, incluso l'UMP
• Controllare l'adattamento del cuscinetto sull'albero e nelle campane terminali

Per l'eccentricità della produzione

• Casi minori (< 10%): Accettare e monitorare se la vibrazione è accettabile
• Moderato (10-25%): Valutare la rettifica dello statore o la lavorazione del rotore
• Grave (> 25%): Sostituzione del motore o revisione importante richiesta
• Garanzia: L'eccentricità di fabbricazione può costituire un reclamo in garanzia sui nuovi motori

Per problemi di assemblaggio/installazione

• Verificare l'allineamento della campana terminale e la coppia dei bulloni
• Corretto piede zoppo condizioni
• Assicurarsi che il telaio non venga deformato dalle sollecitazioni di montaggio
• Controllare la tensione del tubo o le forze di accoppiamento che tirano il motore fuori posizione

Strategie di prevenzione

Progettazione e selezione

• Specificare motori con tolleranze di traferro ridotte per applicazioni critiche
• Seleziona motori di qualità da produttori affidabili
• Gli spazi d'aria più grandi riducono l'entità dell'UMP (ma riducono l'efficienza)
• Considerare la progettazione di cuscinetti magnetici per applicazioni estreme

Installazione

• Allineamento accurato durante l'installazione
• Verificare che il piede zoppo sia stato eliminato prima del serraggio finale
• Controllare la posizione assiale del rotore e il galleggiante
• Assicurarsi che le campane terminali siano correttamente allineate e serrate

Manutenzione

• Sostituire i cuscinetti prima che si sviluppi un'usura eccessiva
• Monitorare le tendenze delle vibrazioni della frequenza di linea 2×
• Periodico bilancia e verifica dell'allineamento
• Mantenere il motore pulito per evitare blocchi di raffreddamento che portano a distorsioni termiche

Considerazioni speciali

Grandi motori

• Le forze UMP possono essere enormi (tonnellate di forza)
• La selezione dei cuscinetti deve tenere conto dei carichi UMP
• I calcoli della flessione dell'albero dovrebbero includere UMP
• Il monitoraggio del traferro può essere incorporato nei grandi motori critici

Motori ad alta velocità

• Le forze centrifughe si combinano con l'UMP
• Potenziale di instabilità se l'UMP è troppo grande
• Tolleranze strette del traferro critiche

Motori verticali

• La gravità non centra il rotore come nei motori orizzontali
• L'UMP può tirare il rotore da qualsiasi lato
• Il cuscinetto reggispinta deve essere adeguato al peso del rotore più qualsiasi componente assiale UMP

Relazione con altri problemi motori

UMP ed eccentricità del rotore

• Eccentricità causa UMP
• L'UMP può peggiorare l'eccentricità (feedback positivo)
• Entrambi creano vibrazioni ma a frequenze diverse (1× vs. 2×f)

Guasti UMP e statore

• Entrambi producono vibrazioni a frequenza di linea 2×
• Guasti allo statore mostrano anche lo squilibrio attuale
• UMP da eccentricità senza squilibrio di corrente
• Possono coesistere: guasto dello statore ED eccentricità

UMP e durata dei cuscinetti

• L'UMP aumenta i carichi radiali dei cuscinetti
• Riduce la durata del cuscinetto (durata ∝ 1/carico³)
• Crea un'usura asimmetrica dei cuscinetti
• Un cuscinetto potrebbe guastarsi prematuramente mentre altri sono accettabili

L'attrazione magnetica rappresenta un importante accoppiamento tra fenomeni meccanici ed elettromagnetici nei motori elettrici. Comprendere l'UMP come fonte di vibrazioni a frequenza di linea 2x, la sua relazione con l'eccentricità del traferro e il suo potenziale di causare guasti progressivi dovuti al sovraccarico dei cuscinetti consente una diagnosi e una correzione adeguate di questa condizione specifica del motore.

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