ローターバーの欠陥を理解する
ローターバーの欠陥 — 別名「ローターバーの破損」または「ひび割れ」とも呼ばれる — は、かご形誘導電動機の導体バーに見られる破断、ひび割れ、または高抵抗の接続部を指す。 モーター 回転子。かご形回転子は、積層鉄心のスロットに埋め込まれたアルミニウムまたは銅の棒から構成されており、各棒の両端は一対の短絡リング（エンドリング）で接続されている。棒が破損したり、エンドリングの接合部に亀裂が入ったりすると、損傷した導体を通って電流がスムーズに流れなくなる。その結果、電磁的な非対称性が生じ、トルクが脈動し、非常に特徴的な 振動 および、以下に示す電流シグネチャ サイドバンド の間隔で配置されている。 ポール通過周波数 （極数 × すべり周波数）。
誘導電動機の故障のうち、ローターバーの破損が占める割合は推定10～15％とされている。これらが危険である理由は、まさにその破損が徐々に進行する性質にある。たった一つの 破損したローターバー 近隣の部品に過負荷をかけ、最初は1本の導体の亀裂に過ぎなかったものが、早期に発見されなければ、連鎖的に複数の断線や激しいトルク脈動を引き起こし、最終的にはローターの破損に至る恐れがあります。
1. ローターバーの欠陥の種類
この故障ファミリーにはいくつかの異なるメカニズムが含まれており、いずれも同様の方法でロータの電気的対称性を乱すものである：
- ローターバーの破損： 導体バーの完全な破断。通常、熱的および機械的応力が集中する端リング付近で発生する。破断は、ほとんどの場合、疲労亀裂として始まり、完全な断裂へと進行する。
- エンドリングのひび割れ： バー同士をつなぐショートリングに生じる亀裂で、その多くはバーとリングの接合部に発生します。その電気的影響は、バーの断線と同様です。大型の機械、頻繁に始動するモーター、および高慣性負荷の負荷において、より頻繁に発生します。
- 高抵抗接合部： 製造上の欠陥、熱サイクル、または腐食によって、バーとエンドリング間の電気的接続が不良になる。症状はバーの破損に似ているが、多くの場合断続的に発生し、完全な断裂に比べて兆候がより微妙である。
- ローターの気孔率： アルミダイカスト製ローターに生じる鋳造空隙は、導体の有効断面積を減少させる。気孔は製造上の欠陥であり、何年も潜伏した後に亀裂や破損へと進行する可能性がある。
2. ローターバーが破損する理由
バーの故障は、モーターの寿命を通じて相互に悪影響を及ぼし合う、熱的要因、機械的要因、製造上の要因、および運用上の要因が複合的に作用することによって引き起こされます。
熱応力
始動と停止を繰り返すたびに、ローターは膨張と収縮を繰り返します。アルミニウムは周囲の鉄心よりもはるかに大きく膨張するため、この膨張率の差によってバーが緩み、接合部に疲労が生じます。頻繁な始動は繰り返しの熱衝撃をもたらし、局所的に抵抗が高い箇所は熱が集中する「ホットスポット」となり、損傷を加速させます。
機械的応力
導体バーはまた、以下にも耐えなければならない 遠心力 （高速機械において顕著）、通常運転時の電磁力による脈動、および機械的衝撃を引き起こす始動時の大電流。外部 振動 駆動される負荷から伝わる力が、バーにさらなる疲労をもたらす。
製造上の欠陥および使用環境
鋳造時の気孔、バーとエンドリングの接合部の強度の低さ、材料中の介在物、および不適切な熱処理は、いずれも後々の故障の原因となります。実稼働においては、頻繁な始動、加速時間が長い高慣性負荷、極大電流を伴うローターロック現象、および単相運転（電源の1相が欠落した状態で運転すること）が最も深刻な要因となります。単相運転では、ケージに著しく非対称な電流パターンが流れてしまいます。
3. 振動と電流の特性
ローターバーの損傷を特徴づける診断上の所見は、回転速度付近に集中して現れる一連のサイドバンドである。
- 中央ピーク： 1× 走行速度 (fr)、通常の 運転速度 ライン。
- サイドバンド: fにおける対称なペアr ± FP, fr ± 2FP, fr ± 3FP, where FP は極通過周波数、つまり極数 × スリップ周波数 （通常は数 Hz）。
- パターン： 極通過間隔で等間隔かつ対称に現れるサイドバンドであり、 軸受欠陥、これらは欠陥の発生頻度付近に位置する。
すべり周波数と極通過周波数の計算
滑り周波数は、同期速度と実速度の差であり、ヘルツ（Hz）で表されます：fs = (N同期 - N実際の）/ 60 であり、サイドバンド間隔は極通過周波数 FP = poles × fs。4 極 60 Hz モーターが同期速度 1800 rpm、負荷時 1750 rpm で運転しているとします。このとき fs = (1800 − 1750) / 60 = 0.833 Hz, FP = 4 × 0.833 = 3.33 Hzであり、運転速度の線は29.17 Hzにあります。したがって側帯波は29.17 ± 3.33 Hz、つまり25.8 Hzおよび32.5 Hzに現れます。ある 高調波周波数計算機 そして モータースリップ計算機 現場で測定の設定を行う際、この変換作業をスムーズに行えるようにします。
負荷依存性
滑り（ひいては破損したバーを流れる電流）は負荷の増加に伴って大きくなるため、サイドバンドは負荷に敏感に反応します。無負荷時にはサイドバンドは最小限ですが、軽負荷下では現れ始め、全負荷時には最も強く現れ、診断が容易になります。実用上のルールは単純です。感度を最大限に高めるためには、常に疑わしいモーターを通常の運転負荷下で試験してください。
電流シグネチャ（MCSA）
モーター電流シグネチャ解析は、電気領域においても同様の物理的メカニズムを明らかにする。ここでは、サイドバンドが 電源周波数 運転速度ではなく、fで現れるライン ± 2·s·fライン。ここで s は単位量すべり — 同じ ±FP 振動と同じ間隔。2·s·f に起因しますライン = FP。上記の 4 極 60 Hz モーターでは（s = 50/1800 ≈ 2.8%）、サイドバンドは 56.7 Hz と 63.3 Hz に現れます。振幅は破断バーの本数とともに増加し、場合によっては MCSA が振動より早く故障を検出します。同じすべり関連の物理は、関連する ポール通過周波数 で使用される。 電気的故障 診断.
4. 検出、診断、および現場測定
卓越した回転速度ピークからわずか数 Hz しか離れていないサイドバンドを分離するには、高い周波数分解能が必要です。手順は次のとおりです:
- 予想されるパターンを計算する： 極数と電源周波数から同期速度を求め、実際の回転速度を測定し、すべり周波数と極通過周波数を計算します。
- 高解像度のスペクトルを取得する： 細かい FFT 分解能（約0.2 Hz以上）が必要であり、これにより、間隔の狭い側波帯が1×線からはっきりと分離される。A FFT分解能計算機 適切な行数と行間を選ぶのに役立ちます。
- サイドバンドを検索： 1× ± 極通過周波数とその倍数に対して、対称なピークを探します。
- 負荷をかけた状態でのテスト： モーターに通常の運転負荷がかかった状態でデータを取得する。
- パターンを確認してください： 診断を下す前に、サイドバンドが対称であり、適切な間隔で配置されていることを確認してください。
このような高分解能のスペクトル測定は、まさに バランセット-1A のために設計されています。モーター自身のベアリングで運転速度のまま測定し、回転速度ラインとその極通過サイドバンドを運転中の機械上で直接記録するため、分解せずに現場で破断バー診断を確認し、その深刻度を経時追跡できます。
重症度評価
広く用いられている経験則では、1×ピークに対するサイドバンドの高さによって重症度をランク付けする：
- 1×の40%未満のサイドバンド： ひび割れや破損したバーが1本ある可能性があるため、引き続き注意深く観察してください。
- 1×の40-60%： バーの破損が確認された場合は、交換の手配を行ってください。
- 1×の60%を超える： 複数のバーが破損している — 早急な交換が必要。
- 1×ピークよりも高いサイドバンド： 直ちに対処を要する深刻な状況。
5. 結果と経過
放置しておけば、単一の欠陥がそのままの状態で留まることはめったにありません。損傷は、明確な段階を経て進行していきます：
- 初期不良（1本）： わずかなトルクの脈動、微小なサイドバンドの発生、そして性能の低下はごくわずかです。モーターはこの状態で数ヶ月間稼働し続けることがあります。
- 段階的な破損（複数のバー）： 破損したバーを流れるはずだった電流が隣接するバーに流れ込み、それらを過熱させます。その結果、熱応力によってそれらのバーも破損してしまいます。トルクの脈動や振動が増大し、数週間のうちに1本から数本のバーが破損し、機械の性能が低下する可能性があります。
- 重篤な状態： 隣接する複数のバーが破損すると、激しいトルク脈動、激しい振動や騒音、およびローターの過熱を引き起こします。最終的にはローターが完全に破損し、二次的な被害が生じる現実的なリスクがあります。 ステーター 過大な循環電流による損傷。
6. 是正措置と予防措置
不具合が確認されたら、故障を待つのではなく、意図的に対処することが重要です：
- 検出時の対応： 監視間隔を短縮（月次から週次へ）し、MCSAを用いて診断を確認し、モーターまたはローターの交換を計画し、重要な業務用に予備品を確保し、そもそもバーが破損した原因を調査する。
- 修理のオプション 大型機械の場合、ローターの交換が最も確実な修理方法となります。小型機械の場合、モーター全体の交換が最も経済的な手段となることが多いです。専門業者であれば、アルミニウム製ローターの再鋳造が可能です。また、1本のバーが破損した程度であれば、厳重な監視下において、限定的な範囲で運転を継続できる場合があります。
- 防止： ソフトスターターや可変周波数ドライブを使用して頻繁な始動を最小限に抑え、単相運転を排除し、十分な換気と冷却を確保し、実際の稼働率に見合った定格のモーターを選定し、故障が拡大する前に早期発見・対応を行う。
ローターバー欠陥は、最も診断しやすいモーター故障のひとつであり、その特徴的な極通過サイドバンドにより、 振動診断 電流解析。早期に発見することで、潜在的な重大なローター故障や長期にわたる予期せぬダウンタイムを、計画的で管理可能な修理へと転換することができます。
