Inzicht in defecten aan elektromotoren
Motordefecten zijn de storingen en defecten die zich voordoen in elektromotoren — variërend van puur mechanische problemen (lagerdefecten, contact tussen rotor en stator, asproblemen), elektromagnetische problemen (gebroken rotorstaven, defecten in de statorwikkeling, onregelmatigheden in de luchtspleet) tot gecombineerde elektromechanische problemen waarbij het ene het andere veroorzaakt. Elke categorie defecten drukt een kenmerkend stempel op de machine’s trillingen en hun elektrische eigenschappen, zodat ze kunnen worden gedetecteerd via trillingsanalyse, analyse van de stroomkarakteristiek van de motor (MCSA) en warmtebeeldmetingen, lang voordat de motor daadwerkelijk defect raakt.
Elektromotoren behoren tot de meest voorkomende machines in elke industriële omgeving, en storingen hieraan zijn verantwoordelijk voor een groot deel van de ongeplande stilstand en onderhoudskosten. Door inzicht te hebben in de specifieke storingspatronen van motoren – en de frequenties waarmee deze zich voordoen – kan een betrouwbaarheidsteam overschakelen van reactieve vervanging naar geplande ingrepen, waardoor catastrofale storingen worden voorkomen en elke aandrijving optimaal wordt benut.
1. De drie categorieën motorische stoornissen
Het is handig om motorproblemen in drie categorieën in te delen: defecten die bij alle roterende machines voorkomen, defecten die specifiek zijn voor elektromagnetische systemen, en de hybride gevallen waarin beide aspecten samenkomen.
Mechanische defecten (die bij alle roterende machines voorkomen)
- Onbalans: asymmetrie in de rotormassa, wat leidt tot een dominante 1× rijsnelheid trilling.
- Lagerdefecten: de meest voorkomende motorstoring, die verantwoordelijk is voor ongeveer de helft van alle storingen.
- Verkeerde uitlijning: koppelingsfout tussen motor en belasting, klassiek gezien een sterke 2×-component.
- Mechanische losheid: loszittende montagevoeten, eindkappen of rotoronderdelen, wat vaak een reeks harmonischen veroorzaakt.
- Asproblemen: A gebogen as of gebarsten rotor waardoor het draaiende geheel doorbuigt.
Elektromagnetische defecten (motorspecifiek)
Dit zijn de defecten die een versnellingsbak of pomp nooit vertoont — ze zitten verborgen in de rotorkooi, de statorwikkeling en de magnetische luchtspleet daartussen.
- Elektrische defecten aan de rotor: gebroken rotorstaven (gebroken geleiderstrips in kooirotoren, ongeveer 10–15% van de storingen), gebarsten eindringen (breuken in de kortsluitringen die de strips met elkaar verbinden), porositeit van de rotor (gietholtes die de elektrische eigenschappen beïnvloeden) en verbindingen met hoge weerstand tussen de strips en de eindringen.
- Elektrische defecten aan de stator: isolatiebreuken in de wikkelingen, kortsluitingen tussen windingen en fase-naar-fase-fouten (30–40% van de storingen), aardfouten waarbij de isolatie naar het frame toe defect raakt, en schade aan de spoelen als gevolg van thermische degradatie, mechanische belasting of vervuiling.
- Air-gap issues: an excentrische rotor waardoor er door fabricage of slijtage een ongelijkmatige speling ontstaat, wrijvend op contact tussen rotor en stator als gevolg van lagerstoringen of verkeerde uitlijning, en magnetische aantrekkingskracht — een onevenwichtige magnetische kracht die voortkomt uit asymmetrie in de spleet.
Gecombineerde elektromechanische defecten
- Thermische problemen: oververhitting door overbelasting, slechte ventilatie of een onderliggend elektrisch defect.
- Ventilatieproblemen: verstopte of beschadigde koelventilatoren waardoor de wikkelingen oververhit raken.
- Koppeling tussen domeinen: elektrische storingen die mechanische trillingen veroorzaken, en mechanische storingen die het magnetische circuit verstoren — waarbij de ene de andere versterkt.
2. Trillingspatronen van de belangrijkste breuken
De kracht van trillingsdiagnostiek bij motoren ligt in het feit dat elektromagnetische storingen zich voordoen bij voorspelbare, netfrequentie-gerelateerde frequenties, in plaats van bij eenvoudige veelvouden van het toerental. De netfrequentie, het aantal palen en de slipfrequentie samen bepalen waar de diagnostische pieken liggen.
Gebroken rotorstangen
Een van de belangrijkste motorspecifieke afwijkingen, en een schoolvoorbeeld van zijband analyse:
- Frequentie: zijbanden die de loopsnelheid overspannen met een tussenruimte van ±(slipfrequentie) — een 1× ± fs patroon, waarbij fs bedraagt bij een motor van 60 Hz doorgaans 1–3 Hz.
- Amplitudemodulatie: De stroom en het koppel pulseren met een frequentie die twee keer zo hoog is als de slipfrequentie.
- Belastingafhankelijkheid: De zijbanden worden sterker zichtbaar bij belasting, dus de motor moet onder belasting staan wanneer u de meting uitvoert.
- Progressie: de amplitude van de zijband neemt toe naarmate er meer balken breken, waardoor het defect een goede kandidaat is voor trending.
Statorproblemen
- Frequentie: een dominante piek op het dubbele van de netfrequentie — 120 Hz bij een netfrequentie van 60 Hz, 100 Hz bij een netfrequentie van 50 Hz.
- Oorzaak: magnetische asymmetrie veroorzaakt door breuken in de aardkorst.
- Aanvullend: er kunnen ook harmonischen van de netfrequentie optreden.
- Elektromagnetische ruis: vaak gaat de trilling gepaard met een hoorbaar zoemgeluid met een frequentie die twee keer zo hoog is als de netfrequentie.
Excentrische rotor (variatie in luchtspleet)
- Frequenties: de frequentie van de paalpassage en de boventonen daarvan.
- Patroon: (aantal polen × loopsnelheid) ± loopsnelheid.
- Magnetische onbalans: een ongelijkmatige speling veroorzaakt radiale trillingen, zelfs als de rotor mechanisch goed is uitgebalanceerd.
- Gecombineerd effect: zowel een mechanische bijdrage (de excentriciteit zelf) als een elektromagnetische (de variërende magnetische weerstand rond de spleet).
3. Detectiemethoden
Geen enkele techniek kan alle motorstoringen opsporen. De beste programma’s combineren verschillende methoden, zodat een defect dat door de ene methode over het hoofd wordt gezien, door een andere wordt gesignaleerd.
Trillingsanalyse
- Standaard FFT: an FFT spectrum lost zowel mechanische defecten als de elektromagnetische netfrequenties op.
- Zijbandanalyse: van cruciaal belang voor het opsporen van problemen met de rotorstaven en de luchtspleet, die verborgen zitten in de flanken van de 1×-piek.
- Frequenties van lagers: envelopanalyse haalt al vroeg naar voren lagerfoutfrequenties verborgen achter sterkere onderdelen.
- Trending: Door de amplitudes in de loop van de tijd te volgen, komt een fout aan het licht die zich langzaam ontwikkelt.
Motorstroomsignatuuranalyse (MCSA)
- Analyseert het frequentiespectrum van de netspanning van de motor in plaats van de trillingen ervan.
- Detecteert elektrische storingen zonder dat er ook maar één trillingssensor op de machine is gemonteerd.
- Bijzonder effectief bij storingen in de rotor- en statorwikkelingen.
- Kan online worden uitgevoerd zonder de productie te verstoren.
- Vormt een aanvulling op trillingsanalyse, in plaats van deze te vervangen.
Thermische beeldvorming
- Infraroodcamera’s brengen warmteplekken op het motorframe aan het licht.
- Fouten in de wikkeling komen tot uiting in plaatselijke verhitting.
- Verstoppingen in de ventilatie zijn te herkennen aan brede, warme plekken.
- Problemen met de lagers zorgen ervoor dat de temperatuur van het lagerhuis stijgt.
- Overbelasting leidt tot een algemene temperatuurstijging.
Elektrische testen
- Isolatieweerstand: Uit metingen met een megohmmeter blijkt dat de isolatie van de wikkeling verslechterd is.
- Polarisatie-index: een verhouding die de algehele staat van de isolatie aangeeft.
- Hipot testing: controleert de integriteit van de isolatie bij verhoogde spanning.
- Huidig saldo: het meten van de stroom in elke fase brengt aan het licht elektrische onbalans tussen fasen.
4. Storingsstatistieken en de Balanset-1A in de praktijk
Als een team weet hoe vaak elke storingsvorm zich voordoet, kan het zijn monitoringinspanningen richten op de gebieden waar dat het meeste rendement oplevert:
- Lagerstoringen: ongeveer 50% van de motorstoringen.
- Storingen in de statorwikkeling: ongeveer 30–35%.
- Rotor defects: ongeveer 10–15%.
- Externe factoren: de resterende ~5% — verontreiniging, omgevingsfactoren en dergelijke.
Aangezien de helft van die storingen te wijten is aan lagers, en veel lagerstoringen worden veroorzaakt door overmatige trillingen, is het bij de bron aanpakken van onbalans een van de meest kosteneffectieve maatregelen die een onderhoudsteam kan nemen. Wanneer de 1×-trilling van een motor hoog is, kan een technicus dit ter plekke vaststellen en verhelpen met een draagbare tweekanaalsanalysator zoals de Balans-1a: het meet de amplitude en fase van de trillingen bij bedrijfssnelheid, onderscheidt een echte onbalans van een elektromagnetische piek in de 2×-lijn, en — wanneer de storing mechanisch van aard is — voert enkel- of tweevlakse veldbalancering in de lagers van de motor zelf, en controleert vervolgens de resterende onbalans zonder de aandrijving te demonteren. Door het probleem op deze manier op te sporen, wordt voorkomen dat er zijdelings belasting op de lagers komt te staan, wat anders de levensduur ervan verkort.
5. Strategieën voor preventief onderhoud
Conditiebewaking
- Driemaandelijkse of maandelijkse trillingsmetingen volgens een routeplanning.
- Continue monitoring voor de meest kritische motoren.
- Jaarlijkse of halfjaarlijkse thermische beeldvormingsonderzoeken.
- Analyse van de motorstroom, periodiek of continu.
- Elke parameter wordt continu gemonitord, zodat veranderingen in een vroeg stadium worden opgemerkt als onderdeel van een bredere voorzienend onderhoud programma.
Routineonderhoud
- Smering: Smeer de lagers volgens het schema — doorgaans om de 6 tot 12 maanden.
- Schoonmaken: verwijder stof en vuil uit de koelkanalen.
- Aandraaien: Controleer de bevestigingsbouten en de aansluitingen.
- Inspectie: controleer op zichtbare schade, oververhitting en vervuiling.
- Testen: Voer regelmatig isolatieweerstandstests uit.
Balanceren en uitlijning
- Goed onderhouden balanskwaliteit om de belasting laag te houden.
- Hold precise asuitlijning naar de aangedreven apparatuur.
- Controleer de uitlijning regelmatig — jaarlijks of na elk onderhoud.
6. Analyse van de onderliggende oorzaak
Als een motor defect raakt, is het opsporen van de onderliggende oorzaak de enige manier om te voorkomen dat hetzelfde defect zich opnieuw voordoet. Breng het symptoom in verband met de mogelijke oorzaken:
Lagerstoringen
- Onderzoeken: voldoende smering, bronnen van verontreiniging, uitlijning, trillingsniveaus.
- Veelvoorkomende oorzaken: te veel smeermiddel, het verkeerde type smeermiddel, verkeerde uitlijning, overmatige trillingen.
Elektrische storingen
- Onderzoeken: Bedrijfsomstandigheden, spanningskwaliteit, duty cycle, koelvermogen
- Veelvoorkomende oorzaken: Overbelasting, spanningsonevenwicht, enkelfase, geblokkeerde koeling
Mechanische storingen
- Onderzoeken: Belastingkarakteristieken, installatiekwaliteit, bedrijfsomgeving
- Veelvoorkomende oorzaken: Schokbelastingen, verkeerde uitlijning, slechte installatie, verontreinigde omgeving
7. Industrienormen
Er zijn verschillende normen die de prestaties, het testen en de toegestane trillingsniveaus van motoren regelen:
- NEMA MG-1: motorprestaties en -tests.
- IEC 60034: internationale normen voor motorvoertuigen, met inbegrip van trillingsgrenzen.
- IEEE 43: praktijk van het testen van isolatie (de bron van de polarisatie-index).
- ISO 20816: trillingsernstcriteria voor elektromotoren — de moderne opvolger van de al lang bestaande ISO 10816-normenreeks.
Defecten aan elektromotoren vormen een aanzienlijk deel van alle storingen aan industriële apparatuur. Door inzicht te krijgen in de kenmerkende signalen van mechanische, elektrische en elektromagnetische storingen — en door trillingsanalyse, stroomanalyse en thermische beeldvorming te combineren in één programma voor conditiebewaking — verandert motoronderhoud van brandblussen in voorspellen, waardoor de betrouwbaarheid wordt gemaximaliseerd en ongeplande stilstand tot een minimum wordt beperkt.
