O que é atração magnética? Força magnética desequilibrada em motores • Balanceador portátil e analisador de vibração "Balanset" para balanceamento dinâmico de britadores, ventiladores, trituradores, roscas transportadoras em colheitadeiras, eixos, centrífugas, turbinas e muitos outros rotores. O que é atração magnética? Força magnética desequilibrada em motores • Balanceador portátil e analisador de vibração "Balanset" para balanceamento dinâmico de britadores, ventiladores, trituradores, roscas transportadoras em colheitadeiras, eixos, centrífugas, turbinas e muitos outros rotores.

O que é atração magnética? Força magnética desequilibrada em motores.

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Entendendo a força magnética em motores elétricos

Definição: O que é atração magnética?

atração magnética (também chamada de força magnética desequilibrada ou UMP) é uma força eletromagnética radial resultante que se desenvolve em motores e geradores elétricos quando o entreferro entre o rotor e o estator não é uniforme. Quando o rotor está descentrado (excêntrico) no furo do estator, o entreferro torna-se menor de um lado e maior do lado oposto. Como a força magnética é inversamente proporcional ao quadrado da distância do entreferro, a atração magnética é muito mais forte no lado com o menor entreferro, criando uma força resultante que puxa o rotor para esse lado.

A atração magnética cria vibração A frequência duas vezes maior que a da rede elétrica (120 Hz para motores de 60 Hz, 100 Hz para motores de 50 Hz) pode defletir o rotor significativamente, acelerar o desgaste dos rolamentos e, em casos graves, levar ao contato catastrófico entre o rotor e o estator. Isso representa um acoplamento entre a excentricidade mecânica e as forças eletromagnéticas que pode criar um feedback positivo, resultando em falha progressiva.

Mecanismo Físico

Espaço de ar uniforme (condição normal)

  • Rotor centralizado no furo do estator
  • Espaço de ar igual em toda a circunferência (normalmente 0,3-1,5 mm)
  • As forças magnéticas em todos os lados se equilibram e se cancelam.
  • Força radial resultante ≈ zero
  • Vibração eletromagnética mínima

Entreferro excêntrico (Condição UMP)

Quando o rotor está descentrado:

  1. Assimetria de lacunas: Um lado apresenta uma folga menor (por exemplo, 0,5 mm), enquanto o lado oposto apresenta uma folga maior (por exemplo, 1,0 mm).
  2. Lei do inverso do quadrado: A força magnética é proporcional a 1/espaço², portanto a força no lado com o menor espaço é muito mais forte.
  3. Força líquida: Forças desequilibradas não se anulam, criando uma força resultante que puxa para o lado com menor distância entre os lados.
  4. Magnitude: Pode custar centenas ou até milhares de libras, mesmo em motores de consumo moderado.
  5. Direção: Sempre para o lado com a menor abertura.

Por que 2× a frequência da linha?

A força magnética pulsa a uma frequência 2 vezes maior que a frequência elétrica:

  • A corrente alternada trifásica cria um campo magnético rotativo.
  • A intensidade do campo magnético pulsa a 2× a frequência da rede elétrica (característica inerente aos sistemas trifásicos).
  • Com rotor excêntrico, essa pulsação cria vibração a 2×f
  • Motor de 60 Hz → vibração de 120 Hz
  • Motor de 50 Hz → vibração de 100 Hz

Causas da força magnética desequilibrada

Desgaste do rolamento

  • Causa mais comum de desenvolvimento de UMP
  • A folga do rolamento permite que o rotor gire fora do centro.
  • A gravidade puxa o rotor para baixo, reduzindo o espaço de ar na parte inferior.
  • A UMP desloca o rotor ainda mais do centro.
  • Feedback positivo: UMP acelera o desgaste dos rolamentos

Tolerâncias de fabricação

  • Excentricidade do rotor: O rotor não é perfeitamente redondo ou não está centrado no eixo.
  • Excentricidade do furo do estator: O furo do estator não é concêntrico com as superfícies de montagem.
  • Erros de montagem: Tampas terminais desalinhadas, rotor inclinado durante a montagem
  • Acumulação de tolerâncias: Acumulação de pequenos erros que criam excentricidade mensurável.

Causas operacionais

  • Crescimento térmico: Expansão diferencial afetando a uniformidade do entreferro
  • Distorção do quadro: Pé mole ou estrutura de deformação por tensão de montagem
  • Deflexão do eixo: Forças de carga ou acoplamento que flexionam o eixo
  • Problemas de fundação: Assentamento ou deterioração alterando a posição do motor

Efeitos e consequências

Efeitos diretos

  • Força radial no rotor: Puxão contínuo para um dos lados
  • Sobrecarga do rolamento: Um dos rolamentos suporta a carga extra da atração magnética.
  • Vibração a 2×f: Componente de vibração eletromagnética elevado
  • Deflexão do eixo: A força magnética entorta o eixo, agravando a excentricidade.

Mecanismo de Falha Progressiva

A UMP pode criar um ciclo de falhas que se autoalimenta:

  1. Excentricidade inicial (devido ao desgaste do rolamento ou ao processo de fabricação)
  2. A atração magnética se desenvolve em direção ao lado com a pequena folga.
  3. A força deflete ainda mais o rotor, reduzindo a folga mais
  4. Maior atração magnética devido a uma abertura menor
  5. Desgaste acelerado do rolamento no lado carregado
  6. Aumento da excentricidade e da atração magnética
  7. Contato eventual entre rotor e estator e falha catastrófica

Dano Secundário

  • Falha acelerada do rolamento devido a carga assimétrica
  • Possíveis atritos entre rotor e estator podem danificar ambos os componentes.
  • Curvatura da haste ou curvatura permanente
  • Danos no enrolamento do estator causados por impactos no rotor
  • Perda de eficiência devido ao entreferro não ideal

Detecção e Diagnóstico

Assinatura de vibração

  • Indicador primário: Frequência da linha elevada em 2× (120 Hz ou 100 Hz)
  • Padrão típico: Amplitude 2×f > 30-50% de vibração de velocidade de 1× funcionamento
  • Confirmação: A vibração a 2×f não é proporcional ao desbalanceamento mecânico.
  • Independência de carga: A amplitude de 2×f é relativamente constante com a carga (ao contrário das fontes mecânicas).

Diferenciação de outras fontes 2×f

Fonte Características
Desalinhamento Velocidade de operação 2× (não 2× a frequência da linha); alta vibração axial
Atração magnética 2× frequência da linha (120/100 Hz); origem eletromagnética
Falhas no estator 2× frequência da linha; desequilíbrio de corrente presente
Ressonância de Quadro 2× frequência da linha; vibração da estrutura >> vibração do rolamento

Testes diagnósticos adicionais

Medição do espaço de ar

  • Meça a folga de ar em vários pontos ao redor da circunferência (requer desmontagem do motor).
  • Excentricidade > 10% da folga média indica problema
  • Documente os valores mínimos e máximos de lacuna.

Análise atual

  • Meça as correntes de fase para o balanceamento.
  • O desequilíbrio pode acompanhar a UMP
  • O espectro mostra o componente de frequência da linha em dobro.

Teste sem carga

  • Ligue o motor desacoplado sem carga.
  • Se a vibração 2×f permanecer alta, indica uma fonte eletromagnética (falha na UMP ou no estator).
  • Se 2×f diminuir significativamente, isso indica uma fonte de desalinhamento mecânico.

Quantificando a força de atração magnética

Fórmula aproximada

A força UMP pode ser estimada:

  • F ∝ (excentricidade / folga) × potência do motor
  • A força aumenta linearmente com a excentricidade.
  • A força aumenta drasticamente com folgas menores.
  • Motores maiores produzem forças proporcionalmente maiores

Magnitudes típicas

  • Motor de 10 HP, excentricidade 10%: Força de aproximadamente 50 a 100 libras
  • Motor de 100 HP, excentricidade 20%: Força de aproximadamente 500 a 1000 libras
  • Motor de 1000 HP, excentricidade 30%: Força de aproximadamente 5000 a 10000 libras
  • Impacto: Essas forças sobrecarregam significativamente os rolamentos e podem deformar os eixos.

Métodos de correção

Para excentricidade causada por rolamentos

  • Substitua os rolamentos desgastados para restaurar o alinhamento correto do rotor.
  • Use rolamentos com tolerâncias mais rigorosas se a excentricidade for recorrente.
  • Verifique se a seleção do rolamento é adequada para as cargas do motor, incluindo UMP.
  • Verifique o encaixe dos rolamentos no eixo e nas tampas das extremidades.

Para fabricação de excentricidade

  • Casos menores (< 10%): Aceitar e monitorar se a vibração é aceitável.
  • Moderado (10-25%): Considere a possibilidade de retificar o estator ou usinar o rotor.
  • Grave (> 25%): Substituição do motor ou grande reforma necessária
  • Garantia: A excentricidade de fabricação pode ser motivo para reclamação de garantia em motores novos.

Para questões de montagem/instalação

  • Verifique o alinhamento da tampa traseira e o torque do parafuso.
  • Correto pé macio condições
  • Certifique-se de que a estrutura não esteja deformada pelas tensões de montagem.
  • Verifique se há tensão na tubulação ou forças de acoplamento que estejam puxando o motor para fora da posição.

Estratégias de Prevenção

Projeto e Seleção

  • Especifique motores com tolerâncias de entreferro rigorosas para aplicações críticas.
  • Selecione motores de qualidade de fabricantes renomados.
  • Espaços de ar maiores reduzem a magnitude da UMP (mas reduzem a eficiência).
  • Considere projetos de rolamentos magnéticos para aplicações extremas.

Instalação

  • Alinhamento cuidadoso durante a instalação
  • Verifique se o pé mole foi eliminado antes da montagem final com parafusos.
  • Verifique a posição axial e a folga do rotor.
  • Certifique-se de que as tampas terminais estejam devidamente alinhadas e com o torque correto.

Manutenção

  • Substitua os rolamentos antes que ocorra desgaste excessivo.
  • Monitorar as tendências de vibração da frequência da linha 2×
  • Periódico equilíbrio e verificação de alinhamento
  • Mantenha o motor limpo para evitar bloqueios no sistema de refrigeração que podem causar distorção térmica.

Considerações especiais

Motores de grande porte

  • As forças UMP podem ser enormes (toneladas de força).
  • A seleção dos rolamentos deve levar em consideração as cargas UMP.
  • Os cálculos de deflexão do eixo devem incluir o UMP (Unidade Máxima de Pressão).
  • O monitoramento do entreferro pode ser incorporado em grandes motores críticos.

Motores de alta velocidade

  • As forças centrífugas se combinam com a UMP
  • Potencial para instabilidade se o UMP for muito grande.
  • Tolerâncias rigorosas na folga de ar são cruciais.

Motores Verticais

  • A gravidade não centraliza o rotor como nos motores horizontais.
  • A UMP pode puxar o rotor para qualquer lado.
  • O rolamento de encosto deve ser adequado para o peso do rotor mais qualquer componente axial UMP.

Relação com outros problemas motores

UMP e excentricidade do rotor

  • Excentricidade causa UMP
  • A UMP pode agravar a excentricidade (retroalimentação positiva).
  • Ambos criam vibração, mas em frequências diferentes (1× vs. 2×f)

Falhas no UMP e no estator

  • Ambos produzem vibração com o dobro da frequência da rede elétrica.
  • Falhas no estator também mostram o desequilíbrio atual
  • UMP devido à excentricidade sem desequilíbrio de corrente
  • Podem coexistir: falha no estator E excentricidade

UMP e vida útil do rolamento

  • UMP aumenta as cargas radiais nos rolamentos.
  • Reduz a vida útil do rolamento (Vida útil ∝ 1/Carga³)
  • Cria desgaste assimétrico no rolamento
  • Um rolamento pode falhar prematuramente enquanto outros são aceitáveis.

A atração magnética representa um importante acoplamento entre fenômenos mecânicos e eletromagnéticos em motores elétricos. Compreender a atração magnética não linear (UMP) como a fonte de vibração com frequência duas vezes maior que a da rede elétrica, sua relação com a excentricidade do entreferro e seu potencial para causar falhas progressivas por sobrecarga nos rolamentos permite o diagnóstico e a correção adequados dessa condição específica do motor.

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