Razumevanje magnetnega vleka v elektromotorjih

Naprave

Prenosni balanser in analizator vibracij Balanset-1A

$2,358.31

Deli

Senzor vibracij

$107.47

Deli

Optični senzor (laserski tahometer)

$148.07

Naprave

Balanset-4

$8,123.32

Deli

Magnetno stojalo velikosti 60 kgf

$54.93

Deli

Reflektivni trak

$11.94

Naprave

Dinamični balanser "Balanset-1A" OEM

$2,071.73

Definicija: Kaj je magnetna privlačnost?

Magnetni vlek (imenovana tudi neuravnotežena magnetna privlačnost ali UMP) je neto radialna elektromagnetna sila, ki se razvije v elektromotorjih in generatorjih, ko zračna reža med rotorjem in statorjem ni enakomerna. Ko je rotor v statorski izvrtini izven središča (ekscentričen), se zračna reža na eni strani zmanjša, na nasprotni strani pa poveča. Ker je magnetna sila obratno sorazmerna s kvadratom razdalje reže, je magnetna privlačnost na strani z manjšo režo veliko močnejša, kar ustvari neto silo, ki vleče rotor proti tej strani.

Magnetna privlačnost ustvarja vibracije pri dvakratni frekvenci električnega omrežja (120 Hz za motorje s 60 Hz, 100 Hz za motorje s 50 Hz) lahko znatno odkloni rotor, pospeši obrabo ležajev in v hujših primerih povzroči katastrofalen stik med rotorjem in statorjem. Predstavlja povezavo med mehansko ekscentričnostjo in elektromagnetnimi silami, ki lahko ustvari pozitivno povratno zanko, kar vodi do progresivne okvare.

Fizični mehanizem

Enakomerna zračna reža (normalno stanje)

• Rotor centriran v statorski izvrtini
• Zračna reža je enaka po celotnem obodu (običajno 0,3–1,5 mm)
• Magnetne sile na vseh straneh se uravnotežijo in izničijo
• Neto radialna sila ≈ nič
• Minimalne elektromagnetne vibracije

Ekscentrična zračna reža (pogoj UMP)

Ko rotor ni v sredini:

1. Asimetrija vrzeli: Ena stran ima manjšo režo (npr. 0,5 mm), nasprotna stran večjo (npr. 1,0 mm)
2. Zakon inverznih kvadratov: Magnetna sila ∝ 1/reža², zato je sila na strani z majhno režo veliko močnejša
3. Neto sila: Neuravnotežene sile se ne izničijo, kar ustvarja neto vleko proti strani z majhno režo.
4. Magnituda: Lahko tehta od sto do tisoč funtov tudi pri zmernih motorjih
5. Smer: Vedno proti strani z najmanjšo vrzeljo

Zakaj 2× linijska frekvenca?

Magnetna sila pulzira z 2× električno frekvenco:

• Trifazni izmenični tok ustvarja vrteče se magnetno polje
• Jakost magnetnega polja pulzira z 2× omrežno frekvenco (inherentno 3-faznim sistemom)
• Pri ekscentričnem rotorju to pulziranje ustvarja vibracije s hitrostjo 2×f
• 60 Hz motor → 120 Hz vibracije
• 50 Hz motor → 100 Hz vibracije

Vzroki za neuravnotežen magnetni privlek

Obraba ležajev

• Najpogostejši vzrok za razvoj UMP
• Zračnost ležaja omogoča, da rotor teče izven središča
• Gravitacija vleče rotor navzdol in zmanjšuje spodnjo zračno režo
• UMP potegne rotor še bolj izven središča
• Pozitivne povratne informacije: UMP pospešuje obrabo ležajev

Tolerance pri izdelavi

• Ekscentričnost rotorja: Rotor ni popolnoma okrogel ali ni centriran na gredi
• Ekscentričnost statorske izvrtine: Izvrtina statorja ni koncentrična z montažnimi površinami
• Napake pri sestavljanju: Končni zvonovi niso poravnani, rotor je bil med montažo napet
• Zlaganje toleranc: Kopičenje majhnih napak, ki ustvarjajo merljivo ekscentričnost

Operativni vzroki

• Termična rast: Diferencialno raztezanje, ki vpliva na enakomernost zračne reže
• Popačenje okvirja: Mehka noga ali okvir za montažo, ki se upogiba zaradi napetosti
• Upogib gredi: Obremenitev ali sile sklopke upogibna gred
• Težave s fundacijami: Usedanje ali poslabšanje premikajočega se položaja motorja

Učinki in posledice

Neposredni učinki

• Radialna sila na rotorju: Neprekinjeno vlečenje na eno stran
• Preobremenitev ležaja: En ležaj nosi dodatno obremenitev zaradi magnetnega vleka
• Vibracije pri 2×f: Povišana elektromagnetna vibracijska komponenta
• Upogib gredi: Magnetna sila upogiba gred, kar poslabša ekscentričnost

Mehanizem progresivne odpovedi

UMP lahko ustvari samookrepljujoč se cikel odpovedi:

1. Začetna ekscentričnost (zaradi obrabe ležajev ali izdelave)
2. Magnetna privlačnost se razvija proti strani z majhno režo
3. Sila dodatno odbije rotor in s tem zmanjša režo
4. Močnejši magnetni privlak zaradi manjše reže
5. Pospešena obraba ležajev na obremenjeni strani
6. Naraščajoča ekscentričnost in magnetna privlačnost
7. Morebiten stik rotorja in statorja ter katastrofalna okvara

Sekundarna škoda

• Pospešena odpoved ležajev zaradi asimetrične obremenitve
• Možno drgnjenje rotorja in statorja, ki poškoduje obe komponenti
• Upogibanje gredi ali trajni lok
• Poškodba navitja statorja zaradi udarcev rotorja
• Izguba učinkovitosti zaradi neoptimalne zračne reže

Odkrivanje in diagnoza

Vibracijski podpis

• Primarni kazalnik: Povišana 2× omrežna frekvenca (120 Hz ali 100 Hz)
• Tipičen vzorec: 2× amplituda f > 30–501 TP3T vibracij pri 1× hitrosti teka
• Potrditev: Vibracije pri 2×f niso sorazmerne z mehansko neuravnoteženostjo
• Neodvisnost od obremenitve: 2×f amplituda relativno konstantna z obremenitvijo (za razliko od mehanskih virov)

Razlika od drugih virov 2×f

Vir	Značilnosti
Neusklajenost	2× hitrost delovanja (ne 2× omrežna frekvenca); visoke aksialne vibracije
Magnetni vlek	2× omrežna frekvenca (120/100 Hz); elektromagnetni izvor
Napake statorja	2× omrežna frekvenca; prisotno je trenutno neravnovesje
Resonanca okvirja	2× omrežna frekvenca; vibracije okvirja >> vibracije ležaja

Dodatni diagnostični testi

Merjenje zračne reže

• Izmerite zračno režo na več mestih po obodu (zahteva demontažo motorja)
• Ekscentričnost > 10% povprečne vrzeli kaže na težavo
• Dokumentirajte minimalne in maksimalne vrednosti vrzeli

Trenutna analiza

• Izmerite fazne tokove za uravnoteženje
• Neravnovesje lahko spremlja UMP
• Spekter prikazuje 2× linijsko frekvenčno komponento

Preskus brez obremenitve

• Zaženite motor brez obremenitve
• Če vibracije 2×f ostanejo visoke, to kaže na elektromagnetni vir (napaka UMP ali statorja).
• Če se 2×f znatno zmanjša, to kaže na mehanski vir neporavnanosti

Kvantificiranje magnetne vlečne sile

Približna formula

Silo UMP je mogoče oceniti:

• F ∝ (ekscentričnost / reža) × moč motorja
• Sila se linearno povečuje z ekscentričnostjo
• Sila se dramatično poveča z manjšimi vrzeli
• Večji motorji proizvajajo sorazmerno večje sile

Tipične magnitude

• 10 KM motor, ekscentričnost 10%: ~50-100 lbs sile
• 100 KM motor, ekscentričnost 20%: ~500-1000 lbs sile
• Motor s 1000 KM, ekscentričnost 30%: ~5000-10.000 lbs sile
• Vpliv: Te sile znatno obremenjujejo ležaje in lahko upognejo gredi

Metode korekcije

Za ekscentričnost, ki jo povzroča ležaj

• Zamenjajte obrabljene ležaje, da obnovite pravilno centriranje rotorja
• Če se ekscentričnost ponavlja, uporabite ležaje z strožjimi tolerancami
• Preverite, ali je izbira ležaja ustrezna za obremenitve motorja, vključno z UMP
• Preverite prileganje ležajev na gredi in v končnih zvonovih

Za ekscentričnost proizvodnje

• Manjši primeri (< 10%): Sprejmite in spremljajte, ali so vibracije sprejemljive
• Zmerna (10-25%): Razmislite o ponovnem vrtanju statorja ali strojni obdelavi rotorja
• Huda (> 25%): Potrebna je zamenjava motorja ali večja predelava
• Garancija: Ekscentričnost izdelave je lahko predmet garancijskega zahtevka za nove motorje

Za težave z montažo/namestitvijo

• Preverite poravnavo končnega zvonca in navor vijakov
• Pravilno mehko stopalo pogoji
• Prepričajte se, da okvir ni deformiran zaradi montažnih napetosti
• Preverite obremenitev cevi ali sile sklopke, ki vlečejo motor iz položaja.

Strategije preprečevanja

Oblikovanje in izbira

• Za kritične aplikacije določite motorje z ozkimi tolerancami zračne reže
• Izberite kakovostne motorje priznanih proizvajalcev
• Večje zračne reže zmanjšajo magnitudo UMP (vendar zmanjšajo učinkovitost)
• Razmislite o zasnovah magnetnih ležajev za ekstremne aplikacije

Namestitev

• Skrbna poravnava med namestitvijo
• Pred končno montažo preverite, ali je mehka noga odstranjena.
• Preverite aksialni položaj rotorja in plavajoči položaj
• Zagotovite, da so končni zvonovi pravilno poravnani in priviti

Vzdrževanje

• Zamenjajte ležaje, preden pride do prekomerne obrabe
• Spremljajte trende vibracij 2× omrežne frekvence
• Periodično ravnovesje in preverjanje poravnave
• Motor vzdržujte čist, da preprečite blokade hlajenja, ki lahko povzročijo toplotno deformacijo.

Posebni premisleki

Veliki motorji

• Sile UMP so lahko ogromne (tone sile)
• Izbira ležaja mora upoštevati obremenitve UMP
• Izračuni odklona gredi morajo vključevati UMP
• Spremljanje zračne reže je mogoče vgraditi v velike kritične motorje

Visokohitrostni motorji

• Centrifugalne sile se združujejo z UMP
• Potencialna nestabilnost, če je UMP prevelika
• Tolerance tesne zračne reže so ključne

Vertikalni motorji

• Gravitacija ne centrira rotorja kot pri horizontalnih motorjih
• UMP lahko potegne rotor na katero koli stran
• Aksialni ležaj mora biti primeren za težo rotorja in vse aksialne komponente UMP.

Razmerje do drugih motoričnih težav

UMP in ekscentričnost rotorja

• Ekscentričnost povzroča UMP
• UMP lahko poslabša ekscentričnost (pozitivna povratna zveza)
• Oba ustvarjata vibracije, vendar na različnih frekvencah (1× proti 2×f)

Napake UMP in statorja

• Oba proizvajata vibracije z 2× linijsko frekvenco
• Napake statorja kažejo tudi trenutno neravnovesje
• UMP zaradi ekscentričnosti brez trenutnega neravnovesja
• Lahko obstajata hkrati: statorska napaka IN ekscentričnost

UMP in življenjska doba ležajev

• UMP povečuje radialne obremenitve ležajev
• Zmanjša življenjsko dobo ležaja (življenjska doba ∝ 1/obremenitev³)
• Ustvarja asimetrično obrabo ležajev
• En ležaj lahko prezgodaj odpove, medtem ko so drugi sprejemljivi

Magnetni privlak predstavlja pomembno povezavo med mehanskimi in elektromagnetnimi pojavi v elektromotorjih. Razumevanje magnetnega privlačenja kot vira vibracij z 2× omrežno frekvenco, njegove povezave z ekscentričnostjo zračne reže in njegovega potenciala za nastanek progresivne odpovedi zaradi preobremenitve ležajev omogoča pravilno diagnozo in odpravo tega stanja, specifičnega za motor.

---

← Nazaj na glavno kazalo