Розуміння магнітного тяжіння в електродвигунах

Пристрої

Портативний балансир та віброаналізатор Balanset-1A.

$2,358.31

Деталі

Датчик вібрації</trp-post-container

$107.47

Деталі

Оптичний датчик (лазерний тахометр)</trp-post-container

$148.07

Пристрої

Balanset-4</trp-post-container

$8,123.32

Деталі

Магнітна підставка Insize-60-kgf</trp-post-container

$54.93

Деталі

Світловідбиваюча стрічка</trp-post-container

$11.94

Пристрої

Динамічні ваги "Балансет-1А" OEM</trp-post-container

$2,071.73

Визначення: Що таке магнітне тяжіння?

Магнітне притягання (також називається незбалансованим магнітним тяжінням або НМП) – це результуюча радіальна електромагнітна сила, яка виникає в електродвигунах і генераторах, коли повітряний зазор між ротором і статором неоднорідний. Коли ротор розташований поза центром (ексцентрично) в отворі статора, повітряний зазор зменшується з одного боку та збільшується з протилежного. Оскільки магнітна сила обернено пропорційна квадрату відстані зазору, магнітне тяжіння набагато сильніше з боку з меншим зазором, створюючи результуючу силу, що тягне ротор до цього боку.

Магнітне тяжіння створює вібрація на частоті, що вдвічі перевищує частоту електричної мережі (120 Гц для двигунів 60 Гц, 100 Гц для двигунів 50 Гц), може значно відхилити ротор, прискорити знос підшипників, а в особливо важких випадках призвести до катастрофічного контакту ротора зі статором. Це являє собою зв'язок між механічним ексцентриситетом та електромагнітними силами, що може створювати позитивний зворотний зв'язок, що призводить до прогресуючого виходу з ладу.

Фізичний механізм

Рівномірний повітряний зазор (нормальний стан)

• Ротор розташований по центру отвору статора
• Повітряний зазор однаковий по всій окружності (зазвичай 0,3-1,5 мм)
• Магнітні сили з усіх боків врівноважуються та компенсуються
• Чиста радіальна сила ≈ нуль
• Мінімальна електромагнітна вібрація

Ексцентричний повітряний зазор (умови UMP)

Коли ротор не відцентрований:

1. Асиметрія щілин: Одна сторона має менший зазор (наприклад, 0,5 мм), протилежна сторона — більший (наприклад, 1,0 мм)
2. Закон обернених квадратів: Магнітна сила ∝ 1/gap², тому сила на стороні малої щілини набагато сильніша
3. Чиста сила: Незбалансовані сили не компенсуються, створюючи чисте тяжіння до сторони з малим зазором.
4. Величина: Може важити від сотень до тисяч фунтів навіть у двигунах середньої потужності
5. Напрямок: Завжди в бік з найменшим зазором

Чому 2× Частота лінії?

Магнітне тяжіння пульсує з частотою, що вдвічі перевищує електричну:

• Трифазний змінний струм створює обертове магнітне поле
• Напруженість магнітного поля пульсує з частотою, що вдвічі перевищує частоту лінії (властиво трифазним системам)
• З ексцентриковим ротором ця пульсація створює вібрацію зі швидкістю 2×f
• Двигун 60 Гц → вібрація 120 Гц
• Двигун 50 Гц → вібрація 100 Гц

Причини незбалансованого магнітного тяжіння

Знос підшипників

• Найпоширеніша причина розвитку УМП
• Зазор підшипника дозволяє ротору обертатися поза центром
• Гравітація тягне ротор вниз, зменшуючи нижній повітряний зазор
• УМП ще більше зміщує ротор з центру
• Позитивний відгук: УМП прискорює знос підшипників

Виробничі допуски

• Ексцентриситет ротора: Ротор не ідеально круглий або не відцентрований на валу
• Ексцентриситет отвору статора: Отвір статора не концентричний з монтажними поверхнями
• Помилки складання: Кінцеві розтрубки не вирівняні, ротор зведений під час складання
• Сумісність допусків: Накопичення невеликих помилок, що створюють вимірний ексцентриситет

Операційні причини

• Термічний ріст: Диференціальне розширення, що впливає на однорідність повітряного зазору
• Спотворення кадру: М'яка ніжка або рама для кріплення, що деформується від напруження
• Прогин вала: Навантаження або сили зчеплення, що згинають вал
• Проблеми фундаменту: Осідання або погіршення положення двигуна, що зміщує його

Наслідки та наслідки

Прямі ефекти

• Радіальна сила на роторі: Постійне потягування в один бік
• Перевантаження підшипника: Один підшипник несе додаткове навантаження від магнітного зчеплення
• Вібрація при 2×f: Підвищена електромагнітна вібраційна складова
• Прогин вала: Магнітна сила згинає вал, погіршуючи ексцентриситет

Механізм прогресивного зриву

UMP може створити самопідсилювальний цикл відмов:

1. Початковий ексцентриситет (від зносу підшипника або виробництва)
2. Магнітне тяжіння розвивається в бік малої щілини
3. Сила ще більше відхиляє ротор, зменшуючи зазор ще більше
4. Сильніше магнітне тяжіння через менший зазор
5. Прискорений знос підшипника з боку навантаження
6. Збільшення ексцентриситету та магнітного тяжіння
7. Можливий контакт ротора та статора та катастрофічна поломка

Вторинна шкода

• Прискорене руйнування підшипника внаслідок асиметричного навантаження
• Можливе тертя ротора та статора, що пошкоджує обидва компоненти
• Згинання валу або постійний вигин
• Пошкодження обмотки статора внаслідок ударів ротора
• Втрата ефективності через неоптимальний повітряний зазор

Виявлення та діагностика

Вібраційний підпис

• Основний показник: Підвищена частота лінії в 2 рази (120 Гц або 100 Гц)
• Типова схема: Амплітуда 2×f > 30-50% від 1× вібрації швидкості бігу
• Підтвердження: Вібрація при 2×f не пропорційна механічному дисбалансу
• Незалежність від навантаження: Амплітуда 2×f відносно постійна з навантаженням (на відміну від механічних джерел)

Відмінність від інших джерел 2×f

Джерело	Характеристики
Нерівність	2× швидкість роботи (не 2× частота мережі); висока осьова вібрація
Магнітне притягання	2× частота лінії (120/100 Гц); електромагнітне походження
Несправності статора	2× частота мережі; наявний дисбаланс струму
Резонанс кадру	2× частота лінії; вібрація рами >> вібрація підшипника

Додаткові діагностичні тести

Вимірювання повітряного зазору

• Виміряйте повітряний зазор у кількох місцях по колу (потрібне розбирання двигуна)
• Ексцентриситет > 10% середнього зазору вказує на проблему
• Задокументуйте мінімальні та максимальні значення зазору

Поточний аналіз

• Вимірювання фазних струмів для балансування
• Дисбаланс може супроводжувати UMP
• Спектр показує подвійну складову лінійної частоти

Випробування без навантаження

• Запустіть двигун без зчеплення на холостому ходу
• Якщо вібрація 2×f залишається високою, це вказує на електромагнітне джерело (несправність УМП або статора).
• Якщо 2×f значно падає, це вказує на механічне джерело перекосу

Кількісна оцінка сили магнітного тяжіння

Приблизна формула

Силу УМП можна оцінити:

• F ∝ (ексцентриситет / зазор) × потужність двигуна
• Сила лінійно зростає з ексцентриситетом
• Сила різко зростає з меншими зазорами
• Більші двигуни створюють пропорційно більші зусилля

Типові величини

• Двигун 10 к.с., ексцентриситет 10%: сила ~50-100 фунтів
• Двигун потужністю 100 к.с., ексцентриситет 20%: ~500-1000 фунтів сили
• Двигун потужністю 1000 к.с., ексцентриситет 30%: сила ~5000-10 000 фунтів
• Вплив: Ці сили значно навантажують підшипники та можуть прогинати вали

Методи корекції

Для ексцентриситету, спричиненого підшипником

• Замініть зношені підшипники, щоб відновити правильне центрування ротора
• Використовуйте підшипники з жорсткішими допусками, якщо ексцентриситет повторюється
• Перевірте, чи підходить вибір підшипника для навантажень двигуна, включаючи UMP
• Перевірте посадку підшипника на валу та в торцевих розтрубах

Для виробничої ексцентриситетності

• Незначні справи (< 10%): Приймати та контролювати, чи вібрація прийнятна
• Помірний (10-25%): Розгляньте можливість розточування статора або механічної обробки ротора
• Важкий (> 25%): Потрібна заміна двигуна або капітальний ремонт
• Гарантія: Ексцентриситет виробництва може бути предметом гарантійної претензії на нові двигуни

Щодо питань зі складанням/встановленням

• Перевірте вирівнювання торцевого розтрубка та затягування болтів
• Правильно м'яка стопа умови
• Переконайтеся, що рама не деформована внаслідок монтажних напружень
• Перевірте напруження труби або зчеплення, що призводить до витягування двигуна з його положення.

Стратегії профілактики

Дизайн та вибір

• Визначте двигуни з жорсткими допусками повітряного зазору для критично важливих застосувань
• Вибирайте якісні двигуни від відомих виробників
• Більші повітряні зазори зменшують величину UMP (але знижують ефективність)
• Розгляньте конструкції магнітних підшипників для екстремальних застосувань

Встановлення

• Ретельне вирівнювання під час встановлення
• Переконайтеся, що м'яка опора усунена перед остаточним кріпленням болтами
• Перевірте осьове положення ротора та його плаваючий стан
• Переконайтеся, що кінцеві розтрубки правильно вирівняні та затягнуті

Технічне обслуговування

• Замініть підшипники до появи надмірного зносу
• Моніторинг тенденцій вібрації частоти лінії 2×
• Періодичні баланс та перевірка вирівнювання
• Тримайте двигун у чистоті, щоб запобігти блокуванню охолодження, що призводить до теплової деформації

Особливі міркування

Великі двигуни

• Сили UMP можуть бути величезними (тонни сили)
• Вибір підшипника повинен враховувати навантаження від УМЗ
• Розрахунки прогину вала повинні включати УМП
• Моніторинг повітряного зазору може бути вбудований у великі критичні двигуни

Високошвидкісні двигуни

• Відцентрові сили поєднуються з УМП
• Потенціал нестабільності, якщо UMP занадто великий
• Допуски на жорсткі повітряні зазори критично важливі

Вертикальні двигуни

• Гравітація не центрує ротор, як у горизонтальних двигунах
• UMP може тягнути ротор у будь-який бік
• Опорний підшипник повинен відповідати вазі ротора плюс будь-який осьовий компонент UMP

Зв'язок з іншими проблемами з рухом

УМП та ексцентриситет ротора

• Ексцентричність спричиняє УМП
• УМП може погіршити ексцентриситет (позитивний зворотний зв'язок)
• Обидва створюють вібрацію, але на різних частотах (1× проти 2×f)

Несправності UMP та статора

• Обидва створюють вібрацію лінійної частоти вдвічі
• Несправності статора також показують поточний дисбаланс
• UMP від ексцентриситету без дисбалансу струму
• Може співіснувати: несправність статора ТА ексцентриситет

УМП та термін служби підшипників

• УМП збільшує радіальні навантаження на підшипник
• Зменшує термін служби підшипника (термін служби ∝ 1/навантаження³)
• Створює асиметричний знос підшипників
• Один підшипник може вийти з ладу передчасно, тоді як інший – прийнятний

Магнітне тяжіння являє собою важливий зв'язок між механічними та електромагнітними явищами в електродвигунах. Розуміння магнітного поля як джерела вібрації подвійної лінійної частоти, його зв'язку з ексцентриситетом повітряного зазору та його потенціалу для виникнення прогресуючого руйнування через перевантаження підшипника дозволяє правильно діагностувати та виправити цей специфічний для двигуна стан.

---

← Назад до головного індексу