Produktionstrend 2010/03, Technische Diagnoseabteilung

"Anstatt Feuerwehr und Großreparaturen"

Aufgrund des Aufbaus und Betriebs von Elektromotoren treten nicht nur mechanische Belastungen und daraus resultierende Vibrationen bei den angetriebenen Rotoren auf, sondern auch die durch elektromagnetische Felder verursachten Belastungen können die zeitliche und richtungsabhängige Beanspruchung der einzelnen Maschinenelemente - und somit deren mechanische Verformung - verursachen. In unserem Artikel setzen wir die Untersuchung von Vibrationen aufgrund von Rotorteilfehlern fort und gehen dann zur Analyse von Statorfehlern über.

Die Exzentrizität des Rotorteils des elektromagnetischen Feldes kann aufgrund der exzentrischen Geometrie des Rotorteils oder gebrochener Stäbe oder Keile entstehen. Im Folgenden befassen wir uns nur mit den Phänomenen, die auf geometrische Fehler des Rotorteils zurückzuführen sind (gebrochene Stäbe oder Keile wurden bereits in einem früheren Teil unserer Serie behandelt). Die geometrische Exzentrizität des Rotorteils kann auf Fertigungsungenauigkeiten oder während des Betriebs auftretende - meist thermische - Einflüsse zurückzuführen sein. Da in der Regel die Auswuchtung der Rotorteile am Ende des Fertigungsprozesses erfolgt, ist in solchen Fällen die durch die Exzentrizität des Rotorteils verursachte mechanische (statische und dynamische) Unwucht nicht erkennbar, da sie ausgeglichen wurde. Betriebsbedingte Formveränderungen - wie thermische Verformungen - können jedoch zu Unwuchten führen, die sofort durch die für Unwuchten charakteristische Rotationsfrequenzspitze bemerkbar sind.

Exzentrizität des Rotorteils

Die geometrische Exzentrizität des Rotorteils geht immer mit variablen Luftspalten einher (der kleinste und größte Luftspalt dreht sich mit dem Rotorteil im Stator um). Dies erzeugt zwangsläufig Vibrationen und verursacht periodische Änderungen im elektromagnetischen Feld. Bei Rotorteilexzentrizität sind erhöhte Vibrationsamplituden bei der Netzfre\-quenz und deren Vielfachen sowie möglicherweise auch bei der Netzfre\-quenz selbst zu beobachten. Darüber hinaus treten Seitenbandvibrationen um die Stabfrequenz herum auf, sowie Seitenbänder mit Polmodulationsfrequenz um das Doppelte der Netzfre\-quenz. Die Polmodulationsfrequenz selbst tritt als Niederfrequenzvibration auf.

Zu beachten ist, dass sich exzentrische Rotorteile auch aufgrund von thermischen Verformungen bilden können. In diesem Fall ist zu beobachten, dass die Vibrationskomponente bei Rotationsfrequenz mit der Betriebszeit (Erwärmung des Motors) kontinuierlich zunimmt. Darüber hinaus treten bei gekrümmter Welle charakteristische Vibrationsphänomene auf (radiale Vibrationen mit Rotationsfrequenz, die auf Unwuchten hinweisen, sowie axialen Vibrationen mit 180° Phasenverschiebung), die zunehmend stärker werden. Bei fehlerhafter Wellenausrichtung oder "weichen" Motoren kann sich ein variabler Luftspalt bilden, der ähnlich wie die Exzentrizität des Rotorteils aussieht.

Zur elektromagnetischen Exzentrizität des Rotorteils

Gemäß der deutschen Norm VDI 3839: Ein zentrisch im Stator angeordneter exzentrischer Rotorteil erzeugt keine Vibrationen. Exzentrisch aufgebaute Rotorteile erzeugen bei zentrischer Anordnung Unwuchten, sowie Amplitudenmodulationen mit der doppelten Schlupffrequenz und dem Produkt aus Netzfre\-quenz. Im Statorstrom treten auch Schwebungen auf, deren Frequenz dem Produkt aus der doppelten Schlupffrequenz und der Netzfre\-quenz entspricht. Dies kann an analogen Strommessgeräten durch periodische Zeigerbewegungen erkannt werden und ist mit Oszilloskopen gut sichtbar. Wenn die Motorvibrationen Amplitudenmodulationen aufweisen und deren Ausmaß nicht von der Belastung abhängt, liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Rotorteilexzentrizität vor. (Wenn diese Modulation von der Belastung abhängt, kann mit hoher Sicherheit auf gebrochene Rotorteilstäbe geschlossen werden.) Laut dem CSI Pocket Vibration Troubleshooter's Guide weisen Zeichen mit niedriger Modulationsfrequenz auf Probleme mit einem exzentrischen elektromagnetischen Feld des Rotorteils hin. Netzfre\-quenzvibrationen sind charakteristisch für gebogene oder exzentrische Rotorteile. Geringfügige axiale Vibrationen treten bei leicht gebogenen Rotorteilen auf. Starke axiale Vibrationen deuten auf ein Rotorteil hin, das sich aus dem idealen elektromagnetischen Feld bewegt hat oder eine exzentrische Verformung des Rotorteils aufweist.

Vibrationen bei Statorfehlern

Der Stator von Asynchronmotoren besteht im Wesentlichen aus den Spulen um die Pole herum, mindestens einer Spule pro Phase, den Statorzähnen und dem Blechpaket. Die konstruktiven Lösungen unterscheiden sich je nach den Anforderungen der Anwendung erheblich voneinander. Der häufigste Fehler ist ein Kurzschluss der Spulen (Isolationsprobleme), die Exzentrizität des Stators, der Bruch (Riss) der Spulen sowie das lose Blechpaket oder Teile davon.

Kurzschlüsse zwischen den Spulen und anderen Komponenten sowie Brüche (Risse) in den Spulen treten hauptsächlich aufgrund von Alterung, Betriebsvibrationen, anderen dynamischen Belastungen sowie elektrischer oder thermischer Überlastung auf. Kurzschlüsse können beobachtet werden * innerhalb eines Pols * zwischen verschiedenen Polpaaren * und zwischen den Polen und dem Lamellenpaket. Die Exzentrizität des elektromagnetischen Feldes des Stators kann aufgrund von geometrischen Fehlern in den Statorwicklungen und ihrer räumlichen Anordnung, Materialqualitätsproblemen (Inhomogenitäten) sowie mechanischen oder thermischen Verformungen des Stators (was zu unterschiedlichen Luftspaltgrößen entlang des Umfangs führt) auftreten. Die elektromagnetische Exzentrizität des Stators kann auf Fertigungsungenauigkeiten oder Betriebsausfälle (z. B. thermische Einflüsse, Vibrationsbelastungen) zurückzuführen sein.

Bei auftretenden Statorfehlern mit hohen radialen Schwingungsamplituden weisen die radialen Schwingungen bei der doppelten Netzfrequenz auf Exzentrizität, ungleichmäßige Phasen, Kurzschlüsse in den Spulen oder locker gewordene Eisenkerne hin. Die axiale Vibration ist in der Regel gering, es sei denn, es liegen Rotorteilprobleme vor. Darüber hinaus treten Seitenbänder mit der Polmodulationsfrequenz um die Rotationsfrequenz und deren Vielfache auf.

Zu beachten ist, dass bei verbogenen Fundamenten oder Motoren mit "weichen" Füßen entlang des Umfangs oft unterschiedliche Luftspaltgrößen zu finden sind. Dadurch entstehen auch Fehlererscheinungen aufgrund der Statorexzentrizität. Bei fehlerhafter Wellenausrichtung oder bei Motoren mit instabiler („weicher“) Montage können ebenfalls bei der doppelten Netzwerkfrequenz herausragende Vibrationen auftreten.

Diagnose von Wellenbrüchen mit elektrischen Phänomenen

Die am häufigsten verwendete Methode zur Erkennung von Brüchen an Rotorelementen wie Wellen, Ringen oder Käfigen besteht in der phasenweisen Untersuchung des Stroms im Niederfrequenzbereich. Die amerikanische Firma CSi empfiehlt neben der Stromspektrumaufnahme mit einem Stromzange auch die Auswertung der magnetischen Feldstärkespektren mit einem tragbaren Fluxmeter. In Fällen, in denen die Strommessung unmöglich oder gefährlich ist, ist die spektrale Analyse basierend auf der Flussmessung die einzige Lösung zur Erfassung elektromagnetischer Phänomene.

Zur phasenweisen Stromuntersuchung muss der Strom jeder Phase separat mit einem Strommesszange gemessen werden. Es sollte eine Frequenzanalyse mit hoher Auflösung im Bereich um die Netzwerkfrequenz durchgeführt werden. Das erhaltene Stromspektrum liefert Informationen zur Fehlererkennung, indem es das Verhältnis zwischen der Netzwerkfrequenz und den Seitenbändern der Polmodulationsfrequenz anzeigt. Dieses Verhältnis kennzeichnet das Maß der Pulsation des elektromagnetischen Feldes pro Umdrehung. In der Literatur finden Sie Grenzwerte für das Verhältnis zwischen der Netzwerkfrequenz und den Seitenbändern der Polmodulationsfrequenz in unserer Tabelle.

 

 Technical Associates of Charlotte (Strom)

Bewertung	Verhältnis	Bemerkungen
ausgezeichnet	>60 dB
gut	54–60 dB
akzeptabel	48–54 dB	Trendüberwachung empfohlen
Warnung	42–48 dB	beschädigte Rotorelementwelle oder hochohmiger Kontakt
Alarm I.	36–2 dB	gebrochene Rotorelementwelle oder mehrere hochohmige Kontakte
Alarm II.	30–36 dB	viele gebrochene Rotorelementwellen, Käfige oder Kontaktfehler
Störung		schwere Fehler (mehrere gleichzeitig)

 

	CSI (Strom, bzw. Fluss)	Mitchell (Strom)
in Ordnung	>54 dB	>45 dB
Warnung	54–45 dB
Alarm	45–40 dB	35–45 dB

Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, gepszakerto.hu

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