Dynamisches Auswuchten von Rotoren von Magnetschwebemotoren: Eine umfassende Analyse der G1.0- und G2.5-Standards und Testprozesse

Magnetschwebemotoren mit ihren Vorteilen des kontaktlosen Betriebs, der Nullreibung und des hohen Wirkungsgrads ersetzen nach und nach herkömmliche Motoren als gängige Wahl für rotierende Hochgeschwindigkeitsmaschinen. Bei Hochgeschwindigkeitsbetrieb kann jedoch bereits die geringste Massenexzentrizität im Magnetschweberotor zu starken unausgeglichenen Vibrationen führen, die sich direkt auf die Schwebegenauigkeit, die Betriebsstabilität und die Lebensdauer des Motors auswirken. Daher ist das dynamische Auswuchten – ein kritischer Herstellungsprozess für rotierende Maschinen – für Magnetschwebemotoren besonders wichtig.

In diesem Artikel werden die Bedeutungen und Unterschiede zwischen den Klassen G1.0 und G2.5 in den ISO-Normen für dynamisches Auswuchten systematisch interpretiert und eine ausführliche Einführung in die dynamischen Auswuchttestprozesse für Rotoren von Magnetschwebemotoren gegeben.

I. Überblick über das ISO Dynamic Balancing Grade System

Die Klassifizierung dynamischer Auswuchtgrade geht auf die Norm ISO 1940 (jetzt aktualisiert auf ISO 21940-11) zurück, die 1940 von der Internationalen Organisation für Normung (ISO) festgelegt wurde. Diese Norm unterteilt die Auswuchtqualität starrer Rotoren in 11 Klassen, die von der höchsten Präzision G0,4 bis zur niedrigsten Anforderung G4000 reichen, wobei jede Klasse um den Faktor 2,5 ansteigt.

Die Ausgewogenheitsnote wird durch den Buchstaben „G“ gefolgt von einer Zahl angegeben. Seine physikalische Bedeutung ist die  maximal zulässige Schwinggeschwindigkeit an der Rotoroberfläche , ausgedrückt in mm/s, und kann auch als spezifische Unwucht (g·mm/kg) dargestellt werden. Je kleiner die Sortenzahl, desto höher ist die erforderliche Auswuchtgenauigkeit.

Kernberechnungsformel

In der ISO-Norm lautet der Zusammenhang zwischen dem Wuchtgrad G, der Rotorexzentrizität e und der Winkelgeschwindigkeit ω:

G = ω × e / 1000

Wo:

·  G – Güteklasse der Auswuchtung (mm/s)

·  ω – Betriebswinkelgeschwindigkeit (rad/s)

·  e – zulässige Exzentrizität (μm)

Diese Formel verdeutlicht die Essenz des dynamischen Auswuchtens:  Die Auswuchtgenauigkeit hängt nicht nur von der Größe der Restunwucht ab, sondern auch von der Betriebsgeschwindigkeit des Rotors . Je höher die Drehzahl, desto größer sind die Vibrationen, die durch die gleiche Unwucht verursacht werden, und erfordern daher eine höhere Auswuchtgenauigkeit.

II. G1.0 und G2.5: Standardinterpretations- und Anwendungsszenarien

G2.5 – Das „Arbeitstier“ unter den Industriemotoren

G2,5 ist die  am häufigsten verwendete Auswuchtsorte  in der kleinen und mittleren Automobilindustrie. Zu den Hauptanwendungsszenarien gehören:

• Gasturbinen

• Werkzeugmaschinenspindeln

• Kleine und mittlere Elektromotoren

Bei herkömmlichen Motoren erfüllt die Sorte G2,5 bereits die Vibrations- und Geräuschanforderungen der überwiegenden Mehrheit der Industrieanwendungen. IEC-Normen legen ausdrücklich fest, dass die Rotorwuchtklasse für Hochleistungsmotoren G2,5 erreichen sollte.

G1.0 – Der „Hohe Standard“ für Präzisionsmotoren

G1.0 ist eine Hochpräzisionswaage mit 2,5-mal strengeren Anforderungen als G2.5. Typische Anwendungen sind:

• Schleifmaschinenantriebe

• Kleine Präzisionsmotorrotoren

• Hochpräzise Werkzeugmaschinenspindeln

• Audio- und Video-Laufwerkgeräte

Wie wählt man Magnetschwebemotoren aus?

Magnetschwebemotoren arbeiten typischerweise mit viel höheren Drehzahlen als herkömmliche Motoren (Zehntausende U/min oder mehr) und ihre Anforderungen an Vibrations- und Schwebegenauigkeit sind äußerst anspruchsvoll. Daher sollten bei der Auswahl der dynamischen Auswuchtklasse für Magnetschwebemotoren die folgenden Faktoren umfassend berücksichtigt werden:

1. Betriebsgeschwindigkeit : Höhere Geschwindigkeiten erfordern strengere Anforderungen an den Auswuchtgrad.

2. Anwendungsszenario : Präzisionsgeräte (wie Magnetschwebe-Molekularpumpen und Schwungrad-Energiespeichersysteme) erfordern häufig G1.0 oder sogar G0.4.

3. Rotorsteifigkeit : Flexible Rotoren erfordern möglicherweise eine höhere Auswuchtgenauigkeit.

In der praktischen Technik haben die Auswuchtanforderungen vieler Magnetschwebemotoren  bereits G2,5 überschritten und bewegen sich in Richtung G1,0 oder sogar G0,4.

III. Berechnung der zulässigen Restunwucht

Nach der Ermittlung des Wuchtgrades G erfolgt im nächsten Schritt die Berechnung der zulässigen Restunwucht des Rotors. Dies ist der kritischste quantitative Indikator bei dynamischen Auswuchttests.

Berechnungsformeln

Nach der ISO-Norm berechnet sich die zulässige Restunwucht U_per zu:

U_per = 9549 × G × m / n

oder

U_per = G × M / (ω × 1000)

Wo:

• U_per – zulässige Restunwucht (g·mm)

• G – Güteklasse der Auswuchtung (mm/s)

• m / M – Rotormasse (kg)

• n – Betriebsgeschwindigkeit (U/min)

• ω – Betriebswinkelgeschwindigkeit (rad/s)

Berechnungsbeispiel

Angenommen, der Rotor eines Magnetschwebemotors hat eine Masse von 50 kg und eine Betriebsgeschwindigkeit von 30.000 U/min:

• Wenn  G2,5  ausgewählt ist: U_per = 9549 × 2,5 × 50 / 30000 ≈  39,8 g·mm

• Wenn  G1.0  ausgewählt ist: U_per = 9549 × 1,0 × 50 / 30000 ≈  15,9 g·mm

Es ist ersichtlich, dass unter gleichen Bedingungen die zulässige Restunwucht für G1,0 nur 40 % derjenigen für G2,5 beträgt. Für Hochgeschwindigkeits-Magnetschwebemotoren bedeutet dies  Gewichtsreduzierungspräzision im Milligramm-Bereich.

Zuordnung zu Korrekturebenen

Bei Rotoren, die eine Zwei-Ebenen-Auswuchtung erfordern (Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis > 0,5), muss die insgesamt zulässige Unwucht auf die beiden Ausgleichsebenen verteilt werden. Das Zuordnungsverhältnis wird üblicherweise umgekehrt proportional zu den Abständen der Korrekturebenen zum Rotorschwerpunkt berechnet.

IV. Dynamische Auswuchtprüfverfahren für Rotoren von Magnetschwebemotoren

Das dynamische Auswuchten von Magnetschwebemotoren unterscheidet sich aufgrund ihrer einzigartigen Lagerungsmethode –  der berührungslosen Schwebebewegung durch Magnetlager – grundlegend von der herkömmlicher Motoren.

1. Einschränkungen traditioneller Ausgleichsmethoden

Herkömmliche Auswuchtmethoden erfordern eine spezielle Auswuchtmaschine, bei der der Rotor zur Messung und Korrektur von mechanischen Lagern (Rollen oder V-Blöcken) getragen wird. Der tatsächliche Betriebszustand eines Magnetschweberotors wird jedoch durch die Schwebekräfte von Magnetlagern unterstützt. Die mechanische Unterstützung kann die realen Arbeitsbedingungen nicht simulieren und kann zu zusätzlichen Unterstützungsstörungen führen.

2. Auswuchtmethoden für Magnetschweberotoren

(1) Online-Ausgleich

Beim Online-Auswuchten handelt es sich um Auswuchtvorgänge, die  im Normalbetrieb des Magnetschwebesystems durchgeführt werden . Das Kernkonzept besteht darin, mithilfe der dem Magnetlagersystem innewohnenden Sensoren (Wegsensoren, Stromsensoren usw.) Rotorschwingungssignale zu erfassen und dann mithilfe von Algorithmen die Größe und Phase der Unwucht abzuleiten und so die Korrekturstrategie festzulegen.

Durch diese Methode entfällt die Notwendigkeit, den Rotor von der Anlage zu demontieren, wodurch die Auswuchteffizienz erheblich verbessert wird.

(2) Probegewichtsfreies Balancieren

Herkömmliche Auswuchtmethoden erfordern mehrere Probeläufe (Hinzufügen von Probegewichten → Messen → Anpassen), um Einflusskoeffizienten zu erhalten, was ineffizient ist. Um dieses Problem anzugehen, haben Forscher  versuchsweise gewichtsfreie Auswuchtmethoden vorgeschlagen, die auf den aktiven Steuerungseigenschaften von Magnetlagern basieren.

Diese Methode nutzt die aktive Steuerbarkeit von Magnetlagern, um im statischen Schwebezustand steuerbare elektromagnetische Kräfte zu erzeugen und so die Zentrifugalkräfte zu simulieren, die tatsächliche Testgewichte während der Rotation erzeugen würden. Dadurch können die Einflusskoeffizienten ermittelt werden, ohne dass Testgewichte physisch installiert werden müssen, was das Verfahren erheblich vereinfacht.

(3) Auswuchten vor Ort

Beim Auswuchten vor Ort handelt es sich um Auswuchtvorgänge, die am tatsächlichen Installationsort der Ausrüstung durchgeführt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden, bei denen der Rotor entfernt und zu einer Testanlage geschickt wird, berücksichtigt das Auswuchten vor Ort  die umfassenden Auswirkungen des gesamten Systems  (einschließlich Lagersteifigkeit, Installationsbedingungen, Fundamentvibrationen usw.) und liefert Auswuchtergebnisse, die den tatsächlichen Betriebsbedingungen besser entsprechen.

3. Typisches Testverfahren

Am Beispiel eines Magnetschwebe-Radialgebläses sieht ein typisches dynamisches Auswuchttestverfahren wie folgt aus:

Schritt 1: Vorprüfung
Vor dem Auswuchten muss der Rotor einer Sicht- und Maßprüfung unterzogen werden, um sicherzustellen, dass keine Bearbeitungsfehler, Grate oder anhaftende Fremdkörper vorhanden sind.

Schritt 2: Erste Messung
Führen Sie auf einer speziellen Auswuchtmaschine oder dem Magnetschwebesystem einen Probelauf mit etwa 70 % der Betriebsgeschwindigkeit durch, um Schwingungsamplituden- und Phasendaten zu erfassen.

Schritt 3: Identifizierung der Unwucht
Extrahieren Sie durch Signalverarbeitung die synchrone Vibrationskomponente des Rotors und kombinieren Sie sie mit dem Rotordynamikmodell, um die Größe und Phase der Unwucht abzuleiten.

Schritt 4: Korrektur und Überprüfung.
Fügen Sie auf der Grundlage der Berechnungsergebnisse Gewicht an den angegebenen Positionen hinzu oder entfernen Sie es. Messen Sie dann erneut, um zu überprüfen, ob die Zielwaage erreicht wurde.

Schritt 5: Überprüfung des Vollgeschwindigkeitsbereichs
Führen Sie Vibrationsmessungen an mehreren Geschwindigkeitspunkten innerhalb des Betriebsgeschwindigkeitsbereichs (einschließlich nahezu kritischer Geschwindigkeiten) durch, um sicherzustellen, dass die Vibrationspegel bei allen Geschwindigkeiten den Anforderungen entsprechen.

4. Technische Herausforderungen beim Magnetschwebeausgleich

Das Auswuchten von Magnetschweberotoren stellt mehrere einzigartige Herausforderungen dar:

• Flexible Rotoreffekte : Hochgeschwindigkeits-Magnetschweberotoren arbeiten oft oberhalb kritischer Geschwindigkeiten und sind flexible Rotoren; Ihre Unwuchtverteilung kann mit der Geschwindigkeit variieren, was einen multimodalen Ausgleich erfordert.

• Elektromagnetische Kraftinterferenz : Die elektromagnetischen Kräfte von Magnetlagern können selbst zusätzliche synchrone Vibrationskräfte hervorrufen, die in den Algorithmen unterschieden und kompensiert werden müssen.

•  Sensorpräzision : Die Genauigkeit von Weg- und Stromsensoren wirkt sich direkt auf die Zuverlässigkeit der Unwuchterkennung aus.

V. Fazit

Das dynamische Auswuchten ist der entscheidende Schritt, der einen Magnetschwebemotor von der reinen „Fähigkeit zum Drehen“ zum „guten Drehen“ führt. G1.0 und G2.5 sind nicht nur zwei numerische Bezeichnungen; Sie repräsentieren unterschiedliche Präzisionsniveaus und technische Anforderungen. Bei Magnetschwebemotoren ist die Umstellung von G2,5 auf G1,0 und noch höhere Präzisionsklassen mit zunehmender Geschwindigkeit und immer komplexeren Anwendungen zu einem unvermeidlichen Trend geworden.

Gleichzeitig hat die einzigartige Unterstützungsmethode von Magnetschwebemotoren zu innovativen Auswuchtverfahren wie dem Online-Auswuchten und dem versuchsgewichtsfreien Auswuchten geführt. Diese Technologien verbessern nicht nur die Auswuchteffizienz, sondern verwandeln das dynamische Auswuchten auch von einem „Prüfschritt vor dem Versand“ in ein „Wartungstool für den gesamten Lebenszyklus“.

Die Normen verstehen, die Methoden beherrschen und präzise ausführen – das ist der Kern des dynamischen Auswuchtens von Rotoren von Magnetschwebemotoren.