Drei Hauptfehler von Rotoren von Axialflussmotoren: Reparieren oder ersetzen? Eine klare Anleitung zur Reparatur von Grenzen

Axialflussmotoren mit ihrer hohen Leistungsdichte, kompakten Struktur und hervorragenden Drehmomenteigenschaften werden zunehmend in Fahrzeugen mit neuer Energie, Industrieservos, Windkraft und anderen Bereichen eingesetzt. Wenn jedoch die Betriebsstunden zunehmen und die Arbeitsbedingungen komplexer werden, kommt es unweigerlich zu verschiedenen Fehlern am Rotor – der rotierenden Kernkomponente des Motors. Unter diesen sind Oberflächenschäden am Rotor des Axialflussmotors, Entmagnetisierung des Permanentmagneten (magnetischer Stahl) und Versagen des dynamischen Gleichgewichts die drei häufigsten Fehlertypen. Angesichts dieser Probleme lautet die zentrale Frage des Wartungspersonals:  Welche Fehler können behoben werden? Welche müssen ersetzt werden? Können Leistung und Zuverlässigkeit nach der Reparatur gewährleistet werden?

1. Schäden an der Rotoroberfläche: Kleinere Schäden können repariert werden, schwere Schäden erfordern einen Ersatz

1.1 Fehlerursachen und -erscheinungen

Oberflächenschäden am Rotor eines Axialflussmotors werden typischerweise durch Reibung (Reibung zwischen Stator und Rotor), das Eindringen von Fremdkörpern oder das Absinken des Rotors aufgrund eines Lagerausfalls verursacht. Die Identifizierung der Art des Schadens hilft, die Grundursache zu lokalisieren: Wenn die Rotoroberfläche nur eine einzelne Schleifspur aufweist, während die gesamte Statoroberfläche zerkratzt ist, liegt dies häufig an einer verbogene Welle oder einer Unwucht des Rotors; Wenn die Statoroberfläche nur eine Schleifspur aufweist, während die Rotoroberfläche am gesamten Umfang zerkratzt ist, ist dies auf eine Unzentrizität zwischen Stator und Rotor zurückzuführen, die häufig auf eine Verformung des Rahmens und der Lagerschildzapfen oder auf starken Lagerverschleiß zurückzuführen ist.

1.2 Wann kann es repariert werden?

Kleinere Oberflächenschäden  sind in der Regel reparabel. Gemäß den Industriestandards sind Schabe- oder Schleifverfahren zur Beseitigung leichter Schäden an der Innenfläche des Stators und der Außenfläche des Rotors zulässig, sofern die Motoroberflächentemperatur nach der Reparatur den einschlägigen Normen entspricht. Spezifische Kriterien sind:

• Die Schadenstiefe liegt im bearbeitbaren Bereich (normalerweise weniger als 0,5 mm) und hat keinen Einfluss auf die strukturelle Gesamtintegrität des Rotorkerns.

• Es kam zu keinem großflächigen Kurzschluss oder Schmelzen von Siliziumstahlblechen. Kommt es zu örtlichem Brennen der Kernzähne, können die geschmolzenen und verschmolzenen Teile abgefeilt und die beschädigten Stellen mit Epoxidharz repariert werden.

• Nach der Reparatur kann die Gleichmäßigkeit des Luftspalts immer noch den Designanforderungen entsprechen und die Oberflächentemperatur wird erfüllt.

Als Reparaturtechnik können leichte Kratzer und Rostflecken mit feinem, in Öl getauchtem Schmirgelleinen poliert werden, wobei die Rundheitsabweichungen häufig mit einer Mikrometerschraube überprüft werden. Bei Schäden an der Passfläche wie Wellenzapfenverschleiß können Oberflächentechniken wie Laserauftragschweißen, Bürstengalvanisierung und thermisches Spritzen eingesetzt werden. Diese Reparaturprozesse laufen bei niedrigen Temperaturen ab und verursachen keine Wellenverformung oder Veränderung der metallografischen Struktur.

1.3 Wann muss es ersetzt werden?

•  Die Schadenstiefe ist zu groß und überschreitet den Designtoleranzbereich. Eine weitere Reparatur würde die Kernstruktur zerstören.

•  Es kam zu großflächigen Kurzschlüssen oder Delaminationen von Siliziumstahlblechen, die zu deutlich erhöhten Wirbelstromverlusten und Kernüberhitzungen führten.

• Der Rotorkern hat eine irreparable strukturelle Verformung erlitten und die Gleichmäßigkeit des Luftspalts kann auch nach der Reparatur nicht gewährleistet werden.

• Der Schaden hat sich auf Schwachstellen in der Rotorbasisstruktur ausgeweitet und die Reparaturkosten liegen nahe bei oder über den Ersatzkosten.

2. Entmagnetisierung des Magneten: Eine leichte bis mäßige Entmagnetisierung kann durch erneute Magnetisierung repariert werden, eine schwere Entmagnetisierung erfordert einen Austausch

2.1 Ursachen und Mechanismen der Entmagnetisierung

Das Wesen der Entmagnetisierung von Permanentmagneten ist eine irreversible Änderung der magnetischen Domänenstruktur, die je nach Ursache hauptsächlich in drei Kategorien unterteilt werden kann:

• Thermische Entmagnetisierung : Tritt auf, wenn die Temperatur des Permanentmagneten die Toleranzgrenze seiner Materialqualität überschreitet. Für NdFeB beispielsweise liegt die Curie-Temperatur bei etwa 310 °C, oberhalb derer ein magnetischer Gesamtverlust auftritt. Experimentelle Daten zeigen, dass NdFeB-Magnete nach 1000 Stunden Dauerbetrieb bei 150 °C einen Flussverlust von 3 % bis 5 % erfahren können.

• Umkehrfeldentmagnetisierung : Umkehrmagnetfelder, die durch anormale Bedingungen wie Überlastung oder Kurzschlüsse erzeugt werden, verursachen eine lokale Umkehrung der magnetischen Domäne. In einem Motor eines neuen Energiefahrzeugs sank die magnetische Flussdichte unter 200 % Überlastbedingungen um 7 % bis 12 %.

• Entmagnetisierung durch chemische Korrosion : NdFeB-Materialien oxidieren in heißen und feuchten Umgebungen, was zu einer allmählichen Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften führt. Salzsprühtests zeigen, dass ungeschützte Magnete nach 500 Stunden einen Flussverlust von bis zu 15 % erleiden können.

Wie kann vor Ort festgestellt werden, ob die Magnete entmagnetisiert sind? Die intuitivste Methode: Nach der Entmagnetisierung erhöht sich die Leerlaufdrehzahl des Motors deutlich, der Laststrom steigt und das Bremsmoment sinkt. Eine genauere Erkennung erfordert die Verwendung eines Tesla-Messgeräts (Gaussmeter) zur Messung der Oberflächenmagnetfeldstärke oder die Erkennung der Gegen-EMF und deren Vergleich mit den ursprünglichen Parametern.

2.2 Wann kann es repariert werden?

Die Reparierbarkeit einer Entmagnetisierung hängt vom  Grad der Entmagnetisierung ab und wird anhand der folgenden Klassifizierung beurteilt:

Eine leichte Entmagnetisierung  wird normalerweise durch kurzfristige Überhitzung oder leichten Überstrom verursacht und weist eine starke Reversibilität auf. Der Behandlungsplan umfasst zunächst die Optimierung der Wärmeableitung, die Begrenzung der Überlastung und die Stabilisierung der Stromversorgung und anschließend den Einsatz eines Hochspannungs-Impulsmagnetisierers zur Richtungsmagnetisierung der Rotor-Permanentmagnete. Überprüfen Sie nach der Magnetisierung mit einem Gaussmeter, ob das Magnetfeld wieder seinen ursprünglichen Wert erreicht hat. Laut Branchenpraxis können professionelle Magnetisierungsgeräte über 95 % der ursprünglichen Leistung wiederherstellen.

Eine mäßige Entmagnetisierung  erfordert die Demontage des Motors, die Prüfung der Permanentmagnete einzeln, die Auswahl stark entmagnetisierter Einheiten, das Kleben oder Einbetten neuer Magnete der gleichen Qualität und Größe genau entsprechend der ursprünglichen Polarität und nach der vollständigen Magnetisierung die Durchführung von Leerlaufstrom-, Drehmoment- und Effizienztests.

2.3 Wann muss es ersetzt werden?

Die folgenden Situationen erfordern einen entscheidenden Austausch anstelle weiterer Reparaturversuche:

• Die Remanenz von Permanentmagneten liegt unter 80 % des Auslegungswerts und kann nach der Magnetisierung nicht wieder auf die Nennleistung gebracht werden.

• Magnete weisen Strukturschäden (Risse, Brüche, starke Korrosion) auf, so dass die mechanische Festigkeit und Lebensdauer auch nach der Magnetisierung nicht gewährleistet werden kann.

• Es ist eine irreversible Entmagnetisierung aufgetreten, was bedeutet, dass das Permanentmagnetmaterial selbst so gealtert ist oder chemische Korrosion erlitten hat, dass die Remanenz durch Magnetisierung nicht wiederhergestellt werden kann.

•  Die Entmagnetisierung hat zu einem so starken Rückgang der Motoreffizienz und einem anormalen Temperaturanstieg geführt, dass die Reparaturkosten die Kosten für den Austausch des gesamten Motors übersteigen.

3. Fehler beim dynamischen Gleichgewicht: Die überwiegende Mehrheit kann repariert werden, nur sehr wenige müssen ersetzt werden

3.1 Fehlerursachen und Diagnose

Rotorunwucht ist die häufigste Fehlerquelle in rotierenden Maschinen – Statistiken zeigen, dass 70 % der Vibrationsfehler in rotierenden Maschinen auf Unwucht im Rotorsystem zurückzuführen sind. Die Hauptursache ist die Fehlausrichtung des Massenschwerpunkts des Rotors gegenüber seiner geometrischen Achse, wodurch eine Massenexzentrizität entsteht, die während der Rotation eine Zentrifugalträgheitskraft erzeugt, die sich in erhöhter Radialvibration und beschleunigtem Lagerverschleiß äußert.

Bevor jedoch eine Korrektur des dynamischen Gleichgewichts durchgeführt wird, muss zunächst eine wichtige Sache erledigt werden: die Ursache der abnormalen Vibration analysieren , da es sich möglicherweise nicht um ein Problem des dynamischen Gleichgewichts handelt. Wenn das Gerät starke Lockerheit, Resonanz, gerissene Wellen, Lagerschäden, Fehlausrichtung oder Fundamentsetzung aufweist, führt die dynamische Gleichgewichtskorrektur nicht zu den erwarteten Ergebnissen.

Die typische Vibrationssignatur einer Unwucht besteht darin, dass die Vibrationsperiode synchron mit der Betriebsgeschwindigkeit ist (dominiert durch die 1-fache Rotationsfrequenz), die radiale Vibrationsamplitude am höchsten ist und Amplitude und Phase Stabilität und Wiederholbarkeit aufweisen.

3.2 Wann kann es repariert werden?

Die überwiegende Mehrheit der Probleme mit dynamischen Unwuchtfehlern kann durch eine Korrektur vor Ort oder im Werk behoben werden , es sei denn, der Rotor selbst hat strukturelle Schäden erlitten.

Das dynamische Auswuchten vor Ort  ist eine ausgereifte Technologie, die heute in der Industrie weit verbreitet ist. Mit dieser Methode werden Schwingungsmessungen und Unwuchtkorrekturen unter der tatsächlichen Betriebsgeschwindigkeit und den Installationsbedingungen des Rotors durchgeführt, ohne dass der Rotor zerlegt und an das Werk zurückgeschickt werden muss. Dies kann etwa drei bis fünf Tage Zeit und Transportkosten einsparen und gleichzeitig das Risiko von Sekundärschäden bei der Demontage und Wiedermontage vermeiden. Zu den Korrekturmethoden gehören in erster Linie Gewichtszugabe (Anbringen von Ausgleichsgewichten, Schrauben, Nieten, Schweißen) und Gewichtsentfernung (Bohren, Schleifen, Fräsen), wobei die konkrete Auswahl von der Rotorstruktur und den Prozessanforderungen abhängt.

Die Korrekturgenauigkeit folgt den Standards ISO 1940-1 / GB/T 9239.1 und die Restunwucht kann auf extrem niedrigem Niveau kontrolliert werden. In Präzisionsfertigungsszenarien kann die Genauigkeit der dynamischen Waage die G1-Klasse (die höchste Genauigkeitsklasse in ISO 1940-1) erreichen, wodurch Vibrationsgefahren effektiv beseitigt werden.

Der Rotorscheibenrahmen eines Axialflussmotorrotors besteht größtenteils aus nichtmagnetischen Verbundwerkstoffen und ist relativ leicht. Wenn sich jedoch der Gleichgewichtszustand während des Betriebs aus folgenden Gründen ändert, wird die Korrektur noch wichtiger:

• Korrosion, Verschleiß oder Ablagerungen rotierender Komponenten während des Betriebs.

•  Anhaftung von Fremdkörpern verursacht Massenexzentrizität.

• Langsam variierendes Ungleichgewicht, verursacht durch thermische oder mechanische Verformung.

In den allermeisten der oben genannten Fälle kann die normale Funktion durch eine professionelle dynamische Gleichgewichtskorrektur wiederhergestellt werden.

3.3 Wann muss es ersetzt werden?

In den folgenden Situationen ist die dynamische Unwuchtkorrektur wirkungslos und der Rotor muss ausgetauscht werden:

• Die Rotorwelle weist Risse oder Brüche auf. Es ist zu beachten, dass, wenn die Rissausdehnung 10 % des Wellenzapfenumfangs nicht überschreitet, ein Reparaturschweißen mit anschließender Flachbearbeitung eine weitere Verwendung ermöglichen kann; Wenn dieser Wert jedoch überschritten wird, sollte die Welle ausgetauscht werden. Wenn sich der Riss auf den Wellenkern ausgeweitet hat, muss der gesamte Rotor ausgetauscht werden.

• Der Rotorkern weist eine irreversible strukturelle Verformung oder Beschädigung auf und die Auswuchtgenauigkeit kann nach der Korrektur immer noch nicht garantiert werden.

• Rotierende Bauteile haben sich gelöst (z. B. abfallende Ausgleichsgewichte, Blattbruch) und der Schaden ist irreparabel.

•  Auch nach mehreren Korrekturen des dynamischen Gleichgewichts überschreiten die Vibrationen immer noch die Grenzwerte, was auf schwerwiegende bestehende Probleme mit der Rotorbasisstruktur hinweist.

Erwähnenswert ist, dass Axialflussmotoren aufgrund ihres modularen Aufbaus einen gewissen Vorteil bei der Wartung haben – nur das fehlerhafte Modul muss ausgetauscht werden, was die Schwierigkeiten bei der Überholung und die Wartungskosten reduziert.

4. Zusammenfassung: Eine Tabelle zum Verständnis von Reparatur und Austausch

5. Wartungsempfehlungen und vorbeugende Maßnahmen

1. Regelmäßige Inspektion ist die Voraussetzung : Richten Sie einen Routineinspektionsmechanismus ein. Verwenden Sie ein Gaussmeter für regelmäßige Stichprobenprüfungen der Magnetfelddämpfung und einen Vibrationsanalysator für regelmäßige Tests des dynamischen Gleichgewichts, um Fehler im Frühstadium zu beseitigen.

2. Diagnostizieren Sie, bevor Sie handeln : Vor jeder Reparatur muss zunächst die Fehlerursache eindeutig identifiziert werden. Insbesondere bei dynamischen Gleichgewichtsproblemen müssen Unwuchtfaktoren wie Lagerschäden, Fehlausrichtung und Lockerheit zunächst ausgeschlossen werden; andernfalls ist eine Gleichgewichtskorrektur zwecklos.

3. Ummagnetisierung erfordert professionelle Bedienung : Magnetisierungsvorgänge erfordern Hochspannungsimpulsgeräte und müssen von qualifiziertem Personal in einer isolierten und abgeschirmten Umgebung durchgeführt werden. Überprüfen Sie nach der Magnetisierung die Leistung mit einem Gaussmeter und führen Sie nach der Neuinstallation eine Leerlauf- und Lastinbetriebnahme durch.

4. Materialverbesserungen, um ein erneutes Auftreten zu verhindern : Bei Betriebsbedingungen mit hohen Temperaturen oder starken Vibrationen sollten Sie vorrangig hochwertige Permanentmagnete (z. B. H-, SH-Serie) auswählen und Oberflächenschutzbehandlungen wie PVD-Aluminiumbeschichtung oder Epoxidharz-Verbundbeschichtungen auf die Magnete anwenden, um die Lebensdauer zu verlängern.

5. Wirtschaftliche Bewertung der Wartung : Es muss ein Kostenvergleich zwischen dem Austausch der Rotorbaugruppe und dem vollständigen Austausch des Motors durchgeführt werden. Wenn die Statorwicklungen noch in gutem Zustand sind, ist der Austausch durch einen Originalrotor des gleichen Modells ausreichend, wobei die Kosten und die Durchlaufzeit besser sind als bei einem vollständigen Austausch des Motors und die Leistung wie neu wiederhergestellt wird. Wenn die Reparaturkosten jedoch 60–70 % der Kosten eines neuen Motors erreichen oder übersteigen, wird empfohlen, dem kompletten Motoraustausch Vorrang einzuräumen.