Equilibrio dinámico de rotores de motores de levitación magnética: un análisis completo de los estándares y procesos de prueba G1.0 y G2.5

Los motores de levitación magnética , con sus ventajas de funcionamiento sin contacto, fricción cero y alta eficiencia, están reemplazando gradualmente a los motores tradicionales como la opción principal para maquinaria rotativa de alta velocidad. Sin embargo, durante el funcionamiento a alta velocidad, incluso la más mínima excentricidad de masa en el rotor de levitación magnética puede provocar una vibración desequilibrada grave, que afecta directamente la precisión de la levitación, la estabilidad operativa y la vida útil del motor. Por lo tanto, el equilibrio dinámico (un proceso de fabricación crítico para maquinaria rotativa) es particularmente importante para los motores de levitación magnética.

Este artículo interpreta sistemáticamente los significados y diferencias entre los grados G1.0 y G2.5 en los estándares de equilibrio dinámico ISO y proporciona una introducción en profundidad a los procesos de prueba de equilibrio dinámico para rotores de motores de levitación magnética.

I. Descripción general del sistema de calificaciones de equilibrio dinámico ISO

La clasificación de los grados de equilibrio dinámico se origina en la norma ISO 1940 (ahora actualizada a ISO 21940-11), establecida por la Organización Internacional de Normalización (ISO) en 1940. Esta norma divide la calidad del equilibrio de los rotores rígidos en 11 grados, que van desde la precisión más alta G0,4 hasta el G4000 con los requisitos más bajos, y cada grado aumenta en un factor de 2,5.

La calificación del saldo se indica con la letra 'G' seguida de un número. Su significado físico es la  velocidad de vibración máxima permitida en la superficie del rotor , expresada en mm/s, y también se puede representar como el desequilibrio específico (g·mm/kg). Cuanto menor sea el número de grado, mayor será la precisión de equilibrio requerida.

Fórmula de cálculo central

En la norma ISO, la relación entre el grado de equilibrio G, la excentricidad del rotor e y la velocidad angular ω es:

GRAMO = ω × mi / 1000

Dónde:

·  G – grado de calidad de la balanza (mm/s)

·  ω – velocidad angular de funcionamiento (rad/s)

·  e – excentricidad permitida (μm)

Esta fórmula revela la esencia del equilibrio dinámico:  la precisión del equilibrio depende no sólo de la magnitud del desequilibrio residual, sino también de la velocidad de funcionamiento del rotor . Cuanto mayor es la velocidad, mayor es la vibración provocada por el mismo desequilibrio, por lo que se requiere una mayor precisión de equilibrio.

II. G1.0 y G2.5: Interpretación estándar y escenarios de aplicación

G2.5 – El 'caballo de batalla' de los motores industriales

G2.5 es la  calidad de equilibrio más utilizada  en la industria del motor pequeña y mediana. Sus principales escenarios de aplicación incluyen:

• turbinas de gas

• Husillos de máquinas herramienta

• Motores eléctricos pequeños y medianos.

Para los motores tradicionales, el grado G2.5 ya cumple con los requisitos de vibración y ruido de la gran mayoría de aplicaciones industriales. Las normas IEC establecen explícitamente que el grado de equilibrio del rotor para motores de alta eficiencia debe alcanzar G2.5.

G1.0 – El 'alto estándar' para motores de precisión

G1.0 es un grado de balanza de alta precisión, con requisitos 2,5 veces más estrictos que G2.5. Las aplicaciones típicas incluyen:

• Accionamientos para rectificadoras

• Pequeños rotores de motor de precisión.

• Husillos para máquinas herramienta de alta precisión

• Dispositivos de unidad de audio y vídeo.

¿Cómo elegir motores de levitación magnética?

Los motores de levitación magnética suelen funcionar a velocidades mucho más altas que los motores tradicionales (decenas de miles de rpm o más) y sus requisitos de precisión de vibración y levitación son extremadamente exigentes. Por lo tanto, la selección del grado de equilibrio dinámico para motores de levitación magnética debe considerar de manera integral los siguientes factores:

1. Velocidad de funcionamiento : velocidades más altas imponen requisitos de grado de equilibrio más estrictos.

2. Escenario de aplicación : los equipos de precisión (como bombas moleculares de levitación magnética y sistemas de almacenamiento de energía de volante) a menudo requieren G1.0 o incluso G0.4.

3. Rigidez del rotor : los rotores flexibles pueden requerir una mayor precisión de equilibrio.

En ingeniería práctica, los requisitos de equilibrio de muchos motores de levitación magnética  ya han superado G2.5 y están avanzando hacia G1.0 o incluso G0.4..

III. Cálculo del desequilibrio residual admisible

Después de determinar el grado de equilibrio G, el siguiente paso es calcular el desequilibrio residual permitido del rotor. Este es el indicador cuantitativo más crítico en las pruebas de equilibrio dinámico.

Fórmulas de cálculo

Según la norma ISO, el desequilibrio residual admisible U_per se calcula como:

U_per = 9549 × G × m / n

o

U_per = G × M / (ω × 1000)

Dónde:

• U_per – desequilibrio residual permitido (g·mm)

• G – grado de calidad de la balanza (mm/s)

• m / M – masa del rotor (kg)

• n – velocidad de funcionamiento (rpm)

• ω – velocidad angular de funcionamiento (rad/s)

Ejemplo de cálculo

Suponga que el rotor de un motor de levitación magnética tiene una masa de 50 kg y una velocidad de funcionamiento de 30 000 rpm:

• Si se selecciona  G2.5  : U_per = 9549 × 2,5 × 50 / 30000 ≈  39,8 g·mm

• Si se selecciona  G1.0  : U_per = 9549 × 1,0 × 50 / 30000 ≈  15,9 g·mm

Se puede observar que, en las mismas condiciones, el desequilibrio residual permisible para G1.0 es sólo el 40% del de G2.5. Para los motores de levitación magnética de alta velocidad, esto significa  una precisión de recorte de peso a nivel de miligramos..

Asignación a planos de corrección

Para rotores que requieren un equilibrio en dos planos (relación longitud-diámetro > 0,5), el desequilibrio total permitido debe distribuirse entre los dos planos de corrección. La relación de asignación se calcula normalmente en proporción inversa a las distancias desde los planos de corrección al centro de gravedad del rotor.

IV. Procesos de prueba de equilibrio dinámico para rotores de motores de levitación magnética

El equilibrio dinámico de los motores de levitación magnética se diferencia fundamentalmente del de los motores tradicionales debido a su método de soporte único:  levitación sin contacto mediante cojinetes magnéticos..

1. Limitaciones de los métodos de equilibrio tradicionales

Los métodos de equilibrio tradicionales requieren una máquina equilibradora dedicada donde el rotor está soportado por cojinetes mecánicos (rodillos o bloques en V) para medición y corrección. Sin embargo, el estado operativo real de un rotor de levitación magnética está respaldado por las fuerzas de levitación de los cojinetes magnéticos. El soporte mecánico no puede simular las condiciones reales de trabajo y puede introducir perturbaciones adicionales en el soporte.

2. Métodos de equilibrio para rotores de levitación magnética

(1) Equilibrio en línea

El equilibrio en línea se refiere a las operaciones de equilibrio realizadas  mientras el sistema de levitación magnética está en funcionamiento normal . El concepto central es utilizar los sensores inherentes al sistema de rodamiento magnético (sensores de desplazamiento, sensores de corriente, etc.) para adquirir señales de vibración del rotor y luego utilizar algoritmos para deducir la magnitud y fase del desequilibrio, determinando así la estrategia de corrección.

Este método elimina la necesidad de desmontar el rotor del equipo, mejorando enormemente la eficiencia del equilibrio.

(2) Equilibrio sin peso de prueba

Los métodos de equilibrio tradicionales requieren múltiples ejecuciones de prueba (agregar pesos de prueba → medir → ajustar) para obtener coeficientes de influencia, lo cual es ineficiente. Para abordar esto, los investigadores han propuesto  métodos de prueba de equilibrio sin peso basados ​​en las características de control activo de los rodamientos magnéticos..

Este método aprovecha la controlabilidad activa de los rodamientos magnéticos para generar fuerzas electromagnéticas controlables en el estado de levitación estática, simulando las fuerzas centrífugas que los pesos de prueba reales producirían durante la rotación. Esto permite identificar los coeficientes de influencia sin instalar físicamente pesas de prueba, lo que simplifica significativamente el procedimiento.

(3) Equilibrio en sitio

El equilibrio in situ se refiere a las operaciones de equilibrio realizadas en el lugar de instalación real del equipo. A diferencia de los métodos tradicionales en los que se retira el rotor y se envía a una instalación de prueba, el equilibrio in situ tiene en cuenta  los efectos integrales de todo el sistema  (incluida la rigidez de los rodamientos, las condiciones de instalación, las vibraciones de los cimientos, etc.), proporcionando resultados de equilibrio que se adaptan mejor a las condiciones operativas reales.

3. Procedimiento de prueba típico

Tomando como ejemplo un soplador centrífugo de levitación magnética, un procedimiento típico de prueba de equilibrio dinámico es el siguiente:

Paso 1: Inspección previa
Antes de equilibrarlo, el rotor debe someterse a una inspección visual y dimensional para confirmar que no haya defectos de mecanizado, rebabas o materias extrañas adheridas.

Paso 2: Medición inicial
En una máquina equilibradora dedicada o en el sistema de levitación magnética, realice una prueba a aproximadamente el 70 % de la velocidad de funcionamiento para recopilar datos de fase y amplitud de vibración.

Paso 3: Identificación del desequilibrio
Mediante el procesamiento de señales, extraiga el componente de vibración sincrónica del rotor y combínelo con el modelo de dinámica del rotor para deducir la magnitud y la fase del desequilibrio.

Paso 4: Corrección y verificación
Según los resultados del cálculo, agregue o elimine peso en las posiciones especificadas, luego mida nuevamente para verificar que se haya alcanzado el grado de equilibrio objetivo.

Paso 5: Verificación del rango de velocidad completa
Realice mediciones de vibración en múltiples puntos de velocidad dentro del rango de velocidad de operación (incluidas velocidades cercanas a las críticas) para garantizar que los niveles de vibración en todas las velocidades cumplan con los requisitos.

4. Desafíos técnicos en el equilibrio por levitación magnética

Equilibrar los rotores de levitación magnética presenta varios desafíos únicos:

• Efectos del rotor flexible : los rotores de levitación magnética de alta velocidad a menudo funcionan por encima de velocidades críticas y son rotores flexibles; su distribución de desequilibrio puede variar con la velocidad, lo que requiere un equilibrio multimodal.

• Interferencia de fuerzas electromagnéticas : las fuerzas electromagnéticas de los rodamientos magnéticos pueden introducir por sí mismas fuerzas de vibración sincrónicas adicionales, que deben distinguirse y compensarse en los algoritmos.

•  Precisión del sensor : la precisión de los sensores de desplazamiento y corriente afecta directamente la confiabilidad de la identificación del desequilibrio.

V. Conclusión

El equilibrio dinámico es el paso clave que lleva a un motor de levitación magnética de simplemente 'poder girar' a 'girar bien'. G1.0 y G2.5 no son sólo dos etiquetas numéricas; representan diferentes niveles de precisión y requisitos de ingeniería. Para los motores de levitación magnética, a medida que las velocidades continúan aumentando y las aplicaciones se vuelven cada vez más sofisticadas, el paso de G2.5 a G1.0 e incluso grados de precisión más altos se ha convertido en una tendencia inevitable.

Al mismo tiempo, el método de soporte único de los motores de levitación magnética ha dado lugar a procesos de equilibrio innovadores, como el equilibrio en línea y el equilibrio sin peso de prueba. Estas tecnologías no sólo mejoran la eficiencia del equilibrio, sino que también transforman el equilibrio dinámico de un 'paso de inspección previo al envío' a una 'herramienta de mantenimiento del ciclo de vida completo'.

Comprender los estándares, dominar los métodos y ejecutar con precisión: esta es la esencia central del equilibrio dinámico para rotores de motores de levitación magnética.