Tres fallas principales de los rotores de motores de flujo axial: ¿reparar o reemplazar? Una guía clara para reparar los límites

Los motores de flujo axial, con su alta densidad de potencia, estructura compacta y excelentes características de par, se utilizan cada vez más en vehículos de nueva energía, servos industriales, energía eólica y otros campos. Sin embargo, a medida que se acumulan las horas de funcionamiento y las condiciones de trabajo se vuelven más complejas, el rotor (el componente giratorio central del motor) inevitablemente experimentará varias fallas. Entre ellos, el daño superficial del rotor del motor de flujo axial, la desmagnetización del imán permanente (acero magnético) y la falla del equilibrio dinámico son los tres tipos de fallas más comunes. Ante estos problemas, la principal preocupación del personal de mantenimiento es:  ¿Qué averías se pueden reparar? ¿Cuáles requieren reemplazo? ¿Se pueden garantizar el rendimiento y la confiabilidad después de la reparación?

1. Daños en la superficie del rotor: los daños menores se pueden reparar, los daños graves requieren reemplazo

1.1 Causas y manifestaciones de fallas

El daño superficial de un rotor de motor de flujo axial generalmente es causado por roce (fricción entre el estator y el rotor), la intrusión de objetos extraños o el hundimiento del rotor debido a una falla del rodamiento. Identificar el tipo de daño ayuda a localizar la causa raíz: si la superficie del rotor tiene una sola marca de roce mientras toda la superficie del estator está rayada, a menudo es causado por un eje doblado o un desequilibrio del rotor; Si la superficie del estator tiene solo una marca de roce mientras que la superficie del rotor está rayada en toda su circunferencia, esto se debe a una falta de concentricidad entre el estator y el rotor, comúnmente debido a la deformación del marco y las espigas del escudo del extremo, o al desgaste severo de los cojinetes.

1.2 ¿Cuándo se puede reparar?

Los daños superficiales menores  generalmente son reparables. Según los estándares de la industria, se permiten métodos de raspado o pulido para eliminar daños leves en la superficie interior del estator y la superficie exterior del rotor, siempre que la temperatura de la superficie del motor después de la reparación cumpla con las normas pertinentes. Los criterios específicos son:

• La profundidad del daño está dentro del rango mecanizable (generalmente menos de 0,5 mm) y no afecta la integridad estructural general del núcleo del rotor.

• No se ha producido ningún cortocircuito de gran superficie ni fusión de chapas de acero al silicio. Si se produce una quema localizada de los dientes centrales, las partes fundidas y fusionadas se pueden limar y las áreas dañadas se pueden reparar con resina epoxi.

• Después de la reparación, la uniformidad del espacio de aire aún puede cumplir con los requisitos de diseño y se satisface la clasificación de temperatura de la superficie.

En cuanto a las técnicas de reparación, los rayones leves y las manchas de óxido se pueden pulir con una lija fina humedecida en aceite, comprobando frecuentemente las desviaciones de redondez con un micrómetro. Para daños en las superficies de contacto, como el desgaste del muñón del eje, se pueden utilizar tecnologías de ingeniería de superficies como revestimiento láser, galvanoplastia con cepillo y pulverización térmica. Estos procesos de reparación operan a bajas temperaturas y no causarán deformación del eje ni alterarán la estructura metalográfica.

1.3 ¿Cuándo se debe reemplazar?

•  La profundidad del daño es demasiado grande, excede el rango de tolerancia de diseño y la reparación continua destruiría la estructura central.

•  Se han producido cortocircuitos de gran superficie o delaminación de láminas de acero al silicio, lo que ha provocado un aumento significativo de las pérdidas por corrientes parásitas y el sobrecalentamiento del núcleo.

• El núcleo del rotor ha sufrido una deformación estructural irrecuperable y aún no se puede garantizar la uniformidad del entrehierro incluso después de la reparación.

• El daño se ha extendido a puntos débiles en la estructura de la base del rotor y el costo de reparación se aproxima o excede el costo de reemplazo.

2. Desmagnetización del imán: leve a moderada se puede reparar mediante remagnetización, la grave requiere reemplazo

2.1 Causas y mecanismos de desmagnetización

La esencia de la desmagnetización de imanes permanentes es un cambio irreversible en la estructura del dominio magnético que, según la causa, se divide principalmente en tres categorías:

• Desmagnetización térmica : Ocurre cuando la temperatura del imán permanente excede el límite de tolerancia de su grado de material. Para NdFeB, por ejemplo, la temperatura de Curie es de aproximadamente 310°C, por encima de la cual se produce la pérdida magnética total. Los datos experimentales muestran que después de 1000 horas de funcionamiento continuo a 150 °C, los imanes de NdFeB pueden experimentar una pérdida de flujo del 3 % al 5 %.

• Desmagnetización de campo inverso : los campos magnéticos inversos generados por condiciones anormales como sobrecargas o cortocircuitos provocan la inversión del dominio magnético local. En el motor de un vehículo de nueva energía, en condiciones de sobrecarga del 200%, la densidad del flujo magnético se redujo entre un 7% y un 12%.

• Desmagnetización por corrosión química : los materiales NdFeB se oxidan en ambientes cálidos y húmedos, provocando una decadencia gradual de las propiedades magnéticas. Las pruebas de niebla salina indican que los imanes desprotegidos pueden experimentar hasta un 15% de pérdida de flujo después de 500 horas.

¿Cómo determinar in situ si los imanes están desmagnetizados? El método más intuitivo: después de la desmagnetización, la velocidad sin carga del motor aumenta notablemente, la corriente de carga aumenta y el par de frenado disminuye. Una detección más precisa requiere el uso de un medidor de Tesla (Gaussímetro) para medir la intensidad del campo magnético de la superficie, o detectando el EMF posterior y comparándolo con los parámetros originales.

2.2 ¿Cuándo se puede reparar?

La reparabilidad de la desmagnetización depende del  grado de desmagnetización , y se recomienda evaluar en base a la siguiente clasificación:

La desmagnetización leve  suele deberse a un sobrecalentamiento breve o una ligera sobrecorriente y tiene una gran reversibilidad. El plan de tratamiento incluye primero optimizar la disipación de calor, limitar la sobrecarga y estabilizar el suministro de energía, luego usar un magnetizador de pulsos de alto voltaje para magnetizar direccionalmente los imanes permanentes del rotor. Después de la magnetización, verifique con un Gaussímetro que el campo magnético haya recuperado su valor original. Según la práctica de la industria, los equipos de magnetización profesionales pueden recuperar más del 95% de su rendimiento original.

La desmagnetización moderada  requiere desmontar el motor, probar los imanes permanentes uno por uno, seleccionar unidades muy desmagnetizadas, unir o incrustar nuevos imanes del mismo grado y tamaño con precisión según la polaridad original y, después de la magnetización completa, realizar pruebas de corriente sin carga, par y eficiencia.

2.3 ¿Cuándo se debe reemplazar?

Las siguientes situaciones exigen una sustitución decisiva en lugar de nuevos intentos de reparación:

• La remanencia de los imanes permanentes está por debajo del 80 % del valor de diseño y no se puede restablecer el rendimiento nominal después de la magnetización.

• Los imanes muestran daños estructurales (grietas, fracturas, corrosión severa) de modo que no se puede garantizar la resistencia mecánica y la vida útil incluso después de la magnetización.

• Se ha producido una desmagnetización irreversible, lo que significa que el propio material del imán permanente ha envejecido o ha sufrido corrosión química hasta el punto de que la remanencia no se puede restaurar mediante la magnetización.

•  La desmagnetización ha provocado caídas tan graves en la eficiencia del motor y un aumento anormal de la temperatura que los costos de reparación superan el costo de reemplazar todo el motor.

3. Fallo del equilibrio dinámico: la gran mayoría son reparables, muy pocos requieren reemplazo

3.1 Causas de falla y diagnóstico

El desequilibrio del rotor es la fuente de falla más común en la maquinaria rotativa; las estadísticas muestran que el 70% de las fallas por vibración en la maquinaria rotativa se deben al desequilibrio del sistema del rotor. La causa principal es la desalineación del centro de masa del rotor con su eje geométrico, lo que crea una excentricidad de masa que genera una fuerza de inercia centrífuga durante la rotación, que se manifiesta como una mayor vibración radial y un desgaste acelerado de los rodamientos.

Sin embargo, antes de realizar la corrección del equilibrio dinámico, primero se debe hacer una cosa importante: analizar la causa raíz de la vibración anormal , porque puede que no sea un problema de equilibrio dinámico. Si el equipo tiene mucha holgura, resonancia, ejes agrietados, daños en los cojinetes, desalineación o asentamiento de los cimientos, la corrección del equilibrio dinámico no logrará los resultados esperados.

La firma de vibración típica del desequilibrio es que el período de vibración es sincrónico con la velocidad de operación (dominada por 1x frecuencia de rotación), la amplitud de la vibración radial es la más alta y la amplitud y la fase exhiben estabilidad y repetibilidad.

3.2 ¿Cuándo se puede reparar?

La gran mayoría de los problemas de falla del equilibrio dinámico se pueden recuperar mediante corrección en el sitio o en fábrica , a menos que el propio rotor haya sufrido daños estructurales.

El equilibrio dinámico in situ  es una tecnología madura ampliamente utilizada en la industria actual. Este método realiza la medición de la vibración y la corrección del equilibrio bajo la velocidad de funcionamiento real del rotor y las condiciones de instalación, sin la necesidad de desmontar el rotor y enviarlo de regreso a la fábrica. Puede ahorrar entre 3 y 5 días de tiempo y costos de transporte, al tiempo que evita el riesgo de daños secundarios durante el desmontaje y montaje. Los métodos de corrección incluyen principalmente la adición de peso (fijación de contrapesos, tornillos, remachado, soldadura) y la eliminación de peso (perforación, rectificado, fresado), y la elección específica depende de la estructura del rotor y los requisitos del proceso.

La precisión de la corrección sigue los estándares ISO 1940-1 / GB/T 9239.1 y el desequilibrio residual se puede controlar a niveles extremadamente bajos. En escenarios de fabricación de precisión, la precisión del equilibrio dinámico puede alcanzar el grado G1 (el grado de precisión más alto en ISO 1940-1), eliminando efectivamente los riesgos de vibración.

El marco del disco del rotor de un rotor de motor de flujo axial está hecho principalmente de materiales compuestos no magnéticos y tiene una masa relativamente liviana. Sin embargo, una vez que el estado del equilibrio cambia durante la operación debido a las siguientes razones, la corrección se vuelve aún más crítica:

• Corrosión, desgaste o incrustaciones de componentes giratorios durante el funcionamiento.

•  Adhesión de objetos extraños que provocan excentricidad de la masa.

• Desequilibrio que varía lentamente causado por deformación térmica o mecánica.

En la gran mayoría de los casos anteriores, la función normal se puede restaurar mediante la corrección del equilibrio dinámico profesional.

3.3 ¿Cuándo se debe reemplazar?

En las siguientes situaciones, la corrección del equilibrio dinámico no es efectiva y es necesario reemplazar el rotor:

• El eje del rotor presenta grietas o fracturas. Cabe señalar que si la extensión de la grieta no excede el 10 % de la circunferencia del muñón del eje, la soldadura de reparación seguida de un mecanizado plano puede permitir el uso continuo; sin embargo, si excede este rango, se debe reemplazar el eje. Si la grieta se ha propagado al núcleo del eje, se debe reemplazar todo el rotor.

• El núcleo del rotor ha sufrido deformaciones o daños estructurales irreversibles y aún no se puede garantizar la precisión del equilibrio después de la corrección.

• Los componentes giratorios se han desprendido (p. ej., caída de contrapesos, rotura de pala) y el daño es irreparable.

•  La vibración aún excede los límites después de múltiples correcciones de equilibrio dinámico, lo que indica serios problemas existentes con la estructura de la base del rotor.

Vale la pena mencionar que, debido a su diseño estructural modular, los motores de flujo axial tienen una cierta ventaja durante el mantenimiento: solo es necesario reemplazar el módulo defectuoso, lo que reduce la dificultad de revisión y los costos de mantenimiento.

4. Resumen: una tabla para entender la reparación frente al reemplazo

5. Recomendaciones de mantenimiento y medidas preventivas

1. La inspección periódica es el requisito previo : establecer un mecanismo de inspección de rutina. Utilice un gaussímetro para realizar comprobaciones puntuales periódicas de la atenuación del campo magnético y un analizador de vibraciones para realizar pruebas periódicas del equilibrio dinámico, a fin de eliminar fallas en sus primeras etapas.

2. Diagnosticar antes de actuar : Antes de cualquier operación de reparación, primero se debe identificar claramente la causa de la falla. Especialmente en el caso de problemas de equilibrio dinámico, primero se deben descartar factores de desequilibrio, como daños en los rodamientos, desalineación y holgura; de lo contrario, la corrección del saldo será inútil.

3. La remagnetización requiere una operación profesional : las operaciones de magnetización implican equipos de pulsos de alto voltaje y deben ser realizadas por personal calificado en un ambiente aislado y blindado. Después de la magnetización, verifique el rendimiento con un gaussímetro y realice la puesta en servicio con carga y sin carga después de la reinstalación.

4. Mejoras de materiales para evitar la recurrencia : para condiciones operativas de alta temperatura o alta vibración, priorice la selección de imanes permanentes de alta calidad (por ejemplo, series H, SH) y aplique tratamientos protectores de superficie como recubrimiento de aluminio PVD o recubrimientos compuestos de epoxi a los imanes para extender la vida útil.

5. Evaluación económica del mantenimiento : Es necesario hacer una comparación de costos entre el reemplazo del conjunto del rotor y el reemplazo completo del motor; cuando los devanados del estator todavía están en buenas condiciones, es suficiente reemplazarlo con un rotor genuino del mismo modelo, con costos y tiempo de respuesta mejores que un reemplazo completo del motor y un rendimiento restaurado como nuevo. Sin embargo, cuando los costos de reparación se acercan o superan el 60%-70% del costo de un motor nuevo, se recomienda priorizar el reemplazo completo del motor.