Três falhas principais dos rotores do motor de fluxo axial: reparar ou substituir? Um guia claro para reparar limites

Os motores de fluxo axial, com alta densidade de potência, estrutura compacta e excelentes características de torque, são cada vez mais utilizados em veículos de novas energias, servos industriais, energia eólica e outros campos. No entanto, à medida que as horas de funcionamento se acumulam e as condições de trabalho se tornam mais complexas, o rotor – o principal componente rotativo do motor – irá inevitavelmente sofrer várias falhas. Entre eles, danos superficiais do rotor do motor de fluxo axial, desmagnetização de ímã permanente (aço magnético) e falha de equilíbrio dinâmico são os três tipos de falha mais comuns. Diante destes problemas, a principal preocupação do pessoal de manutenção é:  Quais falhas podem ser reparadas? Quais requerem substituição? O desempenho e a confiabilidade podem ser garantidos após o reparo?

1. Danos na superfície do rotor: danos menores são reparáveis, danos graves requerem substituição

1.1 Causas e Manifestações de Falhas

Danos na superfície de um rotor de motor de fluxo axial são normalmente causados ​​por fricção (fricção entre o estator e o rotor), intrusão de objetos estranhos ou afundamento do rotor devido a falha do rolamento. Identificar o tipo de dano ajuda a localizar a causa raiz: se a superfície do rotor apresentar uma única marca de fricção enquanto toda a superfície do estator estiver arranhada, isso geralmente é causado por um eixo torto ou desequilíbrio do rotor; se a superfície do estator tiver apenas uma marca de atrito enquanto a superfície do rotor estiver arranhada em toda a sua circunferência, isso resulta da não concentricidade entre o estator e o rotor, geralmente devido à deformação da estrutura e das pontas da tampa da extremidade ou ao desgaste severo do rolamento.

1.2 Quando pode ser reparado?

Danos superficiais menores  geralmente são reparáveis. De acordo com os padrões da indústria, métodos de raspagem ou retificação são permitidos para eliminar danos leves na superfície interna do estator e na superfície externa do rotor, desde que a temperatura da superfície do motor após o reparo esteja em conformidade com os padrões relevantes. Os critérios específicos são:

• A profundidade do dano está dentro da faixa usinável (geralmente inferior a 0,5 mm) e não afeta a integridade estrutural geral do núcleo do rotor.

• Não ocorreu nenhum curto-circuito em grandes áreas ou derretimento de chapas de aço silício. Se ocorrer queima localizada nos dentes centrais, as partes derretidas e fundidas podem ser lixadas e as áreas danificadas podem ser reparadas com resina epóxi.

• Após o reparo, a uniformidade do entreferro ainda pode atender aos requisitos do projeto e a classificação de temperatura da superfície é satisfeita.

Quanto às técnicas de reparo, arranhões leves e manchas de ferrugem podem ser polidos com lixa fina umedecida em óleo, sendo os desvios de circularidade verificados frequentemente com um micrômetro. Para danos superficiais correspondentes, como desgaste do munhão do eixo, podem ser usadas tecnologias de engenharia de superfície, como revestimento a laser, galvanoplastia com escova e pulverização térmica. Esses processos de reparo operam em baixas temperaturas e não causam deformação do eixo nem alteram a estrutura metalográfica.

1.3 Quando deve ser substituído?

•  A profundidade do dano é muito grande, excedendo a faixa de tolerância do projeto, e o reparo continuado destruiria a estrutura central.

•  Ocorreram curtos-circuitos em grandes áreas ou delaminação de chapas de aço silício, levando a um aumento significativo nas perdas por correntes parasitas e ao superaquecimento do núcleo.

• O núcleo do rotor sofreu deformação estrutural irrecuperável e a uniformidade do entreferro ainda não pode ser garantida mesmo após o reparo.

• Os danos estenderam-se a pontos fracos na estrutura da base do rotor e o custo de reparação é próximo ou superior ao custo de substituição.

2. Desmagnetização magnética: leve a moderada é reparável por remagnetização, severa requer substituição

2.1 Causas e Mecanismos de Desmagnetização

A essência da desmagnetização do ímã permanente é uma mudança irreversível na estrutura do domínio magnético, que, com base na causa, se enquadra principalmente em três categorias:

• Desmagnetização Térmica : Ocorre quando a temperatura do ímã permanente excede o limite de tolerância do seu tipo de material. Para o NdFeB, por exemplo, a temperatura Curie é de cerca de 310°C, acima da qual ocorre perda magnética total. Dados experimentais mostram que após 1000 horas de operação contínua a 150°C, os ímãs de NdFeB podem sofrer uma perda de fluxo de 3% a 5%.

• Desmagnetização de campo reverso : Campos magnéticos reversos gerados por condições anormais, como sobrecarga ou curto-circuitos, causam reversão de domínio magnético local. Em um motor de veículo de nova energia, sob condições de sobrecarga de 200%, a densidade do fluxo magnético caiu de 7% a 12%.

• Desmagnetização por corrosão química : Os materiais NdFeB oxidam em ambientes quentes e úmidos, causando uma deterioração gradual nas propriedades magnéticas. Testes de névoa salina indicam que ímãs desprotegidos podem sofrer perda de fluxo de até 15% após 500 horas.

Como determinar no local se os ímãs estão desmagnetizados? O método mais intuitivo: após a desmagnetização, a velocidade sem carga do motor aumenta acentuadamente, a corrente de carga aumenta e o torque de frenagem diminui. Uma detecção mais precisa requer o uso de um medidor Tesla (Gaussmeter) para medir a intensidade do campo magnético da superfície ou detectando o EMF traseiro e comparando-o com os parâmetros originais.

2.2 Quando pode ser reparado?

A reparabilidade da desmagnetização depende do  grau de desmagnetização , e recomenda-se avaliar com base na seguinte classificação:

A desmagnetização leve  é ​​​​geralmente causada por superaquecimento de curto prazo ou leve sobrecorrente e tem forte reversibilidade. O plano de tratamento inclui primeiro a otimização da dissipação de calor, a limitação da sobrecarga e a estabilização da fonte de alimentação e, em seguida, o uso de um magnetizador de pulso de alta tensão para magnetizar direcionalmente os ímãs permanentes do rotor. Após a magnetização, verifique com um Gaussímetro se o campo magnético recuperou o seu valor original. De acordo com a prática da indústria, o equipamento profissional de magnetização pode recuperar mais de 95% do desempenho original.

A desmagnetização moderada  requer a desmontagem do motor, o teste dos ímãs permanentes um por um, a seleção das unidades severamente desmagnetizadas, a ligação ou incorporação de novos ímãs do mesmo grau e tamanho precisamente de acordo com a polaridade original e, após a magnetização completa, a realização de testes de corrente, torque e eficiência sem carga.

2.3 Quando deve ser substituído?

As seguintes situações exigem uma substituição decisiva em vez de novas tentativas de reparação:

• A remanência de ímãs permanentes está abaixo de 80% do valor de projeto e não pode ser restaurada ao desempenho nominal após a magnetização.

• Os ímãs apresentam danos estruturais (rachaduras, fraturas, corrosão severa) de tal forma que a resistência mecânica e a vida útil não podem ser garantidas mesmo após a magnetização.

• Ocorreu desmagnetização irreversível, o que significa que o próprio material do ímã permanente envelheceu ou sofreu corrosão química a tal ponto que a remanência não pode ser restaurada através da magnetização.

•  A desmagnetização levou a quedas tão severas na eficiência do motor e ao aumento anormal da temperatura que os custos de reparo excedem o custo de substituição de todo o motor.

3. Falha no equilíbrio dinâmico: a grande maioria é reparável, muito poucos requerem substituição

3.1 Causas de Falha e Diagnóstico

O desequilíbrio do rotor é a fonte de falha mais comum em máquinas rotativas – as estatísticas mostram que 70% das falhas por vibração em máquinas rotativas decorrem do desequilíbrio do sistema do rotor. A causa raiz é o desalinhamento do centro de massa do rotor com seu eixo geométrico, criando excentricidade de massa que gera força inercial centrífuga durante a rotação, manifestando-se como aumento da vibração radial e desgaste acelerado do rolamento.

Contudo, antes de realizar a correção do equilíbrio dinâmico, uma coisa importante deve ser feita primeiro: analisar a causa raiz da vibração anormal , porque pode não ser um problema de equilíbrio dinâmico. Se o equipamento apresentar frouxidão grave, ressonância, eixos rachados, danos nos rolamentos, desalinhamento ou recalque da fundação, a correção do equilíbrio dinâmico não alcançará os resultados esperados.

A assinatura de vibração típica de desequilíbrio é que o período de vibração é síncrono com a velocidade de operação (dominada por 1× frequência rotacional), a amplitude de vibração radial é a mais alta e a amplitude e a fase exibem estabilidade e repetibilidade.

3.2 Quando pode ser reparado?

A grande maioria dos problemas de falha de equilíbrio dinâmico pode ser recuperada através de correção no local ou na fábrica , a menos que o próprio rotor tenha sofrido danos estruturais.

O balanceamento dinâmico no local  é uma tecnologia madura amplamente utilizada na indústria atualmente. Este método realiza medição de vibração e correção de equilíbrio sob a velocidade real de operação do rotor e condições de instalação, sem a necessidade de desmontar o rotor e enviá-lo de volta à fábrica. Pode economizar cerca de 3 a 5 dias de tempo e custos de transporte, evitando o risco de danos secundários durante a desmontagem e remontagem. Os métodos de correção incluem principalmente adição de peso (fixação de pesos de equilíbrio, parafusos, rebitagem, soldagem) e remoção de peso (perfuração, retificação, fresagem), com a escolha específica dependendo da estrutura do rotor e dos requisitos do processo.

A precisão da correção segue os padrões ISO 1940-1 / GB/T 9239.1 e o desequilíbrio residual pode ser controlado em níveis extremamente baixos. Em cenários de fabricação de precisão, a precisão da balança dinâmica pode atingir o grau G1 (o grau de precisão mais alto na ISO 1940-1), eliminando efetivamente os riscos de vibração.

A estrutura do disco do rotor de um rotor de motor de fluxo axial é feita principalmente de materiais compósitos não magnéticos e tem massa relativamente leve. Contudo, uma vez que o estado do equilíbrio muda durante a operação devido aos seguintes motivos, a correção torna-se ainda mais crítica:

• Corrosão, desgaste ou escamação de componentes rotativos durante a operação.

•  Adesão de objetos estranhos causando excentricidade de massa.

• Desequilíbrio de variação lenta causado por deformação térmica ou mecânica.

Na grande maioria dos casos acima, a função normal pode ser restaurada através da correção profissional do equilíbrio dinâmico.

3.3 Quando deve ser substituído?

Nas seguintes situações, a correção do equilíbrio dinâmico é ineficaz e o rotor precisa ser substituído:

• O eixo do rotor apresenta rachaduras ou fraturas. Deve-se notar que se a extensão da trinca não exceder 10% da circunferência do munhão do eixo, a soldagem de reparo seguida de usinagem plana pode permitir o uso contínuo; entretanto, se exceder esta faixa, o eixo deverá ser substituído. Se a rachadura se propagou para o núcleo do eixo, todo o rotor deverá ser substituído.

• O núcleo do rotor sofreu deformações ou danos estruturais irreversíveis e a precisão do equilíbrio ainda não pode ser garantida após a correção.

• Os componentes rotativos se soltaram (por exemplo, queda dos pesos da balança, fratura da lâmina) e os danos são irreparáveis.

•  A vibração ainda excede os limites após múltiplas correções de equilíbrio dinâmico, indicando sérios problemas existentes na estrutura da base do rotor.

Vale ressaltar que, devido ao seu projeto estrutural modular, os Motores de Fluxo Axial apresentam uma certa vantagem na manutenção – apenas o módulo defeituoso precisa ser substituído, reduzindo a dificuldade de revisão e os custos de manutenção.

4. Resumo: uma tabela para entender o reparo versus substituição

5. Recomendações de Manutenção e Medidas Preventivas

1. A inspeção regular é o pré-requisito : Estabelecer um mecanismo de inspeção de rotina. Use um Gaussmeter para verificações periódicas da atenuação do campo magnético e um analisador de vibração para testes regulares de equilíbrio dinâmico, para eliminar falhas em seus estágios iniciais.

2. Diagnosticar antes de agir : Antes de qualquer operação de reparo, a causa da falha deve primeiro ser claramente identificada. Especialmente para questões de equilíbrio dinâmico, os fatores de desequilíbrio, como danos, desalinhamento e folgas nos rolamentos, devem ser descartados primeiro; caso contrário, a correção do equilíbrio será inútil.

3. A remagnetização requer operação profissional : As operações de magnetização envolvem equipamentos de pulso de alta tensão e devem ser realizadas por pessoal qualificado em um ambiente isolado e blindado. Após a magnetização, verifique o desempenho com um gaussímetro e realize o comissionamento sem carga e com carga após a reinstalação.

4. Atualizações de materiais para evitar recorrência : Para condições operacionais de alta temperatura ou alta vibração, priorize a seleção de ímãs permanentes de alta qualidade (por exemplo, séries H, SH) e aplique tratamentos de proteção de superfície, como revestimento de alumínio PVD ou revestimentos compostos de epóxi, aos ímãs para prolongar a vida útil.

5. Avaliação Econômica de Manutenção : É necessário fazer uma comparação de custos entre a substituição do conjunto do rotor e a substituição completa do motor – quando os enrolamentos do estator ainda estão em boas condições, a substituição por um rotor genuíno do mesmo modelo é suficiente, com custos e tempo de resposta melhores do que uma substituição completa do motor, e o desempenho restaurado para como novo. No entanto, quando os custos de reparo se aproximam ou excedem 60% a 70% do custo de um motor novo, recomenda-se priorizar a substituição completa do motor.