Три основные неисправности роторов двигателей с осевым магнитным потоком: ремонт или замена? Четкое руководство по восстановлению границ

Двигатели с осевым магнитным потоком, обладающие высокой удельной мощностью, компактной конструкцией и превосходными характеристиками крутящего момента, все чаще используются в транспортных средствах с новыми источниками энергии, промышленных сервоприводах, ветроэнергетике и других областях. Однако по мере накопления часов работы и усложнения условий труда ротор — основной вращающийся компонент двигателя — неизбежно будет испытывать различные неисправности. Среди них повреждение поверхности ротора двигателя с осевым магнитным потоком, размагничивание постоянных магнитов (магнитной стали) и нарушение динамического баланса являются тремя наиболее распространенными типами неисправностей. Столкнувшись с этими проблемами, основной задачей обслуживающего персонала является:  какие неисправности можно устранить? Какие требуют замены? Можно ли гарантировать работоспособность и надежность после ремонта?

1. Повреждение поверхности ротора: незначительные повреждения подлежат ремонту, серьезные повреждения требуют замены.

1.1 Причины и проявления неисправностей

Поверхностное повреждение ротора двигателя с осевым магнитным потоком обычно вызвано трением (трением между статором и ротором), проникновением посторонних предметов или опусканием ротора из-за отказа подшипника. Определение типа повреждения помогает определить первопричину: если на поверхности ротора имеется единственная царапина, а вся поверхность статора поцарапана, это часто вызвано изогнутым валом или дисбалансом ротора; Если на поверхности статора имеется только одна отметка потертости, а поверхность ротора поцарапана по всей окружности, это происходит из-за несоосности между статором и ротором, обычно из-за деформации рамы и выступов концевого щита, или сильного износа подшипников.

1.2 Когда его можно отремонтировать?

Небольшие поверхностные повреждения,  как правило, поддаются ремонту. По отраслевым стандартам для устранения легких повреждений на внутренней поверхности статора и наружной поверхности ротора допускаются методы шабрения или шлифования при условии, что температура поверхности двигателя после ремонта соответствует соответствующим стандартам. Конкретными критериями являются:

• Глубина повреждения находится в пределах механической обработки (обычно менее 0,5 мм) и не влияет на общую структурную целостность сердечника ротора.

• Никакого короткого замыкания большой площади или плавления листов кремнистой стали не произошло. При возникновении локального пригорания культевых зубов оплавленные и оплавленные части можно опилить, а поврежденные участки заделать эпоксидной смолой.

• После ремонта однородность воздушного зазора по-прежнему может соответствовать проектным требованиям, а номинальная температура поверхности соответствует требованиям.

Что касается техники ремонта, то легкие царапины и пятна ржавчины можно заполировать мелкой наждачкой, смоченной в масле, а отклонения от круглости часто проверять микрометром. Для устранения повреждений сопрягаемых поверхностей, таких как износ шейки вала, можно использовать такие технологии обработки поверхности, как лазерная наплавка, щеточная гальваника и термическое напыление. Эти ремонтные процессы выполняются при низких температурах и не вызывают деформации вала или изменения металлографической структуры.

1.3 Когда его необходимо заменить?

•  Глубина повреждения слишком велика и превышает расчетный диапазон допуска, и продолжение ремонта приведет к разрушению основной конструкции.

•  Произошли короткие замыкания большой площади или расслоение листов кремнистой стали, что привело к значительному увеличению потерь на вихревые токи и перегреву сердечника.

• Сердечник ротора претерпел неустранимую структурную деформацию, и однородность воздушного зазора по-прежнему не может быть гарантирована даже после ремонта.

• Повреждение распространилось на слабые места в конструкции основания ротора, а стоимость ремонта близка к стоимости замены или превышает ее.

2. Размагничивание магнита: от легкой до умеренной можно устранить путем повторного намагничивания, сильная требует замены.

2.1 Причины и механизмы размагничивания

Суть размагничивания постоянных магнитов заключается в необратимом изменении магнитной доменной структуры, которое в зависимости от причины в основном делится на три категории:

• Термическое размагничивание : происходит, когда температура постоянного магнита превышает предел допуска для марки материала. Например, для NdFeB температура Кюри составляет около 310°C, выше которой происходят полные магнитные потери. Экспериментальные данные показывают, что после 1000 часов непрерывной работы при температуре 150°C магниты NdFeB могут испытывать потерю магнитного потока от 3% до 5%.

• Размагничивание обратным полем : обратные магнитные поля, создаваемые аномальными условиями, такими как перегрузка или короткое замыкание, вызывают локальное изменение магнитного домена. В одном двигателе нового энергетического транспортного средства в условиях перегрузки 200% плотность магнитного потока упала на 7–12%.

• Химическая коррозия. Размагничивание . Материалы NdFeB окисляются в жарких и влажных средах, вызывая постепенное ухудшение магнитных свойств. Испытания в солевом тумане показывают, что незащищенные магниты могут испытывать потерю магнитного потока до 15% через 500 часов.

Как на месте определить, размагничены ли магниты? Самый интуитивно понятный метод: после размагничивания частота вращения двигателя на холостом ходу заметно возрастает, ток нагрузки возрастает, а тормозной момент снижается. Для более точного обнаружения необходимо использовать тесла-метр (гауссметр) для измерения напряженности поверхностного магнитного поля или путем обнаружения обратной ЭДС и сравнения ее с исходными параметрами.

2.2 Когда его можно отремонтировать?

Ремонтопригодность размагничивания зависит от  степени размагничивания , и ее рекомендуется оценивать на основе следующей классификации:

Незначительное размагничивание  обычно вызвано кратковременным перегревом или небольшой перегрузкой по току и имеет сильную обратимость. План лечения включает в себя сначала оптимизацию рассеивания тепла, ограничение перегрузки и стабилизацию источника питания, а затем использование высоковольтного импульсного намагничивателя для направленного намагничивания постоянных магнитов ротора. После намагничивания проверьте с помощью гауссметра, что магнитное поле восстановилось до исходного значения. Согласно отраслевой практике, профессиональное оборудование для намагничивания может восстановить более 95% первоначальной производительности.

Умеренное размагничивание  требует разборки двигателя, проверки постоянных магнитов по одному, выбора сильно размагниченных узлов, присоединения или встраивания новых магнитов той же марки и размера точно в соответствии с исходной полярностью и после полного намагничивания проведения испытаний по току холостого хода, крутящего момента и КПД.

2.3 Когда его необходимо заменить?

Следующие ситуации требуют решительной замены, а не дальнейших попыток ремонта:

• Остаточная намагниченность постоянных магнитов ниже 80% от расчетного значения и не может быть восстановлена ​​до номинальных характеристик после намагничивания.

• Магниты имеют структурные повреждения (трещины, изломы, сильная коррозия), поэтому механическая прочность и срок службы не могут быть гарантированы даже после намагничивания.

• Произошло необратимое размагничивание, то есть сам материал постоянного магнита состарился или подвергся химической коррозии до такой степени, что остаточная намагниченность не может быть восстановлена ​​посредством намагничивания.

•  Размагничивание привело к такому серьезному падению эффективности двигателя и аномальному повышению температуры, что затраты на ремонт превышают стоимость замены всего двигателя.

3. Отказ динамического баланса: подавляющее большинство из них поддаются ремонту, очень немногие требуют замены.

3.1 Причины и диагностика неисправностей

Дисбаланс ротора является наиболее распространенным источником неисправностей во вращающихся машинах: статистика показывает, что 70% вибрационных неисправностей во вращающихся машинах возникают из-за дисбаланса системы ротора. Основной причиной является несовпадение центра масс ротора с его геометрической осью, что создает эксцентриситет массы, который создает центробежную инерционную силу во время вращения, проявляющуюся в повышенной радиальной вибрации и ускоренном износе подшипников.

Однако перед выполнением динамической коррекции баланса необходимо сначала сделать одну важную вещь — проанализировать основную причину ненормальной вибрации , поскольку это может быть не проблема динамического баланса. Если оборудование имеет сильный люфт, резонанс, трещины на валах, повреждение подшипников, перекос или осадку фундамента, динамическая коррекция баланса не даст ожидаемых результатов.

Типичным вибрационным признаком дисбаланса является то, что период вибрации синхронен с рабочей скоростью (доминирует частота вращения 1 ×), амплитуда радиальной вибрации является самой высокой, а амплитуда и фаза демонстрируют стабильность и повторяемость.

3.2 Когда его можно отремонтировать?

Подавляющее большинство проблем с отказом динамического баланса можно устранить путем исправления на месте или на заводе , если только сам ротор не имеет структурных повреждений.

Динамическая балансировка на месте  — это зрелая технология, широко используемая сегодня в промышленности. Этот метод позволяет выполнить измерение вибрации и коррекцию баланса при фактической рабочей скорости ротора и условиях установки без необходимости демонтажа ротора и отправки его обратно на завод. Это позволяет сэкономить около 3–5 дней времени и транспортных расходов, избегая при этом риска вторичного повреждения во время разборки и повторной сборки. Методы коррекции в первую очередь включают в себя добавление груза (прикрепление балансиров, винтов, клепка, сварка) и удаление груза (сверление, шлифование, фрезерование), причем конкретный выбор зависит от конструкции ротора и технологических требований.

Точность коррекции соответствует стандартам ISO 1940-1 / GB/T 9239.1, а остаточный дисбаланс можно контролировать на чрезвычайно низких уровнях. В сценариях прецизионного производства точность динамической балансировки может достигать класса G1 (самый высокий класс точности по стандарту ISO 1940-1), что эффективно устраняет опасность вибрации.

Корпус роторного диска ротора двигателя с осевым магнитным потоком в основном изготовлен из немагнитных композитных материалов и имеет относительно легкую массу. Однако, если состояние баланса изменяется в процессе эксплуатации по следующим причинам, коррекция становится еще более критичной:

• Коррозия, износ или накипь вращающихся компонентов во время работы.

•  Прилипание постороннего предмета, вызывающее эксцентриситет массы.

• Медленно меняющийся дисбаланс, вызванный термической или механической деформацией.

В подавляющем большинстве вышеперечисленных случаев нормальную функцию можно восстановить путем профессиональной динамической коррекции баланса.

3.3 Когда его необходимо заменить?

В следующих ситуациях коррекция динамического баланса неэффективна и ротор подлежит замене:

• На валу ротора имеются трещины или трещины. Следует отметить, что если протяженность трещины не превышает 10% окружности шейки вала, ремонтная сварка с последующей плоской обработкой может позволить продолжить эксплуатацию; однако, если оно превышает этот диапазон, вал следует заменить. Если трещина распространилась на сердечник вала, необходимо заменить весь ротор.

• Сердечник ротора претерпел необратимую структурную деформацию или повреждение, и точность балансировки по-прежнему не может быть гарантирована после коррекции.

• Вращающиеся компоненты отсоединились (например, упали противовесы, сломались лезвия), и повреждение невозможно устранить.

•  Вибрация по-прежнему превышает допустимые пределы после многочисленных корректировок динамического баланса, что указывает на существующие серьезные проблемы с конструкцией основания ротора.

Стоит отметить, что благодаря модульной конструкции двигатели с осевым магнитным потоком имеют определенное преимущество при техническом обслуживании — заменять необходимо только неисправный модуль, что снижает сложность капитального ремонта и затраты на техническое обслуживание.

4. Резюме: таблица для понимания ремонта и замены

5. Рекомендации по техническому обслуживанию и профилактические меры.

1. Регулярная проверка является обязательным условием : Создайте механизм регулярной проверки. Используйте гауссметр для периодических выборочных проверок затухания магнитного поля и анализатор вибрации для регулярных испытаний динамической балансировки, чтобы устранять неисправности на ранних стадиях.

2. Прежде чем действовать, выполните диагностику : перед выполнением любой операции по ремонту необходимо четко определить причину неисправности. Особенно в случае проблем с динамической балансировкой необходимо в первую очередь исключить факторы, не связанные с балансировкой, такие как повреждение подшипников, несоосность и ослабление крепления; в противном случае коррекция баланса будет бесполезной.

3. Для повторного намагничивания требуется профессиональная эксплуатация . Для операций намагничивания используется высоковольтное импульсное оборудование, и они должны выполняться квалифицированным персоналом в изолированной и экранированной среде. После намагничивания проверьте работоспособность с помощью гауссметра и после переустановки проведите ввод в эксплуатацию без нагрузки и под нагрузкой.

4. Модернизация материалов для предотвращения повторного возникновения : В условиях эксплуатации при высоких температурах или высокой вибрации отдайте предпочтение высококачественным постоянным магнитам (например, серии H, SH) и нанесите на магниты защитную обработку поверхности, такую ​​как алюминиевое PVD-покрытие или эпоксидные композитные покрытия, чтобы продлить срок службы.

5. Экономическая оценка технического обслуживания : необходимо провести сравнение стоимости замены ротора в сборе и полной замены двигателя — когда обмотки статора все еще в хорошем состоянии, замены на оригинальный ротор той же модели достаточно, при этом затраты и время выполнения работ лучше, чем при полной замене двигателя, а производительность восстанавливается до уровня нового. Однако, когда затраты на ремонт приближаются к 60–70% стоимости нового двигателя или превышают его, рекомендуется отдать приоритет полной замене двигателя.