Tri hlavné chyby rotorov s axiálnym tokom: opraviť alebo vymeniť? Jasný sprievodca opravou hraníc

Motory s axiálnym tokom so svojou vysokou hustotou výkonu, kompaktnou konštrukciou a vynikajúcimi charakteristikami krútiaceho momentu sa čoraz častejšie používajú v nových energetických vozidlách, priemyselných servomotoroch, veternej energii a iných oblastiach. Keď sa však prevádzkové hodiny hromadia a pracovné podmienky sa stávajú zložitejšími, rotor – hlavný rotujúci komponent motora – nevyhnutne zaznamená rôzne poruchy. Medzi nimi sú tri najbežnejšie typy porúch poškodenie povrchu rotora motora s axiálnym tokom, demagnetizácia permanentným magnetom (magnetická oceľ) a porucha dynamickej rovnováhy. Tvárou v tvár týmto problémom je hlavnou starosťou personálu údržby:  Ktoré poruchy je možné opraviť? Ktoré vyžadujú výmenu? Dá sa po oprave zaručiť výkon a spoľahlivosť?

1. Poškodenie povrchu rotora: Menšie poškodenie je opraviteľné, vážne poškodenie si vyžaduje výmenu

1.1 Príčiny a prejavy porúch

Poškodenie povrchu rotora motora s axiálnym tokom je zvyčajne spôsobené trením (trením medzi statorom a rotorom), vniknutím cudzieho predmetu alebo potopením rotora v dôsledku poruchy ložiska. Identifikácia typu poškodenia pomáha lokalizovať hlavnú príčinu: ak má povrch rotora jedinú stopu odrenín, zatiaľ čo je celý povrch statora poškriabaný, je to často spôsobené ohnutým hriadeľom alebo nevyváženosťou rotora; ak má povrch statora len jednu stopu oteru, zatiaľ čo povrch rotora je poškriabaný po celom jeho obvode, je to spôsobené nesústrednosťou medzi statorom a rotorom, zvyčajne v dôsledku deformácie rámu a čepov koncového štítu alebo silného opotrebovania ložísk.

1.2 Kedy sa dá opraviť?

Menšie povrchové poškodenia  sú vo všeobecnosti opraviteľné. Podľa priemyselných noriem sú metódy škrabania alebo brúsenia povolené na elimináciu ľahkého poškodenia vnútorného povrchu statora a vonkajšieho povrchu rotora za predpokladu, že teplota povrchu motora po oprave zodpovedá príslušným normám. Špecifické kritériá sú:

• Hĺbka poškodenia je v rámci opracovateľného rozsahu (zvyčajne menej ako 0,5 mm) a neovplyvňuje celkovú štrukturálnu integritu jadra rotora.

• Nedošlo k žiadnemu veľkoplošnému skratu alebo roztaveniu plechov z kremíkovej ocele. Ak dôjde k lokalizovanému spáleniu zubov jadra, roztavené a natavené časti možno opilovať a poškodené miesta opraviť epoxidovou živicou.

• Po oprave môže rovnomernosť vzduchovej medzery stále spĺňať konštrukčné požiadavky a je splnené hodnotenie povrchovej teploty.

Čo sa týka techník opravy, ľahké škrabance a hrdzavé škvrny je možné vyleštiť jemnou šmirgľovou handričkou namočenou v oleji, pričom odchýlky kruhovitosti sa často kontrolujú pomocou mikrometra. Na poškodenie párového povrchu, ako je opotrebovanie čapu hriadeľa, možno použiť technológie povrchového inžinierstva, ako je laserové pokovovanie, galvanické pokovovanie štetcom a tepelné striekanie. Tieto opravárenské procesy fungujú pri nízkych teplotách a nespôsobia deformáciu hriadeľa ani nezmenia metalografickú štruktúru.

1.3 Kedy sa musí vymeniť?

•  Hĺbka poškodenia je príliš veľká, presahuje rozsah tolerancie návrhu a pokračujúca oprava by zničila štruktúru jadra.

•  Vyskytli sa veľkoplošné skraty alebo delaminácia plechov z kremíkovej ocele, čo viedlo k výrazne zvýšeným stratám vírivými prúdmi a prehriatiu jadra.

• Jadro rotora utrpelo nenapraviteľnú štrukturálnu deformáciu a rovnomernosť vzduchovej medzery stále nie je zaručená ani po oprave.

• Poškodenie sa rozšírilo na slabé miesta v štruktúre základne rotora a náklady na opravu sa blížia alebo prevyšujú náklady na výmenu.

2. Demagnetizácia magnetu: mierna až stredná je opraviteľná opätovnou magnetizáciou, závažná vyžaduje výmenu

2.1 Príčiny a mechanizmy demagnetizácie

Podstatou demagnetizácie permanentným magnetom je nevratná zmena štruktúry magnetickej domény, ktorá sa na základe príčiny delí najmä na tri kategórie:

• Tepelná demagnetizácia : Vyskytuje sa, keď teplota permanentného magnetu presiahne tolerančný limit triedy jeho materiálu. Napríklad pre NdFeB je Curieho teplota asi 310 °C, nad ktorou dochádza k celkovej magnetickej strate. Experimentálne údaje ukazujú, že po 1000 hodinách nepretržitej prevádzky pri 150 °C môžu NdFeB magnety zaznamenať stratu toku 3% až 5%.

• Reverzná demagnetizácia poľa : Reverzné magnetické polia generované abnormálnymi podmienkami, ako je preťaženie alebo skrat, spôsobujú lokálnu reverziu magnetickej domény. V jednom motore nového energetického vozidla pri 200 % preťažení hustota magnetického toku klesla o 7 % až 12 %.

• Chemická korózna demagnetizácia : NdFeB materiály oxidujú v horúcom a vlhkom prostredí, čo spôsobuje postupný pokles magnetických vlastností. Testy soľného spreja naznačujú, že nechránené magnety môžu po 500 hodinách zaznamenať až 15% stratu toku.

Ako na mieste zistiť, či sú magnety demagnetizované? Najintuitívnejšia metóda: po demagnetizácii sa otáčky motora naprázdno výrazne zvýšia, zaťažovací prúd stúpa a brzdný moment klesá. Presnejšia detekcia vyžaduje použitie Tesla metra (Gaussmeter) na meranie sily povrchového magnetického poľa alebo detekciu spätného EMF a jeho porovnanie s pôvodnými parametrami.

2.2 Kedy sa dá opraviť?

Opraviteľnosť demagnetizácie závisí od  stupňa demagnetizácie a odporúča sa posúdiť na základe nasledujúcej klasifikácie:

Mierna demagnetizácia  je zvyčajne spôsobená krátkodobým prehriatím alebo miernym nadprúdom a má silnú reverzibilitu. Plán ošetrenia zahŕňa najprv optimalizáciu odvodu tepla, obmedzenie preťaženia a stabilizáciu napájacieho zdroja, potom použitie vysokonapäťového pulzného magnetizéra na smerovú magnetizáciu permanentných magnetov rotora. Po magnetizácii skontrolujte pomocou gaussmetra, či sa magnetické pole vrátilo na svoju pôvodnú hodnotu. Podľa priemyselnej praxe môže profesionálne magnetizačné zariadenie obnoviť viac ako 95% pôvodného výkonu.

Mierna demagnetizácia  vyžaduje rozobrať motor, otestovať jeden po druhom permanentné magnety, vybrať silne demagnetizované jednotky, prilepiť alebo vložiť nové magnety rovnakej triedy a veľkosti presne podľa pôvodnej polarity a po úplnej magnetizácii vykonať testy prúdu naprázdno, krútiaceho momentu a účinnosti.

2.3 Kedy sa musí vymeniť?

Nasledujúce situácie si vyžadujú rozhodnú výmenu namiesto ďalších pokusov o opravu:

• Remanencia permanentných magnetov je pod 80 % projektovanej hodnoty a po magnetizácii sa nedá obnoviť na menovitý výkon.

• Magnety vykazujú štrukturálne poškodenia (trhliny, lomy, silná korózia), takže mechanickú pevnosť a životnosť nie je možné zaručiť ani po magnetizácii.

• Došlo k nevratnej demagnetizácii, čo znamená, že samotný materiál permanentného magnetu zostarol alebo utrpel chemickú koróziu do tej miery, že remanenciu nie je možné obnoviť magnetizáciou.

•  Demagnetizácia viedla k takým závažným poklesom účinnosti motora a abnormálnemu zvýšeniu teploty, že náklady na opravu prevyšujú náklady na výmenu celého motora.

3. Zlyhanie dynamickej rovnováhy: Veľká väčšina je opraviteľná, len veľmi málo z nich vyžaduje výmenu

3.1 Príčiny porúch a diagnostika

Nevyváženosť rotora je najbežnejším zdrojom porúch v rotujúcich strojoch – štatistiky ukazujú, že 70 % porúch vibrácií v rotujúcich strojoch pochádza z nevyváženosti rotorového systému. Hlavnou príčinou je nesúososť ťažiska rotora s jeho geometrickou osou, čím sa vytvára excentricita hmoty, ktorá počas otáčania generuje odstredivú zotrvačnú silu, prejavujúcu sa zvýšenými radiálnymi vibráciami a zrýchleným opotrebovaním ložísk.

Pred vykonaním korekcie dynamickej rovnováhy je však potrebné urobiť jednu dôležitú vec – analyzovať hlavnú príčinu abnormálnych vibrácií , pretože nemusí ísť o problém s dynamickou rovnováhou. Ak má zariadenie silné uvoľnenie, rezonanciu, prasknuté hriadele, poškodenie ložísk, nesúosovosť alebo usadenie základov, dynamická korekcia vyváženia nedosiahne očakávané výsledky.

Typickým znakom nerovnováhy vibrácií je, že perióda vibrácií je synchrónna s prevádzkovou rýchlosťou (dominuje 1× rotačná frekvencia), amplitúda radiálnej vibrácie je najvyššia a amplitúda a fáza vykazujú stabilitu a opakovateľnosť.

3.2 Kedy je možné ho opraviť?

Prevažnú väčšinu problémov so zlyhaním dynamického vyváženia je možné odstrániť opravou na mieste alebo vo výrobe , pokiaľ samotný rotor neutrpel štrukturálne poškodenie.

Dynamické vyvažovanie na mieste  je vyspelá technológia, ktorá sa dnes v priemysle bežne používa. Táto metóda vykonáva meranie vibrácií a korekciu vyváženia pri skutočnej prevádzkovej rýchlosti rotora a podmienkach inštalácie, bez potreby demontáže rotora a jeho odoslania späť do továrne. Môže ušetriť asi 3–5 dní času a nákladov na dopravu a zároveň sa vyhnúť riziku sekundárneho poškodenia počas demontáže a opätovnej montáže. Metódy korekcie zahŕňajú predovšetkým pridávanie závažia (pripájanie vyvažovacích závaží, skrutky, nitovanie, zváranie) a odstraňovanie závažia (vŕtanie, brúsenie, frézovanie), pričom konkrétny výber závisí od konštrukcie rotora a požiadaviek procesu.

Presnosť korekcie sa riadi normami ISO 1940-1 / GB/T 9239.1 a zvyškovú nevyváženosť možno kontrolovať na extrémne nízkych úrovniach. V scenároch presnej výroby môže presnosť dynamického vyváženia dosiahnuť stupeň G1 (najvyšší stupeň presnosti v norme ISO 1940-1), čím sa účinne eliminuje nebezpečenstvo vibrácií.

Rám disku rotora rotora s axiálnym tokom je väčšinou vyrobený z nemagnetických kompozitných materiálov a je relatívne ľahký. Keď sa však stav rovnováhy počas prevádzky zmení z nasledujúcich dôvodov, korekcia sa stáva ešte kritickejšou:

• Korózia, opotrebovanie alebo tvorba vodného kameňa rotujúcich komponentov počas prevádzky.

•  Priľnavosť cudzieho predmetu spôsobujúca excentricitu hmoty.

• Pomaly sa meniaca nerovnováha spôsobená tepelnou alebo mechanickou deformáciou.

Vo veľkej väčšine vyššie uvedených prípadov je možné obnoviť normálnu funkciu pomocou profesionálnej korekcie dynamickej rovnováhy.

3.3 Kedy sa musí vymeniť?

V nasledujúcich situáciách je dynamická korekcia vyváženia neúčinná a rotor je potrebné vymeniť:

• Hriadeľ rotora vykazuje trhliny alebo praskliny. Treba poznamenať, že ak rozsah trhliny nepresahuje 10 % obvodu čapu hriadeľa, opravné zváranie s následným opracovaním naplocho môže umožniť ďalšie používanie; ak však prekročí tento rozsah, hriadeľ by sa mal vymeniť. Ak sa trhlina rozšírila do jadra hriadeľa, je potrebné vymeniť celý rotor.

• Jadro rotora prešlo nezvratnou štrukturálnou deformáciou alebo poškodením a po korekcii stále nie je možné zaručiť presnosť vyváženia.

• Rotujúce komponenty sa oddelili (napr. odpadnutie vyvažovacích závaží, zlomenina čepele) a poškodenie je neopraviteľné.

•  Vibrácie po viacerých korekciách dynamického vyváženia stále prekračujú limity, čo naznačuje vážne existujúce problémy so štruktúrou základne rotora.

Stojí za zmienku, že vďaka svojej modulárnej štruktúre majú axiálne Flux Motors určitú výhodu pri údržbe – stačí vymeniť chybný modul, čím sa znížia ťažkosti pri generálnej oprave a náklady na údržbu.

4. Zhrnutie: Tabuľka na pochopenie opravy vs

5. Odporúčania na údržbu a preventívne opatrenia

1. Predpokladom je pravidelná kontrola : Vytvorte rutinný kontrolný mechanizmus. Použite gaussmeter na pravidelné bodové kontroly útlmu magnetického poľa a analyzátor vibrácií na pravidelné testovanie dynamickej rovnováhy, aby ste odstránili chyby v ich skorých štádiách.

2. Diagnostikujte pred zásahom : Pred akoukoľvek operáciou opravy je potrebné jasne identifikovať príčinu poruchy. Najmä pri problémoch s dynamickou rovnováhou treba najskôr vylúčiť faktory nevyváženia, ako je poškodenie ložísk, nesúosovosť a uvoľnenie; inak bude korekcia vyváženia zbytočná.

3. Opätovná magnetizácia vyžaduje profesionálnu prevádzku : Magnetizačné operácie zahŕňajú vysokonapäťové impulzné zariadenie a musia byť vykonané kvalifikovaným personálom v izolovanom a tienenom prostredí. Po magnetizácii overte výkon pomocou gaussmetra a po opätovnej inštalácii vykonajte uvedenie do prevádzky bez zaťaženia a zaťaženia.

4. Vylepšenia materiálu na zabránenie recidíve : Pre prevádzkové podmienky s vysokou teplotou alebo vysokými vibráciami uprednostňujte výber vysokokvalitných permanentných magnetov (napr. série H, SH) a aplikujte na magnety povrchové ochranné úpravy, ako je PVD hliníkový povlak alebo epoxidové kompozitné povlaky, aby ste predĺžili životnosť.

5. Ekonomické hodnotenie údržby : Je potrebné porovnať náklady medzi výmenou zostavy rotora a kompletnou výmenou motora – keď sú vinutia statora stále v dobrom stave, postačuje výmena za originálny rotor toho istého modelu, pričom náklady a doba obrátky sú lepšie ako pri úplnej výmene motora a výkon sa obnoví ako nový. Ak sa však náklady na opravu priblížia alebo prekročia 60 % – 70 % nákladov na nový motor, odporúča sa uprednostniť kompletnú výmenu motora.