Vliv nesymetrie elektromagnetického pole na vibrace elektromotoru

Jednou z podmínek správného chodu pracovních strojů je také výborný stav hnacího stroje. Vzhledem k tomu, že dnes jsou ve většině případů pohony pracovních strojů koncipovány s asynchronními motory, je tato práce zaměřena právě na problémy asynchronních elektromotorů. Tento článek se zabývá projevy vad asynchronních elektromotorů způsobených nesymetrickým rozložením elektromagnetického pole.

Výskyt nesymetrií elektromagnetického pole na elektromotoru 710 kW.
V březnu roku 2008 jsme byli přizváni k řešení problémů snížené životnosti valivých ložisek na elektromotoru SIEMENS 1AN4 450 Y-6sp. sacího ventilátoru s označením K11-P. Na tomto stroji byla provedena diagnostická měření vibrací na ložiscích elektromotoru L1 a L2 i ventilátoru L3 a L4.

Obr. 1 Schéma sacího ventilátoru K11-P

Obr. 2 Elektromotor SIEMENS 1AN4 450 Y-6sp.

Analýza frekvenčních spekter vibrací poškozeného elektromotoru
Na zmíněném soustrojí se měřily vibrace ve všech třech směrech měření, tzn. horizontálním, vertikálním a axiálním. Měření probíhalo při chodu elektromotoru na prázdno a pod zatížením. Na níže uvedených grafech jsou zobrazeny spektra efektivních hodnot rychlostí vibrací měřených na ložisku L2 v horizontální rovině, kde dochází k nejvýraznějšímu nárůstu poškozujících složek vibrací.

Analýzou frekvenčních spekter měřených v měřících místech elektromotoru byla zjištěna poškozená ložiska elektromotoru. Podrobnější analýzou spekter vibrací byla detekována výrazná amplituda vibrací na frekvenci 100Hz. Tato složka vibrací vykazovala na ložisku L1 hodnotu 0,3mm.s-1 a na ložisku L2 hodnotu 1,1mm.s-1. Vibrace generované na této frekvenci jsou vyvozeny problémy v elektromagnetickém poli elektromotorů.

Po výměně ložisek za nová, byla provedena diagnostická měření vibrací ve stejných měřících místech. Měření proběhlo při chodu elektromotoru na prázdno a při chodu elektromotoru pod jmenovitým zatížením. Z frekvenčního spektra nezatíženého elektromotoru je patrná eliminace ložiskových frekvencí. Ve spektru ale zůstává výrazná amplituda vibrací na frekvenci 100Hz, jejíž hodnota po výměně ložisek zůstává neměnná. Po měření elektromotoru pod zatížením vykazuje frekvenční spektrum snížení amplitudové složky vibrací na 100Hz na polovinu a razantní zvýšení amplitudy vibrací na otáčkové frekvenci elektromotoru a ventilátoru.

Vznik radiálních sil ve vzduchové mezeře elektromotoru
Při napájení elektromotoru střídavým napětím se vytváří ve vzduchové mezeře magnetická energie, kterou je možno popsat vztahem:

Elektromagnetické síly, způsobující magnetostrikci statorového jádra lze tedy vyjádřit jako změnu magnetické energie dW, která se spotřebuje na deformaci vzduchové o hodnotu dδ.

a pro jednotku plochy

Vyjádřením vztahů pro intenzitu magnetického pole a elektromagnetickou indukci dostaneme vztah pro okamžitou velikost radiální síly ve vzduchové mezeře působící na jednotku plochy statorového paketu:

Z tohoto vztahu vyplývá, že velikost radiálních sil působících v daném místě statorového paketu je závislá na okamžité hodnotě velikosti statorových a rotorových proudů a velikosti vzduchové mezery. V případě nesymetrie jednoho z těchto členů dochází k nerovnováze radiálních sil a ke generování vibrací. Jednou z častých vad elektromotorů je nesymetrická vzduchová mezera. Její velikost v daném místě ovlivňuje také velikost magnetické vodivosti ve vzduchové mezeře, čímž dochází k nerovnoměrnému rozložení elektromagnetických sil. Ty se pak mění s kvadrátem změny velikosti vzduchové mezery. Následující grafy zobrazují průběh magnetické vodivosti na rozvinuté ploše statorového paketu paralelně a úhlově vyoseného rotoru.

Obr. 6 Závislost magnetické vodivosti na velikosti vzduchové mezery při paralelní nesouososti

Obr. 7 Závislost magnetické vodivosti na velikosti vzduchové mezery při úhlové nesouososti

Závěr
V článku je řešena problematika vibrační diagnostiky elektromotorů, u nichž se vyskytují problémy s elektromagnetickým polem. Jak se ukazuje, je dnes relativně velké procento elektromotorů provozováno s touto závadou. To vede k výraznému snižování životnosti valivých ložisek a také k nebezpečí zadření rotoru a spálení elektromotoru. Příklad provozu takto poškozeného elektromotoru uvedený v článku jednoznačně deklaruje závažnost této závady. Za necelý rok provozu elektromotoru po výměně ložisek, aniž by se odstranila prvotní příčina poškození ložisek, bylo opět měřením vibrací zjištěno zvýšené opotřebení ložisek elektromotoru.

Ing. Mečislav Hudeczek, Ph.D., Ing. Jaroslav Brychcy

Ukázka z časopisu EvP 3-4/2011