Florian Tafelmayer, Baumüller Nürnberg GmbH
2024-08-21T12:56:37+02:00
Antriebstechnik
Baumüller

Motorsch?den durch Vibrationen oder Schocks? Das muss nicht sein.

Elektromotoren: wie mechanische Schwingungen wie St??e oder Vibrationen die Lebensdauer beeinflussen und welche Mittel und Wege es gibt das zu verhindern.

Motorsch?den durch Schwingungen vorbeugen

Elektromotoren haben eine hohe Lebensdauer. Was aber, wenn die nicht reicht? Oder der Motor trotzdem nach kurzer Zeit abraucht. Grund k?nnen Schwingungen, Vibrationen oder Schocks sein, die auf den Motor wirken und dessen Lebensdauer stark verkürzen. Die gute Nachricht, es gibt Abhilfe! Schon bei der Projektierung Ihrer Maschinen und Anlagen k?nnen wir Probleme vorhersehen und gleich von Beginn an ausradieren. In diesem Beitrag nennen wir die wichtigsten Faktoren, die die Lebensdauer von Elektromotoren begrenzen. Wir gehen auf das Problem von mechanischen Belastungen durch Schwingungen, Vibrationen und St??e ein und stellen L?sungswege zur Maximierung der Motorlebensdauer vor.

Sie wollen wissen, welche mechanischen Belastungen die Lebensdauer Ihrer Motoren verkürzen? Besuchen Sie unseren Webcast zum Thema Schwingungsbelastungen! Da erfahren Sie auch gleich, welche Wege es gibt, Sch?den vorzubeugen.

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Die Lebensdauer von Elektromotoren

Die Lebensdauer von Elektromotoren wird meist mit der Lebensdauer der Lager gleichgesetzt und liegt bei Elektromotoren bei rund 20.000 Betriebsstunden. Doch welche Faktoren beeinflussen die Lebensdauer von Motoren tats?chlich? Hier die drei wichtigsten:

Temperatur:

Das Problem: Hohe Temperaturen im Motor sch?digen die Schmierstoffe. Diese verlieren ihre Wirksamkeit => das Lager überhitzt

L?sungswege: Baumüller setzt Hochtemperaturfette ein, die hohe Temperaturen und damit hohe Drehzahlen erm?glichen.

Lagerstr?me:

Das Problem: In Motor-Umrichter-Kombinationen kann es in einigen F?llen zu Lagerstr?men kommen. Die Spannung nimmt, anstatt sich über den Umrichter zu erden, über die Welle des Motors und die Lager den Weg des geringsten Widerstands und entl?dt sich Richtung Erde. Das führt zu Vibrationen => das Lager überhitzt und verschlei?t vorzeitig

L?sungswege: Einsatz von Common Mode Kernen und/ oder stromisolierte Lagern

Vibrationen, Schwingungen, St??e:

Das Problem: Vibrationen, Schwingungen oder St??e, die auf den Motor wirken, belasten unterschiedliche Teile des Antriebs und k?nnen verschiedene Teile des Motors sch?digen => die Lebensdauer wird kürzer, die Prozessqualit?t leidet

L?sungen gibt es auch hier: Schwingungsmessungen und Antriebssimulationen schaffen Abhilfe. Sind die Belastungen bekannt, k?nnen zahlreiche Stellschrauben gedreht werden, die die Schockfestigkeit und Rüttelfestigkeit von Elektromotoren steigern.

In Shreddern sind Motoren besonders hohen Belastungen ausgesetzt. Hier lohnt sich eine Analyse. Bild: WEIMA Maschinenbau GmbH

Verkürzte Lebensdauer durch mechanische Belastungen

Mechanische Belastungen treten in vielen Maschinen und Anlagen prozessbedingt auf. Bekannte Beispiele sind Umformmaschinen wie Pressen und Biegemaschinen, Spritzgie?maschinen und Extruder, Shredder oder mobile Maschinen. In diesen Anwendungen gibt es oft kaum M?glichkeiten die Schwingungen zu d?mpfen, bevor sie am Motor ankommen und dort Sch?den anrichten. Hier ist Teamwork gefragt: Eine frühe Zusammenarbeit zwischen Maschinenbauer und Antriebshersteller hilft Ausf?lle zu verhindern und die Lebensdauer der Motoren zu steigern. In anspruchsvollen Anwendungen sind Angaben zur G-Zahl, die der Motor aushalten muss, oft nicht ausreichend, um das volle Ausma? der Belastung bewerten und die Lebensdauer des Motors korrekt einsch?tzen zu k?nnen. Erfahrene Simulationsingenieure beziehen die Art der mechanischen Belastung, die Richtung der Belastung, die Frequenz und die Amplitude in ihre Analyse mit ein. Interessant ist au?erdem wo die Belastung wirkt, am Geber oder am Geh?use, an der A- oder an der B-Seite. So k?nnen sie unbedenkliche Schwingungen und Schockbelastungen von denen unterscheiden, die zu Sch?den führen. N?here Informationen zur Bewertung von mechanischen Belastungen bekommen Sie in unserem Webcast.

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Motor abgeraucht? Vibrationen und Schocks belasten Elektromotoren und verkürzen deren Lebensdauer.

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Auswirkungen von Vibrationen, Schwingungen und Schockbelastungen

Egal ob Schwingung, Vibration oder Schockbelastung, die Auswirkungen, die sich daraus ergeben sind schwer vorhersehbar. Verschiedene Problematiken führen zum Ausfall des Motors oder zu Prozessfehlern. Sch?den am Lager oder den Wicklungen spielen hier die wichtigste Rolle, es k?nnen aber noch andere Probleme auftreten:

Lagersch?den: Laufbahnen bekommen Risse, W?lzk?rper werden besch?digt

Wicklungen: Isolierung wird aufgerieben, Kurzschlüsse entstehen

strukturmechanische Sch?digung des Geh?uses und Lagerschildes

Sch?den an den Schraubverbindungen vom Flansch zur Maschine

Geberprobleme: der Geber kann durch den Sto? den Kontakt verlieren, so dass das Signal unterbrochen wird

Diese Probleme führen im Schadensfall zu erheblichen Kosten und zu deutlichen Zeitverlusten bei der Markteinführung neuer Maschinen. Besser ist es, solche Sch?den von vornherein zu vermeiden. Hier helfen Antriebssimulationen, die starke Schwingungen und eventuell auftretende Sch?den schon in der Projektierungsphase vorhersehen. Baumüller nimmt Antriebssimulationen darum in einem frühen Stadium der Entwicklungsphase vor. Der Antriebsexperte beugt Problemen dann mit konstruktiven Anpassungen oder ver?nderten Reglereinstellungen vor. Die M?glichkeit dazu bietet ein variantenreiches Motorenportfolio mit zahlreichen Sonderoptionen und jahrelange Erfahrung in der elektrischen Antriebstechnik.

Leistungsstarke Motoren

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Problemanalyse: Messen, Simulieren, Berechnen

Grundlage für die Analyse des Problems ist die enge Zusammenarbeit zwischen Maschinenbauer und Antriebshersteller. Mit den richtigen Daten k?nnen Schwingungen, Vibrationen und St??e früh als Herausforderung erkannt und deren Auswirkungen simuliert werden. Im Schadensfall führen Spezialisten zur Schadensanalyse und Fehlereingrenzung Messungen am besch?digten Motor und der betroffenen Maschine durch. An neuen Maschinen k?nnen Probleme mit der Lebensdauer durch Schwingungen oder St??e vorhergesagt werden.

In der Simulation und Interpretation der Daten spielt das Antriebs-Know-how eine zentrale Rolle. Simulationsingenieure fragen verschiedene Gr??en ab:

Anzahl der Lastspiele
Ort der Belastung am Motor
Tritt die Belastung radial oder axial auf?
Wie ist die Frequenz?

Auch bei laufenden Maschinen k?nnen nicht alle Kr?fte gemessen werden. Nur mit Simulationstechniken k?nnen diese Werte ermittelt und in die Analyse mit einbezogen werden. Zur Auswertung der Daten kommt die FFT-Analyse zum Einsatz: Die FFT-Analyse schlüsselt ein Zeitsignal in einzelne Sinuswellen auf und kommt in vielen Bereichen zur Optimierung rotierender Bauteile oder zur Bewertung von Verschlei? zum Einsatz. Das aufgeschlüsselte Zeitsignal kann dann auf dominierende Frequenzen untersucht werden. Nur bestimmte Frequenzen führen zum gef?hrlichen Aufschwingen des Motors und sind als kritisch zu betrachten, andere k?nnen als harmlos eingestuft werden. Weiter geht es wieder mit Simulation: Als Spezialist mit jahrzehntelangem Know-how in der elektrischen Antriebstechnik kann Baumüller Motoren mit allen relevanten Eigenschaften modellieren. Hier flie?en Informationen zu Materialien, Kontakten und Verbindungsarten mit ein. Die von der Analyse ausgeschlossenen Bauteile berücksichtigen die Simulationsingenieure über abgesetzte Massen mit den jeweiligen Massentr?gheitswerten. So k?nnen konstruktive Anpassungen ermittelt, simuliert und auf ihre Haltbarkeit bei den bestehenden Belastungen geprüft werden. Ohne dass ein Prototyp gebaut und getestet werden muss.

Am Elektromotor k?nnen verschiedene Stellschrauben gedreht werden, um die Schockfestigkeit zu verbessern

L?sungsoptionen: Stellschrauben für mehr Schockfestigkeit

Die Messungen und Simulationen bieten dann die Grundlage für die Probleml?sung. Als Antriebshersteller kann Baumüller auf einen breiten Erfahrungsschatz zurückgreifen und so verschiedene Vorschl?ge zur Problembehebung erstellen. Beispiele dafür sind:

Anpassung in der Regelung: Zyklus verschleifen

D?mpfungselemente installieren

Motor entkoppeln (z.B. Riemen)

Motor robuster konstruieren

Am Motor k?nnen einige Stellschrauben gedreht werden, um die Auswirkungen der auftretenden Schwingungen oder Schocks zu vermeiden. Verschiedene Lageroptionen wie Rillenkugellager oder Rollenlager sind Optionen im Standardportfolio. Durch die langj?hrige Kompetenz als Motorenhersteller sind bei Baumüller auch zahlreiche andere Anpassungen am Motor m?glich, z.B. verst?rkte Lagerschilder oder ged?mpfte Motorfü?e.

Branchen, die traditionell hohe mechanische Belastungen auf den Motor verursachen sind bekannt und bereits mit L?sungen im Baumüller-Portfolio bedacht. So zum Beispiel die High-Torque-Motoren DST2, die mit integriertem Drucklager bestellt werden k?nnen. Die Ausführung mit Drucklager wurde speziell für den Einsatz in der Extrusionstechnik entwickelt: Das integrierte Drucklager nimmt die auf den Motor wirkenden Axialkr?fte auf, die über den Gegendruck im Verfahrensteil entstehen. Der Motor ist damit speziell auf diese Belastungen ausgerichtet und es sind keine Einbu?en bei der Lebensdauer zu erwarten.

Torquemotoren DST2

Erhebliche Vorteile gegenüber Motor-Getriebe-Kombination als auch zu hydraulischen Systemen.

Alle Vorteile auf einen Blick

Die Torquemotoren DST2 mit integriertem Drucklager wurden speziell für die starken Belastungen in der Extrusionstechnik entwickelt

Teamwork: Effizient

Teamwork zahlt sich aus. Die frühzeitige Zusammenarbeit von Maschinenbauer und Antriebsspezialist empfiehlt sich bei Anwendungen, bei denen mit Problemen durch prozessbedingte Schocks oder Vibrationen zu rechnen ist. Ausf?lle k?nnen so schon im Vorfeld berechnet und gleich vermieden werden, das spart Zeit und Kosten. Simulationstechniken erm?glichen es, Belastungen so realit?tsnah abzubilden, dass daraus Vorschl?ge zur Verl?ngerung der Lebensdauer abgeleitet werden k?nnen. Das Modellieren von Elektromotoren hat sich als Alternative zum Prototypenbau etabliert, so werden weitere Ressourcen gespart. Zudem entsteht eine r?umliche Unabh?ngigkeit, die immer ?fter gefragt ist, digitale Zusammenarbeit wird vereinfacht. Auch im Schadensfall helfen Simulationen bei der Fehleranalyse. Die Bereiche Schwingungsmessung, Schwingungssimulation und Antriebssimulation sind Teil des Baumüller Dienstleistungsspektrums.

Haben Sie noch Fragen?

Florian Tafelmayer
Simulationsingenieur