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Causas de vibración de los
motores de inducción de 2
polos    mediante  análisis
espectral
Las causas más comunes de vibración
en los motores de inducción trifásicos y
dos polos son las originadas por
problemas dinámicos y magnéticos.                Fig. 2 Espectro comparativo de un
                                                 mismo motor fijado a bancada y
Las primeras se aprecian mediante un             suspendido.
espectro de frecuencias en el armónico
fundamental de la velocidad de giro              La norma IEC 60034-14 establece
50Hz (UE), y 60Hz (USA). Los                     valores máximos de vibración menores
problemas de origen magnéticos se                con el motor rígido a bancada que en
detectan al doble de la frecuencia de            estado libre o suspendido. Las causas
alimentación en la componente de                 de las vibraciones de origen dinámico
100Hz y 120Hz respectivamente. Para              son producidas por defectos másicos
motores alimentados con convertidor              en el mismo rotor y del calaje de
de frecuencia, este valor será siempre           elementos mal equilibrados a este,
el doble de la frecuencia de la                  como platos de acoplamiento y
fundamental. En el ensayo siguiente de           ventiladores para la refrigeración del
un motor alimentado a 150Hz la                   motor.
componente dinámica aparece a 150Hz              Conocidas las causas que provocan los
y la magnética a 300Hz, ver Fig. 1.              problemas de vibraciones de origen
                                                 dinámico se precisa especial atención
                                                 al proceso de equilibrado de rotores y
                                                 elementos de calaje a estos. Con
                                                 tolerancias menores en el equilibrado
            Pico dinámico      Pico ventilador   actual se consigue reducir, aunque no
                   Pico magnético                eliminar, las vibraciones de origen
                                                 dinámico producidas en el motor.
                                                 Al contrario que las vibraciones de
                                                 origen dinámico, las magnéticas son
                                                 máximas en una instalación rígida del
Fig. 1 Espectro de vibración de un motor         motor a la bancada y mínimas en
con variador funcionando a 150Hz                 estado libre de suspensión. Aunque
(9000rpm) y pico magnético en el                 pueda parecer que haya una relación
armónico 2x.                                     entre ambas, las causas que las
                                                 producen son totalmente diferentes.
Las instalaciones rígidas de motores             Las vibraciones de origen magnético se
en bancadas producen una disminución             producen en motores donde la
significativa del nivel de vibraciones de        densidad del campo magnético en la
origen dinámico o proveniente del giro           sección rotor-estator es mayor por
del rotor y son máximas en estado de             existir zonas con mínimo entrehierro.
suspensión libre. En el espectro                 En la Fig. 3 se ha utilizado un
comparativo de un mismo motor fijado             simulador de elementos finitos para
a bancada y suspendido (Fig. 2) se               visualizar la densidad del campo
aprecia     la    variación    de   estas        magnético a su paso por una zona de
componentes de vibración.                        mínimo entrehierro en la sección rotor-
                                                 estator.
Estator
                                                                          Entrehierro
                                                                          Rotor




                                             Fig. 5 Sección con mínimo entrehierro a
                                             un lado de la sección rotor-estator
                                             provocando       un    esfuerzo     no
                                             compensado.
Fig. 3 Sección rotor-estator donde la
zona de mínimo entrehierro marcada           Estas       imperfecciones    mecánicas
posee máxima densidad del campo              conjuntadas con un gran valor de
magnético.
                                             saturación de la máquina acentúan el
                                             aumento de las vibraciones de origen
Se    originan     principalmente     por
                                             magnético.
excentricidades del rotor con respecto
                                             Teniendo en cuenta las causas que
al eje del estator, asimetrías de los
                                             incrementan la saturación magnética,
elementos estructurales, deformación
                                             mencionadas anteriormente, se ha
del estator, pandeo del rotor debido a
                                             conseguido         establecer     ciertos
un mal diseño del mismo y a la
                                             parámetros en el diseño eléctrico de
proximidad de la velocidad de giro a la
                                             motores para reducirla, por ejemplo la
frecuencia natural de vibración del eje.
                                             introducción de un nuevo estator de
El esfuerzo de la componente
                                             mayor longitud permite una saturación
magnética aumenta con el cuadrado de
                                             menor del motor y por lo tanto
la densidad del campo magnético b
                                             reducción de las vibraciones originadas
según la ecuación[ 9]:
                                             por defectos en los elementos
                     b2                      mencionados.
                F=
                     2µ 0                    Con respecto a las bancadas se ha
Esquemáticamente         se        puede     comprobado que la planicidad de estas
representar el vector normal de la           ha de ser máxima para evitar
fuerza magnética a un lado y otro de un      deformaciones del estator durante la
motor sin excentricidad del rotor (Fig. 4)   fijación rígida.
y con excentricidad (Fig. 5). Se             En una instalación rígida a la bancada
obtendrían valores mayores en zonas          aumentamos la masa del conjunto y el
de mínimo entrehierro y menores en las       nivel de vibración total disminuye. Pero
de mayor.                                    si la bancada carece de planicidad se
                            Estator
                                             esta introduciendo una deformación en
                            Entrehierro      el motor debida a esfuerzos internos en
                            Rotor            la estructura y provocar falta de
                                             redondez en la sección del estator.
                                             Esta deformación se traduce después
                                             en un aumento del nivel de vibraciones
                                             por causas magnéticas, ver Fig. 2. Se
                                             ha conseguido reducir los niveles de
Fig. 4 Sección rotor-estator sin
                                             vibración por problemas de planicidad
excentricidad del rotor y esfuerzos          de la base con la incorporación de vías
laterales compensados.                       longitudinales entre el motor y la
                                             bancada.
                                             La disminución máxima obtenida ha
                                             sido de hasta un 77% de la
componente magnética        del   motor
AM280MV, ver Fig. 6.




Fig. 6 Espectro comparativo de un
mismo motor rígido a la bancada y con
vías longitudinales.

La influencia de la bancada en la
estructura del motor, en el caso de vías
longitudinales, ha sido mínima no
creando      apenas     esfuerzos     ni
deformaciones en el estator.
El caso más desfavorable se produce
cuando la bancada del motor induce
una deformación debida a deficiencias
en la planicidad pero no aporta un
aumento considerable de masa al
conjunto motor-bancada.
El fabricante de motores puede ahora
establecer causas de elevada vibración
a problemas de planicidad en las
bancadas de la instalación en planta y
que no son atribuibles a defectos de
funcionamiento de sus máquinas.

La     actualización    de    la norma
IEC6400034-14 es más permisible en
el valor máximo de la vibración con
componente dominante dos veces la
frecuencia     de    alimentación,   en
comparación con los valores máximos
nominales. Anteriormente, la vibración
de un motor con componente
dominante de origen magnético era
más restrictiva que por causas de
desequilibrios dinámicos. Con la
entrada de esta nueva actualización y
referente a los niveles máximos de
vibraciones permitidos se exigen unos
valores máximos más restrictivos que
la anterior edición de 1996. La nueva
reglamentación obliga a fabricantes a
mejorar los diseños y procesos de
producción teniendo en cuenta las
causas que originan las vibraciones.
[1] R.B. Randall, “Frequency Análisis”, Brüel&Kyaer, Ed. k. Larsen & Sen A/S, Glostrup, 1987

[2] Singiresu S. Rao, “Mechanical Vibrations”, Purdue University, Ed. Addison-Wesley
Publishing Company, Reading, 1995

[3] Mark Serridge, Torben R. Licht, “Piezoelectric Accelerometer and Vibration Preamplifier
Handbook”, Brüel&Kyaer, Ed. Larsen & Sen A/S, Glostrup, 1986

[4] W. Schuisky, “Induktionsmaschinen”, Ed. Springer-Verlog, Pàgs. 257-258, Viena, 1957

[5] R. Roca Vila, Juan León L., “Vibraciones mecánicas”, Colección “Ciencias del Ingeniero”,
Ed. Limusa, México, 1985

[6] Leo L. Beranek, István L. Vér, “Noise and Vibration Control Engineering: Principles and
Applications”, Ed. John Wiley & Sons Inc., United States of America, 1992

[7] M. F. Cabanas, M.G. Melero, G. A. Orcajo, J. M. Cano, J. S. Sariego, “Técnicas para el
Mantenimiento y Diagnóstico de Máquinas Eléctricas Rotativas”, ABB Service S.A., Ed.
Boixareu Editores S. A., Barcelona, 1998

[8] Jürgen Reinermann, "Experimentelle und theoretische Untersuchung von
Schwingungendoppelter Netzfrequenz bei 2 poligen Käfigläufern", Studienarbeit , Institut für
Elektrische Maschinen, Universität Hannover, 1980

[ 9] Alfons Martinez, “Optimización sonora de motores asíncronos trifásicos con rotor de jaula
de ardilla”, AEG-UPC, Barcelona, 1999

[10] E. W. Summers, “Vibration in 2-pole induction motors related to slip frequency” Transtaction
A.I.E.E. Nº155-133

[11] F. Bolaños, “Causas comunes por mal funcionamiento de equipo rotativo. Aplicación al
caso de motobombas”, Automática e Instrumentación, Nº 166, Febrero, 1987

[12] F. Bolaños, “El análisis de vibraciones aplicado a electrodomésticos y equipos análogos”,
Automática e Instrumentación, Nº 125, Págs. 91 a 98, Febrero, 1983

[13] F. Bolaños, “Vibraciones en maquinas eléctricas por causas electromagnéticas, Aplicación
al arranque de motores síncronos”, Regulación y mando automático, Febrero, 1987

[14] ”La Medida de las Vibraciones”, Brüel&Kjaer, Ed. K.Larsen&Son A/S, Denmark, 1984

[15] IEC 60072-1:1991. Dimensions and output series for rotating electrical machines

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Vibraciones

  • 1. Causas de vibración de los motores de inducción de 2 polos mediante análisis espectral Las causas más comunes de vibración en los motores de inducción trifásicos y dos polos son las originadas por problemas dinámicos y magnéticos. Fig. 2 Espectro comparativo de un mismo motor fijado a bancada y Las primeras se aprecian mediante un suspendido. espectro de frecuencias en el armónico fundamental de la velocidad de giro La norma IEC 60034-14 establece 50Hz (UE), y 60Hz (USA). Los valores máximos de vibración menores problemas de origen magnéticos se con el motor rígido a bancada que en detectan al doble de la frecuencia de estado libre o suspendido. Las causas alimentación en la componente de de las vibraciones de origen dinámico 100Hz y 120Hz respectivamente. Para son producidas por defectos másicos motores alimentados con convertidor en el mismo rotor y del calaje de de frecuencia, este valor será siempre elementos mal equilibrados a este, el doble de la frecuencia de la como platos de acoplamiento y fundamental. En el ensayo siguiente de ventiladores para la refrigeración del un motor alimentado a 150Hz la motor. componente dinámica aparece a 150Hz Conocidas las causas que provocan los y la magnética a 300Hz, ver Fig. 1. problemas de vibraciones de origen dinámico se precisa especial atención al proceso de equilibrado de rotores y elementos de calaje a estos. Con tolerancias menores en el equilibrado Pico dinámico Pico ventilador actual se consigue reducir, aunque no Pico magnético eliminar, las vibraciones de origen dinámico producidas en el motor. Al contrario que las vibraciones de origen dinámico, las magnéticas son máximas en una instalación rígida del Fig. 1 Espectro de vibración de un motor motor a la bancada y mínimas en con variador funcionando a 150Hz estado libre de suspensión. Aunque (9000rpm) y pico magnético en el pueda parecer que haya una relación armónico 2x. entre ambas, las causas que las producen son totalmente diferentes. Las instalaciones rígidas de motores Las vibraciones de origen magnético se en bancadas producen una disminución producen en motores donde la significativa del nivel de vibraciones de densidad del campo magnético en la origen dinámico o proveniente del giro sección rotor-estator es mayor por del rotor y son máximas en estado de existir zonas con mínimo entrehierro. suspensión libre. En el espectro En la Fig. 3 se ha utilizado un comparativo de un mismo motor fijado simulador de elementos finitos para a bancada y suspendido (Fig. 2) se visualizar la densidad del campo aprecia la variación de estas magnético a su paso por una zona de componentes de vibración. mínimo entrehierro en la sección rotor- estator.
  • 2. Estator Entrehierro Rotor Fig. 5 Sección con mínimo entrehierro a un lado de la sección rotor-estator provocando un esfuerzo no compensado. Fig. 3 Sección rotor-estator donde la zona de mínimo entrehierro marcada Estas imperfecciones mecánicas posee máxima densidad del campo conjuntadas con un gran valor de magnético. saturación de la máquina acentúan el aumento de las vibraciones de origen Se originan principalmente por magnético. excentricidades del rotor con respecto Teniendo en cuenta las causas que al eje del estator, asimetrías de los incrementan la saturación magnética, elementos estructurales, deformación mencionadas anteriormente, se ha del estator, pandeo del rotor debido a conseguido establecer ciertos un mal diseño del mismo y a la parámetros en el diseño eléctrico de proximidad de la velocidad de giro a la motores para reducirla, por ejemplo la frecuencia natural de vibración del eje. introducción de un nuevo estator de El esfuerzo de la componente mayor longitud permite una saturación magnética aumenta con el cuadrado de menor del motor y por lo tanto la densidad del campo magnético b reducción de las vibraciones originadas según la ecuación[ 9]: por defectos en los elementos b2 mencionados. F= 2µ 0 Con respecto a las bancadas se ha Esquemáticamente se puede comprobado que la planicidad de estas representar el vector normal de la ha de ser máxima para evitar fuerza magnética a un lado y otro de un deformaciones del estator durante la motor sin excentricidad del rotor (Fig. 4) fijación rígida. y con excentricidad (Fig. 5). Se En una instalación rígida a la bancada obtendrían valores mayores en zonas aumentamos la masa del conjunto y el de mínimo entrehierro y menores en las nivel de vibración total disminuye. Pero de mayor. si la bancada carece de planicidad se Estator esta introduciendo una deformación en Entrehierro el motor debida a esfuerzos internos en Rotor la estructura y provocar falta de redondez en la sección del estator. Esta deformación se traduce después en un aumento del nivel de vibraciones por causas magnéticas, ver Fig. 2. Se ha conseguido reducir los niveles de Fig. 4 Sección rotor-estator sin vibración por problemas de planicidad excentricidad del rotor y esfuerzos de la base con la incorporación de vías laterales compensados. longitudinales entre el motor y la bancada. La disminución máxima obtenida ha sido de hasta un 77% de la
  • 3. componente magnética del motor AM280MV, ver Fig. 6. Fig. 6 Espectro comparativo de un mismo motor rígido a la bancada y con vías longitudinales. La influencia de la bancada en la estructura del motor, en el caso de vías longitudinales, ha sido mínima no creando apenas esfuerzos ni deformaciones en el estator. El caso más desfavorable se produce cuando la bancada del motor induce una deformación debida a deficiencias en la planicidad pero no aporta un aumento considerable de masa al conjunto motor-bancada. El fabricante de motores puede ahora establecer causas de elevada vibración a problemas de planicidad en las bancadas de la instalación en planta y que no son atribuibles a defectos de funcionamiento de sus máquinas. La actualización de la norma IEC6400034-14 es más permisible en el valor máximo de la vibración con componente dominante dos veces la frecuencia de alimentación, en comparación con los valores máximos nominales. Anteriormente, la vibración de un motor con componente dominante de origen magnético era más restrictiva que por causas de desequilibrios dinámicos. Con la entrada de esta nueva actualización y referente a los niveles máximos de vibraciones permitidos se exigen unos valores máximos más restrictivos que la anterior edición de 1996. La nueva reglamentación obliga a fabricantes a mejorar los diseños y procesos de producción teniendo en cuenta las causas que originan las vibraciones.
  • 4. [1] R.B. Randall, “Frequency Análisis”, Brüel&Kyaer, Ed. k. Larsen & Sen A/S, Glostrup, 1987 [2] Singiresu S. Rao, “Mechanical Vibrations”, Purdue University, Ed. Addison-Wesley Publishing Company, Reading, 1995 [3] Mark Serridge, Torben R. Licht, “Piezoelectric Accelerometer and Vibration Preamplifier Handbook”, Brüel&Kyaer, Ed. Larsen & Sen A/S, Glostrup, 1986 [4] W. Schuisky, “Induktionsmaschinen”, Ed. Springer-Verlog, Pàgs. 257-258, Viena, 1957 [5] R. Roca Vila, Juan León L., “Vibraciones mecánicas”, Colección “Ciencias del Ingeniero”, Ed. Limusa, México, 1985 [6] Leo L. Beranek, István L. Vér, “Noise and Vibration Control Engineering: Principles and Applications”, Ed. John Wiley & Sons Inc., United States of America, 1992 [7] M. F. Cabanas, M.G. Melero, G. A. Orcajo, J. M. Cano, J. S. Sariego, “Técnicas para el Mantenimiento y Diagnóstico de Máquinas Eléctricas Rotativas”, ABB Service S.A., Ed. Boixareu Editores S. A., Barcelona, 1998 [8] Jürgen Reinermann, "Experimentelle und theoretische Untersuchung von Schwingungendoppelter Netzfrequenz bei 2 poligen Käfigläufern", Studienarbeit , Institut für Elektrische Maschinen, Universität Hannover, 1980 [ 9] Alfons Martinez, “Optimización sonora de motores asíncronos trifásicos con rotor de jaula de ardilla”, AEG-UPC, Barcelona, 1999 [10] E. W. Summers, “Vibration in 2-pole induction motors related to slip frequency” Transtaction A.I.E.E. Nº155-133 [11] F. Bolaños, “Causas comunes por mal funcionamiento de equipo rotativo. Aplicación al caso de motobombas”, Automática e Instrumentación, Nº 166, Febrero, 1987 [12] F. Bolaños, “El análisis de vibraciones aplicado a electrodomésticos y equipos análogos”, Automática e Instrumentación, Nº 125, Págs. 91 a 98, Febrero, 1983 [13] F. Bolaños, “Vibraciones en maquinas eléctricas por causas electromagnéticas, Aplicación al arranque de motores síncronos”, Regulación y mando automático, Febrero, 1987 [14] ”La Medida de las Vibraciones”, Brüel&Kjaer, Ed. K.Larsen&Son A/S, Denmark, 1984 [15] IEC 60072-1:1991. Dimensions and output series for rotating electrical machines