Analyse van de hoofdoorzaak: oververhitting van de servomotor als gevolg van afmetingen, werkcyclus en defecten aan het koelsysteem

1. Inleiding: Symptomen van weigering en instelling van onderzoek

Het stilleggen van een productielijn begint vaak met een plotseling alarm. In dit geval heeft het besturingssysteem (PLC) een kritieke fout van de aandrijving gedetecteerd (foutcode: Ovt / ERR 14 - Thermische overbelasting van de motor). De beveiliging trad in werking tijdens het uitvoeren van een standaard freescyclus op een 3-assige CNC-machine. Een visuele en tactiele inspectie bracht een oppervlaktetemperatuur van het servomotorlichaam aan het licht van meer dan 105°C, wat gepaard ging met een karakteristieke geur van degradatie van de isolerende lak.

Oververhitting van industriële servomotoren is een cruciaal probleem, waardoor de gemiddelde tijd tussen storingen (MTBF) afneemt van de verwachte 40.000 uur naar minder dan 5.000 uur. Elke 10°C overschrijding van de nominale bedrijfstemperatuur halveert de levensduur van de isolatie. Het doel van deze analyse is om de technische oorzaken van oververhitting te identificeren, symptomatische behandeling van het probleem uit te sluiten en corrigerende maatregelen voor de lange termijn te implementeren op basis van de normen van DSTU EN 60034-1.

2. Overzicht van de component: Functioneel doel en bedrijfsomstandigheden

Het analyseobject is een synchrone servomotor met permanente magneet (PMSM), ontworpen voor zeer dynamische toepassingen. De motor is geïntegreerd in het X-as invoersysteem. Zijn hoofdtaak is het bieden van nauwkeurige positionering bij hoge acceleratie en remming.

• Nominaal vermogen (P_n): 4,5 kW
• Nominaal koppel (M_0): 15 Nm
• Piekkoppel (M_max): 45 Nm
• Nominale snelheid: 3000 tpm
• Isolatieklasse: F (maximumtemperatuur 155°C)
• Beschermingsgraad: IP65

De servomotor is uitgerust met een absolute encoder met hoge resolutie en een afdichtingssysteem ter bescherming tegen koelvloeistoffen. In het bijzonder wordt de SKF 1015633 radiale asafdichting gebruikt, die de dichtheid van het voorste lagersamenstel garandeert. De werkomstandigheden omvatten een omgevingstemperatuur tot 40°C. Volgens de specificaties is de motor ontworpen om te werken in de S3-modus (herhaalde kortetermijnmodus) met een dutycycle (DU) van 60%.

3. Feitelijke storingsgegevens: resultaten van technische beoordeling

De technische groep voerde een reeks diagnostische tests rechtstreeks op de locatie uit voordat de eenheid werd ontmanteld.

Thermografische analyse

Het gebruik van een infraroodcamera toonde gelokaliseerde verwarmingszones. De temperatuur van de statorkern bereikte 118°C, terwijl de temperatuur van de voorflens 95°C bedroeg. De achterkant, waar de encoder zich bevindt, werd verwarmd tot 102°C, wat de toegestane limiet voor de elektronische componenten van de sensor overschrijdt (normaal 85°C).

Elektrische metingen

Meting van de isolatieweerstand met een megohmmeter (testspanning 500 VDC) toonde een waarde van 0,8 MΩ tussen de fasen en de behuizing. Volgens DSTU EN 60034-27-4 is de minimaal toegestane waarde voor een veilige werking 5 MΩ. Dit geeft de eerste fase aan van isolatieverlies als gevolg van thermische veroudering. De weerstand van de wikkelingen (R-S, S-T, T-R) bleef symmetrisch (1,2 ohm), wat kortsluiting tussen windingen als hoofdoorzaak uitsluit.

Mechanische toestand en trillingen

Een spectrale trillingsanalyse (overeenkomend met ISO 20816-1) onthulde een toename in amplitude bij 1X frequentie (rotatiefrequentie) tot 4,5 mm/s (RMS), wat een gevolg is van thermische uitzetting en tijdelijke buiging van de rotor. Tijdens de demontage bleek dat de SKF 1015633 radiale asafdichting zijn elasticiteit verloor, het materiaal (elastomeer) verhardde en microscheurtjes vertoonde. Dit is een typisch teken van langdurige blootstelling aan temperaturen boven de 120°C. Er was een lichte lekkage van vet uit het voorste lager als gevolg van verslechtering van de afdichting.

4. Onderzoek naar de oorzaak: Systeemanalyse

Om de oorzaak te achterhalen wordt de methode ‘5 Whys’ (5 Whys) toegepast in combinatie met de analyse van de werkcyclus.

Probleem: Servomotor gestopt vanwege thermische overbelastingsfout.

Waarom 1: Waarom werkte thermische beveiliging?
Omdat de PTC-thermistor in de statorwikkeling een temperatuur registreerde van meer dan 130°C.

Waarom 2: Waarom overschreed de wikkeltemperatuur de 130°C?
Omdat de warmteafgifte (I²R-verliezen) het vermogen van het systeem om warmte af te voeren ruimschoots overtrof.

Waarom 3: Waarom was de warmteafgifte buitensporig?
Omdat de effectieve stroom (I_rms) tijdens de inschakelduur 12,5 A was, terwijl de nominale stroom van de motor (I_0) 10,2 A is.

Waarom 4: Waarom overschreed de effectieve stroom de nominale stroom?
Omdat het technologische proces drie maanden geleden werd versneld. De cyclustijd daalde van 4,5 seconden naar 3,2 seconden, wat hogere acceleraties en een kortere verblijftijd vereiste.

Waarom 5: Waarom kon de motor de nieuwe cyclus niet aan?
Omdat het equivalente moment (M_rms) niet opnieuw werd berekend toen de procesparameters werden gewijzigd. De motor bleek te klein voor het nieuwe bewegingsprofiel. Bovendien was het filter van de koelventilator in de kast verstopt, waardoor de omgevingstemperatuur steeg naar 48°C.

5. Geïdentificeerde grondoorzaken

Op basis van de verzamelde gegevens werd een lijst met hoofdoorzaken opgesteld, met een beoordeling van hun impact op falen:

1. Fout bij berekening van de werkcyclus (waarschijnlijkheid van 65%): De verandering in het bewegingsprofiel zorgde ervoor dat het equivalente koppel (M_rms) het nominale motorkoppel (M_0) overschreed. Servomotoren kunnen gedurende korte tijd een piekkoppel produceren (tot 3x M_0), maar de gemiddelde waarde per cyclus moet onder de nominale waarde blijven. Het overschrijden van M_rms veroorzaakt een exponentiële toename van koperverliezen.
2. Fout in het koelsysteem en overtreding van de bedrijfsomstandigheden (waarschijnlijkheid 25%): De temperatuur in het werkgebied van de motor en in de schakelkast bereikte 48°C (met een norm van 40°C). Een afname van de temperatuurgradiënt tussen het motorhuis en de lucht verminderde de effectiviteit van convectieve koeling.
3. Traagheidsmoment komt niet overeen (waarschijnlijkheid 10%): De verhouding tussen de traagheid van de belasting en de traagheid van de rotor (J_load / J_motor) was 8:1. Voor hoogdynamische toepassingen ligt de aanbevolen verhouding tussen 3:1 en 5:1. Een hoge traagheid vereist meer energie voor het accelereren en remmen, waardoor het stroomcircuit van de aandrijving verder wordt belast.

6. Corrigerende acties

Onmiddellijke acties (onmiddellijke oplossing)

• Vervanging van componenten: Demontage van de beschadigde motor en installatie van een identieke reserveservomotor om de productie te hervatten.
• Vervanging van afdichtingen: Installatie van een nieuwe radiale asafdichting SKF 1015633 op de zitting met controle van de asslingering (tolerantie niet meer dan 0,02 mm).
• Reiniging van koelsystemen: Vervanging van filters op de schakelkasten en reiniging van de koelvinnen op de behuizing van het mechanisme.

Langetermijnoplossingen (langetermijnpreventie)

• Optimalisatie van bewegingsprofiel: Reductie van versnelling (jerk) in PLC met 15%. Hierdoor wordt de cyclustijd met 0,2 seconden verlengd, maar worden de piekstromen met 25% verminderd, waardoor M_rms weer in de veilige zone komt.
• Koelupgrade: Installatie van een actief airconditioningsysteem voor de schakelkast (in plaats van passieve ventilatoren) om een ​​stabiele 35°C te handhaven.
• Herwaardering van motorgrootte (Sizing): Vervang bij de volgende geplande modernisering van de lijn de huidige motor door een model met een hoger nominaal koppel (M_0 = 20 Nm) en een grotere rotor om de traagheidsverhouding te verbeteren.

7. Snelle diagnostische checklist voor technisch personeel

Deze checklist is bedoeld voor gebruik op tablets tijdens apparatuurbezoeken. Hiermee kunt u vroege tekenen van oververhitting detecteren voordat er een kritieke storing optreedt.

8. Strategie voor preventie en conditiemonitoring

Het voorkomen van oververhitting vereist een verschuiving van reactief onderhoud naar proactieve methoden. De basis van deze strategie is de juiste berekening van de kinematica. Het equivalente moment wordt berekend met de formule:

M_rms = √ ( (M_1²*t_1 + M_2²*t_2 + ... + M_n²*t_n) / T_totaal )

Waar M_i het moment in elke fase van de cyclus is, is t_i de duur van de fase, en T_total de totale tijd van de cyclus. Als de berekende M_rms 90% van het nominale motorkoppel benadert, is het noodzakelijk om het bewegingsprofiel te herzien of een grotere motor te selecteren.

Conditiebewaking

• Current Signature Analysis (MCSA): Moderne servoaandrijvingen maken continue analyse van het huidige spectrum mogelijk. Het optreden van harmonischen kan duiden op mechanische problemen (zoals versleten lagers of beschadigde SKF 1015633-afdichtingen) die extra weerstand creëren en tot hitte leiden.
• Integratie van thermische modellen: Het gebruik van interne wiskundige modellen van de schijf (I²t-bescherming) moet worden geconfigureerd rekening houdend met de werkelijke omgevingstemperatuur. Als de winkeltemperatuur 45°C bedraagt, moet de triggerdrempel I²t worden verlaagd.

Onderhoudsintervallen

Het onderhoudsschema moet het controleren en vervangen van de schakelkastfilters om de 2.000 bedrijfsuren omvatten. De thermische beeldcontrole van servomotoren en kabelassemblages moet eens per kwartaal worden uitgevoerd. Afdichtingselementen die onder zware omstandigheden werken, moeten elke 8.000 uur worden vervangen of wanneer de eerste tekenen van verharding van het elastomeer worden waargenomen.

9. Conclusies

Oververhitting van een servomotor is zelden het gevolg van een fabricagefout in het onderdeel zelf. In de meeste gevallen is dit het resultaat van een verandering in de werkcycli zonder een passende berekening van de belasting (M_rms), verslechtering van de koelomstandigheden of mechanische slijtage van de gerelateerde knooppunten. Dankzij een systematische benadering van diagnostiek, inclusief stroom-, trillings- en thermografische analyse, kunt u de oorzaak nauwkeurig identificeren. Het naleven van ontwerpnormen en regelmatige inspectie van de staat van afdichtingen en lagers garanderen een stabiele werking van de apparatuur en minimaliseren uitvaltijd.

Bezoek de UNITEC-D Catalogus voor een selectie gecertificeerde reserveonderdelen, elektromotoren, asafdichtingen en componenten voor industriële automatisering die voldoen aan de Europese kwaliteitsnormen.

10. Literatuur en regelgevingsdocumenten

• DSTU EN 60034-1: Elektrische roterende machines. Deel 1. Nominale gegevens en bedrijfskenmerken.
• ISO 20816-1: Trillingen zijn mechanisch. Meting en beoordeling van machinetrillingen.
• DSTU EN 60034-27-4: Meting van isolatieweerstand en polarisatie-index van wikkelingen van elektrische machines.
• Technische aanbevelingen van fabrikanten van servoaandrijvingen met betrekking tot de instelling van stroomcircuits en de berekening van warmteverliezen.