Lagergeluid in elektromotoren

Bronbepaling door middel van frequentieanalyse

Het geluidsniveau is een belangrijke factor waarmee rekening dient te worden gehouden bij de constructie van elektromotoren voor huishoudelijke apparaten en oliebranders die worden gebruikt in wat een lawaaigevoelige omgeving wordt genoemd. Een bepaalde hoeveelheid lawaai is onoverkomelijk, maar een goed ontwerp, montage en componenten zonder gebreken kunnen het geluidsniveau tot een minimum beperken. Kennis van de wijze waarop de verschillende soorten lawaai worden opgewekt is daarom duidelijk een noodzaak en SKF heeft daarom een diepgaand onderzoek aan dit onderwerp gewijd. Men vond, dat door precieze analyse van het frequentiespectrum en de amplitude modulaties binnen de verschillende frequentiebanden, men in staat was in de meeste gevallen de motor of lageronderdelen aan te wijzen die defect waren.

De kwaliteit van een rollager is een compleet begrip waarin het materiaal, de fabricagetoleranties, de levensduur, de belastingscapaciteit, de wrijving, temperatuurgevoeligheidaspecten enz. zijn verdisconteerd. Het geluidsniveau is een factor die in bepaalde gevallen uitermate belangrijk kan zijn. Speciaal in die gevallen waar kleine diepgroef kogellagers met boringen <30 mm worden gemonteerd in elektromotoren voor verschillende huishoudelijk apparaten en oliebranders voor centrale verwarming. Lawaai van deze motoren is niet gevaarlijk en brengt geen be­schadigingen teweeg, maar is problematisch in een omgeving waar elk lawaai, zelfs met een zeer laag niveau, irriteert. Strikt genomen is het motorlawaai dat geluid dat door de lucht wordt overgebracht. Motortrillingen die zich bijv. door lange buizen voortplanten veroorzaken echter lawaai op een behoorlijke afstand van de bron en dit lawaai wordt vaak foutief aangeduid met motorlawaai. In dit artikel wordt dit zuiver theoretische verschil genegeerd en wordt het lawaai beschouwd in de ruimste zin van het woord. Ruwweg is het lawaai dat door elektromotoren wordt geproduceerd afkomstig van twee bronnen; het lawaai dat afkomstig is van de lagers en het lawaai dat niet door de lagers wordt geproduceerd. Het zogenaamde lagerlawaai is een nogal onprecieze uitdrukking aangezien de gehele opstelling trilt, terwijl lawaai alleen door de uitwendige oppervlakken wordt afgestraald. Het lagerlawaai kan op twee verschillende manieren worden opgewekt: direct door het lager en als resultaat van een ongeschikt ontwerp van de motor of montage van het lager dat de gehele constructie gevoelig maakt voor trillingen.

Lawaai dat niet afkomstig is van het lager

In een elektromotor ontstaan sterke en variabele magnetische velden die trillingen me bepaalde frequenties opwekken. Deze worden beïnvloed door de frequentie van de voeding, het toerental van de motor en het aantal gleuven in de stator en de rotor.
Het magnetisch lawaai is daarom sterk afhankelijk van het ontwerp van de motor en kan worden verergerd door een slechte nauwkeurigheid, bijv. een veranderlijke
luchtspleet tussen stator en rotor. Veel elek­tromotoren zijn uitgerust met een koelventilator die bij hoge snelheden een geluid produceert dat het lawaai van andere bronnen overstemt.

Het lager als machineonderdeel

Mechanisch gezien kan een elektromotor worden voorgesteld als een vibrerend systeem van massa’s en veren (afb. 1). De stator en de rotor worden voorgesteld als zware stijve massa’s, terwijl de voor- en achterzijde van het motorframe, die in axiale richting zwak zijn, worden voorgesteld als massa’s met veren. De lagers die de verbinding vormen tussen de rotor en de zijden van het motorframe zijn ook veerkrachtige onderdelen en beïnvloeden daarom de werking van de motor. Een kogellager met een kleine contacthoek en een paar kogels in contact met de loopbaan reageert als een slappere veer dan een lager met een grote contacthoek en veel kogels in contact met de loopbaan (afb. 2). De veerkracht is geconcentreerd in het contactgebied tussen kogels en ringen en kan worden beïnvloed door de inwendige speling of voorspanning af te stellen. Zelfs een onjuiste centrering of vervorming van een ring kan deze veerkracht veranderen.

Lawaai dat afkomstig is van het lager

Het is logisch, dat geluid dat op een of an­dere manier betrekking heeft op het lager, de belangstelling geniet van de persoon die zich met de toepassing van het lager bezig houdt. Als de rollende elementen of de loopbanen van de binnen- of buitenring onregelmatigheden op het oppervlak vertonen. zal het lager tijdens het lopen gaan trillen; deze trillingen zullen worden doorgegeven aan de hele motor. De motorfabrikant kan echter, ook als lagers zijn geleverd die aan de eisen voldoen,  het lager vervormen of de ringen fout uitlijnen door nauwkeurige bewerking van assen of door slechte assemblagetechnieken te gebruiken. In der­gelijke gevallen zal lawaai gaan optreden dat niet aan de lagerfabrikant mag worden toegeschreven. Deze trillingen kunnen echter precies hetzelfde karakter hebben als die worden geproduceerd door lagers van slech­te kwaliteit en daarom is het soms moeilijk om de exacte oorzaak van het lawaai te bepalen uit het totale systeemgeluid.

Analyse van het motorlawaai

Door het lawaai te analyseren dat afkomstig is van een motor of van de trillingen in de motor, is het mogelijk verrassend nauwkeurige conclusies te trekken omtrent de oorzaak van de verstoringen. SKF heeft een groot aantal gevoelige motoren onderzocht in haar Research Centrum in Nieuwegein en heeft gevonden, door gebruik te maken van frequentieanalyse en na te gaan hoe de amplitude in verschillende frequentiebanden wordt gemoduleerd, dat het in de meeste gevallen mogelijk is de oorzaak exact te lokaliseren. In het vervolg van dit artikel worden voorbeelden gegeven van de lawaaisoorten die zijn bestudeerd. Trillingen die optreden bij bepaalde frequenties hebben een specifieke oorzaak. Met de juiste apparatuur is analyse van de frequentie zo nauwkeurig, dat het een waardevolle methode kan zijn om te bepalen of de trillingen wordt veroorzaakt door magnetisch lawaai en indien dit het geval is, of de stator of de rotor de bron is. Indien de oorzaak is gelegen in het gebruik van foutieve lagers is het mogelijk om te ontdekken of de binnenring, de buitenring of de kogels defect zijn. Het lawaai van een ventilator valt eveneens gemakkelijk te herkennen. Tijdens de analyse van het lawaai dat werd geproduceerd door een kleine elektromotor, werd gevonden, dat sterke trillingen bij 1435 +/- n x 100 Hz (n=0, 1, 2, …) zie afb.

Afbeelding 1

De onderzoeker die ervaring heeft kan gemakkelijk begrijpen dat dit magnetisch lawaai was omdat het aantal gleuven in de rotor 29 be­droeg en het toerental 49,5 Hz. hetgeen overeenkomt met een basisfrequentie van 29 x 49,5 = 1435,5 Hz. Op gelijke wijze is het mogelijk om vanuit de afb afb. de oorzaak te vinden van de trillingen die zich voordoen tussen 2000 en 3000 Hz. met intervallen van 100 Hz. In dit geval is het de eerste boventoon met zijfrequenties aan het magnetisch geluid dat werd veroorzaakt door het aantal gleuven in de stator, te weten 24.

Afbeelding 2

De afb. toont het frequentiespectrum van axiale tril­lingen in een elektromotor die reeds bewezen had resonantiegevoelig te zijn. Een nauwkeurige analyse maakt duidelijk dat de frequentiepieken die optreden bij 212, 424, 541 en 636 Hz toe te schrijven zijn aan de binnenringen van het kogellager. Na de montage van de motor bleek dat de binnenringen van goede kwaliteit waren, maar dat ze tijdens de montage op de rotor as werden vervormd waardoor de loopbaan ovaal werd. Deze ovaliteit verzwakte de lagers in axiale richting hetgeen resulteerde in een ongeschikte ‘tuning’ van het trilsysteem van de motor. Bovendien produceerden de binnenringen  door hun vervorming interferentie in het gevoelige frequentiegebied. SKF heeft ook ontdekt, dat enkele irriterende lawaaiverschijnselen niet kunnen worden teruggevonden in het normale frequentiespectrum. Dit zijn amplitudemodulaties die worden veroorzaakt door beschadigingen van de loopbanen of door onjuist gemonteerde ringen.

Afbeelding 3

De bovenstaande afbeelding geeft weer hoe dit type lawaai er op het scherm van een oscilloscoop uitziet nadat de niet relevante frequenties eruit zijn gefilterd. Door gebruik te maken van een methode die bekend staat als ‘envelop analysis’ is het mogelijk een speciaal frequentiespectrum te produceren, dat dergelijke amplitudevariaties geeft.
De onderstaande afbeelding toont het resultaat van het gebruik van deze technieken maakt duidelijk dat de dominerende frequentiepiek bij 245 Hz ligt, hetgeen betekent dat het originele signaal bij deze frequentie sterke variaties in de amplitude vertoont.

Afbeelding 4

Een berekening, gebaseerd op de rotatiesnelheid en de afmetingen van het lager, toonde aan dat in dit geval alleen een binnenring de modulatie kon produceren. Na demontage werd gevonden dat de binnenring inderdaad defect was.
Het uitgebreide onderzoek dat door SKF werd uitgevoerd met betrekking tot de oorzaken van motorlawaai, of dit nu afhankelijk was van het lager of niet, stelt hen in staat de klant praktische assistentie te verlenen bij de identificatie en oplossing van een groot aantal problemen met betrekking tot lawaai.

Meer Lagers

Door: L. Johansson, SKF Goteborg