Estatores Hairpin: beneficios, límites e inspección

Los devanados hairpin sustituyen los haces de alambre redondo fino por conductores rectangulares conformados. Este diseño es común en los motores de tracción porque puede introducir más cobre en una ranura de estator fija. Ese beneficio es útil, pero no hace que todos los motores hairpin sean más eficientes en cualquier punto de funcionamiento.

Los ingenieros deben considerar la construcción hairpin como una elección de devanado y fabricación. La topología del motor, la refrigeración, la frecuencia de conmutación, el rango de velocidades, el sistema de aislamiento y el control de calidad siguen determinando el comportamiento de la máquina terminada.

Qué es un estator hairpin

Un estator contiene un núcleo magnético laminado y conductores aislados. En un proceso hairpin, el alambre de cobre rectangular esmaltado se conforma en formas repetibles. Los conductores se insertan en las ranuras, se retuercen siguiendo el patrón de conexión requerido y se unen en los extremos expuestos.

Los métodos hairpin continuos y otros métodos relacionados de devanado de barras utilizan diferentes secuencias de conformado y unión. El principio común es emplear un conductor macizo de perfil rectangular en lugar de muchos hilos redondos flexibles. Las investigaciones de producción de RWTH Aachen describen los devanados hairpin continuos como conductores de cobre macizos de perfil cuadrado o rectangular.

Esta distinción es importante durante el diagnóstico. Un estator hairpin tiene muchos conductores conformados y uniones eléctricas. Por ello, presenta riesgos de fabricación diferentes a los de un estator con devanado aleatorio.

Por qué es importante el llenado de la ranura

Los alambres redondos dejan espacios intersticiales al empaquetarse juntos. Los conductores rectangulares pueden aprovechar mejor el área de la ranura. Un mayor llenado de cobre puede permitir una mayor densidad de par o un paquete activo más corto, según el diseño electromagnético.

Sin embargo, el llenado de cobre no es una métrica completa de eficiencia. La ranura también necesita aislamiento, holgura de fabricación, impregnación y vías térmicas. Las holguras reducidas pueden hacer que la inserción de los conductores sea menos tolerante a los errores dimensionales.

Los diseñadores deben comparar el mapa completo de pérdidas, no un único valor destacado. La resistencia del cobre, las pérdidas del núcleo, las pérdidas mecánicas, los armónicos del inversor y la temperatura cambian en todo el rango de funcionamiento.

La compensación a altas velocidades

Los conductores rectangulares grandes pueden experimentar una redistribución de corriente a frecuencias eléctricas más altas. Los efectos pelicular y de proximidad aumentan la resistencia efectiva en corriente alterna. Como resultado, puede reducirse parte del beneficio obtenido mediante una baja resistencia en corriente continua.

El efecto depende de las dimensiones del conductor, la posición en la ranura, la disposición de las capas, el número de polos, la velocidad y la forma de onda del inversor. Un motor que funciona bien alrededor de un punto de servicio frecuente puede comportarse de manera diferente cerca de la velocidad máxima.

Solicite datos de eficiencia o pérdidas en todo el rango de par y velocidad previsto. Una única eficiencia en el punto nominal no puede describir un servicio de velocidad variable de tracción o de husillo.

La selección del accionamiento también es importante. La estrategia de conmutación, los límites de corriente, el margen de tensión, la realimentación y la protección térmica deben ser compatibles con el motor. La colección de accionamientos y control de movimiento de PLC ProTech ofrece un contexto útil sobre el hardware de accionamiento asociado.

Etapas de fabricación que requieren control

La secuencia de producción suele incluir enderezado, corte, conformado, retirada selectiva del aislamiento, inserción, torsión, unión, impregnación y pruebas eléctricas. Cada etapa puede crear un defecto que llegue a una estación posterior.

• Conformado: una deformación excesiva puede agrietar o adelgazar el esmalte en una curva.
• Inserción: el contacto con los bordes de la ranura puede raspar el aislamiento.
• Torsión: una geometría deficiente puede desalinear las superficies de unión.
• Soldadura: una fusión insuficiente aumenta la resistencia, mientras que el exceso de calor puede dañar el aislamiento cercano.
• Impregnación: los vacíos pueden debilitar la transferencia térmica y el soporte mecánico.

La automatización mejora la repetibilidad solo cuando se supervisan el estado de las herramientas y las ventanas del proceso. Una trayectoria robótica estable no compensa unas guías desgastadas, cobre contaminado o una profundidad de retirada del aislamiento incorrecta.

Inspección y pruebas al final de la línea

La inspección debe relacionar cada medición con un modo de fallo. La visión artificial puede comprobar la posición del conductor, la geometría de las curvas y el aspecto de las soldaduras. Por sí sola, no puede demostrar la resistencia de las uniones ni la integridad del aislamiento.

Entre las comprobaciones eléctricas útiles pueden incluirse la resistencia del devanado, el equilibrio entre fases, las pruebas de alta tensión o de sobretensión y la evaluación de descargas parciales cuando la clase de tensión lo requiera. La termografía durante un funcionamiento controlado puede revelar pérdidas desiguales, pero las condiciones de prueba deben ser repetibles.

La supervisión de las soldaduras puede registrar la potencia, la duración, la geometría y las características del proceso. La trazabilidad debe vincular esos registros al número de serie del estator. Antes de utilizarlos como criterios de aceptación, los límites deben correlacionarse con muestras destructivas y resultados eléctricos.

El análisis del sistema de medición también es importante. Si la variación del instrumento se aproxima a la tolerancia permitida, los datos de producción pueden generar falsas alarmas u ocultar una desviación.

Refrigeración y temperatura

Los devanados compactos concentran calor además de cobre. Los ingenieros deben verificar cómo se desplaza el calor desde los conductores, a través del aislamiento, los revestimientos de las ranuras, las laminaciones y la carcasa, hasta el refrigerante. Las uniones de los cabezales de bobina pueden crear puntos calientes locales fuera del paquete principal refrigerado.

Los sensores de temperatura deben representar la ubicación limitante. Sus lecturas también dependen de la colocación y del retraso térmico. Los ajustes de protección del motor deben basarse en pruebas, no solo en el límite nominal de la clase de aislamiento.

En aplicaciones alimentadas por inversor, la longitud del cable, la tensión reflejada, la puesta a tierra y los controles de corriente de los rodamientos deben revisarse con los proveedores del motor y del accionamiento. La colección de variadores de frecuencia y accionamientos de CA muestra la clase de equipos implicada, pero la compatibilidad final debe ajustarse a los datos del fabricante original.

Cuándo son adecuados los devanados hairpin

La construcción hairpin resulta atractiva cuando un alto volumen de producción, un empaquetado compacto, un ensamblaje automatizado y un ciclo de servicio definido justifican herramientas específicas. Los accionamientos de tracción son un ejemplo común.

Puede ser menos atractiva para motores de bajo volumen, cambios frecuentes de diseño o aplicaciones que valoran la reparabilidad. El proceso de unión y la geometría fija de los conductores pueden aumentar la complejidad del retrabajo.

La selección debe comparar el sistema completo de motor, accionamiento y refrigeración. Solicite el mapa de eficiencia, los límites térmicos, la frecuencia eléctrica máxima, la base de las pruebas de aislamiento, las opciones de realimentación y los datos de cualificación.

Lista de comprobación para la puesta en servicio

• Confirme las capacidades nominales del motor y del inversor en todo el rango de velocidades.
• Verifique los requisitos de corriente, tensión, conmutación y realimentación.
• Revise el caudal de refrigeración, la temperatura de entrada y la ubicación de los sensores.
• Registre los valores de referencia de la resistencia de fase y de las pruebas de aislamiento.
• Realice un seguimiento del equilibrio de corriente, las temperaturas, las vibraciones y el historial de fallos.
• Defina los límites de alarma a partir de los datos del fabricante original y las pruebas de aceptación en las instalaciones.

Los estatores hairpin pueden contribuir a crear máquinas compactas y eficientes. Su valor procede de una geometría controlada y de un proceso cualificado. Una selección sólida depende del rendimiento medido del sistema y de las pruebas de inspección.

Fuente: Ingeniería de Producción de Componentes de Movilidad Eléctrica de la Universidad RWTH de Aquisgrán.