Chuck Yung
Especialista Sénior de Soporte Técnico de EASA

Con el aumento continuo de los tamaños de los motores CA y la obvia superioridad de los devanados con bobinas preformadas (pletina o solera), un área en la que podemos ayudar a mejorar la confiabilidad de los motores de nuestros clientes es rediseñando estos motores grandes de alambre redondo para que acepten bobinas preformadas. La mayoría de los reparadores estarían de acuerdo en que las máquinas de alambre redondo por arriba de 600 hp (450 kW) deberían rediseñarse con bobinas preformadas. Así mismo, aquellas con tensiones nominales superiores a 2 kV serían más confiables con bobinas de pletina.

Nadie quiere rebobinar un motor con 60 #14 AWG (62- 1.6 mm). Con la abundancia de proveedores especializados en laminaciones de estatores, el costo y la practicidad para convertir motores de alambre redondo a pletina está al alcance de casi todos los centros de servicio. Las laminaciones para reemplazar el núcleo pueden ser troqueladas o cortadas con láser o agua y entregadas en tiempos muy razonables.

Figura 1. 

Vale la pena considerar esta conversión desde un punto de vista global. La geometría de la ranura debe cambiar, por supuesto, pero existen varias oportunidades disponibles con este cambio. Utilice el AC Motor Verification and Redesign Program – Version 4 de EASA para calcular las densidades de corriente y de flujo magnético. Céntrese inicialmente en la densidad del backiron (yugo o corona), ya que a menudo resulta práctico aumentar la profundidad de la ranura para insertar más cobre. Tenga en cuenta el ancho del diente y el ancho de la ranura juntos, ya que cualquier aumento en el ancho del conductor y/o en el aislamiento de la pared de aislamiento se produce a expensas de la densidad del diente. 

El área del cobre casi siempre se puede aumentar obteniendo una mayor ganancia en confiabilidad a la que se obtiene por la ratio de cambio en el área de la sección transversal del conductor. Los esfuerzos voltio/bobina se manejan mucho mejor en un bobinado de pletina, ya que los voltios/vuelta se limitan a los voltios/bobina divididos por las vueltas/bobina [Los voltios/vuelta en un bobinado de alambre redondo pueden ser tan altos como los voltios/bobina].

Rediseñar un motor/generador de alambre redondo a pletina es un proceso iterativo. Los cálculos son simples y tendrá que usar un par de veces el AC Motor Verification and Redesign Program de EASA. Con esto en mente, use los botones “Editor” y “Clone”; de esta forma sus diferentes iteraciones se guardan para su revisión. Es útil guardar cada iteración con el número de trabajo - A, -B, etc.  El primer paso consiste en usar el AC Motor Verification and Redesign Program de EASA para determinar las densidades de flujo magnético en el airgap, tooth and backiron (entrehierro, diente y yugo) así como también los voltios/bobina del devanado de alambre redondo original. Tenga en mente los límites recomendados por EASA y trate de mantenerse ampliamente por debajo de estos límites (Límites superiores de 65 k [kilo-líneas por pulgada cuadrada] para la densidad del entrehierro, 130 k para la densidad del diente y 132 k para la densidad del yugo). Al revisar estos números evalúe cuanto margen tiene para trabajar, especialmente en la densidad del yugo. Por supuesto, la densidad del entrehierro, no debería cambiar a no ser que también haya un cambio de potencia involucrado.

El ancho de ranura se puede calcular de la siguiente forma:

[(Diámetro interior del núcleo + fondo de ranura) π)/número de ranuras] – ancho del diente

Entre más baja la densidad del diente, habrá más potencial para aumentar el ancho de ranura.

Dependiendo de la densidad del yugo, el fondo de ranura se puede incrementar un 20% o más, dejando un diente aproximado de 0.060” (1.5 mm) por arriba de la ranura de la cuña y una ranura para la cuña de 0.090” - 0.125” (2.2 mm-3 mm). Esto deja la profundidad de ranura/profundidad por debajo de la cuña útil. Nota: Para obtener suficiente rigidez del núcleo, la medida del yugo debe ser al menos del 80 % de la profundidad de la ranura.

Para calcular el conductor, tenga en cuenta las circular mils/amperio del devanado en alambre redondo. El objetivo siempre deberá ser aumentarlas, para mejorar tanto la eficiencia como la confiabilidad. Determine la sección de los alambres en paralelo y dimensione el alambre rectangular basado en el ancho de ranura, incrementando un 10 % la sección del alambre redondo original. Para evitar reducir el factor de potencia, utilice cuñas magnéticas a todo lo largo de la ranura ajustadas firmemente (Para facilitar la inserción, emplee varias cuñas más cortas; estas solo necesitan cubrir toda la longitud de las ranuras). Por debajo de la carga nominal, el Factor de Potencia (FP) se reduce y existen disponibles condensadores de corrección de FP, si el cliente quiere mejorarlo. 

La pared de aislamiento a tierra debe cumplir la sugerencia conservadora mostrada en la Tabla 1.

Trabaje con los requisitos de la pared de aislamiento de la Tabla 1 y con las dimensiones preliminares de la ranura y calcule cuanto alambre puede caber. Es prudente dejar un margen de 0.010” (0.25mm) para que la bobina sea más pequeña que la ranura y facilitar la inserción de las misma. Recuerde que no importa cuán preciso sea el proveedor del núcleo nuevo, el ancho de ranura no será perfecto ya que es imposible apilar miles de laminaciones perfectamente.

Ahora, utilice el AC Motor Verification and Redesign Program de EASA y verifique los resultados. Las densidades del diente y del yugo deben permanecer por debajo de 130k, preferiblemente por un margen amplio. Los circular mils/amperio deben haber aumentado, en la mayoría de los casos puede aumentar el ancho del conductor- a expensas de la densidad del diente. Nunca reduzca la pared de aislamiento a tierra por debajo de lo recomendado en la Tabla 1. Si la densidad del yugo es ampliamente baja, entonces aumentar la profundidad de ranura por debajo de la cuña permitirá incrementar el espesor del alambre.

• Siempre trabaje con alambres rectangulares estándar. Si el proveedor de bobinas tiene que ordenar alambre con dimensiones especiales, eso retrasará el tiempo de entrega de las bobinas.
• Nada dice que usted necesita usar la misma conexión. A menudo, los bobinados de pletina se prestan para un cambio de circuitos en paralelo sin riesgo de aumentar los voltios/bobina.

Veamos un ejemplo real, tomado de la base de datos de EASA. Se trata de un motor de 800 kW, 4 polos, 480 voltios, 1073 Amperios con 72 ranuras y 25 alambres # 14 AWG, 

Largo del núcleo:  21.25” (540 mm) Vueltas/bobina:  2
Diámetro interior: 18.50” (470 mm) Alambres: 25 # 14
Yugo:   2.75” (70 mm)
Paso 1-12 
Diente: 0.375” (9.5 mm) Conexión 4-Y
Fondo de ranura:  1.94” (49.3 mm)

Existen varios aspectos que saltan a la vista al analizar estos datos. Primero, 2 vueltas con 4 estrellas se prestan para un cambio de conexión a 4 deltas. Esto aumentará las vueltas y por ende reducirá el tamaño del alambre. Segundo, el paso 1-12 es muy recortado para 72 ranuras- 4 polos. Ingresando los datos en el AC Motor Verification and Redesign Program de EASA, obtuvimos estas densidades:

Mientras la densidad en el diente nos limita, la baja densidad en el yugo promete. Debemos ser capaces de profundizar las ranuras para incrementar el tamaño del alambre. Además, aumentar el paso parece ser una buena forma de reducir las vueltas originales, lo que también permite aumentar el tamaño del alambre.

Profundidad de ranura

Para iniciar rápidamente, calcule la relación para obtener una densidad del yugo conservadora de 125k y así poder visualizar cuanto se puede reducir el tamaño del yugo. Esto se correlaciona con nuestro posible aumento en la profundidad de la ranura:

99.6k / 125k = 0.797

Disminuir la medida del yugo hasta 2.19” (55.6 mm) permite aumentar la profundidad de ranura hasta 2.500” (63.5 mm); de este valor restamos 0.060” (1.5 mm) y 0.090” (2.3 mm) del diente por arriba de la ranura de la cuña y de la ranura de la cuña:

Profundidad por debajo de la cuña  = 2.500” (63.5 mm) – 0.15” (3.8 mm) = 2.350” (59.7 mm)

Ancho de ranura

Lo mejor que podemos hacer para determinar el ancho de ranura es medir el ancho de ranura promedio. Como alternativa se puede usar la formula descrita más adelante, basada en el ancho del diente reportado. (Los bobinadores se destacan por reportar ¼” (6.35 mm) para todos los anchos del diente, así que es mejor que lo verifique usted mismo).

{[( diámetro interior del estator + profundidad de ranura)π] / ranuras} 

– ancho del diente = Ancho de ranura

{[(18.5" + 2.5") π] / 72} - 0.465″ = 0.451”

{[(470 mm + 63.5 mm) π] / 72} - 11.8 mm = 11.46 mm

La ranura de la cuña debe ser lo más simple posible. Evite cuñas con lados en ángulo. Las cuñas magnéticas deben quedar firmemente ajustadas. 

Usando el programa de rediseño de EASA un devanado equivalente con 3 vueltas, paso 1-15 y una conexión de 4 deltas solucionaría los problemas mencionados anteriormente.

Cálculo estimado del conductor

Para determinar la profundidad de ranura útil por debajo de la cuña, reste un relleno de fondo y un separador, para esto yo uso 0.100” (2.5mm) y divida el resultado entre dos bobinas. Luego, reste la pared de aislamiento a tierra prevista indicada en la Tabla 1 y finalmente divida el resultado por el número de vueltas para obtener el espesor máximo del alambre. El ancho de ranura menos la pared de aislamiento a tierra da como resultado el ancho del alambre con el que trabajaremos. 

Para dimensionar nuestro alambre emplearemos un ancho conservador de 0.381” (96.8 mm) (0.451” [11.46 mm] – 0.070” (1.8 mm)  =  0.381” (96.8 mm)

Espesor del alambre

2.500” (63.5 mm) – 0.100”  (2.54 mm) = 2.400” (61 mm)
2.400” (61 mm)/ 2 = 1.200” (30.5 mm) coil height
1.200” (30.5 mm) – 0.070” (1.8 mm) pared de aislamiento = 1.130” (28.7 mm)
1.130” (28.7 mm) / 3 vueltas = 0.376” (95.5 mm)  Conductor: 0.376” (95.5 mm) x 0.381” (96.8 mm)

Ahora volvemos a comprobar las densidades con el programa con la información del nuevo bobinado y las medidas del núcleo nuevo:

Densidad
Airgap	56.6k
Tooth	105k
Backiron	126k
Circular mils/amp	1026

 

Revisando los datos nuevos con las nuevas medidas de ranura, la densidad del backiron se encuentra cerca del límite y los circular mils/amp triplican el valor original. Esto hace sensato disminuir el fondo de ranura (y el espesor del alambre) para bajar un poco la densidad del backiron.

Ajustando la densidad del backiron cerca de los 110k:

110/126 x profundidad de ranura de 2.500” (63.5 mm) nos da una nueva profundidad de ranura de 2.182” (55.4 mm)

La medida del backiron aumenta a  2.510” (63.8 mm)

La densidad de 110 k en el backiron es aceptable por lo que debemos revisar el espesor del alambre:

2.182” (55.4 mm) – 0.150” (3.8 mm) nos da una profundidad de ranura debajo de la cuña de 2.032” (51.6 mm)

2.032” (51.6 mm) - 0.100” (2.54 mm) = 1.932” (49.1 mm)

1.932” (49.1 mm) / 2 bobinas = altura de bobina de 0.966” (24.5 mm), menos una pared de aislamiento de 0.070” (1.78 mm) nos da 0.896” (22.8 mm).

0.896” (22.8 mm) / 3 vueltas = conductor de 0.298” (7.57 mm) de grueso 

Ahora, las densidades son mucho mejores:

Densidad
Airgap	56.6k
Tooth	106.6k
Backiron	110k
Circular mils/amp	797

 

El cálculo estimado de 797 Circular mils/amp casi dobla al original. Viendo las tablas de alambre rectangular, utilizando un alambre estándar en stock tendríamos 4 conductores de 0.144” (3.66 mm) x 0.182” (4.6 mm). Trabaje conjuntamente con su proveedor de bobinas para determinar los tamaños de alambre. Ellos pueden elegir reducir el espesor del alambre para minimizar las pérdidas por corrientes de eddy en cada alambre y podrían decidir usar alambres con dos anchos distintos, con dos alambres de cada tamaño diagonalmente opuestos, para proporcionar una construcción más segura de las bobinas.

Núcleo final		Datos del bobinado
Profundidad de ranura	2.182” (55.4 mm)	Vueltas:  3	Conexión: 4-deltas
Profundidad debajo de la cuña	2.032 (51.6 mm)	Paso: 1-15
Ancho de ranura	0.451” (11.46 mm)	Conductor: (4) 0.144” x 0.182”	(4) 3.66 x  4.6 mm
Backiron	2.510” (63.8 mm)

 

Para minimizar el impacto en el factor de potencia al rediseñar bobinados de alambre redondo a pletina, yo siempre recomiendo usar cuñas magnéticas. Las cuñas magnéticas necesitan estar ajustadas a la ranura de forma segura y se deben extender a todo lo largo del núcleo. Los bobinados de pletina son fáciles de amarrar y asegurar de forma segura y el proceso VPI mantiene la humedad y los químicos fuera de los bobinados, mientras mejora también la transferencia de calor. El resultado final para el cliente, es un motor más confiable. En este caso, siendo capaces de doblar casi los circular mils/amp, la mejora en la eficiencia es significativa.

DISPONIBLE EN INGLÉS

Categories: Technical topics, AC motors, Stators/windings, Form wound, Random wound, Winding connections, Design/theory/application

Tags: Form wound AC windings

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