Mike Howell
Especialista de Soporte Técnico de EASA
El núcleo del estator de un motor de inducción se puede fabricar utilizando laminaciones de una sola pieza (vea la Figura 1 a la izquierda) de hasta un diámetro exterior de 48 pulgadas (1200 mm) aproximadamente. Para estatores más grandes, o cuando se minimiza el material de desecho, las láminaciones del estator son segmentadas (vea la Figura 1 a la derecha). El espacio circunferencial típico entre las láminaciones segmentadas es de solo unas 0,012 pulgadas (0,3 mm), por lo que se exagera en las cifras incluidas. El número de segmentos elegidos por un fabricante para un diseño determinado puede depender de varios factores, algunos técnicos y otros económicos. Para la mayoría de las actividades de reparación del centro de servicio, las máquinas con estatores con laminaciones segmentadas se procesan de la misma forma que aquellas con laminaciones de una sola pieza. Sin embargo, hay algunas áreas que vale la pena explorar que podrían ser útiles cuando se trabaja con estatores con laminaciones segmentadas.
Rebobinados
Los estatores se pueden rebobinar de la misma forma, independientemente que sus laminaciones sean de una sola pieza o segmentadas. Sin embargo, aunque es buena práctica, no todos los centros de servicio utilizan espaciadores en en el fondo de las ranuras para los devanados de pletina (solera), y la presencia de las uniones de segmento aumenta la probabilidad de irregularidades en la superficie. Por este motivo, se recomienda utilizar un espaciador en el fondo (relleno) para diseños de laminación segmentada, incluso si decide no utilizarlos en los estatores con laminaciones de una sola pieza. No es necesario perder una cantidad significativa de espacio en la ranura, ya que un separador de 0,009 pulgadas (0,2 mm) es suficiente. Se recomienda el uso de vidrio epóxico o materiales similares, a menos que se utilicen materiales de control de tensión, en cuyo caso se debe usar un material conductor.
Reemplazo del Núcleo
Si reemplaza el núcleo del estator con un diámetro exterior inferior a 48 pulgadas (1200 mm), considere convertir las láminas del estator en un diseño de una sola pieza. Esto producirá más residuos, pero los procesos de corte por láser y de apilamiento requerirán mucha menos mano de obra. Además, la probabilidad de errores se reducirá considerablemente. La mayoría de los proveedores de laminaciones cortadas con láser pueden ayudar con este cambio.
Si el estator se va a reapilar con laminaciones segmentadas, es importante comprender la orientación y la secuencia de apilamiento de las laminaciones originales. Si se fabrican laminaciones nuevas, las propiedades del acero eléctrico deben ser equivalentes a las originales y el ensamblaje terminado debe tener una presión retenida adecuada. El número de segmentos utilizados puede variar según el diseño, pero veremos un par de ejemplos de estatores de seis segmentos. Para un estator de seis segmentos, cada segmento ocupará 360°/6 = 60°. Las laminaciones se ubicarán utilizando asientos que encajen a lo largo del diámetro exterior. La Figura 2 muestra dos de estos diseños de 60° y, en ambos casos, hay 12 asientos igualmente espaciados en incrementos de 30° alrededor del exterior del estator. El diseño de la izquierda en la Figura 2 es simétrico con respecto a su línea central, mientras que el diseño de la derecha es asimétrico. Las laminaciones simétricas se apilarían con cada capa indexada con respecto a la capa anterior en 30°, como se muestra en la Figura 3. La ventaja de este diseño es su simplicidad, pero solo produce 12 uniones alrededor de la periferia del estator, lo cual no es ideal para minimizar la disimetría magnética o para maximizar la integridad mecánica. Con el diseño de laminación asimétrica, se producen 24 uniones alrededor de la periferia del estator, ya que cada capa está indexada 15° con respecto a la capa anterior. Sin embargo, el ensamblaje es más complicado porque cada dos capas deben voltearse además de indexarse como se muestra en la Figura 4, donde cada laminación tiene un lado rojo y un lado azul.
Prueba de Núcleo/Prueba de Lazo
Los centros de servicio a veces experimentan corrientes de prueba mucho más altas de lo esperado durante la prueba de lazo (“toroide”) de los estatores segmentados. La Sección 7.4 del Manual Técnico de EASA proporciona un procedimiento para realizar las pruebas del núcleo del estator. Para lograr una densidad de flujo magnético de 85 000 líneas/pulgada2 (1,3 T) en el yugo, el procedimiento asume una fuerza de magnetización requerida de 9 amperios-vuelta por pulgada (350 amperios-vuelta por metro) de circunferencia de yugo promedio. Esto permite al usuario estimar la corriente de prueba para que se pueda seleccionar el tamaño del cable y se pueda verificar la capacidad de la fuente de alimentación.
El problema que surge con la prueba de lazo en un estator segmentado es que la trayectoria del flujo alrededor del yugo es interrumpida una vez por segmento por un entrehierro. Esto aumenta significativamente la reluctancia de esta trayectoria que requiere más fuerza de magnetización para lograr la misma densidad de flujo en el yugo. Curiosamente, el flujo en realidad no cruza esos entrehierros; más bien, se desvía esencialmente a través de las láminaciones adyacentes. Esto se debe a que el aislamiento que separa las láminaciones suele ser de aproximadamente 0,001 pulgadas (0,03 mm). Cuando este espesor de separación es significativamente más pequeño que el espacio entre los segmentos, la trayectoria con menor reluctancia es a través de las laminaciones adyacentes. Se requiere una fuerza de magnetización adicional para cruzar el espesor del aislamiento, y las laminaciones adyacentes pueden experimentar una saturación localizada. El resultado suele ser un aumento en la corriente entre el 60% y el 100% que la obtenida en un mismo núcleo con laminaciones de una sola pieza.
La Figura 5 muestra un modelo de elementos finitos simplificado utilizado para demostrar este efecto. La corriente en la bobina de prueba se incrementó hasta que las laminaciones experimentaron una densidad de flujo en el yugo de 85 000 líneas/pulgada2 (1,3 T). La fuerza de magnetización en esa región naranja que no está influenciada por la segmentación es de 6,4 amperios-vueltas por pulgada (250 amperios-vueltas por metro). En las regiones moradas justo encima y debajo del espacio del segmento, la densidad de flujo es de 103 000 líneas/pulgada2 (1,6 T) y la fuerza de magnetización es de 132 amperios-vuelta por pulgada (5200 amperios-vuelta por metro). También es evidente que la densidad de flujo magnético en el espacio del segmento es prácticamente cero, indicado por el sombreado azul.
Rediseños con Cambio de Polos
Cuando los estatores están segmentados, la fuerza magnetomotriz (FMM) producida por el devanado del estator puede no sumar cero en todos los instantes de tiempo. Si esta suma no es cero, se inducirá un voltaje en el eje, lo que puede provocar corrientes dañinas por los rodamientos. Este es básicamente el mismo efecto que vemos cuando los entrehierros no son uniformes. Con el tiempo, los fabricantes han aprendido que deben evitar ciertas combinaciones entre el número de polos y los segmentos del estator. Estas son reglas de diseño que rara vez afectan a un centro de servicio, pero una situación en la que esto podría volverse significativo es en el caso de que se rediseñe una máquina con un estator segmentado para un número de polos diferente. Si la combinación resultante de polos y segmentos del estator viola estas reglas de diseño, es probable que los voltajes inducidos en el eje se conviertan en un problema y, en estos casos, se deben aislar los rodamientos. El libro Polyphase Induction Motors de Paul Cochran proporciona estas reglas de la siguiente forma:
- El número de segmentos dividido por el número de polos no debe ser igual a 3/8, 3/4 o 3/2.
- Dos veces el número de ranuras del estator dividido por el número de polos no debe ser igual a un número entero impar.
- Cuatro veces el número de segmentos dividido por el número de polos no debe ser igual a un número entero impar.
- Dos veces el número de segmentos punzonados dividido por el número de polos no debe ser igual a A/B, donde A es un número entero impar y B es el denominador después de reducir A/B a sus términos más bajos.
Además, la mayoría de los fabricantes aislarán los cojinetes de las máquinas una vez que se alcance un cierto tamaño debido a la probabilidad de disimetría magnética por las variaciones de fabricación.
Resumiendo
Si bien la mayoría de las reparaciones del centro de servicio en máquinas con estatores con laminaciones segmentadas no requieren atención especial, hemos revisado algunos escenarios que es importante tener en cuenta. Antes de realizar cambios importantes en una máquina como esta, animamos a los miembros de EASA a solicitar consejos al personal de soporte técnico de EASA en un esfuerzo por evitar problemas imprevistos.
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More information on this topic can be found in EASA's Technical Manual- Section 2: AC Machines
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