Mike Howell, PE
Especialista de Soporte Técnico de EASA

Las conversiones de devanados concéntricos a imbricados son una práctica común en muchos centros de servicio de EASA y en la mayoría de los estatores, este cambio es factible y se puede realizar sin dificultad. Sin embargo, en algunos casos, puede resultar muy complicado y generar resultados no deseados debido a la reducción del cobre o la pared de aislamiento.

Un ejemplo de un rebobinado complejo es el del motor de las grúas o polipastos de dos velocidades y dos devanados. La configuración más común que observamos en las consultas de soporte técnico y en el ejemplo explorado en este artículo es el estator de 2/12 polos y 36 ranuras con una relación de potencia de 6:1 (par constante). Si bien existen excepciones, los datos de fábrica más comunes coinciden con la Tabla 1. Los devanados descritos son de una capa y generalmente están aislados entre sí en la ranura.

Muchos bobinadores convierten estos devanados en bobinados imbricados de dos capas porque no tienen moldes para bobinados concéntricos, no se sienten cómodos con las conexiones o ambas cosas.

Moldes para bobinados concéntricos
Los moldes para bobinados concéntricos están disponibles en el comercio de varios fabricantes de renombre a precios razonables, especialmente considerando el potencial de ahorro gracias a la reducción del tiempo de bobinado. Además, algunos centros de servicio han fabricado sus propios moldes de bobinado concéntricos, y al menos uno de ellos ha sacado partido de un software de modelado 3D asequible y un proceso de impresión 3D (véa la Figura 1).

Si los bobinadores de un centro de servicio no están familiarizados con el uso de bobinados concéntricos, la gerencia podría mostrarse reticente a invertir en moldes de bobinado concéntricos. Varios miembros de EASA han comentado que, tras esta transición, especialmente en estatores más pequeños, ahorran tiempo y materiales. Desde la perspectiva del proceso de bobinado, uno de los aspectos más desafiantes reportados ha sido la incertidumbre con las conexiones internas. 

Conexiones internas
Una de las muchas ventajas de ser miembro de EASA es el acceso a su publicación, Internal Connection Diagrams for Three-Phase Electric Motors. Muchos bobinadores utilizan este recurso a diario, que resulta especialmente útil cuando surgen conexiones inusuales. Si bien la mayoría de los bobinadores parecen comprender rápidamente el formato de conexión al realizar bobinados imbricados de dos capas, aplicar las mismas conexiones a bobinados concéntricos resulta más complicado. El Soporte Técnico de EASA recibe periódicamente solicitudes de diagramas de conexión concéntrica cuando los diagramas de conexión del libro se pueden aplicar a bobinados imbricados o concéntricos. La Figura 2 incluye un diagrama circular simplificado y un diseño detallado de los bobinados utilizando la numeración de los extremos de grupo, de acuerdo con el Internal Connection Diagrams for Three-Phase Electric Motors de EASA para los bobinados de 2 y 12 polos mencionados en la Tabla 1. 

Conversíón concéntrico a imbricado
Exploremos el bobinado de alta velocidad: 6 grupos de 3 bobinas con paso 1-14,16,18. En primer lugar, cambiar de un bobinado de una capa a otro de dos capas con un separador entre las bobinas inferior y superior resultará en un aumento aproximado del 3-5 % en el relleno de la ranura. La Figura 3 muestra la transición de una ranura de estator de una capa a dos capas y luego a cuatro capas. Además del espacio requerido por los separadores adicionales, al introducir aislamiento adicional dentro de la ranura los hilos tienden a no encajar bien. Para mantener las densidades de flujo magnético y de corriente originales dentro del 2 % sin aumentar el número de espiras por ranura, se requeriría un paso de bobina 1-17 (89 %, 160°), lo cual es muy difícil de bobinar. Para un paso 1-14 (72 %, 130°), el bobinado requiere aproximadamente un 10 % más de espiras, y rara vez se dispone de un 15 % de espacio adiiconal de ranura para este cambio. Los devanados de alta velocidad de estos motores suelen estar diseñados con densidades de flujo magnético en el yugo/corona cercanas a la saturación, por lo que son sensibles al aumento de los campos magnéticos.

En el caso del devanado de baja velocidad, se presentan los mismos desafíos de llenado de ranura que al pasar de un devanado de una capa a otro de dos capas. Además, trabajar con 18 grupos de 1 (polos consecuentes) es menos engorroso que emplear 36 grupos de 1 necesarios para el devanado imbricado convencional de dos capas y 12 polos. Los devanados de baja velocidad de estos motores suelen estar diseñados con densidades de flujo magnético en el  diente cercanas a la saturación, por lo que también son sensibles al aumento de los campos magnéticos si se reduce el número de vueltas debido a problemas del llenado de ranura. En la mayoría de los casos, el devanado de alta velocidad se inserta primero, y si el llenado de ranura se convierte en un problema, se suelen realizar cambios en el devanado de baja velocidad para intentar salvar el de alta velocidad.

Ambos devanados de estas máquinas también suelen estar diseñados con una densidad de corriente relativamente alta debido a su ciclo de trabajo intermitente y pueden ser muy sensibles térmicamente a la reducción del área de cobre por vuelta. 

Conversiones imbricado a concéntrico
La conversión de los devanados imbricados originales a los que se muestran en la Tabla 1 se puede realizar fácilmente a mano o con el AC Motor Verification and Redesign Software (ACR) de EASA.

La Sección 2 del Manual Técnico de EASA incluye factores de conversión para devanados imbricados y concéntricos, junto con las instrucciones de uso. Si se utiliza el software ACR, introduzca el devanado imbricado original y conviértalo a imbricado utilizando un paso 1-19 para la alta velocidad (36 ranuras, 2 polos) y un paso 1-4 para la baja velocidad (36 ranuras, 12 polos). El número de vueltas por bobina en ambos devanados será el doble del número de vueltas calculado para el devanado imbricado. En la Tabla 2 se muestra un ejemplo de este tipo de conversión. Con pocas excepciones, recomendamos utilizar una conexión estrella serie (1Y) para ambos devanados. Además, al realizar estas conversiones con el ACR, seleccione siempre “Half” en la opción “Round Turns”, ya que el resultado se multiplicará por dos. En muchos casos, esta conversión permitirá aumentar el área de cobre por vuelta, a la vez que se produce un relleno de ranura ajustado y adecuado que facilita el bobinado y evita tensiones mecánicas excesivas en las bobinas y el aislamiento.

Otras relaciones de velocidad y número de ranuras
Si bien el estator de 2/12 polos y 36 ranuras es el más común para estos motores, se utilizan otras relaciones de velocidad y número de ranuras y algunos fabricantes construyen motores de 2/12 polos con estatores de 48 ranuras. El bobinado de baja velocidad en esta configuración es inherentemente desequilibrado y se debe diseñar con una conexión en estrella en serie (1Y). Otras combinaciones, como 4/12 polos o 4/16 polos, también se observan a veces y pueden presentar sus propios desafíos según el número de ranuras y polos. Sin embargo, el diseño de 2/12 polos y 36 ranuras que se aborda aquí es el más común y estos consejos pueden facilitar considerablemente esos rebobinados.