Mike Howell
EASA Technical Support Specialist

Cuando sus procesos pueden facilitarlo y para rebajar costos de fabricación, los fabricantes casi siempre emplean en los estatores trifásicos de alambre redondo, bobinados concéntricos insertados con máquinas. Muchos centros de servicio también pueden rebobinar bobinados concéntricos, pero la práctica más común es la de utilizar bobinados excéntricos de doble capa. Para los estatores con bobinas pre-formadas, los fabricantes y los centros de servicio utilizan la mayoría de las veces, bobinados excéntricos de doble capa.

La finalidad de este artículo es proporcionar algunos consejos para trabajar con bobinados con espiras diferentes (impares) o con bobinados excéntricos de doble capa donde el número de espiras por ranura es un número impar (Ej. 3,5,7,9…n). En estos casos, los lados superior e inferior de la bobina deben tener un número de espiras diferente.

Limitaremos aún más el alcance de esta discusión a los bobinados en los que el número de ranuras por polo y por fase es divisible por dos (Ej. 2,4,6,8…n). Para los bobinados excéntricos que estamos discutiendo, el número de bobinas será igual al número de ranuras y el número de bobinas por grupo igual al número de polos multiplicado por el número de fases. Entonces el número de bobinas por grupo o ranuras por polo y por fase (SPP), es:

SPP = Q / (M·P)

donde:

• SPP es el número de ranuras por polo y por fase​
• Q es el número de ranuras del estator​
• P es el número de polos (del bobinado)
• M es el número de fases

Cálculo del SPP

La Tabla 1 incluye algunos ejemplos de cálculo del SPP que se pueden aplicar a este artículo y otros que no. También vale la pena definir el paso de bobina ya que se utiliza terminología y definiciones diferentes. Aquí expresaremos el paso con formato 1-X, donde X representa el número de la ranura en la cual se alojará la bobina superior, si el lado de la bobina inferior se insertara en la ranura 1. Además, diremos que, si X es un número impar, llamaremos a esto paso impar y si X es par, le llamaremos paso par. Ejemplos de pasos impares serían 1-11 o 1-15 y ejemplos de pasos pares serían 1-10 o 1-12. Con el alcance que hemos definido, ahora podemos discutir algunos de los problemas con los que los bobinadores se van a encontrar en los bobinados con espiras impares.

Hemos limitado nuestra discusión a los bobinados donde la mitad de las bobinas tienen una espira menos que la otra mitad. Queremos insertarlas en el estator para aprovechar mejor el espacio de la ranura y asegurarnos que tenemos un bobinado con el mismo número de espiras por fase y en cada uno de los circuitos en paralelo.

Nos referiremos a las bobinas con una espira menos como 0 y a las bobinas con más espiras como 1. Cuando tenemos un paso par, las bobinas simplemente se pueden alternar 010101… Un ejemplo de ello es un bobinado de 72 ranuras, 4 polos, 12 grupos y 6 bobinas por grupo con paso 1-16. Si el devanado tiene bobinas impares con 5 espiras y bobinas pares con 6 espiras, la secuencia para instalar cada grupo de seis bobinas sería 010101 o 5,6,5,6,5,6. Si el mismo bobinado tiene un paso 1-15, las cosas son más complicadas. Si se usa una secuencia de montaje 5,6,5,6,5,6, algunas ranuras tendrán 10 espiras y otras 12. Este es el tipo de escenario que algunas veces se encuentran los bobinadores y la solución no siempre es fácil. Algunas veces, podemos aumentar el número de circuitos en paralelo en cada fase para eliminar por completo el problema de las bobinas impares. Otras veces podemos utilizar un paso par sin realizar cambios de funcionamiento significativos. Sin embargo, en algunas conversiones concéntrico a excéntrico y en ciertos bobinados excéntricos de fabricantes de equipo originales (OEM), nos atascamos cuando necesitamos usar bobinas con espiras y pasos impares.

La Tabla 2 incluye algunos bobinados con espiras y pasos impares y una secuencia de montaje admisible para cada uno de ellos, de tal forma que cada ranura tendrá el mismo número de espiras. También se listan unas cuantas combinaciones en las cuales desconocemos una buena solución (Ej. 36 ranuras, 2 polos y paso 1-13). También, tenga en cuenta que en ciertos casos la tabla restringe las opciones de conexiones normales.

Veamos un par de ejemplos utilizando la Tabla 2. Primero, considere una máquina de 6 polos, 72 ranuras y paso 1-11, con 6 y 7 espiras por bobina. Utilizando la tabla, se debe usar la secuencia 0011 por lo que los grupos se deben fabricar con 6,6,7,7 espiras por bobina. En este caso, el bobinado se podría conectar con hasta 6 circuitos y cada ranura tendría 6 + 7 = 13 espiras.

Un enfoque diferente

Un caso más complicado es revisar el bobinado de 72 ranuras, 4 polos, paso 1-15. De nuevo, esta es una combinación en la que puede ser deseable explorar el uso de un paso diferente, por ejemplo 1-16 o cambiar los circuitos en paralelo, lo que eliminaría la necesidad de utilizar bobinas con espiras impares. Pero si se requieren bobinas con espiras impares y paso 1-15, la secuencia de bobinado sería 001100 110011. Este bobinado tiene 6 bobinas por grupo, por lo que esta secuencia de bobinado representa 2 grupos de bobinas.

Digamos por ejemplo que un bobinado tiene bobinas de 3 y 4 espiras. De los 12 grupos totales, 6 tendrían la secuencia #1 = 3,3,4,4,3,3 y 6 tendrían la secuencia #2 = 4,4,3,3,4,4 y la secuencia de bobinado alternaría

#1, #2, #1, #2… Esto daría como resultado que cada ranura tenga 4+3 = 7 espiras. Una limitación adicional para este bobinado se muestra en la tabla.

Ya que la mitad de los grupos de bobinas tiene 20 espiras por grupo y la otra mitad tiene 22 espiras por grupo, el número de circuitos permitidos queda limitado a dos. Esto mantiene el mismo número de espiras en cada rama en paralelo. Además, los puentes utilizados para esta secuencia de bobinado deben ser 1-4 o polos adyacentes. Esto da como resultado que cada circuito tenga 20 + 22 = 42 espiras. Si se usaran puentes 1-7 o polos salteados, un circuito tendría 20 + 20 = 40 espiras y el otro 22 + 22 = 44 espiras lo que produciría corrientes circulantes.

Un reto adicional

Los bobinados con bobinas preformadas presentan un reto adicional. Cuando se fabrican bobinas moldeadas con número de espiras diferentes, pero con los mismos tamaños de alambre, obviamente las bobinas tendrán una altura distinta. Dependiendo del espacio disponible para los espaciadores verticales, esto puede ocasionar problemas significativos de cruce (crossover) en la cabeza de bobina, Por lo general los fabricantes lo han solucionado utilizando dos alternativas. La primera, es fabricando bobinas con los mismos tamaños de alambre y modificando los espaciadores del centro y del fondo para facilitar una tolerancia adecuada entre bobinas, pero esto requiere un espacio significativo para los espaciadores. La segunda, que es el enfoque más común, consiste en utilizar tamaños de alambre diferente en las bobinas, de tal forma que la altura de las bobinas con menos espiras se aproxime a la altura de las bobinas con más espiras. Por ejemplo, para el diseño de un estator de 4000 V con bobinas de 9 y 10 espiras, las bobinas de 10 espiras se podrían fabricar con alambre de 0.091” (2.31 mm) de espesor y las bobinas con 9 espiras con alambre de 0.102” (2.59 mm) de grueso. Asumiendo que el alambre es esmaltado (heavy film insulation), la diferencia entre las alturas nominales de las dos bobinas sería de un 0.4% (ver Figura 1). Una pregunta que surge con frecuencia en este escenario está relacionada con la densidad de corriente. Sí, la bobina con el tamaño de alambre mas pequeño tiene una densidad de corriente más alta y por consiguiente un mayor incremento de temperatura que la otra bobina. Los fabricantes tienen en cuenta esto durante la etapa de diseño.

Los bobinados con espiras impares pueden ser un reto, pero cualquier bobinador puede tener éxito con una evaluación y planeación anticipada. Para obtener ayuda con este tipo de bobinados contacte al Soporte Técnico de EASA. Como ya se mencionó, puede existir un rediseño razonable que podría eliminar la configuración de espiras impares o una modificación en el paso que permita simplificar la secuencia de espiras requerida.

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