Devanados de motor:¿cuáles son las diferencias?

Los devanados del motor pueden adoptar muchas formas o formas. Sin embargo, los devanados trifásicos distribuidos son los más utilizados en los motores de CA para aplicaciones industriales, que serán el tema central de este artículo. La discusión que sigue es igualmente aplicable al uso de este tipo de devanado en motores de inducción o en motores síncronos de imanes permanentes.

El objetivo del devanado distribuido es producir una distribución de fuerza magnetomotriz (MMF) sinusoidal en el entrehierro del motor. Este MMF se produce cuando un conjunto equilibrado de corrientes de CA trifásicas fluye en los devanados de fase. Es el MMF, combinado con el diseño del circuito magnético del motor, lo que da lugar a una onda viajera de flujo en el entrehierro para producir el par motor requerido.

Los devanados se componen de varias bobinas de alambre de cobre aislado o, en algunos casos, de aluminio. Se pueden conectar varios hilos de alambre en paralelo para formar un solo conductor que luego se enrolla en una bobina que tendrá varias vueltas. El número de vueltas dependerá de los requisitos de diseño específicos.

Un devanado distribuido consta de varias bobinas insertadas en las ranuras del estator del motor, como se muestra a continuación. El número de bobinas dependerá del número de ranuras del estator, del número de fases (en nuestro caso 3) y del número de polos del motor, p.

Cada bobina abarcará varias ranuras. Un devanado de paso completo tendrá bobinas cuyo intervalo medio corresponde a un número de ranuras igual al paso polar o 360°/p, mientras que un devanado de paso corto abarcará menos ranuras. La siguiente figura muestra un devanado de paso completo para un motor típico de 4 polos.

Un estator de motor de 4 polos con devanado trifásico distribuido

Una parte del devanado estará en la ranura donde contribuye a la producción de par motor. El resto estará en los devanados finales que no contribuyen a la producción de par motor. Por lo tanto, se necesita un diseño cuidadoso para evitar un desperdicio innecesario de cobre costoso. Además, el buen rendimiento térmico impulsa la necesidad de un alto llenado de ranuras y una gestión térmica del devanado final. Estos factores a menudo están limitados por las consideraciones del proceso de fabricación. Un devanado distribuido ideal tendrá una cantidad infinita de bobinas colocadas en una cantidad infinita de ranuras, de modo que la distribución del espacio MMF sea una sinusoide perfecta. Claramente, esto no es posible en la práctica, por lo que se debe encontrar el mejor compromiso para cumplir con el rendimiento requerido.

Las bobinas de diferentes fases deben aislarse entre sí y del núcleo del estator para evitar cortocircuitos y fallas. El aislamiento constituye barreras térmicas adicionales que limitarán la capacidad de transferir calor desde el interior de la máquina hacia el exterior. Habrá vacíos de aire entre los cables del devanado y entre el aislamiento, el devanado y el núcleo del estator. Estos vacíos se rellenan con una resina mediante un proceso de impregnación que mejora la transferencia de calor y mejora aún más el aislamiento del devanado.

Las aplicaciones de los motores eléctricos son muchas y variadas. Diferentes aplicaciones imponen diferentes requisitos en el diseño del motor. Varios de estos requisitos se verán afectados por el diseño del devanado y pueden incluir:

• Minimización de pérdidas armónicas para mejorar la eficiencia
• Reducir las pulsaciones de torque
• Reduce el ruido acústico y las vibraciones

Son posibles varios diseños de bobinado para lograr el mismo rendimiento eléctrico. La elección de estos diseños estará determinada por las restricciones de fabricación que están fuertemente influenciadas por el nivel de automatización utilizado para producir el devanado.

La siguiente tabla muestra algunas de las configuraciones de bobinado más comunes junto con los principales criterios de selección.

Está claro que se deben hacer compromisos sólidos entre los requisitos técnicos, la complejidad del proceso, el nivel de automatización y el costo. Esto significa que los diseñadores de motores deben trabajar en estrecha colaboración con la ingeniería de fabricación para definir la mejor solución general.