Comprender los devanados de motor: diferencias clave y aplicaciones industriales

Los devanados de motor pueden tomar muchas formas. Sin embargo, los devanados distribuidos trifásicos son los más usados en motores CA para aplicaciones industriales, que será el foco 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 senoidal de la Fuerza Magnetomotriz (FMM) en el entrehierro del motor. Esta FMM se produce cuando un conjunto equilibrado de corrientes CA trifásicas fluye en los devanados de fase. Es la FMM, combinada 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 están compuestos por varias bobinas enrolladas con hilo de cobre aislado o, en algunos casos, aluminio. Varias hebras de hilo pueden conectarse en paralelo para formar un solo conductor que luego se enrolla en una bobina que tendrá varias vueltas. El número de vueltas dependerá de requisitos de diseño específicos.

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

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

Un estator de motor de 4 polos con devanado distribuido trifásico

Una parte del devanado estará en la ranura donde contribuye a la producción de par motor. El resto estará en los devanados de cabeza (end windings) que no contribuyen a la producción de par. Por tanto, se necesita un diseño cuidadoso para evitar un desperdicio innecesario de cobre caro. Además, un buen rendimiento térmico impulsa la necesidad de alto factor de llenado de ranura y gestión térmica de devanados de cabeza. Estos factores a menudo están limitados por consideraciones del proceso de fabricación.

Un devanado distribuido ideal tendría un número infinito de bobinas colocadas en un número infinito de ranuras de forma que la distribución espacial de la FMM sea un senoide perfecto. Esto claramente no es posible en la práctica, así que hay que encontrar el mejor compromiso para cumplir el rendimiento requerido.

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

Las aplicaciones de motores eléctricos son muchas y variadas. Diferentes aplicaciones imponen diferentes requisitos al diseño del motor. Varios de estos requisitos se verán impactados por el diseño del devanado e incluyen:

• Minimización de pérdidas armónicas para mejorar la eficiencia
• Reducción de pulsaciones de par
• Reducción de ruido acústico y vibraciones

Varias configuraciones de devanado son posibles para lograr el mismo rendimiento eléctrico. La elección de estas configuraciones estará determinada por restricciones de fabricación fuertemente influenciadas por el nivel de automatización usado para producir el devanado.

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

Está claro que se necesitan fuertes compromisos entre requisito técnico, complejidad de proceso, nivel de automatización y coste. Esto significa que los diseñadores de motores necesitan trabajar estrechamente con ingeniería de fabricación para definir la mejor solución global.