Una mirada sobre los bobinados de horquilla en motores para vehículos eléctricos
Los bobinados de horquilla (hairpin windings) son una innovadora tecnología de devanado para estatores que utiliza barras de cobre planas y sólidas en lugar del clásico alambre redondo. Ofrecen mayor densidad de potencia y eficiencia, siendo clave tanto en motores industriales trifásicos como en la tracción de vehículos eléctricos.
Por: Jeffrey Jenkins para https://chargedevs.com/
El bobinado en horquilla, cuyo nombre resulta bastante sugerente, ha sido promocionado por diversos fabricantes de motores como el siguiente paso en la evolución de los motores de tracción para vehículos eléctricos durante, aproximadamente, 10 o 15 años. Sin embargo, el proceso tradicional de construcción de bobinados de estator a partir de hilos individuales de alambre sigue vigente y probablemente lo seguirá estando durante las próximas décadas, ya que el bobinado en horquilla es más una tecnología complementaria que una destinada a revolucionar la tradición. En la mayoría de las aplicaciones, la ventaja de una tecnología de bobinado sobre la otra podría ser mínima, especialmente si se consideran los costos de fabricación y operación a lo largo de su vida útil, pero esto no significa que no existan casos en los que una construcción resulte claramente superior a la otra.
El método tradicional de construcción de un bobinado de motor a partir de hilos individuales de alambre redondo (o, menos comúnmente, cuadrado) ofrece una gran flexibilidad en cuanto al calibre del alambre, el número de vueltas, el número de hilos en paralelo y la concentración o distribución de los bobinados.
Además, cabe destacar sus más de 100 años de experiencia en fabricación, un factor que no debe subestimarse.
El problema del llenado de la ranura
Una desventaja importante es la relación relativamente baja entre el área del conductor y el área de la ranura, o factor de llenado (normalmente del 55 %), especialmente cuando se necesitan muchas vueltas para alcanzar una tensión nominal determinada, o cuando se deben conectar muchos cables en paralelo para lograr una capacidad de corriente específica, ya que cada cable tiene un revestimiento aislante que ocupa una parte del área de la ranura.
Este problema se puede mitigar utilizando un solo conductor —sobre todo si es cuadrado— que llene todo el ancho de la ranura, pero llegará un punto en que el cable será demasiado difícil de enrollar —incluso en bobinas preformadas para su posterior inserción en las ranuras del estator— sin riesgo de dañar el aislamiento, y/o será demasiado rígido para encajar correctamente dentro de la ranura.
A frecuencias fundamentales bajas (es decir, RPM), un cable tan grande también comenzará a sufrir pérdidas excesivas por el efecto pelicular, fenómeno que provoca que la corriente alterna penetre menos profundamente en un conductor a medida que aumenta la frecuencia, incrementando así su resistencia efectiva. Por ejemplo, la profundidad de penetración en el cobre a una frecuencia fundamental máxima razonable de 400 Hz (o 12 000 RPM para un motor de 4 polos) es de 3,3 mm, lo que da un diámetro de cable de 6,6 mm, aproximadamente equivalente al calibre #2 AWG. (Una fórmula sencilla para calcular la profundidad de penetración en mm para el cobre es 66 / (f^0,5)).
Estoy casi seguro de que el cable redondo ni siquiera se fabrica en un calibre tan grande, pero incluso si se opta por cable cuadrado (que sí está disponible en calibres mayores), dudo que exista una bobinadora automática capaz de manejarlo.
Dejando todo eso de lado a modo de ejemplo, un cable de 6,6 mm de diámetro tiene una capacidad de corriente de 137 A a una densidad de corriente de 4 A/mm² (lo cual es ambicioso, pero no del todo descabellado), lo que resulta en una potencia máxima para un motor de CA trifásico de aproximadamente 95 kW, con una tensión de batería de 400 VCC.
Si se utiliza un cable cuadrado de 6,6 mm, la capacidad de corriente aumenta a 174 A — debido a que un cable redondo tiene el 78,5 % del área de cobre de uno cuadrado (π/4) —, pero los ~121 kW resultantes siguen sin ser impresionantes.
Por lo tanto, el motor de tracción de vehículos eléctricos que utiliza bobinados de alambre inevitablemente necesita que estos bobinados tengan muchas vueltas de muchos cables en paralelo para alcanzar el punto óptimo de tensión de batería, corriente de fase y pérdidas totales, sin dejar de ser rentable de fabricar.
El bobinado en horquilla evita algunos de los problemas que afectan a los bobinados de alambre (aunque introduce otros), ya que se compone de segmentos cortos de cobre con una forma que, precisamente, se asemeja a una horquilla. Estos segmentos se insertan directamente en las ranuras del estator y sus extremos se doblan para soldarlos entre sí y formar un bobinado completo. También es posible preformar bobinados de alambre en forma de bobina cuadrada que se puede presionar directamente en su respectivo par de ranuras, pero se requiere una mayor superficie de ranura para evitar daños en el aislamiento, lo que resulta en un factor de empaquetamiento aún peor.
En resumen, el hecho de que las horquillas estén hechas de un solo conductor robusto es una ventaja, no una desventaja, y también significa que se pueden dimensionar para que encajen con precisión en cada ranura del estator (o viceversa) para lograr un factor de empaquetamiento mucho mayor (normalmente del 70 %) sin un riesgo excesivo de dañar el aislamiento durante el proceso de inserción. El efecto piel sigue imponiendo un límite al grosor que puede tener cada horquilla, pero incluso es posible burlar este obstáculo, en cierta medida, haciendo que las horquillas tengan una sección transversal rectangular. Otra comprobación rápida de MWS muestra que pueden fabricar "alambres" magnéticos rectangulares de hasta ~10 mm de ancho, para una sección transversal total de 66 mm2, o casi el doble que la de un alambre redondo de 6,6 mm de diámetro.
Bobinados concentrados frente a bobinados distribuidos
Otra consideración importante es la cantidad de ondulación de par (es decir, vibración) que producirá una determinada configuración de bobinado. Las dos opciones son «concentrado» o «distribuido», que básicamente significan lo que su nombre indica. En una estructura de bobinado concentrado, hay una bobina por cada polo y por cada fase (por ejemplo, 6 bobinas en un motor trifásico de 2 polos), mientras que en una estructura de bobinado distribuido, cada polo se divide en varias bobinas que se superponen mediante una o más ranuras del estator.
Los motores con bobinado concentrado pueden ser muy compactos para una potencia determinada y su fabricación es menos costosa, pero presentan una elevada ondulación de par y una forma de onda trapezoidal de la fuerza contraelectromotriz (FEM), lo que dificulta que el inversor controle con precisión las corrientes del estator y genera mayores pérdidas en todo el circuito inversor-motor debido al calentamiento armónico. Esta estructura nunca se utiliza en aplicaciones de tracción para vehículos eléctricos.
Por el contrario, los motores con bobinado distribuido ofrecen una salida de par mucho más uniforme, una forma de onda sinusoidal de la FEM y una mejor distribución de las pérdidas (aunque a menudo con mayores pérdidas totales de cobre, simplemente porque hay más cobre). Dicho esto, es demasiado difícil doblar las robustas horquillas para adaptarlas a las curvas de radio reducido que requiere un bobinado concentrado, por lo que se opta por una estructura distribuida.
La parte difícil: unir todas esas horquillas
Hasta ahora, la construcción con bobinado de horquillas parece una solución ideal, pero —y siempre hay un pero— apuesto a que algunos ya han detectado un inconveniente importante: la enorme dificultad de unir decenas —o incluso cientos— de horquillas individuales para crear cada bobina del motor. El primer paso habitual —que suele realizarse antes de insertar las horquillas en el estator— consiste en retirar el aislamiento de los extremos para poder unirlas a la siguiente en la cadena. Dependiendo del tipo de aislamiento, este se puede eliminar con calor, láser, un producto químico o un abrasivo. El desaislamiento térmico se suele realizar sumergiendo los extremos de las horquillas en un baño de metal fundido o sales, por lo que es posible procesar muchas horquillas a la vez.
Dicho esto, siempre existe el riesgo de que el aislamiento cercano a los extremos desaislados se dañe por conducción de calor, por lo que hay que tenerlo en cuenta (o planificar el encapsulado de este extremo del bobinado posteriormente). El decapado con láser minimiza este problema y funciona con casi cualquier tipo de aislamiento (e incluso limpia el cobre subyacente), pero obviamente es más costoso tanto en inversión inicial como en gastos operativos continuos, y es uno de los métodos más lentos, ya que cada extremo del cable debe procesarse individualmente. Algunos tipos de aislamiento de cable magneto pueden decaparse químicamente, por lo que también pueden procesarse por lotes, como con el decapado térmico, pero con la advertencia similar de que se puede dañar el aislamiento cerca de los extremos decapados. Finalmente, el decapado con un abrasivo —normalmente una lijadora de banda— parece ser el más popular, ya que funciona con todo tipo de aislamiento de cable magneto, como el láser, pero la inversión inicial y los costos operativos son mucho menores. Si bien cada horquilla debe procesarse individualmente, el tiempo de ciclo es de apenas una fracción de segundo, por lo que es bastante rápido en general, y no existe riesgo de dañar el aislamiento más allá de los extremos decapados. Inserción, doblado y conexión de los pines
Tras pelar los extremos, uno o más pines se insertan a presión en sus respectivas ranuras (aislantes) del estator (según el número de vueltas que requiera cada bobina). A continuación, se doblan los extremos pelados para que coincidan con el siguiente pin de la cadena. Este proceso es bastante sencillo siempre que la relación entre la sección transversal del pin y el ángulo de doblado sea la adecuada; aplicar demasiada fuerza supone un riesgo adicional de dañar el aislamiento.
Insertar, doblar y conectar los pasadores
Una vez doblados los extremos al ángulo correcto, se unen física y eléctricamente mediante soldadura blanda, soldadura fuerte o soldadura por arco. La soldadura blanda produce una unión de resistencia relativamente baja y requiere la aplicación de un fundente que debe eliminarse posteriormente, por lo que no es la mejor opción. La soldadura fuerte es básicamente una versión más caliente de la soldadura blanda (también requiere fundente y material de aporte), pero produce una unión mucho más resistente (normalmente más resistente que el metal base). La soldadura es, con mucho, el método más popular, y el proceso más sencillo y que requiere menos inversión de capital es la soldadura por resistencia (también conocida como soldadura por puntos), en la que los dos extremos de la horquilla se presionan con considerable fuerza mediante electrodos que envían un enorme pulso de corriente a través de ellos, provocando su fusión.
El principal problema radica en que el cobre es un excelente conductor de calor y electricidad, por lo que se requiere una corriente muy alta para soldarlo por puntos, fácilmente del orden de kA o decenas de kA para una soldadura de este tamaño. Un método más práctico es la soldadura TIG (Tungsten Inert Gas) (o soldadura fuerte) solo en la parte superior de la junta. Este método se ha utilizado durante muchos años para ensamblar alternadores automotrices convencionales, demostrando ser muy fiable y rentable (aunque no necesariamente el más rápido).
Finalmente, existe el método relativamente avanzado de soldadura láser (sin contar la soldadura por haz de electrones, que es realmente avanzada), el cual puede ser muy rápido, permite una fácil reposicionación para adaptarse a diferentes diseños y produce una junta de alta calidad con baja porosidad. Sin embargo, presenta un alto costo inicial y elevados costos operativos (principalmente debido a la baja eficiencia eléctrica de los láseres y a la reflectividad de los metales). Consulte el International Journal of the Society of Materials Engineering for Resources para obtener una excelente descripción general de la soldadura láser de horquillas.
El último paso en el proceso convencional de ensamblaje de horquillas consiste en volver a aislar los extremos soldados y, opcionalmente, encapsularlos para asegurar que no se rompan a altas velocidades.
El siguiente paso: bobinados continuos de horquillas.
Si esta descripción del proceso de fabricación del estator de horquillas aún le parece excesivamente compleja —incluso simplificada y condensada—, no se preocupe, no es el único. De ahí la intensa búsqueda de lo que se conoce como bobinado de horquilla ondulado o de formación continua (o de flujo). Dejando de lado la jerga técnica, la premisa básica es bastante fácil de entender: preformar una bobina completa (o incluso toda la estructura del bobinado) sobre un mandril cónico (una referencia lo denomina «espada», lo cual me pareció muy acertado).
La forma cónica de la espada facilita la descarga de la bobina preformada sobre una cinta segmentada que fija cada horquilla a la distancia correcta mientras se enrolla en un cilindro sobre un eje con dedos debajo de cada horquilla que las empujan hacia afuera. El eje se inserta en el estator de manera que sus dedos queden alineados con las ranuras del estator, momento en el que los dedos se empujan hacia afuera para presionar las horquillas en las ranuras. En teoría, claro está; se trata de un proceso complejo, donde la clave está en los detalles, y todo el proceso de bobinado continuo de horquillas representa una ruptura radical con los métodos convencionales de fabricación de bobinados de horquillas, que a su vez representan una ruptura radical con la forma en que se fabrican los bobinados de alambre habitualmente.
Si bien es discutible qué método de fabricación tiene el menor costo de capital total, parece que el proceso de bobinado continuo tiene una ventaja abrumadora en tiempo de ensamblaje y costo por unidad, por lo que probablemente sea el camino del futuro.
