Vídeo sobre bobinados para motores eléctricos
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Los devanados de los motores eléctricos pueden dividirse en devanados concentrados y devanados distribuidos. Con un devanado distribuido, siempre se enrollan al menos dos dientes del estator. En cambio, con el bobinado concentrado sólo se bobina un diente del estator. Ambos tipos de bobinado tienen diferentes ventajas e inconvenientes. Cuándo utilizar un devanado concentrado y cuándo un devanado de distribución depende de las dimensiones del motor y de su uso previsto. Pero el número de unidades y la forma de fabricación del motor también influyen en la elección del tipo de bobinado. Otras características distintivas que son importantes para el diseño del bobinado son el bobinado con orificios rotos y el bobinado con orificios enteros, así como el bobinado de una capa y el bobinado de dos capas.
Con el bobinado concentrado, el estator siempre se enrolla exactamente sobre un diente. Esto tiene ventajas decisivas en la producción del estator. Por ejemplo, los devanados ya terminados pueden ser simplemente empujados en el estator. Sin embargo, el diseño de los dientes del estator debe estar pensado para ello. Una de las principales ventajas de un bobinado concentrado es que la cabeza del bobinado es muy pequeña en la parte superior e inferior del motor. En un desarrollo distribuido, esta cabeza de bobinado es mayor debido al solapamiento de los bobinados. Debido a la menor cabeza de devanado de los devanados concentrados, las pérdidas óhmicas en el rango de velocidad inferior son menores que con un devanado distribuido. Cuando se utiliza un diseño clásico de un motor eléctrico con un desarrollo concentrado, el EMF posterior es trapezoidal. Esto significa que se puede generar un alto par con este tipo de bobinado, especialmente en el rango inferior. Sin embargo, esto no significa que también se traduzca en una alta eficiencia. La principal desventaja de un devanado concentrado son las ondas armónicas que pueden provocar grandes pérdidas, especialmente a altas velocidades. Estas pérdidas pueden producirse tanto en los devanados de las laminaciones como en los imanes permanentes. Los devanados concentrados se utilizan sobre todo para los motores cortos y de gran diámetro. Un ejemplo de ello son los accionamientos de cubo de rueda para bicicletas eléctricas sin marchas. Los devanados concentrados también se utilizan para accionamientos que requieren una gran dinámica y en los que la eficiencia no es tan crucial. Otra desventaja de los devanados concentrados es una ondulación del par no despreciable. Esto puede compensarse, por ejemplo, desplazando los imanes del rotor entre sí o dándoles la forma correspondiente.
Con un devanado distribuido, siempre se enrollan al menos dos dientes del estator, como en este ejemplo de la imagen. El número de dientes sobre los que se enrolla la bobina se denomina paso de bobina o tamaño de paso, y por supuesto también es posible enrollar sobre 3, 4, 5 o más dientes. Con un devanado distribuido, los devanados se superponen en la parte superior e inferior del motor eléctrico, esta zona del motor también se denomina cabeza de devanado. Debido al solapamiento, la cabeza de bobinado es mayor con un bobinado distribuido que con un bobinado concentrado. Por ello, para los motores eléctricos muy cortos se suele utilizar un bobinado concentrado. Esto permite reducir las pérdidas óhmicas de la cabeza del bobinado. En los motores eléctricos más largos, la influencia de las pérdidas de la cabeza de bobinado no es tan grande en relación con las pérdidas totales. Una ventaja muy importante de un devanado distribuido para un motor eléctrico es que la FEM resultante tiene un curso uniforme y mayormente sinusoidal. Esto significa que la proporción de armónicos es muy baja y, por lo tanto, también las pérdidas en las láminas del estator y los devanados. Los devanados distribuidos se utilizan cuando se requiere una alta eficiencia, como en los vehículos eléctricos. Otra ventaja de los devanados distribuidos es una alta sincronización, lo que significa que la ondulación del par y, por tanto, también el ruido del motor son muy bajos. Por ello, los motores eléctricos con devanados distribuidos se utilizan principalmente para los husillos giratorios de las máquinas herramienta, ya que, de lo contrario, las fluctuaciones del par motor tendrían un efecto negativo en la calidad de la pieza que se mecaniza.
En un devanado concentrado, un diente del estator lleva exactamente un devanado. Los diferentes colores representan las tres fases U, V y W. Los dos devanados de una fase se conectan entre sí y las tres fases pueden conectarse en estrella o en triángulo. Con un bobinado distribuido, se enrollan al menos dos dientes, como en este ejemplo. El número de dientes que se enrollan se llama paso de la bobina y, por supuesto, también se puede enrollar sobre 3, 4, 5 o más dientes. El paso de la bobina depende del número de dientes del estator y del número de pares de polos del rotor.
¿Cuál es la diferencia técnica entre un devanado distribuido y un devanado concentrado? Para ello nos fijamos en el voltaje del EMF posterior. Es la tensión que puede medirse en los bornes de un motor eléctrico con imanes permanentes cuando el motor gira lo suficientemente rápido a mano o con una máquina de carga.
En el diagrama se puede ver que la tensión del motor eléctrico con un devanado distribuido es agradablemente sinusoidal. En cambio, el EMF posterior del devanado concentrado es más bien trapezoidal. ¿Qué significa esto para el rendimiento del motor? Con un motor con un devanado concentrado, se puede generar más par debido al EMF trapezoidal. Sin embargo, las pérdidas en el cobre y la chapa son mayores porque se producen más armónicos y más altos. Con un devanado distribuido, se puede lograr una mayor eficiencia debido a la FEM sinusoidal, que es particularmente importante para los vehículos eléctricos. Sin embargo, esto no significa directamente que si un motor eléctrico tiene una FEM sinusoidal, este motor tenga una alta eficiencia. E incluso con devanados concentrados, se puede conseguir una FEM sinusoidal adaptando el diseño del rotor.