La tecnología de horquilla es una tecnología de bobinado para estatores en motores y generadores eléctricos y también se utiliza para aplicaciones de tracción en vehículos eléctricos . A diferencia de las tecnologías de bobinado convencionales , la tecnología de horquilla se basa en barras de cobre planas y macizas que se insertan en el paquete del estator. Estas barras de cobre, también conocidas como horquillas, consisten en alambre de cobre esmaltado doblado en forma de U, similar a la geometría de las horquillas. [1]
Además de las horquillas en forma de U, existen otras dos variantes del devanado de barra, la llamada tecnología I-pin y el concepto de devanado continuo en horquilla.
Los I-Pins son elementos rectos de alambre de cobre que se insertan en las ranuras del estator. A diferencia de las horquillas, estos pasadores no se doblan antes de insertarlos en la pila. Sin embargo, es necesario establecer contacto en ambos lados del estator. En el concepto de devanado continuo en horquilla se fabrican las denominadas esteras de devanado y después se insertan desde el diámetro interior en la pila.
Los estatores de horquilla se utilizan más comúnmente para máquinas síncronas . [2]
La estructura de un estator de horquilla se diferencia de los estatores convencionales sólo en el tipo de sistema de bobinado; los demás componentes del estator apenas cambian. [1] [3] La pila de hojas consta de muchas capas de hojas individuales, cada una de ellas aislada por una fina capa. [4] La vivienda es otro subcomponente que generalmente no requiere modificaciones. El hilo fino y redondo de la tecnología de bobinado convencional se sustituye por barras de cobre, que se adaptan mejor a la geometría de la ranura y, por lo tanto, proporcionan un mayor grado de llenado de la ranura que el bobinado normal. [5] Para crear el esquema de enrollado necesario, los extremos libres de las horquillas se tuercen antes de soldar. Además del proceso de impregnación de todo el estator, que también es necesario en los estatores bobinados convencionalmente, se aplica una capa de resina aislante en los extremos de las horquillas. [4]
La cadena de proceso del estator en horquilla se basa en un enfoque de bobinado indirecto. Gracias a la sólida sección transversal, las horquillas se pueden moldear hasta alcanzar su geometría final antes del proceso de montaje real. [6] A diferencia de la producción de estatores convencional, en la que predominan los procesos de montaje basados en devanados, se utiliza un proceso de conformación. [7] [8]
La producción se puede dividir en 4 pasos:
En el primer proceso, un alambre de cobre plano, normalmente ya esmaltado, se desenrolla y endereza continuamente en varias etapas para reducir la curvatura y las tensiones residuales. En preparación para soldar los extremos de cobre en una etapa posterior del proceso, este aislamiento se elimina parcialmente. Los procesos mecánicos y basados en láser son factibles. El alambre de horquilla se corta a la medida y se dobla, en diferente orden. Las horquillas se forman en una geometría tridimensional, ya sea en un proceso de una sola etapa utilizando un equipo de doblado CNC especial o en múltiples etapas en las que un proceso de doblado de matriz sigue a un proceso de doblado giratorio. [6] [8] [5] Existen tres tecnologías para doblar alambres de horquilla: U-Pin, en el que los alambres de horquilla tienen una forma que se asemeja a una U, I-Pin, con alambres que se asemejan a una I, y Continuo Hairpin, también llamado continuo onda, en la que un solo cable se dobla en forma de serpentina de hasta varios metros de largo. La tecnología U-Pin es la más común de ellas. [9] [10]
A continuación, se insertan los pasadores en la pila del estator. El proceso de inserción está limitado por superposiciones en la geometría del cabezal de bobinado. Las horquillas suelen estar premontadas en un nido de montaje. [11] Los pasadores individuales están dispuestos según el esquema de enrollado. En general, un solo estator de horquilla utiliza de 3 a 16 geometrías de horquilla diferentes. [12] Las ranuras del estator están revestidas con papel aislante para separar el sistema de bobinado del potencial de tierra de la pila de láminas del estator.
En el siguiente paso de montaje se inserta la cesta en forma de horquilla axialmente en la pila de estatores. Para facilitar la inserción, las horquillas a veces están equipadas con chaflanes durante el proceso de corte; las pinzas pueden mejorar la precisión del posicionamiento.
Cada capa de puntas de horquilla se retuerce de acuerdo con el esquema de enrollado. Durante la rotación asociada, la herramienta debe moverse en dirección axial para compensar la altura. Para garantizar la accesibilidad axial, los extremos de la horquilla deben exponerse radialmente en un paso preparatorio. [5]
A continuación, los extremos de las horquillas se ponen en contacto eléctricamente entre sí para formar el esquema de bobinado. Utilizando un láser , las puntas de las horquillas se funden parcialmente y se unen. [13] [14] Un proceso de soldadura óptimo se caracteriza por geometrías de soldadura homogéneas así como por un aporte térmico mínimo. Las estrategias de soldadura repetibles requieren que el estator mantenga una condición estable.
La altura relativa y el desplazamiento lateral del extremo de la horquilla pueden provocar defectos de soldadura. Estos pueden evitarse mediante procesos correctivos que dependen de tolerancias precisas dentro de los procesos anteriores. [15] [16] Los saltos de fase y la conexión electroconductora principal de todo el devanado se pueden realizar a través de elementos o conjuntos conectivos conectados a los extremos de horquilla soldados. [17] Esto también se puede hacer mediante soldadura láser. [18] Ejemplos de elementos de interconexión son anillos de contacto, terminales y puentes.
Después del proceso de bobinado, se vuelven a aislar los extremos de cobre soldados y se impregna todo el estator. Generalmente se utilizan recubrimientos en polvo o resinas a base de poliuretano para aislar los extremos de cobre. Normalmente se utilizan procesos de inmersión, goteo o encapsulado. El proceso de impregnación difiere poco de los utilizados para los estatores convencionales, como los procesos de inmersión o percolación. El propósito de la impregnación es proteger el estator de influencias térmicas, eléctricas , ambientales y mecánicas. [2] [19]
Se realizan una variedad de pruebas a lo largo del proceso de producción. Garantizar las propiedades del estator relevantes para el funcionamiento y la seguridad es un objetivo clave. Las pruebas comunes son:
Precisamente en el caso de los accionamientos de tracción, un gran desafío en la implementación es la seguridad del proceso, especialmente en los procesos de plegado y soldadura. El proceso de curvado no debe dañar el aislamiento y coincidir exactamente con la geometría requerida. Los extremos de horquilla mal soldados pueden provocar pérdidas eléctricas y posiblemente un estator que no funcione. [11]
Los parámetros clave son factores de llenado altos dentro de las ranuras del estator y un cabezal de bobinado pequeño. Debido a la sección transversal del conductor rectangular y ampliada, los factores de llenado pueden alcanzar el 73% (significativamente más alto que el 45-50% en estatores bobinados convencionalmente). [23] Un cabezal de bobinado pequeño aumenta el material activo relativo y, por tanto, la proporción que genera energía. Sin embargo, la sección transversal más grande de la horquilla puede provocar pérdidas eléctricas adicionales, por ejemplo, debido a efectos de desplazamiento de corriente como el efecto piel . [24]
Debido a los procesos de ensamblaje deterministas, el buen comportamiento de velocidad - par y los altos factores de llenado, la tecnología de horquilla ha ganado atractivo para las aplicaciones automotrices . Además, el proceso de producción de horquillas es apto para la automatización . Como resultado, tiempos de ciclo más cortos y cantidades cada vez mayores conducen a una disminución de los costos de producción. [11]
La tecnología de horquilla se aplica cada vez más en aplicaciones automotrices. El primer vehículo de producción con tecnología de horquilla fue el híbrido Chevrolet Tahoe de General Motors 2008 con 2 motores con esta construcción de estator en la transmisión 2ML70 "2Mode" de GM. [25]
El Grupo Volkswagen utiliza estatores de horquilla en sus vehículos eléctricos, incluido el ID.3, [26] ID.4 [27] [ ¿fuente poco fiable? ] el Audi e-tron GT, [28] y el Porsche Taycan . [29] El BMW iX3 es el primer vehículo de la empresa que emplea estatores de horquilla. En 2021, General Motors presentó su nueva línea de motores que incluye un ASM de 64 kW para aplicaciones híbridas y un PSM de 255 kW en el Hummer EV. [30] En 2023, Tesla anunció que su motor de próxima generación utilizaría horquillas. [31]
El gobierno y la industria están financiando proyectos de investigación de tecnología horquilla. Éstas incluyen::