La tecnología de horquillas 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 horquillas se basa en barras de cobre planas y sólidas que se insertan en la pila 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 con forma de U, existen otras dos variantes de bobinados de barra, la denominada tecnología I-pin y el concepto de bobinados de horquilla continuos.
Los I-Pins son elementos de alambre de cobre rectos que se insertan en las ranuras del estator. A diferencia de las horquillas, estos pines no se doblan antes de insertarlos en la pila. Sin embargo, es necesario que haya contacto en ambos lados del estator. En el concepto de bobinados de horquilla continuos, se producen las denominadas esteras de bobinado que luego se insertan en la pila desde el diámetro interior.
Los estatores de horquilla se utilizan con mayor frecuencia en máquinas síncronas . [2]
La estructura de un estator de horquilla se diferencia de los estatores convencionales solo en el tipo de sistema de bobinado; los demás componentes del estator se modifican poco. [1] [3] La pila de láminas consta de muchas capas de láminas individuales, cada una aislada por una fina capa. [4] La carcasa es otro subcomponente que generalmente no requiere modificaciones. El alambre 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 ranuras que el bobinado normal. [5] Para crear el esquema de bobinado 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 para los estatores bobinados de forma convencional, se aplica una capa de resina aislante a los extremos de las horquillas. [4]
La cadena de producción de estatores de horquilla se basa en un proceso de bobinado indirecto. Gracias a la sección transversal sólida, las horquillas se pueden moldear hasta obtener 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 bobinado, se aplica un proceso de conformado. [7] [8]
La producción se puede dividir en 4 pasos:
En el primer proceso, un alambre de cobre plano, que normalmente ya está esmaltado, se desenrolla y se endereza continuamente en varias etapas para reducir la curvatura y las tensiones residuales. En preparación para la soldadura de los extremos de cobre en un paso posterior del proceso, este aislamiento se elimina parcialmente. Son posibles procesos basados en láser y mecánicos. El alambre de horquilla se corta a la longitud deseada y se dobla, en un orden variable. 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] Hay tres tecnologías para doblar alambres de horquilla: U-Pin, en la que los alambres de horquilla tienen una forma similar a una U, I-Pin, con alambres similares a una I, y Continuous Hairpin, también llamada onda continua, en la que un solo alambre se dobla en forma de serpentina de hasta varios metros de largo. La tecnología U-Pin es la más común de estas. [9] [10]
A continuación, se insertan los pasadores en la pila del estator. El proceso de inserción está limitado por las superposiciones en la geometría del cabezal de bobinado. Las horquillas suelen estar preensambladas en un nido de ensamblaje. [11] Los pasadores individuales se disponen de acuerdo con el esquema de bobinado. En general, un solo estator de horquillas utiliza de 3 a 16 geometrías de horquillas 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, la cesta de horquillas se inserta axialmente en la pila del estator. Para facilitar la inserción, las horquillas a veces están equipadas con chaflanes durante el proceso de corte; las pinzas pueden mejorar la precisión de posicionamiento.
Cada capa de extremos de horquilla se tuerce de acuerdo con el esquema de bobinado. Durante la rotación asociada, la herramienta debe moverse en dirección axial para compensar la altura. Para garantizar la accesibilidad axial, los extremos de horquilla deben exponerse radialmente en un paso preparatorio. [5]
A continuación, los extremos de las horquillas se ponen en contacto eléctrico entre sí para formar el esquema de bobinado. Mediante un láser , los extremos 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 una entrada térmica mínima. 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 en los procesos anteriores. [15] [16] Los saltos de fase y la conexión electroconductora principal de todo el devanado se pueden realizar mediante elementos o conjuntos de conexión que se conectan a los extremos de la horquilla soldados. [17] Esto también se puede realizar mediante soldadura láser. [18] Algunos ejemplos de elementos de interconexión son los anillos de contacto, los terminales y los puentes.
Después del proceso de bobinado, los extremos de cobre soldados se vuelven a aislar y se impregna todo el estator. Para aislar los extremos de cobre se suelen utilizar recubrimientos en polvo o resinas a base de poliuretano. Normalmente, se utilizan procesos de inmersión, goteo o encapsulado. El proceso de impregnación difiere poco de los que se utilizan para los estatores convencionales, como los procesos de inmersión o goteo. El objetivo de la impregnación es proteger el estator de las influencias térmicas, eléctricas , ambientales y mecánicas. [2] [19]
Durante todo el proceso de producción se realizan diversas pruebas. Garantizar las propiedades del estator que sean relevantes para su funcionamiento y seguridad es un objetivo fundamental. Las pruebas más habituales son:
En particular, en los sistemas de tracción, un importante desafío de implementación es la fiabilidad del proceso, en particular en los procesos de doblado y soldadura. El proceso de doblado no debe dañar el aislamiento y debe coincidir exactamente con la geometría requerida. Los extremos de horquilla soldados incorrectamente pueden provocar pérdidas eléctricas y, posiblemente, un estator que no funcione. [11]
Los parámetros clave son los altos factores de llenado dentro de las ranuras del estator y un cabezal de bobinado pequeño. Debido a la sección transversal del conductor rectangular y agrandada, los factores de llenado pueden alcanzar el 73% (significativamente más alto que el 45-50% en los estatores bobinados de manera convencional). [23] Un cabezal de bobinado pequeño aumenta el material activo relativo y, por lo tanto, la proporción que genera energía. Sin embargo, la sección transversal más grande de la horquilla puede resultar en pérdidas eléctricas adicionales, por ejemplo, debido a efectos de desplazamiento de corriente como el efecto pelicular . [24]
Debido a los procesos de ensamblaje deterministas, el buen comportamiento de velocidad y par y los altos factores de llenado, la tecnología de horquillas ha ganado atractivo para aplicaciones automotrices . Además, el proceso de producción de horquillas es adecuado para la automatización . Como resultado, los tiempos de ciclo más cortos y las cantidades crecientes 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 Chevrolet Tahoe híbrido de General Motors de 2008, que contaba con dos motores con esta construcción de estator en la transmisión 2ML70 "2Mode" de GM. [25]
El Grupo Volkswagen confía en los estatores de horquilla en sus vehículos eléctricos, incluidos 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 sobre tecnología de horquillas, entre los que se incluyen los siguientes:
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