ES2247688T3 - Metodo para preparar y montar los arrollamientos de un motor electrico. - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un procedimiento para preparar los bobinados para un motor eléctrico. El núcleo magnético (20) del estator y/o del rotor de los motores es provisto de ranuras (24, 25) en las cuales pueden acoplarse los bobinados (2; 5, 7; 15, 17). De acuerdo con la invención, los bobinados (2) se enrollan a partir de un hilo de bobinado y se adaptan básicamente a su forma final, la sección de corte de los lados de las bobinas (15, 17) se corresponde con el espacio reservado en la ranura (24, 25) para la bobina. Los bobinados (15, 17) se acoplan en su sitio en las ranuras (24, 25) dispuestas en el núcleo magnético.

Description

Método para preparar y montar los arrollamientos de un motor eléctrico.

El presente invento se refiere a un método para preparar y montar los arrollamientos de un motor eléctrico, como se define en el preámbulo de la reivindicación 1.

En los motores eléctricos, los arrollamientos se unen directamente al estator y/o al rotor o a la parte ferromagnética del estator/rotor. En este último caso, los arrollamientos se montan en ranuras mecanizadas en un núcleo de chapas de material magnético o en torno a zapatas polares separadas que sobresalen de la armazón estator/rotor. El presente invento se refiere a la preparación de los arrollamientos para motores en los que dichos arrollamientos se montan en ranuras, Más particularmente, el invento se refiere a un motor que tiene ranuras abiertas.

En los estatores de motores de corriente alterna más pequeños, se utiliza una ranura semicerrada en la que los bordes ensanchados en forma de dientes de la abertura de la ranura cubren ésta parcialmente, impidiendo que se muevan los arrollamientos. El diseño del borde en diente puede utilizarse, también, para modificar propiedades del motor, tales como la reactancia de dispersión y el control del flujo magnético en el entrehierro. Sin embargo, debido a la ranura semicerrada, la operación de enrollamiento es muy laboriosa porque las bobinas del arrollamiento han de introducirse a través de la estrecha abertura de la ranura insertando un alambre o unos pocos alambres cada vez. Por tanto, es difícil mantener la forma de la bobina del arrollamiento y, después de la operación de enrollamiento, hay que volver a darle forma a la bobina.

En motores con entrehierro axial, la anchura del diente es pequeña en el lado interno del motor y el espacio que queda para el voladizo del arrollamiento es muy limitado. Las bobinas han de conformarse de manera que se las pueda acomodar en el espacio reservado para ellas y sin que su aislamiento resulte dañado cuando se montan las bobinas en su sitio. La preparación de los arrollamientos requiere varias operaciones que se han automatizado y simplificado en lo posible.

El documento US A 4964291 describe un conformador de bobina para las bobinas de motores eléctricos, que tiene agarradores para las esquinas de la bobina y un mecanismo de movimiento para desplazar los agarradores de acuerdo con la forma deseada para la bobina.

El documento FR A 1126221 describe una máquina en la que a los arrollamientos de estator o de rotor se les da su forma final antes de instalarlos en su sitio.

El documento US-A 2.683.232 describe un procedimiento para preparar los arrollamientos de un motor eléctrico cuando las bobinas del arrollamiento se forman enrollando alambre y se conforman, incluyendo las partes extremas, con una configuración final según la cual el arrollamiento del primer extremo es más corto que el arrollamiento del segundo extremo. Las bobinas del arrollamiento se montan en posición en ranuras previstas en el núcleo magnético. Después del montaje, las ranuras se cierran con cuñas insertadas en los extremos abiertos de las mismas.

El objeto del presente invento es desarrollar un nuevo método para preparar y montar los arrollamientos de un motor eléctrico, diseñado para eliminar los inconvenientes anteriormente descritos y aplicable, especialmente, en el caso de arrollamientos montados en ranuras abiertas. En particular, el objeto es crear un método que sea aplicable para la preparación y el montaje de arrollamientos para un motor con entrehierro axial. Para conseguir esto, el invento se caracteriza por las particularidades de la reivindicación 1.

De acuerdo con el invento, en un motor en el que el núcleo magnético del estator y/o del rotor está provisto de ranuras en las que se montan las bobinas del arrollamiento, las bobinas (2) del arrollamiento se envuelven alrededor de formadores de bobina configurados como las ranuras, enrollando alambre por el método de enrollamiento aleatorio. Los formadores de bobinas se utilizan como herramienta de conformación para retorcer la bobina dándole la forma final con la que ha de montarse en el motor, y las bobinas se colocan en posición en las ranuras previstas en el núcleo magnético una vez completada la operación de conformación.

De acuerdo con una realización, el primer lado de bobina de una bobina del arrollamiento se monta en una ranura del motor y se vuelve la bobina de forma que el otro lado de la misma entre en otra ranura del motor. El primer lado de bobina de cada bobina del arrollamiento entrará así en la parte inferior de una ranura y, sobre él, se colocará un lado de bobina de otra bobina, y el segundo lado de bobina de la bobina entrará en la parte superior de otra ranura, encima de un tercer lado de bobina, en el caso de un arrollamiento de dos capas.

De acuerdo con una realización preferida del invento, los arrollamientos de extremo han recibido su forma final antes de montar la bobina en las ranuras. Esto hace que no sea necesario volver los arrollamientos de extremo mientras se está montando la bobina, y los arrollamientos de extremo han sido curvados de forma que se entrelazarán suavemente con otros arrollamientos de extremo.

De acuerdo con una realización preferida, cada bobina del arrollamiento es una bobina separada cuando está siendo montada en la ranura y, una vez que han sido montadas en las ranuras, las bobinas del arrollamiento se conectan entre sí para formar el arrollamiento deseado. Las bobinas del arrollamiento son fáciles de producir como bobinas separadas y pueden ser conformadas y montadas en las ranuras más rápidamente que las bobinas interconectadas. El aislamiento no es tan susceptible a los daños. Este procedimiento es particularmente aplicable a motores axiales, en los que el espacio para el voladizo del arrollamiento en el círculo interior, es muy pequeño.

De acuerdo con una realización alternativa a la que antecede, dos o más bobinas del arrollamiento se conectan en serie antes de montar las bobinas en las ranuras, y las puntas de los alambres de extremo de las bobinas conectadas en serie se conectan a otra serie de bobinas con el fin de formar el arrollamiento deseado. Esto reducirá, y en casos extremos eliminará, el trabajo de soldar los arrollamientos entre sí. Esta realización es aplicable en el caso de motores con espacio suficiente para los arrollamientos o en los que los arrollamientos de extremo tengan la misma forma en ambos extremos de la ranura, por ejemplo, en aplicaciones de motores lineales,

Una vez que las bobinas del arrollamiento han sido montadas en las ranuras, éstas se cierran, de preferencia, mediante cuñas ferromagnéticas introducidas en entrantes formados en las ranuras. Las bobinas descansan contra las cuñas en la dirección de la profundidad de la ranura y no es necesario adoptar medidas especiales una vez que se ha montado la cuña. El uso de cuñas de ranura tiene también, como consecuencia, un flujo libre de armónicos en el entrehierro, de forma que se reducen sustancialmente las vibraciones y el ruido provocados por los armónicos. Esta constituye una característica significativa, especialmente en un motor síncrono con imanes permanentes, por cuanto el número de ranuras de estator es, normalmente, divisible por el número de imanes del rotor. Por tanto, todos los imanes se encuentran en la misma posición con respecto a las ranuras de estator. Así, los cambios de la densidad de flujo en el entrehierro dividido simétricamente en los bordes de las aberturas/dientes de las ranuras generan fuerzas axiales y tangenciales en todos los imanes al mismo tiempo y en la misma dirección. Conformando la cuña de ranura, es posible influir sobre el control del flujo y, por tanto, también sobre el nivel de vibraciones y de ruido, así como sobre las reactancias por dispersión del motor. De esta manera, es posible, también, conseguir propiedades magnéticas en la superficie del entrehierro del motor que resulten casi equivalentes a las de una ranura semicerrada.

En el caso de un motor axial o cónico, las ranuras en el borde más próximo al eje, se encuentran más cerca entre ellas que en el borde exterior. En este caso, las bobinas se conforman ya, de preferencia, durante la operación de enrollamiento de manera que los arrollamientos de extremo difieran en longitud, haciendo el primer arrollamiento de extremo, que se encuentra más cerca del eje, más corto que el segundo arrollamiento de extremo, que está más retirado del eje.

Otras realizaciones preferidas se definen en las reivindicaciones subordinadas.

En lo que sigue se describirá con detalle el invento haciendo referencia a los dibujos, en los que:

- la Fig. 1 presenta una bobina del arrollamiento,

- la Fig. 2a presenta una sección transversal de la bobina del arrollamiento, tomada por la línea A-A de la Fig. 1,

- la Fig. 2b presenta una sección transversal de la bobina del arrollamiento conformada,

- la Fig. 3 es una sección transversal de un núcleo de estator de chapas con ranuras y cuñas,

- la Fig. 4 representa una cuña de ranura vista en la dirección del entrehierro,

- la Fig. 5 representa el estator de un motor axial visto en la dirección del entrehierro, y

- la Fig. 6 ilustra la variación del par en el entrehierro.

Para producir el arrollamiento de un motor, se enrolla el alambre del arrollamiento en una máquina bobinadora (no mostrad) para obtener una bobina 2 del arrollamiento con la forma ilustrada en la Fig. 1, en la que la bobina tiene lados rectos 4 de bobina que se montarán en ranuras del motor. Preferiblemente, la bobina del arrollamiento tiene una sección transversal rectangular, al menos en el área del lado de la bobina (Fig. 2a). Los formadores de bobina comprenden dos canaletas en U 12 y 14 que tienen una anchura de garganta correspondiente a la anchura de la ranura del motor. La bobina se enrolla por el método de enrollamiento aleatorio, y la configuración del formador proporciona la forma correcta de la parte de la bobina que ha de montarse en la ranura, es decir, el lado de la bobina. Durante la operación de enrollamiento, las canaletas del formador se encuentran, preferiblemente, a una distancia, una de otra, determinada por el paso de la ranura del motor. En el caso de un motor axial, las canaletas del formador también están inclinadas una con relación a otra en un ángulo igual al que forman las ranuras del motor en las que han de montarse los lados de la bobina. Por tanto, el primer extremo 6 de la bobina del arrollamiento tiene un radio de curvatura menor y forma el arrollamiento del extremo interior del motor axial. De forma correspondiente, el otro extremo 8 de la bobina del arrollamiento tiene un radio de curvatura mayor y forma el arrollamiento de extremo exterior del motor axial. En motores con las ranuras paralelas, los arrollamientos de extremo son, naturalmente, idénticos. En una bobina arrollada en un formador rectangular, los arrollamientos de extremo tienen, también, una sección transversal rectangular. La bobina del arrollamiento puede enrollarse, asimismo, como u anillo o con otra configuración. Una forma con lados rectos de la bobina, como se muestra en la Fig. 1, reduce la necesidad de curvar los alambres del arrollamiento en una etapa posterior, disminuyendo así el riesgo de que el aislamiento resulte dañado.

Después de enrollada, la bobina 2 del arrollamiento es recta y los lados de la bobina situados en las canaletas 12 y 14 del formador de bobina, son paralelos entre sí en la dirección de la profundidad de la ranura; dicho de otro modo, el primer lado 5 de la bobina y el segundo lado 7 de la bobina están alineados, cuando se mira en la dirección del entrehierro, es decir, desde arriba o desde abajo en la Fig. 2a. El formador de bobina se utiliza como herramienta de conformación para retorcer la bobina hasta darle la forma final con que ha de montarse en el motor. La canaleta 14 del formador es vuelta lateralmente en un ángulo algo menor de 90º, mientras se conserva la misma postura de la canaleta, es decir, se mantiene la sección transversal del lado 5 de la bobina en la misma orientación con la sección transversal del lado 7 de la bobina (Fig. 2b). En el caso de un motor axial, el lado superior 5 de la bobina es inclinado simultáneamente en un ángulo correspondiente a la oblicuidad de las ranuras. Si han de conformarse varias bobinas o todas las bobinas de un motor al mismo tiempo, la canaleta superior es hecha girar en un múltiplo del paso de la ranura y la canaleta 14 es, simultáneamente, presionada hacia abajo, hacia el nivel de la canaleta 12. Como se muestra en la figura, los lados de la bobina no están alineados horizontalmente de manera exacta, sino que el borde inferior del lado 5 de la bobina se encuentra al nivel del borde superior del lado 7 de la bobina. Los lados de la bobina entrarán en ranuras diferentes del motor, situándose el lado 7 de la bobina en el fondo de una ranura mientras que el otro lado 5 de la bobina se sitúa en otra ranura, en la parte de la ranura que mira hacia el entrehierro del motor, pensando que el núcleo de chapas del motor se dispone bajo la bobina en la Fig. 2b.

Antes de montar las bobinas del arrollamiento en las ranuras, los lados de la bobina se envuelven en un material aislante de revestimiento en la ranura, que es un material aislante de por sí conocido, empleado en motores eléctricos, tal como cinta aislante. Luego, se montan los lados de la bobina en las ranuras de forma que el primer lado de la bobina de cada una de las bobinas quede en el fondo de una ranura mientras que el segundo lado de la bobina entre en otra ranura, encima del lado de la bobina de otra bobina. Cuando se montan las bobinas, los arrollamientos de extremo se aislan empleando un aislamiento para el voladizo del arrollamiento, en sí conocido. Los arrollamientos se bloquean en su sitio mediante cuñas de ranura (Fig. 3) y los extremos del alambre de las bobinas se conectan entre sí con el fin de formar el arrollamiento deseado, por ejemplo, un arrollamiento trifásico para un número dado de polos. Los arrollamientos de extremo se aislan utilizando un aislamiento adecuado para el voladizo del arrollamiento, como es conocido en la técnica.

Aunque las bobinas del arrollamiento se han descrito en lo que antecede como bobinas separadas, es posible, dentro del marco del invento, conectar entre sí varias bobinas durante la operación de enrollamiento de forma que las bobinas ya estén interconectadas cuando se las monta en el motor.

La Fig. 3 muestra parte del núcleo 20 de chapas del estator así como ranuras 24 y 25 troqueladas en el núcleo de chapas. Entre las ranuras hay dientes 22. Entre las ranuras 24 y 25 puede haber una o más ranuras, dependiendo de la estructura del motor. Troqueladas en los extremos de los dientes hay entrantes 26 en los que se montan las cuñas 28 de ranura, para retener a los arrollamientos en su sitio. Los entrantes de las ranuras del estator, así como las propias ranuras del estator, se troquelan en las chapas antes de montarse el núcleo del estator. El núcleo de chapas del estator puede fabricarse de diversas formas conocidas y las ranuras del estator pueden tener diversas formas o pueden correr en direcciones diferentes, como se ilustra a modo de ejemplo en la Fig. 5.

Las cuñas 28 de ranura están hechas, preferiblemente, de material ferromagnético, de modo que también formen parte del circuito magnético que controla el flujo magnético en el entrehierro y en los extremos de los dientes. En otros aspectos, el aislamiento para el voladizo del arrollamiento y las conexiones entre los conductores de las bobinas, se ejecutan en la práctica como en el caso de la realización descrita en primer lugar. El diente también puede estar configurado de modo que la ranura tenga una anchura uniforme de extremo a extremo y, en el extremo del diente, esté formado un resalto, montándose la cuña de ranura bajo el resalto. La cuña de ranura será detenida por el resalto cuando la bobina del arrollamiento la presione hacia el entrehierro. También, la cuña de ranura puede pegarse en su sitio con resina.

La cuña de ranura se ha formado de una sola pieza de material ferromagnético. También, puede hacerse, por ejemplo, del mismo material que el núcleo de chapas del estator. La cuña de ranura se produce, por ejemplo, mediante corte con láser o por troquelado, tras lo cual la cuña de ranura se curva longitudinalmente de manera que los bordes de la misma ajusten en los entrantes 26 de la ranura 24 del estator. La cuña de ranura tiene un grosor tal que, cuando se monta en el entrante de la ranura de estator, la superficie exterior de la cuña de ranura se encuentre sustancialmente enrasada con la superficie del entrehierro del núcleo de chapas del estator. En la parte central de la cuña de ranura (Fig. 4) hay una abertura 116 troquelada o realizada con láser, de forma alargada en la dirección longitudinal de la cuña de ranura, de forma que puede considerarse que la cuña de ranura consiste en dos barras 118 y 120 paralelas, conectadas en ambos extremos mediante listones 122 y 124. Las barras 117 y 120 tienen un tamaño tal que mantendrán a los arrollamientos del estator en su sitio con la suficiente firmeza y tal que soportarán los esfuerzos que les sean impuestos por los arrollamientos y los imanes. Las propiedades magnéticas de las cuñas de ranura se emplean para controlar la distribución del flujo en el entrehierro con el fin de reducir al mínimo los armónicos generadores de ruidos y vibraciones y para ajustar las reactancias de dispersión del motor a un nivel deseado. La función principal de las partes de listón 122 y 124 de las cuñas de ranura es mantener la forma de la cuña de ranura durante el montaje y durante el uso, y en funcionamiento, pueden saturarse. Si es necesario a la vista de las exigencias sobre la resistencia de las cuñas de ranura, pueden preverse listones intermedios entre los listones de extremo de la cuña de ranura, por ejemplo como se indica con línea interrumpida 16 en el ejemplo de la Fig. 4.

La cuña de ranura está hecha de material ferromagnético, revestido o sin revestir, por ejemplo, con nilón. Las uniones 128 entre las barras 118, 120 de la cuña de ranura y los listones de extremo 122, 124, están redondeadas para permitir una manipulación y un montaje más fáciles.

De acuerdo con una realización del invento, las aberturas de las cuñas de ranura no son exactamente paralelas al eje central de la cuña de ranura, sino que son ligeramente oblicuas con respecto a él, de modo que la anchura de las barras de la cuña de ranura varía a lo largo de la cuña. La Fig. 5 ilustra cuatro alternativas diferentes para disponer las cuñas de ranura y las ranuras en un motor con un entrehierro axial, representándose el estator en dirección axial según se ve desde el entrehierro. La figura no representa el estator del motor, sino un ejemplo de la posición de la ranura y de la cuña de ranura en relación con la dirección del radio del motor. En la alternativa I, las ranuras 24 corren en la dirección del radio del motor y las aberturas 116 de las cuñas de ranura 28 montadas en las ranuras están, también, orientadas radialmente. En la alternativa II, las ranuras 24 están algo inclinadas con relación al radio, y las aberturas de la cuña de ranura están más inclinadas con relación al radio que las ranuras. En la alternativa III, las ranuras están inclinadas, como en la alternativa II, pero las aberturas de las cuñas de ranura se encuentran dispuestas simétricamente en el área central de las cuñas de ranura, de forma que las cuñas de ranura están inclinadas con respecto al radio en el mismo ángulo que las ranuras de estator. Finalmente, en el caso de la alternativa IV, las ranuras de estator corren en dirección radial pero las aberturas de las cuñas de ranura están sesgadas, en cuyo caso el sesgo de las ranuras solamente es originado por las cuñas de ranura y sus aberturas.

El efecto de cerrar las ranuras de estator con una cuña de ranura de acuerdo con el invento se ilustra en el gráfico de la Fig. 6. La curva 130 de línea discontinua representa la variación del par en el entrehierro en una distancia correspondiente a dos intervalos de diente en un motor síncrono con un entrehierro axial e imanes permanentes y con ranuras abiertas cerradas mediante un detenedor de ranura no magnético, usual. La curva 132 de línea continua representa la variación del par del mismo motor con las ranuras cerradas mediante cuñas de ranura de acuerdo con el invento. Comparando las curvas, se observará que los armónicos se reducen claramente, lo que significa un menor nivel de ruidos y de vibraciones.

El invento se ha descrito en lo que antecede con ayuda de una de sus realizaciones. Sin embargo, no debe considerarse su presentación como una limitación del ámbito de la protección otorgada por la patente, sino que las realizaciones del invento pueden variar manteniéndose dentro de los límites definidos por las siguientes reivindicaciones.

Claims (8)

1. Método para preparar y montar los arrollamientos de un motor eléctrico, estando provistos el núcleo magnético (20) del estator y/o del rotor de dicho motor eléctrico, de ranuras (24) en las que se montan bobinas (2;5,7;15,17) del arrollamiento, comprendiendo dicho método las operaciones de:

- enrollar, con alambre de arrollamiento, las bobinas (2) del arrollamiento en torno a formadores de bobina conformados igual que las ranuras, por el método de enrollamiento aleatorio,

- utilizar los formadores de bobina como herramienta de conformación para retorcer la bobina dándole la forma final en que ha de montarse en el motor, y

- montar las bobinas (2;5,7;15,17) en su sitio en las ranuras (24,25) previstas en el núcleo magnético, una vez completada la operación de conformación.

2. Método como se define en la reivindicación 1, caracterizado porque cada bobina (2) del arrollamiento es una bobina separada cuando se la está montando en la ranura (24,25) y, porque después de haber sido montada en las ranuras (24,25), las bobinas (2) del arrollamiento se conectan entre sí para formar un arrollamiento deseado.

3. Método como se define en la reivindicación 1, caracterizado porque dos o más bobinas (2) del arrollamiento se conectan en serie antes de montar las bobinas en las ranuras (24,25) y las puntas de los alambres de extremo de las bobinas conectadas en serie, se conectan con otra serie de bobinas a fin de formar un arrollamiento deseado.

4. Método como se define en la reivindicación 1, caracterizado porque después de que las bobinas (2;5,7;15,17) del arrollamiento han sido montadas en las ranuras, las ranuras (24,25) se cierran con cuñas (28) insertadas en las partes superiores de las ranuras.

5. Método como se define en la reivindicación 4, caracterizado porque se utilizan cuñas (28) de ranura hechas de un material ferromagnético homogéneo, cuyas cuñas (28) de ranura se insertan en las ranuras asegurándolas en un entrante formado en la ranura en la dirección longitudinal de la ranura.

6. Método como se define en la reivindicación 4, caracterizado porque se usan cuñas (28) de ranura de forma alargada y porque las cuñas se insertan en las ranuras introduciendo salientes previstos en sus bordes largos opuestos en entrantes (26) previstos en las ranuras (24).

7. Método como se define en la reivindicación 6, caracterizado porque las propiedades magnéticas de las cuñas de ranura se utilizan para controlar la distribución del flujo en el entrehierro del motor eléctrico y para ajustar la reactancia de dispersión.

8. Método como se define en la reivindicación 1, caracterizado porque las bobinas del arrollamiento conformadas son rigidizadas y unidas con cinta aislante.