Selección de la clase de aislamiento para paquetes de laminación: aceite, agua y calor

La mayoría de las discusiones sobre las clases de aislamiento se producen en un nivel equivocado de la máquina.

Alguien pregunta por “laminados de clase H”. Lo que suele querer decir es un laminado de clase H motor. Son compras diferentes. A pila de laminación presenta un fino recubrimiento interlaminar, medido en micras, y un método de montaje —soldadura, enclavamiento, adhesivo, remache, grapa—. El devanado presenta la clase térmica que figura en la placa de características. Ambos elementos interactúan, pero ninguno hereda la clasificación del otro, y los fallos que se derivan de su confusión son lentos, silenciosos y costosos de diagnosticar sobre el terreno.

Este artículo distingue entre los dos sistemas y, a continuación, explica qué es lo que cambia realmente cuando la pila se encuentra en contacto con aceite, humedad o a temperaturas superiores a 180 °C.

Dos sistemas de aislamiento, un solo núcleo

El recubrimiento interlaminar Su función es impedir que las corrientes parásitas atraviesen una lámina a otra. Debe resistir el punzonado, cualquier recocido de alivio de tensiones, las uniones, la impregnación con barniz o resina y, posteriormente, décadas de exposición a cualquier fluido y temperatura a los que se vea sometida la máquina. Es delgada —normalmente de 0,5 a 5 µm— y sus características se expresan en términos de resistencia de aislamiento superficial, resistencia al recocido y estabilidad química, y no mediante una clase alfabética.

El sistema de aislamiento de los devanados Esto es lo que describe una clase térmica: revestimiento de ranura, aislamiento de fase y de capa, esmalte para cables, cuñas, aislamiento de plomo y resina de impregnación, todos ellos homologados conjuntamente. La clase es una propiedad del combinación, que ha envejecido como sistema.

Dónde se producen los problemas: la pila se encuentra dentro de la envolvente térmica del sistema de bobinado. Si el revestimiento de la ranura se contrae, si la resina se ablanda o si el barniz se degrada químicamente, la trayectoria del calor desde el cobre hasta el núcleo cambia, y la pila empieza a funcionar con menos margen del que mostró la validación en banco de pruebas. El acero está bien. Las propiedades magnéticas están bien. El perfil térmico debajo de la máquina ha cambiado.

Qué promete realmente un curso de vuelo térmico

Las clases indicadas por letras —B a 130 °C, F a 155 °C, H a 180 °C, 200, 220— se refieren a la temperatura del punto más caliente que el sistema puede mantener con una resistencia aceptable. No a la temperatura ambiente. Ni a la de la carcasa. Ni a la temperatura media del cárter de aceite. El punto más caliente del devanado, normalmente en la mitad de la ranura.

El cálculo que viene a continuación es la parte que conviene interiorizar:

Si se hace funcionar un sistema al límite de su clase, las pruebas de resistencia térmica suelen situarse en torno a las 20.000 horas. En funcionamiento continuo, eso supone algo más de dos años. Está bien para una herramienta eléctrica. No está bien para una bomba que se supone que debe funcionar durante una década. Por eso, la convención generalizada es especificar una clase por encima del aumento de temperatura: aislamiento de clase F, aumento de clase B. La regla general —la mitad de la vida útil por cada 10 K por encima, aproximadamente el doble por cada 10 K por debajo— es una herramienta de planificación aceptable para el envejecimiento del aislamiento, aunque la grasa de los cojinetes, los ciclos térmicos y la tensión eléctrica en el lado del accionamiento suelen determinar la fiabilidad antes que el propio aislamiento.

Así pues, la pregunta de la clase es, en realidad, dos preguntas superpuestas. ¿Qué punto caliente genera realmente el diseño, según se ha comprobado, y no según estimaciones? ¿Y en qué entorno químico se encuentra ese punto caliente?

Las familias de recubrimientos y cómo les afecta el entorno

Los recubrimientos interlaminares se clasifican en una serie C que abarca desde el óxido natural de fábrica, pasando por los barnices orgánicos, hasta los sistemas totalmente inorgánicos de fosfato y silicato, además de los híbridos. En lugar de enumerar toda la lista, aquí tienes la información que te interesa a la hora de elegir en función del entorno.

De esta tabla se desprenden dos cosas que el lenguaje de los catálogos tiende a pasar por alto.

En primer lugar, un “número de clase más alto” no significa “mejor”. Un recubrimiento inorgánico con relleno es más abrasivo para las herramientas de carburo y puede aumentar notablemente el mantenimiento de los troqueles en comparación con un sistema orgánico. Si la pieza es una lámina de estator de 0,25 mm fabricada en decenas de millones de unidades, la vida útil de la herramienta es una partida de costes real, no una simple nota al pie.

En segundo lugar, la etapa de recocido es un requisito imprescindible, no una opción. Si tus piezas magnéticas requieren un recocido de alivio de tensiones tras el troquelado —y, en el caso de las de alto contenido en silicio, de calibre fino y con dientes pequeños, suele ser así—, cualquier recubrimiento que contenga compuestos orgánicos queda descartado o debe contar con un valor de resistencia tras el recocido debidamente documentado. Decide la ruta de fabricación antes de preseleccionar los recubrimientos. Método de punzonado, límite de rebabas, método de unión, recocido o sin recocido, ajuste a la carcasa. A continuación, elige un recubrimiento que siga teniendo sentido después de todo ello.

Entornos petrolíferos

La refrigeración por aceite no aumenta la clase que necesitas. Normalmente reduce la temperatura a la que está sometido el aislamiento, que es precisamente su finalidad. Lo que cambia el aceite es qué materiales entran dentro de esa categoría.

Filtro químico, aplicado además de la decisión térmica. Una película polimérica que se hincha o se plastifica en aceite mineral queda descartada, independientemente de su rango de temperatura. Los fluidos de éster se comportan de forma diferente a los aceites minerales, y el líquido de transmisión automática presenta características distintas: paquetes de aditivos, contenido de agua y acidez a lo largo de su vida útil. Los compuestos a base de aramida cuentan con un amplio historial de uso en equipos lubricados con aceite, ya que su composición química es estable tanto en fluidos minerales como en fluidos de éster. Ese historial tiene más valor que una cifra de ficha técnica generada en condiciones de laboratorio.

La línea de bonos suele ser el límite real. Esta es la parte que la mayoría de las especificaciones pasan por alto. Una pila puede instalarse dentro de una máquina de clase H y seguir conteniendo una capa adhesiva cuya transición vítrea se sitúe en el rango de 80-100 °C. Los trabajos publicados sobre sistemas de barnices epoxi al agua para acero eléctrico han encontrado capas curadas con temperaturas de transición vítrea comprendidas entre aproximadamente 81 °C y 102 °C, y una resistencia al desprendimiento por rodillo que descendía a unos 50% a 100 °C y a unos 75% a 140 °C. La clase del sistema de aislamiento circundante no protegía la unión. Se debe someter el adhesivo a pruebas de resistencia contra el punto caliente de laminación, no la letra que indica la clase que figura en el motor.

El aceite no es necesariamente el factor principal que provoca el envejecimiento. Las pruebas de fatiga y delaminación realizadas en laminados de acero eléctrico unidos con resina epoxi han revelado un comportamiento de propagación de grietas en aire caliente y en un medio de refrigeración a base de aceite que, en determinadas condiciones, resultaba en líneas generales similar, ya que el punto de cruce en el umbral de fatiga seguía la región de transición del adhesivo en lugar de la del fluido. El calor y el ablandamiento viscoelástico pueden ser tan importantes como el contacto con el fluido. A veces, incluso más.

El envejecimiento en aceite se rige por normas diferentes a las del envejecimiento al aire. La inmersión excluye el oxígeno, lo que ralentiza la degradación oxidativa de los componentes orgánicos. Mientras tanto, el calor, el fluido y las vibraciones actúan sobre las uniones adhesivas durante décadas. Un laminado de clase F que haya sido debidamente homologado en aceite suele durar más que un material de clase nominalmente superior cuyo adhesivo solo se haya validado en condiciones secas. Pregunta por la base de envejecimiento. Si la respuesta es “la película está clasificada para 180 °C”, esa respuesta se refiere a una sola capa.

Espesor de la línea de unión. A partir de cierto punto, un mayor grosor no implica mayor resistencia. En un estudio, la resistencia al desprendimiento aumentó con el grosor del adhesivo hasta unos 20 µm y, a partir de ahí, se estabilizó. Un exceso de adhesivo reduce el factor de apilamiento y no aporta ninguna ventaja.

Requisitos prácticos para las pilas refrigeradas por aceite: pelado o cizallado tras el envejecimiento del aceite a temperatura de funcionamiento, ni una inmersión a temperatura ambiente, ni un remojo de 48 horas. Además, se debe aplicar una carga cíclica en el mismo medio si la pila es estructural.

Agua, humedad y entornos con fluidos sellados

La humedad ataca de forma diferente. Se trata de un mecanismo químico, no térmico, y puede provocar el fallo de un sistema que ni siquiera se acerque al límite de su clase.

La película de poliéster —el material básico y económico que se utiliza en la mayoría de los revestimientos de ranuras, clasificado en las clases E a B según su calidad— es vulnerable a la hidrólisis. Las condiciones de calor, humedad y espacio hermético reducen el peso molecular y la rigidez dieléctrica. La película se vuelve quebradiza. Los papeles compuestos con un núcleo de poliéster heredan esa debilidad en la capa central, incluso cuando las capas exteriores de aramida no se ven afectadas, razón por la cual el almacenamiento por debajo de aproximadamente un 60% de humedad relativa es un requisito técnico genuino para esos materiales, y no una simple exigencia del almacén. Estabilidad hidrolítica, clasificada de forma aproximada: las películas de sulfuro de polifenileno y de poliimida resisten bien; el naftalato de polietileno se sitúa en un nivel intermedio; y el poliéster es el más débil.

En el interior de un compresor sellado, la situación se agrava. La humedad, junto con el lubricante, el refrigerante y el calor, puede favorecer la formación de ácidos. Una vez que comienza la hidrólisis en un componente de poliéster, el daño no se limita a esa capa, sino que se propaga por todo el conjunto aislante. El estado del revestimiento de las ranuras, el estado del barniz, el aislamiento de plomo… todo ello cambia, y el comportamiento térmico cambia con ello.

En cuanto a la pila en sí, el agua plantea dos cuestiones distintas:

• Corrosión en el filo. El recubrimiento cubre la cara de la chapa. El borde perforado es de acero sin recubrimiento y presenta una rebaba. En aplicaciones de condensación, o en diseños de rotor húmedo y de carcasa, ese borde es el punto de inicio. En este caso, un control riguroso de las rebabas y una composición química del recubrimiento resistente a la corrosión son más importantes que la resistividad superficial.
• Cortocircuitos interlaminares provocados por capas de humedad. Los recubrimientos de óxido de baja resistencia, que resultan perfectamente adecuados en seco, pueden perder su margen cuando una película conductora forma un puente entre las laminaciones. Si la máquina está sometida a ciclos de condensación, especifica una resistencia de aislamiento superficial medida y unas condiciones de exposición a la humedad que no superen dicho valor.

La calefacción anticondensación, el drenaje, los respiraderos y el grado de protección del recinto forman parte de la decisión sobre el aislamiento, aunque aparezcan en un plano diferente. Una máquina que nunca se enfría lo suficiente como para que se produzca condensación requiere un aislamiento menor del que implica su clase.

Por encima de los 180 °C

Una vez que el punto caliente supera la línea de Clase H, el conjunto de materiales se reduce rápidamente y el coste aumenta de forma escalonada, en lugar de crecer de manera gradual.

Las películas a base de poliéster han desaparecido. El papel de aramida, las películas de poliimida, las películas de sulfuro de polifenileno, los compuestos de mica y las resinas de alta temperatura asumen ahora esa función. El papel de aramida puro está homologado para un servicio continuo a unos 220 °C y no se funde, aunque absorbe más humedad que las opciones basadas en películas —una elección que se toma de forma consciente y no por accidente—.

En lo que respecta a la pila, la unión adhesiva resulta cada vez más difícil de justificar como método principal de unión a temperaturas superiores a unos 180 °C de forma sostenida, a menos que el sistema adhesivo se haya desarrollado específicamente para ello y se disponga de datos a esa temperatura. La soldadura y el enclavamiento se vuelven más atractivos desde el punto de vista estructural, aunque sacrifican el rendimiento interlaminar en la zona donde se encuentra la unión. Los recubrimientos inorgánicos con relleno resisten la reparación por combustión y las etapas del proceso a alta temperatura; se afirma que algunos son térmicamente resistentes hasta unos 420 °C, lo cual es importante para los talleres de rebobinado que queman los devanados y reutilizan el núcleo.

Fíjate también en la secuencia. Los recubrimientos finos elegidos por su comportamiento en la soldadura o el apilado automático pueden no ser los mismos que mantienen la separación eléctrica tras un largo periodo de exposición térmica. Son muy pocos los recubrimientos que ofrecen un rendimiento óptimo en ambos casos.

Un proceso de selección que da buenos resultados

1. Lo primero es definir la ruta de fabricación. Troquelado o láser, objetivo de rebaba, recocido o sin recocido, método de unión, interfaz de la carcasa.
2. Consigue un punto de acceso verificado, No se trata de una temperatura ambiente calculada. Datos de un termopar o de un detector integrado procedentes de una instalación representativa, en las condiciones de funcionamiento más desfavorables: temperatura ambiente máxima, caudal de refrigerante mínimo y fin de la vida útil del intercambiador de calor.
3. Establece la clase de bobinado un nivel por encima del aumento de diseño. a menos que el uso sea realmente esporádico.
4. Coloca el filtro de líquido. Indica el tipo exacto de líquido: mineral, éster sintético, éster natural, líquido de transmisión, refrigerante con lubricante, agua desionizada y glicol. Incluye la concentración y el paquete de aditivos.
5. Examina por separado la línea de unión y el recubrimiento en el mismo punto conflictivo. No permitas que la clase del sistema sustituya a ninguna de las dos.
6. Define la condición de calificación para que se parezca a la del servicio. Envejecido en el fluido real, a la temperatura real, bajo el modo de carga real, durante un tiempo que tenga sentido.
7. A continuación, ponle un precio. El uso excesivo de aramida para altas temperaturas en el motor de un electrodoméstico de clase B puede multiplicar por varias veces el gasto en aislamiento sin aportar ninguna mejora en la fiabilidad.

El paso 6 es donde, por lo general, los programas se consolidan o se echan a perder. Los datos de cizallamiento en bucle con muestras frescas a temperatura ambiente no tienen prácticamente ningún valor predictivo para una pila encolada en aceite caliente sometida a una carga cíclica.

PREGUNTAS FRECUENTES

¿Un motor refrigerado por aceite necesita una clase de aislamiento más alta? Normalmente es al revés. Una refrigeración líquida eficaz reduce el punto caliente, lo que te permite optar por una clase inferior. Lo que hace el aceite es limitar los materiales que cumplen los requisitos dentro de la clase que elijas. Indica tanto la clase como el líquido exacto al realizar el pedido.

¿Puedo utilizar la clase que figura en la placa de características del motor para seleccionar el adhesivo de la pila? No. La clase describe el sistema de aislamiento de los devanados en su conjunto. Una capa adhesiva en el interior del conjunto puede tener una temperatura de transición vítrea entre 80 y 100 K por debajo del límite de la clase y, aun así, comercializarse para esa máquina. Se deben seleccionar los adhesivos teniendo en cuenta el punto caliente de la laminación.

¿Es aceptable un recubrimiento de base orgánica con aditivos en los núcleos sumergidos en aceite? Por lo general, se considera la opción más arriesgada. La fracción orgánica es la que interactúa con el fluido caliente a lo largo de los años. Los recubrimientos con relleno totalmente o mayoritariamente inorgánico son la solución convencional para la inmersión en aceite a largo plazo, y además soportan el recocido de alivio de tensiones.

¿Qué es lo primero que se estropea en un ambiente húmedo? Los componentes a base de poliéster, por hidrólisis, y los bordes perforados, por corrosión. Ninguna de estas fallas requiere que la máquina se encuentre cerca de su límite térmico.

¿Qué margen térmico debe tener un diseño? Un incremento de 10 K reduce aproximadamente a la mitad o duplica la vida útil térmica del aislamiento, por lo que la mayoría de los diseños industriales se fijan como objetivo un aumento de una clase por debajo del aislamiento. Las máquinas de funcionamiento intermitente a veces se calientan más a propósito para ganar densidad de potencia, aceptando a cambio una vida útil más corta del aislamiento.

¿Influye el recocido de alivio de tensiones en la elección del aislamiento? Es un factor determinante. Los recubrimientos aptos para el recocido resisten temperaturas de entre 800 y 850 °C aproximadamente en atmósfera inerte o ligeramente reductora, aunque la resistividad superficial puede disminuir posteriormente. Los sistemas que contienen compuestos orgánicos o bien se queman o bien dejan residuos de carbono que reducen la resistencia. Hay que decidir el tipo de recocido antes de preseleccionar los recubrimientos, no después.

¿Qué dato concreto es el que más mejora un presupuesto? La temperatura verificada del punto caliente y el tipo exacto de fluido, en el primer mensaje. Esos dos datos permiten descartar de inmediato la mayor parte del material y evitan una semana de idas y venidas.