Para agilizar su proyecto, puede etiquetar las pilas de laminación con detalles como tolerancia, material, acabado superficial, si se requiere o no aislamiento oxidado, cantidady mucho más.
Respuesta breve: sí, tú. puede mezclar espesores de laminación en un solo estator o rotor, pero casi siempre se trata de una decisión de diseño muy deliberada o de un compromiso de fabricación que se acepta con los ojos abiertos. Los motores estándar mantienen un solo espesor por una razón; la mezcla se utiliza en casos extremos, para reducir costes o en situaciones de reparación en las que se sacrifica la elegancia en favor de la practicidad.
La mayor parte del material público sobre laminaciones se limita a decir que «un espesor menor implica una menor pérdida en el núcleo, mientras que un espesor mayor implica una mayor rigidez y un estampado más económico». Eso ya lo sabéis. Las máquinas modernas típicas se sitúan en el rango de 0,25-0,50 mm para laminados eléctricos de acero, a menudo un poco más delgado en los estatores y ligeramente más grueso en los rotores para mayor resistencia. De lo que rara vez se habla es de lo que realmente ocurre si se mezclan esos espesores en la misma pila en lugar de elegir un único valor global.
Vamos a abrirlo.
Cuando alguien pregunta si se pueden mezclar espesores, normalmente se refiere a una de estas tres cosas, aunque no lo diga así. Una posibilidad es la mezcla axial: parte de la longitud de la pila en un espesor y el resto en otro, como laminaciones de 0,35 mm en la zona central y de 0,50 mm cerca de los extremos. Otra es la mezcla radial: laminaciones más cercanas al orificio en un espesor, laminaciones hacia la parte trasera de hierro o el borde exterior en otro, utilizando diferentes juegos de estampado o piezas compuestas. Un tercer caso, más caótico, es la mezcla impulsada por la reparación o el suministro, en la que se sustituye un lote de laminaciones de diferente espesor en el centro de una pila que, por lo demás, es uniforme, porque es lo que se puede conseguir.
Las tres opciones son técnicamente posibles. Los núcleos del estator y del rotor se fabrican habitualmente apilando láminas discretas que pueden diferir en geometría, recubrimiento y aleación; no existe ninguna regla física que establezca que todas las láminas deben ser idénticas. Los métodos modernos de ensamblaje de pilas (entrelazado, soldadura, unión) ya trabajan con conjuntos de placas discretas. La verdadera pregunta no es «¿está permitido?», sino «¿qué costes ocultos asumo al hacerlo?».
Ya conoce los conceptos básicos, así que solo haré un breve repaso. La pérdida por corrientes parásitas en una laminación crece aproximadamente con el cuadrado del espesor para el mismo material, flujo máximo y frecuencia. Por eso todo el mundo sigue apostando por láminas más finas en máquinas de alta velocidad y alta frecuencia, a menudo de 0,2-0,35 mm o incluso menos en diseños especiales. Al mismo tiempo, las láminas más finas significan más capas para la misma altura de pila, más interfaces de aislamiento y un factor de apilamiento más bajo, por lo que la sección transversal efectiva del hierro se reduce ligeramente.
Desde el punto de vista mecánico, las laminaciones más gruesas y las partes sólidas más grandes aumentan la rigidez y facilitan el cumplimiento de los márgenes de rotura del rotor y los límites de vibración, especialmente a velocidades muy altas. La fabricación se queda en segundo plano, silenciosamente descontenta: las láminas más finas ralentizan el estampado, aumentan el desgaste de las matrices y exigen más cuidado en el apilamiento y la unión.
Mezclar espesores significa que estás jugando con esta compensación a nivel local en lugar de global.
Hay situaciones en las que mezclar espesores no solo es aceptable, sino útil.
Uno es el de los rotores de alta velocidad, en los que la zona exterior necesita una mayor robustez mecánica, mientras que sigue siendo importante la pérdida de hierro en la parte más profunda del núcleo. Un diseñador podría considerar laminaciones más gruesas o incluso un anillo exterior semisólido para aumentar la resistencia circunferencial, combinado con laminaciones más finas cerca de la zona del imán o del eje para gestionar las pérdidas. Los modelos estructurales ya muestran cómo el grosor de la laminación y el diámetro del núcleo sólido están directamente relacionados con la rigidez y la tensión del rotor.
Otro es el ajuste de costes para motores de baja velocidad. En el caso de los motores de inducción de frecuencia de red a velocidades moderadas, la diferencia en pérdidas entre láminas de 0,35 mm y 0,50 mm es notable, pero no supone un cambio radical para todas las regiones del núcleo. Los estudios demuestran que cambiar de laminaciones de 0,50 mm a 0,35 mm puede aumentar la eficiencia en aproximadamente un punto porcentual en máquinas de inducción pequeñas, principalmente al reducir la pérdida del núcleo del rotor. Si las regulaciones energéticas le obligan a exprimir un poco más la eficiencia de un bastidor heredado, podría considerar el uso de laminaciones más delgadas solo donde la densidad de flujo y el producto de frecuencia sean más perjudiciales, manteniendo el resto con un espesor más económico.
También está el aspecto de la reparación y la modernización. A veces, simplemente ya no se puede conseguir el calibre de laminación original, o el plazo de entrega es inaceptable. En ese caso, mezclar espesores puede ser una desviación controlada que salve un proyecto, siempre que se acepte que ahora se es responsable de validar las pérdidas, la corriente sin carga, el aumento de temperatura, la vibración y el ruido.
Ahora, las partes incómodas.
Desde el punto de vista electromagnético, la pila ya no se comporta como un medio uniforme cuando se mezclan espesores. Para una geometría exterior y una altura nominal de la pila determinadas, el cambio de espesor en una región modifica el factor de apilamiento y el área efectiva de hierro a nivel local. Esto desplaza la densidad del flujo, lo que a su vez desplaza tanto la histéresis como la pérdida por corrientes parásitas. Si la mezcla es axial, por ejemplo, 0,35 mm en el centro 60% de la pila y 0,50 mm cerca de los devanados finales, se pueden obtener diferentes curvas de magnetización locales a lo largo de la longitud. Esto puede distorsionar ligeramente la distribución axial del flujo y la pérdida, lo que podría manifestarse como gradientes de temperatura o anillos calientes en una imagen térmica.
La mezcla radial es más complicada. Si las laminaciones más finas se sitúan cerca de los dientes, donde el flujo ya es alto, y las más gruesas cerca del yugo, se podrían reducir las pérdidas en los dientes y mantener la rigidez del hierro trasero. Suena atractivo. Pero el beneficio exacto depende de la frecuencia de funcionamiento real, la forma de onda y la cantidad de la trayectoria magnética total que pasa por cada región. A frecuencias eléctricas más altas o con un rico contenido armónico de los inversores, la parte más delgada cobra importancia, y es posible que se necesite un estudio FEA serio para saber si la pérdida total realmente mejora en comparación con un diseño de espesor uniforme.
Si la mezcla es aleatoria y no está planificada, como colocar un lote de laminaciones de 0,50 mm en el centro de un núcleo diseñado para 0,35 mm, el flujo intentará evitar la zona de mayor pérdida. El resultado es una sutil saturación local en las capas más finas justo antes y después de la sección gruesa, ligeros cambios en las rutas de fuga y, a veces, desagradables sorpresas en las pérdidas parásitas. Nada de esto destruye necesariamente la máquina, pero hace que las predicciones analíticas sean menos fiables y puede romper las estrictas garantías de eficiencia.
Desde el punto de vista mecánico, la pila ya no es un simple «resorte» con rigidez uniforme. Las variaciones en el grosor de la laminación modifican la distribución de la rigidez tanto radial como axial. La zona exterior del rotor es especialmente sensible a altas velocidades; si el perfil de rigidez cambia gradualmente con el radio o a lo largo de la longitud, las frecuencias naturales del rotor pueden acercarse a la velocidad de funcionamiento o a múltiplos de la misma. En ese momento, empiezan a surgir preocupaciones sobre resonancias que no se habían previsto.
La unión y el entrelazamiento también dependen de una geometría uniforme. Muchos sistemas de montaje se basan en características repetitivas, lengüetas o patrones de soldadura que suponen un espesor de laminación y unas condiciones superficiales similares. Si parte de la pila es más gruesa, la distribución de la presión de sujeción cambia; es posible que las características de entrelazamiento no encajen exactamente de la misma manera, y se corre el riesgo de que se produzca un aflojamiento local o un desgaste entre las láminas. Una unión deficiente ya se manifiesta en la práctica como vibración del núcleo, ruido mecánico y reducción de la vida útil, incluso con laminaciones uniformes. La mezcla de espesores añade una variable más.
En los estatores, la mezcla axial puede afectar a la forma en que el núcleo interactúa con el bastidor. Las zonas extremas ya sufren diferentes tensiones debido a la sujeción y los ajustes por contracción; si se modifica la rigidez cerca de los extremos, se puede cambiar el lugar donde el núcleo «respira» bajo las fuerzas electromagnéticas, lo que altera los patrones de ruido y vibración. Algunos diseñadores aceptarán esto si el motor se utiliza en entornos industriales donde los límites acústicos son tolerantes. En contextos automovilísticos o de electrodomésticos con normativas estrictas en materia de ruido, resulta menos atractivo.
Desde el punto de vista de la planta, los espesores mixtos son casi siempre inconvenientes.
Los diferentes espesores implican diferentes juegos de matrices o matrices ajustables, tiradas separadas, registros de calidad separados y, por lo general, diferentes procesos de apilado. Las líneas de punzonado modernas están ajustadas para calibres de chapa específicos, y tanto la velocidad de estampado como la vida útil de las herramientas dependen en gran medida del espesor. Por ejemplo, los datos industriales muestran que las laminaciones de estator más delgadas reducen el número de pilas producidas por hora para una altura de motor determinada, al tiempo que someten a mayor esfuerzo a las herramientas. Cambiar el calibre a mitad de la pila interrumpe el flujo continuo.
El apilamiento en sí mismo se vuelve más delicado. La altura de las rebabas, la planitud, la tensión residual y el espesor del recubrimiento varían en función del espesor y los parámetros del proceso. Si el patrón de rebabas no coincide, es posible que las capas no queden planas y se produzcan pequeños espacios de aire o ranuras sesgadas. Esto degrada el factor de apilamiento y puede formar caminos de remolinos locales si las rebabas puentean el aislamiento. Cuanta más variación se introduzca en la pila, más dependerá el proceso de la habilidad del operador y de una inspección rigurosa.
Por lo tanto, aunque la idea electromagnética parezca ingeniosa sobre el papel, el ingeniero de producción podría rechazarla simplemente porque la línea tiene que producir miles de pilas por semana y no puede permitirse patrones de mezcla delicados sin incurrir en costes adicionales.
Los fabricantes de núcleos de transformadores llevan mucho tiempo mezclando geometrías de laminación: diferentes piezas de unión solapadas, diferentes anchuras, diferentes segmentos de extremidades y yugos. Algunas patentes describen el uso de tipos de laminación alternos para alcanzar un espesor determinado y controlar el rendimiento magnético. Sin embargo, en la mayoría de los casos, el espesor del calibre del acero eléctrico permanece constante en todo el núcleo. Se cambian las formas y los patrones de solapamiento, pero no el calibre, ya que mezclar espesores complica el factor de apilamiento, el comportamiento de las uniones y las pérdidas.
Los diseñadores de motores y generadores aprenden la misma lección. Primero, utilice la geometría y la segmentación de forma creativa. Considere el espesor de laminación mixta como una medida de mayor complejidad que solo se justifica cuando existe una razón clara relacionada con el rendimiento o el coste y se dispone de la capacidad de análisis necesaria para respaldarla.
Aquí hay una forma concisa de verlo.
| Escenario | ¿Mezclar espesores? | La razón principal para decir «sí» | Principal riesgo que gestionar |
|---|---|---|---|
| Rotor de alta velocidad con un estrecho margen de ruptura | A veces | Laminaciones exteriores más gruesas o borde sólido para mayor resistencia, laminaciones interiores más finas para controlar las pérdidas. | Modelado complejo de tensiones y vibraciones, sensibilidad del ensamblaje y de las soldaduras. |
| Modernización de motores de baja velocidad existentes para cumplir con una clase de eficiencia más alta. | Quizás | Utilice laminaciones más finas solo en las regiones de mayor flujo para reducir la pérdida de hierro sin rediseñar completamente las herramientas. | Puntos críticos locales, predicción de pérdidas incierta, carga de pruebas |
| Máquina prototipo en I+D con recursos completos de FEA y laboratorio. | Sí, si responde a una pregunta específica. | Libertad para experimentar con la mezcla axial o radial y medir los resultados. | No es representativo del proceso de producción final, replicabilidad limitada. |
| Motor industrial básico orientado al coste y al volumen | Casi nunca | Difícil de justificar | Complejidad de fabricación, gastos generales de control de calidad, mayor riesgo de desperdicio. |
| Reparación de emergencia con laminaciones mixtas | A veces, como una desviación controlada. | Recuperar el funcionamiento de una máquina cuando no se dispone de un recambio exacto | Desviación del rendimiento frente a las especificaciones, vida útil desconocida, implicaciones en la garantía. |
Esta tabla no es un manual de reglas, pero refleja lo que piensan muchos diseñadores experimentados una vez que el entusiasmo inicial se enfrenta a la realidad de las plantas.
Si vas a mezclar, trátalo como una variable de diseño real, no como un accidente.
Comience por el problema electromagnético que está resolviendo: tal vez sea la pérdida de hierro del rotor en un armónico específico, tal vez el calentamiento de los dientes del estator, tal vez la temperatura del imán en una máquina PM. Decida en qué punto de la trayectoria del flujo se producirá el cambio de espesor y qué porcentaje de la pérdida total del núcleo espera mover. Utilice su cadena FEA habitual (primero la sección transversal 2D, luego la 3D o segmentada) para ver la densidad de flujo local, las pérdidas locales del núcleo y cualquier patrón de fuga extraño. Incluya la diferencia real del factor de apilamiento entre calibres en lugar de suponer una única constante.
A continuación, superponga el análisis estructural. Para los rotores, incluya la tensión circunferencial, las velocidades clave y el efecto de las diferentes rigideces de laminación en las formas modales. Para los estatores, observe cómo la sujeción del bastidor y los ajustes por contracción distribuyen la tensión a lo largo de la pila, especialmente si las zonas axiales difieren en grosor o material. Los trabajos publicados sobre el modelado de la resistencia de los rotores muestran lo sensibles que pueden ser los resultados a la geometría de la laminación y a las dimensiones del núcleo sólido. Aquí es donde se evitan las resonancias no deseadas y las limitaciones de velocidad.
En lo que respecta a la fabricación, involucre a la planta desde el principio. Pregunte cuántos calibres y juegos de matrices diferentes son realistas. Compruebe si el método de ensamblaje por apilamiento (enclavamiento, soldadura, unión) sigue siendo fiable en toda la transición de espesor. Las láminas delgadas pueden ser mucho más sensibles a las opciones de soldadura y unión, con aumentos medibles en la pérdida cuando los parámetros del proceso no se ajustan al calibre específico. Esto es más importante cuando se mezclan.
Por último, valida el hardware con instrumentos que tengan en cuenta los riesgos específicos que has introducido. Esto puede implicar pruebas adicionales de pérdida de núcleo, mapeo térmico a lo largo de la pila o mediciones específicas de vibración cerca de las nuevas transiciones mecánicas.
En los estatores, los argumentos a favor de mezclar espesores suelen ser menos sólidos. El núcleo del estator está sujeto, no gira, por lo que las exigencias mecánicas son menores. A menudo se pueden alcanzar los objetivos de eficiencia y temperatura simplemente eligiendo un espesor adecuado y un tipo de acero apropiado, además de prestar especial atención a la geometría de las ranuras, la anchura de los dientes y la profundidad de la horquilla. Cuando los diseñadores desean realizar ajustes locales, suelen cambiar la forma de la laminación o utilizar estatores segmentados en lugar de mezclar calibres.
Los rotores son lo contrario. En el caso de los rotores de inducción de jaula de ardilla, hay un argumento más sólido: la concentración de pérdidas y la tensión mecánica conviven en el mismo espacio. Cambiar el grosor de la laminación o incluso añadir regiones de soporte sólido le proporciona otra palanca, que se utiliza en algunos diseños de alta velocidad o alta densidad de potencia. En el caso de los rotores de imanes permanentes, la disposición de los imanes y la construcción del manguito suelen dominar el juego mecánico, pero el grosor de la laminación sigue influyendo en la saturación del hierro trasero y en el comportamiento del rotor a alta velocidad.
Por lo tanto, se podría resumir así: mezclar espesores de laminación es más útil en rotores que en estatores, y más probable en máquinas para fines especiales que en productos de catálogo.
Sí, se puede, y hay gente que lo hace, pero sobre todo cuando buscan algo muy específico: un poco más de eficiencia sin necesidad de un nuevo marco, una mayor velocidad de seguridad, un perfil térmico concreto o una reparación puntual. El precio que se paga es una mayor complejidad en el análisis, la fabricación y el control de calidad. La práctica habitual de «un calibre por pila» existe porque es predecible, repetible y fácil de fabricar a gran escala.
Si está pensando en mezclar espesores en un estator o rotor, trátelo de la misma manera que trataría un material exótico o una forma de ranura inusual. Anote exactamente lo que espera obtener, modélo con suficiente detalle para que los riesgos sean visibles e involucre a la fábrica con suficiente antelación para que la comprobación de la realidad llegue antes del pedido de herramientas, no después. Entonces, si los números siguen funcionando, no solo está mezclando espesores. Está realizando un diseño intencionado.
Para agilizar su proyecto, puede etiquetar las pilas de laminación con detalles como tolerancia, material, acabado superficial, si se requiere o no aislamiento oxidado, cantidady mucho más.
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