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.
La mayoría de los rotores PM laminados acaban teniendo una de estas tres realidades: un manguito metálico que limita la velocidad y las pérdidas, un manguito compuesto que limita la temperatura y la refrigeración, o un proceso de banding que limita silenciosamente el rendimiento de la producción. El truco no está en "encontrar la mejor" opción. El truco no es "encontrar la mejor" opción, sino decidir con qué limitaciones se está dispuesto a vivir en la próxima generación de productos.
Una vez que pasas de sólido rotores a pilas laminadasEn este caso, el manguito ya no sujeta un simple cilindro. Está intentando mantener unida una pila de placas finas, imanes, adhesivos y, a veces, manguitos o cuñas polares. El campo de tensiones deja de ser limpio. La conformidad radial de la pila de laminación, las ranuras, los chaveteros y las características de los conductos desplazan la trayectoria de la tensión del aro y cambian la forma en que la banda o el manguito comparten la carga con los imanes.
Los modelos analíticos que tratan el imán y el manguito como dos anillos concéntricos perfectos empiezan a pasar por alto interacciones importantes en cuanto la pila de laminación se hace alta, ranurada o sesgada. Precisamente por eso, los trabajos más recientes asocian explícitamente el ajuste por contracción del manguito, la elasticidad del imán y la geometría del rotor en las direcciones radial y axial, en lugar de resolver cada pieza de forma aislada.
Por tanto, cuando hablamos de "opciones de manguitos y bandas" para rotores PM laminados, en realidad estamos hablando de cómo se elige dirigir la tensión mecánica alrededor de una pila que se optimizó para el rendimiento electromagnético primero y para el comportamiento estructural después.
Los ingenieros suelen dividirse en tres familias de contención para rotores PM laminados: manguitos metálicos, manguitos de material compuesto (normalmente a base de carbono) y enfoques basados únicamente en bandas que utilizan fibra o cinta enrollada directamente alrededor de la pila de laminación o de los imanes exteriores. Tanto los fabricantes de máquinas comerciales como el mundo académico siguen dando vueltas en torno a estas familias porque los compromisos básicos se niegan a desaparecer.
Los manguitos metálicos ofrecen una buena temperatura y conducción térmica, pero introducen pérdidas por corrientes parásitas en el rotor y añaden masa en los radios más grandes. Los manguitos de material compuesto reducen las pérdidas y la inercia, pero tienen problemas con el calor y el curado. El enfajado puro, a menudo realizado con máquinas automáticas, se basa más en el control del proceso y la pretensión que en la masa del material.
La pila de laminación se encuentra debajo de todo esto, ligeramente elástica, ligeramente discontinua, y ese detalle suele decidir cuál de los tres caminos funciona realmente en la producción.
Para los rotores PM laminados, los manguitos metálicos suelen ser el punto de partida por defecto. El Inconel 718, los aceros inoxidables y las aleaciones de titanio aparecen una y otra vez porque combinan un límite elástico de cientos de MPa con una dureza y una capacidad de fabricación aceptables.
Con una pila de laminación bajo la manga, te preocupas de tres cosas más de lo habitual.
En primer lugar, el manguito no ve un núcleo perfectamente rígido. Las laminaciones se comprimen bajo el ajuste por contracción y la carga centrífuga, lo que reduce la presión de contacto a la velocidad en comparación con lo que predicen las simples ecuaciones de cilindros gruesos. Los análisis modernos incluyen explícitamente el módulo de laminación y la geometría de la ranura al calcular el ajuste por interferencia y la velocidad admisible, ya que la rigidez radial efectiva puede ser significativamente inferior a la del acero macizo.
En segundo lugar, la pila de laminación puede no ofrecer una superficie exterior lisa. Los estampados oblicuos, escalonados o en canal crean un diámetro exterior ondulado. Si simplemente se rectifica y se desliza sobre un manguito metálico apretado, se corre el riesgo de un exceso de tensión local en las crestas restantes o, peor aún, un contacto incompleto que comprometa el flujo de calor de los imanes a la pila y luego al eje. Varios diseños industriales mantienen intencionadamente un grosor modesto del manguito y se basan en límites de rectificado y excentricidad cuidadosamente especificados, de modo que el manguito pueda asentarse sin ceder localmente de forma impredecible.
En tercer lugar, el manguito se convierte en una parte activa de su presupuesto de pérdidas. Un tubo conductor continuo alrededor de un rotor laminado forma una vía de baja resistencia para los campos de alta frecuencia que se escapan de los imanes y las ranuras. Esto se traduce en pérdidas por corrientes de Foucault y calor justo donde menos lo desean los imanes. Trabajos más recientes exploran los manguitos metálicos laminados, como los manguitos de titanio segmentados axialmente con capas aislantes, que reducen la densidad de las corrientes de Foucault manteniendo la mayor parte de las ventajas mecánicas.
El resultado neto: los manguitos metálicos son atractivos en rotores laminados cuando se necesitan altas temperaturas, una velocidad superficial relativamente modesta o una trayectoria térmica fiable. No resultan útiles si el diseño ya tiene pérdidas limitadas y gira al máximo de lo que los imanes pueden soportar mecánicamente.
Los manguitos de fibra de carbono alrededor de los rotores PM laminados se hicieron populares porque casi eliminan las pérdidas por corrientes parásitas del rotor de la estructura de contención y permiten una mayor velocidad superficial antes de que se alcancen los límites de tensión. Los valores típicos citados en los estudios del sector muestran una velocidad lineal superficial máxima de unos 240 m/s en el caso de los manguitos metálicos y de unos 320 m/s en el caso de los manguitos de fibra, con una disposición y pretensión adecuadas.
El reto es que las fundas de composite se comportan de forma muy diferente cuando se envuelven en una pila de laminación.
Los manguitos de fibra son excelentes en la dirección del aro, pero menos rígidos radialmente. En funcionamiento a alta velocidad, mantienen los imanes comprimidos, pero su baja conductividad térmica dificulta la evacuación del calor generado en los imanes o en los extremos. Varios estudios señalan que el simple aumento del grosor del manguito de material compuesto para ganar margen de tensión es contraproducente: el manguito más grueso empuja el entrehierro hacia fuera y disminuye la densidad de flujo, a la vez que empeora la refrigeración y aumenta la temperatura del imán.
La ruta de fabricación importa más de lo que dan a entender muchas hojas de especificaciones. Los manguitos de carbono de bobinado directo en un rotor pueden alcanzar una tensión radial previa del orden de unos cientos de MPa, limitada en parte por la tolerancia de temperatura del imán durante el curado y la capacidad de su proceso de bobinado. Los manguitos de carbono prensados, fabricados por separado y luego expandidos e instalados en el rotor, pueden alcanzar una tensión de compresión neta superior en condiciones de funcionamiento, pero requieren un control muy preciso de las dimensiones y las interferencias.
Cuando el núcleo es una pila laminada con imanes de superficie, estas diferencias se convierten en problemas prácticos.
Un manguito de bobinado directo debe seguir todas las imperfecciones geométricas de la pila, y el flujo de resina puede verse perturbado por los orificios de ventilación del laminado o las aberturas de las ranuras. Un manguito prensado necesita un diámetro exterior liso y mecanizado con precisión en la pila y los imanes; de lo contrario, se producen huecos locales que erosionan tanto el margen de tensión como la rigidez. En rotores pequeños de muy alta velocidad, los resultados de la investigación muestran que el grosor del manguito y el ajuste de interferencia están estrechamente relacionados; a menudo hay una región muy estrecha en la que la tensión de tracción del imán, la tensión del manguito y la fabricabilidad siguen siendo aceptables.
Los enfoques más recientes de los materiales compuestos añaden un giro más: la colocación automatizada de las fibras mediante cintas termoplásticas permite un control estricto de la tensión del aro y fibras de mayor módulo, al tiempo que se reduce la absorción de agua y el hinchamiento dimensional de la camisa. En los rotores laminados que funcionan en entornos húmedos y calurosos, estos detalles pueden marcar la diferencia entre una holgura estable y roces después de unos pocos miles de horas.
Cuando la gente dice "enfajar", a veces se refiere al material (una venda de fibra) y a veces al proceso (bobinado automático de cinta preimpregnada con una pretensión definida). En el caso de los rotores PM laminados, el proceso es lo que realmente cambia las reglas del juego.
Las enfajadoras específicas para rotores de imanes permanentes controlan la tensión de la cinta, la velocidad de rotación y el curado en una estación compacta. Esto resulta atractivo cuando se tienen pilas de laminación con imanes en el diámetro exterior o ligeramente enterrados en ranuras, porque la operación de enfajado puede adaptarse a diferentes geometrías del rotor sin cambiar un manguito mecanizado.
Sin embargo, la pila de laminación empuja hacia atrás. Literalmente.
Cada capa de laminación está aislada, por lo que la rigidez radial efectiva es inferior a la de un anillo macizo. Bajo la tensión de la banda, las laminaciones exteriores pueden colapsarse ligeramente, modificando el pretensado final una vez que el rotor está a velocidad y temperatura. Los mejores procesos de enfajado intentan tener esto en cuenta combinando la medición de la conformidad del rotor, la compensación de la temperatura y, a veces, el bobinado por etapas con diferentes tensiones. Investigaciones recientes sobre técnicas de bobinado de manguitos de rotor sugieren tratar el bobinado y el curado como parte del diseño estructural, no sólo como un paso final del montaje.
Las bandas también interactúan fuertemente con los elementos de retención axial: tapas, hombros y labios. Estos elementos interrumpen el apilamiento de la laminación y crean concentraciones locales de tensión bajo la tensión del aro. Por ejemplo, un chaflán en la transición entre el diámetro exterior de la laminación y un anillo extremo puede aliviar la tensión en un manguito metálico, pero puede crear bolsas ricas en resina en una banda de material compuesto, que se agrietarán bajo ciclos térmicos repetidos. En este caso, la geometría de la pila de laminación decide hasta qué punto se puede forzar la tensión de la banda antes de que disminuya la fiabilidad a largo plazo.
Recientemente, los manguitos híbridos y laminados han empezado a aparecer en la literatura y en los primeros productos. La idea es sencilla: en lugar de elegir entre "conductor y resistente" o "aislante y menos conductor", se combinan de forma estructurada.
Una rama explora los manguitos metálicos laminados, como los de aleación de titanio con segmentación axial y aislamiento entre segmentos. Las simulaciones y pruebas demuestran que estos manguitos pueden reducir significativamente las pérdidas por corrientes de Foucault en el rotor en comparación con los manguitos de titanio macizo, manteniendo al mismo tiempo la mayor parte de la capacidad mecánica. En un PMSM de alta velocidad de 10 kW y 30.000 rpm, un manguito de titanio laminado con una capa aislante redujo las pérdidas por corrientes parásitas del rotor en comparación con los manguitos de titanio macizo y de material compuesto, sin sobrepasar los límites de tensión permitidos.
Otra rama explora los manguitos compuestos con vías conductoras incrustadas, por ejemplo, manguitos que incrustan elementos de cobre en una estructura compuesta. Según trabajos recientes, estos manguitos de material compuesto con cobre incrustado pueden mejorar el margen de tensión a alta velocidad en comparación con un manguito de material compuesto puro, gracias a la rigidez adaptada y a los patrones de tensión previa.
Para los rotores PM laminados, estos manguitos híbridos ofrecen algo útil: permiten ajustar por separado las pérdidas electromagnéticas y el rendimiento mecánico sin dejar de ajustarse a una pila de laminados que puede no ser del todo ideal desde el punto de vista estructural. Sin embargo, requieren una fabricación más compleja y un análisis cuidadoso del comportamiento térmico en las interfaces.
La tabla siguiente contrasta las opciones típicas que se aplican a los rotores PM laminados con imanes superficiales o casi superficiales. Los valores son indicativos, no universales; reflejan las tendencias observadas en diversas fuentes industriales y académicas.
| Opción de rotor PM laminado | Materiales y estructura típicos | Rango aproximado de velocidad en superficie (m/s) | Capacidad de temperatura (región del rotor) | Impacto de la pérdida de rotor | Trayectoria térmica de los imanes | Consideraciones sobre el proceso con pila de laminación | Patrón de uso típico |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Funda metálica sólida retractilada sobre pila de laminación | Inconel 718, acero inoxidable, titanio; tubo de una sola pieza | Hasta unos 200-240 con un diseño cuidadoso | Hasta aproximadamente 250-290°C antes de que el material y los imanes limiten el sistema | Mayor pérdida por corrientes parásitas en el rotor debido al tubo conductor | Buena conducción de los imanes a las láminas y el eje | Requiere un diámetro exterior de laminación suave y preciso; sensible a la conformidad de la pila y a las ranuras; el ajuste por contracción debe tener en cuenta el módulo de laminación | Máquinas de velocidad media y alta con entornos difíciles en los que la robustez térmica importa más que la eficiencia máxima |
| Manguito compuesto (bobinado o prensado) | Fibra de carbono o fibra híbrida, matriz epoxi o termoplástica | Alrededor de 250-320 cuando la disposición y el pretensado están optimizados. | A menudo limitado a unos 150-180°C por la matriz y el grado del imán. | Pérdidas por corrientes parásitas muy bajas en el manguito; pérdidas principalmente en los imanes y las laminaciones. | Mala conducción radial; el manguito puede actuar como barrera térmica | Los manguitos de enrollado directo se adaptan a la geometría pero dependen del perfil de curado; los manguitos prensados necesitan un diámetro exterior preciso y un control de las interferencias en la pila de conformidad. | Máquinas de alta velocidad en las que dominan la eficiencia y la baja pérdida del rotor, y la refrigeración se gestiona en otro lugar. |
| Enfajado automático de fibras sobre pila de laminación | Cinta preimpregnada o fibra seca con resina, enrollada en varias pasadas | Similar al manguito de material compuesto si el grosor es comparable; suele rondar los 250-300 | Matriz limitada; típicamente similar a los manguitos compuestos | Baja pérdida de manguito; grosor de banda y comportamiento de accionamiento del material | Similar a los manguitos de composite, a veces peor si son ricos en resina | Sensible al proceso: la conformidad del laminado, los orificios de ventilación y la geometría del paso final afectan a la tensión final; bueno para familias de rotores flexibles. | Rotores de alta velocidad producidos en variedad, donde cambiar un manguito mecanizado por variante sería demasiado costoso. |
| Funda metálica laminada | Manguito segmentado de titanio o acero con aislamiento entre segmentos | Comparables a los manguitos metálicos, a veces ligeramente inferiores | Similar a la aleación base; la temperatura local puede ser mejor debido a la menor pérdida | Reducción de las pérdidas por corrientes parásitas en comparación con los manguitos macizos, sin dejar de ser conductores | Mejor que el compuesto, algo inferior al metal sólido debido a la segmentación y el aislamiento | Mecanizado y montaje más complejos; el diámetro exterior de la pila debe seguir siendo preciso; el aislamiento de la interfaz requiere una unión duradera. | Máquinas en las que la pérdida del rotor es limitante pero los manguitos de material compuesto no son aceptables por razones de temperatura o estructurales. |
| Manguito compuesto híbrido con conductores incorporados | Matriz compuesta con cobre incrustado u otros conductores | Diseñado para alta velocidad; rangos similares a los manguitos compuestos | Matriz limitada, a menudo en el mismo rango que los composites de gama alta | Se pueden ajustar las pérdidas mediante el volumen y el patrón de conducción | Conducción similar al compuesto con mejoras localizadas | Requiere fabricación avanzada (AFP o laminación a medida); es importante la alineación con las características de laminación | Diseños en fase inicial destinados a la industria aeroespacial y otras máquinas con múltiples restricciones que necesitan tanto bajas pérdidas como una rigidez a medida. |
Estos rangos se sitúan por encima de los propios límites de la pila de laminación: resistencia a la tracción del imán, límite elástico de la laminación a temperatura y cualquier elevador de tensión en chaveteros, ranuras de ventilación o asientos de contracción.
Las pilas de laminación se diseñan en primer lugar para obtener un rendimiento electromagnético. Esto significa que la abertura de la ranura, la anchura del diente, el grosor del puente y el diámetro exterior del rotor se eligen para obtener una ondulación de par, un rendimiento y un perfil de inductancia específicos. Las consecuencias estructurales vienen después.
En los rotores PM de alta velocidad, este orden de decisiones conduce a veces a pilas con puentes exteriores más delgados de lo ideal, o con regiones del alma demasiado flexibles. Bajo tensión previa de la manga o la banda, estas características se deforman, empujando ligeramente los imanes y cambiando el entrehierro local. A velocidad de funcionamiento, vuelven a flexionarse hacia el exterior. Cualquier elección de manguito o banda que ignore esto se comportará de forma diferente en el rotor real que en el cálculo.
Por lo tanto, el flujo de diseño moderno para rotores PM laminados tiende a hacer lo siguiente, aunque no siempre esté documentado con tanta claridad.
En primer lugar, construye un modelo mecánico de la pila de laminación y los imanes por sí solos. Los ajustes por contracción, las bandas y los manguitos sólo se añaden una vez que se conoce la conformidad de la laminación. Este paso revela si los puentes y las almas se deformarán incluso antes de alcanzar sus límites de tensión nominales.
A continuación, el diseño del manguito o de la banda se ajusta a esa conformidad. Para una pila de laminación muy rígida, puede ser óptimo un manguito de material compuesto más delgado con una pretensión elevada. Para una pila más blanda, un manguito metálico con menor interferencia pero mayor grosor puede proporcionar la misma contención con menor sensibilidad a las imperfecciones geométricas.
Por último, los modelos térmicos y de corrientes de Foucault del rotor se actualizan con la geometría real del manguito o la banda. Los estudios demuestran que el material y la estructura del manguito pueden desplazar las pérdidas de los imanes al manguito o alejarlas de ambos, pero la respuesta correcta depende de la velocidad, el contenido de frecuencia y el sistema de refrigeración más que de la mera elección del material.
La geometría de la pila de laminación empuja estos pasos en una dirección u otra; a veces sutilmente, a veces con mucha fuerza.
Es útil pensar en algunos casos estilizados en lugar de en reglas universales, porque dominan los detalles de la pila de laminación y la aplicación.
Pensemos en un pequeño rotor de altísima velocidad, de entre decenas y centenares de vatios, que funcione a varios cientos de miles de rpm con una pila laminada. En este caso, los imanes son diminutos y el diámetro exterior del laminado es pequeño. Los manguitos compuestos o las bandas directas tienen sentido: las pérdidas por corrientes parásitas en un manguito metálico tan pequeño podrían representar una gran fracción de la pérdida total, y la trayectoria térmica a través del eje y los cojinetes suele ser suficiente. La pila de laminación suele ser sencilla y puede rectificarse a un diámetro exterior muy preciso, lo que ayuda a que el manguito de material compuesto se comporte de forma predecible.
Para un accionamiento de compresor industrial de alta velocidad en el rango de cientos de kilovatios a megavatios, funcionando a decenas de miles de rpm con una pila laminada, el panorama cambia. El diámetro del rotor es mayor, el entorno más caluroso y las condiciones de fallo más duras. Los manguitos metálicos resultan más atractivos por su resistencia a la temperatura y su dureza. Si la pérdida del rotor es problemática, los manguitos metálicos laminados o un diseño cuidadoso de la ventilación y el blindaje pueden reducirla, mientras que los manguitos de materiales compuestos pueden tener problemas con el rechazo del calor y la estabilidad a largo plazo a temperaturas elevadas.
En los motores de tracción de automoción que utilizan rotores laminados con imanes de superficie o imanes enterrados cerca del diámetro exterior, los manguitos y las bandas de material compuesto resultan atractivos, especialmente con manguitos reforzados con fibra de carbono. Reducen la inercia del rotor y pueden mejorar la autonomía y la respuesta transitoria. Sin embargo, exigen un curado bien controlado y una gestión robusta de la temperatura del imán, y su efecto de barrera térmica debe equilibrarse con una refrigeración agresiva en otras partes del sistema.
Cada uno de estos casos depende de la geometría de la pila de laminación y del sistema en general, no de una preferencia abstracta por una familia de materiales.
Si ya conoce su diseño electromagnético y su pila de laminación, la decisión sobre la manga o la banda se reduce a unas pocas cuestiones prácticas.
Usted pregunta cuánto margen de velocidad mecánica necesita, incluidas las pruebas de sobrevelocidad y los casos de fallo. Pregunte cuánta pérdida de corriente de Foucault del rotor puede aceptar antes de que los imanes superen su límite de temperatura. Se pregunta qué variación de fabricación es realista para el diámetro exterior, la excentricidad y la rectitud de la pila. Preguntará en qué condiciones debe arrancar, detenerse y sumergirse la máquina.
Una vez que esos límites están claros, las comparaciones de antes dejan de ser genéricas.
Si la pila de laminado es rígida, el presupuesto de pérdidas del rotor es ajustado y se pueden mantener las temperaturas del rotor bajo control, es probable que una solución de manguito o banda de material compuesto salga ganando, especialmente cuando se dispone de bobinado o colocación de fibras automatizados.
Si el entorno es caluroso, es probable que haya contaminantes y la pila de laminación tiene una geometría complicada o un diámetro grande, un manguito metálico o metálico laminado suele ser la opción más segura, posiblemente con características locales para controlar la pérdida y gestionar la tensión alrededor de los orificios de ventilación y los chaveteros.
Si su familia de productos incluye varias variantes de rotor que comparten pilas de laminación pero difieren en el grado del imán, el número de polos o la velocidad, el enfajado como proceso resulta atractivo: una herramienta de laminación, una familia básica de rotores, varios patrones y grosores de enfajado diferentes. La estación de enfajado pasa a formar parte de su hoja de ruta de productos, no sólo de una célula de trabajo.
En todas estas direcciones, la pila de laminación no es un participante pasivo. Establece la rigidez, las tolerancias y la geometría. El manguito o la banda trabajan entonces con esa realidad, o luchan contra ella. Los mejores diseños trabajan con ella, por elección.
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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