Laminados de generadores eólicos: Retos de la fabricación de pilas de gran diámetro

Las pilas de laminación de gran diámetro cambian toda la lógica de fabricación de un aerogenerador. En diámetros pequeños y medianos, la construcción del núcleo es sobre todo un problema de estampado y apilado. A escala eólica, en realidad no. Se convierte en un problema combinado de calidad de corte, ensamblaje de segmentos, retención por compresión, tensión de la carcasa, límites de transporte y control del entrehierro. Una vez que el diámetro medio del entrehierro entra en la gama de varios metros, las estructuras de una sola pieza dejan de ser prácticas, la construcción segmentada se convierte en algo habitual y la gestión de las tolerancias empieza a decidir la rigidez estructural y la capacidad de carga.

Los generadores eólicos de accionamiento directo lo hacen más difícil. Un par más elevado hace que las estructuras de los generadores sean más grandes y pesadas, y los estudios recientes apuntan a la fabricación y el montaje como principales cuellos de botella de la ampliación, no sólo el diseño electromagnético. En esta gama, el núcleo del estator ya no es una pieza magnética pasiva. Forma parte del bucle estructural que protege el entrehierro.

Principales conclusiones

• Aerogenerador de gran diámetro laminaciones generadoras fallan primero en las interfacesbordes cortados, uniones de segmentos, cordones de soldadura, zonas de sujeción y superficies de contacto de la carcasa.
• La segmentación resuelve las restricciones de transporte y montaje, pero añade bordes de corte adicionales, huecos de unión y apilamiento de tolerancias. 
• El método de unión nunca es sólo una elección de fuerza. Modifica la pérdida de núcleo, la tensión residual, la supervivencia del revestimiento y la durabilidad a largo plazo de la costura bajo vibración.
• El control del entrehierro debe ser el principio organizador de la ruta de fabricación. No es el elemento de inspección final.

Qué hace diferentes a las pilas de laminación de gran diámetro

La física básica de las pilas es conocida. Las láminas finas aisladas reducen las pérdidas por corrientes parásitas. Esa parte está resuelta. El cambio en la fabricación se debe a la escala.

Para los núcleos de los estator de las turbinas eólicas, la pila tiene que sobrevivir:

• mayor diámetro y menor rigidez estructural
• más interfaces de segmento
• más pasos de elevación y recolocación
• más sensibilidad a la deriva de la redondez
• mayor dependencia de la uniformidad final del entrehierro

Los trabajos publicados sobre diseño mecánico de aerogeneradores de accionamiento directo indican diámetros medios de entrehierro del orden de 4-6 m en el caso de las máquinas de megavatios, mientras que las estructuras más grandes suelen pasar a la construcción segmentada debido a las limitaciones de fabricación y transporte. Ese es el umbral en el que el diseño de la pila de laminación empieza a comportarse como un sistema de ensamblaje de precisión, no como un subcomponente de chapa metálica.

Principales retos de la fabricación de núcleos de estator de gran diámetro

1. Los daños por corte se acumulan rápidamente

El punzonado sigue teniendo sentido para el volumen de producción. Pero el desgaste de las herramientas modifica el estado de los bordes con el tiempo y el problema de las rebabas no es local. Los trabajos de revisión sobre la fabricación de acero eléctrico señalan que el aumento del embotamiento del punzón y la formación de rebabas reducen el factor de apilamiento y degradan la calidad de las pilas posteriores. En diámetros grandes, repetidos a lo largo de muchos segmentos y muchas capas, un pequeño defecto en el borde se convierte en un problema de geometría a nivel de sistema.

El verdadero problema no es la altura de la rebaba en sí misma. Es la reacción en cadena:

rebaba -> peor factor de anidamiento y apilamiento -> incoherencia de compresión local -> mayor riesgo de puenteo interlaminar o rozamiento bajo carga.

Esa cadena es donde la pérdida, el calor y el daño a largo plazo del aislamiento empiezan a encontrarse.

2. Las uniones entre segmentos crean discontinuidades magnéticas y mecánicas

Las laminaciones segmentadas son habituales porque el anillo completo suele ser demasiado grande para estamparlo, moverlo, fijarlo o transportarlo con eficacia. También son útiles cuando el conjunto completo pesa varias toneladas. Pero la segmentación introduce bordes de corte adicionales y espacios de aire parásitos entre los segmentos, que pueden alterar el rendimiento de la máquina.

Una articulación del segmento defectuosa suele manifestarse de cuatro maneras:

• desajuste de la altura de la pila local
• carga de compresión desigual en la línea de división
• apertura de la articulación tras la liberación de la sujeción
• desviación de la redondez tras la inserción o el transporte de la carcasa

Ninguno de ellos es un defecto abstracto. Todos ellos mueven el entrehierro.

3. La soldadura y la sujeción pueden solucionar un problema y crear otro

La unión es el punto en el que muchas construcciones de núcleos de estator se ven comprometidas.

Los estudios de investigación dividen los métodos de unión en dos grupos: métodos incorporados a la pila durante la producción del laminado y métodos aplicados después del apilado, como la soldadura, la sujeción y el pegado. El objetivo es siempre el mismo conjunto de compensaciones: estabilidad mecánica, baja degradación magnética, coste aceptable, alto factor de apilamiento y velocidad de producción. No se maximizan los cinco. No en un núcleo eólico de gran diámetro.

Un detalle que tiene más importancia de la que se le atribuye: para conseguir el factor de apilamiento necesario, el paquete se suele prensar axialmente antes de soldarlo. Una vez liberado, el cordón se somete a esfuerzos de tracción. Una vez montado el núcleo en la carcasa, pueden aparecer tensiones radiales y de cizalladura debido a las desviaciones geométricas y a la fricción de las paredes. Además, las vibraciones de servicio y la fuerza electromagnética añaden otro caso de carga a la costura. Por tanto, una junta que parece estar bien en el banco de pruebas puede estar ya en un estado de tensión incorrecto cuando el estátor está completamente montado.

Métodos de unión por laminación: Lo que realmente importa

Enclavamiento mecánico

El enclavamiento es eficaz y facilita la producción. Se adapta bien a las rutas de estampación. El inconveniente es que perturba localmente la trayectoria magnética y aumenta las pérdidas en relación con una pila de referencia idealmente aislada. La resistencia a la fatiga en la dirección del espesor también es inferior a la de una unión soldada fuerte. Para grandes laminaciones de aerogeneradores, los enclavamientos aún pueden funcionar, pero deben utilizarse con moderación. Demasiados puntos de retención, ubicaciones erróneas o una mala planificación de las líneas de separación se manifestarán más tarde en forma de pérdidas o holguras localizadas.

Soldadura por fusión

La soldadura proporciona una mayor retención. También crea el riesgo más evidente de puentes eléctricos locales, daños en el revestimiento, tensiones residuales y cambios microestructurales afectados por el calor. Los trabajos comparativos muestran que la soldadura láser suele producir una zona afectada por el calor más pequeña y una tensión residual menor que la soldadura de tipo TIG, con un mejor comportamiento magnético como resultado. Esto no significa que la soldadura sea “buena” por defecto. Hace que el láser sea la versión menos dañina de una operación que sigue siendo intrusiva.

Vinculación

Las pilas adheridas preservan el aislamiento y eliminan muchas penalizaciones relacionadas con la soldadura. Son atractivas desde el punto de vista magnético y de amortiguación. La cuestión pendiente es la durabilidad bajo temperatura, la carga cíclica, el coste del proceso y la escalabilidad en aplicaciones pesadas. Para las laminaciones de aerogeneradores muy grandes, la unión suele ser una respuesta selectiva, no universal.

Estrategias de láser adaptativo o pulsado

Esta es una de las direcciones más útiles para la fabricación de pilas de gran diámetro. Los datos analizados muestran que los métodos de láser pulsado adaptativo pueden reducir drásticamente el consumo total de energía, en un caso hasta aproximadamente el 50%. 23% de la energía utilizado por una ruta pulsada tradicional. Pero hay un inconveniente. La variación del espesor de la chapa puede alcanzar hasta 8%, lo que significa que la detección de huecos y el control de la trayectoria en tiempo real se hacen necesarios si se supone que el proceso debe llegar sólo a las interfaces que necesitan unirse. Buena idea para el proceso. Un problema de producción más difícil.

Tabla comparativa: Riesgos y controles de las pilas de laminación de gran diámetro

Esta es la secuencia práctica. No porque parezca ordenada. Porque estos son los lugares donde los grandes núcleos de estator suelen dejar de comportarse como el modelo CAD.

Por qué la tolerancia al entrehierro debe guiar todo el plan del proceso

Para las máquinas eólicas, especialmente las de accionamiento directo, el comportamiento del entrehierro no es un detalle secundario. Los estudios estructurales de los generadores de accionamiento directo demuestran que el entrehierro debe ser pequeño y uniforme para que la transferencia del par sea adecuada, y que la falta de uniformidad aumenta la sensibilidad al desequilibrio de la fuerza magnética, la elasticidad de los cojinetes y la deformación estructural. En una línea de análisis, se considera que la excentricidad aceptable debe mantenerse dentro de un margen aproximado de 1,5 mm. ±10% de la longitud del entrehierro. Más allá de eso, el riesgo aumenta rápidamente.

También hay un feo intercambio. Un entrehierro de diseño mayor da más margen de tolerancia y puede ser estructuralmente más fácil de soportar. Pero suele aumentar la demanda de material activo y el coste. Un entrehierro más pequeño mejora el rendimiento electromagnético, pero exige más rigidez, un control más estricto del montaje y un mejor comportamiento de los rodamientos. Así que la pila de laminados se encuentra en medio de ese compromiso. Como siempre. Siempre es así.

Por eso, una ruta seria de fabricación de núcleos de estator debe planificarse hacia atrás desde el mapa final de entrehierros de funcionamiento. No hacia delante desde el troquel de estampación.

Una mejor lógica de fabricación para las láminas de los generadores eólicos

Para pilas de laminación de gran diámetro, la ruta del proceso debe construirse en torno a cuatro puntos de control bloqueados.

1. Controla el borde antes de controlar la pila

No trate la rebaba como un defecto cosmético. Califique el estado del filo de corte por familia de segmentos, no sólo por lote de material o ID de herramienta. Los núcleos segmentados grandes multiplican el número de bordes. La lógica de inspección debe reflejarlo.

2. Definir cómo se creará, mantendrá, liberará y restaurará la compresión.

Muchos problemas empiezan tras el primer “buen” resultado de compresión. La pila se comprime. Se suelda o se sujeta. Soltada. Movida. Se vuelve a colocar. Insertada. Medido de nuevo. Cada uno de esos pasos cambia el estado de tensión. Si la retención de la compresión no está diseñada a lo largo de todo el recorrido, la primera lectura aceptable significa muy poco.

3. Medir la redondez y la altura de la pila dentro de la secuencia de construcción

La inspección final es demasiado tarde para una pieza tan grande. Los puntos de control útiles son:

• después de la primera construcción de la pila
• después de incorporarse
• tras la liberación de la sujeción
• tras la inserción de la carcasa
• después de manipulaciones o transportes importantes

Esa secuencia coincide con donde tiende a moverse la geometría.

4. Validar la pila como un núcleo ensamblado, no como datos de proceso sueltos.

Para un núcleo de estator de turbina eólica, unos datos de punzonado aceptables, unos cupones de soldadura aceptables y unas dimensiones de carcasa aceptables no se suman automáticamente a un núcleo aceptable. El estado de montaje integrado importa más. La protección contra el entrehierro está ahí. No en los certificados individuales.

Lista de control de calidad para pilas de laminación de gran diámetro

Por lo general, una lista de comprobación de liberación viable necesita estos elementos:

• límite de rebabas por tipo de segmento
• coherencia de la altura de la pila local
• segmento split-line fit y gap record
• registro de compresión axial antes y después de la unión
• redondez antes y después de la inserción del alojamiento
• calificación de la costura tanto por resistencia como por impacto magnético
• confirmación de que la manipulación o el transporte no han relajado la pila
• comprobación final de la distribución del entrehierro tras el montaje mecánico completo

Esa lista es más larga que la mayoría de las inspecciones estándar de la pila. Y debería serlo. Las láminas de los aerogeneradores no perdonan una vez instaladas.

PREGUNTAS FRECUENTES

Sección final: Lo que los compradores y los equipos de ingeniería deben preguntar desde el principio

Si la aplicación es un gran generador eólico, la conversación útil con el proveedor no es “¿Pueden hacer laminaciones?”. Es demasiado amplia.

Las mejores preguntas son:

• ¿Qué límite de rebabas se puede mantener en toda la familia de segmentos?
• ¿Cómo se mantiene la compresión de la pila durante la unión y el transporte?
• ¿Qué método de unión se utiliza y cuál es su penalización magnética?
• ¿Cómo se verifica la redondez tras la inserción del alojamiento?
• ¿Cómo se gestiona el riesgo de entrehierro final en el núcleo ensamblado?

Ahí es donde se sitúa el riesgo del proyecto.

Y donde la buena fabricación de pilas de laminación empieza a ser diferente de la producción ordinaria de núcleos de motor.