Arrollamiento
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1 INTRODUCCIÓN<br />
ARROLLAMIENTOS<br />
Norberto A. Lemozy<br />
La teoría clásica de las máquinas eléctricas está basada en el estudio de las interacciones entre<br />
fuerzas magnetomotrices, éstas son las dan lugar al campo magnético dentro de la máquina, a las<br />
tensiones inducidas, y a la denominada cupla electromagnética en las máquinas rotativas. Esas<br />
fuerzas magnetomotrices están producidas por las corrientes que circulan por los distintos<br />
arrollamientos.<br />
En este capítulo se hará una descripción de los distintos tipos de arrollamientos utilizados en<br />
las máquinas eléctricas, haciendo especial hincapié en los denominados distribuidos, que son los<br />
más difíciles de concebir.<br />
2 FORMAS CONSTRUCTIVAS Y TIPOS DE ARROLLAMIENTOS<br />
En las máquinas eléctricas rotativas se encuentran dos formas constructivas básicas: las<br />
cilíndricas y con polos salientes. Estas se pueden encontrar en el estator, en el rotor o en ambos,<br />
lo que da lugar a cuatro posibilidades constructivas, que se muestran en la figura 1.<br />
a b c d<br />
Fig. 1. Combinación de formas constructivas.<br />
Los usos más frecuentes de las distintas combinaciones son:<br />
a) Estator y rotor cilíndricos: es la combinación característica de los motores asincrónicos y de<br />
las máquinas sincrónicas de alta velocidad.<br />
b) Estator cilíndrico y rotor con polos saliente es característico de las máquinas sincrónicas de<br />
baja velocidad.<br />
c) Estator con polos salientes y rotor cilíndrico es característico de las máquinas de corriente<br />
continua y de algunas máquinas sincrónicas de poca potencia.<br />
d) Estator y rotor con polos salientes se emplea en máquinas especiales, por ejemplo en los<br />
motores por pasos.<br />
2.2 Formas cilíndricas<br />
En las formas cilíndricas de las máquinas se colocan arrollamientos distribuidos, estos<br />
arrollamientos están formados por bobinas ubicadas en toda o parte de esa superficie cilíndrica.<br />
1
Para fijar las bobinas éstas se colocan en ranuras realizadas en la superficie o muy cerca de<br />
ella. En general esas bobinas se encuentran recorridas por corriente alterna y cumplen la función<br />
de inducido, (lugar donde se inducen tensiones).<br />
Como en esas formas cilíndricas el flujo es alterno, las mismas deben ser laminadas y con<br />
chapas finas, para disminuir las pérdidas por corrientes parásitas y permitir la rápida variación del<br />
flujo. En la figura 2 se muestra una máquina de corriente continua de dos polos donde se pueden<br />
apreciar el arrollamiento rotórico del tipo distribuido, que cumple la función de inducido.<br />
2.1 Polos salientes<br />
En los polos salientes de las máquinas se colocan arrollamientos concentrados que son<br />
bobinas ubicadas alrededor de los polos.<br />
Esos arrollamientos concentrados generalmente se encuentran recorridos por corriente<br />
continua y cumplen la función de excitación. Los ejemplos característicos son las máquinas de<br />
corriente continua y las sincrónicas de baja velocidad.<br />
Como el flujo en esos polos salientes es constante, o varía lentamente, se los puede construir<br />
macizos, pero muchas veces se los hace laminados, con chapas relativamente gruesas, para<br />
facilitar su construcción, ya que es más fácil estampar chapas con la forma adecuada y luego<br />
apilarlas que mecanizar un bloque de acero. En la misma máquina de corriente continua de la<br />
figura 2 se pueden apreciar polos salientes con arrollamientos concentrados en el estator los que<br />
cumplen la función de excitación.<br />
Polo saliente con<br />
arrollamiento<br />
concentrado<br />
Fig. 2. Máquina de corriente continua.<br />
2<br />
Inducido cilíndrico<br />
con arrollamiento<br />
distribuido<br />
Estos arrollamientos concentrados se fabrican sobre moldes y luego de aislarlos<br />
convenientemente, se colocan en los polos de la máquina. Si los conductores no tienen suficiente<br />
sección como para mantener la forma de la bobina, se utilizan carretes de soporte de material<br />
aislante.
3 ARROLLAMIENTOS DISTRIBUIDOS<br />
3.1 Tipos de arrollamiento<br />
Así como los arrollamientos concentrados son simples bobinas, fáciles de concebir, los<br />
arrollamientos distribuidos son mucho más complejos ya que deben cumplir no solamente<br />
condiciones eléctricas y magnéticas, sino también constructivas: las bobinas deben ser sencillas<br />
de realizar, de colocar y minimizar el uso de materiales.<br />
Los arrollamientos rotóricos de las máquinas eléctricas se conectan a través de escobillas que<br />
puede apoyar sobre anillos rozantes, figura 3, que son aros conductores, continuos, conectados a<br />
los extremos del arrollamiento; o sobre un colector, figura 4, que está formado por segmentos<br />
conductores, denominados delgas, aisladas entre sí y conectadas a cada bobina.<br />
Eje<br />
Eje<br />
Paquete de chapas ranurado<br />
Cabezas de bobina<br />
3<br />
Conexiones<br />
Fig. 3. Anillos rozantes en un roto trifásico.<br />
Paquete de chapas ranurado<br />
Cabezas de bobina<br />
Fig. 4. Colector en un inducido.<br />
Anillos rozantes<br />
Eje<br />
Escobillas<br />
Conexiones al colector<br />
Colector<br />
Eje<br />
Escobillas<br />
Esto da lugar a dos tipos de arrollamientos distribuidos, los primeros denominados a anillos, o<br />
de fases son eléctricamente abiertos y pueden estar tanto en el estator como en el rotor; mientras<br />
que los segundos, denominados a colector, son eléctricamente cerrados y se utilizan solamente<br />
en el rotor.<br />
3.2 Tipos de ranuras<br />
Como ya se dijo las bobinas de los arrollamientos distribuidos, y sus aislaciones, se alojan en<br />
ranuras o canaletas ubicadas en la superficie, o muy cerca de ella, del estator o del rotor o en<br />
ambas. Las partes magnéticas entre las ranuras se denominan dientes.<br />
Las ranuras pueden ser abiertas, semicerradas o cerradas como se muestran en la figura 5.
Abiertas Semicerradas Cerradas<br />
Fig. 5. Tipos de ranuras.<br />
Las ranuras abiertas, que poseen sus lados paralelos, se emplean en máquinas de potencia<br />
media o grande, por ejemplo más de 50 kW y en los inducidos a colector, salvo los muy<br />
pequeños, de pocos cientos de watt. Cuando las ranuras son abiertas, con sus lados paralelos, y<br />
están ubicadas sobre una estructura cilíndrica, los dientes resultan necesariamente trapezoidales,<br />
es decir no tienen la misma sección en toda su altura, lo que debe ser tenido en cuenta al<br />
considerar la inducción magnética y la saturación de los mismos.<br />
La razón por la cual se emplean las ranuras abiertas, con sus lados paralelos, es que las<br />
bobinas utilizadas en esas máquinas son prácticamente rígidas y no se podrían colocar si la<br />
abertura de la ranura fuera más estrecha.<br />
Las ranuras semiabiertas se emplean en máquinas de menor potencia, que utilizan bobinas<br />
formadas por conductores sueltos, los que se colocan individualmente o en pequeños grupos,<br />
muchas veces en forma manual y luego se terminan de conformar y de acomodar las cabezas de<br />
bobina, en la propia máquina. A fin de poder acomodar mejor los conductores en el fondo y en el<br />
tope de las ranuras, lo que mejora el factor de llenado de las mismas, conviene que ambos sean<br />
redondeados, como se muestra en la figura 5.<br />
Tanto en las ranuras abiertas como en las semicerradas, se debe evitar que los lados de las<br />
bobinas se salgan de las mismas, especialmente si están sometidas a la fuerza centrífuga del rotor,<br />
lo que provocaría un accidente catastrófico. El cerrado de las ranuras se hace por medio de una<br />
cuña de cierre construida con un material de la resistencia adecuada y que, en la mayoría de los<br />
casos, es no magnético. En los dientes de las ranuras abiertas se hacen unas entalladuras a fin de<br />
sostener esas cuñas de cierre.<br />
Las ranuras cerradas, que no necesariamente deben tener una sección circular como se muestra<br />
en la figura 6, se emplean principalmente en los rotores de las máquinas asincrónicas. Dentro de<br />
esas ranuras se colocan barras conductoras, normalmente sin aislación, que constituyen el<br />
arrollamiento rotórico de esas máquinas.<br />
Es común que las máquinas posean distintos tipos de ranuras en el estator y en el rotor,<br />
adecuándolas a los arrollamientos empleados.<br />
3.3 Lados de bobinas y capas<br />
Dentro de cada ranura puede haber uno, dos o más lados de bobinas, al número de lados de<br />
bobina por ranura se lo designará con la letra u. Cuando hay un solo lado de bobina por ranura,<br />
se dice que el arrollamiento es de simple capa, cuando hay dos o más lados de bobina por ranura<br />
estos se disponen en dos capas y se dice que el arrollamiento es de doble capa, esto se muestra en<br />
la figura 6.<br />
4
Simple<br />
Capa<br />
5<br />
Doble Capa<br />
u = 1 u = 2 u = 4 u = 6<br />
Fig. 6. Lados de bobina por ranura.<br />
Los arrollamientos de doble capa presentan mayor flexibilidad de diseño y son los más<br />
empleados. En los arrollamientos a anillos se utilizan hasta dos lados de bobina por ranura (u=2),<br />
valores mayores de u se emplean en los arrollamientos a colector.<br />
Cuando se dibujan arrollamientos de doble capa, los lados de las bobinas que no se ven, por<br />
quedar tapados por otras bobinas, se indican con líneas de trazos como lo establecen las normas<br />
del dibujo técnico.<br />
La cantidad de bobinas que se pueden colocar en Q ranuras depende del número de lados de<br />
bobina que se coloquen en cada una de ellas. En efecto, multiplicando el número total de ranuras<br />
Q por la cantidad de lados de bobina que hay en cada ranura u, se obtiene el número total de<br />
lados de bobina que caben en esas ranuras y, como cada bobina tienen dos lados, el número total<br />
de bobinas B será:<br />
u ⋅Q<br />
B = (1)<br />
2<br />
Como los casos más comunes son u = 1 y u = 2 resulta:<br />
3.4 Formas de las bobinas<br />
Q<br />
Si u = 1⇒<br />
B =<br />
2<br />
Si u = 2 ⇒ B = Q<br />
Las partes de la bobina que se encuentran colocadas dentro de las ranuras son las que están<br />
sometidas al flujo mutuo y consecuentemente donde se inducen las tensiones y se desarrollas las<br />
fuerzas útiles, ésos son los lados activos de la bobina, el resto se encuentra en el aire y<br />
constituyen las cabezas de bobina y las conexiones, éstas concatenan solamente flujo disperso y<br />
contribuyen en gran medida a la reactancia de dispersión, estas son las partes más afectada por<br />
los esfuerzos dinámicos que se producen particularmente en los cortocircuitos. En la figura 7 se<br />
muestran esquemáticamente las distintas partes de las bobinas.<br />
Las bobinas utilizadas en la mayoría de los arrollamientos a anillos de las máquinas de unos<br />
pocos kilowatts, suelen hacerse sobre un molde rectangular, con los vértices redondeados,<br />
manteniendo las espiras sueltas para luego colocarlas, generalmente a mano, de a una espira por<br />
vez o en pequeños grupos, dentro de ranuras semicerradas. La forma definitiva de las bobinas, el<br />
acomodado y fijación de las cabezas, se hace en la propia máquina.<br />
En las máquinas de mayor potencia las bobinas se construyen en moldes complejos que, en<br />
varias etapas, le confieren la forma definitiva. Antes de insertarlas en la máquina, las bobinas<br />
(2)
están completamente aisladas y ensayadas, especialmente cuando las máquinas son de tensiones<br />
mayores a las industriales. Como esas bobinas son rígidas se las debe colocar, con mucho<br />
cuidado y en ranuras abiertas.<br />
Cuando el arrollamiento esta terminado debe quedar perfectamente aislado, con las cabezas de<br />
bobina y las conexiones bien acomodadas y fijas para soportar los esfuerzos a que estarán<br />
sometidas; todo eso, la experiencia, la facilidad del armado y la economía de materiales, ha<br />
establecido ciertas formas de bobinas como las más convenientes; entre las más empleadas se<br />
encuentran las de forma hexagonal (diamante), trapezoidal y rectangular, como se muestran en<br />
la figura 7.<br />
Fig. 7. Formas de bobinas.<br />
6<br />
Cabezas<br />
Lados<br />
Cabezas<br />
Conexiones<br />
La forma más utilizada es la hexagonal o en diamante, especialmente en máquinas de mediana<br />
y gran potencia y con arrollamientos dispuestos en doble capa. Para que las cabezas de bobina<br />
queden perfectamente ordenadas, en sus extremos dan una media vuelta con lo que se consigue<br />
que sus lados queden a distintos niveles, figura 8.<br />
Conexiones<br />
Fig. 8. Cambio de capa.<br />
Como las ranuras están ubicadas en una superficie cilíndrica, las cabezas de bobina no son<br />
planas, figura 8 y, además, como las ranuras tienen dirección radial, los lados de las bobinas,<br />
también deben ser radiales. En la figura 9 se muestra la cabeza de una bobina, como la de la<br />
figura 8, colocada en un rotor cilíndrico.
Capa superior<br />
3.5 Pasos polar y de bobina<br />
Cabeza de bobina<br />
7<br />
Cambio de capa<br />
Centro del rotor<br />
Fig. 9. Ranuras radiales.<br />
Capa inferior<br />
Se denomina paso polar, τp a la distancia que hay de un polo al siguiente, figura 10. En una<br />
máquina con geometría cilíndrica hay que definir el radio al cual se mide esa distancia y hay<br />
varias posibilidades, tomar el radio del rotor, el interno del estator, el medio del entrehierro u<br />
otro; lo que en todos los casos deberá quedar claramente definido. Por ejemplo si se desea<br />
calcular el flujo por polo en el entrehierro, conviene utilizar el radio o el diámetro medio del<br />
entrehierro.<br />
τ p<br />
Fig. 10. Paso polar.<br />
Por ser distancias, los pasos se deben expresar en unidades de longitud, por ejemplo metro o<br />
milímetro, como se hace cuando hay que dimensionar las bobinas, o construir los moldes, pero<br />
cuando interesa estudiar un arrollamiento, cuyas bobinas están colocadas en ranuras<br />
equiespaciadas, resulta muy cómodo utilizar como unidad de medida la “ranura” que es,<br />
precisamente, la distancia entre ranuras.<br />
La utilización de la ranura como unidad de medida para los pasos, tiene varias ventajas: la<br />
mayoría de los resultados son números enteros, relativamente pequeños y no se requiere ningún<br />
elemento de medición, simplemente se cuentan las ranuras.
A la distancia entre los lados de las bobinas se la denomina paso de bobina Y1 , como se<br />
muestra en las figuras 11 a 14.<br />
El paso de las bobinas puede ser igual, menor o mayor que el paso polar, y en esos casos se<br />
dice que la bobina es diametral, acortada o alargada respectivamente, tabla I.<br />
Tabla I. Pasos de bobina.<br />
Bobina Paso<br />
Diametral Y1 = τ p<br />
Acortada Y1 < τ p<br />
Alargada Y1 > τ p<br />
Como se verá más adelante las bobinas diametrales son comunes en los arrollamientos de<br />
simple capa, mientra que en los de doble capa, que poseen menos restricciones constructivas, son<br />
comunes las bobinas acortadas. En ambos casos hay muchas excepciones. Las bobinas acortadas,<br />
al ser más angostas, permiten un ahorro de material y mejoran la distribución del campo<br />
magnético en el entrehierro. Las bobinas alargadas producen la misma mejora del campo<br />
magnético en el entrehierro pero utilizan mayor cantidad de material, por lo tanto su empleo es<br />
muy limitado.<br />
3.6 Tipos de arrollamientos<br />
Los tipos básicos de arrollamientos distribuidos son dos: imbricados y ondulados, los que<br />
pueden tener variantes respecto a su forma básica. Los arrollamientos imbricados son los más<br />
utilizados, mientras que los ondulados suelen emplearse en máquinas de corriente alterna de gran<br />
porte o en algunos inducidos de máquinas de corriente continua.<br />
3.6.1 <strong>Arrollamiento</strong>s imbricados<br />
En ellos las sucesivas bobinas quedan parcialmente superpuestas En la figura 11 se muestra<br />
un grupo de dos bobinas de un arrollamiento imbricado.<br />
Donde:<br />
Y1 Paso de bobina.<br />
Y2 Paso de conexión.<br />
Y Paso total o del arrollamiento<br />
En los arrollamientos imbricados se cumple la siguiente relación entre los pasos:<br />
Y Y Y = −<br />
(3)<br />
Si bien en los arrollamientos a anillos es frecuente es que Y2 sea una ranura menor que Y1 , con<br />
lo que resulta Y = 1, en los arrollamientos a colector pueden presentarse otras variantes que dan<br />
lugar a arrollamientos con distinta características y denominaciones, como se verá en 5.1.<br />
1<br />
8<br />
2
Y Y<br />
Y1<br />
2<br />
9<br />
Cabezas<br />
Lados<br />
Cabezas<br />
Conexiones<br />
Fig. 11. <strong>Arrollamiento</strong> imbricado.<br />
El dibujo de los arrollamientos imbricados se simplifica suponiendo que las bobinas tienen<br />
una sola espira, figura 12.<br />
Y Y<br />
Y1<br />
2<br />
Cabezas<br />
Lados<br />
Conexiones<br />
Fig. 12. <strong>Arrollamiento</strong> imbricado, dibujo simplificado.<br />
Más adelante, se muestran algunos ejemplos de arrollamientos imbricados sencillos.<br />
3.6.2 <strong>Arrollamiento</strong>s ondulados<br />
En los arrollamientos ondulados dos bobinas sucesivas se encuentran distanciadas<br />
aproximadamente un paso polar, es decir no se superponen, figura 13.<br />
Los pasos indicados en la figura 13 tienen la misma denominación que en el arrollamiento<br />
imbricado de la figura 11.<br />
En los arrollamientos ondulados se cumple la siguiente relación entre los pasos:<br />
Además resulta:<br />
Y Y Y = +<br />
(4)<br />
1<br />
Y τ<br />
2<br />
1 ≅ Y2<br />
≅ p<br />
(5)
Y1<br />
Y<br />
Y 2 Y1<br />
Cabezas<br />
Lados<br />
Cabezas<br />
Conexiones<br />
Fig. 13. <strong>Arrollamiento</strong> ondulado.<br />
El dibujo de estos arrollamientos también se simplifica suponiendo que las bobinas tienen una<br />
sola espira, figura 14.<br />
Y1<br />
Conexiones<br />
Y<br />
Y 2 Y1<br />
Cabezas<br />
Lados<br />
10<br />
Conexiones<br />
Fig. 14. <strong>Arrollamiento</strong> ondulado, dibujo simplificado.<br />
Este tipo de arrollamiento se emplea mucho menos que los imbricados y, en los a colector,<br />
también existen las variantes progresivo, regresivo, simple, doble, etc.<br />
4 ARROLLAMIENTOS A ANILLOS<br />
Estos son los arrollamientos más utilizados, se emplean en el estator y en el rotor de las<br />
máquinas asincrónicas, en el inducido de las máquinas sincrónicas y en la excitación de las<br />
máquinas sincrónicas de gran velocidad.<br />
4.1 Fases<br />
Como se mencionó en el punto 3.1 los arrollamientos a anillos están formados por fases, que<br />
por razones de simetría, deben ser de iguales características eléctricas y tener sus ejes magnéticos<br />
a:
Donde:<br />
θ Ángulo eléctrico entre fases.<br />
m Número de fases.<br />
360<br />
θ =<br />
(6)<br />
m<br />
La expresión (6) tiene como excepción los arrollamientos bifásicos en los cuales θ vale 90<br />
grados eléctricos.<br />
En el caso de los arrollamientos trifásicos el ángulo θ debe ser de 120º eléctricos, lo que se<br />
puede expresar en ranuras teniendo en cuenta que al paso polar le corresponden 180º eléctricos;<br />
resultando:<br />
120 2<br />
Y120 = τ p = τ p<br />
(7)<br />
180 3<br />
De forma semejante se lo puede calcular para otro número de fases.<br />
Para que todas las fases puedan tener el mismo número de bobinas, la cantidad de bobinas por<br />
fase debe ser un número entero.<br />
B<br />
: entero<br />
(8)<br />
m<br />
Ésta es una condición de simetría del arrollamiento; por lo tanto los arrollamientos a anillos no<br />
pueden tener cualquier cantidad de ranuras y de bobinas.<br />
Se dice que estos arrollamientos son abiertos porque cada fase tiene un principio y un final,<br />
por ejemplo en el caso de un arrollamiento trifásico sus bornes se designan con las letras<br />
normalizadas indicadas en la figura 15 donde los puntos indican los bornes homólogos.<br />
U V W<br />
X Y Z<br />
Fig. 15. Bornes normalizados de un arrollamiento trifásico.<br />
A su vez cada una de las fases puede tener todas sus bobinas en serie o en alguna combinación<br />
serie paralelo, dependiente de los valores de la tensión y de la corriente de fase que se deseen.<br />
Cuando se conectan ramas en paralelo, las tensiones inducidas en las mismas deben ser iguales, a<br />
fin de evitar la circulación de corrientes entre las mismas. La cantidad de espiras en serie de cada<br />
rama se indica con Ns y se denomina número de espiras en serie por fase.<br />
4.2 Grupos de bobinas<br />
Una característica distintiva de los arrollamientos a anillos es que sus fases están formadas por<br />
grupos de bobinas con q bobinas por grupo. Dentro de cada grupo las bobinas deben estar en<br />
11
serie ya que las tensiones inducidas en las mismas no están en fase pero, según convenga, a los<br />
grupos se los puede conectar en serie, en paralelo o en una combinación serie-paralelo, siempre<br />
cuidando que las ramas en paralelo sean de iguales características para evitar las corrientes de<br />
circulación.<br />
En la mayoría de los casos, esos grupos de bobina son todos iguales, pero hay arrollamientos<br />
especiales con grupos secuencialmente distintos, por ejemplo un arrollamiento puede tener todos<br />
sus grupos de dos bobinas cada uno o, por ejemplo, la mitad de los grupos con una bobina y la<br />
otra mitad con dos bobinas, alternándose. En el primer cado resulta q = 2 y en el segundo caso<br />
el promedio da q = 1,5, en el primer caso se dice que el arrollamiento es de q entero y en el<br />
segundo que es de q fraccionario. El estudio de los arrollamientos de q fraccionario escapa al<br />
alcance de este texto.<br />
En los arrollamientos que tienen todos sus grupos iguales, q entero, la distancia entre grupos<br />
puede ser de un paso polar o de dos pasos polares. En el primer caso se suele decir que son<br />
grupos monopolares o que el arrollamiento es por polos y en el segundo caso se suele decir que<br />
son grupos bipolares o que el arrollamiento es de polos consecuentes.<br />
Los arrollamientos por polos, es decir los que tienen un grupo en cada polo, generalmente son<br />
de doble capa y son los más empleados; en la figura 16 se muestran dos grupos, de dos bobinas<br />
cada uno, de una fase de un arrollamiento imbricado de ese tipo.<br />
En el ejemplo de la figura 16 se puede observar que el paso de las bobinas es una ranura<br />
menor que el paso polar, es decir se trata de bobinas acortadas una ranura.<br />
En los arrollamientos de q entero, que tienen todos sus grupos iguales, éstos se pueden<br />
conectar en serie o en paralelo, pero siempre respetando la polaridad: cuando circula corriente por<br />
la fase los grupos deben desarrollar sucesivamente polos norte y sur. En una conexión serie, esto<br />
se logra uniendo principio con principio y final con final de cada grupo, como se muestra en la<br />
figura 16, en la que también se muestra la posibilidad de conectar los dos grupos en paralelo.<br />
τ p<br />
τ p<br />
Y 1<br />
S N<br />
Fig. 16. <strong>Arrollamiento</strong> imbricado, por polos, en doble capa.<br />
Como se verá en el punto 4.5, algunos arrollamientos de simple capa, también se pueden<br />
resolver con un grupo de bobinas en cada polo.<br />
12
En la figura 17 se muestra esquemáticamente una fase de máquina cilíndrica, de cuatro polos,<br />
con de un arrollamiento por polos y se indica en forma aproximada el campo magnético<br />
resultante.<br />
S<br />
N<br />
N<br />
13<br />
S<br />
Fig. 17. Máquina con grupos unipolares.<br />
Los arrollamientos de polos consecuentes, es decir los que tienen un grupo en cada par de<br />
polos, generalmente se utilizan en simple capa debido a la menor disponibilidad de ranuras libres;<br />
en la figura 18 se muestran dos grupos de dos bobinas cada uno, de una fase de un arrollamiento<br />
imbricado de este tipo.<br />
En el ejemplo de la figura 18 se puede observar que el paso de las bobinas es igual al paso<br />
polar, es decir se trata de bobinas diametrales.<br />
Y 1<br />
2 τ p<br />
S N S N<br />
Fig. 18. <strong>Arrollamiento</strong> imbricado, de polos consecuentes, en simple capa.<br />
También aquí, y si todos los grupos son iguales, éstos se pueden conectar en serie o en<br />
paralelo, pero siempre respetando la polaridad: todos los grupos deben desarrollar polos iguales<br />
para que en el espacio entre los mismos se generen polos opuestos. En una conexión serie, esto se<br />
logra uniendo el principio con el final de cada grupo, como se muestra en la figura 18.
A fin de comprender mejor el ejemplo de la figura 18 y ver cómo se cierran las líneas de<br />
fuerza y se generan los polos, en la figura 19 se muestra una fase con dos grupos, colocados en el<br />
estator de una máquina cilíndrica de cuatro polos y se indica la forma aproximada del campo<br />
resultante.<br />
S<br />
N<br />
N<br />
14<br />
S<br />
Fig. 19. Máquina de polos consecuentes.<br />
En el ejemplo de las figuras 18 y 19 cada uno de los dos grupos de bobinas, genera un polo sur<br />
en el estator y, los polos norte del estator son consecuencia de esos polos sur, no es más que una<br />
forma de decir las cosas.<br />
La cantidad de bobinas de cada grupo depende de si el arrollamiento es por polos o de polos<br />
consecuentes y se calcula dividiendo el número de bobinas de la fase por el número de grupos.<br />
En arrollamientos por polos:<br />
En arrollamientos de polos consecuentes:<br />
B<br />
q =<br />
m<br />
Bobinas por polo y fase. (9)<br />
2 p<br />
B<br />
q =<br />
m<br />
Bobinas por par de polos y fase. (10)<br />
p<br />
Como ya se dijo, el valor de q calculado con la expresión (9) o (10) puede dar un número<br />
entero o fraccionario y en el presente texto solamente se estudiarán los arrollamientos con q<br />
entero.<br />
4.3 Ejemplo de arrollamiento imbricado<br />
A fin de aplicar los conceptos expuestos, a continuación se muestra cómo resulta una fase de<br />
un arrollamiento a anillos, trifásico (m = 3), imbricado (Y = Y1 –Y2), de doble capa (u = 2), 24<br />
ranuras (Q = 24) por polos, de cuatro polos (p = 2) y con las bobinas acortadas en una ranura (Y1<br />
= τp - 1).<br />
El número de bobinas es:<br />
⋅ 2⋅<br />
24<br />
= = = 24<br />
2 2<br />
Q u<br />
B Bobinas. (11)
Las bobinas por fase son:<br />
B<br />
m<br />
24<br />
= = 8 Bobinas por fase. (12)<br />
3<br />
Las bobinas por grupo son:<br />
B<br />
8<br />
q =<br />
m<br />
= = 2 Bobinas por polo y fase. (13)<br />
2 p 2⋅<br />
2<br />
El paso polar es:<br />
El paso correspondiente a los 120 grados eléctricos es:<br />
El paso de bobina es:<br />
Q 24<br />
τ p = = = 6 Ranuras. (14)<br />
2 p 2⋅<br />
2<br />
2 2<br />
Y120 = τ p = 6 = 4 Ranuras. (15)<br />
3 3<br />
Y τ −1<br />
= 6 −1<br />
= 5 Ranuras. (16)<br />
1 = p<br />
A fin de presentar mejor el dibujo, la fase U-X se comenzó en la ranura 1, figura 20, y se<br />
indicó el comienzo de las fases V-Y y W-Z. Para ver cómo cada uno de los grupos forma cada<br />
uno de los cuatro polos, se supuso una corriente constante entrando por el borne U y saliendo por<br />
el borne X.<br />
Y1<br />
Y120<br />
τ p<br />
S<br />
Y120<br />
N S<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24<br />
U V W<br />
X<br />
Fig. 20. <strong>Arrollamiento</strong> imbricado, por polos, doble capa, fase U-X.<br />
En la figura 21 se muestra un corte esquemático de la fase dibujada en la figura 18, donde se<br />
ven las dos capas y el desplazamiento entre las mismas, debido al acortamiento del paso de las<br />
bobinas.<br />
La figura 21 muestra la razón por la cual los arrollamientos de doble capa son los más<br />
empleados: en éstos no hay restricciones respecto a la elección del paso de las bobinas ya que los<br />
15<br />
N
lados de las mismas se encuentran en capas diferentes y, por lo tanto, es posible utilizar el paso<br />
más conveniente desde el punto de vista del diseño.<br />
U X<br />
Y1<br />
τ p<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24<br />
Fig. 21. Corte de la fase U-X del arrollamiento de la figura 20.<br />
En la figura 22 se muestra el arrollamiento completo, destacándose la fase U-X.<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24<br />
Y Z<br />
U<br />
4.4 <strong>Arrollamiento</strong>s de simple capa<br />
V W<br />
Fig. 22. <strong>Arrollamiento</strong> de la figura 20 completo.<br />
Los arrollamientos de simple capa no poseen libertad en la elección del paso de las bobinas, en<br />
efecto, una vez que se colocó un lado de bobina en una ranura la misma queda totalmente<br />
ocupada. Para una dada cantidad de ranuras, en los arrollamientos de simple capa se pueden<br />
colocar la mitad de las bobinas que si el arrollamiento fuera de doble capa. Esto hace que sea<br />
frecuente el diseño con grupos bipolares o de polos consecuentes.<br />
Por ejemplo si se resuelve el arrollamiento del punto 4.3 en simple capa, con grupos bipolares<br />
y bobinas diametrales, resulta:<br />
El número de bobinas es:<br />
Las bobinas por fase son:<br />
⋅ 1⋅<br />
24<br />
= = = 12<br />
2 2<br />
Q u<br />
B Bobinas. (17)<br />
16<br />
X
B 12<br />
= =<br />
m 3<br />
4<br />
Bobinas por fase. (18)<br />
Se puede observar que son la mitad de las bobinas que en ejemplo con doble capa. Las bobinas<br />
por grupo se obtienen con la expresión (10):<br />
B<br />
4<br />
q =<br />
m<br />
= = 2 Bobinas por polo y fase. (19)<br />
p 2<br />
El paso de las bobinas y el polar es:<br />
Q 24<br />
Y1 = τ p = = = 6 Ranuras. (20)<br />
2 p 2 ⋅ 2<br />
En este ejemplo, de simple capa y grupos bipolares, no es posible acortar el paso de las<br />
bobinas y las mismas deben ser diametrales.<br />
El paso correspondiente a los 120 grados eléctricos es:<br />
2 2<br />
Y120 = τ p = 6 = 4 Ranuras. (21)<br />
3 3<br />
En la figura 23 se muestra la fase U-X y el comienzo de las fases V-Y y W-Z. Para ver cómo<br />
cada uno de los grupos forma cada uno de los cuatro polos, se supuso una corriente entrando por<br />
el borne U y saliendo por el borne X.<br />
Y =<br />
1<br />
Y120<br />
τ p<br />
S<br />
Y120<br />
τ p<br />
N S<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24<br />
U V W<br />
X<br />
Fig. 23. <strong>Arrollamiento</strong> imbricado de polos consecuentes, simple capa, fase U-X.<br />
En la figura 24 se muestra un corte de la fase U-X de la figura 23.<br />
Tanto en las figuras 23 como en la 24, se puede observar como la fase U-X ocupa dos ranuras<br />
sucesivas cada paso polar: las ranuras 1 y 2; 7 y 8; 13 y 14; 19 y 20 y que entre esas ranuras<br />
quedan cuatro ranuras libres, esto debe ser así para poder ubicar a las otras dos fases. Eso ocurre<br />
en todos los arrollamientos a fin de ocupar todas las ranuras y evitar superposiciones. En los<br />
arrollamientos de doble capa, como se puede observar en las figuras 20 y 21, también quedan la<br />
cantidad necesaria de ranuras libres para las otras dos fases, pero en cada una de las capas.<br />
17<br />
N
El razonamiento de dejar las ranuras libres necesarias para las otras dos fases, puede ser muy<br />
útil cuando se debe dibujar un arrollamiento, especialmente si el mismo es de simple capa.<br />
Si en el ejemplo de las figuras 23 y 24 se acortaran las bobinas, ya no quedarían suficientes<br />
ranuras libres para alojar a las otras dos fases; por este motivo es que en los arrollamientos<br />
normales de simple capa y de polos consecuentes las bobinas son diametrales.<br />
U X<br />
Y =<br />
1<br />
τ p<br />
τ p<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24<br />
Fig. 24. Corte de la fase U-X del arrollamiento de la figura 23.<br />
En la figura 25 se muestra el arrollamiento completo, destacándose la fase U-X.<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24<br />
Z<br />
U<br />
V W<br />
4.5 <strong>Arrollamiento</strong>s de simple capa por polos<br />
Fig. 25. <strong>Arrollamiento</strong> de la figura 23 completo.<br />
Cuando la cantidad de bobinas por grupo es un número par, los arrollamientos de simple capa<br />
se pueden resolver con grupos unipolares, es decir por polos. Por ejemplo, la fase de la figura 23<br />
posee grupos de 2 bobinas, las que se pueden colocar una en cada polo y utilizando las mismas<br />
ranuras, figura 26.<br />
18<br />
X<br />
Y
Y<br />
Y<br />
1<br />
120<br />
S<br />
τ p<br />
Y120<br />
N S<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24<br />
U V W<br />
X<br />
Fig. 26. <strong>Arrollamiento</strong> imbricado por polos, simple capa, fase U-X.<br />
Como se tienen las mismas corrientes y en las mismas ranuras, el campo magnético resultante<br />
es el mismo que el producido por la fase de la figura 23. Pero en este caso las bobinas resultan<br />
acortadas, lo que significa un ahorro de material.<br />
En la figura 27 se muestra un corte de la fase U-X de la figura 26.<br />
U X<br />
τ p<br />
Y 1<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24<br />
Fig. 27. Corte de la fase U-X de la figura 26.<br />
Cuando, en estos casos, para dibujar el arrollamiento se aplica el criterio de dejar las ranuras<br />
libres para las otras dos fases, hay que tener en cuenta que si bien el valor de q calculado con la<br />
fórmula (9) indica la cantidad la cantidad de bobinas por grupo, en las fases habrá grupos<br />
adyacente que ocuparán 2q ranuras sucesivas, y entonces habrá que dejar libres 4q ranuras libres<br />
para las otras dos fases.<br />
4.6 <strong>Arrollamiento</strong>s concéntricos. Ejemplo.<br />
En máquinas de poca potencia, pocos kilowatts, se pueden emplear arrollamientos sencillos,<br />
de pocas bobinas, generalmente de simple capa, sin desmerecer mayormente el funcionamiento<br />
de las mismas. En estos casos, y para simplificar su construcción, suelen emplearse una variante<br />
de los arrollamientos imbricados, que se denominan arrollamientos concéntricos debido a que las<br />
bobinas de cada grupo están concéntricamente dispuestas. En estas máquinas pequeñas se<br />
emplean bobinas de conductores sueltos, colocadas a mano y en ranuras semicerradas.<br />
19<br />
N
Estos grupos de bobinas de distinto paso, se fabrican sobre moldes coaxiales de distinto<br />
tamaño y luego se colocan en las ranuras de la máquina, acomodando las cabezas de bobina de<br />
los distintos grupos en dos o tres planos, según sea necesario.<br />
No obstante lo dicho, hay excepciones: los rotores cilíndricos de los grandes alternadores<br />
poseen arrollamientos concéntricos de construcción muy elaborada, pero que no dejan de<br />
responder a los mismos principios que rigen a los de pequeña potencia.<br />
En la figura 28 se muestra un grupo de dos bobinas concéntricas, en simple capa, semejante al<br />
ya mostrado en la figura 11.<br />
Fig. 28. <strong>Arrollamiento</strong> concéntrico.<br />
20<br />
Cabezas<br />
Lados<br />
Cabezas<br />
Conexiones<br />
Con el mismo criterio empleado en los arrollamientos imbricados y ondulados se simplifica el<br />
dibujo suponiendo que las bobinas son de una sola espira, resultando el dibujo simplificado<br />
mostrado en la figura 29.<br />
Cabezas<br />
Lados<br />
Conexiones<br />
Fig. 29. <strong>Arrollamiento</strong> concéntrico, simplificado.<br />
Como la forma simplificada de dibujo de un arrollamiento concéntrico es una línea que forma<br />
un espiral, a estos arrollamientos veces se los llama en espiral.
El arrollamiento trifásico, de simple capa, cuya fase U-X se muestra en la figura 23, se puede<br />
resolver en forma de arrollamiento concéntrico, como se muestra en la figura 29.<br />
Y120<br />
τ p<br />
S<br />
Y120<br />
τ p<br />
N S<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24<br />
U V W<br />
X<br />
Fig. 30. Fase de la figura 23 resuelta en forma concéntrica.<br />
En la figura 31 se muestra el corte de la fase U-X mostrada en la figura 30.<br />
U X<br />
τ p<br />
τ p<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24<br />
Fig. 31. Corte de la fase U-X del arrollamiento concéntrico de la figura 30.<br />
Comparando las figuras 23 – 24, 26 – 27 y 30 – 31 se puede observar que en todas ellas se<br />
tienen las mismas corrientes en las mismas ranuras, por lo tanto, y desde el punto de vista<br />
electromagnético, los tres arrollamientos son equivalentes; las pequeñas diferencias que hay son<br />
de naturaleza constructiva y en el de uso de material.<br />
Es importante hacer hincapié en que el campo magnético que un arrollamiento produce,<br />
depende de la distribución de las corrientes en el espacio, es decir de las corrientes en las distintas<br />
ranuras. Dos arrollamientos que generen la misma distribución de corrientes, aunque las bobinas<br />
tengan distinta forma o estén conectadas de otra manera, producirán el mismo campo en el<br />
entrehierro de la máquina. De lo anterior se desprende que las distintas formas de las bobinas y<br />
de sus conexiones responden a cuestiones de facilidad constructiva y economía de materiales.<br />
Los arrollamientos concéntricos son un ejemplo de ello.<br />
En la figura 32 se muestra el arrollamiento completo, destacándose la fase U-X.<br />
21<br />
N
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24<br />
U<br />
Z<br />
V W<br />
Fig. 32. <strong>Arrollamiento</strong> concéntrico de la figura 29 completo.<br />
En el dibujo del arrollamiento completo de la figura 32, se puede observar que cada una de las<br />
fases tiene un grupo de altura “normal” y otro de mayor altura. Si bien esto favorece el dibujo,<br />
evitando que se superpongan las cabezas de bobina de las distintas fases, también guarda relación<br />
con la disposición geométrica de las cabezas de las bobinas, las que deben ubicarse en dos o tres<br />
planos para poder acomodarlas.<br />
4.7 <strong>Arrollamiento</strong>s ondulados<br />
Los arrollamientos ondulados, cuyos fundamentos se han descriptos en el punto 3.6.2 y<br />
mostrados en las figuras 13 y 14, que se emplean en máquinas a anillos de gran porte,<br />
normalmente son de doble capa y con grupos unipolares, por lo tanto el número de bobinas iguala<br />
al número de ranuras (2). Como además, se debe cumplir la condición de simetría (8), se deben<br />
hacer cambios en las conexiones de las bobinas para poder formar los grupos en el lugar<br />
correspondiente; por otra parte, las bobinas se mantienen todas iguales.<br />
Por ejemplo, sea una máquina de cuatro polos, 24 ranuras, con bobinas y conexiones<br />
diametrales, figura 33. Por comodidad se ha comenzado en la ranura 1 y se han colocado dos<br />
bobinas, una en el primer grupo y la otra resulta en el tercer grupo, completando una vuelta en<br />
sentido horario.<br />
Si se vuelve a hacer una conexión diametral, seis ranuras en este ejemplo, y tal como se<br />
muestra en la figura 33, se vuelve a la ranura 1, donde se ha comenzado la primera vuelta y la<br />
fase se cerraría sobre sí misma, con solamente dos bobinas; lo que no es correcto.<br />
Para evitar lo anterior, a esta última conexión, se la hace una ranura más larga o una ranura<br />
más corta, en este ejemplo se optó por hacer esa conexión una ranura más corta, comenzando la<br />
segunda vuelta en la ranura 24, figura 34.<br />
22<br />
X<br />
Y
Conexión<br />
1<br />
19 Bobinas<br />
13<br />
Fig. 33. <strong>Arrollamiento</strong> ondulado, primera vuelta.<br />
U<br />
23<br />
7<br />
Conexión<br />
Al completarse la segunda vuelta del arrollamiento, ya se tienen las dos bobinas en el primer y<br />
en el tercer grupo, figura 34.<br />
Conexión<br />
más corta<br />
24<br />
1<br />
U<br />
19 Bobinas<br />
18<br />
1312<br />
6<br />
7<br />
Fig. 34. <strong>Arrollamiento</strong> ondulado, segunda vuelta.<br />
Conexiones<br />
normales<br />
Si se continúa con el criterio anterior, de acortar la conexión y continuar la fase en el mismo<br />
sentido horario, se seguirían agregando bobinas en esos grupos, que ya están completos. Pero<br />
como se desea que el arrollamiento sea por polos, se deben colocar bobinas para formar el<br />
segundo y el cuarto grupo. Para ello se comienza una nueva vuelta, pero en sentido contrario a la<br />
anterior, antihorario en este ejemplo, como se muestra en la figura 35.
X<br />
Conexión<br />
antihoraria<br />
más corta<br />
24<br />
1<br />
24<br />
U<br />
Bobinas<br />
19<br />
18<br />
Conexión<br />
antihoraria<br />
13 12<br />
Fig. 35. Tercera vuelta.<br />
6<br />
7<br />
Conexion<br />
normal<br />
antihoraria<br />
En la figura 35 la conexión antihoraria va desde la capa interna de la ranura 18 a la capa<br />
interna de la ranura 12. En esa misma figura, y para no complicarla, se indicaron solamente una<br />
bobina del segundo y otra del cuarto grupo y se indicó el comienzo y el final de la fase.<br />
En el ejemplo analizado, en el que hay dos bobinas en cada grupo, es necesario realizar dos<br />
vueltas en sentido horario y otras dos en sentido antihorario para completar la fase.<br />
A fin de mostrar el resultado final, en la figura 36 se muestra la fase U-X completa, en forma<br />
desarrollada, y se indica el comienzo de las otras dos.<br />
Y =<br />
1<br />
Y120<br />
S<br />
τ p<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24<br />
V W<br />
Y120<br />
N S<br />
Fig. 36. <strong>Arrollamiento</strong> ondulado, diametral, fase U-X.<br />
X<br />
N<br />
U
El arrollamiento mostrado es diametral, pero también se podría resolver con bobinas<br />
acortadas; a modo de ejemplo en la figura 37 se muestra la fase U-X con bobinas acortadas una<br />
ranura.<br />
Y1<br />
Y120<br />
S<br />
τ p<br />
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24<br />
V W<br />
Y120<br />
N S<br />
Fig. 37. <strong>Arrollamiento</strong> ondulado, acortado, fase U-X.<br />
Se deja al lector el ejercicio de identificar las conexiones más cortas y las realizadas en sentido<br />
inverso en las fases de las figuras 36 y 37.<br />
25<br />
X<br />
N<br />
U