Una mirada sobre los bobinados estatorico de motores de vehículos eléctricos
En lo que respecta a los motores eléctricos, los devanados son fundamentales. Generan el campo magnético que impulsa la rotación, influyendo directamente en el par motor, la eficiencia y la capacidad de disipación de calor durante su funcionamiento.
Entre estos, los devanados del estator merecen especial atención. No solo transportan corriente, sino que también determinan el comportamiento del motor. Desde motores industriales de alta velocidad hasta accionamientos compactos para vehículos eléctricos, el método de bobinado que se elija puede marcar una gran diferencia en el rendimiento, el costo y la fiabilidad.
Los devanados para motores eléctricos se pueden dividir en devanados concentrados y devanados distribuidos. En el caso del devanado distribuido, el bobinado se realiza siempre sobre al menos dos dientes del estator. En el caso del devanado concentrado, en cambio, solo se bobina un diente del estator. Ambos tipos de bobinado presentan diferentes ventajas y desventajas. La elección entre un devanado concentrado y uno distribuido depende de las dimensiones del motor y su aplicación. El número de unidades y el proceso de fabricación del motor también influyen en la selección del tipo de bobinado. Otras características importantes para el diseño del bobinado son el bobinado de ranura fraccionaria y el de ranura entera, así como el bobinado de una capa y el de doble capa.
Tipos principales de bobinados
Bobinado distribuido: Las bobinas se extienden sobre varias ranuras entre dientes del estator. Este diseño produce un giro muy suave y reduce el ruido, lo que es ideal para vehículos eléctricos.
Con un bobinado concentrado, el estator siempre se enrolla exactamente sobre un diente, entre dos ranuras.
Esto ofrece ventajas significativas en la fabricación del estator. Por ejemplo, los bobinados ya terminados se pueden simplemente colocar sobre el estator. Sin embargo, el diseño de los dientes del estator debe estar adaptado para ello. Una ventaja importante del bobinado concentrado es la mínima altura de bobinado en la parte superior e inferior del motor. En un bobinado distribuido, los devanados se superponen en la parte superior e inferior del motor eléctrico; esta área del motor se denomina cabezal de bobinado. Debido a esta superposición, el cabezal de bobinado es mayor en un bobinado distribuido que en un bobinado concentrado.
Una ventaja muy importante de un bobinado distribuido para un motor eléctrico es que la fuerza contraelectromotriz resultante tiene una característica suave, mayormente sinusoidal. Esto significa que la proporción de armónicos es muy baja, al igual que las pérdidas en las láminas del estator y los devanados. Otra ventaja de los devanados distribuidos es su alta sincronización, lo que significa que la ondulación del par y, por lo tanto, el ruido del motor son muy bajos. Por esta razón, los motores eléctricos con devanados distribuidos se utilizan principalmente en husillos rotativos de máquinas herramienta, ya que de lo contrario las oscilaciones del par afectarían negativamente la calidad de la pieza mecanizada.
Al utilizar un diseño clásico de motor eléctrico con bobinado concentrado, la fuerza contraelectromotriz es trapezoidal (se verá más adelante). Como resultado, se puede generar un par elevado con este tipo de bobinado, especialmente en el rango de bajas velocidades.
Sin embargo, esto no significa que también se obtenga una alta eficiencia. Esto se debe a que la principal desventaja del bobinado concentrado son los armónicos que se generan, los cuales pueden provocar grandes pérdidas, especialmente a altas velocidades. Estas pérdidas pueden producirse en los devanados de las laminaciones, así como en los imanes permanentes. Los devanados concentrados se utilizan principalmente en motores cortos y de gran diámetro. Un ejemplo de ello son los motores de buje de las bicicletas eléctricas sin engranajes. También se emplean en sistemas de accionamiento que requieren una alta dinámica y donde la eficiencia no es tan crítica. Otra desventaja de los devanados concentrados es una ondulación de par considerable. Esto puede compensarse, por ejemplo, desplazando los imanes del rotor entre sí o dándoles la forma adecuada.
Bobinado concentrado: Las bobinas se enrollan en un solo diente. Se destaca por ocupar poco espacio y tener un costo menor de fabricación. En un bobinado distribuido, siempre se bobinan al menos dos dientes del estator, como se muestra en la imagen de arriba. La cantidad de dientes bobinados se denomina paso de bobina y también se pueden bobinar más dientes de acuerdo al circuito.
Para motores eléctricos muy cortos, se suele utilizar un bobinado concentrado en lugar de uno distribuido. Esto permite reducir las pérdidas óhmicas del cabezal de bobinado. Para motores eléctricos más largos, la influencia de las pérdidas del cabezal de bobinado no es tan grande en relación con las pérdidas totales.
Bobinado distribuido vs. Bobinado concentrado
¿Cuál es la diferencia técnica entre un bobinado distribuido y uno concentrado? Analizaremos la tensión de la fuerza contraelectromotriz (FEM). Esta tensión se puede medir en los terminales de un motor eléctrico con imanes permanentes cuando el motor gira a una velocidad suficientemente alta, ya sea manualmente o con una máquina de carga.
En el diagrama se observa que la tensión del motor eléctrico con bobinado distribuido tiene una forma sinusoidal. Por otro lado, la FEM del bobinado concentrado tiene forma trapezoidal. ¿Qué implica esto para el rendimiento del motor? Un motor con bobinado concentrado genera mayor par motor gracias a su FEM trapezoidal. Sin embargo, las pérdidas en el cobre y las laminaciones son mayores debido a la presencia de armónicos más numerosos y de mayor orden.
Un bobinado distribuido permite alcanzar una mayor eficiencia gracias a su FEM sinusoidal, lo cual es especialmente importante para los vehículos eléctricos. Sin embargo, esto no significa directamente que si un motor eléctrico tiene una fuerza contraelectromotriz (FEM) sinusoidal, dicho motor tenga una alta eficiencia. Incluso con bobinados concentrados, se puede lograr una FEM sinusoidal adaptando el diseño del rotor.
Bobinado tipo Hairpin (Horquilla): Utiliza barras de cobre gruesas con forma de horquilla en lugar de cables redondos tradicionales. Permite empaquetar más cobre en el espacio disponible y mejora la disipación del calor.
Los motores eléctricos de horquilla están ganando popularidad en los vehículos eléctricos y en aplicaciones de alta eficiencia.
Su diseño de bobinado avanzado aumenta la potencia, reduce la pérdida de energía y permite motores más compactos y confiables, lo que los hace ideales para la próxima generación de máquinas eléctricas.
Principales beneficios de los motores de horquilla: Mejor factor de llenado de cobre para una mayor eficiencia, mayor par y densidad de potencia, resistencia reducida y pérdida de calor. Un montaje más preciso y fiable. Ideal para vehículos eléctricos y motores industriales de alto rendimiento.
Principales beneficios de los motores de horquilla: Mejor factor de llenado de cobre para una mayor eficiencia, mayor par y densidad de potencia, resistencia reducida y pérdida de calor, un montaje más preciso y fiable, ideal para vehículos eléctricos y motores industriales de alto rendimiento.
Avances sobre hairpin (U-Pin): I-Pin y Wave Winding
El bobinado en horquilla en forma de I (I-Pin) y de onda (Wave Winding) son tecnologías avanzadas de estator de alambre plano que se utilizan para construir motores industriales y de vehículos eléctricos compactos y de alta eficiencia.
El bobinado en horquilla utiliza barras de cobre rectangulares preformadas en forma de U que se insertan en las ranuras del estator. Requiere soldadura en un solo lado del núcleo del estator, lo que lo convierte en el estándar de oro actual (que representa aproximadamente el 90% del mercado). Ofrece un equilibrio excepcional entre rigidez mecánica, preparación para la automatización y alta densidad de potencia.
Bobinado de pines en I utiliza segmentos rectos e individuales de alambre de cobre plano rectangular en lugar de formas de U pre-dobladas. Los pines se empujan directamente a través de las ranuras del estator y requieren soldadura de doble cara en ambos extremos. Simplifica la preparación del alambre crudo, pero complica el ensamblaje con un engorroso proceso de soldadura de doble cara.
Bobinado de onda (horquilla continua) Forma una rama de fase completa o capa de bobinado a partir de una sola pieza serpentina ininterrumpida de alambre plano.
Elimina la mayoría de las uniones tradicionales de soldadura y torsión, reduciendo las pérdidas eléctricas y mejorando la confiabilidad. Requiere un diseño de estator de ranura abierta para alimentar las ondas continuas radialmente.
Bobinados de una y doble capa:
Las versiones de una sola capa son simples y económicas, mientras que las de doble capa entregan mayor densidad de potencia y rendimiento superior.
Bobinado de una sola capa, ideal para motores pequeños, este método coloca un lado de la bobina por ranura, simple y rentable es ideal cuando la compactibilidad no es una preocupación.
Bobinado de doble capa, este método, que se encuentra en motores más grandes o más potentes, utiliza dos lados de bobina por ranura—uno encima del otro—para impulsar densidad de potencia y eficiencia. Son ideales para motores más grandes que necesitan mejor rendimiento, mayor densidad de potencia y más ramas paralelas.
Estatores segmentados: Se refiere a cómo está construido físicamente el estátor del motor. Un estator segmentado es un núcleo fijo de motor eléctrico formado por varias piezas independientes unidas entre sí, en lugar de ser un anillo metálico continuo.
En lugar de fabricar el estátor como un solo anillo completo de metal, el núcleo se divide en "segmentos" o dientes individuales que se bobinan por separado y luego se ensamblan como piezas de un rompecabezas.Su función facilita enormemente la fabricación automatizada, permite aprovechar mejor el espacio de la ranura con cobre (mayor factor de llenado) y reduce costos de material.
Un estator segmentado utiliza múltiples segmentos de núcleo separados en lugar de una estructura de anillo continua. Debido a este diseño, los fabricantes pueden mejorar significativamente el acceso a las bobinas. Como resultado, aumenta la eficiencia de producción. Aplicaciones del estator de segmento: Los estatores de segmento se utilizan ampliamente en: motores de tracción para vehículos eléctricos, motores industriales de alta potencia, sistemas de automatización, sistemas de accionamiento compactos.
Los sistemas de bobinado en horquilla a menudo utilizan estructuras de estator segmentadas. Beneficios de los estatores de segmento: Inserción de bobinado más fácil, mejor factor de llenado de ranuras, automatización mejorada, mayor consistencia en la producción. Mejor gestión térmica, como consecuencia los estatores de segmento se están volviendo cada vez más populares en la fabricación moderna de vehículos eléctricos.
Refrigeracion
La refrigeración del estator del motor es uno de los desafíos más críticos en los vehículos eléctricos, ya que un exceso de calor reduce la eficiencia y puede destruir el aislamiento del motor. El diseño del bobinado determina por completo cómo y qué tan rápido se puede evacuar ese calor. Aquí se detallan las diferencias de refrigeración entre los tres diseños principales:
Métodos de enfriamiento según el diseño
Bobinado Hairpin: Se complementa de manera ideal con camisas de agua glicolada que envuelven el exterior del estator, o mediante el rociado directo de aceite en los extremos soldados. Su alta densidad de llenado evita que el calor se quede atrapado en el centro de la ranura.
Bobinado Concentrado: Al dejar más espacio libre entre las bobinas de dientes adyacentes, permite introducir canales de ventilación forzada o inyectar aceite refrigerante directamente en las zonas críticas sin obstrucciones.
Bobinado Distribuido: Suele requerir sistemas de enfriamiento por aceite inundado o chorros directos a alta presión sobre las voluminosas cabezas de bobina para compensar su baja conductividad térmica interna.
Algunos ejemplos que elige la industria del vehículo eléctrico
En la industria actual de vehículos eléctricos, las marcas líderes han convergido de forma masiva hacia el bobinado tipo Hairpin (de hilo plano o de horquilla). Aunque tradicionalmente se utilizaba el hilo redondo distribuido por ser más económico de configurar en fábricas, la necesidad de maximizar la autonomía, la potencia y el espacio ha convertido al bobinado Hairpin en el estándar absoluto de la industria automotriz.
Así es exactamente cómo configuran sus estatores los gigantes del sector:
Porsche: Los pioneros del rendimiento
Tipo de bobinado: Hairpin de alta precisión. Porsche fue una de las marcas precursoras en implementar esta tecnología a gran escala con el lanzamiento del Porsche Taycan.
Sus motores síncronos de imanes permanentes (PSM) necesitan entregar un par masivo de forma repetida sin perder potencia.
Al cambiar el hilo redondo por barras rectangulares de cobre soldadas con láser, aumentó el factor de llenado de las ranuras del estator de un 45% tradicional a casi un 70%. Esto se traduce en una aceleración constante y una refrigeración líquida sumamente eficiente para evitar la degradación térmica.
Tesla: La transición hacia la eficiencia masiva
Tipo de bobinado: Hairpin (Flat Wire, barras de cobre rectangulares y gruesas, con forma de horquilla en U) evolucionado. Durante años, Tesla utilizó bobinados distribuidos de hilo redondo (como en los primeros Model S y Model X).
Sin embargo, la marca reconfiguró por completo sus líneas de producción de motores (como la unidad motriz 3D6 de los Model 3 y Model Y) para adoptar bobinados Hairpin de conductor plano. Prioriza el costo de fabricación a escala mundial y la eficiencia energética.
Las horquillas de cobre compactas les permitieron diseñar motores sustancialmente más pequeños y liviano con un régimen de giros muy alto (alcanzando las 19.000 rpm). Incluso optimizó el proceso eliminando la capa de barniz aislante en los extremos soldados para simplificar el ensamblaje y abaratar costos.
BYD: Integración vertical y multicapa
Tipo de bobinado: Hairpin multicapa (I-Pin / Wave Winding). Como el mayor fabricante mundial de vehículos enchufables, BYD aplica la tecnología de bobinado plano de horquilla tanto en sus modelos 100% eléctricos (como el Dolphin o el Seal) como en sus plataformas híbridas enchufables DM-i.
Destaca por diseñar motores que buscan mantener una meseta de eficiencia muy alta (entre 85% y 90%) durante la conducción diaria en el tráfico real, en lugar de buscar solo picos de potencia máxima. El uso de estatores bobinados con barras planas les permite reducir drásticamente las pérdidas de cobre y calor, integrando el motor en conjuntos ultracompactos "8 en 1" donde el espacio es milimétrico.
Ricardo Berizzo
Ingeniero Electricista 2026.-
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