Arrollamientos a Anillos 32a

7/28/2019 Arrollamientos a Anillos 32a

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ARROLLAMIENTOSNorberto A. Lemozy

1 INTRODUCCIN

La teora clsica de las mquinas elctricas est basada en el estudio de las interacciones entrefuerzas magnetomotrices, stas son las dan lugar al campo magntico dentro de la mquina, a lastensiones inducidas, y a la denominada cupla electromagntica en las mquinas rotativas. Esasfuerzas magnetomotrices estn producidas por las corrientes que circulan por los distintosarrollamientos.

En este captulo se har una descripcin de los distintos tipos de arrollamientos utilizados enlas mquinas elctricas, haciendo especial hincapi en los denominados distribuidos, que son losms difciles de concebir.

2 FORMAS CONSTRUCTIVAS Y TIPOS DE ARROLLAMIENTOS

En las mquinas elctricas rotativas se encuentran dos formas constructivas bsicas: lascilndricas y conpolos salientes. Estas se pueden encontrar en el estator, en el rotor o en ambos,lo que da lugar a cuatro posibilidades constructivas, que se muestran en la figura 1.

a b c d Fig. 1. Combinacin de formas constructivas.

Los usos ms frecuentes de las distintas combinaciones son:

a) Estator y rotor cilndricos: es la combinacin caracterstica de los motores asincrnicos y delas mquinas sincrnicas de alta velocidad.

b) Estator cilndrico y rotor con polos saliente es caracterstico de las mquinas sincrnicas debaja velocidad.

c) Estator con polos salientes y rotor cilndrico es caracterstico de las mquinas de corrientecontinua y de algunas mquinas sincrnicas de poca potencia.

d) Estator y rotor con polos salientes se emplea en mquinas especiales, por ejemplo en losmotores por pasos.

2.2 Formas cilndricas

En las formas cilndricas de las mquinas se colocan arrollamientos distribuidos, estosarrollamientos estn formados por bobinas ubicadas en toda o parte de esa superficie cilndrica.


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Para fijar las bobinas stas se colocan en ranuras realizadas en la superficie o muy cerca deella. En general esas bobinas se encuentran recorridas porcorriente alterna y cumplen la funcinde inducido, (lugar donde se inducen tensiones).

Como en esas formas cilndricas el flujo es alterno, las mismas deben ser laminadas y conchapas finas, para disminuir las prdidas por corrientes parsitas y permitir la rpida variacin delflujo. En la figura 2 se muestra una mquina de corriente continua de dos polos donde se puedenapreciar el arrollamiento rotrico del tipo distribuido, que cumple la funcin de inducido.

2.1 Polos salientes

En los polos salientes de las mquinas se colocan arrollamientos concentrados que sonbobinas ubicadas alrededor de los polos.

Esos arrollamientos concentrados generalmente se encuentran recorridos por corrientecontinua y cumplen la funcin de excitacin. Los ejemplos caractersticos son las mquinas decorriente continua y las sincrnicas de baja velocidad.

Como el flujo en esos polos salientes es constante, o vara lentamente, se los puede construirmacizos, pero muchas veces se los hace laminados, con chapas relativamente gruesas, parafacilitar su construccin, ya que es ms fcil estampar chapas con la forma adecuada y luegoapilarlas que mecanizar un bloque de acero. En la misma mquina de corriente continua de lafigura 2 se pueden apreciar polos salientes con arrollamientos concentrados en el estator los quecumplen la funcin de excitacin.

Polo saliente conarrollamientoconcentrado

Inducido cilndricocon arrollamientodistribuido

Fig. 2. Mquina de corriente continua.

Estos arrollamientos concentrados se fabrican sobre moldes y luego de aislarlosconvenientemente, se colocan en los polos de la mquina. Si los conductores no tienen suficienteseccin como para mantener la forma de la bobina, se utilizan carretes de soporte de materialaislante.


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3 ARROLLAMIENTOS DISTRIBUIDOS

3.1 Tipos de arrollamiento

As como los arrollamientos concentrados son simples bobinas, fciles de concebir, losarrollamientos distribuidos son mucho ms complejos ya que deben cumplir no solamentecondiciones elctricas y magnticas, sino tambin constructivas: las bobinas deben ser sencillasde realizar, de colocar y minimizar el uso de materiales.

Los arrollamientos rotricos de las mquinas elctricas se conectan a travs de escobillas quepuede apoyar sobre anillos rozantes, figura 3, que son aros conductores, continuos, conectados alos extremos del arrollamiento; o sobre un colector, figura 4, que est formado por segmentosconductores, denominados delgas, aisladas entre s y conectadas a cada bobina.

Paquete de chapas ranurado

Anillos rozantes

Escobillas

Cabezas de bobina

EjeEje

Conexiones

Fig. 3. Anillos rozantes en un roto trifsico.

Paquete de chapas ranurado

Colector

Escobillas

Cabezas de bobina

EjeEje

Conexiones al colector

Fig. 4. Colector en un inducido.

Esto da lugar a dos tipos de arrollamientos distribuidos, los primeros denominados a anillos, ode fases son elctricamente abiertos y pueden estar tanto en el estator como en el rotor; mientras

que los segundos, denominados a colector, son elctricamente cerrados y se utilizan solamenteen el rotor.

3.2 Tipos de ranuras

Como ya se dijo las bobinas de los arrollamientos distribuidos, y sus aislaciones, se alojan enranuras o canaletas ubicadas en la superficie, o muy cerca de ella, del estator o del rotor o enambas. Las partes magnticas entre las ranuras se denominan dientes.

Las ranuras pueden serabiertas,semicerradas o cerradas como se muestran en la figura 5.


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Abiertas Semicerradas Cerradas

Fig. 5. Tipos de ranuras.

Las ranuras abiertas, que poseen sus lados paralelos, se emplean en mquinas de potenciamedia o grande, por ejemplo ms de 50 kW y en los inducidos a colector, salvo los muy

pequeos, de pocos cientos de watt. Cuando las ranuras son abiertas, con sus lados paralelos, yestn ubicadas sobre una estructura cilndrica, los dientes resultan necesariamente trapezoidales,es decir no tienen la misma seccin en toda su altura, lo que debe ser tenido en cuenta alconsiderar la induccin magntica y la saturacin de los mismos.

La razn por la cual se emplean las ranuras abiertas, con sus lados paralelos, es que lasbobinas utilizadas en esas mquinas son prcticamente rgidas y no se podran colocar si laabertura de la ranura fuera ms estrecha.

Las ranuras semiabiertas se emplean en mquinas de menor potencia, que utilizan bobinasformadas por conductores sueltos, los que se colocan individualmente o en pequeos grupos,muchas veces en forma manual y luego se terminan de conformar y de acomodar las cabezas de

bobina, en la propia mquina. A fin de poder acomodar mejor los conductores en el fondo y en eltope de las ranuras, lo que mejora el factor de llenado de las mismas, conviene que ambos seanredondeados, como se muestra en la figura 5.

Tanto en las ranuras abiertas como en las semicerradas, se debe evitar que los lados de las

bobinas se salgan de las mismas, especialmente si estn sometidas a la fuerza centrfuga del rotor,lo que provocara un accidente catastrfico. El cerrado de las ranuras se hace por medio de unacua de cierre construida con un material de la resistencia adecuada y que, en la mayora de loscasos, es no magntico. En los dientes de las ranuras abiertas se hacen unas entalladuras a fin desostener esas cuas de cierre.

Las ranuras cerradas, que no necesariamente deben tener una seccin circular como se muestraen la figura 6, se emplean principalmente en los rotores de las mquinas asincrnicas. Dentro deesas ranuras se colocan barras conductoras, normalmente sin aislacin, que constituyen elarrollamiento rotrico de esas mquinas.

Es comn que las mquinas posean distintos tipos de ranuras en el estator y en el rotor,

adecundolas a los arrollamientos empleados.3.3 Lados de bobinas y capas

Dentro de cada ranura puede haber uno, dos o ms lados de bobinas, al nmero de lados debobina por ranura se lo designar con la letra u. Cuando hay un solo lado de bobina por ranura,se dice que el arrollamiento es desimple capa, cuando hay dos o ms lados de bobina por ranuraestos se disponen en dos capas y se dice que el arrollamiento es de doble capa, esto se muestra enla figura 6.


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5

SimpleCapa Doble Capa

u = 1 u = 2 u = 4 u = 6

Fig. 6. Lados de bobina por ranura.

Los arrollamientos de doble capa presentan mayor flexibilidad de diseo y son los msempleados. En los arrollamientos a anillos se utilizan hasta dos lados de bobina por ranura (u=2),valores mayores de u se emplean en los arrollamientos a colector.

Cuando se dibujan arrollamientos de doble capa, los lados de las bobinas que no se ven, por

quedar tapados por otras bobinas, se indican con lneas de trazos como lo establecen las normasdel dibujo tcnico.

La cantidad de bobinas que se pueden colocar en Q ranuras depende del nmero de lados debobina que se coloquen en cada una de ellas. En efecto, multiplicando el nmero total de ranurasQ por la cantidad de lados de bobina que hay en cada ranura u, se obtiene el nmero total delados de bobina que caben en esas ranuras y, como cada bobina tienen dos lados, el nmero totalde bobinasB ser:

2

QuB

= (1)

Como los casos ms comunes son u = 1 y u = 2 resulta:

QBu

QBu

==

==

2Si2

1Si (2)

3.4 Formas de las bobinas

Las partes de la bobina que se encuentran colocadas dentro de las ranuras son las que estnsometidas al flujo mutuo y consecuentemente donde se inducen las tensiones y se desarrollas lasfuerzas tiles, sos son los lados activos de la bobina, el resto se encuentra en el aire y

constituyen las cabezas de bobina y las conexiones, stas concatenan solamente flujo disperso ycontribuyen en gran medida a la reactancia de dispersin, estas son las partes ms afectada porlos esfuerzos dinmicos que se producen particularmente en los cortocircuitos. En la figura 7 semuestran esquemticamente las distintas partes de las bobinas.

Las bobinas utilizadas en la mayora de los arrollamientos a anillos de las mquinas de unospocos kilowatts, suelen hacerse sobre un molde rectangular, con los vrtices redondeados,manteniendo las espiras sueltas para luego colocarlas, generalmente a mano, de a una espira porvez o en pequeos grupos, dentro de ranuras semicerradas. La forma definitiva de las bobinas, elacomodado y fijacin de las cabezas, se hace en la propia mquina.

En las mquinas de mayor potencia las bobinas se construyen en moldes complejos que, envarias etapas, le confieren la forma definitiva. Antes de insertarlas en la mquina, las bobinas


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estn completamente aisladas y ensayadas, especialmente cuando las mquinas son de tensionesmayores a las industriales. Como esas bobinas son rgidas se las debe colocar, con muchocuidado y en ranuras abiertas.

Cuando el arrollamiento esta terminado debe quedar perfectamente aislado, con las cabezas debobina y las conexiones bien acomodadas y fijas para soportar los esfuerzos a que estarnsometidas; todo eso, la experiencia, la facilidad del armado y la economa de materiales, haestablecido ciertas formas de bobinas como las ms convenientes; entre las ms empleadas seencuentran las de forma hexagonal (diamante), trapezoidaly rectangular, como se muestran enla figura 7.

Cabezas

Lados

Conexiones

Cabezas

Fig. 7. Formas de bobinas.

La forma ms utilizada es la hexagonal o en diamante, especialmente en mquinas de medianay gran potencia y con arrollamientos dispuestos en doble capa. Para que las cabezas de bobinaqueden perfectamente ordenadas, en sus extremos dan una media vuelta con lo que se consigueque sus lados queden a distintos niveles, figura 8.

Conexiones

Fig. 8. Cambio de capa.Como las ranuras estn ubicadas en una superficie cilndrica, las cabezas de bobina no son

planas, figura 8 y, adems, como las ranuras tienen direccin radial, los lados de las bobinas,tambin deben ser radiales. En la figura 9 se muestra la cabeza de una bobina, como la de lafigura 8, colocada en un rotor cilndrico.


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7

Centro del rotor

Cabeza de bobina

Cambio de capa

Capa superior

Capa inferior

Fig. 9. Ranuras radiales.

3.5 Pasos polar y de bobina

Se denomina paso polar, p a la distancia que hay de un polo al siguiente, figura 10. En unamquina con geometra cilndrica hay que definir el radio al cual se mide esa distancia y hayvarias posibilidades, tomar el radio del rotor, el interno del estator, el medio del entrehierro uotro; lo que en todos los casos deber quedar claramente definido. Por ejemplo si se deseacalcular el flujo por polo en el entrehierro, conviene utilizar el radio o el dimetro medio delentrehierro.

p

Fig. 10. Paso polar.

Por ser distancias, los pasos se deben expresar en unidades de longitud, por ejemplo metro omilmetro, como se hace cuando hay que dimensionar las bobinas, o construir los moldes, perocuando interesa estudiar un arrollamiento, cuyas bobinas estn colocadas en ranurasequiespaciadas, resulta muy cmodo utilizar como unidad de medida la ranura que es,

precisamente, la distancia entre ranuras.

La utilizacin de la ranura como unidad de medida para los pasos, tiene varias ventajas: lamayora de los resultados son nmeros enteros, relativamente pequeos y no se requiere ningnelemento de medicin, simplemente se cuentan las ranuras.


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8

A la distancia entre los lados de las bobinas se la denomina paso de bobina Y1 , como semuestra en las figuras 11 a 14.

El paso de las bobinas puede ser igual, menor o mayor que el paso polar, y en esos casos sedice que la bobina es diametral, acortada o alargada respectivamente, tabla I.

Tabla I. Pasos de bobina.

Bobina PasoDiametral

pY =1

AcortadapY 1

Como se ver ms adelante las bobinas diametrales son comunes en los arrollamientos desimple capa, mientra que en los de doble capa, que poseen menos restricciones constructivas, soncomunes las bobinas acortadas. En ambos casos hay muchas excepciones. Las bobinas acortadas,

al ser ms angostas, permiten un ahorro de material y mejoran la distribucin del campomagntico en el entrehierro. Las bobinas alargadas producen la misma mejora del campomagntico en el entrehierro pero utilizan mayor cantidad de material, por lo tanto su empleo esmuy limitado.

3.6 Tipos de arrollamientos

Los tipos bsicos de arrollamientos distribuidos son dos: imbricados y ondulados, los quepueden tener variantes respecto a su forma bsica. Los arrollamientos imbricados son los msutilizados, mientras que los ondulados suelen emplearse en mquinas de corriente alterna de gran

porte o en algunos inducidos de mquinas de corriente continua.

3.6.1 Arrollamientos imbricados

En ellos las sucesivas bobinas quedan parcialmente superpuestas En la figura 11 se muestraun grupo de dos bobinas de un arrollamiento imbricado.

Donde:

Y1 Paso de bobina.Y2 Paso de conexin.Y Paso total o del arrollamiento

En los arrollamientos imbricados se cumple la siguiente relacin entre los pasos:

21 YYY = (3)

Si bien en los arrollamientos a anillos es frecuente es que Y2 sea una ranura menor que Y1 , conlo que resulta Y = 1, en los arrollamientos a colectorpueden presentarse otras variantes que danlugar a arrollamientos con distinta caractersticas y denominaciones, como se ver en 5.1.


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9

Y Y

Y1

2

Cabezas

Lados

CabezasConexiones

Fig. 11. Arrollamiento imbricado.

El dibujo de los arrollamientos imbricados se simplifica suponiendo que las bobinas tienenuna sola espira, figura 12.

Y Y

Y1

2

Cabezas

Lados

Conexiones

Fig. 12. Arrollamiento imbricado, dibujo simplificado.

Ms adelante, se muestran algunos ejemplos de arrollamientos imbricados sencillos.

3.6.2 Arrollamientos onduladosEn los arrollamientos ondulados dos bobinas sucesivas se encuentran distanciadas

aproximadamente un paso polar, es decir no se superponen, figura 13.

Los pasos indicados en la figura 13 tienen la misma denominacin que en el arrollamientoimbricado de la figura 11.

En los arrollamientos ondulados se cumple la siguiente relacin entre los pasos:

21 YYY += (4)Adems resulta:

pYY 21 (5)


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10

Y

Y Y12

Cabezas

Lados

Cabezas

Conexiones

1Y

Fig. 13. Arrollamiento ondulado.

El dibujo de estos arrollamientos tambin se simplifica suponiendo que las bobinas tienen unasola espira, figura 14.

Y

Y Y12

Cabezas

Lados

Conexiones

1Y

Conexiones

Fig. 14. Arrollamiento ondulado, dibujo simplificado.

Este tipo de arrollamiento se emplea mucho menos que los imbricados y, en los a colector,tambin existen las variantes progresivo, regresivo, simple, doble, etc.

4 ARROLLAMIENTOS A ANILLOS

Estos son los arrollamientos ms utilizados, se emplean en el estator y en el rotor de lasmquinas asincrnicas, en el inducido de las mquinas sincrnicas y en la excitacin de lasmquinas sincrnicas de gran velocidad.

4.1 Fases

Como se mencion en el punto 3.1 los arrollamientos a anillos estn formados por fases, quepor razones de simetra, deben ser de iguales caractersticas elctricas y tener sus ejes magnticosa:


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11

m

360= (6)

Donde:

ngulo elctrico entre fases.m Nmero de fases.

La expresin (6) tiene como excepcin los arrollamientos bifsicos en los cuales vale 90grados elctricos.

En el caso de los arrollamientos trifsicos el ngulo debe ser de 120 elctricos, lo que sepuede expresar en ranuras teniendo en cuenta que al paso polar le corresponden 180 elctricos;resultando:

ppY 3

2

180

120120 == (7)

De forma semejante se lo puede calcular para otro nmero de fases.Para que todas las fases puedan tener el mismo nmero de bobinas, la cantidad de bobinas por

fase debe ser un nmero entero.

entero:m

B(8)

sta es una condicin de simetra del arrollamiento; por lo tanto los arrollamientos a anillos nopueden tener cualquier cantidad de ranuras y de bobinas.

Se dice que estos arrollamientos son abiertos porque cada fase tiene un principio y un final,por ejemplo en el caso de un arrollamiento trifsico sus bornes se designan con las letrasnormalizadas indicadas en la figura 15 donde los puntos indican los bornes homlogos.

U V W

X Y Z

Fig. 15. Bornes normalizados de un arrollamiento trifsico.

A su vez cada una de las fases puede tener todas sus bobinas en serie o en alguna combinacinserie paralelo, dependiente de los valores de la tensin y de la corriente de fase que se deseen.Cuando se conectan ramas en paralelo, las tensiones inducidas en las mismas deben ser iguales, afin de evitar la circulacin de corrientes entre las mismas. La cantidad de espiras en serie de cadarama se indica conNs y se denomina nmero de espiras en serie por fase.

4.2 Grupos de bobinas

Una caracterstica distintiva de los arrollamientos a anillos es que sus fases estn formadas porgrupos de bobinas con q bobinas por grupo. Dentro de cada grupo las bobinas deben estar en


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serie ya que las tensiones inducidas en las mismas no estn en fase pero, segn convenga, a losgrupos se los puede conectar en serie, en paralelo o en una combinacin serie-paralelo, siemprecuidando que las ramas en paralelo sean de iguales caractersticas para evitar las corrientes decirculacin.

En la mayora de los casos, esos grupos de bobina son todos iguales, pero hay arrollamientosespeciales con grupos secuencialmente distintos, por ejemplo un arrollamiento puede tener todossus grupos de dos bobinas cada uno o, por ejemplo, la mitad de los grupos con una bobina y laotra mitad con dos bobinas, alternndose. En el primer cado resulta q = 2 y en el segundo casoel promedio da q = 1,5, en el primer caso se dice que el arrollamiento es de q entero y en elsegundo que es de q fraccionario. El estudio de los arrollamientos de q fraccionario escapa alalcance de este texto.

En los arrollamientos que tienen todos sus grupos iguales, q entero, la distancia entre grupospuede ser de un paso polar o de dos pasos polares. En el primer caso se suele decir que songrupos monopolares o que el arrollamiento espor polos y en el segundo caso se suele decir que

songrupos bipolares o que el arrollamiento es depolos consecuentes.Los arrollamientos por polos, es decir los que tienen un grupo en cada polo, generalmente son

de doble capa y son los ms empleados; en la figura 16 se muestran dos grupos, de dos bobinascada uno, de una fase de un arrollamiento imbricado de ese tipo.

En el ejemplo de la figura 16 se puede observar que el paso de las bobinas es una ranuramenor que el paso polar, es decir se trata de bobinas acortadas una ranura.

En los arrollamientos de q entero, que tienen todos sus grupos iguales, stos se puedenconectar en serie o en paralelo, pero siempre respetando la polaridad: cuando circula corriente porla fase los grupos deben desarrollar sucesivamente polos norte y sur. En una conexin serie, estose logra uniendo principio con principio y final con final de cada grupo, como se muestra en la

figura 16, en la que tambin se muestra la posibilidad de conectar los dos grupos en paralelo.

Y1

p p

S N

Fig. 16. Arrollamiento imbricado, por polos, en doble capa.

Como se ver en el punto 4.5, algunos arrollamientos de simple capa, tambin se puedenresolver con un grupo de bobinas en cada polo.


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En la figura 17 se muestra esquemticamente una fase de mquina cilndrica, de cuatro polos,con de un arrollamiento por polos y se indica en forma aproximada el campo magnticoresultante.

N

N

SS

Fig. 17. Mquina con grupos unipolares.

Los arrollamientos de polos consecuentes, es decir los que tienen un grupo en cada par depolos, generalmente se utilizan en simple capa debido a la menor disponibilidad de ranuras libres;en la figura 18 se muestran dos grupos de dos bobinas cada uno, de una fase de un arrollamientoimbricado de este tipo.

En el ejemplo de la figura 18 se puede observar que el paso de las bobinas es igual al pasopolar, es decir se trata de bobinas diametrales.

Y 1

2 p

S N S N

Fig. 18. Arrollamiento imbricado, de polos consecuentes, en simple capa.

Tambin aqu, y si todos los grupos son iguales, stos se pueden conectar en serie o enparalelo, pero siempre respetando la polaridad: todos los grupos deben desarrollar polos igualespara que en el espacio entre los mismos se generen polos opuestos. En una conexin serie, esto selogra uniendo el principio con el final de cada grupo, como se muestra en la figura 18.


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A fin de comprender mejor el ejemplo de la figura 18 y ver cmo se cierran las lneas defuerza y se generan los polos, en la figura 19 se muestra una fase con dos grupos, colocados en elestator de una mquina cilndrica de cuatro polos y se indica la forma aproximada del camporesultante.

N

N

SS

Fig. 19. Mquina de polos consecuentes.

En el ejemplo de las figuras 18 y 19 cada uno de los dos grupos de bobinas, genera un polo suren el estator y, los polos norte del estatorson consecuencia de esos polos sur, no es ms que unaforma de decir las cosas.

La cantidad de bobinas de cada grupo depende de si el arrollamiento es por polos o de polosconsecuentes y se calcula dividiendo el nmero de bobinas de la fase por el nmero de grupos.

En arrollamientos por polos:

p

mB

q2

= Bobinas por polo y fase. (9)

En arrollamientos de polos consecuentes:

p

mB

q = Bobinas por par de polos y fase. (10)

Como ya se dijo, el valor de q calculado con la expresin (9) o (10) puede dar un nmeroentero o fraccionario y en el presente texto solamente se estudiarn los arrollamientos con q

entero.4.3 Ejemplo de arrollamiento imbricado

A fin de aplicar los conceptos expuestos, a continuacin se muestra cmo resulta una fase deun arrollamiento a anillos, trifsico (m = 3), imbricado (Y = Y1 Y2), de doble capa (u = 2), 24ranuras (Q = 24) por polos, de cuatro polos (p = 2) y con las bobinas acortadas en una ranura (Y1= p - 1).

El nmero de bobinas es:

242

242

2=

=

=

QuB Bobinas. (11)


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15

Las bobinas por fase son:

83

24==

m

BBobinas por fase. (12)

Las bobinas por grupo son:

222

8

2=

==

p

mB

q Bobinas por polo y fase. (13)

El paso polar es:

622

24

2=

==

p

Qp

Ranuras. (14)

El paso correspondiente a los 120 grados elctricos es:

463

2

3

2120 === pY Ranuras. (15)

El paso de bobina es:51611 === pY Ranuras. (16)

A fin de presentar mejor el dibujo, la fase U-X se comenz en la ranura 1, figura 20, y seindic el comienzo de las fases V-Y y W-Z. Para ver cmo cada uno de los grupos forma cadauno de los cuatro polos, se supuso una corriente constante entrando por el borne U y saliendo porel borne X.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

U XV W

Y1

p

120Y

NN SS

Y120

Fig. 20. Arrollamiento imbricado, por polos, doble capa, fase U-X.

En la figura 21 se muestra un corte esquemtico de la fase dibujada en la figura 18, donde seven las dos capas y el desplazamiento entre las mismas, debido al acortamiento del paso de las

bobinas.

La figura 21 muestra la razn por la cual los arrollamientos de doble capa son los msempleados: en stos no hay restricciones respecto a la eleccin del paso de las bobinas ya que los


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16

lados de las mismas se encuentran en capas diferentes y, por lo tanto, es posible utilizar el pasoms conveniente desde el punto de vista del diseo.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Y1

p

U X

Fig. 21. Corte de la fase U-X del arrollamiento de la figura 20.

En la figura 22 se muestra el arrollamiento completo, destacndose la fase U-X.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

UX

V WY Z

Fig. 22. Arrollamiento de la figura 20 completo.

4.4 Arrollamientos de simple capa

Los arrollamientos de simple capa no poseen libertad en la eleccin del paso de las bobinas, enefecto, una vez que se coloc un lado de bobina en una ranura la misma queda totalmente

ocupada. Para una dada cantidad de ranuras, en los arrollamientos de simple capa se puedencolocar la mitad de las bobinas que si el arrollamiento fuera de doble capa. Esto hace que seafrecuente el diseo con grupos bipolares o de polos consecuentes.

Por ejemplo si se resuelve el arrollamiento del punto 4.3 en simple capa, con grupos bipolaresy bobinas diametrales, resulta:

El nmero de bobinas es:

122

241

2=

=

=

QuB Bobinas. (17)

Las bobinas por fase son:


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17

43

12==

m

BBobinas por fase. (18)

Se puede observar que son la mitad de las bobinas que en ejemplo con doble capa. Las bobinas

por grupo se obtienen con la expresin (10):

22

4===

p

mB

q Bobinas por polo y fase. (19)

El paso de las bobinas y el polar es:

622

24

21=

===

p

QY

p Ranuras. (20)

En este ejemplo, de simple capa y grupos bipolares, no es posible acortar el paso de lasbobinas y las mismas deben serdiametrales.

El paso correspondiente a los 120 grados elctricos es:

463

2

3

2120 === pY Ranuras. (21)

En la figura 23 se muestra la fase U-X y el comienzo de las fases V-Y y W-Z. Para ver cmocada uno de los grupos forma cada uno de los cuatro polos, se supuso una corriente entrando porel borne U y saliendo por el borne X.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

U XV W

Y =1 p

120Y

NN SS

Y120

p

Fig. 23. Arrollamiento imbricado de polos consecuentes, simple capa, fase U-X.

En la figura 24 se muestra un corte de la fase U-X de la figura 23.

Tanto en las figuras 23 como en la 24, se puede observar como la fase U-X ocupa dos ranurassucesivas cada paso polar: las ranuras 1 y 2; 7 y 8; 13 y 14; 19 y 20 y que entre esas ranurasquedan cuatro ranuras libres, esto debe ser as para poder ubicar a las otras dos fases. Eso ocurreen todos los arrollamientos a fin de ocupar todas las ranuras y evitar superposiciones. En losarrollamientos de doble capa, como se puede observar en las figuras 20 y 21, tambin quedan lacantidad necesaria de ranuras libres para las otras dos fases, pero en cada una de las capas.


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18

El razonamiento de dejar las ranuras libres necesarias para las otras dos fases, puede ser muytil cuando se debe dibujar un arrollamiento, especialmente si el mismo es de simple capa.

Si en el ejemplo de las figuras 23 y 24 se acortaran las bobinas, ya no quedaran suficientesranuras libres para alojar a las otras dos fases; por este motivo es que en los arrollamientosnormales de simple capa y de polos consecuentes las bobinas son diametrales.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Y =1 p

U X

p

Fig. 24. Corte de la fase U-X del arrollamiento de la figura 23.En la figura 25 se muestra el arrollamiento completo, destacndose la fase U-X.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

UX

V WYZ

Fig. 25. Arrollamiento de la figura 23 completo.

4.5 Arrollamientos de simple capa por polos

Cuando la cantidad de bobinas por grupo es un nmero par, los arrollamientos de simple capase pueden resolver con grupos unipolares, es decir por polos. Por ejemplo, la fase de la figura 23

posee grupos de 2 bobinas, las que se pueden colocar una en cada polo y utilizando las mismasranuras, figura 26.


19/25

19

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

U XV W

Y1

p

120Y

NN SS

Y120

Fig. 26. Arrollamiento imbricado por polos, simple capa, fase U-X.

Como se tienen las mismas corrientes y en las mismas ranuras, el campo magntico resultantees el mismo que el producido por la fase de la figura 23. Pero en este caso las bobinas resultanacortadas, lo que significa un ahorro de material.

En la figura 27 se muestra un corte de la fase U-X de la figura 26.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Y1

p

U X

Fig. 27. Corte de la fase U-X de la figura 26.

Cuando, en estos casos, para dibujar el arrollamiento se aplica el criterio de dejar las ranuraslibres para las otras dos fases, hay que tener en cuenta que si bien el valor de q calculado con lafrmula (9) indica la cantidad la cantidad de bobinas por grupo, en las fases habr gruposadyacente que ocuparn 2q ranuras sucesivas, y entonces habr que dejar libres 4q ranuras libres

para las otras dos fases.

4.6 Arrollamientos concntricos. Ejemplo.

En mquinas de poca potencia, pocos kilowatts, se pueden emplear arrollamientos sencillos,de pocas bobinas, generalmente de simple capa, sin desmerecer mayormente el funcionamientode las mismas. En estos casos, y para simplificar su construccin, suelen emplearse una variantede los arrollamientos imbricados, que se denominan arrollamientos concntricos debido a que las

bobinas de cada grupo estn concntricamente dispuestas. En estas mquinas pequeas seemplean bobinas de conductores sueltos, colocadas a mano y en ranuras semicerradas.


20/25

20

Estos grupos de bobinas de distinto paso, se fabrican sobre moldes coaxiales de distintotamao y luego se colocan en las ranuras de la mquina, acomodando las cabezas de bobina delos distintos grupos en dos o tres planos, segn sea necesario.

No obstante lo dicho, hay excepciones: los rotores cilndricos de los grandes alternadoresposeen arrollamientos concntricos de construccin muy elaborada, pero que no dejan deresponder a los mismos principios que rigen a los de pequea potencia.

En la figura 28 se muestra un grupo de dos bobinas concntricas, en simple capa, semejante alya mostrado en la figura 11.

Cabezas

Lados

Cabezas

Conexiones

Fig. 28. Arrollamiento concntrico.

Con el mismo criterio empleado en los arrollamientos imbricados y ondulados se simplifica eldibujo suponiendo que las bobinas son de una sola espira, resultando el dibujo simplificadomostrado en la figura 29.

Cabezas

Lados

Conexiones

Fig. 29. Arrollamiento concntrico, simplificado.

Como la forma simplificada de dibujo de un arrollamiento concntrico es una lnea que formaun espiral, a estos arrollamientos veces se los llama en espiral.


21/25

21

El arrollamiento trifsico, de simple capa, cuya fase U-X se muestra en la figura 23, se puederesolver en forma de arrollamiento concntrico, como se muestra en la figura 29.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

U XV W

p

120Y

NN SS

Y120

p

Fig. 30. Fase de la figura 23 resuelta en forma concntrica.

En la figura 31 se muestra el corte de la fase U-X mostrada en la figura 30.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

p

U X

p

Fig. 31. Corte de la fase U-X del arrollamiento concntrico de la figura 30.

Comparando las figuras 23 24, 26 27 y 30 31 se puede observar que en todas ellas setienen las mismas corrientes en las mismas ranuras, por lo tanto, y desde el punto de vistaelectromagntico, los tres arrollamientosson equivalentes; las pequeas diferencias que hay sonde naturaleza constructiva y en el de uso de material.

Es importante hacer hincapi en que el campo magntico que un arrollamiento produce,depende de la distribucin de las corrientes en el espacio, es decir de las corrientes en las distintasranuras. Dos arrollamientos que generen la misma distribucin de corrientes, aunque las bobinastengan distinta forma o estn conectadas de otra manera, producirn el mismo campo en elentrehierro de la mquina. De lo anterior se desprende que las distintas formas de las bobinas yde sus conexiones responden a cuestiones de facilidad constructiva y economa de materiales.Los arrollamientos concntricos son un ejemplo de ello.

En la figura 32 se muestra el arrollamiento completo, destacndose la fase U-X.


22/25

22

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

UX

V WYZ

Fig. 32. Arrollamiento concntrico de la figura 29 completo.

En el dibujo del arrollamiento completo de la figura 32, se puede observar que cada una de lasfases tiene un grupo de altura normal y otro de mayor altura. Si bien esto favorece el dibujo,evitando que se superpongan las cabezas de bobina de las distintas fases, tambin guarda relacincon la disposicin geomtrica de las cabezas de las bobinas, las que deben ubicarse en dos o tres

planos para poder acomodarlas.

4.7 Arrollamientos ondulados

Los arrollamientos ondulados, cuyos fundamentos se han descriptos en el punto 3.6.2 ymostrados en las figuras 13 y 14, que se emplean en mquinas a anillos de gran porte,normalmente son de doble capa y con grupos unipolares, por lo tanto el nmero de bobinas igualaal nmero de ranuras (2). Como adems, se debe cumplir la condicin de simetra (8), se debenhacer cambios en las conexiones de las bobinas para poder formar los grupos en el lugarcorrespondiente; por otra parte, las bobinas se mantienen todas iguales.

Por ejemplo, sea una mquina de cuatro polos, 24 ranuras, con bobinas y conexionesdiametrales, figura 33. Por comodidad se ha comenzado en la ranura 1 y se han colocado dos

bobinas, una en el primer grupo y la otra resulta en el tercer grupo, completando una vuelta ensentido horario.

Si se vuelve a hacer una conexin diametral, seis ranuras en este ejemplo, y tal como semuestra en la figura 33, se vuelve a la ranura 1, donde se ha comenzado la primera vuelta y lafase se cerrara sobre s misma, con solamente dos bobinas; lo que no es correcto.

Para evitar lo anterior, a esta ltima conexin, se la hace una ranura ms larga o una ranurams corta, en este ejemplo se opt por hacer esa conexin una ranura ms corta, comenzando lasegunda vuelta en la ranura 24, figura 34.


23/25

23

1

7

13

19 Bobinas

Conexin

Conexin

U

Fig. 33. Arrollamiento ondulado, primera vuelta.

Al completarse la segunda vuelta del arrollamiento, ya se tienen las dos bobinas en el primer yen el tercer grupo, figura 34.

1

7

13

19 Bobinas

24

18

12

6

Conexionesnormales

Conexin

ms corta

U

Fig. 34. Arrollamiento ondulado, segunda vuelta.

Si se contina con el criterio anterior, de acortar la conexin y continuar la fase en el mismosentido horario, se seguiran agregando bobinas en esos grupos, que ya estn completos. Perocomo se desea que el arrollamiento sea por polos, se deben colocar bobinas para formar elsegundo y el cuarto grupo. Para ello se comienza una nueva vuelta, pero en sentido contrario a laanterior, antihorario en este ejemplo, como se muestra en la figura 35.


24/25

24

1

7Bobinas

24

6

Conexionnormal

antihoraria

Conexinantihoraria

U

18

1213Conexin

antihorariams corta

19X

Fig. 35. Tercera vuelta.

En la figura 35 la conexin antihoraria va desde la capa interna de la ranura 18 a la capainterna de la ranura 12. En esa misma figura, y para no complicarla, se indicaron solamente una

bobina del segundo y otra del cuarto grupo y se indic el comienzo y el final de la fase.

En el ejemplo analizado, en el que hay dos bobinas en cada grupo, es necesario realizar dosvueltas en sentido horario y otras dos en sentido antihorario para completar la fase.

A fin de mostrar el resultado final, en la figura 36 se muestra la fase U-X completa, en formadesarrollada, y se indica el comienzo de las otras dos.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

UXV W

Y =1 p

120Y

NN SS

Y120

Fig. 36. Arrollamiento ondulado, diametral, fase U-X.


25/25

25

El arrollamiento mostrado es diametral, pero tambin se podra resolver con bobinasacortadas; a modo de ejemplo en la figura 37 se muestra la fase U-X con bobinas acortadas unaranura.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

UXV W

Y1

p

120Y

NN SS

Y120

Fig. 37. Arrollamiento ondulado, acortado, fase U-X.

Se deja al lector el ejercicio de identificar las conexiones ms cortas y las realizadas en sentidoinverso en las fases de las figuras 36 y 37.

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Arrollamientos a Anillos 32a