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TEMA2. Introducción

A nuestro taller del I.E.S.de Castuera llegó un motor brushless procedente de un coche eléctrico, con síntomas de avería. Únicamente hemos necesitado conocer que una de las fases no tenía continuidad con las otras dos, y que su aislamiento era deficiente y dependía de la posición de giro del rotor. Además, los sensores hall tenían diferentes medidas de resistencia entre sus terminales y alguno de ellos no presentaba continuidad. Esto hizo pensar que el motor tenía dañado el bobinado.

Las características del motor son:

Marca: QS  MOTOR. Origen chino.

Modelo: 8KW tipo 273

Ranuras 63

Polos 56

Tensión de alimentación a la controladora: 72Vcc

Análisis Externo:

Al analizar el aspecto exterior, después de las medidas de continuidad observadas, vemos que es un motor en rueda, acoplado directamente a la rueda trasera y que sustituye al tambor de freno. Por ello, tiene un tamaño mayor que el freno completo de tambor, y está acoplado al vehículo a través de un eje hueco con rosca en la punta del eje y chaveta . El cable de alimentación del motor atraviesa el interior del eje hueco. El freno de la rueda es un disco acoplado al eje del motor.

Hay dos síntomas más, que nos hacen sospechar de una avería:

-Los tornillos de las ruedas han perdido su posición y pueden entrar en el motor entorpeciendo el giro. Posiblemente este giro haga tropezar a los tornillos con el bobinado. En ese caso cortaría las cabezas de las bobinas ocasionando la destrucción del bobinado.

-El cable de alimentación es trifásico, y siendo flexible ofrece rigidez y tiene pegadas las fases. Esto se comprobó después viendo que había sufrido un calentamiento excesivo que ocasionó el que su aislamiento se derritiera pegando después un cable de fase a los otros.

-El giro del motor no era libre, y tenía puntos de rozamiento muy preocupantes.

Por todo ello se decidió abrir el motor para evaluar el alcance de los daños.

TEMA2. APERTURA DEL MOTOR

Se marcó con un granete la posición original de la tapa del motor y se retiraron los tornillos allen. Se preparó una caja para guardar todos los elementos retirados. Se despegó la tapa con cuidado y ayuda de destornillador y martillo, botador y cortafríos a modo de cuña. Posteriormente hubo de limar las abolladuras para ir avanzando sin dejar atrás inconvenientes posteriores.

Al retirar la tapa nos encontramos este desastre:

TEMA 3. Esquema del bobinado

Hay que bobinar el motor y retirar completamente el bobinado. Algo que nos llama la atención es la disposición de un gran puente de hilos que discurre por completo por la circunferencia del bobinado. Se trata del trazado de los puentes del paralelo de las secciones polares. Todas las secciones polares de cada fase están conectadas en paralelo, y no en serie como muestra un esquema procedente de una calculadora de bobinados consultada en:

https://www.bavaria-direct.co.za/scheme/calculator/

En esta página podemos entrar con los datos del motor y obtener un esquema del bobinado. Nosotros hemos encontrado:

TEMA 4. Problema con la estrella o neutro.

Nótese que los grupos están conectados en serie en este esquema, cuando la foto anterior muestra claramente que están conectados en paralelo formando un enorme punto de estrella donde se reúnen los extremos de todos los grupos. En la siguiente foto aparece este detalle.

Centro de la conexión estrella que reúne a todos los grupos de bobinas de todas las fases. También aquí se observa el daño evidente. Observemos la gran cantidad de hilos que están unidos por soldadura, y que habrá que pelar para poder soldar después. En otra foto del mismo detalle se ve la deficiente previsión de aislamiento entre fases, al estar aisladas únicamente por el esmalte del hilo. Nosotros le daremos un nivel de aislamiento entre fases mayor.

TEMA5. Problema con los tornillos de la tapa

En este caso podemos observar que la ausencia de aislamiento entre fases facilita tiempo de ejecución de bobinado y proporciona mayor espacio disponible en el interior del motor, que después será necesario tras comprobar el escaso margen que quedará entre bobinado y carcasa. El fabricante no valoró estos aspectos. Es posible que el origen de la avería estuviese en el roce de la conexión del centro de la estrella con las cabezas interiores de los tornillos de las ruedas que están alojados en la tapa. Esto se ve en la presente foto.

Creemos que los tornillos de las ruedas están mal fijados a presión a la tapa. El número de 5 tornillos en una circunferencia de diámetro que no es estándar para las llantas en Europa, hizo que el propietario adaptase los agujeros de sus llantas para que coincidieran con los tornillos. Al apretar las tuercas, se movieron los tornillos y ahora han perdido su fijación a la tapa. El resultado es que un escaso apriete de un tornillo hace rozar su cabeza con el bobinado, con este resultado.

TEMA6. Separación del rotor de imanes permanentes

Ahora debemos liberar el rotor que contiene los imanes, del estator que contiene el bobinado. Recordemos que los imanes de neodimio del rotor no van a despegarse fácilmente del estator, por ello disponemos de un gato hidráulico telescópico de pequeño tamaño y unas garras para liberar las dos partes unidas por un fuerte campo magnético.

No sobra decir que esta operación requiere precaución por el riesgo de atrapamiento. La fuerte atracción magnética puede atraparnos una mano si al sujetar la máquina se desajusta, lo que hace que ambas partes vuelvan a unirse violentamente. Los guantes de protección aquí son necesarios.

Tema 7

Retirada del bobinado deteriorado.

Antes de proceder, hay que documentarlo todo. Ya tenemos el esquema del bobinado con los grupos en paralelo como antes vimos en el esquema válido para la disposición de los grupos, Ya sabemos que esta disposición es correcta, pero la conexión no es serie entre grupos, sino paralelo. Ahora falta aclarar la disposición de los sensores hall y de temperatura del bobinado.

Detalle de los sensores Hall y sensor de temperatura.

El bobinado tiene tres sensores hall a cada lado, pueden utilizarse tres del lado que se prefiera. Los tres sensores del fondo están destruidos, y se observa en el frontal la conexión de los tres sensores que tienen tres hilos cada uno. Los colores rojo y negro son alimentación de 5Vcc soldados a las patillas 1 y 2 respectivamente. Los colores verde, azul y amarillo son las salidas de señal hall de cada sensor y están conectadas a cada patilla central, o patilla 3 de cada sensor Hall.

Los cables rojo y negro que en la foto tienen una funda blanca son el sensor de temperatura KT88 a dos hilos, que se conecta al mismo conector de los sensores hall.

Para ver la referencia de los sensores hall se usó una lupa electrónica.

bobinado 11

Visionado de la referencia de un componente con lupa electrónica.

La referencia 43A es común para sensores hall, y su precio es bajo. Sustituiremos todos los sensores, excepto el de temperatura.

En numerosos motores BLDC, el uso y disposición de sensores es similar al mostrado aquí.

Ahora sí que podemos retirar el bobinado para despejar completamente el estator, y limpiarlo para albergar el nuevo bobinado.

Se usa un formón bien afilado y un pequeño martillo de bola para cortar todas las cabezas de las bobinas. Posteriormente, con martillo y botador de la medida de la ranura, se empujan hacia fuera los lados activos interiores de las ranuras. Después de retiran los restos de aislamientos, pegamentos, resinas, y residuos.

En la próxima foto se muestra el corte limpio con un formón bien afilado, del tamaño adecuado.

bobinado 9

 

 

 

Tema 8

Retirada del bobinado defectuoso

Al dejar un corte limpio, podemos contar el número de espiras en una ranura. Puesto que cada ranura está ocupada por el lado activo de dos bobinas, entonces dividimos entre dos el número de hilos en cada ranura para cada bobina. Resulta 63 el número de hilos por bobina. Dado que cada conexión tiene 9 hilos en paralelo entonces el número de espiras es de 7. El diámetro del hilo medido con micrómetro es de 0,85 mm de diámetro.

Realmente la cantidad de hilo de cobre para un motor de este tipo no es elevada, teniendo en cuenta que el intenso campo magnético del rotor está formado por imanes permanentes de neodimio. El verdadero valor lo tiene el tiempo necesario para rebobinar la máquina, a la vista de la gran cantidad de polos, alta intensidad y pequeño espacio disponible. El resto de materiales de bobinado es el de uso normal en cualquier motor trifásico.

Tema 9

Con el uso de papel de 0,4mm de espesor aislamos ranuras. Nótese que el exceso de papel solo servirá después para evitar que el cobre entre en la ranura sin rozarlo con el hierro. El papel sobrante se corta. Disponer de guillotina es útil para el bobinador, pues acelera el corte de aislantes, ahorra tiempo y aumenta la precisión de los cortes. Se dispondrá también de tapas cortadas previamente para cerrar las ranuras, y también de las piezas de papel aislante para aislamiento entre bobinas en el interior de una misma ranura. Todo ello debe ensayarse antes, medir las dimensiones de cada pieza y disponer de ellas a mano.

Tema 10

Véase que el bobinado de 7 espiras puede hacerse a mano, pero hay que dar uniformidad a las bobinas. Para ello nos ayudamos de un trozo de manguera como modo de dar forma a las cabezas sin rozar el núcleo. También vemos los 9 hilos en paralelo que forman cada bobina y grupo.

Los extremos de cada bobina deben tener longitud suficiente para rodear todo el bobinado hasta su punto de conexión, en los principios y los finales de cada bobina.

Se evitará que una bobina toque el hierro. Se evitará que una bobina toque a otra de distinta fase, sin tener un refuerzo en el aislamiento, como papel, tubo aislante, etc.

Proseguimos introduciendo bobinas en las ranuras. Resulta difícil equivocarse porque pronto se ve que el salto de principios no concuerda y nos daremos cuenta de que algo no concuerda. 

En la imagen se aprecia el soporte que hemos montado con unas piezas de madera para poder girar el núcleo en el aire, sin rozar la mesa.

También el aspecto del llenado de la ranura indica que el proceso está regularizado, pues cada bobina tiene 7 únicas espiras pero con 9 hilos en paralelo. Por ello, una vuelta son 9 hilos y eso se nota en el hueco de la ranura. 

A medida que avanzamos por el bobinado, vamos aislando los lados activos de bobinas de distinta fase,  tapamos ranuras con cañas de tapa, y recortamos los excesos de aislante de ranura.

bobinado 7