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.
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.
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.
En la figura se observan algunos detalles destacables, como el aislamiento de los extremos de los grupos, aislamiento de separación interna en la ranura del lado activo de bobinas de distinta fase, la disposición de un soporte de madera para manejar bien el bobinado, y si se desea comprobar, también puede compararse la disposición de principios y finales de los grupos con la disposición mostrada en el esquema del bobinado mostrado por la calculadora de bobinados. Hay que resaltar que coinciden los extremos de los grupos en todas las fases, y también las ranuras de inicio y final si el bobinado fuese ejecutado con grupos en serie, pero en nuestro caso están conectados en paralelo. De las dos formas es válido, así que proseguimos con la seguridad de que estamos ejecutando correctamente el bobinado. Los extremos de los grupos están cortados a medida de la conexión y las puntas están siendo peladas para poder soldar. Se ha puesto un aislante en forma de tubo a cada extremo de cada grupo.
Primero se recortan convenientemente todos los extremos del lado de los finales de los grupos. Se conectan en estrella en un único punto con una cantidad total de 183 hilos que previamente habrán sido pelados. Esto requiere del uso de un pelador eléctrico. Nosotros lo hicimos a mano, por última vez, ahora ya tenemos pelador. La gran cantidad de hilos reunidos en un solo punto necesita hacerse con cuidado de no dejar ningún hilo sin aportar corriente a la estrella. Las líneas de final de grupo después se atan también a las cabezas de bobina, de esta forma podemos ahora acometer la conexión de las tres fases y después los sensores.
Una vez preparados los sensores hall con unas porciones de hilo de 0,5mm2 los colocamos en su posición original con pegamento epoxi rápido. Deben quedar enrasados con la superficie del estator. Lo hilos verdes, azules y amarillos corresponden a las salidas de los sensores, y se conectan a la patilla 3 de cada sensor.
En nuestro caso los conductores de los sensores hall y el sensor de temperatura están próximos a la entrada del eje hueco por donde circulan los cables de alimentación y sensores.
Una vez soldados con estaño los hilos a las patillas de los sensores, se aíslan con tubo termorretractil.
En los huecos que hemos limpiado colocaremos los sensores con sus terminales soldados, y añadimos una pequeña cantidad de pegamento epoxi rápido, que permitirá en pocas horas seguir trabajando en el motor para soldar los sensores a sus líneas.
Antes de colocar los sensores hall definitivamente, habremos ensayado que entran en su sitio, no sobresalen de la superficie del estator, se evita así que rocen con el rotor y se destruyan inmediatamente.
En esta figura se ha ensayado un sensor colocándolo en el hueco del núcleo del estator antes de pegar el sensor definitivo.
Se han colocado los sensores en sus huecos con el orden correcto según instrucciones procedentes del motor original, donde se observó este orden.
También el sensor de temperatura convenientemente aislado con tubo aislante se ha introducido en una ranura próxima a los hall, y una vez que el pegamento epoxi lo permite conectamos todos los hilos a sus líneas y atamos con cuerda a las ataduras de las cabezas de bobina.
Podemos decir que el bobinado está terminado. Aún así, comprobaremos que no roza con el rotor colocando las tapas provisionalmente antes de la última revisión.
Una vez que todo está terminado, se monta para detectar rozamiento entre bobinado y rotor, aunque solo se fijen un par de tornillos a las tapas. Cualquier señal de rozamiento requiere apretar el bobinado para que no roce. Pronto se conseguirá evitar que roce, entonces se rocía el bobinado con barniz en spray, o barniz flash incidiendo en el interior de las ranuras.
En esta figura se ve la conexión de las tres fases a cada conjunto de grupos, los sensores hall dirigidos hacia sus líneas, la entrada de los cables al interior del eje hueco, y su sellado con silicona de poliuretano que evita su movimiento y la entrada de agua.
Cuando el barniz se seca, al cabo de pocas horas el motor está listo para funcionar una vez montada las tapas. El proceso de montaje es exactamente el inverso al procedimiento de desmontaje, con la diferencia de la introducción del estator en el rotor que contiene los imanes. En ese caso se coloca el rotor en el suelo y se aproxima verticalmente el estator alineado, colgado de los cables. La atracción magnética hará lo necesario, y será rápido. Solo queda poner tornillos en su sitio.
El Proyecto que estamos desarrollando en el IES de Castuera es el CITE STEAM, tomando como base el uso de las tics en el aula a través de metodologías activas, siendo protagonistas del mismo nuestro alumnado de ESO, Bachillerato y Formación Profesional y teniendo como objetivos los siguientes items:
a)Metodologías activas basada en el trabajo a través de proyectos, trabajo en equipo, en la investigación, en la concepción de traspasar el aprendizaje a contextos reales, aprendiendo a través de juegos, cambiando la metodología utilizada hasta el momento para colocar al alumnado en el centro de su propio aprendizaje a través de, por ejemplo, clases invertidas, donde desarrolle la capacidad de transmitir los conocimientos adquiridos; concibiendo la multidisciplinaridad como eje central motivando y fomentando la autonomía del alumnado a través de la tecnología. Este tipo de metodología nos va a permitir eliminar la brecha de género a través de la investigación. Y el trabajo en equipo va a contribuir a que la inclusión no solamente pertenezca a intenciones sino que sea una realidad en nuestras clases, descubriendo, utilizando, analizando, respetando y conociendo diferentes concepciones y maneras de vida.
Estas metodologías activasgirarán entorno a la utilización de diferentes aplicaciones y plataformas digitales que nos van a permitir (a docentes, alumnos y familias): elaborar videos, audios o fotos; crear hoja de ruta para el aprendizaje; crear tablones de anuncios; fomentar el aprendizaje visual; debates online con diferentes centros; apoyar y fomentar el bienestar de nuestro alumnado y docente, crear páginas web, conocer diferentes realidades creando también realidades virtuales, promover el uso responsable de Internet; descubrir el mundo que nos rodea , crear herramientas para la resolución de conflicto a través del diálogo, etc.
Además, queremos compartir experiencias científicas en directo trasladando las ciencias a la calle; organizar actividades con la Universidad de Extremadura y el Museo de Arte Contemporáneo Helga de Alvear (Cáceres) entre otras instituciones.
Los motores BLDC también llamados brushless son motores que funcionan de forma similar a un motor trifásico, aunque su tensión de alimentación procede de un inversor electrónico alimentado por corriente continua desde una batería.
La tensión que recibe el motor es trifásica y puede tener forma cuadrada o senoidal dependiendo del inversor que lo alimenta, que en adelante llamaremos “controladora”
La controladora recibe tensión continua y ofrece tensión alterna de frecuencia variable, cuya onda está construida a base de impulsos PWM con valores de tensión y frecuencia tales que pueden producir a la salida el valor de tensión trifásica deseada para alimentar al motor.
Si entendemos que el motor BLDC se comporta como un motor síncrono, entonces el momento de aplicación de la tensión debe coincidir con una posición del rotor determinada, que la definen las masas polares cuando pasan frente a los sensores hall. En esos momentos, los sensores envían una señal eléctrica a la controladora, que administra frecuencia y fase de la tensión al motor.
En resumen, hay algunas características esenciales de estos motores que deben tenerse en cuenta:
-Los motores BLDC son motores trifásicos con modo de funcionamiento síncrono.
-Motor BLDC y controladora están sincronizados a través de la línea trifásica de alimentación y a través de las líneas de feedback de los sensores hall.
-Los sensores hall se alimentan de tensión continua a 5Vcc procedente de la controladora, y envían a la controladora el impulso de tensión que corresponde a la posición del rotor.
-Las tarjetas controladoras son electrónicas, con control a microprocesador, y etapa de potencia de salida a transistores.
-El motor BLDC se alimenta de tensión alterna trifásica, procedente de la controladora que es alimentada por tensión continua procedente de una batería. Por lo tanto la controladora es un inversor variador de frecuencia específico para motor BLDC.
En lo sucesivo vamos a abrir algunos modelos usuales de motor BLDC para analizar en su interior a los elementos que aquí hemos mencionado, como los sensores, imanes y bobinado.
Abriremos para analizar, dos tipos de motor: Un motor de 5KW tipo axial, y dos motores de 1,5kw BLDC estandard.
Este motor BLCD tiene 5KW de potencia disponible cuando se alimenta desde una controladora alimentada a 48Vcc.
Tiene un eje de 22,2mm de diámetro con chavetero.
Gira a 4500 rpm como máximo antes de que su funcionamiento sea inestable.
Se usa ampliamente en motos eléctricas, especialmente en motos de cross y scooters eléctricos. También se usa en microcoches urbanos eléctricos de 2 plazas, y una de sus aplicaciones más interesantes es como motor de kart eléctrico de competición. En ese caso puede utilizarse la misma versión de motor con refrigeración líquida, debido a la alta exigencia de potencia y para mantener limitada la temperatura del motor, y sobre todo la temperatura de las masas magnéticas de neodimio que se pueden deteriorar. También sufren los pegamentos y resinas interiores y los sensores hall.
En nuestro caso no exigimos un uso tan intensivo a este motor, y disponemos de su versión con ventilador unido al eje. Vamos a abrir este motor para analizar su interior.
Vemos que la carcasa de la tapa dispone de aletas disipadoras de calor en dirección de la salida del aire que el ventilador mueve.
Es un sistema de refrigeración mecánica. Su eficiencia depende de la velocidad de giro del ventilador unido al eje, del estado del propio ventilador, y de la limpieza del motor o ausencia de polvo entre las aletas.
Para retirar este ventilador hay que retirar primero la arandela de anillo circlip exterior con ayuda de un alicate de abrir circlips.
Después veremos si el ventilador puede salir sin herramienta, y en caso contrario usaremos un extractor de rodamientos.
El ventilador no ofrece mucha resistencia al retirarlo del eje, aunque ha sido necesario el uso de un extractor de dos patas.
El ventilador es de plástico, y si se resiste a salir entonces debemos tener cuidado de no dañarlo porque el extractor tira con fuerza de él.
En este caso no es necesario colocar el motor en ningún soporte, aunque siempre conviene mantenerlo sujeto mientras se manipula.
El motor tiene la salida de los cables por un lateral de la carcasa, y no existe caja de bornes, sino tres cables de fase y una manguera con los cables de los sensores Hall.
Se han retirado los tornillos allen de lata tapa. 4tornillos que sujetan la tapa a la carcasa y 4 tornillos que unen la tapa al disco que aparece en la imagen.
Los núcleos de las bobinas del motor están unidos por ese disco que además debe ser refrigerado por la tapa conduciendo el calor a través de grasa termoconductora.
Hay espacio suficiente entre las bobinas y la carcasa, los cables entran por ese espacio. Las fases como siempre son verde, azul y amarilla. La manguera negra lleva sensores hall.
Vamos a retirar también la tapa del lado del acoplamiento.
Aquí vemos el disco del polo común superior lleno de grasa termoconductora.
Más abajo, se reúnen los núcleos de dos bobinas adyacentes en un yugo que se enfrenta a un iman de neodimio del rotor.
En el fondo de la imagen se ve un disco de fibra de vidrio en verde, que contiene tres sensores hall soldados.
Al sacar la carcasa del estator, vemos las bobinas individuales al descubierto. Los terminales de cada bobina son dos y están aislados mediante unos tubos blancos.
Los cables de las fases llevan puestas sus protecciones pasa-tapa.
Se observa que el disco polar superior tiene un espesor considerable para ofrecer baja reluctancia magnética, teniendo en cuenta la alta inducción ala que se le somete, debido a las altas intensidades de corriente del motor.
Nótese aquí la disposición axial de las bobinas para una interacción axial de los campos magnéticos del motor. El disco superior es una zapata colectora de los polos consecutivos y el rotor tiene los imanes de neodimio con los polos dispuestos en el disco inferior, donde están pegados según se ve en la figura
El resultado es una interacción de campos en la dirección del eje, porque los campos generados por las bobinas y los campos que presentan los imanes se enfrentan en la superficie del disco inferior, que está soldado al eje.
En este modelo veremos que tiene cierta calidad de ejecución respecto del tipo 3, atendiendo al terminado y ejecución.
Este es un tipo de motor de los utilizados en patinetes de alta potencia y motos scooter eléctricos.
Tienen un alto par desde bajas revoluciones y son motores silenciosos. Este modelo concreto no tiene refrigeración, y su carcasa es cerrada con superficie lisa. Tiene un eje liso de 12mm de diámetro y se instala mediante tornillos M5 en la tapa delantera.
Son varios los distribuidores que lo incluyen en su catálogo.
Para comenzar, retiramos los tornillos de la tapa delantera, y abrimos la máquina para ver su interior.
Antes de comenzar, marcamos las tapas y la carcasa. En este caso con un granete. Precaución con eso, podemos dañar la máquina.
Una vez despegada la tapa de la carcasa, usaremos un extractor de rodamientos para retirarla, pues el rodamiento delantero está alojado esta tapa.
Hemos usado un tornillo de banco como base para que el motor no descanse sobre sus cables. No está sujeto porque el eje no sale de la tapa trasera.
Los tornillos de la tapa atraviesan el motor desde una delante hasta la tapa trasera pasando por unos huecos en el núcleo magnético. Si no hubiésemos marcado las tapas sería muy difícil encontrar la forma de colocar nuevamente los tornillos.
Una vez abierto, vemos el interior, el bobinado, y el rotor con el eje de punta y detalle del chavetero.
Las bobinas, son múltiplo de 3, como es natural. El hilo llena casi por completo las ranuras y cada bobina está formada por varios hilos en paralelo para poder manejar el bobinado en tan pequeño espacio. Todas las ranuras comparten bobinas de distinta fase, sin aislamiento entre ellas, y están cerradas por una tapa de fibra de vidrio.
Se observa que el entrehierro es mínimo, también se ve un exceso de pegamento azul en el rotor, que sirve de contrapeso para evitar vibraciones a alta velocidad.
Por último queda claro que los imanes del rotor han sido pegados directamente al tambor de hierro del rotor, con pegamento específico epoxi.
El hueco restante entre el bobinado y la carcasa hace pensar que el mismo motor puede albergar nucleos y/o bobinado diferente, por ejemplo para motores de 1,5kw y 2kw.
Apenas hay diferencias destacables para esta foto respecto de la anterior, únicamente citar las arandelas alabeadas que comprimen el rodamiento en su alojamiento de las tapas. No debemos olvidar que si falta, el eje puede desplazarse longitudinalmente llegando a dañar los asientos de rodamientos y finalmente perderá el centrado.
Los imanes, en número de 10, están formados por secciones circulares de masas magnéticas de neodimio y su polaridad es norte exterior 5 piezas y sur exterior 5 piezas.
El pegamento epoxi usado para pegarlos al núcleo, es la única forma de unión usada aquí, pues no hay cola de milano, ni ranura de sujeción alguna. Por ello, el pegamento debe asegurar la unión en condiciones de alta velocidad y con cierta temperatura de funcionamiento.
En esta figura se observan varios detalles, como la situación de los sensores hall, que forzosamente deben haber sido instalados después de terminar el bobinado y cerrar las ranuras con su cuña de cierre, pues los hall están alojados justamente en un hueco practicado sobre la ranura para alojar y pegar allí al sensor sin riesgo de que el rotor lo roce.
Vemos que los cables de los sensores se han incorporado a la atadura de las cabezas de las bobinas, aunque lo han hecho después.
Vemos que el material de aislamiento aislamiento es escaso, y se limita al aislamiento de ranura, que no entorpece por sobrar. El aislamiento interfase se confía por entero al propio esmalte del hilo. Esto puede explicarse por la baja tensión de alimentación del motor, aunque no lo justifica por completo en nuestra opinión.
Al igual que en la parte trasera del bobinado, aquí también hay espacio libre entre la carcasa y tapa respecto del bobinado, lo que debería permitir un rebobinado relativamente cómodo.
MOTOR TIPO 3.
Igualmente es un motor BLDC de 48V, con una potencia de 1,8kw según el fabricante.
En este caso el eje de 12 mm de diámetro tiene rosca M6 en la punta para sujetar un piñón para cadena.
Este tipo de motor está indicado en patinetes de alta potencia, y vehículos de movilidad eléctrica personal de bajo coste.
El motor es un modelo de bajo precio, y fabricación china.
Empezamos el análisis de este motor con la retirada de su tuerca, arandela y piñón evitando dañar la rosca o el eje. Hay que tener en cuenta la calidad de la tornillería de los modelos chinos de bajo coste.
En este caso, este modelo ni siquiera tiene un conector específico para los sensores hall, únicamente tiene puestos los espadines en los terminales hall, pero sin carcasa. Esto es algo que no nos preocupa, pues tendemos a unificar este tipo de conectores en uno o dos únicos modelos.
Una vez retiradas las tapas se muestra el interior, que similar al modelo 2 mostrado antes.
Una diferencia es el mayor calibre de hilo, con menor número de espiras seguramente.
Los sensores hall tienen una disposición similar, también carece de esmero en el aislamiento, incluso destaca el uso de bridas de plástico.
Se aprecia claramente el centro de estrella marcado sobre su tubo aislante con un punto y una Y.
El espacio libre restante aquí es menor que en el motor tipo 2.
El rotor visto desde la punta delantera tiene 6 masas polares norte/sur en forma de sector circular pegados al tambor.
No se aprecian elementos de equilibrado del rotor.
El tambor está aligerado y dispone de ranuras de tope para los sectores magnéticos, también tiene unas ranuras de aproximación de los topes cuando en ellas se introduce la varilla separadora. Suponemos este método de sujeción como complemento al uso de pegamento como el modelo de motor anterior.
