ES2902402T3 - Bobina de molde con bobinado anterior con cinta de mica - Google Patents

Abstract

Bobina de un bobinado de estátor (12) de una máquina eléctrica (4), - donde la bobina es una bobina plana que se compone de un número de espiras (14) que están enrolladas junto con un número de capas de una cinta de mica (15), sobre la cual a su vez está enrollado un número de capas de una cinta de cubierta (16), donde - la bobina plana enrollada de ese modo, a continuación, está diseñada como bobina de molde tridimensional, - la cinta de mica (15) presenta una resistencia a la flexión según DIN EN 60371-2 (versión 2005) de menos de 50 N/m, y entre su lado superior y su lado inferior presenta un coeficiente de fricción estática según DIN EN ISO 8295 (versión 2004) de menos de 0,7, y - la cinta de cubierta (16), entre su lado superior y su lado inferior, presenta un coeficiente de fricción estática según DIN EN ISO 8295 (versión 2004) de menos de 0,7, y la cinta de cubierta (16) y la cinta de mica (15) están adaptadas una con respecto a otra, de manera que la banda de cubierta (16), con respecto a la banda de mica (15), presenta un coeficiente de fricción estática según DIN EN ISO 8295 (versión 2004) de menos de 0,7, donde la cinta de cubierta (16) en sí misma presenta dos capas (17, 18), de manera que en cada caso una de esas dos capas (17, 18) es un tejido (17) y una lámina (18), y de manera que el tejido (17) se compone de una fibra de vidrio o de un primer polímero de alto rendimiento, y la lámina (18) se compone de un segundo polímero de alto rendimiento.

Description

DESCRIPCIÓN

Bobina de molde con bobinado anterior con cinta de mica

La presente invención hace referencia a una bobina de un bobinado de estátor de una máquina eléctrica,

- donde la bobina está definida según las características de la reivindicación 1.

Además, la presente invención hace referencia a una máquina eléctrica, donde la máquina eléctrica presenta un estátor y un rotor, donde el estátor presenta ranuras del estátor, en las que está introducido un bobinado de estátor, donde el bobinado de estátor presenta bobinas, donde al menos una de las bobinas está diseñada como bobina del modo antes descrito.

Además, la presente invención hace referencia a un accionamiento eléctrico, donde el accionamiento presenta una máquina eléctrica de esa clase, un convertidor y un dispositivo de control para el convertidor, donde la máquina eléctrica, desde el dispositivo de control, mediante el convertidor, puede conectarse a una tensión de suministro que es mayor que 350 V, en particular mayor que 1,0 kV, por ejemplo de hasta 4,5 kV.

Además, la presente invención hace referencia a un vehículo ferroviario, donde el vehículo ferroviario, como accionamiento de tracción, presenta un accionamiento eléctrico de esa clase.

En las máquinas eléctricas, para un aislamiento principal, sobre las bobinas del bobinado de estátor se colocan una o varias capas de cinta de mica. Entre otras cosas, esto se realiza para aumentar la resistencia a la humedad y la clasificación térmica de la bobina. En particular en las máquinas eléctricas que se utilizan como accionamiento de tracción de vehículos ferroviarios, esa estructura se protege adicionalmente de las influencias mecánicas mediante una capa de una cinta de tejido - de cubierta. La cinta de tejido - de cubierta presenta exclusivamente una función de protección mecánica. La resistencia a la humedad y la clasificación térmica del aislamiento principal, en cambio, se determinan esencialmente mediante el número de capas de cinta de mica.

En las bobinas diseñadas como bobinas de molde es conocido el hecho de fabricar primero una bobina plana que, debido a su forma, habitualmente se denomina como bucle de pista de carrera (dos rectas largas que están unidas una con otra mediante dos secciones curvadas en forma de un semicírculo). Esa bobina, mediante un proceso de conformación, se moldea después formando la bobina de molde. En las bobinas de molde de esa clase, además, es conocido el hecho de aplicar sobre la bobina las capas de cinta de mica después del conformado de la bobina de molde (tridimensional). Ese proceso en general tiene lugar de forma manual. La aplicación manual de la cinta de mica lleva tiempo y es propensa a errores.

Ya se ha intentado aplicar las capas de cinta de mica sobre la bobina aún plana, antes del conformado de la bobina de molde tridimensional, y moldear la bobina plana ya enrollada con cinta de mica (eventualmente también con la cinta de cubierta), para producir la bobina de molde. Ese procedimiento se conoce como técnica plana. En las bobinas para accionamientos eléctricos, que se utilizan en aplicaciones "normales", ese procedimiento ha resultado viable. Para accionamientos de tracción y aplicaciones similares, en las que la máquina eléctrica del accionamiento está expuesta a condiciones ambientales rigurosas, sin embargo, hasta el momento no fue posible fabricar bobinas de molde de ese modo, que en la práctica presenten la fiabilidad requerida, en particular resistencia a la humedad. En el documento CH 559 451 A5 se describe una bobina, aislada en cuanto a las espiras, para una máquina eléctrica, con un material de aislamiento que puede impregnarse, enrollado alrededor de un conductor, que se superpone de forma parcial, donde el material de aislamiento es en forma de cinta y contiene al menos una capa de mica, y donde sobre ambos lados de la cinta está proporcionada una lámina de plástico. La cinta de aislamiento protege el material de aislamiento, ante todo la capa de mica fina, posibilitando con ello un deslizamiento de cintas de aislamiento contiguas, que se superponen, a modo de escamas, al doblarse el conductor debido a la cubierta, de ambos lados, con una lámina lisa. En el documento US 2479357 A se describe un procedimiento para producir un aislamiento eléctrico de bobinas, donde el aislamiento está diseñado de varias capas, con una cinta de mica, así como con una capa de refuerzo en forma de fibras.

El objeto de la presente invención consiste en brindar posibilidades mediante las cuales, de forma sencilla y de modo conveniente en cuanto a los costes, puedan crearse bobinas de molde, máquinas eléctricas y accionamientos que en particular sean adecuados para una utilización en accionamientos de tracción. El objeto se soluciona mediante una bobina con las características de la reivindicación 1. En las reivindicaciones 2 y 3 dependientes se indican configuraciones ventajosas de la bobina.

Según la invención, una bobina de la clase mencionada en la introducción se conforma de manera que la cinta de mica presenta una resistencia a la flexión según DIN EN 60371-2 (versión 2005) de menos de 50 N/m, y entre su lado superior y su lado inferior presenta un coeficiente de fricción estática según DIN EN ISO 8295 (versión 2004) de menos de 0,7.

Mediante la utilización de una cinta de mica flexible de esa clase se logra que la cinta de mica se coloque casi sin pliegues sobre la bobina, durante el enrollado de la bobina aún plana. Gracias a esto es posible que las capas de cinta de mica puedan desplazarse unas contra otras al moldearse la bobina plana para producir la bobina de molde, sin que queden adheridas capas en los pliegues. Mediante la utilización de una cinta de mica con un coeficiente de fricción estática correspondiente se logra que las capas de la cinta de mica se desplacen unas contra otras de forma reproducible al moldearse la bobina plana para producir la bobina de molde. En particular, mediante la combinación de esas dos propiedades puede lograrse que al moldearse la bobina formando la bobina de molde no se produzcan espacios, de manera que la bobina propiamente dicha (= el número de espiras de conductores metálicos, mayormente conductores de cinta de cobre plana) en todas partes se mantenga aún cubierta de forma fiable por un número suficiente de capas de la cinta de mica.

Según la invención, la cinta de cubierta, entre su lado superior y su lado inferior, presenta un coeficiente de fricción estática según DIN EN ISO 8295 (versión 2004) de menos de 0,7. De este modo, la cinta de cubierta y la cinta de mica pueden estar adaptadas una con respecto a otra, de manera que la cinta de cubierta, con respecto a la cinta de mica, presente un coeficiente de fricción estática según DIN EN ISO 8295 (versión 2004) inferior a 0,7.

Preferentemente, la cinta de mica y el número de capas de la cinta de mica están adaptados uno con respecto a otro de manera que la bobina presenta una clasificación térmica de 200°C o mejor según IEC 60034-18-31 (versión 2017). Esto representa una mejora en comparación con el estado del arte, en donde habitualmente puede alcanzarse una clasificación térmica de 180°. Puede alcanzarse con facilidad una clasificación térmica de 220°, en algunos casos incluso una clasificación térmica de 250°.

Según la invención, la cinta de cubierta en sí misma presenta dos capas, de manera que en cada caso una de esas dos capas es un tejido y una lámina, y de manera que el tejido se compone de una fibra de vidrio o de un primer polímero de alto rendimiento, y la lámina se compone de un segundo polímero de alto rendimiento. Mediante esa configuración puede lograrse que la cinta de cubierta no sólo consiga una función de protección mecánica, sino -aún cuando sólo en un alcance relativamente reducido - una función de protección eléctrica y, sin embargo, una clasificación térmica elevada. El segundo polímero de alto rendimiento en particular puede ser una poliimida. En general, en este caso, el tejido está apartado de las capas de la cinta de mica; la lámina está orientada hacia las capas de la cinta de mica.

El objeto se soluciona además mediante una máquina eléctrica con las características de la reivindicación 4. Según la invención, en una máquina eléctrica de la clase mencionada en la introducción al menos una de las bobinas está diseñada según la invención.

El objeto se soluciona además mediante un accionamiento eléctrico con las características de la reivindicación 5. Según la invención, la máquina eléctrica del accionamiento eléctrico está diseñada según la invención.

El objeto se soluciona además mediante un vehículo ferroviario con las características de la reivindicación 6. Según la invención, el vehículo ferroviario, como accionamiento de tracción, presenta un accionamiento según la invención. Las propiedades, características y ventajas de esta invención, descritas anteriormente, así como el modo de alcanzar las mismas, se aclaran y se vuelven más compresibles con relación a la siguiente descripción de los ejemplos de ejecución que se explican en detalle en combinación con los dibujos. En una representación esquemática, muestran:

Figura 1 un vehículo ferroviario,

Figura 2 un accionamiento eléctrico,

Figura 3 una máquina eléctrica,

Figura 4 un estátor de una máquina eléctrica y una bobina,

Figura 5 un corte transversal a través de una bobina,

Figura 6 una sucesión de capas de cintas,

Figura 7 una vista superior de un lado superior de una cinta de cubierta,

Figura 8 una vista superior de un lado inferior de una cinta de cubierta,

Figura 9 un diagrama de operaciones, y

Figura 10 una bobina plana.

Según la figura 1, un vehículo ferroviario 1 (por ejemplo una locomotora eléctrica) presenta al menos un accionamiento de tracción 2. El accionamiento de tracción 2, según la figura 1, es abastecido de energía eléctrica mediante una catenaria 3. Pero también es posible otra clase de suministro, por ejemplo mediante un accionamiento diesel, que acciona un generador eléctrico.

El accionamiento de tracción 2 es un ejemplo de un accionamiento eléctrico. A continuación, la presente invención se explica con relación al accionamiento de tracción 2. No obstante, el accionamiento eléctrico también podría utilizarse para otros fines. Por tanto, a continuación la denominación "accionamiento" se utiliza de forma general y se utiliza además el símbolo de referencia 2. El accionamiento 2, según la figura 2, presenta una máquina eléctrica 4, un convertidor 5 y un dispositivo de control 6 para el convertidor 5. Además, en muchos casos, un rectificador 7 está dispuesto aguas arriba del convertidor 5. Pero esto no es necesario de forma obligatoria. Desde el dispositivo de control 6, mediante el convertidor 5, la máquina eléctrica 4 puede conectarse a una tensión de suministro U. En caso de que el rectificador 7 se encuentre presente y pueda controlarse, el control del rectificador 7 en general tiene lugar igualmente mediante el dispositivo de control 6.

La tensión de suministro U - por tanto, aquella tensión que se aplica en los bornes del motor de la máquina eléctrica 4 - en general es mayor que 350 V, en particular la mayoría de las veces mayor que 1 kV. Dicha tensión incluso puede ser mayor que 1,0 kV, por ejemplo puede encontrarse entre 2 kV y 3 kV. En algunos casos puede ser de hasta 4,5 kV.

La máquina eléctrica, según la figura 3, presenta un estátor 8 y un rotor 9. El rotor 9, de forma resistente a la torsión, está dispuesto sobre un árbol del rotor 10, que a su vez puede rotar alrededor de un eje de rotación. El estátor 8, según las figuras 3 y 4, presenta ranuras del estátor 11. En las ranuras del estátor 11 está introducido un bobinado de estátor 12 (véase la figura 3). El bobinado de estátor 12 presenta bobinas 13 (véase la figura 4), donde en la figura 4, para una mayor claridad, sólo está representada una de las bobinas 13. La configuración de la bobina 13 es el objeto esencial de la presente invención.

La bobina 13, según la figura 5, se compone de un número de espiras 14. Las espiras 14 habitualmente se componen de cobre, a menudo de una cinta de cobre. En todo caso, sin embargo, las espiras 14 están provistas de un aislamiento eléctrico, no representado expresamente, por ejemplo de una laca de protección. El número de espiras 14 puede depender de lo requerido. El número de cuatro espiras 14 representado en la figura 5 es estrictamente ilustrativo.

Las espiras 14, según la figura 5 - a saber, no de forma individual, sino juntas - están enrolladas con un número de capas de una cinta de mica 15. El número de capas de la cinta de mica 15 puede ser 1. A menudo el mismo es mayor que 1. El número de dos capas representado en la figura 5, sin embargo, es estrictamente ilustrativo. Sobre las capas de cinta de mica 15 - con mayor precisión sobre la capa más externa de cinta de mica 15 - está enrollado un número de capas de una cinta de cubierta 16. El número de capas de la cinta de cubierta 16 puede ser mayor que 1. Pero en general sólo está enrollada una capa de cinta de cubierta 16. La cinta de cubierta 16 en general es la capa más externa de la bobina 13 terminada. Después del enrollado de la bobina 13 con la cinta de cubierta 16, por tanto, la bobina 13 fabricada se introduce en el estátor 9, así como, con mayor precisión, en dos de las ranuras del estátor 11.

En caso de que la bobina 13 se fabrique en la así llamada técnica plana, la cinta de mica 15 debe presentar una flexibilidad lo más elevada posible y un coeficiente de fricción estática lo más reducido posible entre el lado superior y el lado inferior. En particular, la resistencia a la flexión, según DIN EN 60371-2 (versión 2005) debe ubicarse por debajo de 50 N/m. El coeficiente de fricción estática (definido en la misma norma) debe encontrarse por debajo de 0,7. Ejemplos de cintas de mica adecuadas son RikaFibrel E364N y RikaFibrel E464N de la empresa Nippon Rika Group.

Es posible que la cinta de mica 15 presente de forma permanente las propiedades del material antes mencionadas. Sin embargo, las propiedades del material de la cinta de mica 15 deben estar presentes al menos al momento de la fabricación de la bobina 13. En particular, el coeficiente de fricción estática, al momento de la fabricación de la bobina 13, también puede conseguirse mediante una capa de grasa o de aceite entre las capas de la cinta de mica 15. Una capa de grasa o de aceite de esa clase, sin embargo, se encuentra presente aún después de la fabricación de la bobina 13, y se volatiliza sólo después de un periodo más prolongado, de modo que también en el caso de aplicaciones de una capa de grasa o de aceite el coeficiente de fricción estática correspondiente puede considerarse como propiedad del material de la cinta de mica 15. Preferentemente, las explicaciones anteriores relativas a la cinta de mica 15 son válidas también para la cinta de cubierta 16. Preferentemente, por tanto, también la cinta de cubierta 16, entre su lado superior y su lado inferior, presenta un coeficiente de fricción estática según DIN EN ISO 8295 (versión 2004) de menos de 0,7. Además, preferentemente, la cinta de cubierta 16 y la cinta de mica 15 están adaptadas una con respecto a otra, de manera que la cinta de cubierta 16, con respecto a la cinta de mica 15, presenta un coeficiente de fricción estática de esa clase. También son válidas aquí las explicaciones anteriores con respecto a la aplicación de capas de grasa y de aceite.

La cinta de cubierta 16, según las figuras 6 a 8, preferentemente está diseñada como laminado, que presenta una sucesión de dos capas 17, 18. Cada una de esas dos capas 17, 18 es un tejido 17 y una lámina 18. La cinta de cubierta 16 no contiene otros componentes. La lámina 18, por tanto, se sitúa directamente de forma adyacente con respecto al tejido 17. En general, el tejido 17 está apartado de las capas de la cinta de mica 15 y, de modo correspondiente, la lámina 18 está orientada hacia las capas de la cinta de mica 15. En principio, sin embargo, también es posible un orden invertido del tejido 17 y la lámina 18.

El tejido 17 preferentemente se compone de una fibra de vidrio. De manera alternativa, el mismo puede componerse de un primer polímero de alto rendimiento. El primer polímero de alto rendimiento puede ser una poliimida, pero preferentemente es una aramida, en particular una meta(m)-aramida o una para( p)-aramida. La lámina 18 se compone de un segundo polímero de alto rendimiento. El segundo polímero de alto rendimiento puede ser una aramida, en particular una meta(m)-aramida o una para( p)-aramida. Sin embargo, preferentemente, el segundo polímero de alto rendimiento es una poliimida. Un ejemplo de una cinta de cubierta 16 adecuada es Voltaflex GK2797 de la empresa Isovolta AG.

Según la invención, la bobina 13, como puede apreciarse en la figura 4, está diseñada como una bobina de molde tridimensional. Según la invención, además, en correspondencia con la representación en la figura 9, la bobina 13 primero se enrolla como bobina plana en una etapa S1. En la etapa S1, esto se indica mediante la información "2D". La bobina plana está representada en la figura 10 de forma estrictamente ilustrativa. A continuación, en una etapa S2, las capas de cinta de mica 15 y la cinta de cubierta 16 se aplican sobre la bobina plana, por tanto, antes de la conformación como bobina de molde. En la etapa S2, esto se indica mediante la información "15, 16". Sólo a continuación, en una etapa S3, la bobina plana ya enrollada se moldea formando la bobina de molde tridimensional. En la etapa S3, esto se indica mediante la información "3D".

En el proceso de conformación (etapa S3), las capas de la cinta de mica 15 se desplazan entre sí y/o las capas de la cinta de cubierta 16 se desplazan unas contra otras. En algunos casos, también se desplazan unas contra otras las capas más internas de la cinta de cubierta 16, adyacentes con respecto a las capas más externas de la cinta de mica 15. Los desplazamientos son una característica constructiva de las bobinas 13, que resulta del proceso de fabricación.

Con una capa individual de cinta de mica 15 puede alcanzarse una clasificación térmica determinada según IEC 60034-18-31(versión 2017). Cada capa adicional de cinta de mica 15 aumenta la clasificación térmica. Preferentemente, la cinta de mica 15 y el número de capas de la cinta de mica 15 están adaptados uno con respecto a otro de manera que la bobina 13 presenta una clasificación térmica de 200°C o mejor (según la norma mencionada).

Con ello, a modo de resumen, la presente invención hace referencia a la siguiente situación:

una bobina 13 de un bobinado de estátor 12 de una máquina eléctrica 4 se compone de un número de espiras 14 que están enrolladas junto con un número de capas de una cinta de mica 15, sobre la cual a su vez está enrollado un número de capas de una cinta de cubierta 16. La bobina 13 está diseñada como una bobina de molde tridimensional. La cinta de mica 15 presenta una resistencia a la flexión según DIN EN 60371-2, versión 2005, de menos de 50 N/m, y entre su lado superior y su lado inferior presenta un coeficiente de fricción estática según DIN EN ISO 8295, versión 2004, de menos de 0,7.

La presente invención presenta muchas ventajas: En particular para accionamientos de tracción 2 y casos de aplicación similares por primera vez pueden utilizarse máquinas eléctricas 4 con bobinas de molde 13, que se enrollan con cinta de mica 15 y cinta de cubierta 16 antes del proceso de conformación tridimensional. La resistencia a la humedad y el índice de temperatura se mejoran de forma significativa. En particular puede alcanzarse una clasificación térmica de 200°C o mejor. Además, se mejora también la protección mecánica.

Si bien la invención fue ilustrada y descrita en detalle mediante el ejemplo de ejecución preferente, la invención no está limitada por los ejemplos descritos, y el experto puede deducir de éstos otras variaciones, sin abandonar el alcance de protección de la invención.

Claims (6)

REIVINDICACIONES

1. Bobina de un bobinado de estátor (12) de una máquina eléctrica (4),

- donde la bobina es una bobina plana que se compone de un número de espiras (14) que están enrolladas junto con un número de capas de una cinta de mica (15), sobre la cual a su vez está enrollado un número de capas de una cinta de cubierta (16), donde

- la bobina plana enrollada de ese modo, a continuación, está diseñada como bobina de molde tridimensional, - la cinta de mica (15) presenta una resistencia a la flexión según DIN EN 60371-2 (versión 2005) de menos de 50 N/m, y entre su lado superior y su lado inferior presenta un coeficiente de fricción estática según DIN EN ISO 8295 (versión 2004) de menos de 0,7, y

- la cinta de cubierta (16), entre su lado superior y su lado inferior, presenta un coeficiente de fricción estática según DIN EN ISO 8295 (versión 2004) de menos de 0,7, y la cinta de cubierta (16) y la cinta de mica (15) están adaptadas una con respecto a otra, de manera que la banda de cubierta (16), con respecto a la banda de mica (15), presenta un coeficiente de fricción estática según DIN EN ISO 8295 (versión 2004) de menos de 0,7, donde la cinta de cubierta (16) en sí misma presenta dos capas (17, 18), de manera que en cada caso una de esas dos capas (17, 18) es un tejido (17) y una lámina (18), y de manera que el tejido (17) se compone de una fibra de vidrio o de un primer polímero de alto rendimiento, y la lámina (18) se compone de un segundo polímero de alto rendimiento.

2. Bobina según la reivindicación 1, caracterizada porque la cinta de mica (15) y el número de capas de la cinta de mica (15) están adaptados uno con respecto a otro de manera que la bobina presenta una clasificación térmica de 200°C o mejor según IEC 60034-18-31 (versión 2017).

3. Bobina según la reivindicación 1, caracterizada porque el segundo polímero de alto rendimiento es una poliimida.

4. Máquina eléctrica, donde la máquina eléctrica presenta un estátor (8) y un rotor (9), donde el estátor (8) presenta ranuras del estátor (11), en las que está introducido un bobinado de estátor (12), donde el bobinado de estátor (12) presenta bobinas (13), donde al menos una de las bobinas (13) está diseñada como bobina según una de las reivindicaciones 1 a 3.

5. Accionamiento eléctrico, donde el accionamiento eléctrico presenta una máquina eléctrica (4) según la reivindicación 4, un convertidor (5) y un dispositivo de control (6) para el convertidor (5), donde la máquina eléctrica (4), desde el dispositivo de control (6), mediante el convertidor (5), puede conectarse a una tensión de suministro (U), que es mayor que 350 V, en particular mayor que 1,0 kV, por ejemplo de hasta 4,5 kV.

6. Vehículo ferroviario, donde el vehículo ferroviario (2), como accionamiento de tracción, presenta un accionamiento eléctrico según la reivindicación 5.