Con el desarrollo anual de la industria de vehículos de nuevas energías, la producción y venta de vehículos eléctricos han experimentado un crecimiento explosivo, lo que ha aumentado cada vez más la demanda de motores de alto rendimiento y alta eficiencia. El Ministerio de Industria y Tecnología Informática y la Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma han propuesto un plan para... En 2025, se logrará una potencia específica superior a 4 kW/kg en vehículos de pasajeros, impulsando aún más la búsqueda de una mayor densidad de potencia en los motores eléctricos. La eficiencia, ligereza, miniaturización y bajo costo de los sistemas de propulsión eléctrica son las tendencias del futuro; mientras que la integración de los sistemas de propulsión eléctrica y la utilización de bobinados planos para los motores constituyen las principales vías tecnológicas para lograr ligereza y miniaturización. Los bobinados planos han experimentado un rápido desarrollo gracias a sus ventajas únicas frente a los bobinados circulares, convirtiéndose en una dirección clave en la investigación y el desarrollo de motores para vehículos de nuevas energías. Los motores con bobinados planos ya son ampliamente adoptados tanto en China como en el extranjero, y la tasa de penetración de estos motores en modelos de nuevas energías aumenta año tras año. En este artículo, presentaremos brevemente la tecnología de bobinados planos y realizaremos un análisis comparativo para demostrar las ventajas de los motores con bobinados planos. Introducción Proceso de producción y fabricación de motores con bobinas en forma de horquilla; resumen de las nuevas tecnologías y procesos aplicados a los motores de cables planos en los últimos años, así como las futuras líneas de investigación para su optimización, con el fin de ofrecer una referencia para la investigación en motores de cables planos.
1. Introducción a la tecnología de motores de cable plano
Motor de devanado en barra ( Motor con bobinado en barra («motor de alambre plano», según la terminología habitual en China): La tecnología del motor de alambre plano se refiere a un tipo de motor en el que el estator utiliza devanados de alambre de cobre plano en lugar de los devanados originales de alambre de cobre redondo. Asimismo, este término abarca un conjunto de tecnologías específicas que optimizan la estructura del estator y del rotor, mejoran el sistema de refrigeración y optimizan la gestión del control, teniendo en cuenta la particular estructura de los devanados de alambre plano. Los devanados de alambre de cobre plano implican cambios en la configuración de las ranuras del estator del motor, sustituyendo los conductores redondos múltiples y finos por conductores rectangulares menos numerosos pero más gruesos. Gracias a sus ventajas—como dimensiones compactas, alta tasa de llenado de ranuras, alta densidad de potencia, excelentes prestaciones NVH, así como mejores propiedades de conducción térmica y disipación de calor—los motores de alambre plano han ganado amplia aceptación en el sector de los vehículos de nueva energía.
2. Comparación entre motores de cable plano y motores de cable redondo

Las pérdidas de energía en los motores incluyen principalmente las pérdidas por cobre del motor, las pérdidas por hierro del motor, las pérdidas por rozamiento con el aire y las pérdidas parásitas. Entre ellas, las pérdidas por cobre del motor representan casi el 70%. Reducir estas pérdidas por cobre puede disminuir significativamente las pérdidas de energía del motor y aumentar su densidad de potencia. La fórmula para calcular las pérdidas por cobre en corriente continua es la indicada en la ecuación ( 1) Como se muestra, las bobinas de alambre plano, al utilizar alambres rectangulares de cobre en lugar de alambres redondos y finos, presentan una variación significativa en la sección transversal, lo que permite reducir eficazmente la resistencia de la bobina y, por ende, disminuir el consumo de cobre. Además, las bobinas con conductores rectangulares tienen un espacio más reducido entre los alambres planos en comparación con las bobinas de conductores redondos y finos; así, en un mismo volumen de ranura estatórica, es posible alojar una mayor cantidad de alambre de cobre, lo que resulta en una tasa de relleno de ranura superior. Mientras que en los motores con alambres redondos la tasa de llenado de ranuras ronda el 40%, en los motores con alambres planos puede alcanzar hasta el 70%. Con una alta tasa de llenado de ranuras, para una misma potencia del motor, la cantidad de alambre de cobre utilizada en los motores con alambres planos es menor, lo que permite reducir las dimensiones del núcleo de hierro y de las extremidades del estator, consiguiendo así un motor más compacto. Esto no solo ahorra material, sino que también mejora aún más la densidad de potencia del motor.

En comparación con los motores de alambre redondo, los motores de alambre plano presentan ranuras estatoricas de menor tamaño, lo que permite reducir eficazmente el par de salto de dientes y, por ende, disminuir el ruido electromagnético. Además, los conductores rectangulares son más rígidos, lo que contribuye a atenuar el ruido del inducido. Combinado esto con una optimización estructural y de los polos magnéticos del rotor, se logra un rendimiento superior. Rendimiento NVH[1].

Los extremos del devanado del motor de cable plano se enrollan en formas especiales, como onduladas, triangulares, escalonadas, etc., como se muestra en la figura. Como se muestra en la Figura 2, se ha logrado reducir eficazmente las dimensiones de las extremidades del devanado, lo que favorece la miniaturización y la reducción de peso [2]. Al mismo tiempo, los conductores rectangulares disminuyen el espacio vacío interno, aumentando así la superficie de contacto entre los conductores entre sí y entre los conductores y las ranuras del núcleo de hierro, lo que mejora notablemente las propiedades de conducción térmica y disipación de calor. Entre los conductores en las extremidades del devanado se deja un espacio mínimo de aire, lo que facilita aún más la disipación de calor; además, la combinación con la tecnología de enfriamiento por inyección de aceite en las extremidades optimiza aún más el rendimiento térmico del motor de cables planos. En condiciones de aumento de temperatura más bajo, el vehículo presenta un mejor desempeño en aceleración, mejorando efectivamente la dinámica del vehículo a altas temperaturas.

Los motores con cables planos también presentan ciertas limitaciones, ya que son bastante afectados por el efecto de piel. El efecto de piel (o efecto de superficie) implica que, cuando en un conductor circula una corriente alterna o un campo magnético variable, la distribución de la corriente dentro del conductor no es uniforme: cuanto más cerca esté la corriente de la superficie del conductor, mayor será su densidad. Esto reduce el área efectiva de cobre disponible para la conducción de corriente, aumentando así la resistencia equivalente del devanado y, consecuentemente, las pérdidas por corriente alterna a altas frecuencias. La relación entre longitud y anchura del conductor, la dirección de colocación y la distribución de fases del devanado influyen todos ellos en el efecto de piel. En particular, los devanados con bobinas situadas en la misma ranura presentan un efecto de piel más pronunciado que aquellos con bobinas en ranuras diferentes. A igual profundidad y anchura de ranura, aumentar el número de capas del conductor resulta beneficioso para reducir el efecto de piel y, por ende, disminuir las pérdidas por corriente alterna del motor a altas velocidades, mejorando así su rendimiento. Otra limitación al desarrollo de los motores con cables planos es el elevado costo de sus líneas de producción automatizadas, que supera el de las líneas automáticas para estatores con cables redondos. De 2 a 3 veces, la inversión inicial de la empresa es enorme.
3. Clasificación de motores con cables planos
Los motores de alambre plano se pueden clasificar, según el tipo de producto, en motores de alambre plano con bobinado concentrado, motores de alambre plano con bobinado en serpentín y... Motor de cable plano con horquilla para el cabello, cuya tecnología de cable plano con horquilla para el cabello es una técnica principal ampliamente adoptada.

El devanado concentrado está formado por alambre de cobre plano enrollado en un solo diente, como se muestra en la figura. Como se muestra en la figura 3(a), en esta configuración, cada diente está equipado con un solo devanado de dientes. Debido a que las extremidades de los bobinados, con su corta distancia entre espiras, permiten reducir eficazmente el tamaño de las extremidades, este diseño resulta más sencillo en términos de procesamiento en comparación con los motores con cables planos tipo «Hairpin». Sin embargo, esta estructura presenta desventajas como una mayor pulsación del par motor y fuerzas radiales más complejas, debido a la abundancia de armónicos fraccionarios. Para reducir el par de ranura y las fluctuaciones del par motor, es necesario garantizar, en el proceso de ensamblaje, la redondez, la coaxialidad y una distribución uniforme entre los dientes; por lo tanto, las exigencias de montaje son más elevadas. La tecnología de devanados concentrados se utiliza ampliamente en el ámbito de los motores industriales, y algunas fabricantes también están investigando su aplicación en el sector de los motores para vehículos de nuevas energías. Por ejemplo, Honda ha adoptado esta tecnología en sus modelos híbridos Acura, logrando excelentes resultados gracias a su particular devanado concentrado en ranuras fraccionarias, su estructura estatórica dividida en segmentos y las correspondientes técnicas de optimización. El motor PHEV-P2 de la serie 270 de Songzheng, que emplea la tecnología de devanados concentrados, se ilustra en la figura 3(b) y aprovecha sus ventajas únicas en aplicaciones híbridas.

El motor con bobinado en forma de lámina plana utiliza un método en el que las bobinas se enrollan de manera continua para formar una pieza integral antes de ser insertadas, o bien se enrollan y se insertan simultáneamente en las ranuras del estator, dando lugar a extremos en forma de onda. En comparación... El motor con bobina plana en forma de horquilla no presenta puntos de soldadura, lo que permite reducir aún más la altura de las extremidades del devanado y disminuir el tamaño del motor. Sin embargo, este tipo de conjunto estatorial presenta ranuras de mayor anchura, lo que resulta en un par de dientes más elevado, una mayor pulsación del par y peores prestaciones NVH; por ello, es necesario combinarlo con un diseño optimizado multiobjetivo electromagnético y otras medidas para mejorar su rendimiento. Asimismo, su costo de producción es superior al del motor con bobina en forma de horquilla. La bobina en forma de horquilla (o en forma de U) recibe este nombre porque su configuración de devanado se asemeja a una horquilla: se preforma uno de los extremos de un alambre de cobre plano recubierto con esmalte en forma de U, luego se inserta en las ranuras del núcleo de hierro del estator, mientras que el otro extremo se procesa mediante torsión hasta adoptar la forma de patas de rana y posteriormente se suelda para formar un devanado ondulado[3]. Otra técnica de devanado, conocida como bobina en forma de I, consiste en insertar directamente alambres rectos de cobre en las ranuras del núcleo de hierro del estator y, luego, torcer ambos extremos simultáneamente hasta darles la forma de patas de rana y soldarlos para obtener un devanado en espiral, eliminando así el proceso previo de preformado empleado en la bobina en forma de U. Tanto la bobina en forma de U como la bobina en forma de I pertenecen a la segunda generación de devanados axiales empotrados. En comparación entre ambas, su eficiencia máxima y su par máximo son similares; sin embargo, la bobina en forma de I presenta una mayor tasa de llenado de ranuras, un par continuo más alto y una potencia continua superior. Debido a que la bobina en forma de I tiene el doble de puntos de soldadura, sus extremidades de devanado son ligeramente más grandes y, además, existe un mayor riesgo de fallo en los puntos de soldadura. El proceso de devanado en forma de horquilla es actualmente una metodología ampliamente empleada tanto en China como en el extranjero.
4. Proceso de la bobina de emisión de tarjetas

发卡技术是一种大规模、高质量、低周期定子生产技术，该工艺链主要由以下五步组成：成型（漆包铜扁线的较直、剥线、切割、弯曲）、插入（定子槽槽衬以及发卡线圈组合插入）、扭头、焊接与绝缘 [4]. La ilustración de los pasos del proceso se muestra en la Figura 4.

Además de la aislación mediante una película de esmalte entre los alambres de cobre del devanado de la tarjeta, también se incorpora un forro para las ranuras del estator que separa los conductores entre sí, eliminando así el contacto directo entre espiras o entre los conductores y el núcleo de hierro del estator, lo que mejora el rendimiento aislante y refuerza la protección contra cortocircuitos. Por ello, es necesario insertar papel aislante para ranuras; las formas más comunes de este papel para ranuras son: Los tipos O, C, B y S se muestran en la Figura 5. El revestimiento de ranura tipo B elimina las holguras en las esquinas que presentan los revestimientos de ranura tipo S, reforzando así la protección contra fallas por cortocircuito [5].

En el proceso de inserción de papel, se introduce previamente el papel para ranuras aislantes en las ranuras del estator. A medida que aumenta el número de capas de cables planos, la dificultad del proceso también aumenta considerablemente. El proceso de conformado de PIN incluye técnicas como el conformado por estampación, el conformado mediante máquinas de muelles y el conformado automático con equipos CNC. El primer método es rápido y económico, pero causa mayor daño al alambre de cobre; en cambio, el segundo método es más versátil y provoca menos daño al alambre de cobre, aunque su costo de equipamiento es más elevado. Tras el conformado de los PIN, estos se insertan previamente en una herramienta de conformación adaptada a su forma. A medida que aumenta el número de capas del alambre plano, también se dificulta la inserción automática entre los conductores. A continuación, todos los PIN insertados en la herramienta de conformación se introducen en su totalidad en el núcleo ferromagnético según las dimensiones diseñadas; esta etapa exige una alta precisión en el equipo utilizado. Posteriormente, mediante procesos de ensanchamiento, torneado y corte plano, se alisan y acomodan los extremos del devanado para facilitar la soldadura. Actualmente, las soldaduras TIG y láser son las más populares para motores con alambres planos; además, otras empresas están experimentando con métodos de soldadura como la soldadura fría CMT. Una vez finalizada la soldadura, es necesario realizar primero pruebas eléctricas sobre el devanado, tales como la medición de la resistencia y la inductancia por fase, así como su equilibrio, y también pruebas de rigidez dieléctrica y resistencia eléctrica. Solo después de superar estas pruebas se procede a la aplicación del recubrimiento. El proceso de recubrimiento varía según el material empleado: puede ser por pulverización en polvo o por aplicación líquida; el orden de estos procesos difiere ligeramente entre ambos métodos. En el caso del recubrimiento en polvo, primero se aplica el recubrimiento y luego se sumerge en barniz; en cambio, en el recubrimiento líquido, primero se sumerge en barniz y posteriormente se aplica el recubrimiento. Respecto al proceso de impregnación en barniz, existen diversas técnicas según el material utilizado: impregnación tradicional, impregnación al vacío, impregnación al vacío con presión, impregnación por goteo e impregnación con luz ultravioleta extrema (EUV).
5. Tendencias de desarrollo de la investigación
5.1 El número de capas conductoras aumenta gradualmente

Como se muestra en la figura Como se muestra en la figura 6, el aumento del número de capas conductoras puede reducir eficazmente las pérdidas por corriente alterna en cobre, disminuyendo así las pérdidas totales de cobre del motor y mejorando su rendimiento general. Para reducir aún más las pérdidas por corriente alterna a alta frecuencia causadas por el efecto pelicular, los motores de bobina en forma de diente han adoptado una estrategia de incrementar progresivamente el número de capas conductoras, pasando de las soluciones ya implementadas de 4, 6 y 8 capas hasta las que actualmente se están estudiando: 12 y 16 capas. La dificultad principal en esta investigación radica en las limitaciones del nivel tecnológico y en el control de los costos de fabricación [6].

5.2 Optimización del aislamiento

El papel aislante para ranuras más complejo hace que los pasos del proceso de instalación sean más complicados y, al mismo tiempo, exige una mayor precisión en los equipos de instalación CNC. Por lo tanto, la investigación sobre procesos aislantes aún mejores se ha convertido en una dirección importante. Chevrolet El motor Bolt simplifica el forro del ranurero aislante, utilizando un aislamiento de ranura más sencillo en dos piezas para proteger el devanado contra cortocircuitos con el núcleo estatórico. El nuevo diseño, mostrado en la figura 7(a), elimina el aislamiento entre conductores en comparación con el aislamiento tipo S o tipo B, lo que aumenta aún más la tasa de llenado de la ranura y simplifica el proceso de fabricación del estator. Al mismo tiempo, para minimizar el potencial de tensión entre los conductores dentro de la ranura, General Electric ha realizado optimizaciones pertinentes en la disposición del devanado. Asimismo, se ha añadido una capa aislante de polímero de alta resistencia por fuera de la capa aislante básica del conductor, como se muestra en la figura 7(b), lo que permite prescindir del forro del ranurero y resolver así el problema del aislamiento entre espiras del devanado, simplificando así el proceso de producción[2].

5.3. Adopción generalizada de la tecnología de enfriamiento por aceite El calor del devanado debe pasar a través de la capa aislante dentro de la ranura. —El camino más largo del núcleo de hierro del estator y la carcasa es el que recorre el agua, y la resistencia térmica presente en este trayecto puede fácilmente generar puntos calientes locales, lo que hace que el sistema de refrigeración por agua sea poco eficiente. La refrigeración por aceite, que permite un contacto directo con la fuente de calor y no afecta el circuito magnético del motor, se ha convertido en un tema de investigación de gran interés debido a su mayor eficiencia en la disipación térmica. El principal punto de generación de calor en el motor se concentra en las extremidades de los devanados; la tecnología única de refrigeración por inyección de aceite en las extremidades de los motores con bobinas planas permite una disipación térmica aún más efectiva. Técnicas como la refrigeración por circuito de aceite, la refrigeración por inyección de aceite, la refrigeración por centrifugación en el eje y la refrigeración por circulación cerrada de aceite en el estator han obtenido amplia aplicación e investigación en motores con bobinas planas.
6. Palabras finales
El rápido desarrollo de los vehículos de nuevas energías ha llevado al motor de bobina plana a ganar una amplia aceptación gracias a sus ventajas únicas, y su tasa de penetración aumenta año tras año. El motor de bobina plana reviste una importancia crucial en la investigación aplicada para lograr la miniaturización, la ligereza y la alta densidad de potencia en los motores de vehículos de nuevas energías. En este artículo se presenta brevemente un análisis de las ventajas del motor de bobina plana frente al motor tradicional de bobina redonda, así como los procesos de fabricación habituales para las bobinas en forma de tarjeta, y se abordan también las tendencias actuales en la investigación y el desarrollo de la tecnología de motores de bobina plana, con el fin de ofrecer una referencia que fortalezca el conocimiento y la investigación sobre estos motores y sus tecnologías relacionadas. Fuente: Facultad de Ingeniería Mecánica, Eléctrica y Vehículos de la Universidad de Comunicación y Transporte de Chongqing Lan Pengyu