El ruido y las vibraciones del motor ya no son problemas menores que pueden ocultarse con el diseño de la carcasa. El rendimiento NVH es un indicador crucial de la calidad y la fiabilidad de los motores eléctricos contemporáneos.
Más allá del diseño electromagnético y las estrategias de control, el proceso de apilamiento del estator y el rotor desempeña un papel crucial, aunque a menudo se pasa por alto, en la influencia del ruido y las vibraciones del motor.
Comprender el comportamiento del ruido y las vibraciones en los motores eléctricos
El ruido y las vibraciones en los motores eléctricos son fenómenos complejos que resultan de la interacción de fuerzas electromagnéticas, estructuras mecánicas y condiciones de funcionamiento dinámicas. Para apreciar el papel de los procesos de apilamiento, es importante comprender primero dónde se originan el ruido y las vibraciones.
Fuentes principales del ruido del motor
El ruido del motor suele provenir de tres fuentes principales:
Ruido electromagnético
El ruido electromagnético surge de fuerzas magnéticas variables en el tiempo entre el estator y el rotor, causadas por armónicos de flujo, efectos de ranurado y falta de uniformidad del entrehierro. Cuando estas fuerzas excitan las frecuencias naturales del conjunto del estator, se produce ruido audible.
Ruido mecánico
El ruido mecánico se origina en los cojinetes, los ejes, el desequilibrio, la desalineación y las tolerancias de montaje. Aunque a menudo se trata por separado, está estrechamente relacionado con la rigidez e integridad de los paquetes de estator y rotor.
Ruido aerodinámico
A altas velocidades, las perturbaciones del flujo de aire alrededor de las piezas giratorias generan ruido aerodinámico. Aunque el apilamiento no afecta directamente al flujo de aire, un apilamiento deficiente puede amplificar este ruido al aumentar la vibración.
Entre estas fuentes, el ruido electromagnético es el más sensible a la calidad del apilamiento, ya que este determina cómo se distribuyen y transmiten las fuerzas magnéticas dentro de la estructura del motor.
Cómo se genera y transmite la vibración
La vibración se produce cuando las fuerzas de excitación actúan sobre los componentes del motor y superan la capacidad de amortiguación del sistema. Estas fuerzas pueden tener su origen en armónicos electromagnéticos, desequilibrios del rotor o defectos mecánicos.
Una vez generadas, las vibraciones se propagan a través de:
- Las laminaciones del estator y las interfaces de apilamiento
- Las capas aislantes y los materiales de unión
- La carcasa del motor y las estructuras de montaje
La pila del estator suele actuar como el principal radiador de vibraciones. Si los procesos de apilamiento introducen una rigidez desigual o tensiones residuales, los niveles de vibración aumentan y se vuelven más difíciles de controlar mediante la amortiguación externa.
NVH como resultado a nivel de sistema
El rendimiento NVH es el resultado de múltiples factores que interactúan entre sí, no de un único elemento influyente. En cambio, es el resultado de las interacciones entre:
- Diseño electromagnético
- Estructura mecánica
- Los procesos de fabricación
El proceso de apilamiento se encuentra en la intersección de estos ámbitos, influyendo tanto en el comportamiento magnético como en la integridad mecánica. Incluso un modelo electromagnético bien diseñado puede no alcanzar los objetivos de NVH si la calidad del apilamiento es inadecuada.
¿Qué es el apilamiento de motores?
El apilamiento de motores se refiere al ensamblaje de laminaciones de acero eléctrico individuales en un núcleo de estator o rotor unificado con una longitud axial definida y estabilidad mecánica.
El proceso de apilamiento cumple varias funciones críticas:
- Establece la trayectoria del circuito magnético.
- Define la geometría y la consistencia del entrehierro
- Proporciona rigidez estructural.
- Permite la integración con ejes, carcasas y bobinados
Mientras que el estampado de laminados determina la precisión de cada lámina, el apilamiento determina cómo se comportan estas láminas colectivamente bajo cargas electromagnéticas y mecánicas.
Apilamiento del estator frente al del rotor
Aunque los principios básicos son similares, el apilamiento del estator y del rotor tienen diferentes implicaciones en cuanto a NVH.
Apilamiento del estator
El estator está fijado con respecto a la carcasa, lo que lo convierte en el principal radiador de ruido. Cualquier vibración generada en el apilamiento del estator se transmite de manera eficiente al entorno externo.
Apilamiento del rotor
El apilamiento del rotor afecta indirectamente al NVH al influir en el equilibrio, la excentricidad y la atracción magnética. Un apilamiento deficiente del rotor puede excitar la vibración del estator, incluso si este está bien diseñado.
Ambos deben controlarse cuidadosamente para lograr un funcionamiento silencioso.
Más allá del rendimiento magnético
La calidad del apilamiento afecta a más aspectos que la eficiencia magnética. También determina:
- La amortiguación estructural
- La distribución de tensiones
- Las frecuencias naturales
Estos factores influyen directamente en cómo responde el motor a las fuerzas de excitación y si esas fuerzas se convierten en ruido audible o vibraciones dañinas.
Parámetros clave de apilamiento que afectan al ruido y la vibración
Varios parámetros relacionados con el apilamiento tienen un impacto directo y medible en el rendimiento NVH.
Alineación y concentricidad del apilamiento
La alineación precisa de las laminaciones garantiza un espacio de aire uniforme entre el estator y el rotor. La desalineación provoca:
- Fuerzas magnéticas desiguales
- Aumento de la vibración radial
- Mayor ruido electromagnético
Incluso pequeñas desviaciones en la concentricidad pueden aumentar significativamente el ruido, especialmente en motores de alta velocidad.
Consistencia de la longitud de la pila y compresión axial
Las variaciones en la longitud de la pila provocan una carga magnética no uniforme a lo largo del eje del motor. Una compresión axial excesiva puede:
- Reducir la amortiguación entre laminaciones
- Aumentar la resonancia relacionada con la rigidez
Una compresión insuficiente permite micromovimientos entre las laminaciones, lo que genera vibraciones de baja frecuencia y un zumbido audible.
Contacto entre laminaciones y microespacios
Los microespacios entre laminaciones reducen la rigidez estructural y permiten el movimiento relativo bajo fuerzas magnéticas. Este movimiento:
- Convierte la energía electromagnética en vibración
- Produce ruido tonal a frecuencias específicas
Los procesos de apilamiento que garantizan un contacto total con la superficie suelen obtener mejores resultados en las pruebas NVH.
Tensión residual introducida durante el apilamiento
La tensión residual surge de la deformación mecánica, la entrada térmica o la presión desigual durante el apilamiento. Estas tensiones:
- Alteran la permeabilidad magnética
- Desplazan las frecuencias naturales
- Aumentan la susceptibilidad a la resonancia
La gestión de la tensión residual es fundamental para las aplicaciones de motores de bajo ruido.
Explicación de los procesos comunes de apilamiento de motores
Los diferentes procesos de apilamiento dan lugar a comportamientos mecánicos y acústicos distintos. Comprender sus características es esencial para seleccionar el proceso adecuado.
Apilamiento entrelazado (autobloqueante)
El apilamiento entrelazado utiliza elementos estampados, como lengüetas, dientes o muescas, para bloquear mecánicamente las laminaciones entre sí.
Influencia en el ruido y la vibración
El entrelazado proporciona una buena estabilidad axial sin necesidad de materiales adicionales. Sin embargo, la deformación localizada en los puntos de bloqueo introduce concentraciones de tensión que pueden distorsionar las trayectorias del flujo magnético. Si no se diseñan cuidadosamente, estos puntos de tensión pueden aumentar el ruido electromagnético.
Aplicaciones típicas
Electrodomésticos, motores industriales con requisitos moderados de NVH y aplicaciones sensibles al coste.
Apilamiento por soldadura (soldadura láser o por puntos)
Las laminaciones se sueldan en lugares específicos, a menudo en el diámetro exterior o en el orificio interior. La soldadura láser se utiliza comúnmente para aplicaciones de precisión.
Influencia en el ruido y las vibraciones
La soldadura aumenta significativamente la rigidez del apilamiento, pero introduce zonas afectadas por el calor y tensiones residuales. Estas tensiones pueden aumentar la transmisión de vibraciones y alterar las propiedades magnéticas si no se controlan adecuadamente.
Aplicaciones típicas
Motores de alta velocidad, motores de tracción para automóviles, aplicaciones que requieren una alta resistencia estructural.
Apilamiento adherido (adhesión con adhesivo o barniz)
Las laminaciones se unen mediante barniz aislante o adhesivo estructural, que normalmente se cura bajo presión y temperatura controladas.
Influencia en el ruido y las vibraciones
El apilamiento adherido proporciona una excelente amortiguación y una distribución uniforme de la tensión. La capa de adhesión absorbe la energía de las vibraciones, lo que reduce la radiación de ruido. Sin embargo, una fuerza de adhesión insuficiente puede comprometer la rigidez.
Aplicaciones típicas
Servomotores, equipos médicos, robótica, motores de precisión de bajo ruido.
Remachado y fijación mecánica
Los sujetadores mecánicos o remaches sujetan las laminaciones entre sí, proporcionando compresión axial.
Influencia en el ruido y las vibraciones
El remachado ofrece una compresión estable, pero introduce puntos de rigidez discretos. Con el tiempo, la vibración puede aflojar los elementos de fijación si no están diseñados adecuadamente, lo que afecta a la estabilidad NVH a largo plazo.
Aplicaciones típicas
Motores industriales grandes, diseños antiguos, aplicaciones de baja velocidad.
Cómo influyen los diferentes procesos de apilamiento en el ruido del motor
La generación de ruido está estrechamente relacionada con la forma en que el apilamiento afecta a la distribución de la fuerza magnética y a la respuesta estructural.
Armónicos de la fuerza electromagnética
Las irregularidades en el apilamiento distorsionan la geometría del entrehierro, lo que aumenta el contenido armónico de las fuerzas electromagnéticas. Estos armónicos excitan los modos del estator, produciendo ruido audible.
Las apilaciones adheridas suelen presentar una menor amplificación armónica debido a su rigidez y amortiguación uniformes.
Deformación de la pila y ruido audible
Los procesos que implican una alta fuerza mecánica o entrada térmica pueden deformar las laminaciones. Incluso una ligera deformación puede causar ruido tonal, que a menudo se percibe como un chirrido o un zumbido durante el funcionamiento.
Sensibilidad a la velocidad y la carga
A velocidades más altas, las pequeñas imperfecciones del apilamiento se magnifican. Las pilas soldadas y entrelazadas requieren un control preciso para evitar picos de ruido en determinados puntos de funcionamiento.
Cómo afectan los procesos de apilamiento a la vibración del motor
Mientras que el ruido afecta a la percepción del usuario, la vibración repercute en la durabilidad, la fiabilidad y el rendimiento.
Rigidez estructural y transmisión de vibraciones
Las pilas soldadas son rígidas y transmiten la vibración de manera eficiente. Las pilas unidas ofrecen una mejor amortiguación, pero una menor rigidez. La selección del equilibrio adecuado depende de la velocidad de funcionamiento y la carga.
Desequilibrio de tensión y excentricidad del rotor
Las tensiones de apilamiento desiguales pueden causar excentricidad del rotor, lo que conduce a un tirón magnético desequilibrado. Esto produce una vibración cíclica que es difícil de eliminar solo con el equilibrado.
Resonancia y cambios en la frecuencia natural
Los procesos de apilamiento influyen en las frecuencias naturales del núcleo del estator. Una rigidez mal ajustada puede provocar resonancia dentro del rango de velocidad de funcionamiento, lo que aumenta drásticamente los niveles de vibración.
Análisis comparativo
| Proceso de apilamiento | Tendencia del nivel de ruido | Amortiguación de vibraciones | Rigidez estructural | Estabilidad NVH |
| Enclavamiento | Medio | Bajo | Media | Moderado |
| Soldadura | Medio-alto | Bajo | Alta | Variable |
| Adherida | Bajo | Alto | Medio | Excelente |
| Remachado | Medio | Medio | Medio-alto | Bueno |
Consideraciones específicas de la aplicación para el apilamiento
Las diferentes aplicaciones de los motores imponen requisitos NVH distintos.
Motores de tracción para vehículos eléctricos
Los motores EV requieren:
- Muy bajo nivel de ruido a bajas velocidades
- Alta rigidez a alto par
Cada vez se utilizan más enfoques híbridos que combinan soldadura y unión para equilibrar la resistencia y la amortiguación.
Servomotores y robótica
El movimiento de precisión exige una vibración mínima. A menudo se prefiere el apilamiento adherido debido a su amortiguación y consistencia superiores.
HVAC y electrodomésticos
La percepción del ruido influye considerablemente en la satisfacción del consumidor. El entrelazado optimizado con tensión controlada se aplica habitualmente para equilibrar el coste y el rendimiento NVH.
Motores industriales de alta velocidad
La integridad estructural es fundamental. Predomina el apilamiento soldado, pero se requiere una gestión cuidadosa de la temperatura y la tensión para controlar las vibraciones.
Cómo controlan los fabricantes el ruido y las vibraciones durante el apilamiento
Los principales fabricantes utilizan múltiples estrategias para reducir los riesgos de NVH.
Herramientas de precisión y diseño de matrices
Los troqueles de alta precisión minimizan las rebabas y la deformación, lo que mejora la consistencia del apilamiento desde el primer paso.
Presión y curado controlados
La presión uniforme garantiza un contacto constante entre las láminas, mientras que el curado controlado reduce la tensión residual.
Medición e inspección en línea
Los sistemas láser y de visión detectan las desviaciones de alineación, planitud y longitud de la pila en tiempo real.
Tratamientos posteriores al apilamiento
El alivio de tensiones, la impregnación y el equilibrado dinámico reducen aún más el potencial de vibración.
Elección del proceso de apilamiento adecuado para motores de bajo ruido
Para seleccionar el proceso de apilamiento óptimo es necesario equilibrar el rendimiento, el coste y la escala de producción.
| Prioridad de diseño | Método de apilamiento recomendado |
| Mínimo ruido | Apilamiento adherido |
| Durabilidad a alta velocidad | Soldadura o híbrido |
| Rentabilidad | Enclavamiento |
| idad a largo plazo Estabilidad NVH | Pegado o remachado |
| Flexibilidad del prototipo | Pegado o asistido por láser |
