Qué es el bobinado en horquilla (hairpin) y qué aporta al motor eléctrico?

El bobinado hairpin consiste en el uso de barras de cobre rectangulares dobladas en forma de U en lugar de los alambres de cobre redondos en el estator del motor eléctrico. Esta geometría permite acomodar más cobre en la ranura, elevando el factor de llenado del 45-50% del bobinado clásico a más del 70%; proporciona un campo magnético más fuerte, menos pérdidas eléctricas y una mejor gestión térmica. En esta página examinamos la estructura del bobinado hairpin, su proceso de fabricación, las ganancias en eficiencia y densidad de potencia, sus límites y qué fabricantes han adoptado esta tecnología.

¿Qué es el Bobinado Hairpin y en qué se Diferencia del Bobinado Clásico de Alambre?

Lo que determina el par motor de un motor eléctrico es el campo magnético generado por la corriente que atraviesa las ranuras del estator. La geometría de los conductores que transportan esta corriente afecta directamente la eficiencia del motor. En el bobinado clásico, alambres de cobre redondos con aislamiento esmaltado se enrollan en las ranuras; como los alambres son redondos, es imposible eliminar los huecos dentro de la ranura. En el bobinado hairpin (también llamado "pin"), el mismo trabajo lo realizan barras de cobre de sección rectangular dobladas por sus extremos y soldadas entre sí.

La sección rectangular no es una elegancia matemática, sino una ganancia física: las barras rectangulares llenan el hueco rectangular de la ranura de forma mucho más ajustada. Cuanto mayor sea el área llena, se obtiene un campo magnético más fuerte para la misma corriente y más cobre para el mismo volumen. El resto del estator - el paquete de chapas, la carcasa, la arquitectura de refrigeración - apenas cambia; la innovación se concentra completamente en el sistema de bobinado.

Tres Variantes de Bobinado: U-pin, I-pin y Hairpin Continuo

El miembro más común de la familia hairpin es la estructura U-pin: el alambre de cobre se dobla en forma de U y sus dos extremos abiertos entran por los dos lados del estator, donde se doblan y se sueldan. En la variante I-pin se utilizan pines rectos, sin doblar; se requiere contacto eléctrico por ambos lados, pero el factor de llenado es aproximadamente un 4% más alto que el del U-pin, pudiendo alcanzar el 74%. El bobinado continuo (continuous/wave) se forma doblando un solo alambre en forma de serpentina a lo largo de metros y se inserta desde el diámetro interior como una alfombra de bobinado; su mayor ventaja es que no necesita el proceso de soldadura del U-pin.

También existe una arquitectura particular en el lado del aislamiento. Se coloca papel aislante entre la ranura y el paquete de chapas; los propios conductores se recubren con barnices de clases de alta temperatura como poliamida-imida (PAI), PEEK o PAI+FEP. Los extremos soldados se vuelven a aislar después del proceso con recubrimiento en polvo (powder coating) o resina de poliuretano.

Factor de Llenado de Cobre: La Clave de la Eficiencia

El factor de llenado mide la proporción del área ocupada por el cobre en la sección transversal de la ranura del estator. Los valores varían algo entre fuentes según la definición de lo que se considera "cobre"; el rango típico para alambre redondo se indica en un 40-50%, para hairpin en un 60-73%, y por encima del 75% en algunos diseños modernos. La magnitud de la diferencia es indiscutible: hairpin introduce alrededor de un 20% más de conductor en el mismo volumen de motor.

El reflejo de esta tabla en el rendimiento del motor se lee en tres niveles. Primero, más cobre significa un campo magnético más fuerte y un par motor mayor. Segundo, la trayectoria de bobinado optimizada acorta la longitud del conductor; la resistencia DC y las pérdidas de cobre disminuyen, la misma potencia se genera con menos energía y la autonomía del vehículo se extiende. Tercero, un estator empaquetado más densamente puede hacerse más pequeño - esta es la razón física del aumento de la densidad de potencia.

Rendimiento Térmico: ¿Por Qué Gestiona Mejor el Calor?

En el motor eléctrico, el calor nace de las pérdidas en los conductores. El bobinado hairpin ofrece aquí una ganancia doble: una menor pérdida de cobre genera menos calor; y la estructura ordenada y compacta de la cabeza de bobinado distribuye el calor producido de forma que pueda extraerse hacia el exterior. Mientras que los espacios de aire que quedan entre los conductores dispuestos aleatoriamente en los alambres redondos actúan como aislamiento térmico, la geometría ordenada del hairpin elimina esos espacios.

El resultado es una mayor capacidad de transporte de corriente por conductor y una gestión térmica más sencilla. Especialmente cuando se evalúa junto con la refrigeración por pulverización de aceite, el bobinado hairpin destaca como una solución que aumenta a la vez la eficiencia y la densidad de potencia en los motores de vehículos eléctricos. Una temperatura de funcionamiento más baja y homogénea prolonga la vida del sistema de aislamiento, mejorando directamente la fiabilidad del motor.

¿Cuánta ventaja ofrece el hairpin a altas revoluciones?

Aquí las cosas no avanzan en una sola dirección. La gran sección transversal del conductor del hairpin puede convertirse en una desventaja a altas frecuencias: el efecto de desplazamiento de corriente llamado efecto pelicular (skin effect) hace que la corriente fluya solo por la capa superficial del conductor y aumenta la resistencia efectiva. Dado que la frecuencia aumenta con las revoluciones, la superioridad del hairpin en pérdidas DC puede disolverse parcialmente con las pérdidas AC a altas revoluciones. Por este motivo, aumentar el factor de llenado no aporta ventaja en todo objetivo de diseño; las ganancias dependen de la frecuencia, la corriente y el diseño del aislamiento.

Aun así, los ejemplos de éxito práctico son contundentes: las ventajas del hairpin, 160 kW de potencia y 18.000 rpm verificado con una guía de diseño exhaustiva en un motor de imanes permanentes con estas prestaciones. En los motores PMSM de alta velocidad, los parámetros clave del bobinado hairpin y de hilo plano siguen siendo hoy un tema de investigación activa. Y hay un dato contrario interesante: en una comparación de ciclos de conducción, la variante IPMSM de bobinado continuo, que no requiere este proceso, resultó un %0,63 más eficiente en el ciclo WLTP. La diferencia es pequeña, pero el mensaje es claro: el hairpin no gana automáticamente en todas las condiciones ni en todos los ciclos.

El resumen equilibrado es el siguiente: el hairpin es una tecnología que no vendrá a destruir el bobinado clásico, sino a complementarlo. Cuando se tienen en cuenta los costes de producción y del ciclo de vida, la diferencia neta en la mayoría de las aplicaciones es más modesta de lo que sugieren las cifras del factor de llenado.

Cómo se fabrica un estátor hairpin: la cadena de producción en cuatro pasos

La historia de la fabricación del hairpin es la otra mitad de lo que hace tan atractiva a esta tecnología. El proceso es apto para la automatización de principio a fin, y una línea típica se compone de estaciones de conformado del hilo, inserción, expansión, torsión, corte y soldadura. Los tiempos de ciclo cortos y los volúmenes de producción crecientes reducen el coste unitario.

1. Conformado: El hilo de cobre plano se desenrolla y se aplana, el aislamiento se elimina parcialmente con láser o mecánicamente para la soldadura, se corta a medida y se dobla. El aislamiento sin costuras en el giro es la restricción más crítica del doblado.
2. Inserción: Los pines se insertan axialmente en el paquete del estátor. En un solo estátor hairpin se utilizan típicamente 3-16 geometrías de hairpin diferentes .
3. Doblado y soldadura: Los extremos, doblados según el esquema del bobinado de cabecera, obtienen el contacto eléctrico mediante soldadura láser; el objetivo es una geometría de soldadura homogénea y una entrada térmica mínima. El decapado láser es más consistente y preciso que la abrasión mecánica con cepillo rotatorio: a medida que los cepillos se desgastan, también desgastan el cobre.
4. Aislamiento e impregnación: Los extremos soldados se reaislan con recubrimiento en polvo o resina de poliuretano; el recubrimiento protege contra la oxidación y la humedad, y todo el estátor se impregna.

En aplicaciones de tracción, el principal desafío es la fiabilidad del proceso. Una diferencia de altura relativa o un desplazamiento lateral en los extremos del hairpin puede provocar defectos de soldadura; una soldadura defectuosa puede dejar el motor inutilizable, más allá de la pérdida eléctrica adicional. Por eso se comparan activamente tres tecnologías de unión diferentes: resistencia, láser y micro TIG. Además, las limitaciones de la cadena de procesos de la tecnología hairpin continua también se estudian como un tema de ingeniería aparte.

¿Qué fabricantes se han pasado al bobinado hairpin?

El camino de la tecnología hacia la producción en serie empieza de forma sorprendentemente antigua: el primer uso se vio en los dos motores de la transmisión 2ML70 del Chevrolet Tahoe híbrido del modelo 2008 . El Chevrolet Volt también estaba equipado con un motor hairpin desarrollado por Remy. La verdadera expansión llegó en la era del vehículo eléctrico.

El Grupo Volkswagen utiliza hoy estátores hairpin en modelos como el ID.3, ID.4, Audi e-tron GT y Porsche Taycan. El primer modelo con hairpin de BMW fue el iX3 . GM, 2021'de 64 kW'lık hibrit ASM'den Hummer EV'nin 255 kW'lık PSM'sine uzanan una nueva serie de motores mediante hairpin. Tesla, por su parte, 2023 anunció que utilizará hairpin en su motor de nueva generación. JLR también figura entre los fabricantes que han anunciado el uso de esta tecnología en su producción. En el ámbito de I+D, los proyectos Pro-E-Traktion respaldado por BMW y HaPiPro2 de RWTH Aachen, AnStaHa del KIT e IPANEMA, KIPrEMo y KIKoSA de la FAU Erlangen-Núremberg reflejan la colaboración entre la industria y la academia en este campo. En el lado de los proveedores, actores como BorgWarner, Denso y Hitachi se mencionan como los determinantes del mercado.

¿Es el Hairpin la Elección Correcta en Todos los Motores?

En la práctica de la ingeniería, la respuesta depende del perfil de funcionamiento de la aplicación. En los motores de tracción que exigen alto par y alta densidad de potencia a revoluciones bajas-medias, las ventajas de pérdida DC y térmicas del hairpin se convierten fácilmente en beneficio; su producción apta para la automatización proporciona economías de escala. En cambio, en aplicaciones que funcionan a frecuencias continuamente altas o en las que el volumen de producción no justifica la inversión en automatización, el bobinado clásico sigue siendo una opción razonable y continuará existiendo durante los próximos años. El trabajo del diseñador no es elegir el número más alto de la tabla del factor de relleno, sino seleccionar el bobinado que ofrezca la menor pérdida total y el menor costo en su propio ciclo; el hairpin suele ser el ganador de este cálculo, pero no siempre.

Fuentes

• ¿Qué es un motor de devanado hairpin - Beneficios y proceso de ensamblaje
• Tecnología hairpin
• Un vistazo más de cerca a los devanados hairpin de los motores
• Gestión térmica de los motores de tracción con devanado hairpin
• Una comparación entre devanados continuos y hairpin para propulsión eléctrica
• Una guía de diseño completa de los devanados hairpin
• Guía de devanado de motor con alambre redondo frente a hairpin
• Comparación de I-pin, Hairpin y X-pin
• Soluciones de estator hairpin para la fabricación de motores eléctricos
• Soldadura de estatores hairpin: comparación de 3 tecnologías de unión
• Motores con devanado hairpin: llenado de ranura, pérdidas AC y control de defectos de fabricación