Volkswagen emplea motores eléctricos con tecnología de devanado en horquilla para sus nuevos coches eléctricos. El ID.3, cuyos componentes se fabrican en la planta alemana de Salzgitter, ha sido el primero en contar con este tipo de motores. Sin embargo, este salto tecnológico implica la reconversión de los sistemas de medición utilizados hasta el momento para asegurar la calidad de fabricación, puesto que las propiedades físicas de las horquillas superan las posibilidades de los equipos disponibles. Esta es la razón por la que, desde 2019, el fabricante ha estado trabajado en colaboración con Carl Zeiss para desarrollar una solución de medición que le permita fabricar sus coches eléctricos en serie y a gran escala con todas las garantías de calidad.
Con la tecnología de devanado de horquilla las bobinas que crean el solenoide del estátor se forman con cables rectangulares en lugar de cilíndricos. Antes de ser insertados en el núcleo laminado del estátor, los cables se doblan y adquieren forma de horquilla, de ahí su nombre. A diferencia de los procedimientos tradicionales, se emplea un proceso de montaje basado en la conformación. Esto quiere decir que el alambre de cobre de corte rectangular se divide en secciones individuales y se dobla en forma de 'U'. Cada una de esas horquillas resultantes tiene una superficie rectangular y actúa como una grapa que apoya en la siguiente a la que se suelda mediante láser. Ahí es donde reside la gran ventaja de este sistema de bobinado, pues permite introducir más cantidad de cobre en el estátor. Esto significa que no hay cavidades entre los cables lo que aumenta la densidad de potencia.
Motores eléctricos de Volkswagen con tecnología de devanado de horquilla para crear las bobinas del solenoide del estátor.
Con esta técnica se pasa de un factor de relleno de cobre de aproximadamente el 50% a un 70%, lo que permite aumentar las cifras de potencia y par motor en el mismo espacio de montaje. Además el contacto homogéneo entre el cobre mejora la transmisión de calor y permite una refrigeración más eficiente. Si bien los motores eléctricos logran alcanzar eficiencias de hasta un 90%, en ellos, al igual que en los de combustión interna, también hay pérdidas que son mayores cuanto más se dificulta la disipación del calor. Por esa razón, los motores eléctricos llevan una camisa de agua para aumentar su refrigeración.
El empleo de esta tecnología"permite una producción en serie de gran volumen y también significa que el motor tiene más potencia, mientras que es significativamente más ligero", explica Philip Kurz, responsable de la planificación y las pruebas de motor en Volkswagen. Sin embargo, también implica un nuevo desafío en cuanto al control de calidad, porque las propiedades físicas de las horquillas superan los límites de los métodos de medición utilizados tradicionalmente en la construcción de motores.
Con más de 100 horquillas integradas, los sensores deben escanear completamente el cabezal de bobinado para asegurarse de que las horquillas no toquen la carcasa del motor. Volkswagen también necesitaba desarrollar una estrategia de medición eficiente que cumpliera con todos los requisitos de seguridad y calidad para el accionamiento eléctrico.
Pascal Schmidt, del equipo de control de calidad de Volkswagen, explica algunas de las limitaciones de los sistemas de detección que emplean sensores ópticos. La forma de las horquillas terminadas no coincide con la forma de la posición de instalación. Además, el cobre se deforma fácilmente, lo que no permite usar métodos táctiles y es brillante y semitransparente.
Con la tecnología de devanado de horquilla las bobinas que crean el solenoide del estátor se forman con cables rectangulares en lugar de cilíndricos.
Las tecnologías de Zeiss en la línea de producción de Volkswagen
Durante el año pasado, Zeiss y Volkswagen han estado trabajando de manera conjunta para desarrollar una solución de medición que garantice la calidad de fabricación de estos motores con el objetivo de encontrar respuestas a estos desafíos. "Una vez que definimos los requisitos de sensores internamente, quedó claro que la máquina de medición de coordenadas multisensor Zeiss PRISMO era la solución ideal", explica Kurz. Viene equipada con el escaneo táctil Zeiss VAST XXT del cabezal de medición, el sensor óptico de forma Zeiss LineScan y el sensor de luz blanca cromática Zeiss DotScan, así como una unidad giratoria.
Siempre que sea posible, Volkswagen prefiere utilizar el procedimiento táctil para medir el haz de laminaciones en el estator, por ser este el método más preciso. Zeiss LineScan se utiliza para verificar el cabezal de bobinado, ya que genera datos digitales en forma de nube de puntos para permitir la calibración con el modelo CAD. Para comprobar las horquillas de manera individual antes de su instalación en el estator se emplea Zeiss DotScan. La empresa alemana desarrolló un sistema de fijación en el que las horquillas se pueden insertar para la medición en una configuración que coincide con la forma en que finalmente se instalarán en el estator. Por último, para el paquete de laminación, Zeiss desarrolló un dispositivo de sujeción que permite asegurar el paquete para una medición táctil reproducible.
Zeiss ha desarrollado la solución ideal para adaptarse a los requisitos de control de calidad de Volkswagen.
A la hora de llevar toda esta tecnología a la realidad del proceso de fabricación, y dado que no son los ingenieros de medición sino los trabajadores de producción quienes realizan las comprobaciones al azar, la facilidad de uso también es un factor importante. La interfaz CALYPSO Zeiss "ofrece una representación clara con imágenes y texto que permite al operador seleccionar lo que quiere hacer", explica Schmidt. "El operador inserta la pieza que se va a medir, ingresa de qué máquina es la pieza, selecciona el programa de medición y luego el resto se ejecuta automáticamente. Prácticamente no hay nada que pueda salir mal", asegura.
Por último, la aplicación Zeiss PiWeb es capaz de generar informes de medición significativos de forma rápida y sencilla, lo que permite visualizar claramente los datos de medición, incluso con vistas CAD, gráficos de formularios, pantallas de colores falsos e histogramas. El paquete de soluciones implementado por Zeiss permite una solución de medición integral que no depende solo de un dispositivo de control. "Zeiss comprende nuestros productos y nuestras necesidades de medición, y es capaz de desarrollar dentro de su cartera la solución ideal que mejor se adapta a nuestros requisitos", concluye Kurz.
