¿Por qué los motores de inducción usan bobinados entorchados (de paso corto)? Armónicos, cogging y factor de potencia

Los bobinados entorchados (de paso corto) — donde el paso de la bobina es menor a 180° eléctrico — son estándar en el diseño de máquinas de CA. Cambian una pequeña reducción en el factor de devanado fundamental por una significativa supresión de armónicos.

1. Reducción de armónicos — La razón principal

• Las bobinas de paso completo (180°) acoptan igualmente a todos los armónicos espaciales de la onda de FMM.
• El entorchado por un ángulo α introduce un factor de paso k_p = sin(ν·α/2) para el armónico ν-ésimo.
• El entorchado óptimo (típicamente paso 5/6 = 150° eléctrico) hace que k_p ≈ 0 para los armónicos 5º y 7º — los armónicos más molestos en máquinas trifásicas.
• Resultado: Menor ondulación de par, vibración, ruido acústico y pérdidas parásitas.

2. Mejora de la forma de onda del flujo en el entrehierro

• Menor contenido armónico → forma de onda de densidad de flujo más cercana a un seno puro.
• Menores pérdidas en el núcleo (histeresis + corriente de parásito) en dientes del estator y rotor.
• Menores corrientes armónicas inducidas en las barras del rotor → menor calentamiento del rotor.

3. Reducción del par de engranaje (cogging)

• Cogging = par de reticencia por alineación de ranura/polo en reposo.
• El entorchado difumina la distribución de FMM, reduciendo los picos de par de alineación.
• Crítico para aplicaciones de transmisión directa a baja velocidad (turbinas eólicas, motores servos).

4. Mejora del factor de potencia

• Menores corrientes armónicas → menor demanda de potencia reactiva de los armónicos.
• Ligeramente menor factor de devanado fundamental (k_w1 = k_d1·k_p1 < 1) aumenta ligeramente la corriente de magnetización — pero el PF neto suele mejorar porque las VARs armónicas caen más.

5. Ligera reducción de la resistencia del devanado

• Extremos finales más cortos (menos sobrepaso) → menos cobre → menor pérdida I²R.
• Beneficio marginal; generalmente secundario al control de armónicos.

El compromiso

k_w1 (fundamental) = sin(π/2 × paso_bobina/paso_polo)

• Paso completo (180°): k_w1 = 1,0 (fem fundamental máximo).
• Paso 5/6 (150°): k_w1 = sin(75°) ≈ 0,966 → 3,4 % menos voltaje fundamental para las mismas vueltas.
• Los diseñadores compensan con 3–4 % más de vueltas o aceptan un voltaje ligeramente menor.

Cuándo se usa paso completo

• Máquinas fraccionarias muy pequeñas donde el entorchado no es geométricamente posible.
• Máquinas de alta velocidad donde la inductancia de extremos finales domina y acortar ayuda.
• Algunos devanados concentrados (q < 1) donde el concepto de entorchado difiere.

Conclusión: Los bobinados entorchados son el estándar porque los beneficios de supresión de armónicos superan con creces la penalización de ~3 % en el voltaje fundamental. Máquinas más silenciosas, suaves y eficientes resultan.