La Nueva Generación de Aislantes y su influencia en la Construcción de Máquinas Eléctricas.

por Luis Corvalán

El diseño de máquinas eléctricas es básicamente la aplicación de técnicas y métodos de cálculo que en el fondo lo que hacen es administrar las imperfecciones de los materiales que intervienen en la construcción de las mismas. Esta definición se justifica por el hecho de que la teoría del funcionamiento de las máquinas eléctricas comienza siempre analizando la misma en condiciones ideales, es decir, con elementos ideales sin pérdidas, y en una segunda etapa, se van incorporando las condiciones reales al análisis teórico. El diseño de máquinas eléctricas arranca a partir de este punto y profundiza el análisis de los materiales y sus características, ya que éstas últimas son las que van a incidir en el dimensionado final de la máquina.

Las pérdidas tanto en el circuito magnético como en el circuito eléctrico de la máquina tienen como consecuencia la generación de calor y como efecto de esto la sobre elevación de temperatura de la misma respecto de la temperatura ambiente. El circuito eléctrico está revestido de material aislante, que es en la gran mayoría de los casos el elemento más débil desde el punto de vista térmico y que por lo tanto va a dar el límite admisible de temperatura máxima que puede alcanzar la máquina sin producir un deterioro irreversible.

Los materiales con que se fabrican los aislantes y en particular los que se emplean en máquinas eléctricas han evolucionado mucho y a partir de mediados de la década de 1970 se popularizó su uso. Estos materiales en base a polímeros soportan temperaturas más elevadas que los aislantes tradicionales usados hasta entonces en base a papel, algodón y barnices orgánicos.

Los fabricantes de máquinas eléctricas y en particular las rotativas, que usan aislantes “secos” a diferencia de algunas máquinas como los transformadores de potencia que trabajan en baño de aceite, han aprovechado de inmediato estas mejores características de los aislantes para elevar las temperaturas de trabajo de sus productos. Esto significa poder admitir mayores pérdidas y por lo tanto exigir más a los materiales activos de las máquinas. Como consecuencia deseada se logra máquinas de igual capacidad pero con menos material, y por lo tanto más económicas. La consecuencia indeseable, en particular desde el punto de vista del usuario, es un menor rendimiento de la máquina, ya que las mayores pérdidas aceptadas también aumentan la potencia consumida por la máquina. Por definición el rendimiento es potencia entregada/potencia consumida y será menor que el rendimiento de máquinas más viejas que debían limitar más la temperatura de trabajo.

Podemos afirmar que las mejoras técnicas de los materiales aislantes permitieron fabricar máquinas de menor calidad, ya que el factor que se impuso en el criterio de diseño fue el de abaratar costos, aunque esto redunde en un menor rendimiento del producto.

Las reparaciones.

Considerando lo que acabamos de analizar, es importante tener en cuenta estos criterios que fueron empleados al concebir la máquina cuando llega el momento de encarar una reparación importante de la misma. 
Los aislantes antiguos en base a papel, cartón, algodón y barnices orgánicos soportan también las temperaturas de trabajo más bajas, (105ºC). Luego aparecieron los polietilenos y acetatos (tereftalatos), esmaltes y barnices sintéticos de mayor temperatura de trabajo (130ºC) y desde algunas décadas ya están popularizados los polímeros aromáticos, fibras de vidrio, y barnices en base a resinas epoxi que soportan altas temperaturas de trabajo (155-180ºC)
Comercialmente los materiales orgánicos y basados en papel y algodón son todavía muy populares, y su precio es menor en un orden de magnitud respecto de aislantes de poliéster y acetatos cuyos costos que a sus veces son un orden de magnitud menor que el de los aislantes de polímeros. Esto produce un enorme diferencia de costos entre un extremo y el otro de las clases térmicas. Recordemos, hablamos de órden de magnitud: un kilo de papel aislante está en el orden de 1 a 1,50 u$s/kg frente a los aproximadamente 10-12 u$s/kg del mylar (acetato) y a los 100-120 u$s/kg o más del nomex.
La norma IRAM 2180 define las distintas temperaturas admisibles según el tipo de aislante empleado y las cataloga como Clase Térmica, identificadas por una letra: A, B, C, E, F, H, Y.
Pero aquí ya estamos viendo un problema que como usuarios de un servicio de reparación de nuestras máquinas eléctricas vamos a tener que cuidar mucho . 
Es muy tentador, ya sea por fines de lucro o simplemente por ignorancia de las características de los aislantes y de los fenómenos térmicos de la máquina, que ciertos talleres de reparación de motores combinen mal los materiales aislantes y si esto se lleva a cabo en máquinas relativamente nuevas es resultado será una disminución real de la clase térmica de la misma. Esto equivale a decir que la temperatura final que soportará la máquina será menor a la concebida originalmente por el fabricante. En pocas palabras, la máquina deberá trabajar a una potencia menor a la nominal. O sea, le bajamos la potencia nominal de nuestro motor con una reparación de estas características. 
Si la máquina estaba trabajando cerca de su carga máxima, una vez reparada la vida útil de la misma será considerablemente más breve.

Combinación correcta de aislantes y materiales usados:

En la reparación integral de un motor o generador intervienen una serie de elementos y cada uno de ellos tiene una clase térmica definida.
El alambre o planchuela: las máquinas rotativas de calidad emplean exclusivamente cobre en sus arrollamientos. El material aislante de los alambres redondos son generalmente esmaltes que están clasificados por el fabricante en función de las características de sus compuestos químicos. Ya están muy difundidos los esmaltes de clase H (180ºC) y por razones de escala de producción casi desaparecieron los productos de clase intermedia (B y F). Las planchuelas o pletinas de cobre son empleadas en motores de potencias elevadas o en casos de rotor bobinado, motores de corriente continua o máquinas especiales. Se fabrican a medida y se revisten en materiales orgánicos o sintéticos que responden a diferentes clases térmicas que deberemos seleccionar cuidadosamente. Este es el primer paso de nuestra selección.
Aislante de Ranura: aquí se presenta la mayor variedad de productos y algunas combinaciones comerciales de las que yo, de manera personal, tengo fundados resquemores, pero que son muy populares.  De estos materiales, comenzaremos por los de clase A (hasta 105ºC). Son solo recomendables en transformadores refrigerados en aceite y de ninguna manera deben emplearse en motores o generadores. Estos materiales son: papel (pressphan) y el laminado de papel-acetato conocido comercialmente como "pressmyl" o pressphan + mylar. Este último producto es un aislante clase A por más que esté combinado con mylar que es clase B. El adosado de una fina capa de mylar al papel solo de aumenta su resistencia mecánica y rigidez dieléctrica. De ninguna manera mejora su desempeño térmico.  Esto lo digo a pesar de algunos fabricantes que lo clasifican como "clase B". 
Continuamos con el acetato (polímero) llamado "teraftalato de polietileno" conocido comercialmente como "mylar". Este es un producto que soporta temperaturas de trabajo de hasta casi 150º razonablemente bien, pero con una característica que lo diferencia del papel: pasados los 150º se deteriora muy rápidamente, contra lo que ocurre con el papel que se carboniza gradualmente y puede soportar sobretemperaturas muy breves que no lleguen a afectar sensiblemente su comportamiento. Por lo expuesto, el mylar clasifica muy bien como aislante clase B (130ºC) pero no es apto para una aislación clase F (155ºC). Es un producto muy difundido por su elevada resistencia mecánica, buena rigidez dieléctrica y bajo costo. Pero repito: no es material apto para aislaciones de clase F o superiores.
A continuación ingresamos en la liga de aislantes sintéticos, poliesters especiales y polímeros molecularmente largos que conformarán las clase F, H y C (200ºC). 
Aquí existe una variada gama de materiales en base a polímeros y aglutinantes y a partir de ellos una combinación de laminados cuyo nervio es generalmente el mylar, en un intento de hacer accesible un aislante mejorado cuyos costos trepan exponencialmente. El material de alta temperatura (clase H) por excelencia es el "NOMEX", un polímero aromático de molécula larga de excelentes características térmicas, dieléctricas y mecánicas. Su aplicación es tan amplia que se emplea tanto como aislante de motores y generadores de calidad como en la confección de trajes espaciales. Por su elevado costo es más popular el laminado de nomex o "NOMEX-MYLAR-NOMEX"  (NMN) que su fabricante (DuPont) certifica como clase F (155ºC). 
Otros productos que suplantan el nomex como los laminados de fieltro de Dacron deben ser analizados en mayor detalle, ya que sus características varían según el tipo de impregnante empleado, pudiendo tomar características de clase B o llegar a clase F si el fieltro de Dacron viene adecuadamente tratado.
Este y otros productos especiales como los laminados y hojas de fibra de vidrio lo estudiaremos en detalle en el futuro. 
El Kapton (kptn), nombre comercial de una poliamida elaborado con un dianhidro que es increíblemente estable en rangos de temperatura que van desde los -270ºC a los 400ºC se emplea en casos muy especiales. Tiene aplicaciones como revestimiento externo de trajes espaciales, componentes electrónicos, impresos flexibles y en arrollamientos eléctricos (parlantes) y en motores eléctricos muy solicitados térmicamente. En nuestro país los subterráneos de Buenos Aires tiene motores de CC de 300hp muy compactos aislados con este material y cuyas cabezas de bobina soportan hasta 300ºC durante las aceleraciones o frenados. 
Como dije, estos últimos puntos se desarrollarán más en detalle en otro artículo:
Spaghettis: Este es otro elemento que interviene en una reparación y debe seleccionarse también cuidadosamente. En nuestro medio se consiguen de manera popular solo tres variantes: algodón, poliester y fibra de vidrio. A priori, y sin información técnica difundida por los fabricantes, podemos a vuelo de pájaro señalar a los spaghettis de algodón solo aptos para cumplir con aislación clase Y ó A (90-105ºC) y por lo tanto no recomendados en reparación de motores y generadores. Los spaghettis de poliester pueden emplearse en bobinados de clase B y F (130-155ºC) tomando para el segundo caso una impregnación adecuada. Los spaghettis de fibra de vidrio son aptos para clases F, H y C. (155-180-200ºC).  Hay otros aislantes tubulares de plásticos o termocontraíbles que no recomiendo para ir adheridos a los arrollamientos de un motor o generador. 
Ataduras: En general se emplean cintas, forros o cuerdas construidas con los mismos materiales que los spaghettis y valen los mismos criterios. Es importante tener en cuenta una correcta combinación de materiales, ya que al seleccionar un elemento cualquiera de una clase térmica más baja a la deseada o garantizada al cliente va a condicionar el resultado final. 
Trabas:  Las máquinas giratorias de cierto tamaño necesitan trabas de ranura, en particular las de ranura abierta o semi-abierta. El material de estas trabas también condicina la clase térmica final de la máquina. Los materiales más comunes son: madera, pertinax, micarta, fieltro de vidrio y micarta de vidrio.  La madera es de clase A, no apta para motores y generadores. El pertinax y la micarta son prensados de papel y tela de algodón respectivamente impregandos en bakelita. Son esencialmente materiales de clase A, pero gracias al impregnado podemos, con cierta buena voluntad, estirarnos a considerarlos aptos para trabar máquinas de clase B. 
Los fieltros y micartas de vidrio son adecuados para trabar máquinas de clases F y H. La micarta de vidrio o tela de fibra de vidrio comprimida e impregnada en resinas fenólicas (epoxi) tiene una resistencia mecánica que la hace imprescindible para trabar ranuras de rotores bobinados de motores grandes o inducidos de grandes motores de CC y ruedas polares de turborrotores de generadores (3000rpm). También se recomienda su uso en estatores de clase C (200ºC). 
Cables de Salida: En caso de emplearse cables para llegar desde las cabezas de bobina hasta los bornes de acometida, estos deben seleccionarse cuidadosamente. En ningún caso deben emplearse cables normales para instalaciones eléctricas, cuyo aislante soporta menos de 90ºC. Los cables siliconados, de goma y neophreno o de otros aislantes especiales de alta temperatura deben emplearse para estos casos. Para motores de clase H y C se recomienda no soldar con estaño las conexiones, emplear soldaduras duras (aleaciones de plata, bronce o sin aporte de material).
Barnices: Este punto es crítico para definir la clase térmica general de nuestra reparación. No es fin de este artículo definir los cuidados a tener durante la preparación y el barnizado, sí el de mencionar la selección del barniz. 
Existe una amplia variedad de marcas y categorías de barnices. Yo recomiendo elegir productos que ponen a disposición (internet o folletería) o explicitan claramente en la etiqueta la clase térmica del barniz, el proceso de curado, fecha de elaboración y toda información que el usuario considere útil. 
La mayoría de los barnices (o todos los actuales) son a base de resinas sintéticas siliconadas. Hay dos grandes familias de barnices: las de secado al aire y las de secado o curado al horno. El primer grupo clasifican como de clase A y B exclusivamente. Para clases mayores (F, H o C) se debe recurrir a barnices de secado al horno respetando la clase térmica que el fabricante garantiza para cada caso. Hay barnices diferenciados para clase F, otros para clase H y otros para clase C. Es importante seleccionar cuidadosamente para cada caso.

Para más sobre este tema y otros consultar aquí.