Metodología de cálculo térmico y criterios de diseño para máquinas eléctricas con sistemas de refrigeración abierto

Resumen

En las últimas décadas, la generalización en el diseño en ingeniería del uso de sistemas informáticos cada vez más potentes ha permitido abrir nuevas vías de investigación en multitud de ámbitos y sistemas industriales. En el ámbito de las máquinas eléctricas, una de las líneas de investigación que más se ha visto relanzada ha sido el análisis térmico de máquinas eléctricas. Conocer el comportamiento térmico en las máquinas eléctricas, independientemente de la topología, es un requisito fundamental en cualquier etapa de diseño. La aparición de nuevas exigencias del mercado tales como la eficiencia energética de productos y procesos involucrados con las máquinas eléctricas requiere de un conocimiento muy profundo de dicho comportamiento térmico, que vendrá determinado por el sistema de refrigeración que se emplee en cada máquina. El objetivo de esta tesis ha sido obtener una serie de criterios de diseño para máquinas con refrigeración abierta mediante el empleo de una herramienta de cálculo térmico. Dada las particularidades de estos sistemas de refrigeración y la ausencia de herramientas específicas para este propósito, un segundo objetivo de esta tesis ha sido la generación de dicha herramienta de cálculo, definiendo para ello una serie de metodologías de análisis térmico que posteriormente han sido implementadas. Se han definido dos metodologías de análisis para las máquinas con este tipo de refrigeraciones. Por un lado se define la metodología de cálculo térmico, consistente en la obtención de temperaturas por medio de una red de resistencias térmicas que definen el comportamiento térmico de la máquina. Por otro lado se define la metodología de cálculo hidráulico, consistente en una red de resistencias hidráulicas que definen el comportamiento de los flujos del aire en el interior de la máquina, los cuales son críticos para una buena estimación de las temperaturas y los flujos de calor entre los elementos de la máquina. Las metodologías definidas se han implementado en una herramienta de cálculo. Tras su implementación se ha procedido a su validación, empleando para ello datos experimentales y simulaciones de programas de dinámica de fluidos computacional para el caso de una máquina auto-ventilada. Los resultados obtenidos a través de esta herramienta han ofrecido una excelente concordancia con respecto a los datos experimentales, sobre todo en los elementos más dependientes de la temperatura en un diseño electromagnético. Una vez cumplido el objetivo de generar una herramienta de análisis térmico, se ha procedido a cumplir con el objetivo último de la tesis: la obtención de criterios de diseño para máquinas con sistemas de refrigeración abierto. Los criterios obtenidos podrán ser empleados en etapas tempranas del diseño y el dimensionamiento de estos sistemas y resolver algunas incertidumbres que el diseñador pueda encontrar.