Diseño de motores lineales síncronos miniaturizados para el accionamiento de puertas automáticas

Résumé

En la actualidad, con el aumento de las exigencias de eficiencia y de excelencia en los productos y procesos, la utilización de la tecnología de los motores lineales está en auge, sustituyendo accionamientos basados en motores rotativos con mecanismos más o menos complejos que transforman el giro del motor en movimiento lineal. Con esto se obtiene una mejora en las prestaciones y sobre todo en la fiabilidad, al haber menos partes intermedias susceptibles de tener una avería. De entre los diferentes tipos de motores lineales que existen, los de imanes permanentes son los más demandados, gracias a las altas prestaciones que ofrecen. Debido a las características especiales de los motores lineales, sus aplicaciones son muy específicas. Para que un motor lineal funcione de manera óptima en una aplicación, ha de ser diseñado específicamente para la misma. La utilización de motores lineales comerciales, que tienen precios bastante competitivos, no resultará la solución más adecuada, debido a que estos no cumplirán perfectamente con las especificaciones requeridas, pues normalmente estarán sobredimensionados. Una aplicación donde su uso es muy adecuado es en el accionamiento de puertas automáticas. Actualmente éstas se accionan mediante mecanismos basados en motores rotativos, siendo éstos los principales causantes de averías. Por este motivo, en esta tesis doctoral se ha buscado realizar una sustitución del motor rotativo y sus mecanismos asociados por un motor lineal y tracción directa, con el fin de evitar las piezas intermedias. Con este objetivo, se ha desarrollado una metodología de diseño de motores lineales síncronos miniaturizados para su integración en puertas automáticas. Para ésto ha sido necesario el establecimiento de unos pasos de diseño que permitan dimensionar y calcular motores de una manera rápida y eficaz, teniendo en cuenta los exigentes requisitos de la aplicación, como son las reducidas dimensiones o la temperatura máxima de funcionamiento. La metodología de diseño de motores lineales síncronos está dividida en dos partes fundamentales: el estudio electromagnético y el estudio térmico. A partir del resultado de estos estudios, se establece la metodología de dimensionamiento y cálculo que, a partir de unos parámetros básicos, nos permite obtener la geometría y todos los parámetros de funcionamiento del motor. El desarrollo del estudio magnético mediante circuitos de reluctancias equivalentes se realiza para motores de tres tipos de secundarios, como son el de imanes superficiales, de imanes embebido y de imanes en Halbach, así como con dos tipos de devanados, como son el devanado distribuido de paso entero y el devanado concentrado de doble capa. La razón de desarrollar estos tres tipos de secundarios es porque son los que ofrecen una densidad de fuerza mayor, clave para conseguir una miniaturización significativa. En cuanto al estudio térmico de los motores se realiza mediante un sistema de resistencias térmicas equivalentes(Lumped-Parameter Thermal Model). Este método de resolución basado está en la representación térmica de elementos básicos del motor, que son los dientes y las bobinas. Gracias a la sencillez de parametrización, es posible analizar térmicamente cualquier motor lineal, independientemente del número de dientes, polos o topología. Utilizando los circuitos magnéticos y térmicos, se presenta un método de dimensionamiento y cálculo de motores lineales que permite su diseño a partir de unos parámetros básicos, tales como la fuerza nominal, la velocidad y las restricciones geométricas asociadas a la puerta. Este método permite, en unos pocos minutos, la obtención de geometrías completas que cumplan con las especificaciones requeridas. Finalmente, se aplica la metodología desarrollada en el proceso de diseño y optimización de un prototipo de motor lineal síncrono miniaturizado para su aplicación en unas puertas automáticas. Se explican la influencia de las diferentes variables y su elección. La validez del método presentado queda demostrada con los resultados del prototipo diseñado, que tras haber sido validado con elementos finitos y ensayado en una puerta automática, ofrece los resultados previstos.