Máquinas síncronas multipolares de imanes permanentes para aplicaciones industrialesdimensionamiento, cálculo y criterios de diseño

Résumé

En los últimos años el desarrollo de las estrategias de control y el descubrimiento de nuevos materiales magnéticos, tales como los imanes de tierras raras, ha motivado la expansión de las máquinas síncronas de imanes permanentes. Tal es así que en aquellas aplicaciones de alto par la configuración estándar (motor asíncrono de pocos polos acoplado a la carga a través de un reductor), están siendo sustituidas por máquina síncronas de imanes permanentes (PMSM), lo cual conlleva una serie de ventajas tales como: ausencia de pérdidas en el rotor, gran par por unidad de volumen, eliminación de fuentes de excitación externa para la creación del campo del rotor,¿ Todo esto ha motivado su uso en aplicaciones tan diversas como: energía eólica, propulsión marina, elevación, tracción ferroviaria, vehículos eléctricos, etc. Cada una de estas aplicaciones solicita distintos requerimientos a las máquinas, y plantean distintas restricciones. Esta variedad de aplicaciones, junto con la competitividad existente, hace necesario el desarrollo de herramientas fiables y rápidas, capaces de obtener geometrías de máquinas a partir de una serie de especificaciones, y la posibilidad de su modificación para analizar la influencia que tiene en sus prestaciones. Es cierto que el desarrollo de los programas de elementos finitos ayuda a los ingenieros a simular y obtener las prestaciones reales de las máquinas, pero poseen algunas desventajas tales como: el gran tiempo requerido para definir la geometría, el mallado y lanzar la simulación, y sobre todo, simulan geometrías previamente definidas, no ¿generan¿ geometrías. Por todo ello se hace necesario el desarrollo de una herramienta que permita obtener automáticamente diferentes geometrías de máquina, junto sus prestaciones, y todo ello a partir de un reducido número de especificaciones y restricciones por parte de ingeniero calculista. La presente tesis proporciona una metodología para el dimensionamiento y cálculo automático de máquinas síncronas de imanes permanentes y flujo radial. Para llevar a cabo dicho proceso, únicamente cuatro variables son solicitadas: potencia, tensión por fase, número de polos y frecuencia. En un primer momento se obtienen la geometría junto con las características del devanado y los imanes. Posteriormente se lleva a cabo un cálculo de la máquina dimensionada, obteniendo las prestaciones de la misma. Para la validación de la metodología desarrollada, los resultados obtenidos se han validado mediante simulaciones mediante un programa de elementos finitos, así como con la construcción de un prototipo y su ensayo como generador y motor en sendos bancos de prueba. Finalmente, con objeto de proveer al ingeniero calculista de normas de diseño, se han definido una serie de Criterios para llevar a cabo un óptimo diseño de la máquina en función de las variables objetivo a optimizar.