Additive manufacturing & topology optimisation of electrical machines

Abstract

En los últimos años, la fabricación aditiva ha ido ganando terreno a los métodos de fabricación tradicionales en muchas aplicaciones diferentes. Esto se debe principalmente a su facilidad para crear prototipos, al ahorro de material y, sobre todo, a las geometrías altamente complejas que se pueden conseguir. A pesar de sus muchas ventajas, el uso de la fabricación aditiva en máquinas eléctricas ha sido limitado. La falta de madurez de los procesos de fabricación y el aumento de las pérdidas al aplicar enfoques aditivos a algunas piezas, principalmente estatores, han provocado una escasa implantación en el campo de las máquinas eléctricas. La libertad geométrica que ofrece la fabricación aditiva allana el camino para el uso de técnicas de optimización novedosas, como la optimización topológica. Tradicionalmente, la optimización de la topología no se ha utilizado mucho porque las geometrías complejas que obtienen estos algoritmos no son fáciles de producir con los métodos de fabricación tradicionales. Sin embargo, gracias a la fabricación aditiva, la optimización topológica ha empezado a utilizarse, principalmente para aplicaciones mecánicas, y ha demostrado su capacidad para reducir el peso sin comprometer la estabilidad mecánica en varios casos. Sin embargo, la optimización topológica para físicas distintas de la mecánica no se ha estudiado en profundidad, y mucho menos para la optimización simultánea de distintas físicas. Ante el escenario descrito, esta tesis investiga los beneficios que la fabricación aditiva y la optimización topológica pueden aportar al diseño de máquinas eléctricas. Para la fabricación aditiva de máquinas eléctricas, se realiza una revisión bibliográfica exhaustiva sobre la aplicación de este enfoque de fabricación a diferentes partes de máquinas eléctricas, activas y no activas. Se presentan dos casos prácticos principales: en el primero, el rotor, el eje, el estator y la carcasa de un actuador aeroespacial se fabrican mediante L-PBF en FeCoV y se prueba el actuador ensamblado. En el segundo caso, se fabrica un rotor en FeSi mediante LP-DED. Por último, no se considera un caso de estudio de fabricación aditiva propiamente dicho en esta tesis, pero se fabrican dos prototipos de conductores eléctricos en CuCr1Zr y una geometría adicional en AlSi10Mg mediante L-PBF. En cuanto a la optimización topológica de máquinas eléctricas, se describen los principales métodos de optimización topológica utilizados y se presenta su aplicación a componentes de máquinas eléctricas. De forma similar a la fabricación aditiva, se analizan dos casos prácticos. En primer lugar, se presenta un novedoso método de optimización topológica multifísica - mecánica y electromagnética- en el que se optimizan simultáneamente el rotor y el estator de un motor de imanes permanentes. Este método se compara con dos métodos encontrados en la literatura, SIMP y on-off. En segundo lugar, se describe otro método de optimización topológica y se aplica a un modelo de conductor eléctrico. El algoritmo propuesto implica un enfoque de optimización de topología paramétrica híbrida multifísica -térmica y electromagnética-. Se construyen dos geometrías de longitud reducida y un prototipo de longitud completa mediante fabricación aditiva. Finalmente, del trabajo presentado en esta tesis se extraen conclusiones sobre la fabricación aditiva y la optimización topológica de máquinas eléctricas. También se presentan futuras líneas de trabajo para la fabricación aditiva y la optimización topológica de máquinas eléctricas.