Reducción de la fuerza de detención en motores síncronos lineales de imanes permanentes en disposición Halbach
- Autores: Jaime Montoya Larrahondo
- Directores de la Tesis: Mónica Chinchilla Sánchez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2014
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Jaime Rodríguez Arribas (presid.), José M. Fraile (secret.), Ana M. Llor Carrasco (voc.)
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- Tesis en acceso abierto en: e-Archivo
- Resumen
El avance en materia tecnológica de los sistemas y medios de transporte tiene una vital importancia en el desarrollo de una sociedad. Existe un interés constante en promover avances tecnológicos de aplicación al transporte público que proporcionen a los usuarios un medio de transporte seguro, eficiente, limpio, no ruidoso, económico y fiable. En la actualidad el desarrollo y adaptación de medios de transporte que empleen motores eléctricos es una de las principales líneas de investigación al respecto. Las características que definen este motor eléctrico ofrecen una serie de mejoras y ventajas frente a los propulsores montados en los autobuses públicos actuales. El mayor aprovechamiento de la energía, la capacidad de alcanzar velocidades superiores, un aumento en el confort de marcha, la reducción de la fricción y un compromiso con el medio ambiente son sus principales argumentos. El sistema de propulsión con motor eléctrico lineal solo precisa del vínculo electromagnético entre los dispositivos móviles y fijos, eliminándose así la necesidad de un sistema de transmisión para convertir el movimiento rotativo en lineal, con las ventajas que esto conlleva. Las ventajas principales que presentan los motores lineales respecto a los rotativos se basan en que la transmisión de la fuerza se realiza ahora directamente por el campo magnético. Todo ello proporciona una serie de ventajas en aplicaciones de transporte sobre los accionamientos tradicionales basados en transmisiones mecánicas: • Mayores valores de velocidad, pudiendo llegar hasta 300 m/min. • Mayores valores de aceleración, lo que en muchas aplicaciones es más importantes que el valor de la velocidad máxima. • Mayor ancho de banda del sistema de accionamiento, mejorando la rapidez y la calidad de respuesta del eje. • El sistema es más preciso cuando se desplaza a altas velocidades, por lo que la calidad de la interpolación así como la velocidad y precisión en aplicaciones de contorneado se incrementan notablemente • Reducción de los niveles de vibración y del ruido sin comprometer el grado de prestaciones • Mayor fiabilidad porque hay menos desgaste (la aceleración y el frenado no dependen de la fricción). • No dependen de la fricción para salvar pendientes, es decir, pueden aplicarse para cualquier pendiente, incluida la posición vertical. • En aplicaciones de transporte, eliminan la necesidad de tener una alimentación para la propulsión y control del vehículo, por lo que el vehículo puede ser pasivo. El incremento de la disponibilidad de materiales magnéticos que han permitido construir imanes permanentes con la suficiente fuerza coercitiva para no ser desmagnetizados por efecto de la reacción de inducido durante el arranque y aceleración y la utilización generalizada de convertidores estáticos, han proporcionado la oportunidad de desarrollar Motores Síncronos Lineales de Imanes Permanentes (MSLIP) aplicados al transporte; son motores de elevadas prestaciones en velocidad y rendimiento y con un reducido tamaño en comparación con un motores de inducción de igual potencia. Los MSLIPs con núcleo ranurado presentan en el entrehierro unas variaciones de energía debidas a la tendencia que tienen los imanes de alinearse en la posición de mínima reluctancia con respecto a los dientes de la armadura, la denominada fuerza de diente (cogging force en ingles). Además, la inducción magnética de la excitación en el entrehierro es no sinusoidal, por la geometría del deslizador de imanes. La combinación de los efectos mencionados produce una fuerza de retención o de retención (en inglés se le conoce como “detent force”), que se manifiesta en pequeños saltos u ondulaciones y afectan el empuje del MSLIP originando variaciones momentáneas de la velocidad en el motor que especialmente, dificultan el control del mismo, pudiendo producir inestabilidad mecánica y generar ruido. En la literatura existente se encuentran técnicas para reducir la fuerza de retención aplicadas a las diferentes topologías de MSLIPs; pero en general, son pocas o casi inexistentes las aplicaciones de las técnicas de mejoras mediante el proceso de inclinación de los imanes en configuración Halbach. En general, en la tesis se presenta el diseño de un motor eléctrico capaz de propulsar un vehículo a la velocidad adecuada sin necesidad de necesidad de sistemas de acumulación de energía. Se propone inicialmente un MSLIP en disposición Halbach (MSLIP-H) cuyos parámetros de diseño se deducen a partir de un motor síncrono rotativo comercial. Se realizan varias mejoras sobre este prototipo inicial, como son: • El uso de una adecuada relación entre la longitud del imán y el paso de ranura, relación que consigue reducir la fuerza de retención en los MSLIP-H. • Se comprueba el efecto de la inclinación de los imanes MSLIP-H sobre las fuerzas que intervienen en el movimiento del motor, obteniendo los valores de la fuerza de empuje, y de la fuerza normal del motor. También se realiza un análisis de vibraciones de dos modelos de MSLIPs de polos opuestos con diferente ranurado estatórico. Sobre el diseño propuesto se modifica la geometría de los imanes del deslizador, haciendo nuevas propuestas que hemos denominado MSLIP-H TIPO 7, L & Z); con ellas, se reduce considerablemente el “stress” de los propios imanes y se concentra la mayor parte de flujo magnético en el entrehierro produciendo una reducción del rizado de la fuerza propulsora del motor, disminuyendo la vibración y el nivel de ruido. El análisis electromagnético se ha realizado mediante el cálculo numérico; se ha simulado por el método de los elementos finitos (FEM) con software Flux™ V10.3, licencia comercial; para validar los resultados de la simulación se han comparado con otros resultados publicados por diferentes autores que trabajan en el diseño de motores síncronos lineales de imanes y que han sido contrastadas con resultados experimentales.
