Aportaciones al diseño y caracterización del motor lineal de reluctancia autoconmutado

Abstract

In this study two electromagnetic analytical models have been developed. From this models the main magnetic and mechanics characteristics are obtained, and also permit getting the principal dimensions of the LSRM. From this results a prototype has been built, which has been examined by means of finite elements and experimental tests which corroborate the validity of the contributed analytic models. The study contains the status of art and the classification of the linear actuators as well as the genesis of the LSRM from the rotative counterpart. The LSRM performance is simulated in a Matlab/Simulink simulation model. This model allows us to know the influence of the position shot for the phase current on the average force and therefore the optimal interval conduction phase current. Chapter 2 deals with a new electromagnetic model obtained from analytical simple expressions which permit analyzing and obtaining parameters with a reduced computational cost. Also is studied the endeffects (fringe effects) by analytical expressions and by finite elements. With the objective of quantifying the aforementioned effect on the linked flux versus current characteristic, a correction method is developed. Chapter 3 investigates the influence of the geometric dimensions on the profiles of force and inductance using the method of the finite elements. The geometric relations that optimize the average force are reported. Chapter 4 presents the study of the principal losses of the LSRM, mainly iron losses and copper losses. Once losses have been obtained, an analytical thermal model of lumped parameters is developed from which the thermal behavior is predicted. Chapter 5 presents a systematic methodology for designing the LSRM. This methodology allows us to obtain the main parameters (electric, magnetic, mechanic and geometric), from the given design specifications. The methodology is validated by finite elements. In chapter 6 the analytic models are validated by the construction and essay of a prototype. The experimental results validate the contributions made in this study.

En esta Tesis se hacen contribuciones al estudio, a la caracterización y al dimensionamiento de los motores lineales de reluctancia autoconmutados de flujo longitudinal y topología plana. En el capítulo 1 el estudio contiene el estado del arte y una clasificación de los accionamientos eléctricos lineales. A continuación se desarrollan los principios fundamentales del motor de reluctancia autoconmutado rotativo (SRM) a partir de una estructura magnética de reluctancia elemental. Seguidamente en base a la estructura del SRM se efectúa una génesis del motor lineal de reluctancia autoconmutado (LSRM), se presentan las ecuaciones que lo caracterizan y se propone un modelo para explicar su comportamiento utilizando el entorno MATLAB/Simulink. En el capítulo 2 se aborda el análisis magnético del LSRM utilizando tres procedimientos distintos. El primero de los cuales se basa en la determinación del área del ciclo de conversión de la energía, en el cual la curva de magnetización en la posición no alineada se representa por una línea recta mientras que la curva de magnetización en la posición alineada es representada por dos líneas rectas. Mediante este procedimiento se determina la ecuación de la fuerza de propulsión media del LSRM en función de la densidad de flujo magnético en los polos del estator, de la densidad de corriente y de la geometría del motor. El segundo procedimiento consiste en analizar el circuito magnético mediante parámetros concentrados considerando la saturación y los efectos asociados a las cabezas de bobina. Finalmente, el tercer procedimiento es el análisis magnético mediante elementos finitos en 2D corregido para tener, también, en cuenta los efectos relativos a las cabezas de bobina. En el capítulo 3 se realiza un análisis de sensibilidad investigando la influencia de las principales dimensiones geométricas sobre los perfiles de fuerza e inductancia del LSRM, utilizando el procedimiento de análisis magnético mediante elementos finitos en 2D corregido para considerar de los efectos asociados a las cabezas de bobina. A partir de los resultados obtenidos se obtiene las relaciones geométricas que optimizan la fuerza media de propulsión. En el capítulo 4 se estudian las pérdidas en el hierro y de las pérdidas en el cobre en el LSRM. Desarrollándose, seguidamente, un modelo analítico de parámetros concentrados que describe el comportamiento térmico del LSRM., mediante el cual será posible predecir las temperaturas máxima y media en función de las pérdidas totales. En el capítulo 5 se realiza, en base a los resultados obtenidos en los capítulos anteriores, una propuesta de dimensionamiento del LSRM que facilita un diseño optimizado de los principales parámetros eléctricos, magnéticos, mecánicos y geométricos a partir de unas determinadas especificaciones de diseño. En el capítulo 6 se presentan los resultados experimentales efectuados en el laboratorio, sobre un prototipo de LSRM, construido en base a los estudios precedentes, que validan las propuestas efectuadas en la Tesis. Finalmente en el capítulo 7 se recogen a modo de conclusión las principales aportaciones de esta Tesis y se sugieren futuras líneas de investigación.