Aportaciones al estudio de las máquinas eléctricas de flujo axial mediante la aplicación del método de los elementos finitos

Abstract

La existencia de máquinas eléctricas industriales desde finales del siglo XIX implica que es un sector de desarrollo maduro donde parecen difíciles nuevos conceptos de máquina, a no ser que el desarrollo de nuevos materiales o tecnologías de fabricación hagan que conceptos de máquina con pocas aplicaciones pase a ser objeto de mejora y optimización. <br/>Analizando la literatura de estos últimos años (ver bibliografía), donde se pueden encontrar máquinas nada convencionales, se infiere que los diseños más interesantes hacen referencia a flujos que ya no pueden simplificarse a dos dimensiones como en los motores convencionales, sino que requieren interpretarlo en sus tres dimensiones. De todas las topologías propuestas es la máquina de flujo axial la que está encontrando mayor número de aplicaciones.<br/>En esta tesis doctoral se pretende presentar el estado del arte de esta topología de máquina, justificar su necesidad frente/junto a las máquinas radiales, presentar los parámetros de diseño fundamentales de la misma, presentar el modelo analítico tradicional de máquina de inducción, aportando la solución analítica de las ecuaciones de la máquina.<br/>En las máquinas axiales de inducción con rótor sólido no ferromagnético se presentan fenómenos que no tienen explicación evidente, como puede ser el giro en vacío a velocidades muy alejadas de la de sincronismo, o las dificultades en el arranque de las mismas. Con anterioridad ya se han hecho intentos de aplicar caminos de corriente preferentes en maquinas de este tipo con el fin de mejorar las prestaciones, pero aún no se ha logrado encontrar una explicación a alguno de los fenómenos que rodean a este tipo de máquinas.<br/>Se ha analizado modelos en 3 dimensiones de máquinas de flujo axial empleando el Método de los elementos finitos (MEF), puesto que el problema de las máquinas de flujo axial es un problema tridimensional, como así se reconoce en la bibliografía consultada.<br/>La simulación en 3 dimensiones (3D) de campos electromagnéticos no es novedad, puesto que existe software que permite el cálculo en 3D, sin embargo las simulaciones consultadas en la bibliografía son siempre con campos magnéticos estáticos, la mayoría de veces en 2D y nunca aplicada a cuerpos en movimiento.<br/>De los trabajos realizados se ha comprobado que para extraer conclusiones, es tan importante el número como la imagen gráfica de la simulación. Se han validado los resultados en base a los prototipos desarrollados en el Departament d'Enginyeria Elèctrica de la UPC. Desarrollados dentro del equipo de trabajo en el que ha trabajado el autor, dirigidos por Ricard Bosch Tous.<br/>Estos prototipos tienen en común la geometría axial, el número de polos y las similares dimensiones interiores y exteriores. Se ha trabajado sobre máquinas de 20 pares de polos, formadas por 1 ó 2 inductores constituidos por un soporte ferromagnético o no, sobre el que se bobina el devanado inductor. El rótor es siempre un disco de aluminio de diferentes dimensiones en función del prototipo.<br/>Se ha concluido la necesidad de emplear rotores ranurados debido a los vórtices de corriente que se forman, con el fin de alargar las líneas de corriente y por lo tanto la componente útil de la misma.<br/>Se ha concluido también la necesidad de incrementar las frecuencias de trabajo por encima de la f de 50 Hz. Existiendo frecuencias donde se prevé un mejor funcionamiento, que son los 500 y 1000 Hz.

Electrical Machines began to develop in early beginning of XIXth century. This means they have evolved for two centuries, and actually, from an electromechanical point of view, it is difficult to improve them.<br/>But there exists other topologies of electrical machines which were forgotten practically from the beginning of their evolution, as in case of axial flux machines.<br/>New materials and manufacturing techniques can make possible to develop and improve them.<br/><br/>Taking a look on the recent literature related with non conventional machines, as it is the case of linear or axial flux machines, one can see that conventional two dimensional analysis gives little result. Due to the particular topology of these machines, magnetic field must be analysed in its three dimensions.<br/>The aim and goal of this thesis is to show the state of the art of axial flux machines, to justify its need against/beside radial flux machines, to show the basic design parameters and to analyse a 2 stator 1 rotor axial flux machine using the Finite Element Merhod (FEM).<br/><br/>Axial flux induction machines with non ferromagnetic rotor show results of extremely difficult explanation, as a no load speed far away from synchronous speed. In previous works other authors have tried to fix preferred paths for induced current in these machines, but actually no answer has been found for a lot of questions around them.<br/>In this work a three dimensional analysis of the axial flux machine, through FEM simulations with moving rotor, have been performed using ANSYS software.<br/>No references of similar works have been found in the literature.<br/><br/>Prototypes of axial flux machines with non ferromagnetic conductive rotor have been developed in the "Departement d'Enginyeria Elèctrica" of the Polytechnic University of Catalonia, by the team of Dr. Ricard Boch.<br/>Iron and ironless inductors have been tested showing similar results and showing speeds at no load that agree with the simulations.<br/>The conclusion of the thesis is that these machines ar so sensitive to frequency (f) and s and show better results at 500 Hz and 1 kHz.<br/>It has been proposed to use slotted rotors to break the current vortex and to extent the current lines to improve the torque of the machine.