Development of a multidisciplinary and optimized design methodology for surface permanent magnets synchronous machines

Resumen

La energía eléctrica es uno de los soportes de la civilización moderna. En el contexto actual, las máquinas eléctricas son de capital importancia dado que la mayoría de las centrales generadoras de energía, desde las plantas nucleares a los molinos eléctricos, necesitan una máquina eléctrica trabajando como generador. Por otro lado, se estima que el 65% de la energía eléctrica producida es consumida por motores eléctricos en un entorno industrial. Las máquinas eléctricas constituyen sistemas complejos en los que se producen numerosos fenómenos físicos, por ello su proceso de diseño requiere de detallados modelos multidisciplinares. No obstante, las metodologías y herramientas que habitualmente se emplean se centran en consideraciones electromagnéticas y eléctricas con el objeto de alcanzar las prestaciones de potencia, de eficiencia y de relación volumen/masa definidas y realizando diseños más bien adecuados que óptimos. Los aspectos referentes a otras disciplinas bien se tienen en cuenta mediante reglas empíricas y figuras de mérito basadas en la experiencia previa del diseñador (caso del dimensionado térmico), bien se relegan a un segundo plano, dándoles una importancia menor durante el proceso de diseño (por ejemplo, el estudio vibro-acústico de la máquina). Dicho enfoque resulta efectivo para la realización de máquinas muy similares a las que ya existen y cuyo comportamiento está muy bien caracterizado, pero, debido a su naturaleza poco sistemática, presenta graves problemas cuando se busca incluir nuevos criterios de diseño no referentes a la dimensión electromagnética del problema, tales como restricciones en el comportamiento vibro-acústico de la máquina. En concreto, las máquinas síncronas de imanes permanentes (PMSM por sus siglas en inglés) se han convertido, desde el descubrimiento de los imanes de neodimio hierro-boro (NdFeB), en una interesante opción tanto en las aplicaciones industriales como domésticas. Sirva como ejemplo su relevante presencia en sectores tales como la elevación, aeroespaciales, el vehículo eléctrico o la generación eléctrica. Sus buenas características (elevada eficiencia y alta densidad de potencia, entre otras) hacen de ellos una tecnología emergente y un atractivo campo de estudio, como demuestra la gran cantidad de publicaciones realizadas en los últimos años. Por ello, el objetivo fundamental de la tesis es el desarrollo de una innovadora metodología que permita realizar diseños de PMSM holísticos, multidisciplinares y optimizados, considerando en la fase de diseño además de los aspectos convencionales, el comportamiento vibro-acústico de la misma. Para cumplir con este objetivo se ha desarrollado un completo modelado multidisciplinar y analítico a partir de un detallado estudio de las características electromagnéticas, térmicas y vibratorias de la PMSM prestando una especial atención a las interacciones entre los diferentes dominios físicos. Estos modelos se han utilizado para desarrollar una innovadora metodología optimizada de diseño basada en la utilización de un novedoso algoritmo heurístico llamado DMS (direct multisearch). Finalmente un prototipo de máquina síncrona de 75 kW (IkerMAQ) ha sido diseñado y, a través de numerosos test que abarcan todos los dominios físicos citados, se han validado exhaustivamente los modelos analíticos.