Pre-diseño de un motor eléctrico para el accionamiento de un automotor

Pernia Nieto, Carlos (2017). Pre-diseño de un motor eléctrico para el accionamiento de un automotor. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Pre-diseño de un motor eléctrico para el accionamiento de un automotor
Autor/es:
  • Pernia Nieto, Carlos
Director/es:
  • Blázquez García, Francisco
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: 2017
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

Texto completo

[img]
Vista Previa
PDF (Document Portable Format) - Se necesita un visor de ficheros PDF, como GSview, Xpdf o Adobe Acrobat Reader
Descargar (2MB) | Vista Previa

Resumen

El presente proyecto versa sobre el pre-diseño de un motor síncrono de imanes permanentes. La motivación que ha llevado al planteamiento y realización de este trabajo es la necesidad actual de mejorar los motores eléctricos utilizados en tracción ferroviaria. Estos motores son en su mayor parte motores trifásicos de tipo asíncrono, seguidos en número por motores trifásicos síncronos y, en muy pocos casos, de corriente continua, siendo la mayoría de estos últimos usados en ferrocarriles antiguos previos a la generalización de los motores eléctricos de corriente alterna. El resultado del pre-diseño del motor de imanes permanentes permitirá saber si es un tipo de motor viable para remplazar a los motores eléctricos convencionales utilizados en alta velocidad. Es por esto que el punto de partida debe establecerse atendiendo tanto al tipo de vehículo en el que se instalaría como al tipo de motor que con el que se ese vehículo es propulsado actualmente. Se tomó como referencia un automotor (vehículo autopropulsado), debido a que es un tipo de vehículo en el que se sustituye un gran motor instalado en una locomotora por varios motores de menor potencia instalados a lo largo del vehículo. La razón de elegir varios motores de potencia menor a uno (o dos en ciertos casos) en una locomotora es que los motores de imanes permanentes están restringidos por el nivel de potencia. Los motores del automotor elegido son de tipo asíncrono con una potencia de 560 kW cada uno. Esta potencia, así como la tensión y frecuencia de alimentación, se ha mantenido para tener un punto de partido con el que diseñar el nuevo motor. También se ha conservado el valor del diámetro del eje de las ruedas, justificándose esto por el hecho de que el rotor de un motor de imanes permanentes gira a la velocidad de sincronismo de la máquina y ésta toma el valor de la velocidad del vehículo, lo que hace innecesario el uso de una reductora de velocidad (existente en el modelo original). Por tanto, eje y rotor forman un todo en el que los imanes son sólo montados en la zona que delimita el motor. La historia tanto del electromagnetismo, base para el desarrollo de las máquinas eléctricas, como de los ferrocarriles tiene su origen en el siglo XVIII. En un principio, electricidad y magnetismo eran considerados como fenómenos independientes, cada uno con sus respectivas fuerzas y campos, aunque compartieran propiedades como es la existencia de campo sin necesidad de materia. El campo eléctrico está generado por cargas estáticas mientras que el magnético, lo está por el movimiento de cargas eléctricas. A finales del siglo XVIII ya se habían postulado ciertos estudios que relacionaban ambos campos pero no fue hasta el siglo XIX cuando James Clerk Maxwell consiguió unificarlos en un conjunto de cuatro ecuaciones que describen por completo los fenómenos electromagnéticos. Estas ecuaciones reúnen largos años de resultados experimentales debidos, entre otros, a Coulomb, Faraday, Ampère y Gauss. El conocimiento sobre el electromagnetismo que proporcionaron estas ecuaciones, así como su posterior desarrollo, permitió una mejor comprensión sobre el funcionamiento del Universo, brindando además la oportunidad de estudiar nuevos fenómenos y abriendo nuevos campos de estudio. Pero en un sentido práctico, permitió el desarrollo de las máquinas eléctricas, de la generación de electricidad y su transporte, del almacenamiento de la energía, entre otras aplicaciones. El origen de los ferrocarriles tiene lugar en Reino Unido a finales del siglo XVIII. En esta época se produce un gran desarrollo de la industria de la minería y textil. Las primeras máquinas de vapor, de las más conocidas la de James Watt, se utilizan para la extracción de carbón y para la producción de tejidos en las fábricas. Sin embargo, no pasaría mucho tiempo hasta que su aplicación se extendiera al transporte, inicialmente sólo de mercancías. El desarrollo de los ferrocarriles seguiría un ritmo exponencial durante todo el siglo XIX y continúa en la actualidad. A principios del siglo XX, las locomotoras de vapor tuvieron su apogeo, siendo en este periodo cuando comienzan a desarrollarse los primeros ferrocarriles diésel y eléctricos. Los primeros serían dominantes a lo largo del siglo XX, mientras el uso de las locomotoras de vapor declinaba. No sería hasta finales del siglo XX cuando los ferrocarriles de tracción eléctrica comenzaran a ser de uso extendido, debido en parte a la necesidad de vehículos que pudieran viajar más rápido. Para el diseño del motor de imanes permanentes se recurren a dos métodos matemáticos: procesos iterativos (métodos analíticos) y el método de los elementos finitos (métodos numéricos). El fundamento del método analítico es un algoritmo de iteración y, aunque no con la precisión del método numérico, se consiguen resultados aceptables con muy poca potencia de cálculo. Mediante este método se tratará el diseño a nivel de dimensionamiento. Los métodos numéricos se basan en el método de elementos finitos (FEM), que permiten resolver problemas eléctricos, magnéticos o térmicos. Están caracterizados por una buena precisión, permitiendo resolver problemas no lineales como la saturación y las pérdidas en el hierro, aunque requiera para ello un elevado tiempo de cálculo. El diseño de un motor de imanes permanentes, al igual que le de cualquier máquina eléctrica, sigue un proceso iterativo en el cual se usan ambos métodos para minimizar la duración del proceso de diseño al tiempo que se asegura una buena precisión de cálculo. Los pasos que se siguen en este proceso son determinar las especificaciones de la aplicación, las dimensiones de la máquina y determinar el número de polos; seleccionar el imán en función de su curva característica de magnetización, determinar la longitud del entrehierro, definir el devanado de inducido (estatórico), determinar la corriente de alimentación para obtener el par nominal, dimensionar el núcleo magnético del estator el núcleo magnético del rotor, analizar las prestaciones de la máquina y modificar el diseño hasta cumplir con los objetivos predeterminados. Los objetivos predeterminados son cumplir con las especificaciones del motor, es decir, que con la potencia (mecánica, al tratarse de un motor) que posee el motor sea capaz de dar el par suficiente para mover el vehículo a la velocidad requerida. Otro de los objetivos, desde el punto de vista del dimensionamiento, es que el tamaño final del motor no exceda al espacio que tiene asignado en el bogie del automotor. Este espacio viene determinado por el diámetro de las ruedas y por la longitud del eje. Las dimensiones del motor deben ser lo suficientemente pequeñas como para asegurar que tiene espacio suficiente en la longitud del eje (relacionado con el ancho de vía) y que no va a estar demasiado próximo a la vía. Conocidos los datos de partida, como son la potencia del motor asíncrono de partida, la velocidad del vehículo, frecuencia y tensión de alimentación, y suponiendo otros, como son el rendimiento o el factor de potencia, se llevan a cabo los procesos matemáticos iterativos correspondientes a fin de obtener los resultados que permitan determinar si el motor diseño cumple con los objetivos del proyecto. Una vez dimensionado el motor mediante métodos analíticos, se comprueba que, efectivamente, las dimensiones no exceden aquéllas que tiene destinadas como espacio en el bogie del automotor, con espacio suficiente para la correcta circulación del ferrocarril y la instalación de otros elementos relacionados con el motor como la carcasa. Estas dimensiones, junto con las de los imanes de neodimio dispuestos en V en el interior del rotor y cuya naturaleza ha sido previamente estudiada, sirven de base para el análisis por métodos numéricos del comportamiento del motor. Se comprueba que el campo remanente de los imanes es el adecuado, siendo capaz crear inducción en el devanado estatórico tras atravesar el entrehierro de la máquina. A continuación, se alimenta al motor con un sistema trifásico equilibrado de corrientes con su valor nominal. Los resultados muestran que el motor es capaz de proporcionar el par suficiente para propulsar el vehículo a la velocidad requerida de 350 km/h. La velocidad de sincronismo del motor de imanes permanentes no es la original del motor asíncrono (3000 rpm) debido a la ausencia de reductora de velocidad, siendo calculada a partir de la velocidad del vehículo y del diámetro de las ruedas. Los resultados finales muestran que el pre-diseño del motor de imanes permanentes cumple con los objetivos propuestos de potencia, par y velocidad. Con la potencia del motor, éste es capaz de dar el par necesario para propulsar el automotor a la velocidad máxima del vehículo. Estos resultados, obtenidos alimentando al motor a corriente nominal, muestran también que la tensión de inducido es la que se esperaba. Se obtiene además un rendimiento elevado, como era de esperar en un motor de esta naturaleza, al reducirse las pérdidas eléctricas en el hierro y en el cobre y eliminarse las mecánicas debidas a la transmisión de la velocidad a través de la caja reductora. En consecuencia, se puede afirmar que el proyecto ha conseguido sus objetivos y que el motor (incluyendo los imanes) cumplen con los requerimientos sean de naturaleza mecánica, eléctrica o geométrica. El presente trabajo es una primera aproximación al diseño de un motor síncrono de imanes permanentes. Una de las posibles ampliaciones de este diseño sería el estudio de la naturaleza de los imanes, pudiendo estos ser de samario o ferrita, y su disposición, pudiendo ser ésta una configuración radial o de imanes exteriores. Relacionado con esto último, la configuración de los imanes elegida requiere un modelo del comportamiento de la máquina más complejo, con el fin de dimensionar de forma precisa, no sólo el tamaño de los imanes, sino también la correcta disposición. Para ello hay que tener en cuenta efectos como la dispersión del flujo en el entrehierro. El estudio de este motor se ha realizado en dos dimensiones con el fin de reducir los cálculos. Para un estudio completo es conveniente llevar a cabo el estudio del comportamiento del motor en 3D. Esto no es sólo debido a que se obtendrán unos resultados más próximos a la realidad, sino también porque se tiene en cuenta la disposición de los imanes. Estos no se apilan formando una línea recta, sino en espiral a lo largo del rotor, por tanto, los resultados que se obtengan de esa simulación serán más fiables y acordes a la práctica.

Más información

ID de Registro: 47885
Identificador DC: http://oa.upm.es/47885/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:47885
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 28 Sep 2017 06:44
Ultima Modificación: 28 Sep 2017 06:46
  • Open Access
  • Open Access
  • Sherpa-Romeo
    Compruebe si la revista anglosajona en la que ha publicado un artículo permite también su publicación en abierto.
  • Dulcinea
    Compruebe si la revista española en la que ha publicado un artículo permite también su publicación en abierto.
  • Recolecta
  • e-ciencia
  • Observatorio I+D+i UPM
  • OpenCourseWare UPM