Diseño de un motor síncrono de imanes permanentes para propulsión aérea de aparatos multirrotor de ala rotatoria

Abstract

El desarrollo de la tecnología eléctrica ha permitido un avance de la humanidad sin precedentes en los últimos dos siglos. La facilidad de transporte y transformación de la electricidad abrió el acceso energético a todos los sectores de la sociedad, estableciéndose una innegable correlación entre consumo energético y progreso humano. Según la Agencia Internacional de la Energía, “la electricidad es el corazón de las economías modernas” [0.1]. En concreto, la motorización eléctrica es líder indiscutible en los accionamientos de casi cualquier tipo de maquinaria, tanto en entornos industriales como urbanos. Esto se debe a su multitud de ventajas: elevada eficiencia, potencia específica, control preciso y la ausencia de emisiones contaminantes. Sin embargo, la energía eléctrica siempre se ha visto lastrada por su difícil almacenamiento. Ello obliga a transformar los excedentes energéticos en otras formas de energía para su uso posterior, principalmente en forma de energía potencial gravitatoria, a gran escala; o en baterías químicas, a pequeña escala. Esto perjudica directamente al sector del transporte que, a excepción del transporte ferroviario, que tiene acceso a la red eléctrica a través de la catenaria, utiliza forzosamente baterías para acceder a la energía eléctrica. El transporte rodado, el marítimo y el aéreo han dependido siempre del motor térmico, al tener los combustibles fósiles una densidad energética enormemente superior a la de las baterías. No obstante, en los últimos años otros actores han entrado en escena moviendo consigo todo el sector. La preocupación por los niveles de emisión y la contaminación, están promoviendo regulaciones cada vez más estrictas que fuerzan a la actividad humana a desarrollarse de una manera más limpia y respetuosa con el medio. Esto ha supuesto el resurgir de la movilidad eléctrica: el automóvil eléctrico es ya una realidad para el transporte urbano; la Organización Marítima Internacional (perteneciente a la ONU) busca reducir la emisión de gases de efecto invernadero derivados del transporte marítimo promoviendo la propulsión eléctrica [0.2]; y abundan las publicaciones de prototipos de aeronaves eléctricas desarrollados por grandes compañías [0.3],[0.4]. En concreto, hay un tipo de aeronaves eléctricas cuyo mercado está creciendo considerablemente en los últimos años, los pequeños multicópteros no tripulados. Estos aparatos, que comenzaron a extenderse a nivel civil para un uso principalmente lúdico, empiezan a ser utilizados en diversas tareas, principalmente grabación aérea de vídeo e inspección de infraestructuras o plantaciones agrícolas. A todo ello se suma su uso en entornos militares, un sector más maduro en estas tecnologías. Diversos estudios esperan un gran crecimiento de este mercado. La consultora PWC estima un volumen de 127 billones de dólares (billón americano), solo en usos industriales espera un gasto de 9.46 billones anuales [0.5]. Según los datos del mercado de drones, el negocio de los drones comerciales rozará los 180 billones de dólares para 2025 [0.6]. Pese a este crecimiento del sector, en escala y aplicaciones, la tecnología que usan estos aparatos es fundamentalmente la misma. Todos, forzosamente, equipan una batería, típicamente de iones de litio, por ser actualmente la de mayor densidad energética; y motores de corriente continua sin escobillas, los llamados Brushless DC o BLDC. La finalidad de este trabajo de fin de grado es estudiar la implementación de motores síncronos de imanes permanentes en aparatos de vuelo rotatorio con varios rotores. Se pretende estudiar si el uso de estos motores supone una mejora relevante frente a los BLDC en términos de eficiencia. Esta eficiencia resulta crítica en este tipo de accionamientos, pues el incremento de rendimiento de los motores supone un incremento proporcional en la autonomía del vehículo, principal reto de la movilidad eléctrica en la actualidad. También se busca aumentar las posibilidades de uso de esta clase de aparatos, por lo que se han fijado unas especificaciones superiores a lo que se puede encontrar a nivel comercial en la actualidad.