Metodología de diseño de motores síncronos de imanes permanentes para aplicaciones ferroviarias

Abstract

The train traction, a mainly induction machine dominated sector, is leading towards smaller and more efficient machines in the last years. The permanent magnet machines meet the ideal characteristics in order to accomplish a reduction in size and a boost in the efficiency with respect to the induction machines. In this thesis, a design methodology for permanent magnet machine design for train traction has been developed. Design problems have been identified and the requirements of the application have been studied. Then, a methodology consisting of three stages has been developed; analytical pre-design, finite element analysis and thermal analysis. Initial dimensions are obtained in a rapid way from the analytical pre-design, and these dimensions are then optimized in the finite element analysis stage. Once the electromagnetic design has been verified, the machine is thermally analyzed, verifying that it meets all the thermal requirements. Loss analysis tools that take the effects of the converter into account have been integrated in the methodology with an acceptable level of precision. Furthermore, a magnet loss analysis method that combines the precision of the numerical analysis and the speed of analytical calculation has been developed. The methodology can be used either for surface mounted or interior permanent magnet machines, and considers geared and gearless topologies.Finally, a 120kW prototype has been designed and manufactured for a surface mounted geared machine case and the methodology has been validated by experimental tests.

Trenen trakzioa, indukzioko makinek menderatzen duten sektore bat, geroz eta makina txikiago eta efizienteagoetara jotzen bideratzen ari da azken urteetan. Iman iraunkorreko makinek ezaugarri egokiak biltzen dituzte indukziozko makinekiko tamainan murrizketa bat eta efizientzian igoera bat lortzeko. Tesi honetan trenen trakziora zuzenduta dagoen imanezko makinen diseinurako metodologia bat garatu da. Diseinuaren problematika identifikatu da eta aplikazioaren errekerimenduak aztertu ondoren, hiru etapatan banatuta dagoen metodologia bat garatua da: aurre-diseinu analitikoa, elementu finituetan analisia eta analisi termikoa. Aurre-diseinu analitikotik lehenengo dimentsioak lortzen dira era azkar batean. Dimentsio hauek elementu finituetako analisi etapan optimizatzen dira. Behin diseinu elektromagnetikoa baieztatua dagoela, makina termikoki aztertzen da, errekerimendu termikoak betetzen dituela baieztatzeko. Metodologiaren barnean bihurgailuarengatiko efektuak kontuan hartzen dituzten galeren kalkulurako erremintak integratu dira, prezisio gradu onargarri batekin. Gainera, imanetan ematen diren galeren analisirako metodo bat garatu da, zenbakizko kalkuluaren zehaztasuna eta kalkulu analitikoaren azkartasuna batzen dituena. Metodologia hau imanak gainazalean zein errotorearen barruan dituzten makinentzat da baliogarria, eta abiadura aldagailudun eta gabeko kasuak aztertzen dira. Azkenik, 120kW-ko prototipo bat diseinatu eta eraiki da imanak gainazalean dituen abiadura aldagailudun makina batentzat eta metodologia entsegu esperimentalen bidez balioztatu da.

La tracción ferroviaria, un sector dominado principalmente por los motores de inducción, está tendiendo en los últimos años hacia máquinas cada vez más compactas y eficientes. Las máquinas de imanes permanentes reúnen las características idóneas para lograr una reducción en el tamaño y un aumento en la eficiencia con respecto a las máquinas de inducción. En esta tesis se ha desarrollado una metodología de diseño para máquinas de imanes orientada a la tracción ferroviaria. Tras identificar la problemática de diseño y estudiar los requerimientos de la aplicación, se ha desarrollado una metodología que consiste en tres etapas: prediseño analítico, análisis en elementos finitos y análisis térmico. Del prediseño analítico se obtienen unas primeras dimensiones de forma rápida, las cuales se optimizan en la etapa de análisis en elementos finitos. Una vez verificado el diseño electromagnético, se analiza la máquina térmicamente, verificando que cumple con los requerimientos térmicos. Dentro de la metodología se han integrado herramientas para el cálculo de pérdidas considerando los efectos generados por el convertidor con un grado de precisión aceptable. Además, se ha desarrollado un método de análisis de las pérdidas en los imanes que combina la precisión del cálculo numérico con la rapidez del cálculo analítico. La metodología es válida tanto para máquinas de imanes superficiales como de imanes interiores, y se contemplan casos con o sin reductora mecánica. Finalmente, se ha diseñado y fabricado un prototipo de 120kW para un caso de máquina de imanes superficiales con reductora y se ha validado la metodología mediante ensayos experimentales.