Reducción de la fuerza de detención en motores síncronos lineales de imanes permanentes en disposición Halbach

El avance en materia tecnológica de los sistemas y medios de transporte tiene una vital importancia en el desarrollo de una sociedad. Existe un interés constante en promover avances tecnológicos de aplicación al transporte público que proporcionen a los usuarios un medio de transporte seguro, eficiente, limpio, no ruidoso, económico y fiable. En la actualidad el desarrollo y adaptación de medios de transporte que empleen motores eléctricos es una de las principales líneas de investigación al respecto. Las características que definen este motor eléctrico ofrecen una serie de mejoras y ventajas frente a los propulsores montados en los autobuses públicos actuales. El mayor aprovechamiento de la energía, la capacidad de alcanzar velocidades superiores, un aumento en el confort de marcha, la reducción de la fricción y un compromiso con el medio ambiente son sus principales argumentos. El sistema de propulsión con motor eléctrico lineal solo precisa del vínculo electromagnético entre los dispositivos móviles y fijos, eliminándose así la necesidad de un sistema de transmisión para convertir el movimiento rotativo en lineal, con las ventajas que esto conlleva. Las ventajas principales que presentan los motores lineales respecto a los rotativos se basan en que la transmisión de la fuerza se realiza ahora directamente por el campo magnético. Todo ello proporciona una serie de ventajas en aplicaciones de transporte sobre los accionamientos tradicionales basados en transmisiones mecánicas: • Mayores valores de velocidad, pudiendo llegar hasta 300 m/min. • Mayores valores de aceleración, lo que en muchas aplicaciones es más importantes que el valor de la velocidad máxima. • Mayor ancho de banda del sistema de accionamiento, mejorando la rapidez y la calidad de respuesta del eje. • El sistema es más preciso cuando se desplaza a altas velocidades, por lo que la calidad de la interpolación así como la velocidad y precisión en aplicaciones de contorneado se incrementan notablemente • Reducción de los niveles de vibración y del ruido sin comprometer el grado de prestaciones • Mayor fiabilidad porque hay menos desgaste (la aceleración y el frenado no dependen de la fricción). • No dependen de la fricción para salvar pendientes, es decir, pueden aplicarse para cualquier pendiente, incluida la posición vertical. • En aplicaciones de transporte, eliminan la necesidad de tener una alimentación para la propulsión y control del vehículo, por lo que el vehículo puede ser pasivo. El incremento de la disponibilidad de materiales magnéticos que han permitido construir imanes permanentes con la suficiente fuerza coercitiva para no ser desmagnetizados por efecto de la reacción de inducido durante el arranque y aceleración y la utilización generalizada de convertidores estáticos, han proporcionado la oportunidad de desarrollar Motores Síncronos Lineales de Imanes Permanentes (MSLIP) aplicados al transporte; son motores de elevadas prestaciones en velocidad y rendimiento y con un reducido tamaño en comparación con un motores de inducción de igual potencia. Los MSLIPs con núcleo ranurado presentan en el entrehierro unas variaciones de energía debidas a la tendencia que tienen los imanes de alinearse en la posición de mínima reluctancia con respecto a los dientes de la armadura, la denominada fuerza de diente (cogging force en ingles). Además, la inducción magnética de la excitación en el entrehierro es no sinusoidal, por la geometría del deslizador de imanes. La combinación de los efectos mencionados produce una fuerza de retención o de retención (en inglés se le conoce como “detent force”), que se manifiesta en pequeños saltos u ondulaciones y afectan el empuje del MSLIP originando variaciones momentáneas de la velocidad en el motor que especialmente, dificultan el control del mismo, pudiendo producir inestabilidad mecánica y generar ruido. En la literatura existente se encuentran técnicas para reducir la fuerza de retención aplicadas a las diferentes topologías de MSLIPs; pero en general, son pocas o casi inexistentes las aplicaciones de las técnicas de mejoras mediante el proceso de inclinación de los imanes en configuración Halbach. En general, en la tesis se presenta el diseño de un motor eléctrico capaz de propulsar un vehículo a la velocidad adecuada sin necesidad de necesidad de sistemas de acumulación de energía. Se propone inicialmente un MSLIP en disposición Halbach (MSLIP-H) cuyos parámetros de diseño se deducen a partir de un motor síncrono rotativo comercial. Se realizan varias mejoras sobre este prototipo inicial, como son: • El uso de una adecuada relación entre la longitud del imán y el paso de ranura, relación que consigue reducir la fuerza de retención en los MSLIP-H. • Se comprueba el efecto de la inclinación de los imanes MSLIP-H sobre las fuerzas que intervienen en el movimiento del motor, obteniendo los valores de la fuerza de empuje, y de la fuerza normal del motor. También se realiza un análisis de vibraciones de dos modelos de MSLIPs de polos opuestos con diferente ranurado estatórico. Sobre el diseño propuesto se modifica la geometría de los imanes del deslizador, haciendo nuevas propuestas que hemos denominado MSLIP-H TIPO 7, L & Z); con ellas, se reduce considerablemente el “stress” de los propios imanes y se concentra la mayor parte de flujo magnético en el entrehierro produciendo una reducción del rizado de la fuerza propulsora del motor, disminuyendo la vibración y el nivel de ruido. El análisis electromagnético se ha realizado mediante el cálculo numérico; se ha simulado por el método de los elementos finitos (FEM) con software Flux™ V10.3, licencia comercial; para validar los resultados de la simulación se han comparado con otros resultados publicados por diferentes autores que trabajan en el diseño de motores síncronos lineales de imanes y que han sido contrastadas con resultados experimentales.The advancement in technology systems and means of transport has a vital importance in the development of a society. There is a constant interest in promoting technological advances applicable to public transport to provide users a means of safe, efficient, clean, not noisy, economical and reliable transportation. Currently the development and adaptation of transport that use electric motors is one research about of the main lines. The defining characteristics of the electric motor offers a number of improvements and advantages over propellers mounted on existing public buses. The largest use of energy, the ability to reach higher speeds, increased ride comfort, reduced friction and a commitment to the environment are the main arguments. The propulsion system with linear electric motor only requires the electromagnetic link between the mobile and fixed devices, thus eliminating the need for a transmission system to convert the rotary motion into linear, with the advantages this entails as reducing efforts adherence by the driving wheels or reducing maintenance requirements. The main applications of MSLIP, derived from its particular characteristics have been widely described in the literature, fixing his attention on all drives that require a combination of bound motors and to be maintained at the same rate strictly . Its application has been especially advantageous in the textile industry and in glass. The increased availability of magnetic materials to build permanent magnets have allowed enough coercive force to not be demagnetized due to the armature reaction during starting and acceleration and the widespread use of static converters, have provided the opportunity to develop MSLIP applied to transport; are engine speed, high performance and efficiency and reduced size when compared to an induction motor of the same power. The main advantages offered by the linear motor with respect to the rotating based on the transmission of force are now carried out directly by the magnetic field. This provides a number of advantages in transport applications over traditional drives based on mechanical drives: • High speeds, can reach up to 300 m / min. • Increased acceleration, which in many applications is more important than the value of the maximum speed. • Higher bandwidth of the drive system, improving the speed and quality of response axis. • The system is more accurate when moving at high speeds, so that the quality of the interpolation as well as speed and accuracy in contoured applications are notably increased • Reduced levels of vibration and noise without compromising the level of benefits • Higher reliability because there is less wear (acceleration and braking do not depend on friction). • Do not rely on friction to save remaining, i.e., they can be applied for any slope, including vertical. • In transportation applications, eliminating the need for a power for propulsion and control of the vehicle, so the vehicle can be passive. In slotted PMLSMs exists an interaction between the secondary permanent magnets and the teeth of the primary core. Generally, undesired effect contributes to increase the vibration and noise. The potential causes of the thrust ripple in PMLSMs are resulted from the slotting, the finite length of the armature and current harmonics. To reduce thrust ripple in PMLSM several methods have been reported by many researchers. These methods are achieved either by an adequate control of the driver or by special motor design. Most widely used methods at the design stage include: • Changing the ratio of magnet width to pole pitch. • Skewing and optimally disposing the magnets. Or rearranging the permanent magnet. Sometimes these methods can be a burden during the manufacturing stage increasing manufacturing cost. However, investigation for the thrust ripple reduction of linear Halbach topology with skewed magnets has not been enough reported. An optimized slider structure incorporating permanent magnets in Halbach array is proposed; we compare it with a standard Halbach array as well as with other optimized design motors using inclined magnets in the slider New topologies of the slider are presented (which we called MSLIP-H TYP 7 L & Z) adapted to the Halbach magnet configuration; This greatly reduces the "stress" of the magnets themselves and concentrates the majority of magnetic flux in the air gap leading to a reduction of force ripple caused by the driving force of the motor, reducing vibration and noise. The electromagnetic analyzes were performed using the numerical calculation; has been simulated by the finite element method (FEM) with Flux ™ V10.3 software License; the simulation results are compared with other results published by different authors working on the design of linear permanent magnet synchronous motors that have been tested with experimental results.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Jaime Rodríguez Arribas.- Secretario: Jesús Fraile Ardanuy.- Vocal: Ana María Llo