Reducción de masa del motor de flujo axial con refrigeración mejorada.
El objetivo del artículo es la comparación de las estructuras de los motores de flujo axial frente a las estructuras convencionales de flujo radial (RF) para motores síncronos PM. El procedimiento de comparación se basa en consideraciones térmicas simples. Se eligen dos tipos de motores y se comparan en términos de par electromagnético entregado. La comparación se desarrolla para diferentes dimensiones del motor y se pone de manifiesto la influencia del número de polos. El documento informa el procedimiento de comparación completo y el análisis de resultados relacionado. Los resultados obtenidos muestran que, cuando la longitud axial es muy corta y el número de polos es alto, los motores de flujo axial pueden ser una alternativa atractiva a las soluciones convencionales de flujo radial.
Se proporcionan métodos y aparatos para motores de flujo axial. El aparato comprende un estator que tiene bobinas para producir un campo magnético, un rotor que gira por el campo magnético y un eje de salida acoplado al rotor. El rotor incluye un componente magnético y no magnético. El componente no magnético tiene una densidad más baja que el componente magnético. Uno o ambos componentes del rotor tienen aberturas para ventilación y reducción de peso. Los imanes permanentes se montan deseablemente en el componente magnético del rotor que mira hacia el estator y las partes del rotor detrás de los imanes permanentes se ahuecan para que sean más delgadas que las partes del rotor entre los imanes permanentes. Esto reduce el peso del rotor sin afectar significativamente la densidad del motor de flujo axial magnético en el rotor o el par motor.
Un motor eléctrico de flujo axial que comprende un rotor y un primer y segundo estator. Los estatores primero y segundo tienen un entrehierro primero y segundo situado entre el estator primero y segundo y el rotor, respectivamente, y el segundo entrehierro es mayor que el primer entrehierro. En una realización, las bobinas del primer estator y las bobinas del segundo estator están en paralelo. El motor comprende además interruptores que activan alternativamente las bobinas del primer estator y del segundo estator basándose en el par requerido y la velocidad requerida del motor. En una segunda realización, las bobinas del primer estator y las bobinas del segundo estator están en serie y el motor comprende además interruptores que desvían selectivamente las bobinas del segundo estator para reducir la fuerza contraelectromotriz del motor y aumentar la fuerza máxima. velocidad del motor a un voltaje de entrada dado.
Presentamos diseños dedicados de formas de onda de corriente óptimas para motores de rueda de motores de flujo axial tipo disco. El motor de rueda dedicado de cuatro fases ha sido diseñado e instalado directamente dentro de la rueda de los vehículos eléctricos sin diferenciales mecánicos ni reductores. Realizamos una optimización orientada al par para obtener la forma de onda de corriente óptima sujeta a varias restricciones para la estructura de bobinado independiente. Encontramos que la mejor forma de onda óptima con par maximizado y pérdida óhmica confinada es proporcional a la variación del flujo magnético en el espacio de aire entre el estator y el rotor y tiene la misma forma que la fuerza electromotriz inversa (EMF). Este hallazgo se confirma mediante análisis teóricos y numéricos. Como era de esperar, la forma de onda de control de corriente de la fuerza contraelectromotriz extraída de los experimentos ofrece el mejor rendimiento en términos de par máximo y eficiencia del motor.
Debido a que los motores de inducción de flujo axial (AFIM) tienen muchas ventajas sobre los de flujo radial (convencionales), se utilizan cada vez más en aplicaciones industriales. Por lo tanto, su predicción de rendimiento es un tema importante. Por otro lado, la estimación de parámetros es una parte inseparable de la predicción del rendimiento. En este artículo se presenta un nuevo método basado en la corriente de descarga de los devanados del estator. En el método propuesto se comparan corrientes de descarga teóricas y prácticas para calcular coeficientes, constantes de tiempo y parámetros. Luego, los parámetros calculados se emplean en el modelo dq del AFIM. Finalmente, se utilizan análisis de elementos finitos en 3-D y pruebas experimentales para verificar el método propuesto.
Dos casos de diseño y análisis de un motor de imanes permanentes de flujo axial con arranque en línea: con rotor sólido y con rotor compuesto. Para una estructura novedosa del motor, se agregan dos anillos elevados espaciados uninivel concéntricos a los radios interior y exterior de sus rotores para permitir la capacidad de arranque automático. El rotor compuesto estaba recubierto por una capa delgada (0.05 mm) de cobre. Se extrajeron las ecuaciones básicas para el anillo de rotor sólido. La falta de simetría del motor requería un análisis de elementos finitos de pasos de tiempo en 3D, realizado a través de Vector Field Opera 14.0, que evaluó los parámetros de diseño y predijo el rendimiento transitorio del motor. Los resultados de la FEA muestran que el rotor compuesto mejora significativamente tanto el par de arranque como la capacidad de sincronización en comparación con el rotor sólido.
La distribución del campo magnético para un motor de CC sin escobillas, de imán permanente, tipo disco, trifásico con flujo coaxial en el estator. Los cálculos se realizan utilizando el método de elementos finitos (FEM) 3-D. El par electromagnético se determina a partir del tensor de tensión de Maxwell. A modo de comparación, se analizan varias dimensiones de imanes permanentes, zapatas polares y entrehierro. Se muestra que el par de torsión de ondulación se puede reducir de manera efectiva mediante un ancho de imán permanente y una longitud de entrehierro apropiados. Los resultados de la simulación concuerdan bien con los datos experimentales obtenidos del motor prototipo.
El motor de histéresis de flujo axial (AFHM) es un motor síncrono de arranque automático que utiliza las características de histéresis de los materiales magnéticos. Se sabe que las características magnéticas del motor de histéresis pueden verse fácilmente afectadas por la variación de las dimensiones del entrehierro y la estructura. La longitud del espacio de aire juega un papel importante en la distribución del flujo en el anillo de histéresis e influye en el par de salida, la corriente terminal, la eficiencia e incluso el valor óptimo de otros parámetros estructurales de AFHM. Con respecto a este tema, en este estudio se investiga el efecto de la variación del entrehierro en las características de rendimiento de un motor de histéresis de flujo axial y el efecto de la longitud del entrehierro en el espesor del anillo de histéresis y las vueltas del devanado del estator. Se examina el efecto de la longitud del entrehierro en el modelo del circuito eléctrico. Finalmente, la simulación de AFHM para extraer los valores de salida del motor y el análisis de sensibilidad sobre la variación del entrehierro se realiza mediante el modelo de elementos finitos en 3D. Se adopta un bucle de histéresis en forma de elipse inclinada. Este estudio puede ayudar a los diseñadores en el enfoque de diseño de tales motores.
Motor de flujo axial de doble rotor (DRAFM) de bajo costo con núcleo de compuesto magnético blando (SMC) de bajo costo e imanes permanentes de ferrita (PM). Se presentan la topología y el principio operativo de DRAFM y las consideraciones de diseño para un mejor uso de los materiales magnéticos. Un DRAFM de 905 W y 4800 rpm está diseñado para reemplazar el motor síncrono de imán permanente (PMSM) NdFeB de alto costo en un compresor de refrigerador. Utilizando el método de elementos finitos, se calculan los parámetros electromagnéticos y el rendimiento del DRAFM operado bajo el esquema de control orientado al campo. A través del análisis, se muestra que los materiales SMC y PM de ferrita pueden ser buenos candidatos para aplicaciones de motores eléctricos de bajo costo.
En este trabajo se presentan los motores síncronos Axial Flux Interior PM (AFIPM), como candidatos para la propulsión de pequeños coches eléctricos urbanos. Los efectos de los parámetros del motor sobre el rendimiento del par motor se examinan mediante el análisis de las trayectorias de corriente del estator en el plano (id-iq). Los parámetros del motor AFIPM están diseñados por este análisis para hacer que la capacidad de potencia del motor coincida con los requisitos de torque, considerando la corriente del inversor y los límites de voltaje de CC. Además, la trayectoria óptima de torque por amperio limitada por voltaje se dibuja en el (id-iq) avión. Se muestra que la elección adecuada de los parámetros del motor es un compromiso entre los parámetros para obtener la característica de funcionamiento ideal para el control óptimo en un amplio rango de velocidades y los parámetros para obtener el alto par operativo a baja velocidad. Finalmente, se presentan algunas consideraciones de diseño y los resultados de la simulación para un motor síncrono AFIPM de 180 V (voltaje de bus de CC), 10 kW para vehículos eléctricos.
La tracción de un vehículo eléctrico (EV). La unidad de potencia es un Motor Síncrono de Imanes Permanentes (PMSM) pilotado por la estrategia de control trapezoidal. Los modelos del vehículo eléctrico, del motor basado en identificación por elementos finitos y del accionamiento, están implementados bajo Matlab/Simulink 7.1. El control está asegurado por cuatro lazos cerrados, uno para velocidad y otros tres para regulación de corrientes. Los resultados de la simulación muestran la efectividad del control trapezoidal para los sistemas de tracción eléctrica.
Se describe un motor de inducción de flujo axial que contiene laminados y materiales compuestos magnéticos blandos. Al combinar estos dos materiales, el motor de inducción de flujo axial obtiene un espacio volumétrico limitado, incluida una altura limitada, y una salida de par uniforme, incluida una ondulación limitada. El motor de inducción de flujo axial también contiene barras de rotor que están sesgadas. Estas barras sesgadas suavizan las pulsaciones de torsión del motor de inducción, lo que mejora el funcionamiento eficiente del motor.
El desarrollo de una "compensación peso-potencia" aplicable a vehículos de alto rendimiento y potencia limitada. Luego, la teoría se aplica al caso del vehículo eléctrico para justificar la búsqueda de un diseño de motor "en la rueda". Los beneficios singulares de la geometría de flujo axial se discuten con referencia a los requisitos particulares de los motores eléctricos para aplicaciones vehiculares. Se presenta el proceso de diseño básico, la construcción y los resultados de las pruebas de un motor instalado en una rueda de 26 pulgadas para impulsar un vehículo de 260 kg de peso total. Con una potencia de salida de 1 kW, la velocidad alcanzable del vehículo es de 72 km/h, lo que corresponde a una velocidad del motor/rueda de 578 r/min y un par de 16.5 Nm, con una eficiencia del motor estimada del 94 %.
Hemos aplicado un diseño óptimo multiobjetivo a un motor de rueda de CC sin escobillas. El motor de imán permanente de flujo axial resultante tiene una alta relación par-peso y eficiencia del motor y es adecuado para aplicaciones de ruedas de transmisión directa. Debido a que el motor de rueda tipo disco está integrado en el cubo de la rueda, no se necesitan engranajes de transmisión ni diferenciales mecánicos y, por lo tanto, se aumenta la eficiencia general y se reduce el peso. El motor dedicado se modeló en circuitos magnéticos y se diseñó para cumplir con las especificaciones de un esquema de optimización, sujeto a restricciones como espacio limitado, densidad de corriente, saturación de flujo y voltaje de activación. En este artículo se ilustran dos configuraciones diferentes de motores de tres y cuatro fases. Luego se realizan análisis de elementos finitos para obtener las características electromagnéticas, térmicas y modales del motor para la modificación y verificación del diseño preliminar. Las fuerzas retroelectromotrices de los prototipos se examinan para las estrategias de control de las formas de onda de conducción actuales.
Las características originales, como la compacidad y la ligereza, hacen que las máquinas de imanes permanentes de flujo axial (AFPM) sin ranuras sean elegibles para su aplicación en accionamientos de motores de gran potencia dedicados al accionamiento directo de hélices de barcos. Este documento analiza las características de los AFPM diseñados para su aplicación en la propulsión marina, y se evalúan los rendimientos de la máquina, como la eficiencia, el peso y la densidad del par, para compararlos con los de las máquinas síncronas convencionales. Se propone una disposición modular recién concebida del devanado del estator de la máquina y finalmente se muestran los resultados experimentales tomados de un prototipo de máquina de tamaño pequeño.
En los accionamientos por motor de vehículos eléctricos (EV), el uso de un motor de baja velocidad acoplado directamente al eje de la rueda permite una reducción del peso del vehículo y una mejora en la eficiencia del accionamiento. Los motores PM de flujo axial sin ranuras son particularmente adecuados para esta aplicación, ya que pueden diseñarse para una alta relación par-peso y eficiencia. Este artículo trata sobre un prototipo de motor PM de flujo axial de 16 polos que se utiliza en la propulsión de un scooter eléctrico. El motor prototipo tiene un par máximo de 45 Nm, un peso de materiales activos de 6.8 kg y está acoplado directamente a la rueda trasera del scooter. El documento analiza el diseño y la construcción del prototipo del motor y reporta los resultados experimentales logrados en las pruebas de laboratorio. Finalmente, se dan detalles sobre la disposición del accionamiento del motor scooter.
El desarrollo de aviones totalmente eléctricos permitiría vehículos más eficientes, silenciosos y ecológicos y contribuiría a la reducción global de las emisiones de gases de efecto invernadero. Sin embargo, los motores eléctricos convencionales no alcanzan una densidad de potencia lo suficientemente alta como para ser considerados en aplicaciones aéreas. Los materiales superconductores de alta temperatura (HTS) a granel, como los gránulos de YBCO, tienen la capacidad de atrapar el flujo magnético, por lo que se comportan como imanes permanentes. Los datos experimentales muestran que los gránulos YBCO de un solo dominio podrían atrapar hasta 17 T a 29 K, lo que permite el diseño de motores de muy alta densidad de potencia que podrían usarse en la propulsión de aviones. Diseñamos un motor superconductor basado en una configuración de flujo axial y compuesto por seis placas YBCO magnetizadas por una bobina superconductora enrollada en el exterior del motor. La máquina homopolar de seis polos utiliza una armadura resistiva de entrehierro convencional. La configuración de flujo axial permite apilar varios rotores y estatores y, por lo tanto, permite el uso de uno o varios imanes permanentes convencionales.
Construcción de dos prototipos gemelos de motores de imanes permanentes de flujo axial sin ranuras desarrollados conjuntamente por SIMINOR Ascenseurs y la Universidad de Roma para su aplicación en sistemas de ascensores de accionamiento directo sin cuarto de máquinas. Cada prototipo de motor de transmisión directa por polea tiene una potencia nominal de 5 kW, 95 rev/min, y tiene una altura de eje de 380 mm y un espesor axial total de aproximadamente 80 mm. El diseño de la máquina basado en especificaciones inusuales y las soluciones de fabricación originales adoptadas para la disposición propuesta del ascensor de transmisión directa se analizan a lo largo del documento, incluidas las principales dimensiones y características de los motores prototipo. Finalmente, se reportan los resultados experimentales tomados de los prototipos de máquinas.
Un conjunto de unidad de potencia que tiene un par de motores eléctricos de flujo axial reflejados que tienen un eje de rotación común, cada motor de flujo axial incluye un rotor dispuesto en un eje de rotor y al menos un estator dispuesto en relación operativa con dicho rotor. Una placa de extremo común está dispuesta entre cada par de motores eléctricos de flujo axial para proporcionar una estructura de montaje común, mientras que un cubo de salida está acoplado operativamente a cada eje de rotor del par de motores eléctricos de flujo axial reflejados. Cada uno del par de motores eléctricos de flujo axial espejado está configurado operativamente para proporcionar velocidad y par independientes a cada cubo de salida asociado.
Las características originales, como la compacidad y la ligereza, hacen que las máquinas de imanes permanentes de flujo axial (AFPM) sin ranuras sean elegibles para su aplicación en accionamientos de motores de gran potencia dedicados al accionamiento directo de hélices de barcos. El documento analiza las características de los AFPM diseñados para la aplicación de propulsión marina. Se propone una disposición modular recién concebida del devanado del estator de la máquina y finalmente se dan los resultados experimentales tomados de un prototipo de máquina de tamaño pequeño.
Análisis y experimento de un motor de corriente continua sin escobillas (BLDC) de imán permanente de flujo axial (AFPM) con par de arranque minimizado. Recientemente, muchos diseños óptimos para el motor AFPM se han realizado mediante análisis de elementos finitos (FE), pero dicho análisis generalmente requiere mucho tiempo. En este estudio, la ecuación de las líneas de flujo magnético existentes entre los PM y los núcleos se asume matemáticamente y el par mínimo de cogging se calcula teórica y geométricamente sin análisis FE. En este documento, se supone que la forma de la ecuación es un polinomio de segundo orden. El ángulo de inclinación que minimiza el par de torsión se calcula teóricamente, y el valor del par de torsión mínimo se confirma mediante análisis y experimentos de FE. En el análisis teórico, el par de arranque máximo de un motor AFPM propuesto tiene el valor más pequeño aproximadamente en un ángulo de inclinación de 4 y ese valor es aproximadamente el mismo que el de los análisis y experimentos de FE. En comparación con el motor no sesgado, el par de torsión del motor sesgado se puede reducir.
En este documento se presenta un diseño óptimo multiobjetivo de un motor de rueda de flujo axial tipo disco de CC sin escobillas y sus formas de onda de corriente óptimas. Este motor dedicado está modelado en circuitos magnéticos y diseñado para cumplir con las especificaciones de un esquema de optimización, sujeto a restricciones, como espacio limitado, densidad de corriente, saturación de flujo y voltaje de activación. Luego se realiza la optimización orientada al par para obtener la forma de onda de corriente óptima sujeta a varias restricciones para la estructura de devanado independiente. Se encuentra que la mejor forma de onda óptima con par maximizado y pérdida óhmica confinada es proporcional a la variación del flujo magnético en el entrehierro entre el estator y el rotor, que se verifica con la misma forma.
Existe una variedad de técnicas para reducir el par de torsión de las máquinas PM de flujo radial convencionales. Aunque algunas de estas técnicas se pueden aplicar a máquinas de flujo axial, el costo de fabricación es especialmente alto debido a la construcción única del estator de la máquina de flujo axial. En consecuencia, son deseables nuevas técnicas de bajo costo para su uso con máquinas PM de flujo axial. Este documento presenta una nueva técnica de minimización del par de torsión para motores PM de imán de superficie de rotor múltiple de flujo axial. En primer lugar, en este artículo se exploran los principios básicos de la nueva técnica. A continuación, se diseña y optimiza una máquina de disco magnético de superficie de flujo axial de 3 kW y 8 polos con doble rotor y un solo estator para aplicar el nuevo método propuesto. Se investiga la optimización del arco polar del imán adyacente que da como resultado un par de torsión mínimo, así como la evaluación del efecto sobre el par máximo disponible mediante el análisis de elementos finitos (FEA) 3D. El par de arranque minimizado se compara con varios datos reales de la máquina y se extraen algunas conclusiones importantes.
Minimizar el par de arranque en el diseño de motores de imanes permanentes de flujo axial (AFPM) es uno de los principales problemas que deben tenerse en cuenta durante el proceso de diseño. Este documento presenta varias técnicas rentables de desviación de imanes para minimizar los componentes de par de torsión en motores AFPM de doble rotor. Los métodos de minimización del par de dentado del lado del rotor se examinan en detalle con un enfoque principal en el enfoque de inclinación del imán, y se proponen varias técnicas de inclinación alternativas rentables. Se proporciona una comparación detallada de los enfoques de inclinación magnética. Se construye un prototipo de motor AFPM con diferentes estructuras de rotor en base a los análisis. Luego, los análisis se validan con resultados experimentales y se explora la influencia del componente de par de torsión en la calidad del par de los motores AFPM. Los resultados confirman que los enfoques de inclinación magnética propuestos pueden reducir significativamente el componente de cogging en comparación con el motor AFPM de referencia con imanes no inclinados y ayudar a mejorar la calidad del par de torsión de los motores de disco.
Diferentes enfoques de medición e identificación aplicados a una máquina síncrona de imán permanente (PM) no convencional, concretamente, el nuevo motor síncrono de PM interior de flujo axial (AFIPM). La geometría no convencional del motor AFIPM requiere una discusión dedicada al tema de la identificación de parámetros. En el artículo, se presentan la prueba de respuesta de frecuencia en reposo y la prueba de respuesta en tiempo de reposo en el prototipo AFIPM. Sobre la base de estas pruebas, se eligen los parámetros del circuito de los ejes d y q. Para confirmar la validez de las pruebas de parada, también se han realizado las pruebas de carga. Además, las pruebas de carga proporcionan algunos resultados preliminares de rendimiento de la máquina AFIPM e información adicional sobre los fenómenos de saturación. Los parámetros de los circuitos equivalentes de los ejes d y q obtenidos por las mediciones realizadas se analizan y comparan. Finalmente, se selecciona el modelo de máquina AFIPM más adecuado.
Se presenta un nuevo motor síncrono PM interior de flujo axial (AFIPM) para aplicaciones de motores de ruedas. Debido a la nueva estructura del rotor anisotrópico, el motor AFIPM puede entregar una potencia constante con una operación de debilitamiento del flujo. La construcción del rotor solo es factible utilizando materiales magnéticos blandos en polvo. El procedimiento de diseño propuesto utiliza el método de elementos finitos (FEM) además de las reglas clásicas de diseño de motores eléctricos. Se presentan los datos de diseño completos del prototipo en estudio y se describe la etapa de fabricación del prototipo. Los valores calculados de los parámetros de la máquina se comparan con los valores determinados sobre la base de mediciones experimentales. Finalmente se determinan y presentan las características del motor prototipo.
A medida que la tecnología aeronáutica avanza hacia una arquitectura más eléctrica, aumenta el uso de motores eléctricos en las aeronaves. Los motores BLDC de flujo axial (motores de CC sin escobillas) se están volviendo populares en aplicaciones aerodinámicas debido a su capacidad para satisfacer la demanda de peso ligero, alta densidad de potencia, alta eficiencia y alta confiabilidad. Los motores BLDC de flujo axial, en general, y los motores BLDC de flujo axial sin hierro, en particular, vienen con una inductancia muy baja. Debido a esto, necesitan un cuidado especial para limitar la magnitud de la corriente de ondulación en el devanado del motor. En la mayoría de las nuevas aplicaciones de aeronaves más eléctricas, el motor BLDC debe ser accionado desde un bus de 300 o 600 Vcc. En tales casos, especialmente para el funcionamiento desde un bus de 600 V CC, se utilizan inversores basados en transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) para el accionamiento del motor BLDC. Los inversores basados en IGBT tienen limitaciones para aumentar la frecuencia de conmutación y, por lo tanto, no son muy adecuados para accionar motores BLDC con baja inductancia de devanado. En este estudio, se propone un inversor de punto neutro de tres niveles (NPC) para accionar motores BLDC de flujo axial.
La reducción de tamaño se ha convertido en uno de los aspectos más importantes del diseño de motores. Este artículo presenta un motor de husillo de flujo axial en miniatura con un devanado de placa de circuito impreso (PCB) romboidal. El diseño de su estructura mecánica pretende eliminar cualquier espacio innecesario. Antes de la creación de prototipos, la geometría del motor se calcula utilizando un modelo analítico aproximado, lo que ayuda a acelerar el proceso de diseño. El devanado de PCB flexible representa una fuente de excitación electromagnética ultrafina donde las bobinas se enrollan en forma romboidal para reducir la longitud del devanado final y minimizar la pérdida de cobre. El proceso de diseño también incorpora análisis de elementos finitos para una mayor evaluación y refinamiento del rendimiento. Se prototipa el motor propuesto y se encuentra una excelente concordancia entre la simulación y la medición.
Formas de onda de corriente óptimas para motores de rueda de flujo axial tipo disco. El motor de rueda dedicado de cuatro fases ha sido diseñado e instalado directamente dentro de la rueda de los vehículos eléctricos sin diferenciales mecánicos ni reductores. Realizamos una optimización orientada al par para obtener la forma de onda de corriente óptima sujeta a varias restricciones para la estructura de bobinado independiente. Encontramos que la mejor forma de onda óptima con par maximizado y pérdida óhmica confinada es proporcional a la variación del flujo magnético en el espacio de aire entre el estator y el rotor y tiene la misma forma que la fuerza electromotriz inversa (EMF). Este hallazgo se confirma mediante análisis teóricos y numéricos. Como era de esperar, la forma de onda de control de corriente de la fuerza contraelectromotriz extraída de los experimentos ofrece el mejor rendimiento en términos de par máximo y eficiencia del motor.
