Máquinas de imanes permanentes y alta velocidad: métodos y criterios para el diseño electromagnético, mecánico y térmico

En este trabajo confluyen dos objetivos muy generales pero íntimamente relacionados. Por un lado, adentrarse en el diseño de máquinas eléctricas de alta velocidad con imanes permanentes. Por otro, avanzar en el planteamiento de diseño de máquinas eléctricas en el que viene trabajando el Laboratorio de Máquinas Eléctricas de Tecnun, desde dos puntos de vista:

• Ir haciendo efectivo el objetivo de diseño integral de máquinas, por lo cual se entiende la consideración de los aspectos de diferente naturaleza (eléctrica, magnética, mecánica y térmica) que forman parte de una máquina, muchos de los cuales están interrelacionados, y teniendo en cuenta lo cual se pueden optimizar las máquinas.

• Ampliar la capacidad de diseño introduciendo nuevas topologías de máquinas y configuraciones de imanes, para poder analizar y plantear las soluciones mejor adaptadas a cada aplicación.

 Para cubrir dichos objetivos, en primer lugar se identifican los principales problemas que atañen a las máquinas de alta velocidad: retención de imanes, integridad mecánica del rotor, pérdidas magnéticas y calentamiento de la máquina son cuestiones que centran gran atención.

Tras exponer brevemente el método de diseño de máquinas que se toma como base, se abordan los puntos más relevantes del diseño. Primero se explica la manera de seleccionar un devanado que reduzca las pérdidas magnéticas.

A continuación, se modelan y resuelven los circuitos magnéticos de máquinas con imanes superficiales y con imanes embebidos radiales, las dos configuraciones que se comparan más adelante.

Seguidamente se deducen expresiones matemáticas resolubles de forma directa para poder prevenir, desde los primeros pasos del proceso de diseño, la desmagnetización irreversible de los imanes ante condiciones de cortocircuito u operación en debilitamiento de flujo.

El cálculo térmico se introduce en el proceso de diseño mediante el circuito equivalente de resistencias térmicas, aplicado a las configuraciones de imanes superficiales y embebidos radiales.

Se presenta un método de estimación de la tensión mecánica que ejercen los imanes superficiales bajo el recubrimiento que se añada para retenerlos, de manera que se pueda dimensionar su espesor y tenerlo en cuenta para dejar un entrehierro suficiente durante el diseño electromagnético de la máquina.

Los métodos y criterios anteriormente expuestos se ponen en práctica para diseñar un prototipo de 9000rpm y 4KW con imanes superficiales y su homólogo de imanes embebidos radiales.

Finalmente se comparan los dos prototipos para poder valorar las diferencias entre dos configuraciones de imanes tan diferentes.