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CDNICYT
zi
COMISIÓN NACIONAL DE INVESIII,ACIÓN
ClIN FICA Y L( NOLOL ICA
GOBIE RNO DE CH ILE
COMISION NACIONAL DE 1NVESTIGACION CIENCIA Y TECNOLOGIA
VERSION OFICIAL
FECHA: 15/04/2010
PROYECTO REGULAR N°1070493
INVESTIGADOR RESPONSABLE: JUAN ANTONIO TAPIA LADINO
FONDO NACIONAL DE DESARROLLO CIENTIFICO Y TECNOLOGICO (FONDECYT)
Bernarda Morín 551, Providencia - casilla 297-y, Santiago 21
Telefono: 435 4350 FAX 365 4435
Email: [email protected]
INFORME FINAL
PROYECTO FONDECYT REGULAR
AÑO ETAPA: 2009
DURACIÓN: 3 años
N PROYECTO: 1070493
TÍTULO PROYECTO: DESION AND CONSTRUCTION OF AN AXIAL FLUX ELECTRIC MACHINE WITH INTERIOR
PERMANENT MAGNET
INGENIERIA ELECTRICA (INC POTENCIA)
DISCIPLINA PRINCIPAL:
GRUPO DE ESTUDIO: INGENIERIA 2
INVESTIGADOR(A) RESPONSABLE: JUAN ANTONIO TAPIA LADTNO
DIRECCIÓN: EDMUNDO LARENAS 270 [NT
COMUNA: CONCEPCION
CIUDAD: CONCEPCION
REGIÓN: VIII REGION
FONO : 56-41-2203507
EMAIL : [email protected]
INFORME
OBJETIVOS
Cumplimiento de los Objetivos planteados en el Proyecto. Recuerde que los objetivos del proyecto no se refieren a listar actividades
denrrolladas sino a los objetivos desarrollados
FUNDAMENTO
CUMPLIMIENTO
OBJETIVOS
No
TOTAL
Desarrollar ecuaciones de dimensionamiento para
1
2
3
4
5
la máquina de flujo axial con imanes interiores
Desarrollar circuitos magnéticos equivalentes y
modelos numéricos
Determinar la capacidad de potencia en función
de la frecuencia.
Desarrollar las leyes de escala de la topologia
propuesta a diferentes tamaños
Construir un prototipo basado en el concepto
propuesto
TOTAL
TOTAL
TOTAL
TOTAL
Otro(s) aspecto(s) que Ud. considere importante(s) en la evaluación del cumplimiento de objetivos planteados en la propuesta
original o en las modificaciones autorizadas por los Consejos.
RESULTADOS OBTENIDOS:
Para cada uno de los objetivos específicos, describa o resuma los resultados. Relacione las
publicaciones y ¡o manuscritos enviados a publicación con los objetivos específicos. En la sección
Anexos incluya información adicional que considere pertinente para efectos de la evaluación.
La extensión máxima de esta sección es de 5 páginas (letra tamaño 10, Anal o
Verdana).
Objetivo: Desarrollar ecuaciones de dimensionamiento para la máciuina de flujo axial
con imanes interiores
Paper "Axial Flux PM Machine Design with Optimum Magnet Shape for Constant Power
Region Capability"
A diferencia de las máquinas de flujo radial, en las máquinas de flujo axial la distribución de flujo
magnético en el entrehierro es una función del diámetro de la máquina. En efecto, debido a la
geometría rectangular de la ranura, los dientes del estator presentan una geometría trapezoidal,
con un ancho pequeño cerca del eje, aumentando esta dimensión hacia el diámetro externo de la
máquina. Este hecho introduce una desigual distribución del flujo si se utiliza una fuente de flujo
constante, como PM rectangulares. Como resultado, la saturación en los dientes del estator se
vuelve irregular, los parámetros inductancias se hacen función del diámetro del estator y la
saliencia varía en de acuerdo a la carga de la máquina. Todos estos efectos degradan la
capacidad de potencia de la máquina para baja carga y carga nominal. En este trabajo, se
presenta una nueva topología de máquina de flujo axial con imanes permanentes que pretende
corregir el fenómeno de distribución del flujo magnético y aumentar la saliencia. Para ello se
diseña una geometría optima de los imanes y una configuración en la cual los imanes se
magnetizan en dirección tangencial. Se presenta un estudio analítico y numérico para considerar
la geometría de los dientes del estator y su efecto sobre la saliencia máquina.
Objetivo: Desarrollar circuitos magnéticos equivalentes y modelos numéricos
Memoria de Titulo en Ingeniería Eléctrica: Sr. Raul Quiroga
En este trabajo de Memoria de Titulo el objetivo primario es evaluar mediante el uso del método
de Elementos Finitos tridimensionales, la saliencia magnética, para distintos valores de corrientes.
Para el estudio este parámetro es definido La saliencia se define como el cuociente entre la
inductancia de eje cuadratura y eje directo. Se determinan los valores de dichos parámetros y se
analiza el comportamiento de ellos y de la saliencia en función de los valores de la corriente de eje
directo y cuadratura. En general se determina que la máquina posee una saliencia con valor 3.7
aproximadamente y su magnitud no varía mayormente. Sin embargo, al utilizar cabezas en los
dientes de estator la saliencia también es constante, pero en un rango de corriente menor.
También se evalúa el efecto de la laminación sobre los parámetros de la máquina utilizando un
modelo adecuado que considera esta característica del fierro silicoso
Objetivo; Determinar la capacidad de potencia en función de la frecuencia.
Paper "Performance Characteristics of an Inverse-Saliency PM Machine in a Vector
Control Drive Configuration"
Las características de funcionamiento de una máquina eléctrica con imanes permanentes (IP) que
exhibe saliencia inversa —esto es la inductancia de eje directo es mayor que inductancia de eje
cuadratura - son investigados para la operación del motor bajo control vectorial. La saliencia
inversa afecta la característica de torque en función de la corriente y la localización del límite de
voltaje en el plano Id-Iq lo que degrada la operación de la máquina. El objetivo de este trabajo es
investigar la performance de la máquina y los efectos de la saliencia en el diseño del controlador
de corriente para los modos de funcionamiento principales (máximo torque por ampere,
debilitamiento de campo y máximo torque por volt). Se presenta un estudio analítico de las
máquinas con IP de saliencia inversa y el procedimiento de diseño del sistema de control. Los
resultados analíticos son validados mediante una combinación de simulación y resultados
experimentales.
Paper "Axial Flux Permanent-Magnet Machine under Optimum Control Strategy for Wind
Power Generation"
En este trabajo, se presenta un análisis de la operacion de un generador de flujo axial e imanes
permanente que trabaja bajo una estrategia de control óptimo. Esta estrategia está diseñada para
aplicaciones en la generación de energía eólica. El objetivo principal de este esquema es transferir
la máxima potencia disponible en el viento al sistema eléctrico, a través de un adecuado manejo
de las corrientes del estator del generador. Para ello, se utilizan ambos mecanismos de control:
seguimiento del punto de máxima potencia (maximum power point tracking) y seguimiento de
máximo torque por ampere (maximum torque per ampere)l. Mientras que el primero tiene la
ventaja de no utilizar la medición de la velocidad del viento, el segundo tiene por objeto minimizar
las pérdidas del generador. Además, para la operación por encima de la velocidad nominal, se
realiza un control de debilitamiento de campo y se evalua la cantidad de energía extraída del
viento bajo esta condición. Los resultados muestran que es posible obtener una mayor cantidad
de energía si la máquina tiene la capacidad de debilitamiento flujo.
Objetivo: Desarrollar las leves de escala de la toolociía Propuesta a diferentes
tamaños
Paper "Saliency Analysis of PM Machines with Flux Weakening Capability" (Proceedings of
the 2008 International Conference on Electrical Machines)
"Analysis of Negative-Saliency Permanent-Magnet Machines" (IEEE TRANSACTIONS ON
INDUSTRIAL ELECTRONICS)
En las máquinas con Imanes Permanentes, la excitación fija provista por los imanes determina
los límites de operación a alta velocidad. Para corregir esta dificultad, se han propuesto una
variedad de diseños magnéticos capaces de proporcionar la capacidad de debilitamiento del
campo. Para lograr esta característica se considera una cantidad menor de imán en el polo del
rotor junto a una sección de material magnético suave (fierro silicoso) esto permite disminuir
los requerimientos de corriente de armadura para lograr un control del flujo. Sin embargo esto
se traduce en una disminución de la capacidad de torque de la máquina dado la menor cantidad
de imán en el rotor. En este trabajo se investiga la operación de una máquina de flujo axial e
imanes permanentes que exhibe esta propiedad, esto es, la reactancia de eje directo mayor que
la de eje cuadratura. Se demuestra que, con un control adecuado de la corriente del estator, los
efectos desfavorables de la reducción de imán en la producción de torque pueden ser
compensada al incrementar el efecto de saliencia que tiene este tipo de máquinas. Se cuantifica
el torque y la capacidad de control de flujo y se deriva una expresión para la trayectoria óptima
del vector de corriente en función de los paramentos del motor. Por último, se estudian los
efectos de la saturación magnética en las curvas de capacidad de cuando opera bajo control de
corriente óptimo.
Objetivo: Construir un prototipo basado en el concepto propuesto
A partir de los estudios de optimización, análisis de la operación y de la distribución ideal de flujo
magnético del motor de alta saliencia, se construye un prototipo para verificar sus características
y propiedades. En la Fig. la se muestra la estructura de la topología propuesta, en la Fig. lb se
presenta el plano constructivo. Las piezas magnéticamente activas de rotor y estator están
indicadas en las Fig 2a y b respectivamente. Las dimensiones están listadas en la Tablal.
1 F1S
nanentes
Polos Rotor
Estator
(b)
(a)
Figura 1. Motor de flujo axial de alta saliencia. a) Topologia, b) Plano de construccion
(b)
(a)
Figura. 2. Piezas magnéticas activas motor de flujo axial. a) rotor, b) estator
TABLA
1.
DIMENSIONES DE LA MÁQUINA DE FLUJO AXIAL
CON IMANES PERMANENTES CON ALTA SALIENCIA.
Potencia Nominal
Voltaje Nominal
Corriente nominal
Fases
Número de dientes
Número de polos
Número de ranuras por fase por polo
Diámetro externo estator
Diámetro interno estator
Ancho ranuras
Ancho de diente (radio externo)
Ancho de diente (radio interno)
Ancho de cabeza de diente
Ancho de cabeza de diente
Diámetro externo rotor
Diámetro interno rotor
Ancho imán permanente
Largo axial imán permanente (radio externo)
Largo axial imán permanente (radio interno)
Largo axial yugo de rotor
2.5
400
4.0
3
32
12
1
180
90
8
15.56
5,08
21,56
11,08
180
90
21
25
8
1
[kW]
[V]
[Al
1
[mm]
[mm]
[mm]
[mml
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
DESTAQUE OTROS LOGROS DEL PROYECTO TALES COMO:
- Estadías de investigación.
- Actividades de difusión y/o extensión en la temática del proyecto.
- Cualquier otro logro no contemplado en los ítem anteriores y que Ud. quiera destacar.
La extensión máxima de esta sección es de 1 página (letra tamaño 10, Anal o Verdana).
A partir de los resultados del proyecto FONDECYT previo y el actual, se ha logrado establecer
una línea de investigación sólida en el área del diseño de maquinas eléctricas con imanes
permanentes así como en el desarrollo de estrategias de control para este tipo de máquinas. Por
lo anterior, el investigador ha sido invitado a una serie de charlas y una estadía de investigación
para difundir y desarrollar estos tópicos. Se destacan las siguientes actividades:
26 de abril al 1ro de mayo de 2009. Estadía de Investigación en el Wisconsin Electric
Machine and Power Electronic Consortium (WEMPEC) de la Universidad de WisconsinMadison, participando en el desarrollo, implementación y evaluación de sistemas de
control para maquinas con imanes permanentes. Este trabajo fue realizado por el
estudiante de doctorado Roberto Moncada Gatica del programa de graduados del
Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Concepción, bajo la
supervisión del Dr Thomas Jahns de dicho centro de investigación. Para llevar a cabo esta
actividad, se utilizó el prototipo de máquina eléctrica desarrollado en nuestro Depto. en el
proyecto FON DECYT previo, el que fue enviado a EEUU.
27 de Octubre 2009. Presentación en el Primer Encuentro de la Industria
Metalmecánica de la Región del Bío Bío en el tema de "Eficiencia Energética", patrocinado
por Programa Territorial Integrado PTI Metalmecánico - CORFO Región del Bío Bío. En
este encuentro se revisaron los problemas del uso eficiente de la energía y el desarrollo
de motores eléctricos con imanes permanentes y su uso en la industria
7 y 8 de Enero 2010. Participación en el taller "International Workshop Qn Smartgrids
and Distributed Generation" patrocinado por el Centro de Energía de la Facultad de
Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile. En este encuentro se discutió el
desarrollo de las nuevas tecnologías de generación de energía eléctrica, el uso de los
recursos energéticos distribuidos y la participación activa del usuario final para controlar
su consumo. El uso de generadores eléctricos basados en imanes permanentes, permiten
desarrollos de pequeños parques eólicos de escala domestica que pueden ser integrados
a sistemas inteligentes de generación distribuidos geográficamente para el
abastecimiento de pequeñas zonas alejadas de los centros de consumo y de las líneas de
poder comerciales.
RESUMEN:
Describa en forma precisa y breve el tópico general del proyecto, sus metas y objetivos y los
resultados alcanzados. Utilice un lenguaje apropiado para la comprensión del público no
especialista en el tema. Esta información podrá ser difundida. La extensión máxima de esta
sección es de 1 página (letra tamaño 10, Anal o Verdana).
El desarrollo tecnológico en el ámbito de la electrónica de potencia, materiales
magnéticos e integración de los sistemas digitales ha permitido una nueva generación de
accionamientos eléctricos de alta eficiencia y confiabilidad, mostrando gran performance y
robustez. En efecto, los semiconductores actuales exhiben elevada potencia y velocidad
manejando niveles cada vez mayores de carga, lo que permiten alta frecuencia de operación,
bajas pérdidas con un alto nivel de integración. Asimismo, nuevos materiales basados en
aleaciones de tierras raras como el neodimio-boro o el samario-cobalto producen imanes
permanentes (IP) de alta remanencia y coercitividad almacenando gran energía en un volumen
reducido que pueden ser colocados directamente sobre la superficie del rotor de una máquina
eléctrica. Esto permite obtener motores con una densidad de potencia mayor (W/kg o W/m 3 ),
más eficientes y con menores costos de operación y mantenimiento. Finalmente, la integración
de los circuitos digitales, el desarrollo de procesadores específicos más rápidos y programables
en leguaje de alto nivel y la mayor tolerancia a la temperatura, permiten diseñar sistemas de
control de alta complejidad que operan en línea y que pueden ser incluidos directamente en el
frame de la máquina.
Dado lo anterior, la investigación desarrollada en este proyecto, se orienta al desarrollo
de un motor eléctrico de imanes permanentes y de topología axial que puede ser utilizado en
esquemas de accionamientos de alta performance como los descritos. Los objetivos del diseño
del motor apuntaron a maximizar la capacidad de potencia basada en una configuración
magnética novedosa que permite aprovechar las propiedades de los imanes de tierras raras. En
efecto, la disposición de rotor con imanes interiores aplicada a una máquina con flujo axial
permite hacer uso eficiente de la capacidad de alojar un elevado número de polos - lo que evita
el uso de acondicionadores de velocidad -, con un alto torque a bajas velocidades. Además de
aumentar la componente de torque de saliencia respecto de una componente de torque de
excitación fija. Esta última componente sólo aparece en configuración de máquinas con imanes
montados en la superficie y es proporcional al volumen total de imán utilizado. Sin embargo,
considerando la misma cantidad de material, pero con una disposición de imanes interiores, se
logra incluir aquella componente de saliencia, que aumenta la capacidad de torque total,
manteniendo el costo y volumen de la máquina. El diseño involucra el análisis de la operación
del motor bajo las condiciones que impone esta nueva configuración. En particular, el efecto del
valor de los paramentos magnéticos (inductancias) y su variación en función de la carga y como
ellos determinan los rangos de trabajo del motor. Esto implica generar las leyes de control que
hagan transitar a la máquina por las trayectorias óptimas de acuerdo a la velocidad a la cual
opera (máximo torque por ampere, debilitamiento de campo y máximo torque por volt), además
de las desviaciones generadas por los cambios en los valores de las inductancias en términos de
la corriente de armadura. Además, se estudio e incluyo en el diseño, el efecto de la distribución
de la saturación en el circuito magnético de manera de hacer un mejor uso de hierro silicoso, en
particular, del diente del estator. Adicionalmente, se analizaron las repercusiones que involucra
el uso de imanes de alta energía como el desarrollo de torque parásitos (torque cogging), el
efecto de la temperatura y los aspectos mecánicos de manufactura y ensamblaje.
Este trabajo es la continuación natural de un proyecto de investigación anterior (Fondecyt
1030329) en la que se desarrolló, diseñó y construyó un motor eléctrico de flujo axial que
utilizaba una topología de imanes montados en la superficie. El objetivo en este caso fue
aumento de la capacidad de torque del motor agregando directamente características de control
de flujo en el entrehierro. La experiencia obtenida en ese proyecto permitió extender los
resultados y entregar guías de diseño para el proyecto actual explorando nuevas posibilidades
que entrega estas topologías. Como resultado se ha construido un prototipo de máquina eléctrica
siguiendo las características eléctricas y magnéticas descritas, se desarrollaron las técnicas de
control adecuadas para maximizar la operación y se consolida una línea de investigación que es
reconocida por la comunidad científica internacional.
PRODUCTOS
ARTÍCULOS
Para trabajos en Prensa! Aceptados/Enviados adjunte copia de carta de aceptación o de recepción.
N°:
Moncada, Roberto H.; Tapia, Juan A.; Jahns, Thomas M.
Autor (a)(es/as) :
IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS
Nombre Completo de la Revista:
Analysis of Negative-Saliency Permanent-Magnet Machines
Título (Idioma original) :
ISI
Indexación :
ISSN:
2010
Año:
57
Vol.:
N°:
122-127
Páginas :
Estado de la publicación a la fecha : Publicada
Otras Fuentes de financiamiento, si las hay
Programa de Mejoramiento de la Calidad de la Educacion Superior (MECESUP) FSM060I
Envía documento en papel:
Archivo Asociado al artículo :
no
Analysis_of_Negative-Saliency.pdf
http;//evalcyt.conicyt.cL'inf'orrne acadcmieo/index.php/invcstigador!14_arliculos/dcscarga/1 0209783/1070493/2009/6537/
OTRAS PUBLICACIONES
Sin información ingresada.
CONGRESOS
N°:
Autor (a)(es/as)
Moncada, R.1-I.; Tapia, JA.; Jahns, T.M.;
Título (Idioma original)
Nombre del Congreso
lnverse-saliency PM motor performance under vector control operation
IEEE Energy Conversion Congress and Exposition 2009, ECCE 2009.
País
Ciudad:
Fecha Inicio
Fecha Término
Nombre Publicación
ESTADOS UNIDOS DE AMERICA
San Jose, CA
20/09/2009
24/09/2009
Año:
Vol.:
N°:
Páginas
Envía documento en papel :
Archivo Asociado :
no
lnverse-SaliencyPMMotorPerformanceunder_VectorControIOperation .pdf
0209783; 070493/2009973;
Autor (a)(es/as) :
2
Moncada, R.H.
Rodriguez, R.A.
Tapia, J.A.
Jahns, T.M.
Título (Idioma original) :
generation
Nombre del Congreso :
Axial flux permanent-magnet machine under optimum control strategy for wind power
País:
Ciudad:
Fecha Inicio :
Fecha Término :
Nombre Publicación
ESTADOS UNIDOS DE AMERICA
Miami, FL
03/05/2009
06/05/2009
Mio:
Vol.:
N°:
Páginas
Envía documento en papel :
Archivo Asociado :
IEEE International Electric Machines and Drives Confercnce, 2009. IEMDC 09.
no
Axial_Flux_Permanent-Magnet_Machine_undcr_Optimum .pdf
020978311070493.2009/9714
TESIS/MEMORIAS
N°:
Título de Tesis :
Diseño e implementación de un sistema electro-eólico de baja potencia para
almacenamiento agua
Nombre y Apellidos del(de la) Alumno(a) : Sandra Maldonado
Nombre y Apellidos del(de la) Tutor(a) : Juan Tapia Ladino
Título Grado :
Institución :
Pregrado
Depto. Ingenieria Electrica, Universidad de Concepcion
País:
Ciudad :
Estado de Tesis :
Fecha Inicio :
Fecha Término :
Envía documento en papel :
Archivo Asociado :
CHILE
Concepcion
En Ejecución
03/08/2009
30/04/20 10
no
Memoriade_Título_Sandra_Maldonado.pdf
0209783/1070493/2009/4751;
2
N°:
Cotrol Óptimo de una Maquina con Imanes Permanentes para Generacion Eólica
Título de Tesis :
Alumno(a)
Raul Rodriguez Cea
la)
:
Apellidos
del(de
Nombre y
Nombre y Apellidos del(de la) Tutor(a) :
Juan Tapia Ladino
Título Grado :
Institución :
Pregrado
Depto. Ingenieria Electrica, Universidad de Concepcion
País:
Ciudad :
Estado de Tesis :
Fecha Inicio :
Fecha Término :
CHILE
Concepcion
Terminada
23/08/2007
18/12/2009
Envíadoumento en papel:
Archivo Asociado :
no
Memoria_Raul_Rodriguez.pdf
0209783/1070493/2009/4753/
3
N°:
Diseño y Construccion de yna AFPMM sin Nucico
Título de Tesis :
Nombre y Apellidos del(de la) Alumno(a) : Werner Jara Montecinos
Nombre y Apellidos del(de la) Tutor(a)
Juan Tapia Ladino
Título Grado:
Institución :
Pregrado
Depto. Ingeniería Electrica, Universidad de Concepcion
País :
Ciudad :
Estado de Tesis :
Fecha Inicio :
Fecha Término :
Envía documento en papel :
Archivo Asociado :
CHILE
Concepcion
En Ejecución
03108/2009
30/04/20 10
no
Memoriadejitulo_Wemerjara.pdf
020978311070493/2009/7047/
ANEXOS
A continuación se detallan los anexos fisicos/papel que no se incluyen en el informe en formato PDF.
CcDNIcYT
COMISIÓN NACIONAL DE INVESTIGACIÓN
CIEN1ÍFICA Y TECNOLÓGICA
GOBIERNO DECHILE
COMPROBANTL DL RLCLPCI()N DL ¡NFOR\IL FiNAL
N° PROYECTO: 1070493
INVESTIGADOR(A) RESPONSABLE : JUAN ANTONIO TAPIA LADINO
RUT : 10.209.783-1
T'TULO PROYECTO: DESIGN AND CONSTRUCTION OF AN AXIAL FLUX ELECTRIC MACHINE WITH INTERIOR
PERMANENT MAGNET
DISCIPLINA PRINCIPAL: INGENIERIA ELECTRICA (INC POTENCIA)
CÓDIGO DE TRANSACCIÓN:
AFE73F9952 101 A6CO58A9FCF35E425C3
FECHA DE RECEPCIÓN:
15/04/20 10
€Lno *