Cálculo y diseño de motores eléctricos de tracción ferroviaria. Comparativa de máquinas de inducción y de imanes permanentes.
El empleo de motores eléctricos de tracción en diferentes aplicaciones industriales se está expandiendo debido a la gran versatilidad y robustez que presentan, y a los continuos progresos que se vienen realizando en el campo de la electrónica de potencia, y de la investigación en nuevos materiales....
| Main Authors: | , , |
|---|---|
| Format: | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
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| Published: |
Servicio de Publicaciones. Univesidad de Navarra
2016
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://hdl.handle.net/10171/42448 |
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|---|---|
| author | Caballero-González, D.(Damián) Martínez-Iturralde-Maiza, M. (Miguel) Elósegui-Simón, I. (Ibón) |
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| description | El empleo de motores eléctricos de tracción en diferentes aplicaciones industriales se está expandiendo debido a la gran versatilidad y robustez que presentan, y a los continuos progresos que se vienen realizando en el campo de la electrónica de potencia, y de la investigación en nuevos materiales.
En el sector ferroviario, cada vez más se tiende a reducir el volumen requerido por los motores, y a que estos posean un alto grado de eficiencia energética. Además, se debe cumplir con las especificaciones de funcionamiento impuestas por el gerente de la infraestructura, así como las exigencias eléctricas y mecánicas impuestas por el constructor del vehículo ferroviario. Todo ello, conlleva a que los motores de tracción empleados estén operando bajo unas condiciones electromagnéticas y térmicas muy exigentes.
Gracias a los avances que se han dado lugar en la última década en materia de computación, es posible generar e implementar diferentes modelos matemáticos que calculen correctamente las prestaciones de las máquinas, dando cuenta de los diferentes fenómenos electromagnéticos que se dan lugar debido a las exigencias de la aplicación.
Las familias de motores de tracción ferroviaria que se estudian en esta tesis doctoral son los motores asíncronos, y síncronos con topología de rotor tanto de imanes superficiales como interiores.
En esta tesis se define una metodología de dimensionamiento y cálculo para cada una de las familias de motores mencionadas. Dadas las condiciones de carga tan exigentes a las que operan este tipo de motores, se presentan diferentes modelos analíticos complejos que garanticen obtener correctamente las prestaciones de los motores. Además, se profundiza en el cálculo de pérdidas para lograr obtener correctamente la eficiencia del motor.
Las diferentes metodologías presentadas, se han implementado en una herramienta analítica que permite diseñar motores de tracción que se adecúen de manera óptima a las exigencias. Empleando dicha herramienta, se describe el proceso de diseño de motores de las diferentes familias en base a unas especificaciones y restricciones para aplicación de tranvía, con dos objetivos: por un lado diseñar motores respetando el volumen establecido en las restricciones con el objetivo de maximizar el rendimiento; por otro lado, minimizar en lo posible el volumen de motor, manteniendo unos valores mínimos de rendimiento.
Seguidamente se presentan diseños que cumplan con especificaciones para aplicación de metro, analizando la posibilidad de emplear diferente número de motores en función de la familia considerada.
Finalmente se realiza una comparativa de los diseños realizados para las diferentes aplicaciones ferroviarias, presentando las ventajas existentes al emplear las diferentes familias de motores estudiadas en esta tesis. |
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| institution | Universidad de Navarra |
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| publishDate | 2016 |
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| spelling | oai:dadun.unav.edu:10171-424482022-02-08T09:03:32Z Cálculo y diseño de motores eléctricos de tracción ferroviaria. Comparativa de máquinas de inducción y de imanes permanentes. Caballero-González, D.(Damián) Martínez-Iturralde-Maiza, M. (Miguel) Elósegui-Simón, I. (Ibón) Electric traction motor. Asynchronous machine. Synchronous permanent magnet machine. Magnetic circuit. El empleo de motores eléctricos de tracción en diferentes aplicaciones industriales se está expandiendo debido a la gran versatilidad y robustez que presentan, y a los continuos progresos que se vienen realizando en el campo de la electrónica de potencia, y de la investigación en nuevos materiales. En el sector ferroviario, cada vez más se tiende a reducir el volumen requerido por los motores, y a que estos posean un alto grado de eficiencia energética. Además, se debe cumplir con las especificaciones de funcionamiento impuestas por el gerente de la infraestructura, así como las exigencias eléctricas y mecánicas impuestas por el constructor del vehículo ferroviario. Todo ello, conlleva a que los motores de tracción empleados estén operando bajo unas condiciones electromagnéticas y térmicas muy exigentes. Gracias a los avances que se han dado lugar en la última década en materia de computación, es posible generar e implementar diferentes modelos matemáticos que calculen correctamente las prestaciones de las máquinas, dando cuenta de los diferentes fenómenos electromagnéticos que se dan lugar debido a las exigencias de la aplicación. Las familias de motores de tracción ferroviaria que se estudian en esta tesis doctoral son los motores asíncronos, y síncronos con topología de rotor tanto de imanes superficiales como interiores. En esta tesis se define una metodología de dimensionamiento y cálculo para cada una de las familias de motores mencionadas. Dadas las condiciones de carga tan exigentes a las que operan este tipo de motores, se presentan diferentes modelos analíticos complejos que garanticen obtener correctamente las prestaciones de los motores. Además, se profundiza en el cálculo de pérdidas para lograr obtener correctamente la eficiencia del motor. Las diferentes metodologías presentadas, se han implementado en una herramienta analítica que permite diseñar motores de tracción que se adecúen de manera óptima a las exigencias. Empleando dicha herramienta, se describe el proceso de diseño de motores de las diferentes familias en base a unas especificaciones y restricciones para aplicación de tranvía, con dos objetivos: por un lado diseñar motores respetando el volumen establecido en las restricciones con el objetivo de maximizar el rendimiento; por otro lado, minimizar en lo posible el volumen de motor, manteniendo unos valores mínimos de rendimiento. Seguidamente se presentan diseños que cumplan con especificaciones para aplicación de metro, analizando la posibilidad de emplear diferente número de motores en función de la familia considerada. Finalmente se realiza una comparativa de los diseños realizados para las diferentes aplicaciones ferroviarias, presentando las ventajas existentes al emplear las diferentes familias de motores estudiadas en esta tesis. The great versatility and toughness of traction electric motors has lead to its use for industrial applications. Moreover, they have also been employed in the current advances achieved in power electronics, and in the research field of new materials. In the railway sector, the tendency moves towards the reduction of the required motor volume. Besides, a high-energy-efficiency is also desired. In addition, the specific instructions provided by the manager of the infrastructure required for the correct function of the motor, together with the mechanical and electrical restrictions imposed by the railway vehicle manufacturer, must be fulfilled. Overall, all these restrictions imply that traction motors have to operate under heavy electromagnetic and thermal conditions. Fortunately, the computational progress achieved over the last decade, made possible the generation and implementation of different mathematical models toaccurately calculate the machine performance taking into account the different electromagnetic phenomena that occurs at such demanding conditions. Throughout the course of this doctoral thesis, asynchronous and synchronous machines within the family of the railway traction machines with surface and interior mounted permanent magnets rotor topology have been deeply studied. Moreover, a sizing and calculating methodology is generated for each of the above mentioned machine families. Complex algebraic approaches are subsequently proposed, guaranteeing the correct performance of the motor in spite of the demanding operation points of the application. Furthermore, and focusing on motor efficiency, loss calculations have been deeply studied. Hence, an analytical tool gathering the different methodologies proposed in this doctoral thesis has been developed. Interestingly, this tool allows the design of traction motors that adequately adjust to the requirements of the application. Specifically, motor design of the different families based on a set of tram operating specifications and restrictions is further described following this analytical tool. The two main goals of the study are as follows; (i) the design of motors with a given volume and optimized efficiency and (ii) to obtain the minimum motor volume assuring a minimum level of efficiency. Next, several designs accomplishing metro application specifications are presented. Within these designs, the use of different amount of motors based on the powertrain configuration employed is also considered. Finally, a comparative analysis of the motor designs presented for each railway application is carried out. The advantages and disadvantages that might be encountered during the use of each of the different motor families described in this doctoral thesis are listed to complement the study. 2016-12-01T12:37:47Z 2016-12-01T12:37:47Z 2016 2016-11-16 info:eu-repo/semantics/doctoralThesis https://hdl.handle.net/10171/42448 spa info:eu-repo/semantics/openAccess application/pdf Servicio de Publicaciones. Univesidad de Navarra |
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