Optimal pole number and winding designs for low speed-high torque synchronous reluctance machines

This paper studies the feasibility of using synchronous reluctance machines (SynRM) for low speed–high torque applications. The challenge lies in obtaining low torque ripple values, high power factor, and, especially, high torque density values, comparable to those of permanent magnet synchronous machines (PMSMs), but without resorting to use permanent magnets. A design and calculation procedure based on multistatic finite element analysis is developed and experimentally validated via a 200 Nm, 160 rpm prototype SynRM. After that, machine designs with different rotor pole and stator slot number combinations are studied, together with different winding types: integral-slot distributed-windings (ISDW), fractional-slot distributed-windings (FSDW) and fractional-slot concentrated-windings (FSCW). Some design criteria for low-speed SynRM are drawn from the results of the study. Finally, a performance comparison between a PMSM and a SynRM is performed for the same application and the conclusions of the study are summarized

Node mapping criterion for highly saturated interior PMSMs using magnetic reluctance network

Interior Permanent Magnet Synchronous Machine (IPMSM) are high torque density machines that usually work under heavy load conditions, becoming magnetically saturated. To obtain properly their performance, this paper presents a node mapping criterion that ensure accurate results when calculating the performance of a highly saturated IPMSM via a novel magnetic reluctance network approach. For this purpose, a Magnetic Circuit Model (MCM) with variable discretization levels for the different geometrical domains is developed. The proposed MCM caters to V-shaped IPMSMs with variable magnet depth and angle between magnets. Its structure allows static and dynamic time stepping simulations to be performed by taking into account complex phenomena such as magnetic saturation, cross-coupling saturation effect and stator slotting effect. The results of the proposed model are compared to those obtained by Finite Element Method (FEM) for a number of IPMSMs obtaining excellent results. Finally, its accuracy is validated comparing the calculated performance with experimental results on a real prototype

Design and Analysis of Fractional-Slot Concentrated-Winding Multiphase Fault-Tolerant Permanent Magnet Synchronous Machines.

In the last decades, the use of permanent magnet machine drives has experienced a sustained growth owing to their high efficiency and power density figures and due to their inherent suitability for direct-driven applications. However, and despite being highly reliable, the fact that the excitation field in a permanent magnet machine cannot be turned off at will has made engineers reluctant to employ these drives in safety critical applications in the past. Various techniques have been proposed in the related literature to grant fault-tolerance to a permanent magnet machine drive. This thesis starts by reviewing previous work on the matter and by analyzing the different fault-tolerant approaches. After the various methods are briefly discussed, a comparison among the distinct techniques is established, from which the approach of splitting the drive in multiple independent phases emerges as one the most promising design procedures. This requires that the drive is designed to provide the maximum possible magnetic, electrical, thermal and physical isolation between phases. In order to limit the high magnitude currents arising from a short-circuit fault, a further requirement is that the permanent magnet machine is designed to have a high enough phase self-inductance. The previous requisites are naturally met in permanent magnet machines making use of fractional-slot concentrated-windings. Additionally, multiphase systems have shown to provide a number of advantages over the traditional three-phase systems; specially regarding fault-tolerance and the attainable level of performance after a fault. Owing to the aforementioned reasons, this thesis focuses on the design and analysis of fractional-slot concentrated-winding multiphase fault-tolerant permanent magnet synchronous machines. Following the review on fault-tolerant permanent magnet drive systems, the design principles that allow to select the most appropriate winding arrangements for fractional-slot concentrated-winding multiphase machines are reviewed. From the research conducted, it is found out that the traditionally proposed rules to select the most adequate configurations are restricted to odd phase number machines or to specific winding configurations. In order to fill this gap, an analytical procedure to evaluate the merits of different winding configurations in terms of magnetic isolation and regardless of the geometry of the machine is established. A design methodology incorporating the previous winding selection criteria is proposed. Based on this methodology, a five-phase fault-tolerant machine prototype is designed and manufactured. The design process for the prototype, including the analysis of the required specifications and design constraints, is thoroughly discussed. Next, an analytical drive model suitable for fault analysis is developed. The model serves as a tool to predict the behavior of the designed machine under different fault conditions and to test post-fault remedial strategies. Specifically, the post-fault operation under winding open-circuit faults, terminal short-circuit faults and transistor open and short-circuit faults is investigated. For the previous fault scenarios, modified control strategies that allow to improve the post-fault performance of AC machine drives are proposed. In particular, a unified approach to compute suitable current references for winding open-circuit and terminal short-circuit faults is derived. The method, aimed at minimizing the stator copper losses while preserving the main harmonic of the air-gap magnetomotive force, is general and valid for any phase number drive and different supply conditions. Experimental tests demonstrate the intrinsic fault-tolerant capability of the prototype machine and the adequacy of the proposed modified control strategies in reducing the parasitic effects arising from the different fault conditions. Furthermore, by adopting the proposed remedial actions, it is possible to operate the machine drive under fault scenarios for which the system previously became unstable.En las últimas décadas, las máquinas de imanes permanentes vienen experimentado un uso creciente debido a las numerosas ventajas que ofrecen respecto a otros tipos de máquinas eléctricas. Sin embargo, la imposibilidad de anular el campo de excitación en estas máquinas ha limitado su uso en aplicaciones de seguridad crítica. Esta tesis comienza analizando las diferentes técnicas propuestas en la bibliografía para dotar de tolerancia a fallos a los accionamientos basados en máquinas de imanes. Tras revisar los diferentes enfoques, se establece una comparativa entre los mismos en términos de coste, complejidad y desempeño tras el fallo. De entre las estrategias consideradas, el método de dividir el accionamiento en múltiples fases independientes surge como uno de los enfoques más prometedores. Ello requiere que el accionamiento sea diseñado para lograr la máxima separación magnética, eléctrica, térmica y física entre las distintas fases. Un requerimiento adicional para lograr la tolerancia a fallos es que la auto-inductancia por fase sea elevada para limitar las corrientes de fallo en caso de cortocircuito. Estos requerimientos se cumplen de forma natural al emplear devanados concentrados fraccionarios. Adicionalmente, los sistemas multifásicos han demostrado dar lugar a una serie de ventajas respecto de los sistemas trifásicos tradicionales; especialmente en lo que se refiere a la tolerancia a fallos y a las prestaciones que se pueden obtener tras un fallo eléctrico. Por todo lo anterior, esta tesis se centra en el diseño y análisis de máquinas síncronas de imanes permanentes tolerantes a fallos multifásicas con devanados concentrados fraccionarios. Tras el estudio inicial, se revisan los principios que permiten escoger las topologías de devanado más adecuadas para el diseño de maquinas tolerantes a fallos con devanados concentrados fraccionarios. Los métodos tradicionalmente propuestos están restringidos a máquinas con un número impar de fases o a configuraciones específicas de devanado. Con el fin de cubrir esta carencia, se desarrolla un método analítico que permite evaluar los méritos de las diferentes configuraciones de devanado posibles independientemente de la geometría de la máquina y escoger así la topología más adecuada para aplicaciones tolerantes a fallos. A continuación, se desarrolla una metodología de diseño de máquinas de imanes tolerantes a fallos. Basándose en la misma, se diseña y fabrica un prototipo de máquina síncrona pentafásica. El proceso completo de diseño, incluyendo el análisis de las especificaciones y las restricciones impuestas, es descrito con amplio detalle. Una serie de ensayos experimentales confirman la tolerancia a fallos intrínseca del prototipo desarrollado y la idoneidad de la metodología de diseño desarrollada. Adicionalmente, se desarrolla un modelo analítico que permite analizar el comportamiento del accionamiento diseñado ante diferentes fallos y evaluar diferentes estrategias correctivas tras los mismos. Específicamente, se investigan los modos de fallo consistentes en fallos de circuito abierto en devanados, fallos de cortocircuito entre terminales y fallos en los dispositivos semiconductores del inversor. Para los citados modos de fallo, se proponen estrategias de control modificadas que permiten mitigar las consecuencias negativas de los mismos. Particularmente, se deriva una metodología general para calcular las corrientes de referencia más adecuadas para fallos de cortocircuito y/o circuito abierto. El método, orientado a minimizar las pérdidas en el cobre mientras se mantiene el harmónico principal de la fuerza magnetomotriz en el entrehierro, es general y valido para cualquier número de fases y diferentes topologías de convertidor. Una serie de ensayos experimentales demuestran la idoneidad de las estrategias de control post-fallo propuestas, que permiten reducir las consecuencias negativas de los fallos y operar el accionamiento en condiciones para las cuales el sistema previamente se volvía inestable

Design and analysis of a novel stator oil-flooded cooling system for aircraft electrical machines with hairpin windings

Growing environmental and economic concerns are driving various sectors to improve energy efficiency. In sectors such as aeronautics, this is achieved through electrification and weight reduction, which necessarily involves replacing conventional pneumatic, mechanical and hydraulic systems with electric drives. In addition, electric machines also offer better efficiency and require less maintenance. Then minimizing the weight of electric machines is therefore essential to reduce fuel consumption and permanent magnet machines offer the highest power density. The use of hairpin windings can help reduce weight, due to their high slot filling factor and short winding ends, and have already demonstrated their potential in sectors such as automotive. Another key factor in improving power density are cooling systems. Among all the liquid cooling systems, stator oil-flooded solutions are the most promising, both for their cooling capacity and for the improved electrical isolation between conductors that make them suitable for aeronautical applications. This dissertation deals with the combination of these two aspects, hairpin winding and flooded stator cooling for aircraft applications, and presents a novel cooling system that has been patented. For this purpose, the proposed solution is described and the advantages of this cooling arrangement are detailed. The equations defining its behavior are presented, its potential is experimentally evaluated by using a motorette and design criteria are provided. Subsequently, the presented concept is applied on an industrialized and field-tested machine for heavy-duty off-road vehicles in substitution of a water-jacket cooling arrangement, ending with a prototype in order to assess gains in power density. Next, the novel cooling arrangement is applied on a conceptual design for an aeronautical application. Finally, the main results of this dissertation are summarized and the main future research lines are outlined.La creciente preocupación por el medio ambiente y la economía ha impulsado a varios sectores a mejorar la eficiencia energética. En sectores como la aeronáutica, esto se consigue mediante la electrificación y la reducción de peso, lo que implica necesariamente la sustitución de los sistemas neumáticos, mecánicos e hidráulicos convencionales por accionamientos eléctricos. Además, las máquinas eléctricas también ofrecen una mayor eficiencia y requieren menos mantenimiento. Por tanto, minimizar el peso de las máquinas eléctricas es esencial para reducir el consumo de combustible y las máquinas de imanes permanentes ofrecen la mayor densidad de potencia. El uso de devanados hairpin puede ayudar a reducir el peso, gracias a su elevado factor de relleno de ranura y a sus reducidas cabezas de bobina, y ya han demostrado su potencial en sectores como el de la automoción. Otro factor clave para mejorar la densidad de potencia son los sistemas de refrigeración. Entre todos los sistemas de refrigeración líquidos, las soluciones de estator inundado de aceite son las más prometedoras, tanto por su capacidad de refrigeración como por la mejora del aislamiento eléctrico entre conductores que las hace adecuadas para aplicaciones aeronáuticas. En esta tesis se aborda la combinación de estos dos aspectos, el devanado hairpin y la refrigeración mediante estator inundado de aceite para aplicaciones aeronáuticas, y se presenta un novedoso sistema de refrigeración que ha sido patentado. Para ello, se describe la solución propuesta y se detallan las ventajas de esta disposición de refrigeración. Se presentan las ecuaciones que definen su comportamiento, se evalúa experimentalmente su potencial mediante el uso de un motorette y se proporcionan criterios de diseño. Posteriormente, el concepto presentado se aplica en una máquina industrializada y probada en campo para vehículos todoterreno pesados en sustitución de una disposición de refrigeración por camisa de agua, terminando con un prototipo para evaluar la mejora en densidad de potencia. A continuación, la nueva solución de refrigeración se aplica a un diseño conceptual para una aplicación aeronáutica. Por último, se resumen los principales resultados de esta tesis y se esbozan las principales líneas de investigación futuras

Design and analysis of a novel stator oil-flooded cooling system for aircraft electrical machines with hairpin windings

Growing environmental and economic concerns are driving various sectors to improve energy efficiency. In sectors such as aeronautics, this is achieved through electrification and weight reduction, which necessarily involves replacing conventional pneumatic, mechanical and hydraulic systems with electric drives. In addition, electric machines also offer better efficiency and require less maintenance. Then minimizing the weight of electric machines is therefore essential to reduce fuel consumption and permanent magnet machines offer the highest power density. The use of hairpin windings can help reduce weight, due to their high slot filling factor and short winding ends, and have already demonstrated their potential in sectors such as automotive. Another key factor in improving power density are cooling systems. Among all the liquid cooling systems, stator oil-flooded solutions are the most promising, both for their cooling capacity and for the improved electrical isolation between conductors that make them suitable for aeronautical applications. This dissertation deals with the combination of these two aspects, hairpin winding and flooded stator cooling for aircraft applications, and presents a novel cooling system that has been patented. For this purpose, the proposed solution is described and the advantages of this cooling arrangement are detailed. The equations defining its behavior are presented, its potential is experimentally evaluated by using a motorette and design criteria are provided. Subsequently, the presented concept is applied on an industrialized and field-tested machine for heavy-duty off-road vehicles in substitution of a water-jacket cooling arrangement, ending with a prototype in order to assess gains in power density. Next, the novel cooling arrangement is applied on a conceptual design for an aeronautical application. Finally, the main results of this dissertation are summarized and the main future research lines are outlined.La creciente preocupación por el medio ambiente y la economía ha impulsado a varios sectores a mejorar la eficiencia energética. En sectores como la aeronáutica, esto se consigue mediante la electrificación y la reducción de peso, lo que implica necesariamente la sustitución de los sistemas neumáticos, mecánicos e hidráulicos convencionales por accionamientos eléctricos. Además, las máquinas eléctricas también ofrecen una mayor eficiencia y requieren menos mantenimiento. Por tanto, minimizar el peso de las máquinas eléctricas es esencial para reducir el consumo de combustible y las máquinas de imanes permanentes ofrecen la mayor densidad de potencia. El uso de devanados hairpin puede ayudar a reducir el peso, gracias a su elevado factor de relleno de ranura y a sus reducidas cabezas de bobina, y ya han demostrado su potencial en sectores como el de la automoción. Otro factor clave para mejorar la densidad de potencia son los sistemas de refrigeración. Entre todos los sistemas de refrigeración líquidos, las soluciones de estator inundado de aceite son las más prometedoras, tanto por su capacidad de refrigeración como por la mejora del aislamiento eléctrico entre conductores que las hace adecuadas para aplicaciones aeronáuticas. En esta tesis se aborda la combinación de estos dos aspectos, el devanado hairpin y la refrigeración mediante estator inundado de aceite para aplicaciones aeronáuticas, y se presenta un novedoso sistema de refrigeración que ha sido patentado. Para ello, se describe la solución propuesta y se detallan las ventajas de esta disposición de refrigeración. Se presentan las ecuaciones que definen su comportamiento, se evalúa experimentalmente su potencial mediante el uso de un motorette y se proporcionan criterios de diseño. Posteriormente, el concepto presentado se aplica en una máquina industrializada y probada en campo para vehículos todoterreno pesados en sustitución de una disposición de refrigeración por camisa de agua, terminando con un prototipo para evaluar la mejora en densidad de potencia. A continuación, la nueva solución de refrigeración se aplica a un diseño conceptual para una aplicación aeronáutica. Por último, se resumen los principales resultados de esta tesis y se esbozan las principales líneas de investigación futuras

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. 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

Design and Analysis of Fractional-Slot Concentrated-Winding Multiphase Fault-Tolerant Permanent Magnet Synchronous Machines.

In the last decades, the use of permanent magnet machine drives has experienced a sustained growth owing to their high efficiency and power density figures and due to their inherent suitability for direct-driven applications. However, and despite being highly reliable, the fact that the excitation field in a permanent magnet machine cannot be turned off at will has made engineers reluctant to employ these drives in safety critical applications in the past. Various techniques have been proposed in the related literature to grant fault-tolerance to a permanent magnet machine drive. This thesis starts by reviewing previous work on the matter and by analyzing the different fault-tolerant approaches. After the various methods are briefly discussed, a comparison among the distinct techniques is established, from which the approach of splitting the drive in multiple independent phases emerges as one the most promising design procedures. This requires that the drive is designed to provide the maximum possible magnetic, electrical, thermal and physical isolation between phases. In order to limit the high magnitude currents arising from a short-circuit fault, a further requirement is that the permanent magnet machine is designed to have a high enough phase self-inductance. The previous requisites are naturally met in permanent magnet machines making use of fractional-slot concentrated-windings. Additionally, multiphase systems have shown to provide a number of advantages over the traditional three-phase systems; specially regarding fault-tolerance and the attainable level of performance after a fault. Owing to the aforementioned reasons, this thesis focuses on the design and analysis of fractional-slot concentrated-winding multiphase fault-tolerant permanent magnet synchronous machines. Following the review on fault-tolerant permanent magnet drive systems, the design principles that allow to select the most appropriate winding arrangements for fractional-slot concentrated-winding multiphase machines are reviewed. From the research conducted, it is found out that the traditionally proposed rules to select the most adequate configurations are restricted to odd phase number machines or to specific winding configurations. In order to fill this gap, an analytical procedure to evaluate the merits of different winding configurations in terms of magnetic isolation and regardless of the geometry of the machine is established. A design methodology incorporating the previous winding selection criteria is proposed. Based on this methodology, a five-phase fault-tolerant machine prototype is designed and manufactured. The design process for the prototype, including the analysis of the required specifications and design constraints, is thoroughly discussed. Next, an analytical drive model suitable for fault analysis is developed. The model serves as a tool to predict the behavior of the designed machine under different fault conditions and to test post-fault remedial strategies. Specifically, the post-fault operation under winding open-circuit faults, terminal short-circuit faults and transistor open and short-circuit faults is investigated. For the previous fault scenarios, modified control strategies that allow to improve the post-fault performance of AC machine drives are proposed. In particular, a unified approach to compute suitable current references for winding open-circuit and terminal short-circuit faults is derived. The method, aimed at minimizing the stator copper losses while preserving the main harmonic of the air-gap magnetomotive force, is general and valid for any phase number drive and different supply conditions. Experimental tests demonstrate the intrinsic fault-tolerant capability of the prototype machine and the adequacy of the proposed modified control strategies in reducing the parasitic effects arising from the different fault conditions. Furthermore, by adopting the proposed remedial actions, it is possible to operate the machine drive under fault scenarios for which the system previously became unstable.En las últimas décadas, las máquinas de imanes permanentes vienen experimentado un uso creciente debido a las numerosas ventajas que ofrecen respecto a otros tipos de máquinas eléctricas. Sin embargo, la imposibilidad de anular el campo de excitación en estas máquinas ha limitado su uso en aplicaciones de seguridad crítica. Esta tesis comienza analizando las diferentes técnicas propuestas en la bibliografía para dotar de tolerancia a fallos a los accionamientos basados en máquinas de imanes. Tras revisar los diferentes enfoques, se establece una comparativa entre los mismos en términos de coste, complejidad y desempeño tras el fallo. De entre las estrategias consideradas, el método de dividir el accionamiento en múltiples fases independientes surge como uno de los enfoques más prometedores. Ello requiere que el accionamiento sea diseñado para lograr la máxima separación magnética, eléctrica, térmica y física entre las distintas fases. Un requerimiento adicional para lograr la tolerancia a fallos es que la auto-inductancia por fase sea elevada para limitar las corrientes de fallo en caso de cortocircuito. Estos requerimientos se cumplen de forma natural al emplear devanados concentrados fraccionarios. Adicionalmente, los sistemas multifásicos han demostrado dar lugar a una serie de ventajas respecto de los sistemas trifásicos tradicionales; especialmente en lo que se refiere a la tolerancia a fallos y a las prestaciones que se pueden obtener tras un fallo eléctrico. Por todo lo anterior, esta tesis se centra en el diseño y análisis de máquinas síncronas de imanes permanentes tolerantes a fallos multifásicas con devanados concentrados fraccionarios. Tras el estudio inicial, se revisan los principios que permiten escoger las topologías de devanado más adecuadas para el diseño de maquinas tolerantes a fallos con devanados concentrados fraccionarios. Los métodos tradicionalmente propuestos están restringidos a máquinas con un número impar de fases o a configuraciones específicas de devanado. Con el fin de cubrir esta carencia, se desarrolla un método analítico que permite evaluar los méritos de las diferentes configuraciones de devanado posibles independientemente de la geometría de la máquina y escoger así la topología más adecuada para aplicaciones tolerantes a fallos. A continuación, se desarrolla una metodología de diseño de máquinas de imanes tolerantes a fallos. Basándose en la misma, se diseña y fabrica un prototipo de máquina síncrona pentafásica. El proceso completo de diseño, incluyendo el análisis de las especificaciones y las restricciones impuestas, es descrito con amplio detalle. Una serie de ensayos experimentales confirman la tolerancia a fallos intrínseca del prototipo desarrollado y la idoneidad de la metodología de diseño desarrollada. Adicionalmente, se desarrolla un modelo analítico que permite analizar el comportamiento del accionamiento diseñado ante diferentes fallos y evaluar diferentes estrategias correctivas tras los mismos. Específicamente, se investigan los modos de fallo consistentes en fallos de circuito abierto en devanados, fallos de cortocircuito entre terminales y fallos en los dispositivos semiconductores del inversor. Para los citados modos de fallo, se proponen estrategias de control modificadas que permiten mitigar las consecuencias negativas de los mismos. Particularmente, se deriva una metodología general para calcular las corrientes de referencia más adecuadas para fallos de cortocircuito y/o circuito abierto. El método, orientado a minimizar las pérdidas en el cobre mientras se mantiene el harmónico principal de la fuerza magnetomotriz en el entrehierro, es general y valido para cualquier número de fases y diferentes topologías de convertidor. Una serie de ensayos experimentales demuestran la idoneidad de las estrategias de control post-fallo propuestas, que permiten reducir las consecuencias negativas de los fallos y operar el accionamiento en condiciones para las cuales el sistema previamente se volvía inestable

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. 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

Diseño de Motores Lineales Síncronos Miniaturizados para el Accionamiento de Puertas Automáticas.

En la actualidad, con el aumento de las exigencias de eficiencia y de excelencia en los productos y procesos, la utilización de la tecnología de los motores lineales está en auge, sustituyendo accionamientos basados en motores rotativos con mecanismos más o menos complejos que transforman el giro del motor en movimiento lineal. Con esto se obtiene una mejora en las prestaciones y sobre todo en la fiabilidad, al haber menos partes intermedias susceptibles de tener una avería. De entre los diferentes tipos de motores lineales que existen, los de imanes permanentes son los más demandados, gracias a las altas prestaciones que ofrecen. Debido a las características especiales de los motores lineales, sus aplicaciones son muy específicas. Para que un motor lineal funcione de manera óptima en una aplicación, ha de ser diseñado específicamente para la misma. La utilización de motores lineales comerciales, que tienen precios bastante competitivos, no resultará la solución más adecuada, debido a que estos no cumplirán perfectamente con las especificaciones requeridas, pues normalmente estarán sobredimensionados. Una aplicación donde su uso es muy adecuado es en el accionamiento de puertas automáticas. Actualmente éstas se accionan mediante mecanismos basados en motores rotativos, siendo éstos los principales causantes de averías. Por este motivo, en esta tesis doctoral se ha buscado realizar una sustitución del motor rotativo y sus mecanismos asociados por un motor lineal y tracción directa, con el fin de evitar las piezas intermedias. Con este objetivo, se ha desarrollado una metodología de diseño de motores lineales síncronos miniaturizados para su integración en puertas automáticas. Para ésto ha sido necesario el establecimiento de unos pasos de diseño que permitan dimensionar y calcular motores de una manera rápida y eficaz, teniendo en cuenta los exigentes requisitos de la aplicación, como son las reducidas dimensiones o la temperatura máxima de funcionamiento. La metodología de diseño de motores lineales síncronos está dividida en dos partes fundamentales: el estudio electromagnético y el estudio térmico. A partir del resultado de estos estudios, se establece la metodología de dimensionamiento y cálculo que, a partir de unos parámetros básicos, nos permite obtener la geometría y todos los parámetros de funcionamiento del motor. El desarrollo del estudio magnético mediante circuitos de reluctancias equivalentes se realiza para motores de tres tipos de secundarios, como son el de imanes superficiales, de imanes embebido y de imanes en Halbach, así como con dos tipos de devanados, como son el devanado distribuido de paso entero y el devanado concentrado de doble capa. La razón de desarrollar estos tres tipos de secundarios es porque son los que ofrecen una densidad de fuerza mayor, clave para conseguir una miniaturización significativa. En cuanto al estudio térmico de los motores se realiza mediante un sistema de resistencias térmicas equivalentes(Lumped-Parameter Thermal Model). Este método de resolución basado está en la representación térmica de elementos básicos del motor, que son los dientes y las bobinas. Gracias a la sencillez de parametrización, es posible analizar térmicamente cualquier motor lineal, independientemente del número de dientes, polos o topología. Utilizando los circuitos magnéticos y térmicos, se presenta un método de dimensionamiento y cálculo de motores lineales que permite su diseño a partir de unos parámetros básicos, tales como la fuerza nominal, la velocidad y las restricciones geométricas asociadas a la puerta. Este método permite, en unos pocos minutos, la obtención de geometrías completas que cumplan con las especificaciones requeridas. Finalmente, se aplica la metodología desarrollada en el proceso de diseño y optimización de un prototipo de motor lineal síncrono miniaturizado para su aplicación en unas puertas automáticas. Se explican la influencia de las diferentes variables y su elección. La validez del método presentado queda demostrada con los resultados del prototipo diseñado, que tras haber sido validado con elementos finitos y ensayado en una puerta automática, ofrece los resultados previstos

Metodología de cálculo térmico y criterios de diseño para máquinas eléctricas con sistemas de refrigeración.

En las últimas décadas, la generalización en el diseño en ingeniería del uso de sistemas informáticos cada vez más potentes ha permitido abrir nuevas vías de investigación en multitud de ámbitos y sistemas industriales. En el ámbito de las máquinas eléctricas, una de las líneas de investigación que más se ha visto relanzada ha sido el análisis térmico de máquinas eléctricas. Conocer el comportamiento térmico en las máquinas eléctricas, independientemente de la topología, es un requisito fundamental en cualquier etapa de diseño. La aparición de nuevas exigencias del mercado tales como la efi- ciencia energética de productos y procesos involucrados con las máquinas eléctricas requiere de un conocimiento muy profundo de dicho comportamiento térmico, que vendrá determinado por el sistema de refrigeración que se emplee en cada máquina. El objetivo de esta tesis ha sido obtener una serie de criterios de diseño para máquinas con refrigeración abierta mediante el empleo de una herramienta de cálculo térmico. Dada las particularidades de estos sistemas de refrigeración y la ausencia de herramientas específicas para este propósito, un segundo objetivo de esta tesis ha sido la generación de dicha herramienta de cálculo, definiendo para ello una serie de metodologías de análisis térmico que posteriormente han sido implementadas. Se han definido dos metodologías de análisis para las máquinas con este tipo de refrigeraciones. Por un lado se define la metodología de cálculo térmico, consistente en la obtención de temperaturas por medio de una red de resistencias térmicas que definen el comportamiento térmico de la máquina. Por otro lado se define la metodología de cálculo hidráulico, consistente en una red de resistencias hidráulicas que definen el comportamiento de los flujos del aire en el interior de la máquina, los cuales son críticos para una buena estimación de las temperaturas y los flujos de calor entre los elementos de la máquina. Las metodologías definidas se han implementado en una herramienta de cálculo. Tras su implementación se ha procedido a su validación, empleando para ello datos experimentales y simulaciones de programas de dinámica defluidos computacional para el caso de una máquina auto-ventilada. Los resultados obtenidos a través de esta herramienta han ofrecido una excelente concordancia con respecto a los datos experimentales, sobre todo en los elementos más dependientes de la temperatura en un diseño electromagnético. Una vez cumplido el objetivo de generar una herramienta de análisistérmico, se ha procedido a cumplir con el objetivo último de la tesis: la obtención de criterios de diseño para máquinas con sistemas de refrigeración abierto. Los criterios obtenidos podrán ser empleados en etapas tempranasdel diseño y el dimensionamiento de estos sistemas y resolver algunas incertidumbres que el diseñador pueda encontrar