CDNICYT z i

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: informes.fondecyt@conicyt.cl

INFORME FINAL

PROYECTO FONDECYT REGULAR

N PROYECTO: 1070493 DURACIÓN: 3 años AÑO ETAPA: 2009

TÍTULO PROYECTO: DESION AND CONSTRUCTION OF AN AXIAL FLUX ELECTRIC MACHINE WITH INTERIOR

PERMANENT MAGNET

DISCIPLINA PRINCIPAL: INGENIERIA ELECTRICA (INC POTENCIA)

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 : juantapia@udec.cl

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

No OBJETIVOS CUMPLIMIENTO FUNDAMENTO

1 Desarrollar ecuaciones de dimensionamiento para TOTAL

la máquina de flujo axial con imanes interiores

2 Desarrollar circuitos magnéticos equivalentes y TOTAL

modelos numéricos

3 Determinar la capacidad de potencia en función TOTAL

de la frecuencia.

4 Desarrollar las leyes de escala de la topologia TOTAL

propuesta a diferentes tamaños

5 Construir un prototipo basado en el concepto TOTAL

propuesto

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.

Polos Rotor

1 F1S

nanentes

Estator

(a) (b)

Figura 1. Motor de flujo axial de alta saliencia. a) Topologia, b) Plano de construccion

(a) (b)

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 2.5 [kW] Voltaje Nominal 400 [V] Corriente nominal 4.0 [Al Fases 3 Número de dientes 32 Número de polos 12 Número de ranuras por fase por polo 1 1 Diámetro externo estator 180 [mm] Diámetro interno estator 90 [mm] Ancho ranuras 8 [mm] Ancho de diente (radio externo) 15.56 [mml Ancho de diente (radio interno) 5,08 [mm] Ancho de cabeza de diente 21,56 [mm] Ancho de cabeza de diente 11,08 [mm] Diámetro externo rotor 180 [mm] Diámetro interno rotor 90 [mm] Ancho imán permanente 21 [mm] Largo axial imán permanente (radio externo) 25 [mm] Largo axial imán permanente (radio interno) 8 [mm] Largo axial yugo de rotor 1 [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 Wisconsin-Madison, 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°:

Autor (a)(es/as) : Moncada, Roberto H.; Tapia, Juan A.; Jahns, Thomas M.

Nombre Completo de la Revista: IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS

Título (Idioma original) : Analysis of Negative-Saliency Permanent-Magnet Machines

Indexación : ISI

ISSN:

Año: 2010

Vol.: 57

N°:

Páginas : 122-127

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: no

Archivo Asociado al artículo : 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)

Título (Idioma original)

Nombre del Congreso

País Ciudad:

Fecha Inicio Fecha Término

Nombre Publicación

Moncada, R.1-I.; Tapia, JA.; Jahns, T.M.;

lnverse-saliency PM motor performance under vector control operation

IEEE Energy Conversion Congress and Exposition 2009, ECCE 2009.

ESTADOS UNIDOS DE AMERICA

San Jose, CA

20/09/2009

24/09/2009

Año:

Vol.:

N°:

Páginas Envía documento en papel : no

Archivo Asociado : lnverse-SaliencyPMMotorPerformanceunder_VectorControIOperation .pdf 0209783; 070493/2009973;

2

Autor (a)(es/as) : Moncada, R.H. Rodriguez, R.A. Tapia, J.A. Jahns, T.M.

Título (Idioma original) : Axial flux permanent-magnet machine under optimum control strategy for wind power

generation

Nombre del Congreso : IEEE International Electric Machines and Drives Confercnce, 2009. IEMDC 09.

País: ESTADOS UNIDOS DE AMERICA

Ciudad: Miami, FL

Fecha Inicio : 03/05/2009

Fecha Término : 06/05/2009

Nombre Publicación

Mio:

Vol.:

N°:

Páginas Envía documento en papel : no

Archivo Asociado : 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 : Pregrado

Institución : Depto. Ingenieria Electrica, Universidad de Concepcion

País: CHILE

Ciudad : Concepcion

Estado de Tesis : En Ejecución

Fecha Inicio : 03/08/2009

Fecha Término : 30/04/20 10

Envía documento en papel : no

Archivo Asociado : Memoriade_Título_Sandra_Maldonado.pdf 0209783/1070493/2009/4751;

N°: 2

Título de Tesis : Cotrol Óptimo de una Maquina con Imanes Permanentes para Generacion Eólica Nombre y Apellidos del(de la) Alumno(a) : Raul Rodriguez Cea

Nombre y Apellidos del(de la) Tutor(a) : Juan Tapia Ladino

Título Grado : Pregrado

Institución : Depto. Ingenieria Electrica, Universidad de Concepcion

País: CHILE

Ciudad : Concepcion

Estado de Tesis : Terminada

Fecha Inicio : 23/08/2007

Fecha Término : 18/12/2009

Envíadoumento en papel: no

Archivo Asociado : Memoria_Raul_Rodriguez.pdf 0209783/1070493/2009/4753/

N°: 3 -

Título de Tesis : Diseño y Construccion de yna AFPMM sin Nucico

Nombre y Apellidos del(de la) Alumno(a) : Werner Jara Montecinos

Nombre y Apellidos del(de la) Tutor(a) Juan Tapia Ladino

Título Grado: Pregrado

Institución : Depto. Ingeniería Electrica, Universidad de Concepcion

País : CHILE

Ciudad : Concepcion

Estado de Tesis : En Ejecución

Fecha Inicio : 03108/2009

Fecha Término : 30/04/20 10

Envía documento en papel : no

Archivo Asociado : 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 *