Diseño y construcción de un motor eléctrico de imanes permanentes sin escobillas por medio de técnicas de prototipado rápido.

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En el presente trabajo se diseñaron y fabricaron tres prototipos de motor sincrónico de imanes permanentes (PMSM) y se caracterizaron dos de ellos. Las piezas principales de dichos modelos fueron fabricadas en ácido poliláctico (PLA) por medio de la técnica de fabricación por filamento fundido. El...

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Detalles Bibliográficos
Autor principal: Rudd, Ián
Formato: Tesis NonPeerReviewed
Lenguaje:Español
Publicado: 2018
Materias:
Ingeniería mecánica
Diseño mecánico
Design
Diseño
Electric motors
Motores eléctricos
Magnets
Imanes
Three-dimensional calculations
Cálculos 3-dimensional
[3D printing
Impresión 3D]
Acceso en línea:http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/701/1/1Rudd.pdf
Aporte de:
Repositorio Institucional Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro (RICABIB) de Instituto Balseiro
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description En el presente trabajo se diseñaron y fabricaron tres prototipos de motor sincrónico de imanes permanentes (PMSM) y se caracterizaron dos de ellos. Las piezas principales de dichos modelos fueron fabricadas en ácido poliláctico (PLA) por medio de la técnica de fabricación por filamento fundido. El primer prototipo no resultó funcional debido a desalineaciones provenientes del eje que poseía, por lo que se fabricó uno nuevo y se alteraron las dimensiones de las piezas principales obteniendo el segundo prototipo. El estator del prototipo fue impreso en PLA con limaduras de hierro, del proveedor Proto-pasta, bajo la hipótesis de que su permeabilidad magnética es significativamente mayor a la del aire. Una serie de ensayos realizados sobre el material demostraron lo contrario. Se realizaron ensayos con la máquina funcionando como generador en vacío, cortocircuito y con cargas resistivas variables en un rango de operación de 300rpm a 2000rpm aproximadamente, con el fin de encontrar los parámetros del circuito equivalente, modelo con el cual se representa el funcionamiento de esta máquina. Los resultados de dichos ensayos mostraron una alta reluctancia del sistema por lo que se analizó la factibilidad de reducción de esta magnitud por medio del aumento en la permeabilidad magnética efectiva del prototipo. En base a esta conclusión, se fabricó un tercer prototipo con elementos adicionales de acero en el estator y en el rotor y se repitieron los ensayos de caracterización realizando una comparación entre prototipos. La eficiencia medida del motor con su electrónica de control no supera el 25%. Por otra parte, la potencia mecánica máxima alcanzada fue de ( 5 ± 1)W . Finalmente, en lo que respecta a costos, es posible lograr un prototipo con una inversión aproximada de 800$, lo cual representa un tercio del costo de un motor comercial de peso similar, sin embargo, el precio por unidad de potencia mecánica que fue posible calcular con el dispositivo experimental de medición de eficiencia fue de 158$/W, mientras que el valor de uno comercial es 1.4$/W aproximadamente. En un trabajo futuro se revisará dicho dispositivo para encontrar el mínimo costo por unidad de potencia de este tipo de tecnología. Por otra parte, un PMSM fabricado en PLA resulta académicamente muy interesante, ya que es posible alterar varias características, como el esquema de bobinado o las piezas, con gran versatilidad y sin costo adicional significativo, permitiendo observar cómo afecta cada cambio el comportamiento del motor.
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El estator del prototipo fue impreso en PLA con limaduras de hierro, del proveedor Proto-pasta, bajo la hipótesis de que su permeabilidad magnética es significativamente mayor a la del aire. Una serie de ensayos realizados sobre el material demostraron lo contrario. Se realizaron ensayos con la máquina funcionando como generador en vacío, cortocircuito y con cargas resistivas variables en un rango de operación de 300rpm a 2000rpm aproximadamente, con el fin de encontrar los parámetros del circuito equivalente, modelo con el cual se representa el funcionamiento de esta máquina. Los resultados de dichos ensayos mostraron una alta reluctancia del sistema por lo que se analizó la factibilidad de reducción de esta magnitud por medio del aumento en la permeabilidad magnética efectiva del prototipo. En base a esta conclusión, se fabricó un tercer prototipo con elementos adicionales de acero en el estator y en el rotor y se repitieron los ensayos de caracterización realizando una comparación entre prototipos. La eficiencia medida del motor con su electrónica de control no supera el 25%. Por otra parte, la potencia mecánica máxima alcanzada fue de ( 5 ± 1)W . Finalmente, en lo que respecta a costos, es posible lograr un prototipo con una inversión aproximada de 800$, lo cual representa un tercio del costo de un motor comercial de peso similar, sin embargo, el precio por unidad de potencia mecánica que fue posible calcular con el dispositivo experimental de medición de eficiencia fue de 158$/W, mientras que el valor de uno comercial es 1.4$/W aproximadamente. En un trabajo futuro se revisará dicho dispositivo para encontrar el mínimo costo por unidad de potencia de este tipo de tecnología. Por otra parte, un PMSM fabricado en PLA resulta académicamente muy interesante, ya que es posible alterar varias características, como el esquema de bobinado o las piezas, con gran versatilidad y sin costo adicional significativo, permitiendo observar cómo afecta cada cambio el comportamiento del motor. In this Project three permanent magnet synchronous motor (PMSM) prototypes were designed and built. Two of them were characterized. The main parts of the prototypes were built with polylactic acid (PLA) by means of fused filament fabrication. The first prototype did not work, due to the fact that the cap screw used as a shaft was misaligned. Therefore it was necessary to change the dimensions of some of the components which led to the fabrication of the second prototype. The stator was built with Proto-pasta PLA with iron filings, under the assumption that its magnetic permeability is significantly greater than air. However, a series of tests performed on Proto-pasta material showed otherwise. Also, open circuit, short circuit and variable resistive load tests were run in an approximate range of 300 rpm to 2000 rpm. This was done in order to obtain the parameters of the equivalent circuit model, which represents the behavior of the machine. The results of the experiments showed that the magnetic reluctance of the system is very high. Therefore, an analysis of the feasibility of the reduction of this feature was carried out. This was done by increasing the prototype’s magnetic permeability. Based on the results of the analysis, a third prototype containing steel in its stator and rotor was built and tested. At a following stage, both prototypes were compared. Apart from that, a 25% efficiency of the motor and its electronic control system was measured. In addition, the maximum mechanical power achieved during testing was ( 5 ± 1)W . Finally, regarding costs, a working PMSM prototype may be built by investing an approximate sum of $800. This is about a third of the price of an off-shelf PMSM. Yet, the price per mechanical power unit that could be calculated with the device used to obtain the motor efficiency was of 158$/W, while an off-shelf PMSM costs 1.4$/W. In a future project, the device will be checked so as to find the minimum cost per mechanical power unit for this type of technology. On the other hand, a PLA motor of this type proves to be interesting for educational purposes due to the versatility of 3D printing. Also the parts of the PMSM, as well as the winding scheme, can be changed with no further significant investment. This makes it possible to study the effects of every change introduced on the machine. 2018-06-21 Tesis NonPeerReviewed application/pdf http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/701/1/1Rudd.pdf es Rudd, Ián (2018) Diseño y construcción de un motor eléctrico de imanes permanentes sin escobillas por medio de técnicas de prototipado rápido. / Design and construction of a permanent magnet synchronous motor by means of fast prototyping techniques. Proyecto Integrador Ingeniería Mecánica, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro. http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/701/

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