Simulación de máquinas eléctricas
Simulación de motores eléctricos, generadores y transformadores
La simulación de máquinas eléctricas
¿Qué son las máquinas eléctricas?
Utilizamos máquinas eléctricas para convertir energía mecánica en eléctrica como un generador, para transformar y distribuir energía eléctrica y para convertir energía eléctrica en mecánica como un motor. Las máquinas eléctricas sustentan nuestra vida moderna de múltiples maneras y son indispensables para la electrificación en nuestro camino hacia un futuro más sostenible con menos emisiones de carbono. Maximizar la eficiencia energética de las máquinas eléctricas es crucial para minimizar el consumo de recursos.
¿Qué ventajas tiene la simulación de máquinas eléctricas?
La simulación electromagnética contribuye a los objetivos de rendimiento y sostenibilidad de estas maneras:
- ayudando a crear motores eléctricos eficientes que utilicen menos materiales
- proporcionan una mayor eficiencia
- producen menos ruido y vibraciones.
Los ingenieros pueden optimizar sus diseños electromagnéticos para obtener la máxima eficiencia en el régimen de funcionamiento requerido y encontrar las mejores compensaciones entre los factores de diseño que compiten entre sí.
¿Cómo se simulan los motores eléctricos?
Los motores eléctricos son dispositivos complejos que, por definición, requieren funcionalidades de simulación multifísica. Las fuerzas electromagnéticas se traducen en par en un motor eléctrico. A la inversa, un generador utiliza la rotación mecánica para generar energía electromagnética. En los vehículos eléctricos modernos, el mismo motor eléctrico de tracción sirve también como generador para recuperar energía mediante el frenado regenerativo. Analizar la conversión entre ambos requiere un análisis de movimiento, que capte el comportamiento cambiante de la máquina a lo largo del tiempo.
Las ondulaciones en la curva de par pueden dar lugar a ruidos y vibraciones en la máquina. Las grandes corrientes en el interior de las máquinas eléctricas también pueden provocar un calentamiento importante. La evaluación precisa del acoplamiento de las fuerzas eléctricas a las mecánicas requiere amplias opciones de modelado de materiales. Además de las pérdidas eléctricas tradicionales en conductores modelados de forma realista, las opciones de modelado también incluyen los efectos de magnetización y desmagnetización de los materiales en servicio. Podemos considerar explícitamente las pérdidas en el hierro, tales como las pérdidas por corrientes de Foucault, histéresis y pérdidas adicionales/rotacionales, durante la simulación. Las pérdidas pueden utilizarse en un análisis térmico de la máquina.
Simulación de un sistema de propulsión eléctrica
Una máquina eléctrica siempre forma parte de un sistema mayor, con circuitos eléctricos y controladores por un lado y mecanismos de transmisión y cajas de cambios por otro. El modelo de simulación puede conectarse como una unidad de maqueta funcional a una representación del sistema completo, incluidos los controladores, para una simulación del comportamiento de la máquina en escenarios reales.
Entre los KPI de máquinas eléctricas que pueden calcularse con simulación se incluyen:
- Eficiencia
- Inductancias
- Curvas de saturación
- Análisis de cortocircuitos
- Análisis de circuito abierto
- Prueba de carga/corriente de entrada
- Transitorios de activación
- Pérdidas: cobre, corriente de Foucault, histéresis
- Fuerzas dinámicas en bobinas
- Ruido y vibraciones
Aplicaciones de simulación de máquinas eléctricas
- Mapas de eficiencia
- Transitorios de activación
- Análisis del campo de dispersión magnética y blindaje
- Ruido y vibraciones
- Modelado de sistemas
Mapas de eficiencia
La eficiencia energética es crucial para reducir los costes de explotación, aumentar la autonomía de los vehículos y cumplir los objetivos de sostenibilidad. La simulación puede optimizar las máquinas eléctricas para aumentar su eficiencia. La eficiencia suele variar en función de la velocidad y el par; la simulación automatizada puede calcular y mapear rápidamente la eficiencia en todo el régimen de funcionamiento sin el tiempo y el coste de las pruebas físicas.
Transitorios de activación y corriente de irrupción
Cuando se enciende una máquina, la corriente entra en las bobinas. Esta corriente produce efectos transitorios que difieren del funcionamiento estacionario de la máquina. La simulación en el dominio del tiempo modela el comportamiento de la máquina en los primeros momentos críticos y ayuda a garantizar que pueda alcanzar un rendimiento óptimo a partir de un estado estacionario.
Análisis del campo de dispersión magnética y blindaje
La intensidad de campo en el interior de un gran motor o generador puede ser inmensa, y estos campos son capaces de interferir con dispositivos sensibles. El blindaje evita las fugas de campo, pero añade coste y peso. La simulación permite optimizar el blindaje en los lugares donde más se necesita para cumplir los requisitos de compatibilidad electromagnética (CEM) y de peso al mismo tiempo.
Ruido y vibraciones
Para muchas aplicaciones, especialmente los motores de electrodomésticos y vehículos eléctricos, el ruido y las vibraciones son dos de los KPI más importantes. El ruido puede deberse a efectos magnéticos (por ejemplo, el par de torsión), mecánicos (por ejemplo, los cojinetes) o aerodinámicos (flujo de aire a través de la máquina). La simulación multifísica puede modelar estas diferentes fuentes y ayudar a minimizar o mitigar el ruido y las vibraciones.
Modelado de sistemas
Las máquinas eléctricas suelen estar controladas por sistemas electrónicos. El sistema suministra una potencia adaptada a la carga necesaria y a la velocidad de funcionamiento del motor. Para entender el rendimiento hay que tener en cuenta los controladores. La simulación del sistema puede integrar el modelo de la máquina eléctrica en una representación de todo el sistema para modelar el par y la eficiencia en condiciones de carga realistas.
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Preguntas frecuentes sobre la simulación de máquinas eléctricas
Un motor eléctrico convierte la energía eléctrica en movimiento mecánico. Este movimiento puede ser de traslación para un motor lineal o de rotación para un motor rotativo. El principio fundamental de funcionamiento de un motor se basa en la fuerza ejercida sobre un hilo conductor de corriente expuesto a un campo magnético. Esta fuerza (también llamada fuerza de Lorentz) crea un movimiento en una dirección dada por la dirección de la corriente que fluye y de la densidad de flujo magnético (que puede calcularse utilizando la regla de la mano derecha).
Existen dos grandes grupos de motores eléctricos. Como su nombre indica, los motores de corriente continua funcionan con corriente continua y los motores de corriente alterna, con corriente alterna. En un motor de corriente continua con escobillas clásico, la potencia se suministra al rotor, que necesita escobillas para establecer el contacto y un conmutador para cambiar el sentido de la corriente. Los motores de corriente continua sin escobillas(BLDC) utilizan la electrónica para conmutar la corriente continua en los devanados del estator, mientras que el rotor está equipado con imanes permanentes, lo que reduce el mantenimiento.
Los motores de corriente alterna se dividen en dos grandes categorías. Los motores asíncronos, también llamados motores de inducción, dependen de una cierta diferencia entre la velocidad del rotor y la del campo magnético del estator (deslizamiento), y los motores síncronos, en los que la velocidad del rotor y la del campo magnético giratorio del estator son iguales. El motor síncrono de imanes permanentes (PMSM) es un tipo de motor de corriente alterna que ha ganado popularidad en los vehículos eléctricos.
Además del inminente cambio de los motores de combustión interna a los motores de tracción eléctrica, hay multitud de casos de uso para los motores en todos los vehículos modernos. Desde elementos esenciales como limpiaparabrisas, sopladores, ventiladores y varias bombas, hasta funciones de confort como ajuste eléctrico de asientos, elevalunas y apertura de puertas. Nuestros hogares están llenos de electrodomésticos accionados por motor. Son indispensables en la automatización industrial y la robótica.
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