Consideraciones sobre la aplicación de motores

Consideraciones sobre la aplicación de motores eléctricos con tecnología
de imanes permanentes para el accionamiento directo de maquinaria
rotativa en buques
Daniel Rojas Rodríguez
Adrián Sarasquete Fernández
David Rial Crespo
Vicus Desarrollos Tecnológicos S.L.- Vigo
RESUMEN:
Este artículo, es el primero de una serie, en los cuales se expondrán las investigaciones en curso
por parte de Vicus Desarrollos Tecnológicos S.L., sobre la viabilidad de los sistemas de
accionamiento directo mediante motores síncronos de imanes permanentes (MSIP) para
aplicaciones especiales en maquinaria rotativa en buques. Se realiza una primera aproximación
a las aplicaciones de propulsión marina
El objetivo del artículo es hacer una breve presentación de los diferentes tipos de motores
eléctricos empleados en aplicaciones navales así como sus características y tecnología, para a
continuación presentar un ejemplo resumido del cálculo de un sistema propulsor marino
accionado por un motor eléctrico de tracción directa de 900 kW.
Para esta investigación, se ha utilizado de forma combinada herramientas de cálculo analítico y
herramientas de simulación mediante el método de los elementos finitos.
Se presentan finalmente las conclusiones y algunas de las futuras líneas de investigación en
este extenso campo.
ABSTRACT:
This article is the first of a series, in which ongoing research carried out by Vicus Desarrollos
Tecnológicos S.L. about the feasibility of direct drive systems by means of synchronous
permanent magnet motors (PMSM) for special application in rotating machinery on ships is
presented. A first approximation is carried out for marine propulsion application.
The aim of the paper is to do a brief presentation of the different types of electric motors used in
marine applications as well as their main particulars and technology, then, an outline sample
calculation of a marine propulsion system driven by a 900 kW direct drive electric motor is
presented.
For this research, a combined approach has been followed using analytical calculation tools
combined with simulation tools by means of the finite element method.
Finally, the conclusions and some of the future research lines in this broad field are presented.
1
INDICE:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Introducción .............................................................................................................. 3
La empresa................................................................................................................ 4
2.1 Vicus Desarrollos Tecnológicos S.L. ................................................................ 4
2.2 Líneas de investigación y proyectos .................................................................. 4
Máquinas eléctricas rotativas en buques .................................................................. 5
Sistemas propulsores ................................................................................................ 6
4.1 Propulsión auxiliar ............................................................................................. 6
4.2 Convencional ..................................................................................................... 6
4.3 Azimutal............................................................................................................. 7
4.4 Pod ..................................................................................................................... 7
Tecnología ................................................................................................................ 8
5.1 Imanes permanentes ........................................................................................... 8
5.2 Recubrimientos y materiales compuestos ........................................................ 10
5.3 Accionamiento y control .................................................................................. 11
Desarrollos en el mercado ...................................................................................... 12
Ejemplo de cálculo ................................................................................................. 12
7.1 Disposición general e hidrodinámica de la hélice............................................ 14
7.2 Especificaciones generales de partida .............................................................. 14
7.3 Parámetros seleccionados para evaluar su repercusión en el dimensionamiento
de la máquina .............................................................................................................. 15
7.4 Influencia de los pares de polos y las ranuras por polo y fase ......................... 15
7.5 Influencia de los pares de polos y la anchura relativa de los imanes ............... 17
7.6 Influencia de los pares de polos y la densidad de corriente ............................. 19
7.7 Conclusiones del predimensionamiento .......................................................... 21
7.8 Cálculo térmico preliminar .............................................................................. 22
7.9 Características definitivas ................................................................................ 24
7.10
Simulación de la configuración elegida ....................................................... 25
Conclusiones y futuras líneas de investigación ...................................................... 26
Referencias ............................................................................................................. 26
2
1
Introducción
Desde la primera utilización de los motores eléctricos en aplicaciones navales, éstos han estado
presentes a bordo de los buques de forma permanente, jugando hoy en día un papel
fundamental abordo de nuestros buques, ya que de forma directa o indirecta son responsables
del movimiento de todo tipo de componentes, sistemas o fluidos tales como bombas,
compresores, ventiladores, separadores de combustible y aceite, separadores de sentinas,
telemandos de válvulas, bombas hidráulicas, radares, y como no, propulsores. Resulta cada vez
más común el empleo de accionamientos eléctricos en sistemas de propulsión de enormes
potencias, trabajando estos accionamientos con unos rendimientos muy elevados impensables
hace apenas unos años.
De entre todos los tipos de motor eléctrico existentes en el mercado, uno de los más comunes es
el motor estándar de inducción (en adelante MI) el cual normalmente opera de forma muy
eficiente en un rango de velocidades de entre 1000 y 3000 rpm. El motor de inducción de 4 polos
es el más eficiente, por lo que es uno de los más utilizados en la industria. En la actualidad,
nuevos campos de aplicación se van abriendo dando como resultado la necesidad de buscar
nuevas soluciones. Entre ellos se encuentran las aplicaciones de propulsión marina, en las que
son requeridas transmisiones de par con velocidades de giro relativamente bajas, entre 150 y
800 rpm.
En estos casos, no es económicamente favorable fabricar máquinas de inducción para accionar
de manera directa con estas características, por lo que una solución habitual es la de emplear
una reductora de velocidad entre el accionamiento y el eje de la carga. Esto lleva consigo una
serie de desventajas notables entre las que se encuentra una pérdida de rendimiento y un
aumento de coste ambiental y económico del conjunto. La solución que se propone a este tipo
creciente de aplicaciones es la utilización de máquinas síncronas multipolares de imanes
permanentes (en adelante MSIP). Con este tipo de máquinas se puede lograr un acoplamiento
directo entre la máquina y el propulsor a mover, obteniendo múltiples ventajas tales como la
eliminación de la caja reductora (eliminando ruido, espacio, desgastes,…), aumento de la
eficiencia energética, simplificación del mecanismo y de su mantenimiento, etc. Otro factor a
tener en cuenta es que la densidad de potencia de un MSIP es mayor que la que ofrece un MI
del mismo tamaño.
En base a lo anterior, consideramos que la tecnología MSIP, tiene un enorme potencial para su
aplicación en múltiples sistemas en todo tipo de buques. El objetivo es cambiar la forma de ver
esta tecnología para adaptarla a medida de las aplicaciones navales y es ahí donde la I+D juega
un papel fundamental, pues dicho proceso de adaptación requiere un esfuerzo de investigación y
desarrollo muy elevado, en el cual confluyen múltiples disciplinas como son el diseño mecánico,
electromagnético, análisis fluidodinámico, materiales compuestos, etc…
Vicus Desarrollos Tecnológicos S.L ya está participando en este proceso de desarrollo de las
máquinas que equiparán las flotas mundiales en un futuro no muy lejano, y esta participación
debe ser llevada a cabo desde la primera línea, intentando que España no pierda el tren del
desarrollo tecnológico de nuevos sistemas propulsores en el sector naval.
3
2
La empresa
A continuación se hace una breve presentación de la empresa y sus principales líneas de
investigación.
2.1
Vicus Desarrollos Tecnológicos S.L.
El proyecto de empresa, se centra en la investigación y desarrollo tecnológico en los sectores
naval y energético.
El objetivo de VICUSdt es el alcanzar una posición de liderazgo en la investigación y desarrollo
tecnológico.
Los valores sobre los que se soporta el proyecto de VICUSdt son:

Desarrollo de tecnología propia

Investigación basada en la mejora de la eficiencia energética en los sistemas de
transporte y aprovechamiento de energías renovables marinas

Incorporación de personal investigador de alto nivel y formación continuada.
Actualmente, la capacidad técnica de VICUSdt se podría resumir en tres áreas de la tecnología:

Hidrodinámica: Investigación en hidrodinámica de hélices, timones y cascos de buques
así como la interacción entre ellos. También se estudia la respuesta de dispositivos para
aprovechamiento de energía del oleaje.

Diseño mecánico: Diseño y cálculo de sistemas mecánicos y estructuras complejas.

Sistemas eléctricos: La principal actuación en esta línea de investigación son los
sistemas de tracción directa mediante motores de imanes permanentes, así como los
generadores lineales y aerogeneradores con tracción directa.
Todas estas capacidades hacen posible el objetivo fundacional de la compañía que es el
desarrollo, con tecnología propia, de sistemas propulsores más eficientes y dispositivos
innovadores para el aprovechamiento de energías renovables.
2.2
Líneas de investigación y proyectos
Tres son las principales líneas de investigación en la empresa, las cuales están relacionadas
entre si:

Sistemas de accionamiento / generación innovadores:
El dominio de la tecnología de motores de imanes permanentes y el diseño de motores
completamente resinados permite a VICUSdt desarrollar una nueva generación de sistemas de
tracción totalmente innovadores, aplicables a propulsión y accionamiento de maquinaria en
buques y sistemas generadores de todo tipo. El diseño de los motores incluye una protección
con resina que les faculta para operar totalmente sumergidos en el agua de mar, o estar
expuestos a la intemperie.
Estas mismas máquinas pueden operar como generadores, lo cual ha abierto el camino al
desarrollo de varias patentes; en concreto existe actualmente una patente en fase de tramitación,
la cual se centra en un sistema de propulsor y generador compacto para buques, el cual
permitirá dar el paso hacia los buques híbridos. Con esta finalidad, la empresa está trabajando
en varias patentes y prototipos de máquinas.

Análisis y desarrollo hidrodinámico:
4
La utilización de las más avanzadas técnicas de simulación fluidodinámica por ordenador
(Computacional Fluid Dynamics) permite la evolución de los sistemas más allá de los niveles
alcanzados hasta ahora. VICUSdt considera estas herramientas su principal caballo de batalla
para la validación de sus nuevos diseños y patentes de toberas, timones, propulsores y carenas.
La utilización de los CFD permite que se mejore la eficiencia energética en un segmento de flota
que hasta ahora no podía acceder a técnicas de optimización convencionales, habitualmente
empleadas en buques de gran porte. Asimismo, estas herramientas nos facultan para evaluar en
detalle determinadas configuraciones de carena innovadoras, permitiendo caracterizar en detalle
el flujo de agua en el casco. Estas técnicas son fundamentales también para el desarrollo de
sistemas como los propulsores sumergidos tipo Rim Drive, en los cuales es fundamental
caracterizar el flujo de agua en el entrehierro. Se utilizan además de forma habitual en el análisis
de las diferentes configuraciones de los sistemas de aprovechamiento de energía undimotriz.

Energías renovables:
Las tecnologías de máquinas eléctricas y el dominio de la simulación fluidodinámica permiten
que VICUSdt lleve a cabo proyectos de investigación para el desarrollo de sistemas de
aprovechamiento de energías renovables. Dada la filosofía e intensidad investigadora de la
empresa, estas líneas de investigación se centran en aquellos sistemas que, pese a que tienen
un gran potencial de crecimiento, su nivel actual de desarrollo es bajo. Estos sistemas son los
dispositivos de aprovechamiento de energía del oleaje y los sistemas aerogeneradores de eje
vertical.
3
Máquinas eléctricas rotativas en buques
En este apartado se señalan algunas características de diferentes tipos de motores eléctricos
utilizados en buques.
Motores de Corriente Alterna, asíncronos o de inducción
Son utilizados habitualmente en bombas, ventiladores, etc... Existen dos tecnologías, con rotor
bobinado o con rotor en “jaula de ardilla”; aunque normalmente en el sector naval son más
comunes estos últimos.
Estos motores son comúnmente utilizados por su simplicidad y robustez de diseño, así como por
el precio.
Motores de Corriente Alterna, Síncronos
Son muy utilizados en los sistemas de propulsión diesel-eléctrica. Esta tecnología se ha
generalizado con el desarrollo de la electrónica de potencia.
Motores de Corriente Continua
Entre otras aplicaciones, estos motores son habitualmente empleados para el accionamiento de
las maquinillas de pesca mediante un sistema Ward-Leonard.
Existe esta tecnología de motores también en sistemas de propulsión diesel-eléctrica, aunque en
las potencias más grandes para este tipo de propulsión se realiza con motores síncronos.
Generadores de Corriente Alterna. Síncronos
Son utilizados en la planta generadora, como generadores de cola o en grupos dieselgeneradores.
Existen dos tipologías; en primer lugar, los generadores síncronos con escobillas, se trata del
sistema más antiguo, presentan una robustez y fiabilidad demostrada. Por otro lado, tenemos los
generadores sin escobillas, en los cuales el rotor es alimentado mediante electrónica de potencia
solidaria al mismo.
5
Generadores de Corriente Continua o Dinamos
Son habitualmente empleados en los buques pesqueros para el accionamiento de los motores
de corriente continua. En los sistemas de propulsión diesel-eléctrica con corriente continua, han
sido sustituidos por generadores síncronos y un sistema de rectificadores.
4
Sistemas propulsores
A continuación repasamos brevemente algunas de las configuraciones más comunes hoy en día
para el accionamiento del tren propulsor del buque mediante motores eléctricos, comentando
algunas ventajas e inconvenientes que nos pueden llevar a pensar en soluciones alternativas.
4.1
Propulsión auxiliar
Los sistemas eléctricos de propulsión auxiliar consisten normalmente en un motor eléctrico que
acciona el tren propulsor del buque a través de una toma de fuerza (PTI) situada en la reductora.
Este motor, habitualmente de reducida potencia, permite propulsar al buque a baja velocidad,
evitando el uso del motor propulsor principal en condiciones de baja carga o maniobras donde
éste es más ineficiente, lo cual redunda en una mejora energética de la instalación.
Este tipo de sistemas ha resurgido con fuerza últimamente, impulsados por el incremento de los
precios del crudo y el potencial de ahorro energético que supone su utilización. Son aplicables a
prácticamente cualquier tipo de buque. En la pesca, son especialmente interesantes en los
palangreros (tanto de fondo como de superficie) dado su peculiar perfil de operación. Estos
sistemas también se instalan en buques de apoyo a plataformas “offshore” e incluso en grandes
mercantes, que realizan frecuentes maniobras.
Otra de las ventajas de estos sistemas es su utilización como dispositivos de propulsión de
emergencia o “vuelta a casa” en caso de fallo del motor principal o como generador de cola.
4.2
Convencional
Si nos centramos únicamente en la propulsión diesel - eléctrica “pura” con línea de ejes
convencional, las soluciones más habituales pasan normalmente por la utilización de hélices de
paso fijo, en las cuales la variación de empuje se produce lógicamente variando la velocidad de
giro de las mismas.
El accionamiento de la línea de ejes puede realizarse directamente, para lo cual el motor
eléctrico debe girar a una velocidad relativamente baja (por ejemplo 180 rpm) o indirectamente
mediante una reductora de velocidad, que adecue la velocidad de giro del motor eléctrico (por
ejemplo 1000 rpm) a la velocidad de giro de la hélice (por ejemplo 180 rpm). En buques de una
línea de ejes con accionamiento directo, es bastante habitual el empleo de dos motores
eléctricos montados en tándem.
Una variante a las soluciones anteriormente descritas es el empleo de cualquiera de ellas
acoplada a una hélice de paso variable en lugar de una hélice de paso fijo, de esta forma es
posible utilizar un motor eléctrico girando a velocidad constante y controlar el empuje de la hélice
variando el paso de la misma. Esta solución fue empleada con éxito en algunos de los primeros
sistemas de propulsión diesel-eléctrica. El motor eléctrico empleado es un motor de jaula de
ardilla. Entendemos que hoy en día, con el avance experimentado por los sistemas de control de
potencia, esta solución ha quedado desfasada.
Cada una de las soluciones tiene sus ventajas e inconvenientes, que no entraremos a valorar en
este artículo ya que éstas deben ser consideradas en el marco específico de cada proyecto. No
obstante, la propulsión diesel-eléctrica convencional tiene una serie de ventajas que la hacen ser
un sistema propulsor muy interesante.
6
4.3
Azimutal
Un propulsor azimutal es una hélice, accionada mediante un grupo de engranajes cónicos
instalados en un bastidor o cuerpo sumergido, y que pueden girar 360º alrededor de un eje
vertical, haciendo innecesario el timón.
Los motores eléctricos son empleados de forma habitual en combinación con estos propulsores.
Normalmente, el accionamiento se realiza a través de un eje horizontal de entrada al cual se
acopla el motor eléctrico por medio de un eje o acoplamiento flexible.
Otra posible solución es la adoptada, por ejemplo, en el sistema Schottel Combi-drive, en el cual
el motor eléctrico se instala en vertical sobre el propulsor azimutal, conectado al eje principal del
propulsor, como se puede observar en la Fig. 1. De esta forma se elimina uno de los engranajes
cónicos de la transmisión y resulta un sistema más compacto aunque aumenta lógicamente la
altura de la unidad, la cual en determinados proyectos puede ser crítica por la existencia de una
limitación de altura entre cubiertas.
Esta combinación es habitual en todos aquellos buques que requieran gran maniobrabilidad y
rápida respuesta en maniobra.
Fig. 1: Propulsión azimutal
4.4
Pod
Ya hemos visto que la propulsión eléctrica es muy adecuada para determinadas aplicaciones y
que los propulsores azimutales ofrecen una buena respuesta en maniobra; no obstante, el motor
eléctrico de accionamiento hace ruido y ocupa un espacio precioso en el interior de nuestro
buque entonces… ¿Por qué no instalar el motor sumergido y ganar espacio y tranquilidad a
bordo?. Ésta es la idea detrás de los sistemas pod, consistentes en un sistema de propulsor
azimutal de accionamiento eléctrico en el cual el motor eléctrico se ubica en una góndola
sumergida, accionando la hélice directamente.
Estos sistemas se han desarrollado de forma muy rápida en los últimos años por parte de los
principales fabricantes de equipos propulsores y motores eléctricos europeos, instalándose (no
sin problemas) en un buen número de buques de crucero.
Existe además una serie de variantes interesantes resultado de la combinación de los sistemas
Pod con una propulsión convencional accionada por motor diesel. En un buque de propulsión
7
con una única línea de ejes, un propulsor Pod se instala a popa de la hélice principal, en la
posición que normalmente ocuparía el timón, girando las hélices en sentidos opuestos a fin de
recuperar parte de la energía rotacional en el flujo de agua que abandona la primera de ellas. La
orientación del Pod permite gobernar el buque.
Más recientemente, se han desarrollado otras soluciones similares, orientadas sobre todo a
buques de mayor porte. En estos sistemas se añaden propulsores azimutales laterales para
funciones de propulsión y maniobra, siendo el Pod central fijo, como se puede observar en la
siguiente imagen.
Fig. 2: Propulsión mediante pods
En cualquier caso, pese a las evidentes ventajas de los sistemas pod convencionales, existen
una serie de inconvenientes que limitan su generalización a todos los tamaños y tipos de
buques. Entre esos inconvenientes citamos:
-
Coste elevado del sistema
-
Refrigeración del motor
-
Estanqueidad de la góndola
-
Cojinetes
La solución ideal pasaría por desarrollar un sistema que, con un coste reducido, garantice las
ventajas del Pod, facilitando la refrigeración del motor, con una buena eficiencia energética y no
sufra problemas de estanqueidad ni provoque dolores de cabeza por sus cojinetes.
Es posible el desarrollo de un sistema basado en la topología de rotor hueco empleada en las
máquinas Rim Drive y que pueda ser sustituto de los pods convencionales. Describiremos una
posible configuración en breve pero antes es necesario hacer unos comentarios sobre tecnología
de motores de imanes permanentes.
5
5.1
Tecnología
Imanes permanentes
La historia de las máquinas de imanes permanentes ha ido de la mano del desarrollo de los
materiales magnéticos. Aunque el principio de las máquinas de imanes permanentes estaba
implícito en el uso del magnetismo remanente para la autoexcitación de las máquinas de
corriente continua, a mediados del siglo XIX, no fue hasta 1973 cuando se comercializó la
primera máquina de CC de imanes permanentes. Esto ocurrió como consecuencia de la
obtención de una aleación muy particular con prometedoras aplicaciones en el campo
electromagnético. El material AlNiCo extendió rápidamente su comercialización. Dado que el
AlNiCo y sus homólogos como las ferritas tenían una baja energía de magnetización, la
aplicación de estos imanes fue limitada a pequeñas máquinas. Con el descubrimiento de nuevos
materiales magnéticos hacia la década de los 70, entre los que se encuentran principalmente las
8
tierras raras, se comenzó a pensar en desarrollar grandes máquinas de imanes permanentes.
Hacia 1980 se desarrolló un nuevo material magnético, el Neodimio-Hierro-Boro, más conocido
bajo las siglas de Nd-Fe-B. El desarrollo de estos materiales, junto con una mayor demanda de
los mismos en distintas aplicaciones, ha dado como consecuencia una disminución de sus
precios. Estos nuevos materiales han suscitado un gran interés para la aplicación de máquinas
síncronas, ya que permite sustituir el bobinado excitatriz por la colocación de imanes
permanentes, obteniendo máquinas de costo no exagerado, un mejor rendimiento y una
disminución del costo de mantenimiento. Las máquinas basadas en imanes permanentes están
habitualmente divididas en dos grupos principales: las máquinas alimentadas por onda
rectangular o trapezoidal, llamadas normalmente motores brushless DC, y las máquinas
alimentadas por onda sinusoidal, llamadas brushless AC, o simplemente máquinas síncronas de
imanes permanentes [1], [2].

Las máquinas brushless utilizan una corriente de estator con forma rectangular y
obtienen una fuerza contraelectromotriz que presenta una forma rectangular o
trapezoidal. Esta forma de la fuerza contraelectromotriz es debida normalmente a que
los bobinados del estator suelen ser concentrados y a que la distribución de la densidad
de campo en el entrehierro del motor tiene una distribución rectangular [3]. La regulación
del motor se realiza de manera muy simple introduciendo las tensiones de alimentación
mediante la conmutación de las seis posiciones fundamentales del inversor. Esta
sencillez de operación se traduce en un abaratamiento del costo del accionamiento, pero
también en la aparición de un rizado en el par electromagnético.

En las máquinas brushless AC, tanto la evolución de la corriente introducida en el motor
como la de la fuerza contraelectromotriz tienen forma sinusoidal. El grado de armónicos
presentes en estas formas de onda depende, por un lado, de la distribución y forma de
los imanes permanentes y por otro, de la configuración con que se construyan los
devanados. Normalmente se realiza un gran esfuerzo por obtener una distribución del
campo generado por los imanes lo más sinusoidal posible, puesto que es más difícil de
conseguir mediante una distribución de los devanados [4]. Este tipo de motores son muy
adecuados para aplicaciones de grandes requerimientos dinámicos debido a su bajo
rizado en el par, gran densidad de campo en el entrehierro y gran eficiencia.
Es posible realizar otras clasificaciones de los motores síncronos atendiendo a sus
configuraciones electromagnéticas y mecánicas. La Tabla 1 presenta las diferentes tipologías de
motores síncronos de imanes permanentes, atendiendo a su configuración electromagnética
radial, axial o transversal, la disposición del rotor interior o exterior y la colocación de los imanes
permanentes. También se detallan algunos sectores y aplicaciones adecuadas para cada tipo de
máquina [1], [4], [5], [6].
9
Tipología
Sectores
Flujo radial
Rotor
interior
Imanes
superficiales/
imanes
interiores/
imanes
en
Halbach
Aplicaciones
Automoción
Vehículos eléctricos e híbridos
Generación eléctrica
Generadores eólicos
Electrodoméstico
Accionamientos lavadora
Motobombas
Máquina-herramienta
Cabezales alta velocidad
Posicionamiento de ejes
Tracción ferroviaria
Accionamiento directo al eje tractor
Industria
Bobinadoras papel
Bobinadoras de cinta adhesiva
Rotor
exterior
Flujo axial
Imanes
superficiales/
imanes
interiores/
imanes
en
Halbach
Elevación
Ascensores
Industria, electrodoméstico
Ventiladores
Electrónica
Lectores de CD, DVD
Discos duros
Flujo transversal
Automoción
Ruedas automotrices en vehículos solares
Generación eléctrica
Grandes generadores eólicos sin reductora
Tabla 1: Tipologías de imanes permanentes
5.2
Recubrimientos y materiales compuestos
Las máquinas eléctricas se protegen con un recubrimiento de un material dieléctrico, el cual le
aporta mayor rigidez dieléctrica a las bobinas al mismo tiempo que le dan una rigidez mecánica
frente a las vibraciones. Si la rigidez mecánica de las bobinas no fuese incrementada gracias a
estos recubrimientos, el roce que provocarían estas vibraciones haría que el esmalte (aislante
eléctrico) que recubre los conductores en las bobinas se erosionase provocándose con ello los
indeseados cortocircuitos.
Existen dos tipos de recubrimientos, las impregnaciones y los encapsulados.

Típicamente el método utilizado para recubrir los bobinados de las máquinas eléctricas
suelen ser las impregnaciones. En ellas, se impregna el bobinado con una resina
dieléctrica. Existen diferentes métodos para llevar a cabo este proceso, desde una
10
simple impregnación por gravedad o inmersión, hasta sofisticados métodos de
impregnación al vacío (VPI). Las impregnaciones dotan al bobinado de una fina capa de
resina, la cual dará mayor rigidez mecánica a las bobinas, al mismo tiempo que le da
mayor rigidez dieléctrica al conjunto del bobinado.

Los procesos de encapsulado son más complejos que las impregnaciones y se utilizan
en menor medida y en aplicaciones muy concretas. En este proceso es necesaria la
fabricación de un molde, donde será introducido el elemento a encapsular y vertida la
resina. Por otro lado, la aplicación de este proceso en elementos grandes no es fácil, ya
que pueden ser necesarias varias etapas debido al gran volumen de resina que se
necesita y las reacciones químicas que se producen en el proceso de curado de la
misma.
Los encapsulados ofrecen una muy superior protección mecánica que los impregnados,
siendo muy útiles en aplicaciones donde el grado de protección necesita ser extremo,
como podría ser en máquinas sumergibles. Este tipo de resinas tienen una gran
conductividad térmica al mismo tiempo que tienen una muy baja absorción de agua.
Para piezas encapsuladas que deban presentar máximas características eléctricas es
necesario hacer la colada bajo vacío (APG), la cual nos aporta una máxima penetración
en las bobinas a la vez que se elimina la indeseada porosidad, la cual disminuye la
capacidad de extraer el calor generado por el motor y la rigidez dieléctrica del conjunto.
Las resinas empleadas en ambos sistemas, suelen suministrarse en dos componentes (resina y
catalizador) separados y predosificados.
Los materiales compuestos (o composites) pueden formar estructuras muy resistentes y de bajo
peso. Por este motivo tienen un gran potencial de aplicación en los componentes de las nuevas
generaciones de motores de imanes permanentes para aplicaciones marinas.
5.3
Accionamiento y control
La era de los convertidores de frecuencia y los nuevos materiales está posibilitando la aparición
de los MSIP. Durante los últimos años cada vez se demandan motores más eficientes y con
mayores prestaciones.
Aunque existen múltiples algoritmos para el control de máquinas eléctricas, uno de los que mejor
resultado da para el accionamiento de este tipo de máquinas es el denominado “Control
Vectorial”, pudiendo realizarse de las dos siguientes formas:

Control Vectorial en Lazo Abierto, el cual no necesita realimentación de la posición del
rotor. Este tipo de control es especialmente útil en aplicaciones donde la introducción de
cualquier sensor de posición complica el diseño, como pueden ser las máquinas
sumergidas, en las cuales el sensor debería estar muy bien protegido y podría ser
susceptible de ser un elemento de fallo. Este tipo de control es eficaz en aplicaciones en
las cuales no es exigido un par de arranque elevado, como pueden ser las aplicaciones
de propulsión.

Control Vectorial en Lazo Cerrado, el cual necesita de la realimentación de la posición
del rotor mediante algún tipo de sensor. Con este control es posible obtener el par
nominal en el arranque.
11
6
Desarrollos en el mercado
Existen varias referencias de sistemas basados en la misma filosofía que el dispositivo aquí
propuesto. Estos sistemas se emplean normalmente como propulsor transversales en túnel, y
existen equipos en servicio con potencias de hasta 800 kW (Brunvoll).
Fig. 3: Sistema EPS© de Van der Velden
Se han realizado asimismo investigaciones orientadas a la aplicación de los sistemas de motor
de imanes permanentes de tracción directa para el accionamiento de propulsores de tipo “water
jet”, [7].
Otras líneas de investigación, principalmente en el sector naval militar, apuntan a estos sistemas
como propulsores integrados de alta potencia (50 MW) para los buques de guerra de un futuro
cercano, [8].
7
Ejemplo de cálculo
En este apartado se expone un ejemplo de cálculo resumido de un Motor Síncrono de Imanes
Permanentes (MSIP) para accionamiento directo de una hélice en tobera. En la Fig. 4 se puede
apreciar esquemáticamente una semisección de la tipología de máquina a diseñar.
12
Fig.4: Disposición general del dispositivo a estudio
La máquina consta de los siguientes elementos:

Tobera (1). Aloja el estator del motor y su geometría está condicionada por el volumen
necesario para ello así como su propia hidrodinámica.

Estator (2).Está formado por el paquete de chapa magnética y las bobinas, estando todo
encapsulado en resina.

Rotor (3). Consta de acero magnético e imanes, estando todo encapsulado en resina.

Palas (4). Transforman el par en empuje y a su vez hacen de elemento de conexión
entre el rotor de la máquina y el núcleo central.

Canales de refrigeración (5). Por ellos fluirá el agua de mar hacia el interior de la
máquina, bañando tanto estator como rotor de la máquina, gracias a su circulación por el
entrehierro.

Soporte de la tobera (6).Puede ser una unión fija al casco o el soporte de un propulsor
azimutal.

Núcleo central (7). Donde se alojan los cojinetes de la máquina.

Unión del núcleo central con la tobera (8). Con un adecuado diseño, estos tirantes
pueden actuar como estator recuperando parte de la energía rotacional del agua que
abandona la hélice.
La capacidad de refrigeración del motor en esta aplicación es muy alta ya que, además de estar
alojado en el interior de la tobera (rodeada por agua de mar interna y externamente), el agua
marina circula por el entrehierro de la máquina, bañando tanto el estator como el rotor del motor.
Con el objetivo de proteger todas las partes de la máquina susceptibles de corrosión, tanto el
estator como el rotor de la máquina serán encapsulados en resina, la cual proporcionará una
excelente rigidez dieléctrica y mecánica de las partes activas del motor.
13
En primer lugar se muestran la disposición general del motor y algunas consideraciones
hidrodinámicas, para a continuación enumerar las especificaciones generales del mismo
Posteriormente, se analizan algunos resultados de cálculo, fijándonos en la repercusión que
tiene en el comportamiento y dimensiones del motor la variación de algunos parámetros claves, y
se elegirá la máquina más adecuada para esta aplicación. Este análisis será llevado a cabo
mediante un algoritmo de diseño y cálculo analítico desarrollado por VICUSdt. Por último, se
compararán los resultados obtenidos con el algoritmo de diseño analítico y los resultados
obtenidos mediante la simulación de la máquina elegida, gracias a un software comercial de
simulación de Máquinas Eléctricas (Flux).
7.1
Disposición general e hidrodinámica de la hélice
El dispositivo a estudio consiste en un MSIP de flujo radial y rotor interior, compuesto de un rotor
y un estator con la topología en anillo típica de los sistemas “Rim drive”. El motor irá alojado en el
interior de la tobera, la cual puede ser diseñada a medida para cada aplicación, optimizando sus
características hidrodinámicas. El rotor se une solidariamente a la hélice en su periferia, y se
dispone de un sistema de cojinetes para el soportado de las cargas axiales y radiales.
En el caso estudiado, se trata de una máquina adaptada a una hélice de propulsión principal con
las siguientes características:

Potencia nominal:
900 kW

Velocidad nominal:
230 rpm

Diámetro:
2,5 m

Número de palas:
5

EAR:
0,55

Par:
37367 Nm
7.2
Especificaciones generales de partida
Centrándonos en la máquina eléctrica propiamente dicha podemos decir que las
especificaciones de partida principales son:

Potencia nominal: 900 kW

Tensión de alimentación: 400 V

Velocidad nominal, 230 rpm

Diámetro interior del rotor, 2540 mm

Diámetro exterior de estator máximo, 2820 mm

Densidad de campo magnético en:
o Dientes  1.6 T
o Núcleo estatórico  1.5 T
o Núcleo rotórico  0.9 T
o Entrehierrro = 0.8 T

Restricciones para garantizar la rigidez estructural del motor, que entre otras son:
14
o Espesor del núcleo del estator, no demasiado pequeño con respecto a la altura
de ranura
o Relación entre el alto y ancho de ranura razonable
o Dientes no demasiado esbeltos.
7.3
Parámetros seleccionados para evaluar su repercusión en el dimensionamiento de
la máquina
Los parámetros elegidos para analizar su repercusión en el diseño de la máquina son los
siguientes:

Número de pares de polos

Ranuras por polo y fase
π  D exteriorRotor

Anchura relativa de los imanes permanentes, alfa 

Densidad de corriente, J[A/mm2]
Nº polos
AnchoPolar
Estos son los parámetros clave de diseño, puesto que definen la estructura principal sobre la que
se puede comenzar el predimensionamiento de la máquina. A continuación se mostrará
gráficamente la influencia que tienen los parámetros anteriores en función de los resultados
obtenidos con el algoritmo de diseño y cálculo analítico.
7.4
Influencia de los pares de polos y las ranuras por polo y fase
Para evaluar la influencia de este parámetro en el comportamiento de la máquina, además de las
especificaciones generales de partida y los parámetros fijos, se han establecido los siguientes
valores para poder dimensionar las máquinas:

Anchura relativa de los imanes permanentes alfa = 0.7

Densidad de corriente (inicial) J= 5A/mm2.
Una vez establecidos los valores de estos parámetros se ha establecido un rango de variación
de p (pares de polos) y q ( ranuras por polo y fase)

Variación de p entre 10 y 40.

Variación de q entre 1 y 3.
Por otro lado, se han definido una serie de parámetros objetivo para determinar la bondad de
cada una de las combinaciones. Estos parámetros son los siguientes:

Rendimiento electromagnético

Factor de potencia

Diámetro exterior del estator

Coeficiente térmico (potencia de pérdidas totales dividido entre la superficie de
disipación de la cara externa del estator)
A continuación se presentan los resultados obtenidos para todas las combinaciones de máquina:
15
Fig. 5: Influencia de los pares de polos y las ranuras por polo y fase en el factor de potencia y rendimiento
Fig. 6: Influencia de los pares de polos y las ranuras por polo y fase en el diámetro exterior de estator
16
Fig. 7: Influencia de los pares de polos y las ranuras por polo y fase en el coeficiente térmico
A la vista de las gráficas, se pueden sacar algunas conclusiones:

En primer lugar, el rendimiento de la máquina experimenta un máximo para 30 pares de
polos, aunque el resto de valores es cercano. Con respecto al número de ranuras por
polo y fase, el rendimiento se maximiza cuando su valor es 1.

Como era de esperar el factor de potencia cae drásticamente con el número de pares de
polos. Mientras, el factor de potencia máximo se da de nuevo para 1 ranura por polo y
por fase, siempre y cuando los pares de polos se encuentren entre 22 y 30.

Respecto al diámetro exterior de estator, un numero bajo de pares de polos hace que las
coronas tanto de estator como de rotor sean mayores, y por lo tanto el diámetro exterior
de estator es mayor. El número de ranuras por polo y fase no influye significativamente
en este parámetro. Es de destacar que para los parámetros impuestos a esta máquina,
las máquinas de menos de 38 pares de polos están fuera del valor máximo establecido
para el diámetro exterior de estator, que es de 2820 mm. El diámetro exterior de estator
podría reducirse si impusiésemos una densidad de corriente mayor.

El coeficiente térmico (potencia de pérdidas totales dividido entre la superficie de
disipación de la cara externa del estator), es menor cuanto mayor es el número de pares
de polos, experimentando un mínimo para 30 pares de polos y 1 ranura por polo y fase.
El valor de ranuras por polo y fase no influye significativamente en este parámetro,
aunque se minimiza para 1 ranura por polo y fase.
7.5
Influencia de los pares de polos y la anchura relativa de los imanes
La anchura relativa de los imanes se define como el ratio entre el ancho del imán y el paso polar.
Para evaluar la influencia de este parámetro en el comportamiento de la máquina, además de las
especificaciones generales de partida y los parámetros fijos, se han establecido los siguientes
valores para poder dimensionar las máquinas:

Ranuras por polo y fase q= 1

Densidad de corriente J= 5 A/mm2.
17
Una vez establecidos los valores de estos parámetros se ha establecido un rango de variación
de p (pares de polos) y alfa (anchura relativa de los imanes)

Variación de p entre 10 y 40.

Variación de alfa entre 0.6 y 0.9
Por otro lado, los parámetros objetivo para determinar la bondad de cada una de las
combinaciones son los mismos que en el apartado precedente. Los resultados son los
siguientes:
Fig. 8: Influencia de los pares de polos y la anchura relativa de los imanes en el factor de potencia y rendimiento
Fig. 9: Influencia de los pares de polos y la anchura relativa de los imanes en el diámetro exterior de estator
18
Fig. 10: Influencia de los pares de polos y la anchura relativa de los imanes en el coeficiente térmico
A la vista de las gráficas, se pueden sacar algunas conclusiones:

En primer lugar, el rendimiento de la máquina experimenta un máximo para 30 pares de
polos, aunque el resto de valores es muy cercano. Con respecto a la anchura relativa de
los imanes, el rendimiento se maximiza cuando su valor es 0.7, aunque el resto de
valores es cercano.

Aunque la curva del factor de potencia tiene una tendencia cambiante, el factor de
potencia cae drásticamente con el número de pares de polos. Mientras, el factor de
potencia máximo, para un número de pares de polos mayor de 22 se da para una
anchura relativa de los imanes de 0.6.

Cuanto menor es la anchura relativa de los imanes menor, diámetro exterior de estator
tiene la máquina. Como se expuso en el apartado anterior, las máquinas de menos de
38 pares de polos están fuera del valor máximo establecido para el diámetro exterior de
estator. El diámetro exterior de estator podría reducirse si impusiésemos una densidad
de corriente mayor.

El coeficiente térmico es menor cuanto mayor es el número de pares de polos,
experimentando un mínimo para 30 pares de polos. El coeficiente térmico se hace
menor a medida que disminuye la anchura relativa de los imanes, experimentando un
mínimo para 30 pares de polos y 0.7 de anchura relativa de imanes.
7.6
Influencia de los pares de polos y la densidad de corriente
Para evaluar la influencia de este parámetro en el comportamiento de la máquina, además de las
especificaciones generales de partida y los parámetros fijos, se han establecido los siguientes
valores para poder dimensionar las máquinas:

Ranuras por polo y fase q= 1

Anchura relativa de imanes permanentes alfa = 0.7
19
Una vez establecidos los valores de estos parámetros se ha establecido un rango de variación
de los pares de polos y la densidad de corriente

Variación de p entre 10 y 40.

Variación de J entre 4 y 10 A/mm2.
Por otro lado, los parámetros objetivo para determinar la bondad de cada una de las
combinaciones son los mismos que en los apartados precedentes. Los resultados son los
siguientes:
Fig. 11: Influencia de los pares de polos y la densidad de corriente en el factor de potencia y rendimiento de la
máquina
Fig. 12: Influencia de los pares de polos y la densidad de corriente en el diámetro exterior de estator
20
Fig. 13: Influencia de los pares de polos y la densidad de corriente en el coeficiente térmico
A la vista de las gráficas, se pueden sacar algunas conclusiones:

En primer lugar, el rendimiento de la máquina cae a medida que aumenta el valor de la
densidad de corriente, estableciéndose un máximo para 30 pares de polos y 4 A/mm2.

Aunque la curva del factor de potencia tiene una tendencia cambiante, el factor de
potencia cae drásticamente con el número de pares de polos, como era de esperar.
Mientras, el factor de potencia máximo para un número de pares de polos mayor de 25,
se da para una densidad de corriente de 10 A/mm2.

Respecto al diámetro exterior, cuanto mayor sea el valor de densidad de corriente,
menor sección de cobre necesitaremos, disminuyendo por lo tanto la sección de ranura
necesaria para albergar los conductores, repercutiendo en un diámetro exterior de
estator menor. Dependiendo de la densidad de corriente asignada existen múltiples
configuraciones que están dentro del rango máximo exigido para este parámetro.

El coeficiente térmico (potencia de pérdidas totales dividido entre la superficie de
disipación de la cara externa del estator) es menor cuanto menor es la densidad de
corriente, como era de esperar.
7.7
Conclusiones del predimensionamiento
Las conclusiones que se pueden sacar del predimensionamiento son las siguientes:

El gran diámetro interior del rotor, unido al uso de acero macizo en la corona del rotor
(inducción máxima de 0.9 T) hace que el diámetro exterior de estator sea grande,
haciendo que la longitud de la máquina sea bastante pequeña. El diámetro exterior de
estator se puede reducir con una configuración que tenga un gran número de pares de
polos y una adecuada densidad de corriente.

El rendimiento global de la máquina varía dependiendo de la configuración, aunque en
todas da un valor aceptable.

El factor de potencia obtenido varía dependiendo de la configuración. La configuración
elegida va a ser accionada mediante un control diferente al que nos aporta el algoritmo
21
de cálculo. El control que finalmente se le asignará al motor será un “Control Vectorial”
en lazo abierto, que como se expuso anteriormente resulta ser el más adecuado para
estas máquinas sumergibles.

El coeficiente térmico varía dependiendo de la configuración. Debido a la gran
refrigeración de la máquina es un valor que a priori no es demasiado restrictivo. Como
se pudo observar en el estudio realizado, a medida que aumentamos el número de
pares de polos este coeficiente térmico disminuye.
Por lo tanto, cabe decir que la especial geometría de la máquina hace que sea necesario
escoger adecuadamente los parámetros de la máquina atendiendo a todas las gráficas
expuestas anteriormente.
7.8
Cálculo térmico preliminar
Para abordar el cálculo térmico es necesario cuantificar las pérdidas de potencia que puedan
provocar una merma en el rendimiento a causa de un aumento de temperatura en las partes
susceptibles de la máquina. Una vez cuantificadas se diseñará el circuito de refrigeración. En el
caso de un motor de imanes permanentes, este diseño es muy importante ya que los imanes
pierden su capacidad de generación de flujo magnético de forma lineal en relación al aumento de
temperatura.
En el caso que nos ocupa, las pérdidas son debidas por un lado al rendimiento inherente
asociado al proceso físico de la conducción de corriente (efecto Joule), y por otro son causa de
la fricción viscosa que aparece por el contacto entre la máquina rotativa y el agua.
Teniendo caracterizadas las fuentes de calor es importante razonar el punto de funcionamiento
más desfavorable y diseñar con respecto a este punto el circuito de refrigeración. Para ello se
debe reflexionar acerca de los siguientes puntos:

El entrehierro de la máquina se ha diseñado para que funcione con agua en su interior.
Esta característica le confiere a priori una gran capacidad de refrigeración gracias al alto
valor de calor específico que presenta el agua, pero deben dimensionarse con criterio
los canales por donde circulará el flujo en dirección axial. Este flujo será forzado debido
a la diferencia de presión que produce la hélice. Como el entrehierro estará expuesto, en
cuanto a que irá sumergido y mojado, la diferencia de presiones ocasionará una
recirculación de agua en el mismo con dirección axial y sentido contrario al agua movida
directamente en la tobera.

El flujo axial de refrigeración es directamente proporcional al empuje producido por la
hélice, y el empuje es proporcional al cuadrado de las revoluciones. Cuanto mayor sea el
valor del empuje mayor será el salto de presiones y por consiguiente también mayor
será el flujo en dirección axial de agua en el entrehierro. Por otro lado, a mayor empuje,
mayores valores de potencia de pérdida (más calor que se debe evacuar).

Como la potencia entregada es igual a la multiplicación del par y las revoluciones, y el
par es proporcional al cuadrado de las revoluciones; entonces la potencia varía con
respecto al cubo de las revoluciones de la máquina. En el punto anterior se ha
comentado que el empuje es proporcional al cuadrado de las revoluciones; un aumento
de las mismas ocasionará una mayor subida del calor a disipar que de la capacidad para
disiparlo.
22
Se concluye entonces que el punto de trabajo más desfavorable será aquel en el que aparezca
el valor más alto de revoluciones. Como la hélice es de paso fijo este punto corresponde al
régimen de potencia máxima. Por lo tanto el cálculo térmico se realizará dimensionando el
problema como si el buque operase al 100% de su potencia, en marcha libre de forma
continuada.
Utilizando el algoritmo de diseño y cálculo analítico y aplicando un coeficiente de seguridad, las
pérdidas se han estimado para este punto en 60kW, lo cual supone un 6.6% de la potencia total.
El cálculo se realiza tomando una temperatura de referencia para el agua de 32ºC, que es una
especificación común y recurrente para los problemas de refrigeración en el mar.
Cálculo CFD
Se ha abordado el cálculo de cuantificación del flujo axial que recorre el entrehierro mediante un
análisis CFD simplificado, debido a que las velocidades y presiones que aparecen complican
demasiado el problema como para abordarlo sin una herramienta de este tipo. El cálculo se
realiza utilizando un disco actuador a la hora de simular el salto de presiones que proporciona la
hélice. El volumen de control se considera lo suficientemente grande como para no influir en las
fronteras de entrada y salida de la tobera. La simulación se realiza teniendo en cuenta una
porción correspondiente a 1/24 del volumen total, gracias a las simplificaciones que por simetría
pueden llevarse a cabo. Se estudian dos alternativas geométricas a la hora del diseño del
circuito y se tiene en la más favorable un valor de 0.39 [Kg/s] en la porción de dominio
seleccionado, lo cual hace que resulte un valor de 9.36 [Kg/s] para la máquina completa.
Fig. 14: Flujo axial en el entrehierro.
En la Fig.15, se puede observar a modo de curiosidad una imagen correspondiente a la
simulación efectuada: una distribución de presiones en el volumen de control causada por la
condición impuesta en el disco actuador y una representación de los vectores velocidad en el
entrehierro
23
Fig.15: Distribución de presiones en el volumen de control y vectores velocidad en el entrehierro
Con un valor de 9.36Kg/s de flujo en el entrehierro se calcula una capacidad de evacuación de
potencia de 39.12 [kW/ºC] (resultado de multiplicar el flujo másico por el calor específico del
agua), lo que quiere decir que para conseguir disipar las pérdidas establecidas anteriormente, el
agua saldrá del entrehierro 1.53ºC más caliente que cuando entró.
El salto de temperaturas es pequeño, lo cual apunta a que la máquina no tendrá problemas de
sobrecalentamiento. Para conocer el salto de temperaturas real que se aparecerá en la máquina
es necesario el planteamiento de un problema térmico acoplado en CFD cuya resolución se
escaparía de las pretensiones introductorias de este ejemplo de cálculo. Esto es así debido a
que la complejidad de la geometría y del régimen de flujo hace inviable la opción de utilizar, con
garantías, alguna de las fórmulas experimentales para la estimación del coeficiente de película
que gobernará la transferencia de calor.
7.9
Características definitivas
En base a los razonamientos expuestos en los apartados anteriores, hemos determinado las
siguientes características de nuestra máquina:

Densidad de corriente. Este valor influye en gran medida en todos los parámetros
objetivo. Como se expuso anteriormente, el gran diámetro del rotor de esta máquina
resulta en una configuración con un gran diámetro exterior de estator. Debido a esto y a
la excelente refrigeración que tendrá la máquina se optó por un valor para la densidad
de corriente de 8 A/mm2. Se estableció este valor como una relación de compromiso
para la optimización de todos los parámetros objetivo.

Número de pares de polos. Ya vimos que, a medida que aumentamos el número de
polos de la máquina tanto las coronas de rotor como de estator disminuyen de espesor,
obteniendo un diámetro exterior de estator cada vez menor. Se optó por una máquina de
30 pares de polos (60 polos), ya que es una máquina que encaja en el diámetro exterior
de estator máximo, para una densidad de corriente impuesta de 8 [A/mm 2]. El
rendimiento con esta elección es el óptimo y el factor de potencia es aceptable, aunque
el mismo será mejorado utilizando un “Control Vectorial” en lazo abierto. El coeficiente
térmico también resulta ser el óptimo de entre todas las configuraciones en estudio.

Número de ranuras por polo y fase. Se optó por 1 ranura por polo y fase, ya que nos
aporta los mejores resultados para todas las configuraciones elegidas.

Anchura relativa de los imanes. Considerando las especificaciones de pares de polos,
densidad de corriente y número de ranuras por polo y fase anteriormente elegidas, se
consideró conveniente utilizar una anchura relativa de los imanes de 0.7, ya que nos
aporta unos valores de los parámetros objetivo muy buenos. Por otro lado, se analizaron
otros parámetros de la máquina igualmente importantes en el diseño como son el valor
24
de la fuerza contraelectromotriz y la inducción en vacío, los cuales tienen un valor
adecuado para esta elección de anchura relativa de imanes.
7.10 Simulación de la configuración elegida
Para llevar a cabo la simulación de la configuración elegida en la anterior etapa de
predimensionamiento se utilizó el Flux 2D, que es programa comercial mediante elementos
finitos. Esta es una herramienta potente para calcular todos los parámetros de la máquina. Con
esta simulación se demostrará la bondad de los resultados obtenidos con el programa de diseño
y cálculo analítico propio de VICUSdt.
Modelo de cálculo, malla y condiciones de contorno
La geometría se generó utilizando la herramienta de modelado geométrico incorporada en el
propio código, en base a los parámetros geométricos definidos con nuestro algoritmo de diseño
analítico. Como se puede observar en la siguiente figura, el programa dibuja un único polo en
lugar de los 60 polos de la máquina dado que se asigna condiciones de contorno de
periodicidad.
El mallado se realiza mediante el mallador del programa, con un factor de mallado de 1.
Fig. 16: Geometría y malla de la configuración elegida
Resultados de la simulación y comparación con los obtenidos mediante el algoritmo de
diseño analítico
Los resultados y los parámetros objetivo de la simulación, considerando un accionamiento de la
máquina mediante “Control Vectorial en Lazo Abierto”, fueron los siguientes:

Potencia mecánica en el eje de la máquina, Peje

Factor de potencia, cos(φ)

Rendimiento electromagnético, 

Reactancia síncrona, Xs

Fuerza electromotriz en vacío por fase, E

Inducciones en todas las partes de la máquina tanto en vacío como en carga
El factor de potencia que nos aporta el algoritmo de diseño y cálculo analítico es considerando
que se hace un “Control V/f”. Como ya se expuso anteriormente, la simulación es hecha
considerando un accionamiento con “Control Vectorial”, aportándonos un factor de potencia
mayor que el aportado por el algoritmo.
25
Algoritmo
Flux
Diferencia (%)
E[V]
208.96
213.6
2.17
Xs[Ohm]
0.0495
0.054
8.3
Peje(kW)
900
927
2.9

0.9783
0.982
0.3
cos(φ)
0.92
0.966
4.76
En la Fig. 17 se puede observar a modo de curiosidad la densidad de flujo en vacío, obtenido
mediante el Flux en las distintas partes de la máquina:

Núcleo rotórico

Imanes

Entrehierro

Dientes

Núcleo estatórico
Fig.17: Densidad de flujo
8
Conclusiones y futuras líneas de investigación
Este artículo presenta unas breves reflexiones acerca de la utilización de los motores síncronos
de imanes permanentes en aplicaciones navales, mostrando al mismo tiempo un ejemplo de
cálculo de un motor propulsor de topología innovadora. Todos los cálculos y conclusiones
reflejadas en este artículo son preliminares y basadas en cálculos simplificados. El desarrollo de
un motor de estas características requeriría un proceso mucho más largo y laborioso, incluyendo
una importante fase de diseño mecánico. Consideramos no obstante que el objetivo del artículo,
mostrar el potencial y viabilidad de este tipo de sistemas, se ha cumplido.
Los motores de imanes permanentes de rotor hueco para aplicaciones navales tienen un
enorme potencial y seguramente en unos años supondrán un elevado porcentaje de los sistemas
propulsores instalados. Desde VICUSdt, consideramos que debemos seguir dedicando
esfuerzos en Investigación y Desarrollo para disponer de tecnología propia en sistemas
integrados de propulsión.
9
Referencias
[1] Miller, T.J.E., Brushless PM and Reluctance Motor Drives, Clarendon Press,
Oxford,1989.
26
[2] Nasar, S.A., Handbook of Electrical Machines, McGraw-Hill, New York, 1987.
[3] Bose, B.K., Power Electronics and Variable Frequency Drives, IEEE Press, New York,
1997.
[4] Hendershot, J.R., Miller, T.J.E., Design of Brushless Permanent Magnet Motors,
Clarendon press, Oxford, 1994.
[5] Hanselman, D.C., Brushless Permanent magnet Motor Design, McGraw-Hill, New York,
1994.
[6] Gieras, J.F., Wing, M., Permanent Magnet Motor Technology, Design and Applications,
Marcel Dekker Ltd.,New York, 2002
[7] Hughes, A.W., Turnock, S.R. and Abu Sharkh, S.M. Use of electromagnetic rim driven
propulsor for waterjet propulsion systems, 2003
[8] Richards, J. Applicability of a Rim Drive Pod for high speed ship propulsion. Artículo
técnico. HSVA
27

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