Proyecto de máquinas eléctricas rotativas utilizando RMxprt
Ingenieros pueden tomar importantes decisiones de proyecto de máquinas rotativas en cuestiones de segundos
Máquinas eléctricas rotativas como motores y generadores desempeñan un papel esencial en la sociedad como nunca se vio antes, estando presentes desde la concepción de la energía eléctrica – en usinas de energía, por ejemplo, hasta su utilización para fines industriales o domiciliarios. Además, son responsables por la conversión electromecánica de energía (mecánica en eléctrica y viceversa, para garantizar una creciente mejora en la calidad de estos tipos de productos, maximizando su eficiencia energética y probando nuevas topologías de sus componentes, el uso de simulación computacional por sus idealizadores se ha intensificado masivamente.
Los ingenieros y proyectistas de estas máquinas necesitan tratar constantemente con diversos trade-offs en nivel de concepción y optimización. De esta forma, la utilización de herramientas computacionales es imprescindible para acelerar y muchas veces posibilitar la solución de los problemas propuestos.
Ansys posee una metodología específica de análisis de estos tipos de dispositivos electromecánicos llamada EMDM (Electrical Machine Design Methodology), la cual presenta el estado de arte del proyecto en cinco niveles de complejidad:
RMxprt – Proyecto analítico de máquinas
Maxwell 2D/3D – Análisis electromagnético vía Métodos de los Elementos Finitos
Optimetrics – Análisis de optimización, estadística, sensibilidad, etc.
Multiphysics (Mechanical, Fluent) – Análisis térmico, estrés, vibración, etc.
Simplorer – Simulación sistémica de circuitos y sistemas
Figura 1 – Las cinco etapas de análisis de una máquina eléctrica rotativa vía simulación numérica
La primera etapa dice respecto al software Ansys RMxprt (Rotational Machine Expert). Este software es una herramienta numérica analítica de proyecto de máquinas eléctricas. En él, el usuario es capaz de extraer las principales informaciones de la máquina (como desempeño y torque) y tomar decisiones con relación a los materiales a utilizar en el proyecto y modificaciones en la geometría. La imagen siguiente muestra su funcionamiento:
Aunque utilice apenas formulaciones analíticas, el RMxprt posee dos cualidades altamente relevantes para el proyecto de máquinas:1) tiempo de solución – como la repuesta se encuentra en el orden de segundos, se puede optimizar mucho el proceso considerando un alto número de variables y combinaciones, 2) conexión directa con software de elementos finitos (Ansys Maxwell), generando todo el proyecto automáticamente – geometría, propriedades de materiales, excitaciones, operaciones de malla, setup y posibles repuestas de interés.
La biblioteca del RMxprt posee las principales máquinas eléctricas rotativas utilizadas en la industria:
Máquinas de inducción: Trifásica, Monofásica;
Máquinas síncronas: Line-Start de imanes permanentes (PM), PM de velocidad ajustable, polos salientes, polos lisos;
Conmutación por cepillos: DC, PMDC, Universal, alternador Claw-pole;
Conmutación electrónica: BLPM, Reluctancia conmutada.
Una vez que se elija la máquina de interés y se inserten todas sus características geométricas y electromagnéticas, el proyecto está listo para analizarse. Resaltando que los valores numéricos insertados se pueden convertir en parámetros, propiciando así análisis paramétricos y de optimización.
Tras encontrarse los resultados de interés, se puede migrar el análisis a una solución vía método de los elementos finitos, la cual propiciará detalles puntuales de la máquina (como saturación de los objetos), o, aún, se puede migrar directamente a análisis sistémico, adonde se es capaz de agregar elementos que representen las conexiones eléctricas y mecánicas de la máquina, además de otros dominios de la física (por ejemplo, térmico y mecánico).
Este post trajo una breve ilustración de la metodología de análisis de máquinas eléctricas rotativas, dando énfasis a la primera etapa de esta metodología.
