1. Repositorio Institucional del Tecnológico Nacional de México (RI - TecNM)
2. Tesis de Posgrado
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4. Instituto Tecnológico de La Laguna
5. Doctorado
6. Doctorado en Ciencias en Ingeniería Eléctrica

Title:	Diseño Óptimo de un Sistema Magnético para la Transmisión de Potencia Mecánica en Aerogeneradores
Authors:	Ruiz Ponce, Gerardo Enrique
metadata.dc.subject.other:	Sistema Magnético para la Transmisión de Potencia Mecánica en Aerogeneradores
Issue Date:	2023-05-01
Publisher:	Tecnológico Nacional de México
metadata.dc.publisher.tecnm:	Instituto Tecnológico de La Laguna
Description:	Los aerogeneradores son máquinas integradas por un conjunto de mecanismos que convierten parte de la energía cinética del viento (energía eólica) en energía mecánica, y finalmente en energía eléctrica. Estas máquinas han contribuido de manera sustancial al sistema mundial de generación de potencia eléctrica al ser fuentes de energía limpia. Uno de sus mecanismos esenciales es la caja multiplicadora que forma parte del tren de potencia. Este mecanismo está compuesto por un sistema de engranajes mecánicos que transmiten la potencia mecánica desde el eje de baja velocidad de la turbina eólica hasta el eje de alta velocidad que conecta con el generador eléctrico. Sin embargo, aunque la eficiencia de las cajas multiplicadoras puede ser bastante aceptable (por arriba del 97% [11]), la naturaleza mecánica de sus engranajes inevitablemente conduce a problemas de desgaste, vibración y ruido, requiriendo así de costosos programas de mantenimiento. Aproximadamente el 5% de las fallas que se producen en un aerogenerador son fallas que se atribuyen a la caja multiplicadora [15]. Aun cuando este es un porcentaje relativamente bajo y las fallas no se presentan con frecuencia, éstas tienen un alto costo en el desempeño del aerogenerador. Para abordar esta problemática se encontraron diversas alternativas, entre las que destacan los engranajes magnéticos como una tecnología emergente para llevar a cabo la transmisión de potencia mecánica. En las dos últimas décadas de investigación sobre esta tecnología, ha habido avances significativos en las diferentes topologías de engranajes magnéticos. No obstante, tales avances, el estudio de estos mecanismos no se ha agotado, y su madurez crece a la vez que se busca obtener mejores diseños para aplicaciones prácticas, siendo una de ellas los aerogeneradores. El trabajo de investigación de esta tesis se enfoca en proponer un modelo para un engranaje magnético con topología axial, de modo que su diseño óptimo pueda ser considerado como una opción viable para proyectar su aplicación en el tren motriz del sistema de transmisión de potencia mecánica de un aerogenerador. El engranaje magnético con topología axial es una de las configuraciones menos estudiadas en comparación con la topología coaxial con magnetización radial; ambas, son las dos estructuras más significativas en el estudio de los engranajes magnéticos. En esta investigación, se realizó una revisión exhaustiva del estado del arte sobre los sistemas de transmisión de potencia mecánica, con un enfoque en los vii engranajes magnéticos como posibles reemplazos de sus contrapartes mecánicos. De igual manera, se estudió con detalle el engranaje magnético con topología axial para obtener su modelo óptimo. Para este fin, se utilizó el método del circuito equivalente magnético (MEC). El MEC es un método analítico básico que permite obtener resultados en tiempos de cómputo muy cortos sin sacrificar precisión. En la construcción del MEC se adoptó una red de reluctancias (RN) cuya solución se planteó en términos de análisis de mallas. Para obtener un modelo competitivo, se aplicó un esquema de optimización multiobjetivo con algoritmos genéticos (MOGA). El modelado con un MEC-RN basado en mallas y optimizado con un esquema MOGA, es una técnica para la cual existe poca literatura sobre su aplicación en un engranaje magnético con topología axial. Para verificar y validar el desempeño del modelo propuesto, se utilizó un modelo basado en elementos finitos construido en un software comercial. Los resultados del MEC-RN fueron bastante congruentes con los del modelo de elementos finitos. Al ser el MEC un método de modelado aproximado, los resultados del modelo optimizado también se compararon con los parámetros de transmisión de un modelo analítico publicado en la literatura, cuya configuración sirvió como base para el modelo de este trabajo. El objetivo principal fue la minimización del volumen del engranaje magnético, lográndose una reducción del 23.3% con respecto a la configuración original. Este resultado indica un aumento del mismo orden en la densidad de par. Los pares generados por los rotores del engranaje magnético resultaron en una relación de transmisión con una diferencia de 0.46% con respecto a la obtenida con el modelo analítico. En conclusión, el modelo propuesto junto con la metodología adoptada para su modelado óptimo es competitivo para ser considerado como un diseño viable para la transmisión de potencia mecánica con aplicaciones en aerogeneradores. La producción científica generada por este trabajo, consiste en dos conferencias internacionales y tres artículos publicados en revistas indizadas.
metadata.dc.type:	info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
Appears in Collections:	Doctorado en Ciencias en Ingeniería Eléctrica

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