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[EN] This PhD thesis investigates paths to improve the performance of nanostructured bicomponent permanent magnets (PMs) based on ferrites, using ab initio simulations of their magnetic properties. We focus on ferrites as an alternative to avoid rare-earths, whose extended use represents a serious economic, health and social problem. On one hand, the research work addresses specific practical problems of solutions devised to improve the performance of the nanostructured ferrite PMs. This includes evaluation of the magnetization of Ni ferrite upon inclusion of substitutional Zn atoms, or the role of the interfaces between cubic ferrites in the magnetic response of bicomponent systems that combine hard and soft magnets. On the other, the work tackles fundamental theoretical problems, identifying the relevance of different approximations inherent to the ab initio determination of the magnetic exchange constants of both hexagonal and cubic ferrites. This determination is at the basis of multiscale magnetic models widely used to simulate the magnetic response of nanostructured PMs. The main contributions of this work are: (i) to provide a fundamental ab initio description of hexagonal Strontium ferrite and cubic Ni, Co and Zn ferrites, both in their inverse and direct forms, identifying the large influence of the Hubbard U term on their magnetic properties; (ii) to quantify the influence of the approximations inherent to the mapping of ab initio energies to Heisenberg Hamiltonians in the values of the magnetic exchange constants; (iii) to identify the supremacy of Monte Carlo methods over mean field approaches to estimate magnetic ordering temperatures; (iv) to prove the origin of the decreased magnetization of Ni ferrite under Zn substiution, caused by the tendency of Zn to occupy octahedral sites; (v) to determine the features of the interfaces between Co ferrite and both Ni and Mn ferrites, evidencing strain as the main source of modifications, mainly regarding the magnetic anisotropy., [ES] Esta tesis investiga cómo mejorar el rendimiento de imanes permanentes (IPs) nanoestructurados basados en sistemas bicomponente de ferritas, utilizando técnicas de primeros principios. Analizamos ferritas como alternativa a los imanes basados en tierras raras, elementos que representan una seria amenaza desde el punto de vista de la sostenibilidad, la economía y la salud. Por un lado, investigamos problemas prácticos asociados a algunas de las soluciones propuestas para mejorar el rendimiento de los IPs nanoestructurados de ferritas. Esto incluye la evaluación de la imanación de la ferrita de Ni cuando se introduce Zn sustitucional, o el análisis del papel de las intercaras de ferritas cúbicas en la respuesta magnética de sistemas bicomponente que combinan imanes blando y duro. Por otra parte, nuestra investigación aborda problemas teóricos fundamentales, identificando la relevancia de las diferentes aproximaciones inherentes a la determinación de las constantes de canje de ferritas cúbicas y hexagonales. Esta determinación constituye la base de los ampliamente extendidos modelos magnéticos multiescala que simulan la respuesta magnética de IPs nanoestructurados. Las contribuciones más relevantes de esta tesis son: (i) proporcionar la descripción fundamental de primeros principios de la ferrita hexagonal de Sr y las ferritas cúbicas de Ni, Co y Zn, en sus formas directa e inversa, identificando la enorme influencia del potencial local de Hubbard (U) en sus propiedades magnéticas; (ii) cuantificar la influencia de las aproximaciones inherentes al mapeo de energías ab initio a Hamiltonianos de Heisenberg para extraer las constantes de canje magnético; (iii) establecer la supremacía de los métodos de Monte Carlo sobre las aproximaciones de campo medio en la estimación de las temperaturas de orden magnético; (iv) demostrar el origen de la reducción de imanación de la ferrita de Ni cuando se introduce Zn sustitucional, debida a la tendencia de los átomos de Zn a ocupar posiciones de coordinación octahédrica; (v) determinar las características de las intercaras de ferritas de Co con ferritas de Mn y Ni, demostrando que la mayor fuente de modificaciones proviene de la aparición de tensiones estructurales, que afectan principalmente a la anisotropía magnética., Unión Europea, Horizon 2020, Amphibian-NMBP 720853; Ministerio de Economía y Competitividad, RTI2018-097895-C41

Growing environmental and economic concerns are driving various sectors to improve energy efficiency. In sectors such as aeronautics, this is achieved through electrification and weight reduction, which necessarily involves replacing conventional pneumatic, mechanical and hydraulic systems with electric drives. In addition, electric machines also offer better efficiency and require less maintenance. Then minimizing the weight of electric machines is therefore essential to reduce fuel consumption and permanent magnet machines offer the highest power density. The use of hairpin windings can help reduce weight, due to their high slot filling factor and short winding ends, and have already demonstrated their potential in sectors such as automotive. Another key factor in improving power density are cooling systems. Among all the liquid cooling systems, stator oil-flooded solutions are the most promising, both for their cooling capacity and for the improved electrical isolation between conductors that make them suitable for aeronautical applications. This dissertation deals with the combination of these two aspects, hairpin winding and flooded stator cooling for aircraft applications, and presents a novel cooling system that has been patented. For this purpose, the proposed solution is described and the advantages of this cooling arrangement are detailed. The equations defining its behavior are presented, its potential is experimentally evaluated by using a motorette and design criteria are provided. Subsequently, the presented concept is applied on an industrialized and field-tested machine for heavy-duty off-road vehicles in substitution of a water-jacket cooling arrangement, ending with a prototype in order to assess gains in power density. Next, the novel cooling arrangement is applied on a conceptual design for an aeronautical application. Finally, the main results of this dissertation are summarized and the main future research lines are outlined. La creciente preocupación por el medio ambiente y la economía ha impulsado a varios sectores a mejorar la eficiencia energética. En sectores como la aeronáutica, esto se consigue mediante la electrificación y la reducción de peso, lo que implica necesariamente la sustitución de los sistemas neumáticos, mecánicos e hidráulicos convencionales por accionamientos eléctricos. Además, las máquinas eléctricas también ofrecen una mayor eficiencia y requieren menos mantenimiento. Por tanto, minimizar el peso de las máquinas eléctricas es esencial para reducir el consumo de combustible y las máquinas de imanes permanentes ofrecen la mayor densidad de potencia. El uso de devanados hairpin puede ayudar a reducir el peso, gracias a su elevado factor de relleno de ranura y a sus reducidas cabezas de bobina, y ya han demostrado su potencial en sectores como el de la automoción. Otro factor clave para mejorar la densidad de potencia son los sistemas de refrigeración. Entre todos los sistemas de refrigeración líquidos, las soluciones de estator inundado de aceite son las más prometedoras, tanto por su capacidad de refrigeración como por la mejora del aislamiento eléctrico entre conductores que las hace adecuadas para aplicaciones aeronáuticas. En esta tesis se aborda la combinación de estos dos aspectos, el devanado hairpin y la refrigeración mediante estator inundado de aceite para aplicaciones aeronáuticas, y se presenta un novedoso sistema de refrigeración que ha sido patentado. Para ello, se describe la solución propuesta y se detallan las ventajas de esta disposición de refrigeración. Se presentan las ecuaciones que definen su comportamiento, se evalúa experimentalmente su potencial mediante el uso de un motorette y se proporcionan criterios de diseño. Posteriormente, el concepto presentado se aplica en una máquina industrializada y probada en campo para vehículos todoterreno pesados en sustitución de una disposición de refrigeración por camisa de agua, terminando con un prototipo para evaluar la mejora en densidad de potencia. A continuación, la nueva solución de refrigeración se aplica a un diseño conceptual para una aplicación aeronáutica. Por último, se resumen los principales resultados de esta tesis y se esbozan las principales líneas de investigación futuras.

En este proyecto se va a realizar el diseño de un motor de imanes permanentes de 50 kW para su aplicación en un vehículo eléctrico, así como el posterior análisis de su diseño. La finalidad de este trabajo es analizar el comportamiento del motor diseñado. Para ello se efectuarán los cálculos, las simulaciones para comprobar su rendimiento y posteriormente los planos de este motor, teniendo en cuenta en todo momento que este ha de cumplir con el propósito de ser usado en un vehículo eléctrico y cumpliendo con la potencia y tipo planteados: 50 kW y de imanes permanentes en V. El proceso que se seguirá en este proyecto pasará por las siguientes fases: inicialmente recopilar la información necesaria para su diseño, realizar los cálculos necesarios para su dimensionado, realizar un diseño del motor para su análisis de elementos finitos y, finalmente, validar si este diseño cumple o no con los requisitos marcados inicialmente. En caso de no ser así, se volverá atrás en este proceso, teniendo en cuenta lo obtenido, para así cambiar los aspectos necesarios de su diseño. Una vez obtenido un diseño que cumpla con las especificaciones marcadas, se procederá a realizar el diseño 3D y la elaboración de los planos del diseño definitivo. Finalmente, después de seguir este proceso, se habrá realizado un diseño que se ajuste a las especificaciones marcadas, se habrá analizado su comportamiento, habiendo ofrecido diferentes alternativas para su refrigeración, y también se habrá creado un modelo 3D y sus planos. De esta forma, se podrá afirmar que se ha alcanzado el objetivo inicial de diseñar el motor, dando por concluido este proyecto.

En el presente resumen se muestran los resultados obtenidos durante la ejecución del proyecto denominado “Aerogeneradores para sistemas de alumbrado” , el cual propone resolver la siguiente problemática: El aerogenerador tipo Darrieus ubicado en la Universidad del Norte, específicamente en los laboratorios de la Facultad de Ingeniería Eléctrica no se encontraba en funcionamiento. Lo anterior, genera un desaprovechamiento de este recurso energético utilizable, restringiendo así el uso del prototipo, el cual se podría utilizar para proponer una alternativa de solución energética frente a aplicaciones cotidianas, tal como lo puede llegar a ser los sistemas de alumbrado. Por lo cual, se propone el uso de este dispositivo fabricado por estudiantes de semestres para beneficiar en futuras aplicaciones áreas públicas mediante el aprovechamiento de la energía eólica. A través de la construcción y el diseño de nuevos componentes del aerogenerador, en donde se implementó el uso de imanes permanentes y un conversor AC/DC. Se analizó esta solución propuesta teniendo en cuenta el cumplimiento de normativas y todos aquellos requerimientos de diseños, especialmente el económico. Una vez desarrollada la solución planteada con base a los criterios y normativas se procedió a realizar una evaluación acerca de los impactos que dicho proyecto puede llegar a tener, siendo estos de ámbito social, económico y tecnológico. Finalmente, se analizaron los resultados obtenidos mediante las pruebas realizadas para validar el funcionamiento del prototipo, en donde se encontraron comportamiento comunes de un generador sincrónico de imanes permanentes y que a su vez es capaz de alimentar una luminaria, además de analizar que en el aspecto mecánico hay que realizar estudios a detalle que permitan de cierta manera reducir las variables que limitan el funcionamiento del mismo, tal como lo es los coeficientes de fricción de las piezas móviles que componen el equipo en cuestión. This summary shows the results obtained during the execution of the project called "Wind turbines for lighting systems", which proposes to solve the following problem: The Darrieus type wind turbine located at the Universidad del Norte, specifically in the laboratories of the Faculty of Electrical Engineering was not in operation. The foregoing generates a waste of this usable energy resource, by restricting the use of the prototype, which could be used to propose an alternative energy solution for everyday applications, such as lighting systems. Therefore, the use of this device manufactured by previous semester students is proposed to benefit public areas in future applications using wind energy. Through the construction and design of new wind turbine components, by using permanent magnets and an AC/DC converter. This proposed solution was analyzed considering compliance with regulations and all those design requirements, especially the economic one. Once the proposed solution was developed based on the criteria and regulations, an evaluation was carried out on the impacts that said project may have, these being social, economic, and technological. Finally, the results obtained through the tests carried out to validate the operation of the prototype were analyzed, where common behavior of a synchronous generator of permanent magnets and which in turn is capable of powering a luminaire were found, in addition to analyzing that in the aspect mechanical, it is necessary to carry out detailed studies that allow in a certain way to reduce the variables that limit its operation, such as the coefficients of friction of the moving parts that make up the equipment in question.

Este proyecto propone modelar y simular el comportamiento de un generador síncrono de imanes permanentes mediante modelos circuitales en coordenadas de eje directo y cuadratura. Para validar los resultados del modelo se utiliza el programa de elementos finitos (FEMM) y la simulación en Matlab/Simulink. A través del modelo se obtienen los parámetros principales necesarios para la simulación. Estos parámetros son la co-energía del campo magnético y el flujo de campo existente tanto en eje directo como de cuadratura, posteriormente con estos resultados se calcula la inductancia del eje (Ld), del eje (Lq) y el flujo de campo para la simulación. This project proposes to model and simulate the behavior of a permanent magnet synchronous generator through circuit models in direct axis and quadrature coordinates. To validate the results of the model, the finite element program (FEMM) and the simulation in Matlab/Simulink are used. Through the model, the main parameters necessary for the simulation are obtained. These parameters are the co-energy of the magnetic field and the existing field flux both in the direct and quadrature axis, later with these results the inductance of the axis (Ld), of the axis (Lq) and the field flux for the simulation.

espanolEn el presente documento se expone un estudio comparativo de tres topologias propuestas de generador lineal, a partir de la recopilacion de los estudios consignados en la literatura cientifica, son modeladas por medio de simulaciones en 2D en COMSOL y se analizan los resultados obtenidos tomando como indicador de desempeno la potencia de salida y el comportamiento bajo carga, como contribucion al proyecto de investigacion TOPOLOGIAS DE GENERADOR EOLICO DE BAJA POTENCIA. Los resultados obtenidos son satisfactorios resaltando la primera de las topologias propuestas, que presenta el mejor comportamiento bajo carga y un valor adecuado de potencia de salida para aplicaciones de baja potencia. Gracias al empleo de herramientas computacionales se evita la construccion de varios prototipos, lo que da la posibilidad de generar un banco virtual de pruebas para futuros desarrollos en esta area y lograr un avance en la investigacion de estos dispositivos en Colombia. EnglishThis document presents a comparative study of three proposed linear generator topologies, based on the compilation of studies reported in the scientific literature, they are modeled by means of 2D simulations in COMSOL and the results obtained are analyzed taking output power and behavior under load as a performance indicator, as a contribution to the research project TOPOLOGIES OF LOW POWER WIND GENERATOR. The results obtained are satisfactory, highlighting the first of the proposed topologies, which presents the best behavior under load and an adequate output power value for low power applications. Thanks to the use of computational tools, the construction of several prototypes is avoided, which gives the possibility of generating a virtual test bench for future developments in this area and achieving a breakthrough in the research of these devices in Colombia.

La realización de este trabajo ha sido posible gracias a la financiación del Ministerio de Ciencia e Innovación de España a través de los Proyectos no. MAT2017-86450-C4-1-R, MAT2015-64110-C2-1-P, MAT2015-64110-C2-2-P, MAT2017-87072-C4-2-P, RTI2018-095303-B-C51, RTI2018-095303-B-C53, RTI2018-095303-A-C52 y FIS2017-82415-R y a través del Contrato Ramón y Cajal RYC-2017-23320; y por la Comisión Europea a través del Proyecto H2020 nº 720853 (AMPHIBIAN). El trabajo está financiado también por la Comunidad de Madrid a través del Proyecto S2018/NMT-4321 (NANOMAGCOST).

Tesis Doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Física Aplicada. Fecha de Lectura: 27-07-2021

RESUMEN: Una máquina eléctrica rotatoria es capaz de transformar energía mecánica en energía eléctrica o viceversa. Actualmente las máquinas desempeñan para el ser humano un papel fundamental en su día a día. La sociedad a medida que pasan los años intenta evolucionar, mejorar y avanzar en estudios que incumben a las máquinas eléctricas, esto es el diseño, las pérdidas, la potencia, la eficiencia. En este trabajo se orienta en las máquinas eléctricas síncronas, en concreto se centrará en la inductancia de éstas, esto es, una propiedad de un circuito eléctrico para resistir el cambio de corriente. Concretamente, se estudiará la inductancia en las máquinas sincrónicas de imanes permanentes de flujo radial, las cuales se han vuelto muy populares en estas últimas dos décadas. En la actualidad se utilizan, por ejemplo, en vehículos híbridos eléctricos y en barcos como motores de propulsión, en la industria como máquinas de accionamiento directo de baja velocidad y en aplicaciones de energía eólica como generadores. En la Tesis Doctoral del profesor guía Werner Eduardo Jara Montecinos “Axial Flux Permanent Magnet Machines – Development of Optimal Design Strategies”, principalmente el tercer capítulo de la misma que aborda el tema del cálculo de las componentes de las inductancias mediante ecuaciones analíticas en máquinas de imanes permanentes con devanados concentrados. Se intentará demostrar, mediante valores calculados analíticamente y resultados obtenidos a través de la ayuda de un software matemático de cálculo mediante elementos finitos, que dichas ecuaciones expuestas en la Tesis Doctoral podrán servir tanto para la estimar la inductancia de dispersión de este tipo de máquinas eléctricas mediante el uso de expresiones analíticas generalizadas. Para ello se estudiarán varios tipos de combinaciones de máquinas con diferentes números de polos y de ranuras. Cada una de ellas se calculará con diferentes distribuciones de bobinado (vertical y horizontal). ABSTRACT: An electric machine is a device capable of transforming mechanical energy into electrical energy or vice versa. Nowadays, machines play a fundamental role for the human being in their day to day life. The society as the years pass tries to evolve, improve and advance studies that concern the electric machines, this is the design, the losses, the power, the efficiency, … In this work, it is based on synchronous electric machines, in particular it will focus on the inductance of these, that is, a property of an electric circuit to resist the change of current. Specifically, the inductance in the synchronous machines of permanent magnets of radial flow will be studied, which have become very popular in these last two decades. They are currently used, for example, in hybrid electric vehicles and on boats as propulsion engines, in the industry as low speed direct drive machines and in wind power applications as generators. From the Doctoral Thesis of the guide professor Werner Eduardo Jara Montecinos "Axial Flux Permanent Magnet Machines - Development of Optimal Design Strategies", focusing on the third chapter of the same that addresses the issue of inductances for axial machines. An attempt will be made to demonstrate, through analytically calculated values and results obtained through the help of a mathematical calculation software using finite differences, that said equations exposed in the Doctoral Thesis can be used both for axial flow machines and for radial flow machines. For this purpose, many types of combinations of machines with different numbers of poles and slots are studied. Each of them is calculated with different types of winding distributions (vertical and horizontal). Also, these calculations of values allow estimating the error that is committed between one value and another. Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales

[ES] En este trabajo se ha realizado una comparativa entre un motor asíncrono de inducción y uno síncrono de imanes permanentes implementados sobre un coche eléctrico utilitario tipo. Para ello se ha utilizado el software Simulink Matlab en el que se han generado dos modelos en los que el motor debe seguir una velocidad de referencia que viene dada por el ciclo de homologación WLTP Clase 3 y a su vez vencer el par de carga que supone el vehículo eléctrico. Dichos modelos incorporan el ciclo de velocidad WLTP, un subconjunto de potencia compuesto por el motor eléctrico, el inversor trifásico y una batería de ion-litio. También se añade un control vectorial FOC o uno escalar en bucle cerrado según el motor eléctrico del modelo. Por último, se ha generado un subconjunto mecánico que representa la transmisión del par electromagnético del motor a las ruedas de coche y la dinámica propia de un vehículo de cuatro ruedas. Los elementos críticos de las simulaciones han sido la batería y el tipo de control empleado para generar las señales de disparo de los IGBTs del inversor trifásico. El fin último de este proyecto de investigación ha sido justificar la implementación de uno u otro motor según el consumo energético obtenido y la calidad del seguimiento de la velocidad de referencia. Se ha obtenido que el motor de imanes permanentes tiene un menor consumo energético y un seguimiento de velocidad correcto, mientras que el motor de inducción presenta un error de "offset" en el seguimiento de la velocidad. Este resultado refleja fielmente el estado del arte sobre los motores eléctricos de tracción los cuales tienden a ser síncronos de imanes permanentes junto a los emergentes de reluctancia variable, [EN] In this work, a comparison between an asynchronous induction motor and a permanent magnet synchronous motor implemented on a typical electric utility car has been carried out. For this purpose, Simulink Matlab software has been used to generate two models in which the motor must follow a reference speed given by the WLTP Class 3 standard cycle and, at the same time, overcome the load torque of the electric vehicle. These models incorporate the WLTP speed cycle, a power subassembly consisting of the electric motor, the three-phase inverter, and a lithium-ion battery. A FOC vector control or a closed-loop scalar one is also added depending on the electric motor of the model. Finally, a mechanical subset has been generated to represent the transmission of the electromagnetic torque from the motor to the wheels and the dynamics of a four-wheeled vehicle. The critical elements of the simulations have been the battery and the type of control used to generate the trigger signals of the IGBTs of the three-phase inverter. The goal of this research project has been to justify the implementation of one or the other motor according to the energy consumption obtained and the quality of the reference speed tracking. It has been obtained that the permanent magnet motor has a lower energy consumption and a correct speed tracking, while the induction motor presents an "offset" error in the speed tracking. This result accurately reflects the state of the art on traction electric motors which tend to be permanent magnet synchronous together with the emerging switching reluctance ones, [CA] En aquest treball s'ha realitzat una comparativa entre un motor asíncron d'inducció i un síncron d'imants permanents implementats sobre un cotxe elèctric utilitari tipus. Per a això s'ha utilitzat el programari Simulink Matlab en el qual s'han generat dos models en els quals el motor ha de seguir una velocitat de referència que ve donada pel cicle d'homologació WLTP Classe 3 i al seu torn véncer el parell de càrrega que suposa el vehicle elèctric. Aquests models incorporen el cicle de velocitat WLTP, un subconjunt de potència compost pel motor elèctric, l'inversor trifàsic i una bateria d'ió-liti. També s'afig un control vectorial FOC o un escalar en bucle tancat segons el motor elèctric del model. Finalment, s'ha generat un subconjunt mecànic que representa la transmissió del parell electromagnètic del motor a les rodes de cotxe i la dinàmica pròpia d'un vehicle de quatre rodes. Els elements crítics de les simulacions han sigut la bateria i el tipus de control emprat per a generar els senyals de tret dels IGBTs de l'inversor trifàsic. La fi última d'aquest projecte d'investigació ha sigut justificar la implementació de l'un o l'altre motor segons el consum energètic obtingut i la qualitat del seguiment de la velocitat de referència. S'ha obtingut que el motor d'imants permanents té un menor consum energètic i un seguiment de velocitat correcte, mentre que el motor d'inducció presenta un error de "offset" en el seguiment de la velocitat. Aquest resultat reflecteix fidelment l'estat de l'art sobre els motors elèctrics de tracció els quals tendeixen a ser síncrons d'imants permanents al costat dels emergents de reluctancia variable

Este proyecto tiene como objetivo evaluar el límite de los motores eléctricos de imanes permanentes en el ámbito aeronáutico con el fin de ver si es viable sustituir un motor turbofán de un avión regional por uno de imanes permanentes. Inicialmente, se presenta el estado del arte, clasificando los motores eléctricos y analizando el funcionamiento y la tecnología de los motores síncronos de imanes permanentes, así como sus ventajas y desventajas. Además, se analizan los diseños de los motores de imanes permanentes realizados en los últimos años y la tecnología de los imanes permanentes, con el fin de definir unas especificaciones que requeriría un motor para la aplicación antes mencionada. Una vez presentadas las tecnologías se diseña el motor a nivel electromagnético y térmico. Para el diseño electromagnético se siguen los siguientes pasos: primero se seleccionan las combinaciones más apropiadas de pares de polos y ranuras; después se diseñan las partes activas del motor para cada una de las combinaciones seleccionadas, y por último se optimizan las topologías más prometedoras para dar cuenta de las pérdidas en los imanes y las pérdidas AC en el devanado. Una vez realizado el diseño electromagnético, se diseña el sistema de refrigeración y se hace el cálculo térmico, donde se lleva a cabo un cálculo acoplado entre el análisis electromagnético y el térmico. El PFG concluye con los resultados obtenidos y unas conclusiones acerca del trabajo realizado.

[ES] La mejora del almacenamiento de energía para la movilidad eléctrica se ha convertido en un tema de tendencia en I + D, mientras que el rendimiento de la maquinaria eléctrica se ha dejado de lado debido a sus enormes avances tecnológicos durante las últimas dos décadas, aunque todavía tiene una amplia gama de mejoras. Esta tesis investiga el potencial del rendimiento mejorado de un motor de resistencia sincrónica asistida por imán permanente (PMa-SynRM) considerando un material inusual para su laminación. La característica importante de este material propuesto es sus excelentes propiedades mecánicas que permiten diseños de laminación de rotor más adecuados para motores de reluctancia síncrona de alta velocidad. Sin embargo, el material es relativamente pobre en capacidad magnética. Por lo tanto, se debe realizar un análisis electromagnético y mecánico detallado para comprender el beneficio neto de emplear este material. Se han diseñado tres rotores diferentes con el mismo eje y dimensiones exteriores para probar la eficiencia electromagnética y la resistencia mecánica mediante el método de elementos finitos. El par, la reactancia total, la densidad de flujo y el campo magnético se pueden evaluar para determinar si este material con sus respectivas modificaciones proporciona un mejor rendimiento general, así como una mayor densidad de potencia para mejorar la movilidad eléctrica a través del rendimiento de la tracción eléctrica., [EN] Energy storage improvement for electric mobility has become trending topicin I+D, whereas electric machinery performance has been left aside due toits enormous technology advances during the last two decades, even thoughit has still a wide range of improvement. This thesis investigates the poten-tial of improved performance of a Permanent Magnet Assisted SynchronousReluctance Motor (PMa-SynRM) considering an unusual material for its lam-ination. The significant feature of this proposed material is its great mechan-ical properties which enable rotor lamination designs better suited for highspeed synchronous reluctance motors. However, the material is relativelypoor in magnetic capability. Hence, a detailed electromagnetic and mechan-ical analysis has to be performed to understand the net benefit of employingthis material. Three different rotors with same shaft and outside dimensionshave been designed to test electromagnetic efficiency and mechanical resis-tance by the finite-element method. Torque, total reactance, flux density andmagnetic field can be evaluated to conclude if this material with its respectivemodifications provides a better overall performance as well as higher powerdensity to improve electric mobility through electric traction performance.

[ES] En el presente proyecto se han analizado distintas t´ecnicas para el diagn´ostico de fallos en m´aquinas sincr´onicas de imanes permanentes, comprobando la capacidad de detecci´on de cada una de ellas para distintos puntos de funcionamiento en cada uno de los tipos fallo estudiados. Aunque los datos han sido recogidos, por cuestiones pr´acticas, a partir de un aerogenerador de peque˜na potencia, las conclusiones obtenidas ser´an perfectamente extrapolables a la generaci´on el´ectrica de gran escala, permitiendo, mediante su aplicaci´on, un ahorro considerable en los costes de mantenimiento. Ya que al aplicar estas t´ecnicas de diagn´ostico, los fallos podr´an detectarse con suficiente antelaci´on como para poder repararlos antes de que se vuelvan irreversibles. Adem´as, se ha dise˜nado una base de datos que permite la utilizaci´on futura de los datos recopilados, de una forma intuitiva y r´apida, adapt´andose a las nuevas necesidades que puedan surgir o a la validaci´on de nuevas t´ecnicas de diagn´ostico frente a las presentadas. Por otro lado, con el fin de poder simular aerogeneradores de cualquier potencia, se han desarrollado modelos anal´ıticos que resuelven las ecuaciones del comportamiento din´amico de los sistemas en un ordenador personal, representando con suficiente exactitud la m´aquina que se pretende modelar.

La resonancia magnética es una técnica de imágenes diagnósticas que puede ofrecer información anatómica y funcional. Una forma de ampliar el horizonte de esta técnica es el aprovechamiento del campo magnético terrestre para el uso de la resonancia magnética de campos bajos. Con el fin de desarrollar un sistema combinado que use esta fuente de campo, se diseñó un montaje que incluye el equipo de resonancia magnética de campo terrestre Magritek Terranova y un arreglo de imanes permanentes de neodimio con remanencia medida de 0,88± 0,07 T. Se estudió el campo terrestre en la ubicación del montaje y se obtuvo el máximo en inclinación de 205±0,5°. El sistema fue simulado con métodos de elementos finitos encontrando una distribución apropiada de 24 imanes en 4 barras para su posterior construcción y evaluación, etapa en la cual fue posible obtener un campo magnético espacialmente homogéneo de 64,9±1,2 µT y con variaciones temporales debidas a las fluctuaciones del campo terrestre. En la evaluación se obtuvieron bajos niveles de ruido de 2,3 µV y mejorar la relación señal ruido. Abstract: Magnetic resonance is a technique of diagnostic imaging that may give anatomical and functional information. One way to broaden the horizon of this procedure is by taking advantage of the earth magnetic field for the use of low field magnetic resonance. In order to develop a combined system that uses this field source an assembly was designed which includes the device Magritek Terranova and an arrangement of neodimium permanent magnets of measured 0,88± 0,07 T remanence. The earth field was studied at the location of the setup and the maximum value was found at an inclination of 205±0,5°. The system was simulated by using finite element methods where a 24 magnets in a 4 bar distribution was found to be appropriate for its subsequent construction and evaluation, stage in which it was possible to obtain a magnetic field spatially homogeneous of 64,9±1,2 µT with variations in time due to fluctuations of the earth field. At the assesment , it was additionally possible to reach low noise levels up to 2,3 µV and improve the signal-to-noise ratio. Maestría

In this work, the historical relationship between permanent magnets and powder metallurgy is reviewed. Powder metallurgy is a manufacturing technique based on the compaction of powders that are sintered to create a solid product. This technique was used in the production of permanent magnets for the first time in the 18th century and, nowadays, most permanent magnetic materials are manufacturing by this mean. Magnetic properties are highly dependent on the microstructure of the final product, the magnetic alignment of domains and presence of porosity, to mention a few, and powder metallurgy enables fine control of these factors. En este estudio se ha revisado la relación histórica entre la pulvimetalurgia y los imanes permanentes. La pulvimetalurgia es una técnica de fabricación basada en la compactación de polvos que son sinterizados para crear un producto sólido. Esta técnica fue utilizada en la producción de imanes permanentes por primera vez en el siglo XVIII y, hoy en día, la mayoría de materiales magnéticos permanentes se fabrican de esta forma. Las propiedades magnéticas dependen de la microestructura del producto final, de la alineación de los dominios magnéticos y de la presencia de porosidad; y la pulvimetalurgia permite un control adecuado de estos factores.

The electronic structure, magnetic properties, and phase formation of hexagonal ferromagnetic Fe3Sn-based alloys have been studied from first principles and by experiment. The pristine Fe3Sn compound is known to fulfill all the requirements for a good permanent magnet, except for the magnetocrystalline anisotropy energy (MAE). The latter is large, but planar, i.e., the easy magnetization axis is not along the hexagonal c direction, whereas a good permanent magnet requires the MAE to be uniaxial. Here we consider Fe3Sn0.75M0.25, where M= Si, P, Ga, Ge, As, Se, In, Sb, Te, Pb, and Bi, and show how different dopants affect the MAE and can alter it from planar to uniaxial. The stability of the doped Fe3Sn phases is elucidated theoretically via the calculations of their formation enthalpies. A micromagnetic model is developed to estimate the energy density product (BH)max and coercive field μ0Hc of a potential magnet made of Fe3Sn0.75Sb0.25, the most promising candidate from theoretical studies. The phase stability and magnetic properties of the Fe3Sn compound doped with Sb and Mn have been checked experimentally on the samples synthesised using the reactive crucible melting technique as well as by solid state reaction. The Fe3Sn-Sb compound is found to be stable when alloyed with Mn. It is shown that even small structural changes, such as a change of the c/a ratio or volume, that can be induced by, e.g., alloying with Mn, can influence anisotropy and reverse it from planar to uniaxial and back., Authors acknowledge support from NOVAMAG project, under Grant Agreement No. 686056, EU Horizon 2020 Framework Programme. The computations were performed on resources provided by the Swedish National Infrastructure for Computing (SNIC) at PDC and NSC centers. O.E. acknowledges support from STandUPP, eSSENCE, the Swedish Research Council and the KAW foundation (Grants No. 2012.0031 and No. 2013.0020). O.G. acknowledges the Hessen LOEWE Response Programme. Authors are thankful to Dr. Y. Kvashnin for useful discussions.

Made available in DSpace on 2019-12-18T16:59:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5630_11694.pdf: 4225970 bytes, checksum: d4a80fa044435a01bc547b4633831925 (MD5) Previous issue date: 2017-07-18

El siguiente texto analiza las características y el funcionamiento de un modelo concreto de motor eléctrico síncrono de imanes permanentes sin escobillas mediante el software de elementos finitos de uso libre “FEMM”. Desarrolla las bases de funcionamiento de este tipo de máquinas y aplica análisis teóricos y simulaciones mediante elementos finitos para obtener los parámetros clave que describen el desempeño del motor, comparando los resultados de ambos métodos con respecto a los obtenidos en ensayos reales. Incluye un anexo que sirve de introducción al software “FEMM”. Universidad de Sevilla. Doble Grado en Ingeniería Eléctrica e Ingeniería Mecánica

Actualmente uno de los materiales magnéticos más utilizados en aplicaciones tecnológicas, son los imanes permanentes (IP) o materiales magnéticamente duros. En vista de su importancia, presento en este trabajo una revisión del estado del arte sobre estos materiales, partiendo de una revisión teórica de los conceptos y características más importantes que deben tenerse en cuenta para entender cómo funcionan; pasando por exponer y discutir los diferentes tipos de materiales que se utilizan en su fabricación y sus aplicaciones industriales relevantes; y finalmente discutir las rutas investigativas actuales y futuras en estos materiales, con el fin de obtener materiales para IP con mejores rendimientos y con menores costos. Actually, one of the most used magnetic materials in technological applications are the permanent magnets (PM) or hard magnetic materials. Due their importance, in this work I present a review of the state of the art about these materials; starting with a theoretical revision of the principal concepts and most important characteristics that are necessary to understand how they work; passing by the exposition and discussion of the different types of materials which are used for their production, and their relevant industrial applications; and finally to discuss the actual and future research pathways about these materials. This in order to obtain PM materials with better performance and low costs.

El presente proyecto involucra el análisis y aplicación de un generador de imanes de permanentes de neodimio. Después de diseñar y construir un generador con excitación de imanes permanentes se planteó las pruebas de funcionamiento, con la finalidad de ser utilizado posteriormente como un aerogenerador de eje horizontal. Para la simulación y posteriormente construcción de cada una de las piezas, se utilizó un programa de diseño tridimensional (AutoDesk Inventor). La característica principal de éste generador es su campo magnético constante, el cual es generado por sus imanes permanentes de Neodimio ubicados en el rotor. Se consideró que el voltaje terminal inducido sea de 24 Voltios ± 2 Voltios. Luego de realizar distintas pruebas de funcionamiento a vacío y con diferentes tipos de carga resistiva, se obtuvo los resultados esperados logrando así tener un voltaje terminal de 25,90 Voltios y corriente por fase de 4 Amperios a 600 rev/min y 60 Hertz. This project involves the analysis and implementation of a permanent magnet generator neodymium. After design and build a generator with permanent magnet excitation function tests, in order to be used later as a horizontal axis wind turbine he was raised. a program of three-dimensional design (AutoDesk Inventor) was used for the simulation and then construction of each of the pieces. The main feature of this generator is its constant magnetic field which is generated by its permanent Neodymium magnets located on the rotor. It was considered that the induced voltage terminal is 24 Volts ± 2 volts. After performing various tests operating under vacuum and with different types of resistive load obtained thus achieving the expected results have a terminal voltage of 25.90 volts and phase current 4 Amperes 600 rev / min and 60 Hertz.

Conocer del funcionamiento de la máquina disponible. Analizar los motores por separado y cerciorarnos de su estado. Poner en funcionamiento dichos motores haciendo uso de los elementos disponibles en el laboratorio. En caso de que esto no sea posible, diseñar una alternativa que permita el control de dichas máquinas. Análisis y valoración de los distintos controladores de la máquina disponibles en el mercado. Programación y parametrización del controlador de la máquina.

This project is focused on the development of high coercivity rare earth-lean/ Dy-free Nd-Fe-B permanent magnets using grain boundary engineering and the analysis of their microstructure and magnetic properties. The experiments were performed on the understochiometric Nd-lean (Nd10Fe84B6) and the stoichiometric (Nd12Fe81B6Nb1) composition and using the low melting point Pr3Co0.75Cu0.25 eutectic alloy as infiltration material. Different heat treatments were carried out on initial amorphous ribbons to find out an optimal grain size with highest coercivity. The best sample obtained (650 ºC – 1h) was used to diffuse PrCoCu alloy at 600 ºC for several times. After 4 hours of infiltration time the coercivity of modified magnet was increased from 5 kOe up to 24.4 kOe. Microstructure were analysed by X-ray diffraction (XRD). Modified grain boundary of magnet with highest coercivity was observed by scanning transmission electron microscopy (STEM) and the magnetic properties were analysed by high field - vibrating sample magnetometer (HF-VSM 12T). RESUMEN: Este Proyecto está enfocado al desarrollo de imanes permanentes con alto campo coercitivo de Nd-Fe-B con escasez de tierras raras y libres de Dy usando ingeniería de frontera de grano y el análisis de su microestructura y propiedades magnéticas. Los experimentos han sido realizados en la composición no estequiométrica con escasez de Nd (Nd10Fe84B6) y en la estequiométrica (Nd12Fe81B6Nb1) y usando como material para infiltra la aleación eutéctica de bajo punto de fusión Pr3Co0.75Cu0.25. Se han realizado diferentes tratamientos térmicos en las cintas amorfas iniciales para buscar el tamaño de grano óptimo con la mayor coercitividad. La mejor muestra obtenida (650 °C – 1h) se utilizó para difundir la aleación de PrCoCu a 600 °C durante diversos tiempos. Tras 4 horas de infiltración la coercitividad de los imanes modificados se incrementó de 5 kOe hasta 24.4 kOe. La microestructura ha sido analizada por difracción de rayos X (XRD). La frontera de grano modificada del imán con mayor coercitividad fue observad por microscopia electrónica de barrido-transmisión (STEM) y las propiedades magnéticas se analizaron por un magnetómetro de muestra vibrante de alto campo (HF-VSM 12T). Máster en Nuevos Materiales

Diseño de tarjeta PCB, con entrada de tensión alterna de red, y salida en tensión alterna a partir de tensión de bus continua de 325V conmutada, para control de motor síncrono de imanes permanentes. Desarrollo de software para microcontrolador, destinado a controlar el motor para el manejo completo de una puerta de ascensor, llevando a cabo un control de velocidad mediante control vectorial (en inglés FOC: field oriented control). Medición de la velocidad y la posición mediante encoder de cuadratura, detección de obstáculos por aumento de corriente y configuración de parámetros de control a través de un menú Graduado o Graduada en Ingeniería Eléctrica y Electrónica por la Universidad Pública de Navarra Ingeniaritza Elektriko eta Elektronikoko Graduatua Nafarroako Unibertsitate Publikoan

El presente trabajo consiste en el diseño, prototipado y ensayo de un alternador de imanes permanentes para su aplicación en un aerogenerador de baja potencia como los que se utilizan en el entorno rural. Se trata de un alternador de flujo axial sometido a ensayo en diferentes condiciones en un intento de ofrecer luz acerca de la relevancia de la utilización de un material u otro (hierro, aire, etc…) en el interior de las bobinas inductoras. Los alternadores de este tipo como el que se propone en la (Ref.13), constan de bobinas huecas o con un núcleo con propiedades magnéticas cercanas a las del vacío. Los resultados mostraron que si bien con un núcleo de hierro, la fuerza electromotriz inducida en los carretes es mayor, también lo es el par necesario para poner el sistema en movimiento y en consecuencia también la potencia de viento necesaria. A pesar de ello, los datos obtenidos permiten ver que a una distancia adecuada los resultados son comparables por lo que abre la puerta a la experimentación con materiales magnéticamente más blandos, de los cuales no dispusimos para nuestros ensayos, así como para el diseño de algún sistema compensador del par extra ejercido cuando se utilizan núcleos magnéticos Graduado o Graduada en Ingeniería en Diseño Mecánico por la Universidad Pública de Navarra Diseinu Mekanikoko Ingeniaritzan Graduatua Nafarroako Unibertsitate Publikoan

M-type barium -or strontium-hexaferrites strontium are the permanent magnets with main industrial use. In this paper, the main synthesis methods are reviewed, special attention being paid to the ceramic method which is the main industrial process. Other obtaining proceedings are also discussed (vitreous-ceramic, coprecipitation, hydrothermal synthesis of organometallic precursors). Finally, the most important industrial applications are discussed.Actualmente, las ferritas hexagonales tipo M de bario o estroncio son los imanes permanentes de mayor uso industrial. En este trabajo se revisan los principales métodos de síntesis, haciendo especial hincapié en el método cerámico, ya que es el de mayor importancia industrial. Además, se discuten otra serie de procesos de obtención tales como el vitrocerámico, el de coprecipitación, el de síntesis hidrotérmica y el de síntesis mediante precursores organometálicos. Por último, se discuten las principales aplicaciones industriales de estos materiales.

Ingeniería industrial

En la realización de este proyecto fin de carrera se ha diseñado la estructura portante de un motor linear síncrono de imanes permanentes. Se utilizó un programa de magnetismo basado en el método de elementos finitos MEF para calcular las fuerzas magnéticas provocadas por el flujo magnético entre los imanes y la armadura. El modelo del prototipo se realizó mediante un programa de diseño asistido por ordenador CAD, importándolo posteriormente a un programa de análisis de elementos finitos FEA para el estudio del comportamiento mecánico de sus piezas. Las simulaciones obtenidas con éste último en las condiciones más reales posibles se obtuvieron unos resultados que permitieron conocer los puntos más débiles de la estructura, y permitiendo unas mejores para re-diseñarlo y obtener así un prototipo que soporte cualquier tipo de solicitación sin fallo. __________________________________________________________________________________________________ In conducting this project has been designed bearing structure of a permanent magnet linear synchronous motor. It used a magnetism program based on finite element method FEM to calculate the magnetic forces caused by magnetic flux between the magnets and armature. The prototype model was made through a program of computeraided design CAD, then importing it to a program of finite element analysis FEA to study the mechanical behavior of its parts. The simulations obtained with that one, in the most real situation, results that were obtained allowed to know the weakest points of the structure, and allowing for improvements in re-design and to obtain a prototype that supports any type of solicitation without failure. Ingeniería Técnica en Mecánica

El presente proyecto pretende estudiar el uso de imanes permanentes como resorte mecánico. Se ha realizado el diseño de dos modelos diferentes, en función del estudio a realizar. En el primer caso, se ha llevado a cabo un estudio experimental para el cual se ha creado un sistema que permite obtener la rigidez del resorte magnético compuesto por diferentes combinaciones de imanes. Para el segundo caso, se ha llevado a cabo un estudio teórico con las diferentes combinaciones medidas. De la misma manera que para el primer estudio realizado, se ha obtenido una serie de rigideces. Una vez realizados los estudios experimental y teórico, se han comparado para evaluar la fiabilidad del método de elementos finitos. Una vez realizado el estudio experimental general de los sistemas de imanes, se le ha buscado una posible aplicación. Para ello se ha realizado el estudio sobre la aplicación de un tipo de resorte magnético como sustitutivo del muelle tradicional en una motocicleta. ______________________________________________________________________________________________________________ The aim of this project is to analyze the use of permanents magnets as mechanical springs. We have done both an experimental and theoretical approach of the the use of permanents magnets as a mechanical spring. Inthe firstcase, an experimental study permits to obtain the magnetic spring stiffness with different magnets combinations. In the second case, the theoreticalstudy permits to obtain a comparison between calculated combinations and those measured. Finally, we have tried to apply a permanent magnet based spring system in order to replace the typical mechanical spring used in the suspension of a motorbike. Ingeniería Técnica en Mecánica

A elevada eficiência volumétrica dos materiais magnéticos permanentes de terras raras, disponíveis, actualmente, a custos acessíveis, possibilita a exploração de novas configurações de máquinas eléctricas e a concretização de factores de escala impraticáveis nos sistemas de excitação, classicamente obtidos através de densidades de correntes, favorecendo a redução das dimensões e, ainda, o rendimento daquelas. No contexto tecnológico actual de produtos eléctricos integrados, as máquinas de ímanes permanentes de fluxo axial apresentam um potencial considerável nas aplicações de baixas velocidades, atendendo às geometrias praticáveis e à superior densidade de binário que as caracteriza. Da análise comparativa da configuração axial com a sua homóloga radial, demonstra-se que a máquina de ímanes permanentes de fluxo axial apresenta uma densidade de binário superior em projectos que utilizem mais de quatro pares de pólos. A geometria particular da configuração da máquina de ímanes permanentes de fluxo axial introduz variáveis que impõem modificações nos processos clássicos de projecto e construção das máquinas eléctricas. Neste trabalho, desenvolve-se uma rotina de projecto da máquina de ímanes permanentes de fluxo axial, com ênfase na configuração de duplo entreferro, rotor interno. A rotina desenvolvida incorpora as interacções electromagnéticas e térmicas, sendo baseada em ferramentas analíticas e de simulação com recurso ao Método dos Elementos Finitos. Foi ainda projectado e construído um protótipo, cujas decisões de projecto foram orientadas para os micro e mini sistemas de conversão de energia eólica. A implementação prática e a sua experimentação laboratorial permitiram validar a exequibilidade do processo construtivo e corroborar as variáveis iniciais definidas no anteprojecto.