Memoria para optar al título de Ingeniero Civil de Minas / 23/07/2024

Ingeniero Civil Mecánico / Los equipos de inducción magnética se utilizan ampliamente en la industria, principalmente para tratamientos térmicos y fundiciones, así como también a nivel hogar e médico. Por otra parte, equipos de flujo magnético axial con imanes permanentes han visto un gran desarrollo en equipos eléctricos como motores; sin embargo, poco es lo que se ha incursionado en la utilización de estos equipos como sistemas de inducción magnética, menos aún en su utilización como sistemas de calefacción a nivel hogar. Una de las falencias que presentan los equipos de AFPM es que debido a su tamaño compacto se puede llegar a un sobrecalentamiento del equipo y como consecuencia una pérdida de la vida útil de estos. Esto se debe principalmente a la desmagnetización de los imanes, lo que puede incurrir en perdidas permanentes del campo magnético de estos. Es por esto que un estudio del flujo de aire entre el rotor y el estator del equipo es necesario para reducir la temperatura alcanzada por los imanes. El objetivo principal de esta memoria es realizar un modelo computacional mediante simulación numérica del enfriamiento en los imanes de NdFeB que componen un equipo de calefacción por inducción magnética. Mientras que los objetivos específicos se centran en como afecta la temperatura en los imanes el efecto de rotación del rotor, la separación de la capa de aire y la utilización de un material aislante. Para llevar a cabo los objetivos expuesto, se realizaron una serie de modelos en el programa ANSYS Fluent que abarcaran todas las condiciones anteriormente expuestas, para luego comparar la temperatura alcanzada por el rotor en los distintos modelos, además de estudiar el comportamiento de la velocidad en el fluido a 2mm de la cara del rotor. Luego de realizar la comparación entre los modelos se llegó a la determinación que un equipo con un aislante de 5mm en el estator y funcionado a una velocidad de rotación de 2500RPM para el rotor, se logra una temperatura aceptable en los imanes para evitar la desmagnetización.

Doctora en Ciencias, Mención Física / El objetivo general de este trabajo es estudiar la dinámica de la magnetización, tanto en el régimen lineal como no lineal, de la capa ferromagnética libre de una estructura nanopilar, cuando se inyecta una corriente polarizada en spin. Para ello, se desarrolla un modelo que utiliza un método alternativo a las simulaciones micromagnéticas usuales, siguiendo un formalismo Hamiltoniano estándar. La capa libre corresponde a un disco de un material ferromagnético suave (específicamente permalloy), de sección circular, y se aplica un campo magnético paralelo al plano que determina una magnetización de equilibrio cuasi-uniforme en su misma dirección. Si la corriente continua supera un cierto umbral, se excitan las ondas de spin y es posible observar auto-oscilaciones de la magnetización. En particular, se estudia la estabilidad de la auto-oscilación del modo que es excitado a la menor corriente crítica, considerando dos versiones del modelo: una que incluye los efectos del borde del disco, y otra que no. Además, se estudia la dinámica lineal de las ondas de spin bajo corrientes alternas. Esta tesis se organiza de la siguiente manera. En la introducción se exponen de manera resumida la motivación, los objetivos y la metodología a utilizar. El capítulo 1, que corresponde al marco teórico, introduce los conceptos básicos para comprender el problema en cuestión. En el capítulo 2 se presenta en detalle el modelo, basado en un formalismo Hamiltoniano, el cual se utiliza para estudiar la dinámica de la magnetización. En el capítulo 3 se estudia la estabilidad de la auto-oscilación del modo con corriente crítica más baja, que corresponde al modo uniforme o macro-spin. Se considera que la capa libre es muy delgada, lo cual permite aproximar el campo demagnetizante al de un plano infinito, y se determina la corriente continua crítica por sobre la cual es posible observar la auto-oscilación del modo uniforme. Luego, se determinan los modos normales de oscilación de la magnetización no uniformes y se estudia la interacción entre la auto-oscilación del modo uniforme con los modos no uniformes. Se determina cuándo comienza el crecimiento exponencial de los modos no uniformes, lo cual permite conocer el rango del espacio de parámetros donde sólo existe la oscilación del modo macro-spin de manera aislada. En el capítulo 4 se introducen los efectos que tienen los bordes del disco, considerando el campo demagnetizante completo. Primero se determina la magnetización de equilibrio que ya no es uniforme. Luego se estudian los modos normales de oscilación de un disco ferromagnético con un campo aplicado en el plano, determinándose sus formas y frecuencias. En el capítulo 5 se estudia la excitación de las ondas de spin del capítulo anterior, mediante la inyección de una corriente continua, y se determina la corriente crítica necesaria para observar auto-oscilaciones de la magnetización. Luego, se determina la región del espacio de parámetros en la cual es posible observar un sólo modo auto-oscilando. En el capítulo 6, se considera que la corriente continua es menor a la corriente crítica y se le agrega una componente alterna. Se estudia la excitación de modos normales bajo este forzamiento: se consideran los efectos del campo de Oersted y la componente perpendicular del torque por transferencia de spin, y se estudian resonancias directas y paramétricas. Finalmente se presenta una sección de conclusiones. / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por Becas Conicyt 2012 folio núm. 21120160, CEDENNA y FONDECYT N° 1130192

En el trabajo de investigación desarrollado en esta Tesis se propone una modelización completa y a la vez sencilla del transformador y trifásico de tres columnas para el funcionamiento en condiciones de saturación del núcleo. La modelización propuesta en este trabajo fue inicialmente desarrollada en el programa de simulación Pspice. Las simulaciones se han validado con un amplio experimental, en el cual se describe el proceso de obtención de los parámetros mediante ensayos de laboratorio fáciles de realizar. Uno de los principales objetivos de este trabajo es, que el modelo del transformador sea adecuado para integrarse a un programa de análisis de flujos de cargas con armónicos. Para esto, se ha desarrollado un algoritmo de resolución directa del régimen permanente del sistema de ecuaciones no lineal del transformador con saturación del núcleo. Las simulaciones del modelo desarrollado tanto en el programa de simulación Pspice como en el algoritmo de obtención del régimen permanente directo, se han validado contra las medidas de los ensayos de laboratorio. En ambos casos, las simulaciones han mostrado gran concordia con las medidas. Finalmente se hace una comparación entre los resultados de las simulaciones obtenidas con el programa de simulación y las obtenidas con el algoritmo. Los resultados son muy similares, lo cual indica que el algoritmo es adecuado.

En los últimos años, investigadores de diferentes laboratorios y universidades han mostrado un interés creciente en el estudio del motor de reluctancia autoconmutado (SRM). Aunque sus aplicaciones industriales son escasas se presenta como una alternativa a los accionamientos convencionales debido a su construcción simple y robusta, a sus bajos costes de manufactura y a su elevado rendimiento, además de poder escoger entre diversas topologías de convertidor estático, prácticamente todas tolerantes a fallos.En esta tesis se hacen aportaciones al diseño y al dimensionamiento de SRM trifásicos para un margen de potencias comprendido entre 0,25 kW y 10 kW, partiendo de las ecuaciones básicas de la conversión electromecánica, dedicando especial atención a la saturación. Se hacen contribuciones a la caracterización del SRM mediante métodos analíticos, numéricos y experimentales, comparando los resultados obtenidos con los diferentes métodos.Inicialmente se abordan temas de carácter general, como son la ubicación del SRM en el marco de los accionamientos eléctricos, una breve introducción histórica y sus aplicaciones industriales actuales, su constitución y principio de funcionamiento, así como la producción de par.A continuación se presentan las pautas básicas de diseño de la estructura electromagnética para el rango de potencias entre 0,25 kW y 10 kW, aplicadas a la construcción de dos prototipos de 3 fases con configuraciones polares 6/4 y 12/8. Se procede a la caracterización magnética de los prototipos construidos utilizando métodos analíticos, numéricos y experimentales, efectuando una comparación de los resultados obtenidos con cada método.Posteriormente se procede al estudio de modelos que permiten la simulación del SRM, modelos lineales sin considerar el efecto de la saturación y modelos no lineales. Dentro de los modelos no lineales, se presenta el ajuste de las curvas de magnetización mediante diferentes alternativas novedosas, aplicadas al caso de que se conozcan todas las curvas de magnetización y al caso de que únicamente se disponga de su conocimiento en las posiciones alineada y no alineada. Se procede a la simulación de los prototipos diseñados y construidos utilizando los modelos propuestos con control mediante pulso único y con control de histéresis, comparándose los resultados obtenidos con resultados experimentales.Seguidamente se efectúa un estudio de la influencia de diversas variables constructivas de la estructura electromagnética sobre la base de los dos prototipos, variables como el entrehierro, el número de espiras, los ángulos polares, la anchura de los yugos y el material magnético utilizado. También se estudia la influencia de diversas variables de control sobre el funcionamiento del motor, como la influencia del ángulo de disparo, del ángulo de conducción y de la referencia de corriente.Se presentan los resultados experimentales de los ensayos de laboratorio efectuados en los dos prototipos, y se efectúa una propuesta final de metodología en el proceso de dimensionamiento.Finalmente se relacionan las aportaciones realizadas, se presentan las conclusiones y se apuntan futuras líneas de trabajo.