Electric vehicles (EVs) are attractive comparted to internal combustion engine powered vehicles due to several benefits, including low emissions, higher efficiency, less maintenance costs, stronger acceleration or lower fuel price, among others. EVs require traction motors with especial features, including high efficiency, high power and torque density, compactness, precise torque control, extended speed range. This work focuses on the analysis and optimal electromagnetic design of fault tolerant permanent magnet synchronous motors. The study is mainly based on the research of analytical design procedures and the effect of electrical faults in the motor behavior, according to the configurations of each machine. The study will be developed by using analytical tools, and validated by applying 2-D and 3-D finite element methods (FEM). A brief study about the main achievements regarding the design of fault tolerant machines is made, identifying the possible improvements and main rules of design in this kind of machines. Then a study focused on the requirements of a fault tolerant design is made, in order to select the appropriate motor configuration. Since the consequences of inter-turn faults can be catastrophic in PMSMs, chapter 3 studies the influence of the winding configuration on the detection of such faults. This detection is based on the analysis of the stator currents and the (zero-sequence voltage component) ZSVC spectra. Several types of winding configurations are selected for analysis i.e. fractional- and integral-slot windings, overlapping- and non-overlappingwindings, single- and double-layer, full- and short-pitch, constant- and variable-pitch windings. Taking into the fault tolerant tendencies about the redundancy of the system, the study of the effect of inter turn fault is extended to the five phase machine, thus a parametric model of the five-phase PMSM is developed, this model accounts for the effects of inter-turn faults. This parametric model is used to select the harmonic frequencies to be studied to detect such faults. Likewise, the amplitudes of these harmonic frequencies are further analyzed by means of FEM simulations, therefore showing the potential of the proposed system to detect inter-turn faults in their early stage, which is a desirable characteristic for a fault tolerant system. The demagnetization effect on AFPMM torque is also analyzed. The main objective was to study the influence of the magnet shape in the performance of an AFPMM working under faulty condition, in order to select the most suitable type of magnet for the design of a fault tolerant machine. After an exhaustive analysis of the main electromagnetic faults on PMSMs, the work is focused on the optimal electromagnetic design of an AFPMM. The optimal design is based on a set of analytical equations whose accuracy is validated by means of FEM simulations. Next, to find the optimal solution, the huge set of possible motor solutions is explored by means of computationally efficient optimization algorithms leading to an optimum solution while minimizing the computational burden. The set of analytical equations are solved to obtain the geometrical, electric and mechanical parameters of the optimized AFPMM and several design restrictions are applied to ensure fault tolerance capability, along with the recommended features that have been drawn from the fault analysis study. Finally, a dual outer rotor AFPMM with NN configuration for automotive applications is optimized by applying accurate analytical sizing equations and taking into account fault tolerant constraints. For optimization purpose, a multi-objective design strategy is applied, in which the optimization variables are the motor efficiency and power density and ten input geometric and electric parameters are considered, with their respective bounds and constraints. At last the model is verified by applying 3D-FEM simulations and the main performance characteristics are compared. / Debido a las nuevas políticas de conservación medio ambiental, los vehículos eléctricos toman una posición más importante en la sociedad actual. Los motores eléctricos constituyen el corazón de la cadena de tracción de un EV, por esta razón se debe encaminar la investigación hacia el diseño de motores de mayor eficiencia y fiabilidad. Este trabajo se enfoca en el análisis y diseño óptimo de un motor de flujo axial con tolerancia a fallos. Como base, se parte de la investigación de los procedimientos analíticos de diseño de motores eléctricos y del estudio de los efectos de los fallos eléctricos en el comportamiento de estos, de acuerdo a la configuración específica de cada máquina. Para desarrollar esta tesis se hará uso de herramientas analíticas y de métodos de simulación basados en métodos finitos (FEM). En primera parte se hace un estudio del estado del arte del diseño de motores eléctricos tolerantes a fallos, en el cual se identifican las posibles configuraciones a usar y las principales reglas de diseño de estos motores. Debido a que las consecuencias de un cortocircuito entre espiras pueden ser catastróficas para el motor de imanes permanentes, en el siguiente capítulo se analiza su efecto en dependencia de la configuración de los devanados del motor, además de su posible detección. La detección del cortocircuito se basa en el análisis del espectro de frecuencias de las corrientes del estator y la componente homopolar de voltaje (ZSVC). Para este estudio se seleccionan los 5 tipos de bobinados generalmente usados en motores eléctricos. Tomando en cuenta las tendencias de sistemas tolerantes a fallos de utilizar la redundancia de elementos, el estudio del cortocircuito se extiende al motor de 5 fases, para esto se desarrolla un modelo paramétrico del motor, el cual es utilizado para seleccionar los armónicos de frecuencias que permitan la detección del cortocircuito entre espiras en su fase más temprana. De la misma manera estos armónicos son analizados en modelos de simulación por elementos finitos, probando su potencial para el desarrollo de algoritmo de detección de fallos, característica deseable en los sistemas tolerantes a fallos. En última parte de este capítulo se estudia el efecto de la desmagnetización en el comportamiento de motores, en particular la influencia de la forma de los imanes cuando el motor funciona en régimen de fallo, como conclusión de este estudio se selecciona la forma de imán que mejor se comporta ante este tipo de fallos. Una vez analizado los posibles fallos eléctricos en el motor, el trabajo se centra en el diseño electromagnético óptimo de una máquina de flujo axial. El diseño optimo se apoya en el uso de ecuaciones analíticas del motor (AFPMM) y se valida por medio de simulaciones FEM. Para lograr el diseño óptimo de hace uso de algoritmo de optimización heurísticos, en particular los algoritmos genéticos. A estos algoritmos se les aplica las restricciones anteriormente encontradas en los estudios de fallos y en el estado de arte de motores tolerantes a fallos. Finalmente aplicando una serie de ecuaciones analíticas y teniendo en cuenta las restricciones de un diseño tolerante a fallos previamente seleccionadas se obtiene el diseño electromagnético óptimo de un motor de flujo axial tolerante a fallos. Para el proceso de optimización se utilizan algoritmos genéticos multi-objetivos en donde se busca maximizar la densidad de potencia y la eficiencia. Por último, el modelo del motor pentafásico de flujo axial es verificado por medio de simulaciones en elementos finitos.

Nontraditional manufacturing processes (NTM) appeared to answer the growing demands of market productivity. Needs of higher quality products in less time and new demands such as new exotic work materials, innovative geometric designs as well as much smaller dimensions justify laser processes insight. Laser machining is a NTM which presents several unique advantages in material processing that makes it suitable to solve these demands. However, laser machining is a complex process, because the type of laser, the combination of process parameters, the material and the configuration of the process among other variables, could affect the performance of the process. This thesis focuses on increasing knowledge about the laser milling, establishing relationships between the process parameters and the key process aspects (quality, dimensional accuracy and productivity) / Els processos de mecanitzat no tradicionals van aparèixer per donar resposta a la creixent demana del mercat productiu. A la necessitat de productes d’alta qualitat en el menor temps possible s’hi afegeixen noves demandes com nous materials exòtics, dissenys amb geometries innovadores així com dimensions molt petites. El mecanitzat làser és un procés no tradicional que presenta un seguit d’avantatges únics que el fan adequat per donar solució a aquestes demandes. Tot i això, el mecanitzat làser és un procés complex. El tipus de làser, la combinació dels paràmetres de procés, el material i la configuració, entre d’altres variables, poden afectar l’execució del procés. Aquesta tesi pretén ampliar el coneixement sobre el fresat làser, establint relacions entre els paràmetres de procés i els aspectes rellevants de procés (qualitat, precisió dimensional i productivitat)

Tesi per compendi de publicacions / Society is gradually becoming aware that the current energy industry, based on the use of fossil fuels, is inefficient, highly polluting and has a finite supply. Within the scientific community, there are indications that hydrogen (H2) as an energy vector, obtained from renewable energy sources, can represent a viable option to mitigate the problems associated with hydrocarbon combustion. In this context, the change from the current energy industry to a new structure with a significant involvement of H2 facilitates the introduction of fuel cells as elements of energy conversion. Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC) are gaining increased attention as viable energy conversion devices for a wide range of applications from automotive, stationary to portable. In order to optimize performance, these systems require active control and thus in-depth knowledge of the system dynamics which include fluid mechanics, thermal dynamics and reaction kinetics. One of the main issues, with respect to proper control of these systems, is the understanding of the water transport mechanisms through the membrane and the liquid water distribution. The thesis is based on the publication of nine international journal articles that are divided into 4 sub-topics: Dynamic fuel cell modeling, fuel cell system control-oriented analysis, identification of parameters and performance indicators and finally, fault and failure detection and system diagnosis. In the sub-topic of Dynamic Fuel cell modeling, experimentally validated Computational Fluid Dynamics (CFD) modeling is used to relate the effects of the physical phenomena associated with fluid mechanics and thermal dynamics, that occur inside the fuel cell [Alonso, 2009][Strahl, 2011], to water distribution. However, since these CFD models cannot be directly used for control, control-oriented models [Kunusch, 2008][Kunusch, 2011] have been developed in parallel. As well, another study is done in [Serra, 2006] which includes a controllability analysis of the system for future development and application of efficient controllers. The results of the above mentioned studies are limited because either they do not incorporate an electrochemical model or the model is not experimentally validated. Moreover, these models do not take into account the voltage losses due to liquid water inside the fuel cell. Therefore, there is a need to properly relate the relevant effects of fluid mechanics and thermal dynamics, including liquid water, to the fuel cell voltage. Primarily, methodologies are needed to determine the relevant indicators associated to the effect of water on the fuel cell performance. The works published in [Husar, 2008] and [Husar, 2011] treats experimental parameter identification, mainly focused on water transport through the membrane and fuel cell voltage loss indicators respectively. The implementation of the indicators indirect measurement methodology provides an experimental way for the isolation of three main types of voltage losses in the fuel cell: activation, mass transport and ohmic losses. Additionally since these voltage loss indicators relate the fuel cell operating conditions to the fuel cell voltage, they can be utilized to calibrate and validate CFD models as well as employed in novel control strategies. On the other hand, to develop reliable systems, the controller should not only take into account performance variables during standard operation but should also be able to detect failures and take the appropriate actions. A preliminary study on failure indicators is presented in [Husar 2007] and fault detection methodologies are described in [de Lira 2011]. As a whole, the compilation of articles represented in this thesis applies a comprehensive experimental approach which describes the implementation of novel methodologies and experimental procedures to characterize and model the PEMFC and their associated systems taking into consideration control oriented goals. / La societat s'està adonant que la indústria energètica actual, basada en l'ús de combustibles fòssils, és ineficient, molt contaminant i té un subministrament limitat. Dins de la comunitat científica, hi ha indicis que el hidrogen (H2) com vector energètic, obtingut a partir de fonts d'energia renovables, pot representar una opció viable per a mitigar els problemes associats amb la combustió d'hidrocarburs. En aquest context, el canvi de la indústria energètica actual a una nova estructura amb una important participació de el hidrogen exigeix la introducció de les piles de combustible com elements de conversió d'energia. Les piles de combustible de membrana polimèrica (PEMFC) estan tenint cada vegada més atenció com a dispositius viables de conversió d'energia per a una àmplia gamma d'aplicacions com automoció, estacionàries o portàtils. Amb la finalitat d'optimitzar el seu rendiment, les piles PEM requereixen un control actiu i per tant un coneixement profund de la dinàmica del sistema, que inclou la mecànica de fluids, la dinàmica tèrmica i la cinètica de les reaccions. Un dels temes principals relacionat amb el control adequat d'aquests sistemes és la comprensió dels mecanismes de transport d'aigua a través de la membrana i la distribució d'aigua líquida. Aquesta tesi es basa en nou articles publicats en revistes internacionals que es divideixen en 4 subtemes: la modelització dinàmica de piles de combustible, l'anàlisi orientada al control del sistema, la identificació de paràmetres i d’indicadors de funcionament i, finalment, la detecció de fallades i la diagnosi dels sistemes. En el sub-tema de la modelització dinàmica de piles PEM, la modelització basada en la Dinàmica de Fluids Computacional (CFD) amb validació experimental s'ha utilitzat per a relacionar els efectes dels fenòmens físics de la mecànica de fluids i de la dinàmica tèrmica que es produeixen dintre de la pila [Alonso, 2009] [ Strahl, 2011] amb la distribució d'aigua. No obstant això, com aquests models CFD no poden ser utilitzats directament per al control, s'han desenvolupat models orientats a control [Kunusch, 2008] [Kunusch, 2011] en paral·lel. A més, en un altre estudi [Serra, 2006] s'inclou una anàlisi de control·labilitat del sistema per al desenvolupament i aplicació futurs de controladors eficaços. Però els resultats dels estudis esmentats anteriorment són limitats, ja sigui perquè no incorporen un model electroquímic o bé perquè no han estat validats experimentalment. A més, cap dels models té en compte les pèrdues de tensió degudes a l'aigua líquida dins de la pila de combustible. Per tant, hi ha una necessitat de relacionar adequadament els efectes rellevants de la mecànica de fluids i de la dinàmica tèrmica, incloent l'aigua líquida, amb el voltatge de la pila de combustible. Principalment, són necessàries metodologies per a determinar els indicadors rellevants associats a aquest efecte de l'aigua sobre el rendiment de la pila de combustible. Els treballs publicats en [Husar, 2008] i [Husar, 2011] tracten la identificació experimental de paràmetres, centrada en el transport d'aigua a través de la membrana i els indicadors de pèrdua de tensió, respectivament. L'aplicació d'una proposta de metodologia de mesura indirecte dels indicadors permet l'aïllament dels tres tipus principals de pèrdues de voltatge en la pila de combustible: l'activació, el transport de massa i les pèrdues ohmiques. Aquests indicadors de pèrdua de tensió relacionen les condicions d'operació amb el voltatge de la pila de combustible i per tant poden ser utilitzats per a calibrar i validar models CFD, així com per a definir noves estratègies de control. D'altra banda, per a aconseguir sistemes fiables, el controlador no només ha de considerar els indicadors de funcionament de l'operació normal, sinó que també ha de detectar possibles fallades per a poder prendre les accions adequades en cas de fallada. Un estudi preliminar sobre indicadors de fallades es presenta en [Husar 2007] i una metodologia de detecció de fallades completa es descriu en [Lira de 2011]. En el seu conjunt, el compendi d'articles que formen aquesta tesi segueix un enfocament experimental i descriu la implementació de noves metodologies i procediments experimentals per a la caracterització i el modelatge de piles PEM i els sistemes associats amb objectius orientats al control eficient d'aquests sistemes. / La sociedad se ésta dando cuenta de que la industria energética actual, basada en el uso de combustibles fósiles, es ineficiente, muy contaminante y tiene un suministro limitado. Dentro de la comunidad científica, hay indicios de que el hidrógeno (H2) como vector energético, obtenido a partir de fuentes de energía renovables, puede representar una opción viable para mitigar los problemas asociados con la combustión de hidrocarburos. En este contexto, el cambio de la industria energética actual a una nueva estructura con una importante participación de H2 exige la introducción de pilas de combustible como elementos de conversión de energía. Las pilas de combustible de membrana polimérica (PEMFC) están ganando cada vez más atención como dispositivos viables de conversión de energía para una amplia gama de aplicaciones como automoción, estacionarias o portátiles. Con el fin de optimizar su rendimiento, las pilas PEM requieren un control activo y por lo tanto un conocimiento profundo de la dinámica del sistema, que incluye la mecánica de fluidos, la dinámica térmica y la cinética de las reacciones. Uno de los temas principales relacionado con el control adecuado de estos sistemas, es la comprensión de los mecanismos de transporte de agua a través de la membrana y la distribución de agua líquida. Esta tesis se basa en la publicación de nueve artículos en revistas internacionales que se dividen en 4 sub-temas: el modelado dinámico de pilas de combustible, el análisis orientado a control del sistema, la identificación de parámetros e indicadores de desempeño y, por último, la detección de fallos y la diagnosis. En el sub-tema de la modelización dinámica de pilas PEM, el modelado basado en Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) con validación experimental se ha utilizado para relacionar los efectos de los fenómenos físicos de la mecánica de fluidos y la dinámica térmica que se producen dentro de la pila [Alonso, 2009] [ Strahl, 2011] con la distribución de agua. Sin embargo, como estos modelos CFD no pueden ser utilizados directamente para el control, modelos orientados a control [Kunusch, 2008] [Kunusch, 2011] se han desarrollado en paralelo. Además, en otro estudio [Serra, 2006] se incluye un análisis de controlabilidad del sistema para el futuro desarrollo y aplicación de controladores eficaces. Pero los resultados de los estudios mencionados anteriormente son limitados, ya sea porque no incorporan un modelo electroquímico o bien porque no son validados experimentalmente. Además, ninguno de los modelos tiene en cuenta las pérdidas de tensión debidas al agua líquida dentro de la pila de combustible. Por lo tanto, hay una necesidad de relacionar adecuadamente los efectos relevantes de la mecánica de fluidos y la dinámica térmica, incluyendo el agua líquida, con la tensión de la pila de combustible. Principalmente, son necesarias metodologías para determinar los indicadores relevantes asociados al efecto del agua sobre el rendimiento de la pila de combustible. Los trabajos publicados en [Husar, 2008] y [Husar, 2011] tratan la identificación experimental de parámetros, centrada en el transporte de agua a través de la membrana y los indicadores de pérdida de tensió, respectivamente. La aplicación de una metodología propuesta de medición indirecta de los indicadores permite el aislamiento de los tres tipos principales de pérdidas de tensión en la pila de combustible: la activación, el transporte de masa y las pérdidas óhmicas. Éstos indicadores de pérdida de tensión relacionan las condiciones de operación con la tensión de la pila de combustible y por lo tanto pueden ser utilizados para calibrar y validar modelos CFD, así como para definir nuevas estrategias de control. Por otro lado, para conseguir sistemas fiables, el controlador no sólo debe considerar los indicadores de desempeño de la operación regular, sino que también debe detectar posibles fallos para poder tomar las acciones adecuadas en caso de fallo. Un estudio preliminar sobre indicadores de fallos se presenta en [Husar 2007] y una metodología de detección de fallos completa se describe en [Lira de 2011]. En su conjunto, el compendio de artículos que forman esta tesis sigue un enfoque experimental y describe la implementación de nuevas metodologías y procedimientos experimentales para la caracterización y el modelado de pilas PEM y los sistemas asociados con objetivos orientados al control eficiente de estos sistemas.

This thesis presents the dynamic study of conjugate cam mechanisms with rollers follower and translational movement, to design them with the aim of retard the surface fatigue failure in the rollers. The premature failure of the rollers appears in some mechanisms that belong to the industry Sàbat Lligats Metàl·lics S. L. For this purpose, a dynamic model of lumped parameters that considers the elasticity of the solids is developed for a conjugate cam mechanism with rollers follower and translational movement. An important issue of the dynamic model is the characterization of the higher pair ¿theoretical point contact or line contact¿ existing between a cam and a roller follower. In the case of theoretical point contact, the formulation of elliptical point contact is applied. To validate this formulation applied in the dynamic model, a test bed is constructed. By means of the test bed the theoretical contact ellipse is measured with the ink Blue Prussian in the higher pair between a cylinder ¿a cam locally can be approximated to a cylinder¿ and a crowned roller follower. The experimentally measured results show the same differences from theoretical values of other experimental methods of measurement. Values of common deformation and contact pressures for different typologies of rollers ¿crowned and cylindrical¿ are calculated analytically and it is concluded that crowned rollers are the most appropriated for conjugate cam mechanisms. Previous to the dynamic analysis of conjugate cam mechanism, a study is carried out to determine the influence of motion law¿s parameters and geometrical parameters of the mechanism in retarding the surface fatigue failure of a roller follower. For this reason, two new geometrical indices are added to the common indices ¿maximum pressure angle and minimum convex radius of curvature of the pitch curve¿ calculated during the validation phase of cam profile. The first new index relates the angles rotated by a cam and a roller. The second new index analyzes the incidence of the local geometry at the contact pressures. A catalogue of graphics, depending on the motion law¿s parameters and geometric parameters of the mechanism, are developed for these four geometrical indices. This study is valid for the synthesis of cam roller follower mechanism with form and force closure of the higher pair. The developed dynamic model for the conjugate cam mechanism with rollers follower and translational movement designed using a planned interference fit, is applied to define an objective design interference fit to achieve the appropriate dynamic behaviour in terms of contact forces, contact pressures, basic rating life of the rollers, lubrication conditions and analyze the surface fatigue failure of the rollers. Through various statistical analyses, it is concluded that using a planned interference fit and considering standard manufacturing and assembly errors, it is difficult to achieve conjugate cam mechanisms always with the appropriate dynamic behaviour. Therefore a setup process is required, which is effective but laborious. The study of the effect of the interference fit in the dynamic behaviour of the mechanism is complemented using interferences deduced from experimental measurements of manufacturing and assembly errors.Finally, the dynamic behaviour of a new design for the conjugate cam mechanism is analyzed. In this new design, the closure of the higher pairs is done combining form/force strategies to retard surface fatigue failure of the rollers. The analysis of this new design for the mechanism reveals that it is not necessary to use high stiff springs while enough preload force is provided. / La tesi que es presenta tracta l’estudi dinàmic dels mecanismes de lleves conjugades amb palpador de corrons i moviment de translació, per dissenyar-los amb la finalitat d’endarrerir la fallada per fatiga superficial dels corrons. La fallada prematura dels corrons s’ha detectat en alguns dels mecanismes utilitzats per l’empresa Sàbat Lligats Metàl·lics S. L. Per a un mecanisme de lleves conjugades amb palpador de corrons i moviment de translació, s’ha plantejat un model dinàmic de paràmetres concentrats que considera l’elasticitat dels sòlids. Un aspecte rellevant del model dinàmic és la caracterització que es fa del parell superior –contacte teòric puntual o lineal– entre una lleva i un palpador de corró. En el cas del contacte teòric puntual s’utilitza la formulació del contacte puntual el·líptic. Per validar la formulació utilitzada en el model dinàmic s’ha construït un banc d’assaig. Amb aquest s’ha mesurat l’el·lipse de contacte teòrica prevista mitjançant Blau de Prússia en l’enllaç entre un cilindre –ja que una lleva localment s’hi aproxima– i un palpador de corró bombat. Els resultats mesurats experimentalment presenten les mateixes diferències respecte dels valors teòrics que d’altres mètodes de mesura experimentals. S’han calculat analíticament valors de deformacions conjuntes i pressions de contacte per a diferents tipologies de corrons –bombats i cilíndrics– i es conclou que per a mecanismes de lleves conjugades, els corrons bombats són els més adients. Un estudi previ a l’anàlisi dinàmica del mecanisme de lleves conjugades ha consistit en determinar la influència dels paràmetres de la llei de desplaçament i dels paràmetres geomètrics del mecanisme a l’hora d’endarrerir la fallada per fatiga superficial en un palpador de corró. Per a això s’han definit dos índexs geomètrics nous que complementen als dos índexs habituals –angle de pressió màxim i el mínim radi de curvatura convex de la corba de pas– calculats durant l’etapa de comprovació del perfil d’una lleva. El primer nou índex relaciona l’angle girat per una lleva i l’angle girat per un corró. El segon nou índex analitza la incidència de la geometria local en les pressions de contacte. Per a aquests quatre índexs geomètrics s’ha desenvolupat un catàleg de gràfics. Aquest estudi és vàlid per a la síntesi de mecanismes de lleva i palpador de corró amb el tancament del parell superior tant per forma com per força. El model dinàmic plantejat per al mecanisme analitzat de lleves conjugades amb palpador de corrons i moviment de translació dissenyat planificant un ajust per interferència, s’ha utilitzat per definir un rang d’interferències objectiu de disseny per aconseguir el comportament dinàmic adequat en quant a forces de contacte, pressions de contacte, vida nominal dels corrons, condicions de lubricació i analitzar la fallada per fatiga superficial dels corrons. Mitjançant anàlisis estadístiques es conclou que, considerant valors estàndard de fabricació i muntatge, és difícil aconseguir mecanismes de lleves conjugades amb un ajust per interferència que sempre tinguin el comportament dinàmic adequat. Per tant es requereixen processos de posada a punt que són eficaços però laboriosos. L’estudi de l’efecte de la interferència en el comportament dinàmic del mecanisme es complementa utilitzant interferències deduïdes de mesures experimentals d’errors de fabricació i muntatge. Finalment s’ha analitzat el comportament dinàmic d’un nou disseny per al mecanisme de lleves conjugades. En aquest nou disseny s’utilitza el tancament dels parells superiors combinant les estratègies de forma/força per endarrerir la fallada per fatiga superficial dels corrons. L’anàlisi d’aquest nou disseny del mecanisme ha permès determinar que no és necessari utilitzar molles d’alta rigidesa sempre i quan s’asseguri suficient precàrrega.

Positive displacements pumps, as currently designed, produce significant flow pulsations that result in pressure pulsations. These pulsations contribute to the global noise generated by the installation. Moreover, they interact with the system where the pump is connected shortening the life of both the pump and circuit components. Rotary trochoidal gear pump, a type of rotary positive displacement machine, has characteristics that make it suitable for many applications fields. Nowadays, in cases like additivation and dosage, these applications have not been completely developed, and present a growing potential in the industrial world, such as in new diesel engines generation or in medical applications. The thesis presents a set of design tools applied to trochoidal gear pumps, from the viewpoint of the fluid dynamical performance of the pump. These design tools are aimed to help improving two of the main performance indices of the pump: the volumetric capacity and the flow irregularity, leading the designer to more efficient new designs of gerotor pumps. On the one hand, the volumetric capacity is related with the pump's efficiency, and increases in this particular index result in a higher efficiency of the pump. On the other hand, flow irregularity measures de flow ripple generated by the pump, and by reducing this index, the life of both the pump and the installation can be extended, as phenomena like fatigue are attenuated. This is achieved through the use of analytical, simulation and experimental procedures. From the analytical side, two new modules of GeroLAB Package are created, Minimum Clearance Module and Effective Port Areas. Also, a dynamical simulation through BondGraph is conducted, studying the influence of the port areas geometry. In the present thesis, the model has been improved by adding the information of the effective port areas, thus making it more realistic. Regarding the numerical simulation, a three-dimensional with deforming mesh Computational Fluid Dynamics model is presented. The model includes the effects of the manufacturing tolerance and the leakage inside the pump. Also, the influence of simulating the contact points is studied. A new boundary condition is created for the simulation of the solid contact in the interteeth radial clearance, established as a fluid-dynamic condition. The experimental study of the pump is carried out by means of Time-Resolved Particle Image Velocimetry. This technique is developed in order to adapt it to the gerotor pump, and measurements are captures in the outlet pipe and in the chambers between trochoidal profiles. Results are qualitatively evaluated thanks to the analytical and simulation tools. The presented experimental procedure meets the need of a methodology to directly measure the flow ripple generated by the pump, with a non-intrusive technique. It constitutes an alternative to the Secondary Source Method, and it is the first approach of Time-Resolved Particle Image Velocimetry applied to a trochoidal gear pump, according to the author's knowledge. / Las bombas de desplazamiento positivo, en su diseño actual, producen pulsaciones de caudal significantes que resultan en pulsaciones de presión. Estas pulsaciones contribuyen al ruido global generado por la instalación. Además, interactúan con el sistema al cual se encuentra conectada la bomba, reduciendo la vida útil tanto de la bomba como de los componentes del circuito. La bomba rotativa de engranajes trocoidales, un tipo de máquina rotativa de desplazamiento volumétrico, tiene características que hacen que sea adecuada en muchos campos de aplicación. Actualmente, en casos como la aditivación o la dosificación, estas aplicaciones no han sido completamente desarrolladas, y prestan un creciente potencial en el mundo industrial, como en nuevas generaciones de motores diesel o en aplicaciones médicas. La tesis presenta un conjunto de herramientas de diseño aplicadas a bombas de engranajes trocoidales, desde el punto de vista del comportamiento fluidodinámico de la bomba. Estas herramientas de diseño están orientadas a ayudar a la mejora de dos de los principales índices de la bomba: la capacidad volumétrica y la irregularidad en el caudal, dirigiendo al diseñador a nuevos diseños de bombas gerotor más eficientes. Por un lado, la capacidad volumétrica está relacionada con la eficiencia de la bomba, e incrementos en este índice resultan en una mayor eficiencia de la bomba. Por otro lado, la irregularidad en el caudal mide el las fluctuaciones en el caudal generado por la bomba, y reduciendo este índice, la vida útil de la bomba y de la instalación puede ser aumentada, ya que fenómenos como la fatiga se ven atenuados. Esto se consigue a través del uso de procedimientos analíticos, de simulación y experimentales. Desde el punto de vista analítico, se han creado dos nuevos módulos para el software GeroLAB Package, denominados Minimum Clearance Module y Effective Port Areas. También se ha llevado a cabo una simulación dinámica de BondGraph, estudiando la influencia de la geometría de las lumbreras. En esta tesis, el modelo se ha mejorado añadiendo la información de las secciones efectivas de las lumbreras, obteniendo así un modelo más realista. En relación con la simulación numérica, se presenta un modelo de dinámica de fluidos computacional (CFD) tridimensional y con malla deformable. El modelo incluye los efectos de las tolerancias de fabricación y las fugas en el interior de la bomba. Además, también se estudia la influencia de simular los puntos de contactos entre dientes. Se crea una nueva condición de contorno para la simulación del contacto sólido en las holguras radiales entre dientes, establecida como una condición fluidodinámica. El estudio experimental de la bomba se lleva a cabo mediante resolución en tiempo de Velocimetría de Imágenes de Partículas (TRPIV). Esta técnica se adapta a la bomba gerotor, y las medidas obtenidas son capturas en la tubería de salida y en las cámaras entre perfiles trocoidales. Los resultados se evalúan cualitativamente gracias a las herramientas analíticas y de simulación. El procedimiento experimental presentados responde a la necesidad de una metodología para medir de manera directa el caudal generado por la bomba, con una técnica no intrusiva. Constituye una alternativa al método de la fuente secundaria, y es la primera aproximación de TRPIV aplicado a una bomba de engranajes trocoidales, de acuerdo con el conocimiento de la autora

The aim of this thesis is the study of the dynamics induced by optical feedback in semiconductor lasers. This study aims, on the one hand, to improve our knowledge of stocahstic complex systems, and on the other hand, to use complex dynamics of semiconductor lasers to develop a protocol for subwavelength position sensing. The intensity of the light emitted by a semiconductor laser is stable, besides fluctuations due to spontaneous emission noise. When the light of the laser is reflected and part re-enters into the laser, the laser intensity can become unstable, displaying a broad range of dynamical behaviors. One of the dynamical regimes present in lasers with optical feedback is the low frequency fluctuations (LFF). This dynamics is characterized by sharp drops in the laser intensity (to almost switch the laser off), followed by gradual recoveries. The time intervals between two consecutive drops is irregular. The first part of this Thesis is focused on this dynamic regime, and a detailed experimental study has been performed to characterize it. A symbolic time series analysis has been used, based on the comparison of successive time intervals between dropouts. The dynamics of a semiconductor laser with feedback is governed by nonlinear light-matter interaction in the active medium of the laser, quantum noise due to spontaneous emission and time-delayed feedback. Therefore, the dropouts in the LFF regime can be noise-induced or triggered by deterministic processes. In this Thesis symbolic ordinal analysis has been used to statisticlly distinguish dropouts that can be noise-induced from those that have signatures of a deterministic origin. In this Thesis, the symbolic dynamics in the LFF regime has also been studied, and serial correlations have been found among several consecutive dropouts. It has been found a hierarchical and clustered structure of the symbolic dynamics. Moreover, a minimal iterative model has been found that, despite its simplicity, describes successfully the correlations found in the experiments. Because of the importance of external forcing in dynamical systems, the effect of current modulation on the symbolic dynamics of the LFFs has been studied. These experiments have allowed to characterize the effect of the modulation in the symbolic dynamics. The clusters of ordinal patterns formed without forcing remain under external periodic forcing. The minimal model has been verified, as it reproduces satisfactorily the symbolic dynamics of the experimental data. Also, in this Thesis a technique has been developed to detect displacements of two independent objects at subwavelength resolution (λ/160). With this purpose, a setup has been developed with a semiconductor laser with dual feedback. In addition to the high resolution, this protocol offers the advantage of sensing two objects by just measuring one variable. / El objetivo de esta tesis es el estudio de la dinámica inducida por realimentación óptica en láseres de semiconductor. Dicho estudio persigue, por un lado, profundizar en el conocimiento de aspectos generales de los sistemas complejos, y por otro lado, utilizar dicha dinámica para crear un protocolo para medir desplazamientos en dos dimensiones con una resolución mucho menor que la longitud de onda del láser utilizado. La intensidad de la luz emitida por un láser de semiconductor es estable salvo fluctuaciones debidas al ruido de emisión espontánea. Sin embargo, cuando la luz del láser se refleja en una superficie y parte de esta luz vuelve a entrar en el láser, la intensidad de la luz emitida se puede desestabilizar y mostrar una amplia gama de comportamientos dinámicos. Uno de los regímenes dinámicos presentes en láseres con realimentación óptica es el de fluctuaciones de baja frecuencia (LFF de sus siglas en inglés). Esta dinámica se caracteriza por caídas abruptas de la intensidad del láser (hasta casi apagarse), seguidas de recuperaciones graduales, siendo la separación temporal entre dos caídas consecutivas irregular. La primera parte de esta tesis está centrada en este régimen dinámico, habiéndose realizado un detallado estudio experimental para caracterizarlo. Se ha utilizado un análisis simbólico de series de datos basado en patrones ordinales, definidos mediante la comparación de tiempos consecutivos entre caídas. En la dinámica del láser de semiconductor con realimentación intervienen varios factores: la interacción no lineal entre luz y materia en el medio activo del láser, el ruido cuántico debido a la emisión espontánea y la señal retardada de la realimentación. Por ello las caídas en el régimen de LFFs pueden ser inducidas tanto por ruido como por procesos deterministas. En esta tesis, mediante el análisis simbólico se ha conseguido distinguir estadísticamente, qué caídas pueden ser inducidas por ruido y cuales presentan una estadística que muestra señales de determinismo. En esta tesis también se ha estudiado la dinámica simbólica del régimen de LFF y se han encontrado correlaciones entre varias caídas consecutivas. También se ha encontrado una estructura jerárquica en la dinámica simbólica que incluye emparejamientos de las probabilidades de los patrones simbólicos. Además se ha encontrado un modelo simple a tiempo discreto (mapa) que describe adecuadamente la dinámica simbólica del régimen de LFF. Debido a la importancia de forzamientos externos en sistemas dinámicos, se han realizado experimentos incorporando modulación en la corriente de inyección del láser. Estos experimentos han permitido caracterizar el efecto de la amplitud de la modulación en la dinámica simbólica, encontrando cambios claros en la estructura simbólica, inducidos por la modulación, pero que se conservan los emparejamientos observados sin modulación. El modelo simple ha sido verificado ya que reproduce satisfactoriamente la dinámica simbólica encontrada en los datos experimentales. Asimismo, en esta tesis se ha demostrado experimentalmente un protocolo que permite detectar desplazamientos de dos objetos independientes en una escala muy inferior a la longitud de onda de la luz empleada (Λ/160). Para ello se ha diseñado un experimento donde el láser está sometido a realimentación de dos espejos que se mueven de manera independiente. Además de la alta resolución, otra ventaja de este protocolo reside en que únicamente es preciso medir una variable para calcular los dos desplazamientos.

In recent years, it has been proposed that circular microresonators may become an important element in the core of many photonic devices. The high Q-factors seen in fused silica micro-spheres and micro-toroids for light coupled in the whispering gallery modes (WGMs) inside the micro-resonator led to many new developments in a diversity of fields. Indeed, WGM micro-resonators have found applications in laser oscillation, optical filtering, bio and chemical sensing, frequency stabilization, quantum electrodynamics experiments, nonlinear parametric conversion and in many other light-matter interaction processes where light recirculation is an essential ingredient. For second and third order nonlinear optical phenomena a high-Q micro circular cavity is an ideal framework to lower the light intensity or material density and still obtain a measurable interaction. This may become particularly useful when the nonlinear interaction is considered on the sphere surface because at an interface centro-symmetry is always broken. In this thesis, we approach the problem of obtaining SHG with the smallest amount of material possible. Our goal is to demonstrate that WGMs in micro-sphere resonators are an optimal option to consider such type of non-linear interaction. SHG from a small amount of material may found interesting applications in high sensitivity unmarked detection of low numbers of very small objects such as molecules, viruses or other types of nano-particles. The different experimental and theoretical developments we implemented to achieve such goal are reported in the four chapters of the current thesis. In chapter 1 we introduce basic concepts of spherical micro-resonators an their interest. Theoretical aspects of light propagation and nonlinear light generation in the whispering gallery modes in such micro-resonators are discussed in Chapter 2. A new method to obtain patterns of non-linear material is presented in Chapter 3. In Chapter 4, the developments presented in the previous chapters are combined to obtain second harmonic generation in the whispering gallery modes of microspheres. In this chapter we report the design and fabrication of a nonlinear spherical resonator to experimentally measure SHG from molecules deposited on its surface. Such nonlinear interaction is quasi-phase matched by implementing the periodical patterning reported in Chapter 3 on a molecular layer deposited on the surface of a micro-sphere. By coupling laser light pulses at the fundamental frequency into the whispering gallery modes of the high-Q spherical micro-resonators we demonstrate that a signal at the second harmonic (SH) frequency can be measured when less than 100 molecules contribute in the nonlinear interaction. Finally, applications of such type of generation in highly sensitive sensing are discussed. / En años recientes los microresonadores circulares han sido propuestos como un elemento central para formar parte de muchos dispositivos fotónicos. El alto factor de calidad observado en microesferas o microtoroides de sílice cuando la luz se propaga en modos "whispering gallery" (WG) ha dado lugar a un gran número de nuevos desarrollos en campos muy diversos. En efecto, los micro resonadores con modos WG han encontrado aplicación en la oscilación laser, en el filtrado óptico, en sensores bioquímicos, como estabilizadores de frecuencia, en experimentos de electrodinámica cuántica, en la conversión paramétrica no lineal y en muchas otros procesos donde la recirculación de luz es un ingrediente esencial para su interacción con la materia. En fenómenos ópticos no lineales de segundo y tercer orden, la micro cavidad circular con un alto factor de calidad constituye una estructura ideal para poder obtener una interacción medible incluso cuando se consideran pequeñas intensidades de luz o bajas densidades de materia. Esto puede resultar particularmente útil en la superficie de la microesfera ya que en la interface entre dos materiales se rompe la simetría de inversión incluso cuando los materiales son centro simétricos. En esta tesis abordamos la generación de segundo armónico con una cantidad mínima de material. Nuestra meta es demostrar que los modos WG en resonadores de microesfera son una opción óptima para poder considerar este tipo de interacción no lineal. La generación de segundo armónico con una cantidad muy pequeña de material puede encontrar aplicaciones interesantes en la detección de muy pocos objetos pequeños tales como moléculas, viruses o cualquier otro tipo de nanopartículas. Los diferentes desarrollos experimentales y teóricos que implementamos para alcanzar nuestro objetivo están explicados en los cuatro capítulos de esta tesis. En el Capítulo 1 introducimos conceptos básicos de microresonadores esféricos y su interés. Aspectos teóricos de la propagación y generación no lineal de luz de los modos WG en dichos resonadores se discuten en el Capítulo 2. Un método nuevo para generar patrones de material no lineal se presenta en el Capítulo 3. En el Capítulo 4, los desarrollos de los capítulos previos presentados se combinan para implementar la generación de segundo armónico en los modos WG de las microesferas. En este capítulo reportamos el diseño y la fabricación del resonador esférico no lineal para llegar a medir experimentalmente la generación de segundo armónico de las moléculas depositadas en su superficie. Dicha interacción no lineal se obtiene en la configuración "quasi-phase matched" implementando el mecanismo de escritura de patrones reportado en el Capitulo 3, sobre una capa molecular depositada en la superficie de la microesfera. Mediante el acoplamiento de pulsos de luz láser a la frecuencia fundamental en los modos WG de un microresonador esférico con un alto factor de calidad Q, demostramos que la señal a la frecuencia de segundo armónico puede ser medida, menos de 100 moléculas contribuyen a esta interacción no lineal. Finalmente, se discuten aplicaciones de ese tipo de generación para la detección altamente sensible.

Beta delayed neutron emission probability is one of the main properties of neutron rich nuclei away from the valley of beta stability. The knowledge of this parameter provides the opportunity to extend the information on: the structure of atomic nuclei and its dependence with the N/Z ratio; the rapid neutron capture nucleosynthesis process (r-process), and hence study the formation of nuclei in supernova explosions; new data for reactor technology applications, since is one of the key features for the safe operation of actual nuclear power plants. The objective of the thesis was to design and test a prototype of a 4p neutron detector for DESPEC experiments related with the measurement of beta delayed neutron emission probabilities. As the neutron emission probabilities are low and the neutron energies are not well known, it is necessary to design a detector with high neutron detection efficiency, and a low dependence with neutron energy for a wide neutron energy ranges. The prototype designed has a mean neutron detection efficiency of the order of 27.1 % and is flat for neutron energies ranging from thermal values to 6 MeV. The detector designed is composed by 20 3He proportional counters at 20 atm, inserted in a polyethylene matrix. The counters are distributed in 2 concentric rings, surrounding a beam hole located at the central axis of the matrix This Master Thesis is divided in three main steps: 1) the analysis of different detector configurations and properties; 2) the selection of the definitive configuration of detector prototype, including the electronics and data acquisition system (DAQ); 3) the test of prototype and calibration with neutron sources. The detector configuration analysis has been done by means of Monte Carlo simulations with the code MCNPX. These MC simulations were useful to find: the optimal pressure of 3He counters; the best number of counters, taking in account the cost and the maximum neutron detection efficiency achievable; the number of counters in each concentric ring, and the distance of rings to the center of polyethylene matrix; the optimal counter length; or the shielding thickness for background radiation reduction. All of these studies were basic to obtain the optimal neutron detector configuration. The design of the detector also involved the selection of the most suitable electronics and Data Acquisition System (DAQ), as is described in this Thesis. This activity was done with the collaboration of the "Instituto de Física Corpuscular (IFIC- Valencia)". This PhD. Thesis includes the description of different tests done to check MC simulations of the neutron detector and the DAQ system. The definitive experiment done to check the detector design was done at IGISOL facility (Jyväskylä University, Finland). This experiment allowed to obtain the detector efficiency, measuring the beta-delayed neutron emission of two well known nuclei: 95Rb and 88Br. The results showed a good agreement between experiment and simulations.

The planned International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF) has the mission to test and qualify materials for future fusion reactors. IFMIF will employ the deuteron-lithium stripping reaction to irradiate the test samples with a high-energy neutron flux. IFMIF will consist mainly of two linear deuteron accelerators, a liquid lithium loop and a test cell. Accelerated deuterons will collide with the lithium producing a high-energy neutron flux that will irradiate the material samples in the test cell. A timely and relevant fusion neutron source is essential in the path towards DEMO and future fusion power plants. For this reason, IFMIF is required to have high availability to obtain a fusion materials database to find suitable materials for DEMO design within the anticipated timeline. RAMI (Reliability Availability Maintainability Inspectability) analyses are being performed in the very early stages of design to meet such requirements. The IFMIF accelerator facility is composed of two independent linear accelerators, each of which produces a 40 MeV, 125 mA deuteron beam in a continuous wave mode at 175 MHz. These beam characteristics pose several unprecedented challenges: the highest beam intensity, the highest space charge, the highest beam power and the longest RFQ (Radio Frequency Quadrupole). As a result of these challenges, many design characteristics are counter to high-availability performance: the design is reluctant to accept failures, machine protection systems are likely to stop the beam undesirably, cryogenic components require long periods for maintenance, and activation of components complicates maintenance activities. These design difficulties, together with the high availability requirements and the demanding scheduled operational periods, make RAMI analysis an essential tool in the engineering design phase. These studies were performed in collaboration with system designers, enabling the creation of RAMI models that reflect current accelerator design. This feedback has been of the utmost importance to propose plausible design modifications in order to improve the availability performance of the machine. Parallel activity on the design and construction of the Linear IFMIF Prototype Accelerator (LIPAc) provided the detailed design information needed to conduct these studies properly. An iterative process was followed to match IFMIF design and availability studies. These iterations made it possible to include recommendations and design change proposals coming from the RAMI analyses into the accelerator reference design. Iterations consist of gathering information from the design, creating or updating the RAMI models, obtaining and analyzing results, and proposing ways to improve the design. Three different approaches were carried out in the iterative process. First, a comparison with other similar facilities was performed. Second, an individual fault tree analysis was developed for each system of the accelerator. Finally, a Monte Carlo simulation was performed for the whole accelerator facility considering synergies between systems. These approaches make it possible to go from detailed hardware availability analyses to global accelerator performance, to identify weak design points, and to propose design alternatives as well as foresee IFMIF performance, maintenance and operation characteristics. The IFMIF accelerator facility design was analyzed from the RAMI point of view, estimating its future availability and guiding the design towards a high reliability and availability performance. In order to achieve the high-availability requirements several design changes have already been included in the accelerator reference design whereas other important design modifications have been proposed and will be further analyzed in future design phases.

En esta tesis se presenta un modelo numérico para simular la fase de compactación de pulvimateriales y su implementación en ordenadores de cálculo paralelo, con el ánimo de facilitar y mejorar el diseño de los procesos de fabricación por compactación de polvos metálicos. El estudio se inicia llevando a cabo una breve descripción fenomenologica del proceso de compactación, se estudian las principales propiedades y métodos de producción del material en polvo y su efecto sobre las propiedades finales del compacto, se analizan cada una de las operaciones que intervienen en el proceso y se estudian las modificaciones de las propiedades físicas a medida que avanza la compactación. El estudio continua con una breve descripción del estado del arte de los modelos constitutivos empleados hasta ahora y las diferentes técnicas numéricas propuestas para la solución del sistema de ecuaciones asociado a la modelizacion.En el núcleo de la tesis se presenta la formulación matemática del modelo numérico. Se describen las variables básicas y su interpretación física, se formulan las ecuaciones básicas necesarias para la simulación numérica: ecuaciones cinemáticas, ecuación constitutiva, función de fluencia, reglas de flujo y disipación. Se formula el algoritmo de integración de la ecuación constitutiva y el cálculo del tensor constitutivo tangente. Adicionalmente, se describen los modelos numéricos de contacto y de fricción, que permiten simular los efectos que producen las paredes tanto del molde como de los punzones, sobre el material en polvo y en general sobre las propiedades mecánicas finales del compacto.El estudio del comportamiento del modelo numérico propuesto, se lleva a cabo mediante dos grupos de ejemplos.En el primer grupo se calibra y compara el modelo frente a una campaña de resultados experimentales. El segundo grupo, muestra la utilidad que tiene la herramienta numérica en el diseño de piezas complejas.