Prediction of noise and vibration of electromagnetic origin in electrical machines

Resumen

Las vibraciones originadas por la máquina de tracción de un ascensor influyen en el confort del viaje en el ascensor así como en la calidad de vida de los vecinos, dado que la vibración de la máquina puede transmitirse a través de las paredes del hueco del ascensor al interior de los apartamentos colindantes. En este informe se presentan los resultados del estudio de las vibraciones generadas por las fuerzas electromagnéticas en máquinas eléctricas. El diseño de la máquina considerando las características electromagnéticas influye en el comportamiento vibratorio y acústico. Por esto, son necesarias herramientas de predicción del comportamiento vibratorio y acústico de máquinas eléctricas para mejorar el diseño de éstas. Se obtienen datos experimentales para analizar el comportamiento real de la máquina y para validar las herramientas de cálculo propuestas. Para ello, se miden los modos y las frecuencias naturales así como la vibración y la potencia acústica en operación. Se analiza también la variabilidad del comportamiento real, debido al proceso de fabricación, tanto en el estator como en el ensamblaje del estator y el bobinado, midiendo las frecuencias naturales de estos sistemas. Se desarrollan modelos de elementos finitos para calcular la respuesta vibratoria y la potencia acústica de máquina eléctricas. Estos modelos son detallados y precisos, de modo que muchas características de la máquina pueden ser analizadas y los nuevos diseños pueden ser validados antes de fabricar el prototipo. Para desarrollar un modelo preciso varias dificultades de modelizado deben ser superadas. Por un lado, se aplican propiedades ortótropas al estator y al bobinado, y por otro lado, los rodamientos se modelizan mediante muelles. Se estiman los valores de las propiedades de material equivalentes y se estudia el error originado por su variabilidad. La influencia del mallado en las superficies donde se aplican las fuerzas es también analizada. En lo que se refiere a los modelos acústicos, se aplican las técnicas BEM y FEM y se ofrecen las reglas a seguir para desarrollar modelos precisos. Los modelos presentados son validados experimentalmente, así que se ofrecen los criterios a seguir para desarrollar modelos precisos. Se desarrolla un modelo analítico estructural mejorado para calcular la respuesta vibratoria de máquinas eléctricas. Dos cilindros, representando la corona del estator y los dientes y el bobinado respectivamente, son ensamblados como un modelo de parámetros concentrados. Por esto, se tiene en cuenta la masa y la rigidez del bobinado, lo que hace el modelo aplicable a diferentes tipos de máquinas. Además, se aplican propiedades ortótropas, por lo que la dirección axial es tratada con rigurosidad y el efecto de la largura es modelizado adecuadamente. El ágil modelo analítico desarrollado es valioso para realizar optimizaciones de los diseños, de manera que para unos requisitos en concreto se puede encontrar el mejor diseño posible. Asimismo, se puede analizar la influencia de las variables de diseño en el comportamiento de la máquina, y así, establecer reglas de diseño. De hecho, se analiza el efecto del número de polos y del número de ranuras en el comportamiento vibratorio. Las herramientas de cálculo propuestas ayudan a entender los problemas que pueden surgir en máquinas eléctricas. Por esto, se aplican excentricidades estáticas y dinámicas al modelo FEM de la máquina para analizar su efecto en las vibraciones generadas. Además, se proponen un cálculo analítico de la UMP y un modelo numérico reducido del rotor con los que deducir teóricamente los armónicos que pueden ser más sensibles a excentricidades, de acuerdo con el número de polos y de ranuras de la máquina. Se comprueban estos resultados mediante mediciones de la respuesta vibratoria en una máquina sometida a diversas excentricidades.