Electromagnetic actuators for mechanisms for space applications

Resumen

La investigación en esta disertación de tesis presenta el estudio de actuadores electromagnéticos para mecanismos para aplicaciones espaciales. En los últimos años, la industria espacial ha experimentado un cambio significativo llamado New Space. Históricamente, el desarrollo de los programas espaciales solía tardar varios años y las tecnologías empleadas estaban previamente validadas en espacio para garantizar el correcto funcionamiento. Sin embargo, este nuevo paradigma está más enfocado a programas más ajustados en tiempo y la fabricación en masa de las tecnologías espaciales, compensando así un potencial incremento del ratio de fallos. Esto abre la puerta a la introducción de tecnologías novedosas previamente no utilizadas en el espacio, siendo el mecanismo (compuesto principalmente por motor, sensor y reductora) uno de los sistemas con mayor potencial de innovación. Esto se explica con más detalle en la introducción, donde el sensor rotatorio y la reductora han sido identificados como los dispositivos con mayor potencial de innovación dentro del mecanismo. Además, se ha observado que las nuevas rutas de fabricación como la Fabricación Aditiva podrían resultar muy ventajosas para la fabricación de los diferentes elementos electromagnéticos del mecanismo. Teniendo esto en cuenta, se presentan algunas hipótesis y los objetivos para confirmarlas o refutarlas. Luego, se realiza una revisión de la literatura donde se estudian diferentes tecnologías punta, identificando sus principales prestaciones y oportunidades para futuras investigaciones. Se decide estudiar el resolver como sensor rotatorio, la Reductora Magnética como reductora y la Fusión Selectiva por Láser de materiales magnéticos blandos. Posteriormente, se lleva a cabo el desarrollo de las tecnologías mencionadas. Primero, se diseñan y comparan diferentes topologías de resolver. Se ha creado una topología de resolver novedosa, que demuestra tener una precisión absoluta alta, mejor que las observadas en la literatura. En segundo lugar, se estudia la Fabricación Aditiva de materiales magnéticos blandos. Se comparan las características magnéticas de diferentes composiciones de polvo, concluyendo que se requiere un tratamiento térmico para mejorar esas características. Por tanto, se optimiza el tratamiento térmico. Además, se realiza la optimización topológica de un Motor de Ángulo Limitado, reduciendo el peso del rotor en un 30\% y manteniendo las prestaciones originales. En tercer lugar, se propone una metodología de diseño de Reductoras Magnéticas para aplicaciones espaciales. Se diseñan y desarrollan un par de reductoras, mejorando los rendimientos obtenidos por topologías similares en literatura. Si bien los resultados cumplieron con los requisitos definidos, se concluyó que se existía la necesidad de una nueva topología para cumplir con las necesidades del New Space. En consecuencia, se ha desarrollado y optimizado una novedosa topología de Reductora Magnético, que ha sido prototipada, validando la viabilidad de este novedoso concepto. Adicionalmente, la Fabricación Aditiva ha demostrado ser una muy buena alternativa para fabricar piezas complejas como el modulador de la Reductora Magnética. Finalmente, se explican las conclusiones generales y aportaciones al conocimiento realizadas en esta tesis, finalizando con algunas recomendaciones para futuras investigaciones.