Durante varias décadas, el diseño y la fabricación de máquinas eléctricas se ha considerado un área tecnológicamente madura y, como resultado, la I+D en esta área ha estado extremadamente limitada, pese a que se trata de una tecnología crucial en la aplicación de la energía eléctrica. Las máquinas eléctricas se utilizan en más del 80% de los procesos de conversión de energía del planeta: en primer lugar, para crear energía eléctrica, que puede transmitirse fácilmente, y, en segundo lugar, para convertir esa energía en forma mecánica para aplicaciones que van desde lavavajillas hasta el transporte, y desde dispositivos médicos hasta aquellos utilizados en procesos industriales. Hoy en día, dos tecnologías están cambiando esto. La primera de ellas es el desarrollo de accionamientos electrónicos de potencia y la segunda, la introducción de la tecnología de fabricación aditiva. Esta última tecnología ha incorporado nuevas áreas para la innovación y la investigación, y es probable que muchos procesos convencionales queden obsoletos. Teniendo en cuenta el consumo total de electricidad de las máquinas eléctricas, la libertad de diseño que brinda esta novedosa tecnología de fabricación ofrece la oportunidad de construir máquinas aún más eficientes y orientadas a objetos, con un menor impacto medioambiental y un menor consumo de materias primas. Si esta tecnología puede desarrollarse hasta su madurez, tendrá un impacto positivo significativo en la deseada transición verde que se está llevando a cabo en todo el mundo. Para poder explicar esto se ha tomado como base el informe “Additive Manufacturing of Electrical Machines - Towards the Industrial Use of a Novel Technology” de la Universidad Tecnológica de Tallin.
La fabricación aditiva es una terminología que abarca a toda la fabricación que se realiza en capas y se representa a partir de un modelo digital. Ha emergido en los últimos años como una alternativa a las tecnologías de fabricación convencionales, ofreciendo posibilidades prácticamente ilimitadas para una amplia gama de aplicaciones industriales y de propósito especial, que implica la realización de formas geométricas complejas y el prototipado rápido. Con el potencial previsto que tiene por ofrecer, seguramente cambiará la dinámica de la industria de fabricación.
En el campo de las máquinas eléctricas, actualmente las aplicaciones se modifican/personalizan en gran medida de acuerdo con una cantidad bastante pequeña de diferentes máquinas genéricas. La personalización de estas máquinas según los requisitos de la aplicación se ve dificultada principalmente debido a las limitaciones y restricciones que presentan las tecnologías de fabricación convencionales. Sin embargo, a través de la madurez y el avance en el campo de la fabricación aditiva de máquinas eléctricas, la dinámica se invertirá hacia la personalización de las máquinas eléctricas según los requisitos de la aplicación. Esto abrirá una nueva era para las posibilidades de aplicación. Teniendo en cuenta la inmadurez de la fabricación aditiva de máquinas eléctricas, las posibilidades no se pueden aprovechar en todo su potencial, ya que no existen metodologías ni soluciones típicas que aprovechen las nuevas oportunidades en todos los aspectos, incluyendo la investigación sobre las propiedades de los materiales, el diseño, la construcción y todo el proceso de fabricación.
Propiedades de los materiales
Las principales propiedades de los materiales que afectan al rendimiento de la máquina eléctrica incluyen propiedades magnéticas, eléctricas, mecánicas y térmicas. Las limitaciones que imponen las tecnologías de fabricación convencionales en cuanto a composición de materiales y posibilidades de procesamiento dificultan alcanzar los límites máximos de estas propiedades. Al tomar en consideración la fabricación aditiva, esta ofrece un control prácticamente ilimitado sobre los siguientes aspectos: Composición del material, Anisotropía selectiva, Histéresis y pérdidas por corrientes parásitas, Conductividad eléctrica y térmica del material, Resistividad selectiva de capas, Estructura granular del material impreso, Topologías para mejorar la resistencia mecánica y la integridad estructural, Realización de geometrías complejas, Densidad del material.
Con la fabricación aditiva, se pueden lograr varias combinaciones cruciales y específicas de aplicaciones de propiedades de materiales que de otro modo serían imposibles. Por ejemplo, una variación exclusivamente en la composición de la mezcla de polvo puede resultar en una amplia variedad de propiedades y densidades magnéticas, con el beneficio adicional de reducir la dependencia de materiales magnéticos de tierras raras. La fabricación aditiva también elimina las limitaciones asociadas a los requisitos de procesamiento mecánico, ya que no implica pasos mecánicos para el dimensionamiento y la realización de formas específicas. Sin embargo, teniendo en cuenta el uso específico de las aleaciones metálicas y sus respectivos métodos de procesamiento, se echan en falta investigación y metodologías desarrolladas.
Con las tecnologías de fabricación convencionales, lograr una combinación específica de propiedades de materiales requiere varios procesos de fabricación únicos en un orden secuencial. Requiere recursos e instalaciones de fabricación separados para cada categoría de componente individual. Sin embargo, con la fabricación aditiva, al tener control sobre las propiedades del material, se pueden satisfacer las demandas de componentes funcionales diferentes o individuales dentro de una única instalación de fabricación.
El trabajo de I+D en este campo se realiza actualmente de forma segregada, con investigaciones sobre las propiedades mecánicas y térmicas a un nivel relativamente más avanzado que sobre las propiedades magnéticas y eléctricas. Según los autores, se necesita un enfoque más sistemático, ya que no existen soluciones específicas ni enfoques universales que aprovechen los beneficios de la fabricación aditiva de máquinas eléctricas. La mayor parte del trabajo debe realizarse en relación al mapeo y la estandarización aspectos como: la composiciones de materiales para procesos de fabricación aditiva, el rendimiento de la estructura del grano para diferentes tecnologías de fabricación aditiva, la densidad del material, el rendimiento de propiedades eléctricas, magnéticas y térmicas para diferentes composiciones de mezclas en polvo, los efectos y necesidad de postprocesamiento o el efecto de la optimización topológica sobre las propiedades de los materiales.
En conclusión, el desarrollo de novedosos materiales compuestos y anisotrópicos aplicables a la fabricación aditiva de máquinas eléctricas; métodos de tratamiento térmico de materiales de fabricación aditiva para ajustar las propiedades del material para su uso en máquinas eléctricas, y métodos novedosos que tienen en cuenta cómo aislar materiales entre sí, dan como resultado una base de datos completa para la fabricación aditiva de materiales con los parámetros de interés mencionados. Además, también es necesario desarrollar una metodología relativa a la optimización de las pérdidas relacionadas con las posibilidades de la estructura reticular.
Diseño y fabricación
El diseño y la fabricación de máquinas eléctricas es un área generalmente bien establecida, tanto en el aspecto técnico como en el relativo a los procesos. Sin embargo, con el auge de las máquinas eléctricas con aún más densidad de energía, el proceso de fabricación convencional hace frente a limitaciones significativas, lo que da como resultado sólo una pequeña variedad de soluciones tecnológicas para el diseño y la construcción.
Toomas Vaimann y Ants Kallaste describen en su informe los desafíos tecnológicos y de proceso en el diseño y la fabricación de máquinas eléctricas utilizando fabricación convencional y enumera las posibilidades a la hora de ofrecer soluciones a estos retos cuando se utiliza la fabricación aditiva como tecnología de fabricación.
Desafíos tecnológicos utilizando la fabricación convencional
Aunque décadas de investigación en el campo del diseño y la fabricación han hecho que las máquinas eléctricas sean muy eficientes, confiables, robustas y económicas, aún queda mucho trabajo por hacer en campos como:
- Reducción de pérdidas magnéticas.
- Reducción del efecto pelicular y de proximidad y borde.
- Estrés magnético local en forma de saturación magnética.
- Mitigación de pérdidas térmicas.
- Reducción del efecto térmico local para mejorar la confiabilidad.
- Reducción de la probabilidad de fallo de aislamiento.
- Suavizado de la distribución de la fuerza magnetomotriz del entrehierro.
- Reducción de las ondulaciones de velocidad y par.
- Mejora de la densidad de potencia de la máquina (relación par-peso).
- Optimización de los flujos de fuga para controlar el intervalo transitorio de la máquina.
- Aprovechamiento eficaz de la geometría de la máquina mediante el control de los factores de llenado.
- Explotación de los beneficios generados por distribuciones complejas de devanados de estator y rotor.
- Desviaciones complejas optimizadas en las distribuciones de devanados del estator y del rotor.
- Reducción de la fricción del entrehierro mediante aperturas optimizadas de las ranuras del estator y del rotor.
- Reducción de los efectos debidos a fenómenos de corte y soldadura en los enfoques convencionales.
- Explotación de estructuras y devanados complejos y asimétricos del estator y del rotor.
- Cumplimiento de las especificaciones estándares y del consumidor.
Hay varios ejemplos de los diferentes aspectos sobre las posibilidades de diseño de máquinas eléctricas en relación a la fabricación aditiva. Sin embargo, hay que destacar que la mayoría de los resultados individuales comunicados se han obtenido mediante ensayo y error, ya que la tecnología aún es relativamente inmadura y no está ampliamente disponible. Por lo tanto, existe una gran necesidad de desarrollar un procedimiento y una metodología típicos en diferentes aspectos para alcanzar los mejores resultados posibles.
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