TESIStesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/13897/1/PROPUESTA DE UN... · combina un alto flujo...

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA

MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”

PROPUESTA DE UN SISTEMA DE GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA EMPLEANDO IMANES

PERMANENTES

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO

ELECTRICISTA

P R E S E N T A N

CARRILLO URCID FILIBERTO

FLORES CASTILLO OSWALDO MIGUEL PEÑA RIVERA CARLOS EDUARDO

A S E S O R E S

M. en C. OBED ZARATE MEJÍA

M. en C. JUAN ABUGABER FRANCIS

MÉXICO. D.F., MARZO DE 2015

Propuesta de un sistema de generación de energía empleando imanes permanentes Página I

CONTENIDO DE TESIS PÁGINA

AGRADECIMIENTOS .............................................................................................. III

RELACIÓN DE FIGURAS ....................................................................................... IV

NOMENCLATURA .................................................................................................. VII

RESUMEN ............................................................................................................... VIII

INTRODUCCION ..................................................................................................... IX

CAPITULO 1. IMANES PERMANENTES Y MOTORES MAGNÉTICOS ................. 1

1.1 Clasificación y propiedades de los imanes permanentes. ................................. 2

1.2 Propiedades de los imanes de neodimio. ........................................................... 5

1.3 Aplicación de los imanes de neodimio. ............................................................... 8

1.4 Motores magnéticos. .......................................................................................... 9

1.4.1 Características y funcionamiento de los motores magnéticos. ........... 9

1.4.2 Aplicación de los motores magnéticos ................................................ 13

CAPITULO 2. CARACTERISTICAS DE LOS MOTORES DE C.C. Y DE LOS

GENERADORES DE C.A. ....................................................................................... 14

2.1 Motores de C.C. ................................................................................................. 15

2.1.1 Características y funcionamiento de los motores de C.C. ..................... 15

2.1.2 Aplicación de los motores de C.C. ........................................................ 22

2.2 Generadores de C.A. ......................................................................................... 24

2.2.1 Características y funcionamiento de los generadores de C.A. ............. 24

2.2.2 Aplicación de los generadores de C.A. ................................................. 27

CAPITULO 3. SISTEMA DE GENERACIÓN CON IMANES DE NEODIMIO. .......... 30

3.1 Sistema de generación para la carga propuesta de 5kW ................................... 31

3.1.1 Parámetros del generador eléctrico. ..................................................... 31

3.1.1.1 Parámetros del rotor ............................................................. 31

3.1.1.2 Parámetros del estator ........................................................... 32

Propuesta de un sistema de generación de energía empleando imanes permanentes Página II

3.1.2 Parámetros del motor magnético. ......................................................... 32

3.1.2.1 Selección de materiales ....................................................... 32

3.1.2.2 Parámetros del rotor .............................................................. 33


3.1.3 Acoplamiento del motor magnético y el generador eléctrico. ................ 37

3.2 Sistema de generación para la carga de 1kW ................................................... 38

3.2.1 Parámetros del generador eléctrico. ..................................................... 38



3.2.2 Parámetros del motor magnético. ......................................................... 39



CAPITULO 4. PRUEBAS AL PROTOTIPO Y ESTIMACIÓN DEL AHORRO

ECONÓMICO .......................................................................................................... 44

4.1.- Pruebas al prototipo ........................................................................................ 45

4.2.- Estimación del ahorro económico .................................................................... 57

4.2.1.- Ahorro en el consumo de energía utilizando el sistema de

generación con imanes permanentes ................................................. 57

4.2.2.- Recuperación de la inversión inicial .................................................... 61

CONCLUSIONES .................................................................................................... 62

BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................... 64

Propuesta de un sistema de generación de energía empleando imanes permanentes Página III

AGRADECIMIENTOS

A Dios Por darnos la capacidad de razonar y sentir felicidad, tristeza, dolor, miedo, coraje, hambre, amor y todas las sensaciones que me hacen ser humano.

A mis padres

Gracias por su invaluable cariño, cuidados y enseñanza que han hecho de mi un hombre de

provecho y capaz de expresar mis sentimientos. Han sido y siempre serán un gran ejemplo a

seguir, gracias por transmitir su honradez, moralidad, deseos de superación, lealtad y disciplina.

A mis abuelos

Por sus anécdotas, experiencias y gratos e innumerables recuerdos que han llenado de felicidad

mi vida.

A mis hermanos

Por ser mis compañeros de toda la vida, por su apoyo en momentos difíciles, por sus consejos,

por ser confidentes y consejeros.

A mis amigos

Alarcón Morales Salomón, Cuautle Pat Miguel Antonio, Domingo Platero Héctor, Flores Alcázar

Miguel Ángel, Jasso Rivera Luis Alberto, Morales García Edgar Adrián, Ramírez Reynoso Mario

Gerardo.

Por ser como son, por su confianza y por brindarme su amistad y ayuda incondicional, por

compartir la carrera cuatro años y medio, por brindar más que su amistad, por ser hermanos.

A mis asesores

M. en C. Obed Zarate Mejía y M. en C. Juan Abugaber Francis, por sus consejos y apoyo.

A todos los profesores y trabajadores de la ESIME

De alguna manera directa o indirectamente colaboraron con su trabajo para que lograra mis

objetivos

“El científico no busca un resultado inmediato. No espera que sus ideas avanzadas sean fácilmente

aceptadas. Su deber es sentar las bases para los que vendrán, señalar el camino”

Nikola Tesla

Propuesta de un sistema de generación de energía empleando imanes permanentes Página IV

RELACIÓN DE FIGURAS

Figura Título Página

1 Ejemplo de la curva de magnetización de un material ferromagnético 3

2 Imanes de neodimio en forma circular 6

3 Segundo cuadrante de las curvas de magnetización de algunos de los

imanes permanentes, donde se observa que la curva del neodimio 7

combina un alto flujo remanente y alta densidad de campo

magnético coercitivo

4 Ejemplo de un motor con imanes permanentes 9

5 Rotor del motor Perendev 10

6 Diagrama del primer estilo de operación del motor de John W. Ecklin 12

7 Diagrama del segundo estilo de operación del motor de John W. Ecklin 12

8 Corte frontal y lateral de un motor de corriente continua 17

9 Esquema de un motor de corriente continua 18

10 Rotor de un motor de corriente continua, donde se observan los

devanados del inducido así como el conmutador 18

11 Diagrama de conexión de un motor con excitación independiente 19

12 Diagrama de conexión de un motor serie 20

13 Diagrama de conexión de un motor en derivación 21

14 Diagrama de conexión de un motor compuesto 21

15 Aplicaciones de motores de corriente continua conexión serie.

a) trolebús, b) montacargas 23

16 Aplicaciones de motores de corriente continua conexión en derivación.

a) máquinas de impresión, b)máquinas para papel 23

17 Aplicación de motores de corriente continua conexión mixta,

como prensa 24

Propuesta de un sistema de generación de energía empleando imanes permanentes Página V


18 Generador básico de C.A. 25

19 Partes del generador 25

20 Dimensiones del imán de neodimio seleccionado 35

21 Distribución de los imanes en el rotor 36

22 Distribución de los imanes en el estator 36

23 Ensamblaje del motor magnético 37

24 Dimensiones del imán de neodimio 40

25 Distribución de los imanes en el rotor 41

26 Distribución de los imanes y rodamientos en el estator 42

27 Ensamblaje del motor magnético 42

28 Acoplamiento del motor magnético y el generador eléctrico 43

29 Prototipo para realizar pruebas de giro 45

30 Vista lateral del prototipo para realizar pruebas de giro, a) con dos

imanes, b) con cuatro imanes 46

31 Líneas de flujo magnético de un imán de neodimio 46

32 Diagrama de distribución de los imanes de neodimio para la

prueba no. 1 47

33 Diagrama que muestra el comportamiento de la fuerza de atracción

de los imanes de neodimio en la prueba no. 1 48

34 Diagrama que muestra el comportamiento de la fuerza de repulsión

de los imanes de neodimio en la prueba no. 1 48


prueba no. 2 49


prueba no. 3 50

Propuesta de un sistema de generación de energía empleando imanes permanentes Página VI



prueba no. 4 51


prueba no. 5 52


prueba no. 6 53


prueba no. 7 54


prueba no. 8 55


prueba no. 9 56

Propuesta de un sistema de generación de energía empleando imanes permanentes Página VII

NOMENCLATURA

Parámetro Símbolo Unidad

Densidad de flujo magnético B gauss (G)

tesla (T)

Intensidad de campo

magnético H oersted (Oe)

ampere por metro (A/m)

Temperatura de Curie T grado Farenheit (°F)

grado Celcius (°C)

Corriente I ampere (A)

Peso W newton (N)

Tensión V volt (V)

Número de conductores Z -

Número de ramas en paralelo a -

Número de polos P -

Par mecánico T newton-metro (Nm)

Tensión eficaz volt (V)

Frecuencia hertz (Hz)

Flujo polar weber (Wb)

Número de espiras por fase -

Potencia aparente S voltampere (VA)

Potencia activa P watt (W)

Potencia reactiva Q var (var)

Velocidad angular N revoluciones

por minuto

(r.p.m.)

Propuesta de un sistema de generación de energía empleando imanes permanentes Página VIII

RESUMEN

El presente trabajo de tesis consiste en la propuesta de un sistema de generación de

energía eléctrica, empleando un motor de imanes permanentes como fuente de

alimentación, para una carga de aproximadamente 5 kW. Se describen las propiedades,

clasificación y aplicación de los imanes permanentes profundizando en los imanes de

neodimio, los cuales fueron seleccionados debido a sus propiedades magnéticas.

La elaboración de este proyecto, surge de la necesidad por encontrar nuevas

alternativas de generación de energía eléctrica que no afecten al medio ambiente, así

como la solución en el ámbito de la distribución de la energía eléctrica en lugares donde

no cuentan con ella para contribuir con el desarrollo del país. Por ello se realizó una

comparación entre los sistemas con motores convencionales con los motores

magnéticos, y se explicó el principio de funcionamiento del motor magnético.

Asimismo se plantearon ecuaciones para el cálculo de los parámetros del motor

magnético, que permiten conocer la cantidad de imanes a emplear; también se plantean

los materiales a utilizar para la construcción del motor magnético. Finalmente se planteó

el costo total para la fabricación del prototipo y el tiempo necesario para la recuperación

de la inversión.

Propuesta de un sistema de generación de energía empleando imanes permanentes Página IX

INTRODUCCIÓN

En la actualidad la electricidad es necesaria para la mayoría de las actividades del ser

humano, pero la generación de ésta en algunos casos produce un impacto negativo

sobre el medio ambiente. Algunos ejemplos son las centrales termoeléctricas y

nucleares, las cuales producen gases de efecto invernadero. Por esa razón es

importante buscar otras fuentes de generación que no sean dañinas con el planeta.

Además de la generación, otro problema que existe es la transmisión y distribución de la

energía eléctrica, debido a que existen pérdidas de energía durante su transporte. Se

utilizan redes de distribución las cuales involucran una gran inversión, están propensas a

fallas y disponen de espacios que pueden ser aprovechados de otra forma. También

existen lugares de difícil acceso en donde no se puede distribuir la energía eléctrica. En

México hay 24 006 357 hogares de los cuales 588 864 no disponen de energía eléctrica.

Una forma de obtener corriente alterna sin necesidad de transmitirla es por medio de

plantas de emergencia las cuales funcionan con un motor de combustión interna. De

este motor se obtiene la energía necesaria para generar electricidad pero produce

emisiones de CO2.

A través de un motor magnético que utiliza imanes permanentes se puede proporcionar

el par necesario para mover el rotor de un alternador y generar electricidad sin

contaminación y sin ruido.

El origen de este tema es debido a un ciudadano ruso llamado Perendev el cual intentó

construir junto con Michael J. Brady un motor de imanes que se moviera de forma

permanente sin utilizar la energía eléctrica, simplemente con un conjunto de imanes

permanentes. Los imanes de neodimio han conseguido reemplazar a los tradicionales

imanes de alnico y ferrita debido a su mayor flujo magnético.

El sistema de generación con imanes permanentes será útil para las zonas del país que

no cuenten con líneas de distribución de Comisión Federal de Electricidad, debido a que

el sistema no requiere alimentar al motor con energía eléctrica ya que solo requiere del

flujo magnético de los imanes para accionarse.

El sistema de generación propuesto, está constituido por varios elementos los cuales

son: motor de imanes permanentes de neodimio, acoplado directamente a un alternador.

El motor de imanes permanentes será para una carga de 5 kW, esto podrá alimentar

algunos aparatos eléctricos de una casa, reduciendo los costos de consumo en donde

se incluirá también la fabricación de un prototipo de prueba, el cual se encuentra en

experimentación y medición de parámetros obtenidos.

Propuesta de un sistema de generación de energía empleando imanes permanentes Página X

Este proyecto planteado será escrito en cuatro capítulos, en donde se elaborara un

análisis de costos, lo que permitirá al diseñador obtener el tiempo de recuperación de la

inversión para este proyecto.

En el capítulo 1 se realizó una descripción de los imanes permanentes, su clasificación y

la aplicación que tienen actualmente en la industria. Además se mencionaron algunos

motores magnéticos describiendo su principio de funcionamiento.

Posteriormente en el capítulo 2 se introdujeron las características de las máquinas de

corriente continua con polos magnéticos de hierro, como el par mecánico, tensión

inducida, conexiones, ventajas y desventajas.

En el capítulo 3 se comenzó con el sistema propuesto de generación con imanes

permanentes de neodimio donde se utilizaron los modelos matemáticos de las máquinas

de corriente continua acoplándolos para el motor magnético y con ello verificar si se

podía satisfacer el comportamiento de la máquina con imanes permanentes.

En el capítulo 4 se realizaron las pruebas al prototipo que permitió realizar distintas

distribuciones de los imanes para poder encontrar una distribución que permitiera

obtener un giro lo más prolongado posible, además se realizaron los cálculos para

obtener el ahorro económico y ahorro energético que se presenta al utilizar el sistema

propuesto, y poder comprobar así si el proyecto es rentable para su construcción.

Por último se elaboraron las conclusiones donde se definieron los conocimientos y

resultados que se obtuvieron al elaborar este proyecto.

IIMMAANNEESS PPEERRMMAANNEENNTTEESS

YY

MMOOTTOORREESS MMAAGGNNÉÉTTIICCOOSS

CCAAPPÍÍTTUULLOO 11

Propuesta de un sistema de generación de energía empleando imanes permanentes Página 2

IMANES PERMANENTES Y MOTORES MAGNETICOS.

Un imán es el cuerpo capaz de producir un campo magnético propio, de forma tal

que atraiga al hierro, el cobalto y el níquel.

Los imanes se clasifican en naturales y artificiales. De los naturales la magnetita

es el más importante. Los artificiales pueden a su vez dividirse en permanentes y

temporales.

Los imanes naturales se refieren a los minerales naturales que tienen la propiedad

de atraer elementos como el hierro, el níquel, etc. La magnetita es un ejemplo,

compuesto por óxido ferroso férrico, cuya particularidad principal consiste en

atraer fragmentos de hierro natural.

Los imanes artificiales son aquellos cuerpos magnéticos que pueden adquirir

propiedades magnéticas, por ejemplo, al friccionarlos con magnetita o al estar

expuestos a algún campo magnético se transforman de manera artificial en

imanes. Estos imanes se clasifican en:

Imanes temporales.- se caracterizan por poseer una atracción magnética de

corta duración.

Imanes permanentes.- son aquellos imanes los cuales conservan la

propiedad magnética por un tiempo perdurable [8].

1.1 CLASIFICACIÓN Y PROPIEDADES DE LOS IMANES PERMANENTES.

Las características que presentan los imanes permanentes, así como otro tipo de

materiales con propiedades magnéticas son:

La densidad de flujo magnético representado por B, es el campo total dentro del material. La intensidad de magnetización representado por H es el campo magnético inductor originado, por ejemplo, debido a una corriente que circula por una bobina o por un conductor. La temperatura de Curie representada por TC es la temperatura a la cual se pierden las propiedades magnéticas de los metales o materiales.


Cuando se aplica un campo magnético a un material con propiedades magnéticas y después se retira ese campo, por ejemplo, a un material ferromagnético, permanece un flujo residual también conocido como magnetismo remanente representado por Br; para forzar este magnetismo remanente o flujo residual a ser cero se requiere aplicar una intensidad de campo magnético coercitivo representada por HC, con polaridad opuesta a la de la intensidad de magnetización. Estas características son fácilmente observables en la curva de magnetización de los materiales, también conocida como ciclo de histéresis. Para observar mejor esta característica, se tiene la figura no.1, en la que se muestra un ejemplo de la curva de magnetización de un material ferromagnético en donde se explica brevemente las características de ésta curva [5].

Figura 1. Ejemplo de la curva de magnetización de un material ferromagnético [5].

Zona 0-1: en el punto 0 no hay ni H ni B, porque nunca se ha magnetizado. Conforme aumentamos H, B aumenta linealmente hasta llegar al punto 1. Zona 1-2: a partir de 1, B no es lineal con H (codo de saturación), y los incrementos de H no producen el incremento equivalente de B. Al llegar al punto 2, B no aumenta más aunque lo haga H, y se dice que el material está totalmente saturado. Zona 2-3: al disminuir H los valores de B son mayores que en la zona 1-2, donde se realizó la primera magnetización. Al anular H (H=0), el campo magnético no se anula (punto 3). A este valor se le llama “magnetismo remanente (Br)”. Es decir,

HC

Br

H (A*e/m)

B (T)

1a curva de

Magnetización 0-2


aunque anulemos la excitación magnética (H), el campo magnético no se anula y el núcleo de hierro queda imantado con magnetismo remanente. Zona 3-4: invertimos la excitación (H<0), pero hasta que no se llegue al punto 4, B no se anula. A esta excitación magnética negativa se la llama excitación coercitiva (HC). A partir de este punto 4, ocurre lo mismo pero en sentido contrario (puntos 2’, 3’ y 4’). A partir de 4’, la zona 1-2 de primera magnetización, no se repite.

Para los imanes permanentes, la parte importante de la curva de histéresis es la

situada en el segundo cuadrante pues su flujo remanente y el campo magnético

coercitivo deben ser tan grandes como sea posible para que su campo magnético

tenga mayor densidad y se prolongue por un periodo largo.

Los imanes permanentes se clasifican en:

Imanes cerámicos o ferritas

Imanes de alnico

Imanes de tierras raras

Los imanes cerámicos o ferritas tienen un aspecto liso y color grisáceo. Suelen ser

de los más utilizados debido a su maleabilidad. Aunque, por otro lado, al ser

frágiles, corren el riesgo de romperse con facilidad. Están fabricados de ferrita, de

bario (BaFe12O19) o de estroncio (SrFe12O19).

Los valores de flujo remanente de los imanes de ferrita son unas 2 o 3 veces menores que los imanes de neodimio, samario – cobalto y álnico. Los imanes de ferrita poseen una intensidad de campo magnético coercitivo de gran magnitud, lo que posibilita utilizarlos en presencia de grandes campos magnéticos. Además, pueden encontrarse a temperaturas altas sin perder sus propiedades magnéticas, contrario a las temperaturas bajas con las que pierde rápidamente su propiedad coercitiva.

Las aplicaciones básicas de los imanes de ferrita son: motores, generadores, electrónica (p.ej. altavoces, micrófonos, alarmas), juguetes mecánicos y cerraduras magnéticas (muebles), separadores, elevadores y mucho más, en particular donde lo permite el espacio constructivo accesible y no se requiere miniaturización ni alta estabilidad térmica.

A los imanes de alnico se les llama de esta forma debido los elementos que lo componen, el aluminio, níquel y cobalto. El imán alnico se caracteriza por su más


alta estabilidad térmica de todos los imanes permanentes, así como por su elevada temperatura de Curie. Presenta también la más alta resistencia a la corrosión. Su flujo remanente es parecido al de los imanes de samario – cobalto. Sin embargo, su baja coercitividad imposibilita utilizar los imanes alnico en presencia de grandes campos magnéticos, lo que limita su uso.

El imán alnico se utiliza principalmente en: aparatos de medición, aparatos de control, muchos tipos de transductores y sensores, motores y generadores, y muchos otros aparatos que requieren estabilidad magnética frente a la temperatura, y el espacio constructivo suficientemente grande para poder contener el imán.

Los imanes de tierras raras clasifican en dos categorías de acuerdo al material químico del que se componen, ellos son los de samario – cobalto y los de neodimio.

Entre las ventajas del imán de samario-cobalto destacan la alta estabilidad térmica (parecida a la de los imanes de alnico), a la cual le acompañan los valores altos de magnetización, coercitividad y remanencia. Estos imanes presentan una alta resistencia a la corrosión, y gracias a propiedad coercitiva muy grande pueden utilizarse en presencia de grandes campos magnéticos.

Los imanes de samario-cobalto son utilizados en motores pequeños y generadores, aparatos de medición y control, varios tipos de transductores y sensores, y muchos otros aparatos que requieren estabilidad magnética frente a los cambios de temperatura (-60 °C a 250 °C). La aplicación de estos imanes posibilita la miniaturización de los aparatos, que en la actualidad se fabrican con imanes de ferrita y de alnico [7].

1.2 PROPIEDADES DE LOS IMANES DE NEODIMIO.

Un imán de neodimio (también conocido como imán NdFeB, NIB, o Neo) es el tipo

de imán de tierras raras más utilizado, es el resultado de una aleación de

neodimio, hierro y boro, combinados para formar un compuesto con la fórmula

empírica Nd2Fe14B. Fue desarrollado en 1982 por la General Motors y la división

de metales especiales de la Sumitomo Metal Industries. Los imanes de neodimio

son los imanes permanentes fabricados con mayor fuerza magnética. Han

reemplazado a los demás tipos de imanes permanentes en varias aplicaciones de

la industria moderna como la fabricación de motores en herramientas

inalámbricas, discos duros, y sellos magnéticos. Los imanes de neodimio se


fabrican en forma de barras, circulares, entre otras. En la figura no.2 se muestra la

imagen de imanes de neodimio de forma circular.

Figura 2. Imanes de neodimio forma circular

A continuación se presenta la tabla no.1, donde se comparan los valores de temperatura de Curie y temperatura máxima de operación entre los imanes permanentes, en la que se puede observar que los imanes permanentes de neodimio presentan una desventaja respecto a los demás.

Tabla 1. Comparación de temperaturas entre los imanes permanentes [16].

Imán permanente Temperatura de Curie (TC)

Temperatura máxima de operación (Tmáx)

Neodimio-Hierro-Boro

310 °C (590 °F) 150 °C (302 °F)

Samario-Cobalto 750 °C (1382 °F)

300 °C (572 °F)

Alnico 860 °C (1580 °F)

540 °C (1004 °F)

Cerámico 460 °C (860 °F)

300 °C (572 °F)

Los imanes de neodimio poseen la mayor capacidad remanente, una elevada coercitividad, tal como lo muestra la figura no.3 pero presentan una baja resistencia a la corrosión así como temperatura de Curie mucho más baja que

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=imanes+de+neodimio&source=images&cd=&cad=rja&docid=MbnNLIMPMoBMGM&tbnid=oQMEc_87RRMeWM:&ved=0CAUQjRw&url=http://articulo.mercadolibre.com.mx/MLM-421223936-imanes-de-neodimio-de-10mm-x-5mm-12000-gauss-4-piezas-_JM&ei=j7qeUaeGA4XO8wTGl4D4AQ&bvm=bv.47008514,d.dmQ&psig=AFQjCNFwyOVXlzlWIVdEFw56peg4uIZxzQ&ust=1369443328690260


otros tipos de imanes. Para preservar las propiedades magnéticas de estos imanes a altas temperaturas usualmente se suele alear al neodimio con terbio y disprosio.

Figura 3. Segundo cuadrante de las curvas de magnetización de algunos de los imanes permanentes, donde se observa que la curva del neodimio combina un alto flujo remanente y alta

intensidad de campo magnético coercitivo [1].

Para la identificación de polos de estos imanes hay tres diferentes maneras.

La manera más sencilla es usar otro imán de neodimio que ya está marcado. En virtud de las propiedades magnéticas, el Polo Norte del imán marcado atraerá el Polo Norte del imán de neodimio sin marcar y rechazará el Polo Sur.

Otra manera es coger una brújula y acércala al imán de neodimio que se desea marcar. El Polo Norte de la brújula se sentirá atraído por el polo sur del imán de neodimio y repelido por el Polo Norte.

Por último, se puede coger un imán y colgarlo de una cadena para que sea de giro

libre. El Polo Norte del imán será el que apunta hacia el norte.

Así como presenta ventajas, su manejo inadecuado presenta riesgos para los

usuarios, pues si llegasen a chocar unos con otros con fuerza suficiente podrían

ocasionar que se rompan y provocar una gran caída de astillas volando a gran

velocidad que pueden causar serias lesiones. Los fuertes campos magnéticos

H, kA/m

B, T


puede ser peligrosos para dispositivos mecánicos o electrónicos, como así

también pueden provocar la pérdida de datos en dispositivos de almacenamiento

magnéticos como las tarjetas de crédito, y magnetizar relojes y otros mecanismos

de relojería, etc. Si accidentalmente una persona queda atrapada entre dos

imanes, o entre un imán y una superficie metálica, la reacción natural de tratar de

liberar el miembro o la parte corporal atrapada puede provocar alguna fractura, por

tanto lo que se debe buscar al utilizar éstos imanes es trabajar con cuñas que

pueden ser de cobre que permitan la separación de los imanes sin causar daño

alguno a la persona.

1.3 APLICACIÓN DE LOS IMANES DE NEODIMIO.

Los imanes de neodimio han reemplazado a los tradicionales imanes de alnico y

ferrita en muchas de las miles de aplicaciones que tienen en la tecnología

moderna, allí donde se requiera poderosos imanes permanentes para una

determinada aplicación. Esto es debido a que su gran fuerza magnética permite el

uso de piezas mucho más pequeñas y livianas [6].

Algunos ejemplos son:

Actuadores para las cabezas de lectura de discos duros

Producción de imágenes por resonancia magnética nuclear (MRI)

Pastillas para guitarras eléctricas.

Altavoces y auriculares

Herramientas inalámbricas

Servomotores

Motores para automóviles tanto híbridos como eléctricos, por ejemplo, el

motor eléctrico del vehículo Toyota Prius requiere de 1 kilogramo de

neodimio para su fabricación.

Generadores eléctricos para turbinas de viento para los cuales se llega a

necesitar 600 kg de materia prima por MW.

La demanda para el neodimio en vehículos eléctricos se estima que es 5

veces mayor que en turbinas de viento.

Motores eléctricos síncronos y motores paso a paso [14].


Las máquinas rotativas de imanes permanentes, como las de imanes de neodimio,

permiten prescindir de bobinas polares, escobillas, excitatriz y equipos reguladores

de tensión, tal como se muestra en la figura no.4. Éste tipo de máquinas eliminan

las pérdidas producidas por la excitación del rotor, aumentando la eficiencia y

optimizando el rendimiento, incluso a regímenes bajos de carga, además de

reducir los requisitos de refrigeración.

Figura 4. Ejemplo de un motor con imanes permanentes [15].

1.4 MOTORES MAGNETICOS.

1.4.1 CARACTERISTICAS Y FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES

MAGNETICOS.

MOTOR MAGNETICO PERENDEV.

El experimento de Perendev se basa en la inestabilidad y el bajo grado de libertad

del sistema magnético. Los imanes se ponen a lo largo del perímetro de la rueda,

todos ellos con la misma polaridad. Los magnetos serán dispuestos con un

ángulo de 40º (según Perendev, este ángulo puede varias de 20 a 40º) en relación

al radio de la rueda y con un espacio angular entre imanes que no supere los 20º

(en este caso se trata de 18 imanes equidistantes a lo largo del perímetro de la

rueda).

http://www.tecnoficio.com/electricidad/velocidad_de_motores_electricos3.php


El rotor es de PVC; material poco pesado, muy resistente y no magnético, con lo

cual, no se deformarán las líneas de campo. Este lo forman 3 piezas idénticas en

posiciones que harán que el sistema no permanezca en equilibrio, para que la

fuerza resultante del sistema consiga hacer girar la rueda, tal como se muestra en

la figura no.5.

Con esto se demuestra que se puede convertir la energía interna de un sistema

magnético en energía mecánica de rotación. En cada rotor son incrustados imanes

de neodimio, colocados según la posición detallada anteriormente.

Figura 5. Rotor del motor Perendev [10].

Las tres piezas del estator quedan distribuidas con una separación de 120º entre

ellas sobre el centro de la circunferencia.

La rueda fue construida teniendo en cuenta que la distancia de la rueda a las

piezas externas fuese la menor posible, esta distancia será entorno a 1mm y la

distancia entre los imanes será aproximadamente de 6mm.

Un comentario realizado por Mijhail el 28 Noviembre 2008 dice:

El motor Perendev sigue siendo un misterio, a pesar de que hace unos dos años

que tenía que estar en el mercado no da salido.

Parece ser que Michael J. Brady su inventor puede estar siendo presionado para

no sacarlo, según comentarios de algún foro de energía. O también puede

suceder, que está esperando el momento oportuno [10].

MOTOR MAGNETICO JOHNSON.

El motor de Howard Johnson se considera que es tal vez el invento más innovador

en tecnología de Motores Magnéticos. Gracias a la obra de Johnson, muchos

otros han seguido sus pasos en la medida en que ahora es posible utilizar un

dispositivo similar para generar su propia electricidad en el hogar.


Como todos los motores magnéticos, el motor Johnson utiliza una serie de

colocados estratégicamente imanes alrededor de un rotor. Lo que hace que el

motor Johnson único es que se utiliza dos juegos de imanes.

El primer conjunto de imanes, conocidos como imanes del estator, se fijan en el

interior de una carcasa con forma de cilindro / cilindro. Un tambor giratorio se

coloca dentro de la caja y esto es efectivamente el rotor. Se adjunta a este tambor

giratorio son otro conjunto de imanes llamados imanes de la armadura [10].

MOTOR/GENERADOR DE IMÁN PERMANENTE DE SHENHE WANG

ShenHe Wang ha diseñado y construido un generador eléctrico de cinco kilovatios

de capacidad. Este generador es alimentado por imanes permanentes y no utiliza

combustible para funcionar. Usa partículas magnéticas suspendidas en un líquido

[10].

MOTOR/GENERADOR DE IMÁN DE ECKLIN Y BROWN.

En el generador de Ecklin-Brown el eje de rotación no mueve bobinas que pasan

frente a imanes, sino que mueve una pantalla magnética que, alternativamente,

bloquea y restaura el flujo del campo magnético a través de unas bobinas

generadoras de corriente. La figura no.6 muestra el esquema del generador de

Ecklin-Brown. Un material disponible comercialmente llamado "mu-metal", es

particularmente bueno como material de blindaje magnético y el motor Ecklin-

Brown utiliza una pieza de este material.


Figura 6. Diagrama del primer estilo de operación del motor de John W. Ecklin [10].

El motor en el punto "A" hace girar el eje y las tiras de blindaje en el punto "B".

Estas tiras rectangulares de mu-metal, crean un camino muy conductivo para las

líneas de fuerza magnética cuando están alineadas con los extremos de los

imanes, así que efectivamente anulan en ese momento el efecto de frenado de

los imanes en el área del punto 'C'. En el punto "C", una barra metálica,

suspendida entre cuatro resortes es movida hacia la izquierda cuando el imán de

la derecha está blindado y el imán de la izquierda no está blindado. Cuando el eje

motor gira un poco más, la barra metálica es movida hacia la derecha cuando el

imán de la izquierda está blindado y el imán de la derecha no lo está. Esta

oscilación se hace pasar por un acoplamiento mecánico al punto "D" donde es

utilizado para hacer girar un eje que mueve un generador.

Figura 7. Diagrama del segundo estilo de operación del motor de John W. Ecklin [10].


En la figura no.7 muestra el diagrama del segundo estilo de operación del motor

de John W. Ecklin, el cual, comparte la misma idea del blindaje que el estilo

anterior, pues se utiliza para producir un movimiento que se convierte luego en

dos movimientos de rotación para mover dos generadores. El par de imanes 'A'

se colocan en una cápsula y son presionados uno contra el otro por dos resortes.

Cuando el blindaje magnético 'B' se interpone entre los imanes, los resortes

quedan totalmente extendidos. Cuando un pequeño motor eléctrico mueve el

escudo magnético y este deja de interponerse entre los dos imanes, estos se

repelen fuertemente debido al enfrentamiento de dos polos iguales. Esto

comprime los resortes y a través de las barras conectoras 'C', se mueven los ejes

de dos generadores, que producen potencia eléctrica de salida [10].

MOTOR MAGNETICO ZAPATA.

El inventor José Alberto Zapata ha desarrollado un motor magnético después de

muchos años de investigación. Con este motor es capaz de generar 12V ya que

utiliza un alternador pequeño debido a que es experimental. José Zapata está

trabajando en la realización de un motor más grande, con tres filas de imanes y 25

HP de potencia.

El ingeniero Zapata vive de reparar maquinaria y gasta en sus motores. En los

casi 15 años desde que dijo públicamente lo de su motor, no ha tenido más que

problemas [10].

1.4.2 APLICACIÓN DE LOS MOTORES MAGNETICOS.

La investigación del motor magnético puede resultar de muchas aplicaciones, por

ejemplo, el motor magnético puede generar calor, y calentar una vivienda. O se le

puede añadir un embrague, y poder usarlo en una Moto-Magnética, o en un

Coche, incluso una lavadora que gire por imanes sin necesidad de gastar tanta

electricidad en su giro [11].

También el desarrollo de un Motor Magnético puede traer nuevas investigaciones

científicas, llega a unas revoluciones increíbles comparadas con los motores

actuales, y se podría empezar a descubrir una nueva ciencia, como es la

levitación, nuevos motores espaciales que no consuman combustible.

CCAARRAACCTTEERRÍÍSSTTIICCAASS DDEE

LLOOSS

MMOOTTOORREESS DDEE CC..CC..

YY LLOOSS GGEENNEERRAADDOORREESS DDEE

CC.. AA..



2.1 MOTORES DE C.C.

2.1.1 CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES DE C.C.

Los motores de corriente continua se fabrican en dos partes fundamentales:

Estator (inductor)

Rotor o armadura (inducido)

EL ESTATOR.

El estator constituye la parte fija de la máquina. Su función es suministrar el flujo magnético que será usado por el devanado del rotor para realizar su movimiento giratorio. Está formado por [4]:

Carcasa o armazón.- Se fabrican de hierro de manera que sea usado para completar el circuito magnético creado por los polos. Se fabrican tres tipos:

Tipo abierto.- tiene los extremos de las tapas abiertos, de manera que el aire pueda circular libremente a través de la máquina.

Tipo semicerrada.- tiene pequeños agujeros en las tapas para permitir la circulación del aire, pero previene la entrada de objetos extraños a la máquina.

Tipo cerrada.- tiene las tapas cerradas completamente. Se usa en ciertas áreas, como son aquellas clasificadas como peligrosas: las que tienen materiales flamables, humos, etc. Algunos motores son a prueba de agua, lo cual les permite operar bajo la acción de la misma.

Polos de campo.- Están construidos de hierro, ya sea sólido o laminado formado por paquetes de láminas delgadas llamadas laminaciones. Los polos de hierro soportan a los devanados de campo y completan el circuito magnético entre la carcasa y la armadura pues proporcionan un campo magnético uniforme al devanado del rotor o armadura para producir el movimiento. [3]

Tienen dos partes principales, la parte rectangular que es el cuerpo polar donde se alojan los devanados de excitación y la parte ensanchada llamada zapata polar donde se alojan los devanados compensadores.

Los interpolos y los devanados compensadores sirven para corregir el efecto de reacción de armadura, que se presenta cuando la máquina funciona con carga.


Devanados de excitación.- son los encargados de crear el flujo magnético de la máquina. Se tienen dos opciones [4]:

Devanado derivado.- se fabrica de un conductor delgado y muchas espiras por lo que la resistencia es alta y su posición con respecto a la armadura es en paralelo.

Devanado serie.- su fabricación es de conductor grueso y pocas espiras, por lo que su resistencia es baja y su posición con respecto a la armadura es en serie, junto con los interpolos y devanados compensadores

Escobillas.- Las escobillas están fabricadas se carbón grafitado con diferentes niveles de dureza, que pueden ser suaves para corrientes altas o duras para corrientes bajas y se utilizan para recolectar la fuerza electromotriz. Las escobillas se pueden clasificar según su posición con el conmutador, ya sean radiales, tangenciales o frontales. Se encuentran albergadas en los portaescobillas. Ambos, escobillas y portaescobillas, se encuentran en las tapas del estator.

La función del portaescobillas es mantener a las escobillas en su posición de contacto firme con los segmentos del colector. Esta función la realiza por medio de resortes, los cuales hacen una presión moderada sobre las escobillas contra el colector.

Rodamientos o chumaceras.- están alojados en las tapas de la máquina, que para máquinas de pequeña capacidad pueden ser de esferas, cilindros o agujas, y para máquinas de gran capacidad de colchones de aceite. Su sistema de lubricación es con aceite mineral.

En las figuras no.8 y no.9, se muestran las partes fundamentales de un motor de corriente continua.


Figura 8. Corte frontal y lateral de un motor de corriente continua [18].

EL ROTOR.

El rotor es la parte móvil del motor, proporciona el par de fuerza para mover a una carga. La figura no.10 muestra el rotor de un motor de corriente continua. El rotor está formado por [4]:

Eje o flecha.- fabricado de acero o hierro del mismo material que la carcasa el cual permite la rotación y sirve de soporte para todos los elementos que se encuentran en él.

Devanado de armadura.- Consta de bobinas aisladas entre sí y entre el núcleo de la armadura. Estas bobinas están alojadas en las ranuras, y están conectadas eléctricamente con el conmutador. Es el encargado de realizar el corte de líneas de flujo magnético para obtener la fuerza electromotriz. Para éste devanado se tiene dos opciones, el devanado serie que sirve para soportar corrientes altas y tensiones bajas, y el devanado imbricado para corrientes bajas y tensiones altas, y para ocasiones especiales el devanado anca de rana que es la combinación del devanado serie e imbricado que soporta corrientes y tensiones altas.

Muñón.- Su fabricación es de hierro o acero fundido y sirve para no permitir que la armadura se mueva de su posición. Su colocación es con los rodamientos de las tapas.

Conmutador.- Está constituido por segmentos o delgas de cobre estirado en frío. En éste va conectado el devanado de armadura. Su función principal es convertir la corriente alterna a corriente continua, además de recolectar la fuerza

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=motores+de+cc+devanados&source=images&cd=&cad=rja&docid=UQiMo5lPnXrYnM&tbnid=8cvxeTno7FHUCM:&ved=0CAUQjRw&url=http://electricidad-viatger.blogspot.com/2008/04/motores-de-corriente-continua.html&ei=bPCeUY3nE4TQ9AS4poFA&bvm=bv.47008514,d.eWU&psig=AFQjCNHMXqZddbnIRy44GfH68Fc3ig_FHQ&ust=1369457075353134


electromotriz por medio de las escobillas. El colector se encuentra sobre uno de los extremos del eje del rotor, de modo que gira con éste y está en contacto con las escobillas.

El entrehierro es el espacio resultante entre la armadura y las caras polares.

Figura 9. Esquema de un motor de corriente continua [21].

Figura 10. Rotor de un motor de corriente continua, donde se observa los devanados del inducido así como el conmutador [19].

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http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=motores+de+cc+conmutador&source=images&cd=&cad=rja&docid=vOU5HqEibMBJGM&tbnid=l_I0xbnnkFuLiM:&ved=0CAUQjRw&url=http://motoresmonofasicos1.blogspot.com/&ei=K_GeUfL8Ooau8QT054Ew&bvm=bv.47008514,d.eWU&psig=AFQjCNGEhQtmFOjcXvK7c0041mabQBt-Lw&ust=1369457262449962


TIPOS DE MOTORES DE C.C.

Los motores de corriente continua se clasifican según la forma de conexión de las bobinas inductoras e inducidas entre sí. [1]

Motor de excitación independiente

Motor en serie

Motor en derivación

Motor compuesto o mixto

Para conocer las características y posibles aplicaciones de cualquiera de estos motores, deben fijarse cada uno de estos parámetros:

Variación de la velocidad de giro en diferentes circunstancias.

Potencia eléctrica absorbida por el motor en kW, para dar referencia de

consumo de energía.

La magnitud del par de fuerza producido

Pérdidas de energía del motor

MOTOR CON EXCITACIÓN INDEPENDIENTE

El motor de excitación independiente es tal que el inductor y el inducido se alimentan de dos fuentes de energía independientes, tal como se muestra en la figura no.11.

Figura 11. Diagrama de conexión de un motor con excitación independiente [17].

Bobina inductor

Bobina inducido

http://html.rincondelvago.com/analisis-y-comprension-de-corriente-continua-y-alterna.html


Cuando se supone que la tensión aplicada a este tipo de motor es constante, no hay diferencia práctica entre el comportamiento ésta máquina con el motor en derivación [2].

MOTOR SERIE

El motor serie es tal que los devanados del inductor y del inducido se encuentran en serie, tal como lo muestra la figura no.12.

La conexión forma un circuito en serie en el que la intensidad absorbida por el motor al conectarlo a la red (también llamada corriente de carga) es la misma, tanto para la bobina inductora (del estator) como para la bobina inducida (del rotor), donde podemos decir que Iarmadura es igual a Iexcitación.

Figura 12. Diagrama de conexión de un motor serie [17].

El motor serie:

1. El par del motor es elevado al arranque. 2. Si disminuye la carga del motor, disminuye la intensidad de corriente

absorbida y el motor aumenta su velocidad. Esto puede ser peligroso. En vacío el motor es inestable, pues la velocidad aumenta bruscamente [2].

MOTOR EN DERIVACIÓN

En el motor en derivación o paralelo, las bobinas inductoras van conectadas en paralelo (en derivación) con las inducidas, tal como lo muestra la figura no.13. De este modo, de toda la corriente absorbida por el motor, una parte circula por las bobinas inducidas y la otra por las inductoras. El circuito de excitación (inductor) está a la misma tensión que el inductor [1].

Bobina inductor

serie

Bobina inducido

http://html.rincondelvago.com/analisis-y-comprension-de-corriente-continua-y-alterna.html


Figura 13. Diagrama de conexión de un motor en derivación [17].

Las características de este motor son:

1. En el arranque, par motor es menor que en el motor serie. 2. Si la intensidad de corriente absorbida disminuye y el motor está en vacío,

la velocidad de giro nominal varía despreciablemente. Es más estable que el motor serie.

3. Cuando el par del motor aumenta, la velocidad de giro disminuye despreciablemente [2].

MOTOR COMPUESTO

El motor compuesto o mixto es una combinación del motor serie y el motor derivado, puesto que una de las bobinas inductoras está en serie con el inducido, mientras que la otra está en paralelo con él, tal como lo muestra la figura no.14.

Se caracteriza por tener un elevado par de arranque, pero no corre el peligro de ser inestable cuando trabaja en vacío, como ocurre con el motor serie, aunque puede llegar a alcanzar un número de revoluciones muy alto [2].

Figura 14. Diagrama de conexión de un motor compuesto [17].

Bobina inductor

serie

Bobina inductor

en derivación

Bobina inducido

Bobina inductor

en derivación

Bobina inducido

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=motor+cc+compuesto&source=images&cd=&cad=rja&docid=4hNZHWktkJNDsM&tbnid=vl9rTuVAxqz3_M:&ved=0CAUQjRw&url=http://html.rincondelvago.com/analisis-y-comprension-de-corriente-continua-y-alterna.html&ei=9FaiUfqkEI3W9QTx0oCIAg&bvm=bv.47008514,d.eWU&psig=AFQjCNHi6ye8x5ygTbwMLleVucKJRQ-TZw&ust=1369679981006070

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=motor+cc+compuesto&source=images&cd=&cad=rja&docid=egfanaHA4vrioM&tbnid=f-BkAo4ey7BfTM:&ved=0CAUQjRw&url=http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_compound&ei=ilOiUeXsMZOA9gSL24GgCg&bvm=bv.47008514,d.dmQ&psig=AFQjCNEcX6vVpjnxX-jjeBH0dI-DrF5mLQ&ust=1369679109430188


CALCULO DEL PAR MECÁNICO

El par mecánico es la fuerza que ejerce cada uno de los conductores del inducido de la máquina a una cierta velocidad angular. Para calcular el par mecánico se tiene la siguiente ecuación no.1:

ec. (1)

Donde es el número de conductores activos totales en el inducido de la máquina, el número de polos con que cuenta el inductor de la máquina, flujo

polar en weber, la corriente nominal y el número de ramas en paralelo en el inducido de la máquina.

Posteriormente, para el cálculo de la potencia mecánica obtenida del motor se tiene por medio de la ecuación no.2:

ec. (2)

Donde la frecuencia viene dada por la ecuación no.3:

ec. (3)

Donde es la velocidad de la máquina.

2.1.2 APLICACIÓN DE LOS MOTORES DE C.C.

El motor serie tiene aplicaciones en aquellos casos en los que se requiera un elevado par de arranque con velocidad variable. No se debe arrancar en vacío para evitar velocidades mayores a las de la capacidad nominal de la máquina. Ejemplos de aplicación se muestran en la figura no.15, entre las que se observan: tranvías, locomotoras, trolebuses, montacargas [2].


a) b)

Figura 15. Aplicaciones de motores de corriente continua conexión serie. a) trolebús, b) montacargas

Las aplicaciones del motor en derivación son aquellas donde se requiera velocidad constante. Se puede utilizar para velocidades ajustables. Algunos ejemplos son los ventiladores, máquinas de impresión, máquinas para papel, etc [2], tal como lo muestra la figura no.16.

a) b)

Figura 16. Aplicaciones de motores de corriente continua conexión en derivación. a) Máquinas de impresión, b) máquinas para papel

Las aplicaciones del motor compuesto son aquellas donde se requiere un par de arranque elevado, pues combina las características de máquinas serie y en derivación. Ejemplo de ello son laminadores, cizallas, punzonadores, prensas, cargas intermitentes, etc [2]. En la figura no.17 se muestra el ejemplo de una prensa.

http://soloautobus.blogspot.com/2012_06_01_archive.html

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=montacargas&source=images&cd=&cad=rja&docid=WpdFDqBAe9rFAM&tbnid=Ryi9xih1A47QFM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.solutionlift.net/montacargas3_12.html&ei=IfWeUbSeDoiQ9QTa24DgDw&bvm=bv.47008514,d.dmQ&psig=AFQjCNGPWGTAtJfGC_BD90-uqIxiEXfb1w&ust=1369458332124824

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=maquinas+de+impresion&source=images&cd=&cad=rja&docid=EKeHTZ7J8dL58M&tbnid=2r5GCpxo7ZTsSM:&ved=0CAUQjRw&url=http://dobemoldesign.blogspot.com/2007/12/estas-son-diferentes-maquinas-de.html&ei=SvWeUZmCNYKE9gSMzYDwBg&bvm=bv.47008514,d.dmQ&psig=AFQjCNHN2MpOog7BZX8HTgWgSAb8l91dMA&ust=1369458367483670

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=maquinas+para+papel&source=images&cd=&cad=rja&docid=5yHacIXgVRTspM&tbnid=QQLpBCTS2oRXUM:&ved=0CAUQjRw&url=http://industria.siemens.com.mx/Pulpa y papel/3_5_1.html&ei=cfWeUd7EDo6y8QSd54GgAQ&bvm=bv.47008514,d.dmQ&psig=AFQjCNEMMc7P2YigK-Xf3EzYORpjBK_vpg&ust=1369458401135825


Figura 17. Aplicación de motores de corriente continua conexión en mixta como prensa

2.2 GENERADORES DE C.A.

Los generadores de corriente alterna (C.A.) son dispositivos que convierten la

energía mecánica en energía eléctrica. La energía mecánica, a su vez, se produce

a partir de la energía química o nuclear con varios tipos de combustible, o se

obtiene a partir de fuentes renovables como el viento o los saltos de agua. Las

turbinas de vapor, los motores de combustión interna, las turbinas de combustión

de gas, los motores eléctricos, las turbinas de agua y de viento son los métodos

comunes que proporcionan energía mecánica para este tipo de dispositivos.

2.2.1 CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONAMIENTO DE LOS GENERADORES DE

C.A.

El funcionamiento de los generadores eléctricos se basa en el fenómeno

de inducción electromagnética: cuando un conductor hace un movimiento relativo

hacia el campo magnético, se induce el voltaje en el conductor. El generador más

básico consta de una espira rectangular que gira en un campo magnético

uniforme, tal como lo muestra la figura no.18.

Cuando la espira gira, el flujo del campo magnético a través de la espira cambia

con el tiempo. Se produce una fuerza electromotriz. Los extremos de la espira se

conectan a dos anillos que giran con la espira. Las conexiones al circuito externo

se hacen mediante escobillas estacionarias en contacto con los anillos [9].

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=prensas+maquinas&source=images&cd=&cad=rja&docid=TR5kl5T6kZgt6M&tbnid=D-xjIZ6TOSbKeM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.maquinariacatalogo.com/productos-prensas-troqueladoras-j23-16b.html&ei=4_WeUen-D5Sq8ASZ8IGgCQ&bvm=bv.47008514,d.dmQ&psig=AFQjCNE7uTj9aNxLcf9yP8dBTEjs92yh_w&ust=1369458491943737


Figura 18. Generador básico de C.A. [12]

El generador consta de dos partes fundamentales, el inductor (estator), que es el

que crea el campo magnético y el inducido (rotor) que es el conductor el cual es

atravesado por las líneas de fuerza de dicho campo. Éstas partes se muestran en

la figura no.19.

Figura 19. Partes del generador [13].

Un estator es una parte fija de una máquina rotativa, el estator está compuesto

por una o varias bobinas montadas sobre un núcleo metálico que generan un

campo magnético en motores y generadores de corriente alterna, también se les


llama inductoras. En el contexto de las máquinas eléctricas, inducido o rotor es la

parte de la máquina rotativa donde se produce la transformación de energía

mecánica en eléctrica mediante inducción electromagnética. Otros elementos que

conforman al generador son; colector, escobillas, porta escobillas y rodamientos.

El colector es un anillo de láminas de cobre llamadas delgas, dispuesto sobre el

eje del rotor que sirve para conectar las bobinas del inducido con el circuito

exterior a través de las escobillas.

Las escobillas están fabricadas de carbón prensado y calentado a una

temperatura de 1200°C. Se apoyan rozando contra el colector gracias a la acción

de unos resortes, que se incluyen para hacer que la escobilla esté rozando

continuamente contra el colector. El material con que están fabricadas las

escobillas produce un roce suave equivalente a una lubricación.

Los porta escobillas son elementos que sujetan y canalizan el movimiento de los

carbones. Los se deslizan libremente en su caja siendo obligadas a apoyarse

sobre el colector por medio de un resorte que carga al carbón con una tensión

determinada.

Un rodamiento es un elemento mecánico que reduce la fricción entre un eje y las

piezas conectadas a éste, que le sirve de apoyo y facilita su desplazamiento.

El generador de C.A. o alternador es muy similar al generador de C.C. con la

diferencia que el alternador carece de conmutador permitiendo obtener una fuerza

electromotriz variable en el tiempo. La magnitud de la fuerza electromotriz

generada depende de la rapidez con que los conductores cortan el flujo magnético

y de la intensidad del campo magnético.

El alternador tiene tres características principales del alternador:

Tensión

Frecuencia.

Capacidad.

Tensión.- Es la diferencia de potencial que genera el alternador por el movimiento

relativo entre el campo magnético y los conductores que forman el devanado del

inducido de tal forma que cuando se aplica a un circuito cerrado se origina una

tensión y una corriente.

La tensión generada se determina con la ecuación no.4:

ec. (4)


Donde:

= tensión generada (V).

= frecuencia (Hz).

= flujo polar (wb).

= espiras por fase

Frecuencia.- La frecuencia es el número de ciclos producidos por segundo en el

alternador. La característica principal de un alternador es la de proporcionar una

tensión a una frecuencia constante cuyo valor está dado por el sistema eléctrico al

cual el alternador será acoplado. La tensión de corriente alterna se puede generar

a diferentes frecuencias, pero en la industria y en las zonas urbanas todo se

diseña para operar correctamente a 60Hz.

Capacidad.- La capacidad de una maquina está dada por las características de

diseño, se mide en VA que es la potencia aparente de la máquina la cual se

compone de potencia activa y de potencia reactiva

2.2.2 APLICACIÓN DE LOS GENERADORES DE C.A.

Los generadores de C.A. son utilizados para proporcionar energía eléctrica a la

población. Una forma de hacerlo es generando una gran cantidad de energía

eléctrica (Mega watts) por medio de centrales generadoras y transmitirla desde la

central hasta donde se requiera utilizar. Una ventaja de transmitir C.A. es que se

puede elevar la tensión por medio de transformadores para que se reduzcan las

pérdidas en el conductor a lo largo de su transporte. Actualmente CFE es la

encargada de proporcionar energía eléctrica de esta forma, principalmente a

través de centrales termoeléctricas, hidroeléctricas y carboeléctricas. En la tabla

no.2 se muestra la capacidad efectiva instalada de cada tipo de generadoras de

energía pertenecientes a la CFE.


Tabla 2. Capacidad efectiva instalada por tipo de generación.

TIPO DE GENERACIÓN CAPACIDAD EFECTIVA EN MW

PORCENTAJE

Termoeléctrica 22 678.23 44.05%

Hidroeléctrica 11 266.78 21.88%

Carboeléctrica 2 600.00 5.05%

Geotermoeléctrica 823 .40 1.60%

Eoloeléctrica 86.75 0.17%

Nucleoeléctrica 1 610.00 3.13%

Fotovoltaica 1.00 0.002%

Termoeléctrica (Productores independientes)

11 906.90 23.13%

Eólica (Productores Independientes) 510.85 0.99%

Total 51 483.91 100%

Otra forma en la que los generadores proporcionan energía eléctrica es por medio

de las plantas eléctricas de emergencia, las cuales se utilizan en los sistemas de

distribución modernos que usan frecuentemente dos o más fuentes de

alimentación. Debido a razones de seguridad y/o economía de las instalaciones

en donde es esencial la continuidad del servicio eléctrico, por ejemplo:

Instalaciones de hospitales en las áreas de cirugía, recuperación, cuidado

intensivo, salas de tratamiento, etc.

Para la operación de servicios de importancia crítica como son los

elevadores públicos.

Para instalaciones de alumbrado de locales a los cuales acude un gran

número de personas (estadios, deportivos, aeropuertos, comercios,

transportes colectivos, hoteles, cines, etc.)

En la industria de procesó continuo.

En instalaciones de computadoras, bancos de memoria, equipos de

procesamiento de datos, radar, etc.


Las plantas manuales, son aquéllas que requieren para su operación que se opere

manualmente un interruptor para arrancar o parar dicha planta. Normalmente

estas plantas se utilizan en aquellos lugares en donde no hay energía eléctrica,

tales como: Construcción, aserraderos, poblados pequeños, etc.

Las Plantas Automáticas, son aquéllas que solamente al inicio se operan

manualmente, ya que después, éstas cumplen sus funciones automáticamente;

dichas plantas son utilizadas comúnmente en servicio de emergencia.

SSIISSTTEEMMAA DDEE

GGEENNEERRAACCIIÓÓNN

CCOONN IIMMAANNEESS DDEE

NNEEOODDIIMMIIOO



3.1 SISTEMA DE GENERACION PARA LA CARGA PROPUESTA

DE 5kW.

El sistema de generación consta de un generador de C.A. y un motor magnético,

que acoplados por medio de sus rotores se requiere que entreguen la potencia de

5 kW para la carga instalada de la casa.

3.1.1 PARAMETROS DEL GENERADOR ELÉCTRICO

3.1.1.1 PARAMETROS DEL ROTOR.

El parámetro que se tiene que determinar del rotor es la velocidad angular la cual

depende de la frecuencia y del número de polos de la máquina.

El valor de la frecuencia se considera de 60Hz debido a que todo el equipo

eléctrico que se va a alimentar funciona a esta frecuencia. Y la cantidad de polos

depende de las características del generador. Para este caso se está

considerando un generador de 6 polos.

El cálculo de la velocidad angular de la máquina en revoluciones por minuto

(r.p.m.) se obtiene con ecuación no.5:

ec. (5)

Dónde:

= Velocidad angular (r.p.m.).

= frecuencia (Hz).

= numero de polos.

Sustituyendo los valores de frecuencia y número de polos:

1200 r.p.m.

Estas revoluciones por minuto representan la velocidad a la que tiene que girar el

rotor del generador para que se pueda obtener una frecuencia de 60Hz.


3.1.1.2 PARAMETROS DEL ESTATOR.

El parámetro que se tiene que determinar en el estator es la cantidad de flujo

magnético que se necesita para obtener la tensión requerida.

El valor de la tensión para este caso se considera de 127 volts ya que es la

tensión a la que opera el equipo eléctrico que se va a alimentar.

Las espiras por fase ( ) al igual que el numero de polos dependen de las

características del generador. Para el cálculo del flujo polar se están considerando

200 espiras por fase.

De la ecuación no.4 mostrada en el capítulo 2 se despeja el flujo magnético

obteniendo la ecuación no.6:

ec. (6)

Sustituyendo los valores:

2.3836x10-3wb.

Esta es la cantidad de flujo magnético que se necesita en el estator para que se

obtenga una tensión de 127V.

3.1.2 PARAMETROS DEL MOTOR MAGNÉTICO

3.1.2.1 SELECCIÓN DE MATERIALES

El motor magnético para el sistema de generación, al igual que el generador de

C.A. también consta de dos partes, el estator y el rotor.


Para el estator se tiene la carcasa o la base, hecha de acero, pudiendo ser de

acero al silicio u algún material similar que permita que el flujo magnético se

conserve dentro de la máquina.

Para el rotor, el eje o flecha es fabricada de aluminio para reducir su costo, el peso

de esta y asimismo facilitar la producción del par con menor cantidad de flujo

magnético; la flecha está fabricada con un relieve en forma cilíndrica al centro de

la misma para colocar los imanes de neodimio.

En la flecha van colocados los rodamientos que son los que permiten el libre

movimiento de la misma; existiendo diversos tipos de rodamientos como los de

bolas, agujas, cilíndricos, por mencionar algunos, se utilizan los rodamientos de

bolas debido a que este tipo de baleros son fabricados para motores que moverán

cargas pequeñas. Estos rodamientos son fabricados de acero, pudiendo ser

aleados con cromo, níquel o manganeso.

También se pueden encontrar a los imanes de neodimio tanto en el rotor como el

estator, ya que son los elementos que se utilizan para obtener la fuerza de

atracción o repulsión necesaria para crear el par del motor, y tienen las siguientes

características:

- Ancho: 2.54 cm

- Largo: 2.54 cm

- Espesor: 1.27 cm

- Flujo magnético por imán: 1.29x10-3wb


Uno de los parámetros que se tienen que determinar es el par producido por el

rotor ya que la potencia mecánica depende del par y la velocidad angular. La

potencia mecánica se está considerando de 5kW la cual es mayor a la potencia

eléctrica demandada por las cargas seleccionadas de la casa.

Para el cálculo del par mecánico se utiliza la ecuación no.2 mostrada en el

capítulo anterior. Despejando a se obtiene la ecuación no.7:

ec. (7)


El valor de se obtiene con la ecuación no.3 considerando la velocidad del motor

de 1200 r.p.m. debido a que el motor va a estar acoplado con el generador:

= 40 π

Sustituyendo en la ecuación no.7 los valores de la potencia mecánica y la

velocidad angular se tiene:

39.7887Nm

El siguiente parámetro que se debe considerar para el rotor es la cantidad de flujo

magnético el cual lo van a proporcionar los imanes de neodimio. Al obtener el flujo

que necesita el motor para producir el par mecánico antes calculado, se puede

determinar la cantidad de imanes permanentes que se tienen que utilizar.

El motor magnético se puede considerar como un motor de corriente continua

debido a que el flujo magnético es constante. Partiendo de esta consideración se

despeja el flujo magnético de la ecuación 1 obteniendo la ecuación no.8:

ec. (8)

El número de ramas en paralelo ( ) es el mismo que el numero de polos debido a

que se considera una devanado imbricado simple. Al número de polos se le asigna

un valor de 6 ya que es el mismo número de polos del generador. El número de

conductores activos ( ) se considera de 500. El valor de la corriente nominal se

determina considerando que es una máquina de C.C. de 5kW y 220 volts. Por lo

tanto:


2.20x10-2wb

Los imanes de neodimio que se van a utilizar tienen una densidad de flujo de

20,000 gauss, que es equivalente a 2 wb/m2. Al multiplicar este valor por el área

del imán que interactúa en el motor se obtiene el flujo magnético por imán. En la

figura no.20 se muestran las dimensiones del imán y el área que interactúa en el

motor.

Dimensiones del imán:

Figura 20. Dimensiones del imán de neodimio seleccionado.

A= (0.0254m) (0.0254m) ec. (9)

A= 6.4516x10-4m2

= (2) (6.4516-4)

= 1.29x10-3wb

Al dividir el flujo total entre el flujo por imán se obtiene el número de imanes que se

tienen que utilizar.

No. de imanes=

= 17.05 ≈ 18 imanes

La cantidad de imanes calculados se distribuyen en el rotor como se muestra en la

figura no.21.


Figura 21. Distribución de los imanes en el rotor.


El estator solo debe de tener los imanes que proporcionen el impulso a los imanes

del rotor, por lo tanto se propone colocar cuatro imanes como se muestra en la

figura no.22.

Figura 22. Distribución de los imanes en el estator.

En el estator tiene que llevar unas tapas en las cuales se encuentran ensamblados

los rodamientos que servirán de soporte para el rotor a través de una flecha como

se muestra en la figura no.23.


Figura 23. Ensamblaje del motor magnético.

3.1.3 ACOPLAMIENTO DEL MOTOR MAGNÉTICO Y EL GENERADOR

ELECTRICO.

Un acoplamiento es un dispositivo que se utiliza para unir dos ejes en sus

extremos con el fin de transmitir potencia. Idealmente la relación de transmisión es

1, pero a veces un eje puede tener más velocidad en un intervalo del ciclo que en

otro.

Los motores eléctricos se usan para accionar la mayoría de los dispositivos que

requieren rotación. Hay dos tipos básicos de accionamientos:

Accionamiento directo y accionamiento por polea y banda. Para este caso se va a

utilizar un accionamiento directo.


ACCIONAMIENTO DIRECTO

Los métodos de accionamiento directo requieren que un dispositivo o carga

mecánica gire con las mismas revoluciones por minuto que el motor, por ejemplo,

los motores para ventiladores y bombas son frecuentemente con acoplamiento

directo. Por lo general, los acoplamientos directos requieren de una distancia corta

entre el eje del motor y el elemento que se va a accionar. Los dos acoplamientos

directos más comúnmente usados en la industria son:

El flexible con manguera y el acoplamiento de pestaña o reborde.

3.2 SISTEMA DE GENERACION PARA LA CARGA DE 1kW.

3.2.1 PARAMETROS GENERADOR ELÉCTRICO


El parámetro que se tiene que determinar es la velocidad angular del rotor.

El valor de la frecuencia se conserva igual al generador anterior (60Hz) debido a

que todo el equipo eléctrico que se va a alimentar funciona a esta frecuencia. Y la

cantidad de polos depende de las características del generador. Para este caso se

está considerando un generador de 6 polos, igual que el generador anterior.

El cálculo de la velocidad angular de la maquina en revoluciones por minuto

(r.p.m.) se realiza con la ecuación 5.

Sustituyendo los valores de frecuencia y número de polos:

1200 r.p.m.

Estas revoluciones por minuto representan la velocidad a la que tiene que girar el

rotor del generador para que se pueda obtener una frecuencia de 60Hz, y como la

velocidad está relacionada solamente con la frecuencia y no con la potencia, la

velocidad es la misma que la del generador anterior.



El parámetro que se tiene que determinar en el estator es la cantidad de flujo

magnético que se necesita para obtener una tensión de 127 volts.

Las espiras por fase ( ) al igual que el numero de polos dependen de las

características del generador. Para el cálculo del flujo polar se están considerando

200 espiras por fase.

Sustituyendo los valores en la ecuación 6 se obtiene:

2.3836x10-3wb.

Esta es la cantidad de flujo magnético que se necesita en el estator para que se

obtenga una tensión de 127V.

3.2.2 PARAMETROS DEL MOTOR MAGNÉTICO


Uno de los parámetros que se tienen que determinar es el par producido por el

rotor ya que la potencia mecánica depende del par y la velocidad angular.

Para calcular el par mecánico se debe conocer el valor de el cual se obtiene con

la ecuación 3 del capítulo anterior considerando la velocidad del motor de 1200

r.p.m. debido a que el motor va a estar acoplado con el generador:

= 40 π

Sustituyendo en la ecuación 7 los valores de la potencia mecánica y la velocidad

angular se tiene:

7.9577Nm


El siguiente parámetro que se debe considerar para el rotor es la cantidad de flujo

magnético el cual lo van a proporcionar los imanes de neodimio.

Partiendo de la misma consideración que el motor anterior se utiliza la ecuación 8

para calcular el flujo magnético que requiere el motor magnético para producir un

par de 7.95Nm.

El número de ramas en paralelo ( ), número de polos ( y el numero de

conductores activos ( ) se mantienen con el mismo valor que en el motor de 5kW.

El valor de la corriente nominal se determina considerando que es una máquina de

C.C. de 1kW y 127 volts. Por lo tanto:

1.27x10-2wb

Los imanes de neodimio que se van a utilizar (modelo NB-0024-42) tienen una

densidad de flujo de 20000 gauss, que es equivalente a 2 wb/m2. En la figura 24

se muestran las dimensiones del imán y el área que interactúa en el motor.

Dimensiones del imán:

Figura 24. Dimensiones del imán de neodimio seleccionado.

A= (0.0254m) (0.0254m)

A= 6.4516-4m2


= (2) (6.4516-4)

= 1.29x10-3wb

Al dividir el flujo total entre el flujo por imán se obtiene el número de imanes que se

tienen que utilizar.

No. de imanes=

= 9.84 ≈ 10 imanes

La cantidad de imanes calculados se distribuyen en el rotor como se muestra en la

figura 25.

Figura 25. Distribución de los imanes en el rotor.


El estator está compuesto de una base de madera con cuatro soportes del mismo

material. En dos soportes se colocaron los rodamientos los cuales funcionan como

soporte para el rotor y en los otros dos se colocaran los imanes de las mismas

características de los imanes del rotor. Los imanes del estator son los que van a

proporcionar el impulso al rotor, por lo tanto se propone colocar dos imanes como

se muestra en la figura no.26.


Figura 26. Distribución de los imanes y rodamientos en el estator.

Los imanes están sujetos a unos tornillos que atraviesan los soportes. Por medio

de estos tornillos es posible acercar o alejar los imanes del estator a los imanes

del rotor para aumentar o disminuir la velocidad de la maquina como se muestra

en la figura no.27.

Figura 27. Ensamblaje del motor magnético.


Se utilizó un acoplamiento directo para conectar la flecha del motor magnético con

la flecha del generador como se muestra en la figura no.28.

Figura 28. Acoplamiento del motor magnético y el generador eléctrico.

PPRRUUEEBBAASS AALL PPRROOTTOOTTIIPPOO

YY EESSTTIIMMAACCIIÓÓNN DDEELL

AAHHOORRRROO EECCOONNÓÓMMIICCOO



4.1.- PRUEBAS AL PROTOTIPO

Al armar el prototipo del motor tal como se planteó en el desarrollo de los cálculos

se determinó en el momento que no es posible producir un par de fuerza por

medio de la distribución de los imanes en el rotor y estator, por lo que se prosigue

a realizar diferentes distribuciones de imanes en el estator como en el rotor

utilizando un modelo similar al fabricado que permita realizar las pruebas de una

manera sencilla el cual se muestra en las figuras no.29 y no.30:

VISTA SUPERIOR

Base donde se colocan los imanes

VISTA LATERAL

Figura 29. Prototipo para realizar pruebas de giro


a)

b)

Figura 30. Vista lateral del modelo para realizar pruebas de giro. a) con dos imanes, b) con cuatro

imanes.

Para ello, se tiene como referencia que el campo magnético de los imanes se

presenta como se muestra en la figura no.31:

Figura 31. Líneas de flujo magnético de un imán de neodimio


Prueba no. 1

Para esta prueba se utilizaron dos discos como el mencionado anteriormente, los

cuales se colocaron a una distancia de aproximadamente 2.5 cm, tal como se

muestra en la figura no.32:

VISTA SUPERIOR

Figura 32. Diagrama de distribución de los imanes de neodimio para la prueba no.1

La razón de colocar los imanes con su campo magnético en forma alternada fue

por el mismo principio que utilizan los motores que son alimentados mediante

energía eléctrica los cuales son excitados por pares de polos diferentes.

Al realizar la prueba, se observó que al hacer girar algún disco con una fuerza

aplicada provocaba que el otro girara, pero al estar a una distancia corta en

relación a la densidad de flujo magnético de los imanes el giro de ambos discos se

veía afectado en el número de revoluciones por segundo. Por tanto al estar tan

cerca la interacción de los campos magnéticos se observó que:

Cuando las fuerzas de atracción de los imanes de ambos discos interactúan

provocan que el disco disminuya su velocidad en esos puntos debido a que

los discos intentan detenerse; y cuando la inercia del disco en movimiento

es menor a la fuerza de atracción el disco se detiene, como se muestra en

la figura no.33.


VISTA SUPERIOR

Figura 33. Diagrama que muestra el comportamiento de la fuerza de atracción de los imanes de

neodimio en la prueba no.1

Cuando las fuerzas de repulsión de los imanes de ambos discos interactúan

provocan que el disco disminuya su velocidad en esos puntos debido a que

esta fuerza magnética intenta girar el disco hacia un sentido contrario al que

lleva; y cuando la inercia del disco en movimiento es menor a la fuerza de

repulsión el disco gira hacia el lado contrario hasta encontrar el primer

punto donde exista fuerza de atracción para que este se detenga, como se

muestra en la figura no.34.

VISTA SUPERIOR

Figura 34. Diagrama que muestra el comportamiento de la fuerza de repulsión de los imanes de

neodimio en la prueba no.1


Prueba no. 2

Para esta prueba se utilizaron los dos discos mencionados anteriormente; a

diferencia de la prueba no.1, esta se realizó a una distancia a la cual la interacción

de los campos magnéticos de los imanes sea lo apropiada para que el giro de

ambos discos fuera a una velocidad más constante, la cual resultó de 5 cm, tal

como se muestra en la figura no.35:

VISTA SUPERIOR


Al hacer girar cualquiera de los discos se obtuvo un giro más constante pero no

prolongado, lo que permite saber que la distancia entre imanes es un factor a

considerar para lograr el giro del motor magnético.


Prueba no. 3

Para esta prueba se utilizaron los dos discos mencionados anteriormente. Una vez

obtenida la distancia a la que deben encontrase los campos magnéticos de los

imanes, se prosiguió a quitar dos imanes de un disco, quedando un disco con

cuatro imanes y el otro con dos, tal como se muestra en la figura no.36:

VISTA SUPERIOR


Al aplicar una fuerza al disco con dos imanes para hacer girar al de cuatro imanes

se obtuvo un giro constante y nuevamente no fue prolongado. Al aplicar una

fuerza similar a la anterior al disco de cuatro imanes para hacer girar al de dos

imanes también se obtuvo un giro constante pero tampoco prolongado, pero con la

diferencia que se obtuvo un giro con mayor velocidad.

Por tanto, observamos que para el motor magnético en la parte giratoria debe

existir el mínimo número de polos, que son dos, para que este obtenga fácilmente

una mayor velocidad.


Prueba no. 4

Habiendo obtenido la distancia a la que deben estar en interacción los imanes y el

número de imanes en la parte giratoria, se realizan pruebas con un solo disco.

En esta prueba se comenzó por aplicar los datos antes obtenidos. Para la parte

estática se inicio probando con dos imanes, tal como se muestra en la figura

no.37:

VISTA SUPERIOR


Para verificar la distribución se aplicaron dos fuerzas para hacer girar el disco, F1

y F2, siendo F1 una fuerza de magnitud pequeña y F2 una fuerza de mayor

magnitud a F1. Estas pruebas se aplicaron 3 veces. Al aplicar F1 se obtuvieron

tiempos de duración promedio de 12 segundos, mientras que al aplicar F2 se

obtuvo un tiempo de duración promedio de 38 segundos.


Prueba no. 5

Para esta prueba, a la distribución de la prueba no. 4 se agregaron dos imanes a

la parte estática. Para la siguiente distribución se buscó que el campo magnético

de los imanes de la parte estática fuera alternado como se muestra en la figura

no.38:

VISTA SUPERIOR


Así como en la prueba no. 4, se aplicaron las fuerzas F1 y F2 tres veces para

obtener tiempos de duración de giro. Al aplicar F1 se obtuvo una duración

promedio de 14 segundos, mientras que al aplicar F2 se obtuvo una duración

promedio de giro de 50 segundos.


Prueba no. 6

Para esta prueba, la polaridad de los imanes de la parte giratoria se mantuvo,

mientras que para los imanes de la parte estática se fueron colocando uno a uno,

de la siguiente manera; se fue girando lentamente el disco y se fue colocando

cada imán de manera que se presentara menor oposición al giro, resultando la

distribución que se muestra en la figura no.39:

VISTA SUPERIOR


En esta prueba, de igual manera, se aplicaron las fuerzas F1 y F2. Al aplicar F1 se

obtuvo una duración giro promedio de 24 segundos, mientras que al aplicar F2 se

obtuvo una duración de giro promedio de 1 minuto con 10 segundos. De esta

prueba se debe resaltar que en comparación con la prueba no. 5 el tiempo de

duración de giro se prolongó aproximadamente dos veces.


Prueba no. 7

En esta prueba se utilizaron ocho imanes para la parte estática, propiciando que

se mantuviera mayor cantidad de campo magnético concentrado, y así como se

planteó en la prueba no. 5, se distribuyeron los imanes de tal manera que el

campo magnético fuera alternado como se muestra en la figura no.40:

VISTA SUPERIOR


Con esta distribución se aplicaron las fuerzas F1 y F2. Al aplicar F1 se obtuvo una

duración de giro promedio de 28 segundos, mientras que al aplicar F2 se obtuvo

una duración de giro promedio de 1 minuto.


Prueba no. 8

En esta prueba se consideraron ocho imanes en la parte estática, y se tomó la

misma forma de distribuir los imanes como en la prueba no. 5, haciendo girar

lentamente el disco y se fue colocando cada imán de manera que se presentara

menor oposición al giro, resultando la distribución que se muestra en la figura

no.41:

VISTA SUPERIOR


Con esta distribución se aplicaron las fuerzas F1 y F2, con las que se obtuvieron

resultados similares a los obtenidos en la prueba no. 6.


Prueba no. 9

Para esta prueba, se tomó la distribución de la prueba no. 6 de la que se

obtuvieron los mejores tiempos de giro y que requería menor cantidad de material,

cambiando únicamente la polaridad de los imanes de la parte giratoria, resultando

el diagrama de la figura no.42:

VISTA SUPERIOR


En esta prueba, de igual manera, se aplicaron las fuerzas F1 y F2. Al aplicar F1 se

obtuvo una duración de 8 segundos, mientras que al aplicar F2 se obtuvo una

duración de 20 segundos.


4.2.- ESTIMACIÓN DEL AHORRO ECONÓMICO

4.2.1.- Ahorro en el consumo de energía utilizando el sistema de generación

con imanes permanentes

La carga instalada de la casa en cuestión para alimentarla con el sistema de

generación se muestra en la tabla 3:

Tabla 3. Aparatos que se encuentran en casa, con su respectiva potencia

Aparato Potencia (promedio) watts (W)

Tiempo uso al día (períodos

típicos)

Tiempo de uso al mes (horas)

Consumo mensual kilowatts-hora

(watts/1000) x hora

Batidora 200 1hr 2vec/semana

8 1.6

Estéreo musical

75 4 hrs. diarias 120 9

Exprimidores de cítricos

30 10 min/día 5 0.15

Lámparas fluorescentes (de 23 W c/u)

23 10 hrs. diarias 300 6.9 por lámpara 82.8 por todas las

lámparas

Se cuentan con 12 en la casa lo que da una potencia de 276 W.

Horno de microondas

1200 15 min/día 7.5 9

Lavadora automática

400 4hr 2vec/semana

32 12.8

Licuadora mediana potencia

400 10 min/día 5 1.84

Radio grabadora

40 4 hrs. diarias 120 4.8

Secadora de cabello

1600 10 min/día 5 8

Tostadora 1000 10 min. diarios 5 5 Ventilador de

pedestal 70 8 hrs.diarias 240 16.8

DVD 25 3hr. 4vec/semana

48 1.2

Cafetera 750 1 hr. diarias 30 22.5


Equipo de cómputo


Videojuegos 250 4 hrs. diarias 120 30

Plancha 1000 3hr 2vec/semana

24 24

Refrigerador (18-22 pies cúbicos)


Secadora de ropa

5600 4 hrs. semana 16 89.6

T.V. color (43-50 pulg)

360 6 hrs. diarias 180 64.8

POTENCIA TOTAL

13.9kW

CONSUMO TOTAL POR

MES

509.89 kW/h

Conociendo que la ubicación de la casa se encuentra en la Ciudad de México, por

consiguiente le corresponde la tarifa 1, que al mes de Noviembre de 2013 se tiene

que el costo por kW/h de acuerdo a la Comisión Federal de Electricidad es:

Consumo básico $0.786 por cada uno de los primeros 75 kW/h

Consumo intermedio $0.957 por cada uno de los siguientes 65 kW/h

Consumo excedente $2.799 por cada kW/h adicional a las anteriores

Con lo que de acuerdo al consumo en kW/h al mes se tendría el siguiente costo de

la energía eléctrica:


ec. (10)

Lo que da un costo total en consumo de energía eléctrica de: $1156.47

En la siguiente tabla se muestran los aparatos electrodomésticos que alimentaría

el generador para la casa con carga instalada de 13.9 kW. Se consideran

únicamente las cargas menores de 500 W, que se muestran en la tabla no.4.

Tabla 4. Aparatos que alimentaría el generador para disminuir el consumo de

energía eléctrica

Aparato Potencia (promedio) watts (W)

Tiempo uso al día (períodos

típicos)

Tiempo de uso al mes (horas)

Consumo mensual kilowatts-hora

(watts/1000) x hora

Batidora 200 1hr 2vec/semana

8 1.6

Estéreo musical


Exprimidores de cítricos

30 10 min/día 5 0.15

Lámparas fluorescentes (de 23 W c/u)

23 10 hrs. diarias 300 6.9 por lámpara 82.8 por todas las

lámparas Se cuentan con 12 en la casa lo que da una potencia de 276 W.

Lavadora automática

400 4hr 2vec/semana

32 12.8

Licuadora mediana potencia

400 10 min/día 4.6 1.84

Radio grabadora

40 4 hrs. diarias 120 4.8

Ventilador de pedestal

70 8 hrs.diarias 240 16.8

DVD 25 3hr. 4vec/semana

48 1.2

Videojuegos 250 4 hrs. diarias 120 30

Refrigerador (18-22 pies cúbicos)



T.V. color (43-50 pulg)

360 6 hrs. diarias 180 64.8

POTENCIA TOTAL

2.501 kW

CONSUMO TOTAL POR

MES

315.79 kW/h

Con lo que de acuerdo al consumo en kW/h al mes se observa que el costo que se

tendría que pagar por consumo de energía de la lista de aparatos de la tabla no.4

sería el siguiente:

ec. (11)

Lo que da un total en ahorro de energía por mes de: $613.19

Por tanto, el pago de energía eléctrica consumida recurriendo al sistema de

generación para evitar el pagar a la compañía suministradora sería de:

ec. (12)


4.2.2.- Recuperación de la inversión inicial

Con la inversión realizada para la construcción del motor magnético, se tiene la

tabla no.5 donde se muestra los elementos que se requieren para la construcción

y montaje del mismo.

Tabla 5.- Costo y cantidad de las partes requeridas para la construcción del motor

magnético

PARTE O ELEMENTO DEL

MOTOR

CANTIDAD PRECIO UNITARIO

PRECIO TOTAL

Imanes de neodimio

18 $375.00 $6750.00

Eje o flecha de aluminio

1 $530.00 $530.00

Rodamientos de bola

2 $75.00 $150.00

Base o estator 1 $350.00 $350.00

INVERSIÓN INICIAL TOTAL $7780.00

Teniendo en cuenta que el ahorro en consumo de energía eléctrica es de $613.19

por mes, la recuperación de la inversión viene dada por lo siguiente:

ec. (13)

Con lo que se observa que el período de recuperación es un periodo corto ya que

es poco mayor a un año, lo que hace que este proyecto sea viable en su

construcción.


CONCLUSIONES

Con la presente tesis se obtiene información acerca de las características que

deben considerarse para realizar un proyecto como éste, el cual, la base de todo

es el lograr el funcionamiento de un motor que sea capaz de ejercer un par de

fuerza sin necesidad de utilizar la energía eléctrica como alimentación, esto para

reducir emisiones por plantas generadoras que utilizan combustibles dañinos al

ambiente, además que permite reducir costos por transmisión y distribución de la

energía.

Para ello, los imanes fueron la opción adecuada debido a que tienen su propia

forma de energía, el campo magnético con dos fuerzas diferentes en cada polo del

imán, atracción y repulsión, y se escogieron los de neodimio por su alta densidad

de flujo magnético y a su alta resistencia a desmagnetizarse.

Con los imanes y con una base giratoria, se realizaron pruebas de las que se

obtuvieron principios importantes que permitan en estudios posteriores hacer

posible el giro permanente.

Se tiene que la distancia entre imanes de neodimio con la densidad de flujo

magnético de 2 wb/m2 como los utilizados en las pruebas, la distancia ideal de

separación de imanes en posición vertical para que la interacción de flujos permita

un giro constante es de 5 cm, este valor fue obtenido mediante las pruebas. El

número de polos debe ser considerado en pares, así como en los motores

convencionales, con cuatro imanes en la parte estática y dos imanes en la parte

dinámica, tal como lo muestra el diagrama de la prueba no. 6, que es la prueba

con la que se obtuvieron mejores resultados y utilizando menor material.

Con los principios anteriores se obtiene que la interacción del campo magnético de

los imanes se debe encontrar a una distancia tal que permita que el giro no sea

afectado por las fuerzas de atracción o repulsión, para que éste se mantenga

constante. Como el campo magnético de los imanes es constante la polaridad de

los imanes de neodimio debe colocarse de forma alternada, así como en la prueba

no. 6, con la que se logró incrementar el tiempo de duración de giro; pero, que aún

con lo realizado no se logra obtener un giro constante pues se va frenando poco a

poco, y para evitar que se detenga se debe encontrar un elemento auxiliar que

impulse constantemente a la parte dinámica.


Una vez logrado el giro constante del motor se puede acoplar con el generador

para verificar si la tensión obtenida es la esperada, sino es así, se debe buscar

disminuir o aumentar la velocidad de giro del motor.

Por último, en la parte de ahorro económico, considerando que el motor puede

funcionar tal con la cantidad de material indicada en el procedimiento, los ahorros

en consumo de energía eléctrica pueden ser considerables, de más del 50% de lo

que se paga a la compañía suministradora por el consumo, teniendo en cuenta

que el período de recuperación de la inversión es muy corto tratándose de un

tiempo solo un poco mayor a un año, con lo que se puede ser un proyecto viable.


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[18] Motores AC, DC y universales. (s.f.). Recuperado del 22 de marzo de 2013,

de http://electronica-superioryoshijac.blogspot.mx/p/motores-ac-dc-y-

universales.html

[19] Motores eléctricos. (2012). Recuperado el 15 de abril de 2013, de

http://integracion-electronica.blogspot.mx/2012_05_01_archive.html

[20] El motor de imanes permanentes. (s.f.). Recuperado el 3 de Abril de 2013, de http://nergiza.com/el-movil-perpetuo-que-solucionara-todos-nuestros- problemas-el-motor-de-imanes/.

[21] Máquinas de corriente continua. (s.f.). Recuperado el 3 de Abril de 2013, de http://www.monografias.com/trabajos91/maquinas-de-corriente- continua/maquinas-de-corriente-continua.shtml

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