GENERADOR MAGNÉTICO

MARCO TEÓRICO

1.1 GENERADOR DE ELECTRICIDAD

Los generadores son la fuente de energía de los sistemas eléctricos y electrónicos; Proporciona electricidad (voltaje y corriente). Todos los generadores pasan por una conversión de energía (Figura 1), es decir, parten de energía, ya sea mecánica, térmica, química u otras formas de energía, hasta llegar a la energía eléctrica.

Figura 1. Transformación de energía en un generador

1.1.1. Clasificación de los generadores: Estos generadores se dividen en dos partes dependiendo del tipo de energía y de la señal generada.

1.1.1.1. Generadores por tipo de energía: Estos generadores se dividen en dos grupos: generadores mecánicos y generadores químicos.

Generadores mecánicos: Los generadores mecánicos incluyen generadores que funcionan con corriente continua y generadores que funcionan con corriente alterna.

Generadores químicos: Los generadores químicos incluyen pilas, baterías y acumuladores.

1.1.1.2. Geberadores según la señal eléctrica producida: Dependiendo de las señales eléctricas que producen, los generadores se dividen en generadores de corriente continua y generadores de corriente alterna.

Generador de corriente continua (CC): Estos generadores, también llamados alternadores (Figura 2), no se utilizan mucho en aplicaciones de alta potencia porque sólo pueden conectarse a la red a través de convertidores electrónicos que convierten la corriente continua en corriente alterna. Además de las limitaciones mencionadas anteriormente, también intervienen factores económicos, ya que este tipo de máquinas suelen ser caras, al igual que su mantenimiento (reemplazo de escobillas).

Generador de corriente alterna (AC): También se denominan generadores y se utilizan con mayor frecuencia en grandes centrales eléctricas (centrales hidroeléctricas, térmicas, parques eólicos, etc.) porque están conectados directamente a la red. Entre los generadores, se pueden clasificar como generadores autoexcitados (síncronos), ya sea con corriente continua inyectada en las bobinas del rotor o excitados por imanes permanentes, así como desde la red conectada. Bobinas del estator de la máquina (no síncronas).

Figura 2. Generador mecánico (Dinamo)

1.2 Generador de imanes permanentes

Uno de los motores más comunes utilizados en las turbinas eólicas es el generador de imanes permanentes. Actualmente es la primera opción para la mayoría de aerogeneradores pequeños de al menos 10 kW y también se puede utilizar para aerogeneradores más grandes.

En estos generadores (Figura 3), los imanes permanentes proporcionan el campo magnético, por lo que no es necesario utilizar un devanado de campo ni suministrarle corriente. Por ejemplo, los imanes se integran directamente en rotores cilíndricos de aluminio u otros metales. La energía se toma de una armadura fija, por lo que no se requieren conmutadores, anillos colectores ni escobillas. Debido a que la estructura de la máquina es muy simple, el generador de imanes permanentes es muy poderoso. El principio de funcionamiento de un generador de imanes permanentes es similar al principio de funcionamiento de un motor síncrono. De hecho, a menudo se les llama generadores síncronos de imanes permanentes, abreviado PMSG (Permanent Magnet Synchronous Generator).

Figura 3. Generador de imanes permanentes

1.2.1. Clasificación de los generadores de imanes permanentes: Dependiendo del eje de rotación, los generadores se pueden dividir en dos tipos: de flujo axial (normalmente utilizados para aplicaciones de alta potencia) y de flujo radial. La principal diferencia entre ellos es la dirección del flujo magnético (Figura 4).

Generador de flujo axial: Campo magnético cuyo eje de rotación es paralelo al imán. En estos generadores, los imanes están colocados sobre un disco de hierro que gira alrededor de un eje vertical que pasa por su centro. Por lo tanto, el campo magnético del imán es paralelo al eje de rotación, por eso se llama flujo axial, lo que en realidad significa que el campo magnético es paralelo al eje de rotación.

Generador de flujo radial: En estos generadores, el eje de rotación es perpendicular al campo magnético del imán. En un generador de flujo radial, los imanes se colocan a los lados de un cilindro que gira alrededor de su eje. En este caso, el campo magnético del imán es perpendicular al eje de rotación y por lo tanto se extiende en dirección radial, de ahí que se utilice el término "flujo radial", que en realidad significa que la dirección del campo magnético es perpendicular al eje. de rotación.

Figura 4. Clasificación de los generadores de imanes permanentes según el eje de giro

1.3 IMANES

Los imanes son objetos fabricados con determinados materiales que tienen la propiedad de crear un campo magnético externo.

Los imanes vienen en una variedad de formas, rectangulares, cilíndricas, de herradura o lo que sea, y aunque parezca extraño, todos los imanes tienen dos extremos o lados (llamados polos) donde el efecto magnético se vuelve más fuerte. Si tomas una barra magnética y la cuelgas del centro con una cuerda, dejándola girar libremente, encontrarás que un polo del imán siempre apunta al norte.

El polo magnético de un imán flotante que apunta libremente al polo norte geográfico se llama polo norte del imán. El otro polo apunta al sur y se llama Polo Sur. Cuando dos imanes están muy juntos, cada imán ejerce una influencia sobre el otro. Dependiendo de la polaridad, la fuerza puede ser atractiva o repulsiva. Si dos imanes de la misma polaridad están cerca uno del otro, su fuerza es repulsiva (se repelen), y si son de diferente polaridad, se atraen, es decir Los polos opuestos se atraen y los polos iguales se repelen.

1.3.1. Clasificación de los imanes: Los imanes se pueden clasificar en dos tipos: imanes permanentes y electroimanes.

1.3.1.1. Imanes permanentes: Un imán permanente se refiere a un material que exhibe propiedades magnetizantes permanentes porque es capaz de retener los polos magnéticos y la magnetización inducida después de que se elimina el campo magnético externo. La energía magnética almacenada en este tipo de imanes puede permanecer constante indefinidamente.

Estos imanes tienen alta inducción magnética, alta resistencia a la desmagnetización y alto contenido de energía, e incluyen una variedad de aleaciones, intermetálicos y cerámicas.

1.3.1.2. Electroimanes: a diferencia de los imanes permanentes, estos imanes son magnéticos sólo en presencia de una fuerza magnetizante creada por una corriente eléctrica. En algunos casos, esta energía magnética inducida depende de la fuerza, dirección y duración de la corriente.

1.3.2. Terminología relacionada con los imanes: se utiliza una amplia variedad de términos para describir las características de los materiales magnéticos. Algunos de ellos se mencionarán a continuación:

Densidad de flujo magnético: es un método para definir el campo inducido como el número de líneas de fuerza por unidad de área B=FA.

Flujo: es el número de líneas de campo magnético medidas en unidades Gauss o Tesla.

Fuerza coercitiva Hc: También llamada fuerza coercitiva, es el campo magnético Hc necesario para reducir a cero la intensidad inducida B o magnetización M. Se mide en oersteds o amperios por metro y se utiliza para medir la resistencia de los materiales magnéticos a la desmagnetización.

Gauss: es la unidad de inducción B en el sistema gaussiano. 1G=10-4T

Inducción magnética: La fuerza magnetizante o desmagnetizante, medida en oersteds, describe la capacidad de una corriente eléctrica o material magnético para inducir un campo magnético en un área o punto determinado.

Oersted (Oe): es la unidad de medida de la intensidad del campo magnético H en el sistema GSM. 1 vuelta = 0,8 A/cm.

Permeabilidad magnética: es la relación entre el campo magnético aplicado (H) y el flujo magnético (B) μ = B/H. También se define como la facilidad con la que un material se magnetiza.

Producto de energía magnética (BH) Máximo: La energía que un material magnético puede suministrar a un circuito magnético externo cuando opera en un punto determinado de su curva de desmagnetización. La unidad puede ser Megagauss Oersted, MGOe o KJ/m3.

Resistencia magnética: Es la inversa de la permeabilidad magnética y se define como la resistencia de un material al flujo magnético y por tanto a la magnetización.

Magnetización Remanente (Br): Es la intensidad de magnetización residual después de la magnetización de saturación del imán en un circuito cerrado, que corresponde a la intensidad de inducción magnética residual en el material magnético después de que ha sido magnetizado hasta la saturación y preparado para su uso final. En otras palabras, es la capacidad que tiene un material de retener el magnetismo inducido en él. El magnetismo remanente se mide en Teslas (T) o Gauss (G).

Poder de retención: Es la capacidad que tienen los materiales ferromagnéticos de retener un determinado magnetismo residual.

Saturación: El valor máximo de magnetización, lo que significa que la permeabilidad magnética disminuye al aumentar la magnetización.

Temperatura de Curie (Tc): La temperatura más alta que puede alcanzar un material magnético sin perder su magnetismo permanente. Si se supera esta temperatura (Tc), los materiales ferromagnéticos se vuelven paramagnéticos.

Temperatura máxima de funcionamiento: La temperatura de exposición más alta que un imán puede soportar sin cambios estructurales o inestabilidad operativa.

Tesla: es una unidad de densidad de flujo magnético en el sistema SI. 1 Tesla = 10.000 Gauss.

1.4 Materiales magnéticos

1.4.1. Clasificación de materiales ferromagnéticos: los materiales ferromagnéticos se dividen en materiales magnéticos blandos y materiales magnéticos duros según la fuerza coercitiva Hc.

1.4.1.1. Materiales magnéticos blandos: Los materiales blandos se caracterizan por una alta permeabilidad magnética y baja coercitividad (Hc<1000A/m), lo que facilita la magnetización y desmagnetización. El material blando actúa como un canal de flujo para mantener el flujo y su dirección, como un amplificador de flujo para aumentar la densidad del flujo magnético en el área y como un escudo magnético para proteger el área de campos magnéticos externos. Los materiales blandos más comunes son el hierro, las aleaciones de ferrosilicio, el hierro níquel y las ferritas blandas. Además, podemos encontrar muchos dispositivos como transformadores, motores, inductores y electroimanes.

Al seleccionar materiales blandos se deben considerar la permeabilidad, la magnetización de saturación, la resistividad y la coercitividad. Se requieren una alta permeabilidad magnética y una magnetización de alta saturación para mantener y concentrar el flujo. La alta resistencia y coercitividad son importantes para aplicaciones de alta frecuencia.

1.4.1.2. Materiales magnéticos duros: a diferencia de los materiales blandos, los materiales magnéticos duros se caracterizan por una baja permeabilidad magnética y una alta fuerza coercitiva, normalmente >10000 A/m. Esta última propiedad dificulta la magnetización y desmagnetización del material. Estos materiales se denominan imanes permanentes porque, una vez magnetizados, tienden a permanecer así, lo que significa que son difíciles de desmagnetizar.

Los imanes permanentes se utilizan como componentes que proporcionan campos magnéticos en una variedad de productos, incluidos equipos electrónicos, computadoras, equipos de almacenamiento de datos, equipos electromecánicos, equipos de telecomunicaciones y equipos biomédicos. Las características más importantes a la hora de elegir un imán son aquellas que determinan la magnitud y estabilidad del campo magnético que puede proporcionar. Estos incluyen la fuerza coercitiva Hc, la magnetización de saturación Ms y la remanencia Br, así como el comportamiento de la curva de histéresis en el segundo cuadrante. Esta región del bucle de histéresis a menudo se denomina curva de desmagnetización.

1.4.2. Curva de histéresis o bucle de histéresis: la relación entre la densidad de flujo magnético (o inducción) B y la intensidad del campo magnetizante H en un imán permanente se puede expresar mediante una curva de histéresis. En la Figura 7 se puede ver el famoso bucle de histéresis o característica B-H de los materiales magnéticos. Representa la curva donde la densidad del flujo magnético cambia debido a cambios en la fuerza magnetizante.

El punto O en la Figura 5 representa el estado no magnetizado del material magnético, y la curva de magnetización original está representada por el punto OACD. La curva AEFGHIA es un pequeño ciclo de histéresis que se obtiene cuando el imán no se magnetiza hasta alcanzar la saturación. El punto C corresponde a la saturación magnética del material, es decir el imán ya no contribuye a aumentar la densidad del flujo magnético. Cualquier aumento en B se debe a la relación entre la intensidad del campo magnetizante y la densidad de flujo del entrehierro correspondiente a los imanes. Si H=0, el valor de B viene dado en el punto OE, que se llama remanencia; si B = 0, el valor de H mostrado en OF se llama fuerza coercitiva.

Figura 5. Curva de histéresis

El bucle de histéresis con el área más grande se denomina bucle de histéresis máxima y está representado por el punto BCDEFGH en el diagrama de la Figura 6. Si el imán se magnetiza hasta su valor de saturación Bsat, el punto B corresponde al estado de magnetización del material cuando la fuerza magnética se reduce a cero. El valor de la densidad de flujo magnético en el punto B se denomina densidad de flujo magnético residual Br y representa una gran parte del valor de Bsat. Si la fuerza magnetizante aumenta en dirección negativa, la densidad de flujo magnético disminuye hasta que la fuerza coercitiva Hc se vuelve cero.

A medida que la fuerza magnetizante aumenta incluso en la dirección opuesta, se alcanza la saturación del imán en la dirección opuesta -Bsat en el punto E. Cuando la fuerza magnética vuelve a aumentar a cero, la densidad de flujo magnético alcanza el valor -Br. Si la fuerza magnética aumenta gradualmente en dirección positiva, la densidad de flujo magnético sigue una curva desde cero hasta el valor de Bsat en el punto D. El ciclo resultante es la curva de histéresis óptima del material.

1.5. La fuerza electromotriz inducida en el estator.

Para determinar la fem inducida en la bobina del estator usando el método de Lorentz, primero considere el tipo de generador utilizado, en nuestro caso estamos usando un generador de flujo radial. Por lo tanto, supongamos que un conjunto de imanes equidistantes se mueve en paralelo con velocidad angular constante entre un conjunto de bobinas equidistantes, como se muestra en la Figura 6.

Figura 6. Movimiento de los imanes con respecto a las bobinas.

Para determinar la fuerza total del motor eléctrico sobre el devanado del estator, se deben tener en cuenta varios parámetros de la geometría de toda la bobina, por ejemplo:

Número de bobinas por fase.

Número de ganancias por carrete.

Longitud de la bobina.

El diámetro del alambre no se tiene en cuenta, ya que el número de vueltas por bobina es inversamente proporcional al diámetro de los alambres, es decir cuanto mayor es el diámetro, menos alambre hace girar la bobina y viceversa. viceversa.

Esto se debe a que la fuerza electromotriz inducida en el estator es igual a la suma de las fuerzas electromotrices inducidas en cada fase de la bobina, por lo que la ecuación para la fuerza electromotriz inducida del estator se define en la Ecuación 1 de la siguiente manera:

Ɛ = n(v ∗ 2B ∗ l ∗ k) (Ecuación 1)

En donde:
n = numero de bobinas.
v = Velocidad lineal de los imanes.
B = Campo magnético por bobina.
l = Longitud de la bobina perpendicular a la velocidad de giro de los imanes
k = numero de vueltas por bobina
El campo magnético por bobina se duplica debido a que hay dos imanes interactuando a la vez en una bobina, por ende el campo magnético se duplica (figura 7).

Figura 7. Interacción del campo magnético por bobina.

A medida que los imanes giran alrededor del estator, su velocidad lineal se define como el producto de la velocidad angular y el radio de giro, por lo que a partir de la ecuación 2:

Como la velocidad angular normalmente se expresa en rpm, en la ecuación 3 tenemos:

1.6 EJES

Un eje es un elemento que puede ser giratorio o estático, pudiendo denominarse eje o eje dependiendo de su función. El eje es el eje sobre el cual está conectado y gira el sistema de transmisión de potencia, mientras que el eje es el eje alrededor del cual se ubica y gira el elemento de transmisión de potencia, es decir. el eje está estacionario. Esta tecnología se remonta a épocas anteriores, cuando la humanidad, impulsada por el deseo y las habilidades de crear y facilitar el trabajo, creó un sistema de transmisión de energía eficiente, simple pero eficaz en su funcionamiento, allanando el camino para el desarrollo de la tecnología.

1.6.1. Diseño de Eje: Para diseñar un eje, además de las fuerzas generadas por los elementos asociados (como engranajes y poleas), también se deben determinar los parámetros de operación, ya que el movimiento del eje generalmente produce un torque, además de la peso del componente y la carga que soporta el componente Además de la carga generada, el eje debe poder soportar esta torsión. Según el libro Elements of Machines de Bernard Hamrock, el procedimiento correcto para diseñar un eje es el siguiente:

Dibujar un diagrama de cuerpo libre, sustituyendo los componentes apoyados en el eje (engranajes, ruedas dentadas, volantes) por sus correspondientes cargas.

Diagrama de momentos flectores que muestra los momentos flectores que actúan en diferentes planos. El momento interno generado en cualquier punto a lo largo del eje se expresa en la Ecuación 4 como:

Dibujar el diagrama de torque, los torques generados entre los elementos de transmisión deben equilibrarse entre sí.

La sección crítica o posición x se determina donde los momentos de torsión y flexión son máximos. Para materiales dúctiles se utiliza la teoría del esfuerzo cortante máximo, mientras que para materiales frágiles se utiliza la teoría del esfuerzo normal máximo.

1.6.2. Diseño de un eje con rodamiento estático: Hay muchas consideraciones en el diseño de un eje con rodamiento. En el análisis y cálculo, el objetivo principal es determinar el diámetro mínimo permitido en las condiciones requeridas o dependiendo del factor de seguridad dado.

Se deben calcular los momentos de flexión y torsión que actúan sobre el eje de diseño, así como las fuerzas axiles. Los momentos de flexión ocurren cuando hay una carga transversal sobre el eje al que se aplica la Ecuación 5.

Para el par torsor se utiliza la siguiente ecuación 6.

Para la fuerza axial se utiliza la siguiente ecuación 7.

Una vez obtenidos los esfuerzos de flexión y torsión, y siguiendo la Ecuación 8, se obtiene el esfuerzo normal dominante sobre el eje, que es el esfuerzo debido a la combinación de esfuerzos de flexión y corte.

Una vez que se obtienen las tensiones principales y se obtiene un factor de seguridad (según el diseñador o las especificaciones del sistema), se pueden utilizar dos métodos para encontrar los cálculos necesarios, a saber, la teoría de la energía de deformación (DET) y la teoría del esfuerzo cortante máximo (MSST).

Usando la ecuación (DET) (ecuación 9), obtenemos:

Utilizamdo la ecuación (MSST) (ecuación 10) se obtiene que:

Dónde

Sy = resistencia a la fluencia del material del eje hs = factor de seguridad

1.6.3. Diseño de eje cíclico: El diseño de eje cíclico es más complejo que el diseño de eje estático, pero es el más importante ya que el propósito de la mayoría de los ejes es transmitir potencia a través de la rotación. La mayoría de las veces estas condiciones hacen que la carga fluctúe en el tiempo debido a diversos factores como la desalineación o el equilibrio de los componentes asociados. Se divide en materiales quebradizos (como el hierro fundido) y materiales dúctiles (materiales que han sido procesados especialmente). En nuestro campo, nos centramos en las ecuaciones necesarias para diseñar ejes con materiales dúctiles.

Este tipo de diseño tiene en cuenta varios factores clave de rendimiento del eje, como:

Factor de área.

Factores de confiabilidad.

Factor de tamaño.

Estos factores cambian el límite elástico del material durante el proceso de diseño para determinar el tamaño mínimo de trabajo del eje. Antes de diseñar un eje en condiciones cíclicas, se debe determinar la tensión promedio y la tensión variable, que es el intervalo de tensión con respecto al tiempo. En resumen, se refiere a la amplitud del esfuerzo, ya sea de flexión o de torsión. En este caso no es necesario obtener los esfuerzos resultantes de la combinación de dos cargas, porque en este proceso utilizamos cargas independientes, es decir, necesitamos datos separados para el esfuerzo de flexión y el esfuerzo de torsión.

Como se mencionó anteriormente, al diseñar ejes bajo cargas estáticas, también existen dos métodos de diseño bajo cargas cíclicas, a saber, él (MSST) y él (DET) mencionados anteriormente. Encontró el factor de seguridad basado en (MSST) utilizando la Ecuación 11.

Pero si se desea hallar el mínimo diámetro se utiliza la ecuación 12, donde:

Según el (DET) para hallar el factor de seguridad se utiliza la ecucaión 13.

Pero si se desea hallar el mínimo diámetro, se utiliza la ecuación 14 donde:

Donde:

2. DESARROLLO

2.1. ELABORACIÓN:

Luego de consultar la literatura necesaria para el desarrollo del proyecto, se desarrollaron los cálculos necesarios para la construcción del generador de imanes permanentes, el cual fue fundamental para el funcionamiento del sistema. La ejecución del proyecto requirió una revisión completa del rotor convencional del generador, utilizando un rotor especial que pudiera acomodar imanes de neodimio (Fig. 9), que son una parte importante del sistema, ya que sin estos imanes sería imposible producir electricidad.

Figura 9. Rotores convencionales y de ingeniería.

Además, la selección y fabricación de la segunda bobina se realizó en paralelo en función de los parámetros de generación de corriente requeridos (Fig. 10), ya que la bobina original fue diseñada para alcanzar una potencia significativa a velocidades de rotación superiores a 3200 rpm. La figura 11 muestra un generador de imanes permanentes.

Figura 10 Bobina original y bobina modificada

Figura 11. Generador de magnetos permanentes.

2.2. PRUEBAS DEL GENERADOR

Para ello se realizaron pruebas del generador de imanes permanentes en un torno ubicado en el Laboratorio de Procesos Industriales de la Universidad Pontificia Bolívar en Bucaramanga (Figura 12) para determinar la potencia máxima que puede proporcionar la máquina y compilar la curva de comportamiento del generador de imanes permanentes preparado. máquina. Datos necesarios para obtener el rendimiento del magneto y del generador. Estas pruebas se realizaron utilizando juegos de resistencias de 80 ohmios (Fig. 13) y 11 ohmios (Fig. 14) para determinar su comportamiento, así como utilizando las distintas conexiones que se pueden realizar en los devanados del estator.

Figura 12. Pruebas del generador en el torno.

Figura 13. Resistencias de 80 Ω c/u

Figura 14. Resistencia de 11 Ω

3. DISEÑO BÁSICO

Además de reducir la contaminación, el diseño de generadores de imanes permanentes también tiene que abordar diversas cuestiones, como el funcionamiento óptimo a las bajas velocidades de rotación para las que están diseñados estos sistemas, y la reducción de la contaminación, ya que los generadores tradicionales. . requiere un mayor consumo de energía. Se derivan de su generación porque tienen que suministrar corriente al rotor para crear un campo magnético en él. El diseño se basa en el uso de un alternador de un vehículo común. (Figura 15).

Figura 15. Alternador seleccionado para la modificación.

3.1 DISEÑO DEL ESTATOR

El tamaño del estator fue un obstáculo, ya que originalmente se esperaba hacer un rotor con una capacidad de 16 polos, pero debido a la falta de espacio en el núcleo del estator, el sistema se modificó para una capacidad máxima de 14 polos. energía utilizable a través de imanes. La Ecuación 15 gobierna el comportamiento de la generación actual en el generador.

De ello se deduce que para obtener más energía eléctrica a una velocidad de rotación relativamente baja, es necesario aumentar el flujo magnético en el estator, razón por la cual el rotor, como se mencionó anteriormente, se diseñó inicialmente con 16 polos (imanes). , pero debido al tamaño del estator, el número máximo de polos debería ser 14. Sin embargo, para compensar la falta de campo magnético de los dos imanes y conseguir una mayor producción de energía eléctrica, se decidió aumentar la estructura del dispositivo. K constante y cambie el devanado del estator a un calibre mayor y un número de vueltas por bobina, lo que da como resultado un cable de calibre 20 y un total de 40 vueltas por bobina. El estator consta de tres fases, cada fase tiene 9 bobinas, por lo que hay 27 bobinas en el estator.

Usando la ecuación 3 se tiene que:

De la ecuación 15 se deduce que:

Para cables de calibre 20, la constante de estructura del generador k resultante es 0,53, lo cual es un valor excelente, ya que la mayoría de los motores (motores eléctricos o generadores) suelen tener una constante de estructura de aproximadamente 0,2 debido al diámetro más pequeño de estos motores, es decir, el diámetro es más grueso y, por tanto, el número de vueltas de la bobina es menor.

3.2 DISEÑO BÁSICO DEL EJE.

Para la estructura básica del eje se elabora un diagrama del cuerpo libre (Fig. 16), que muestra las cargas que soporta el eje. El diseño del eje base utiliza ecuaciones de los capítulos 7 y 11 del libro de Hamrock Bernard.

Figura 16. Diagrama de cuerpo libre del eje.

Donde "W" es igual al peso combinado del soporte del imán y el imán de neodimio, que pesa aproximadamente 26,4 newtons.

Una vez dibujado el diagrama de cuerpo libre, se calculan las fuerzas de reacción sobre los soportes del eje y luego se dibuja el diagrama de fuerza cortante versus momento flector (Figura 18).

Figura 17. Diagrama de cortantes y momentos flectores.

El generador está diseñado para suministrar una potencia aproximada de 1000 Wattios, a 1200 rpm. de esto se deduce que:

3.2.1 Esfuerzos alternantes: Son generadores por la fuerza ejercida debido al peso del porta magneto y los imanes

Esta ecuación queda en función del radio del eje, ya que el diámetro mínimo se encontrará en base a un factor de seguridad igual a 2.

3.2.2. Esfuerzos medios: Son provocados por el par presente en el sistema.

Para desarrollar este diseño, se tuvo que cambiar el límite de fatiga en consecuencia, lo cual se investigó y demostró según la ecuación 7.16 en la página 270 del libro de Hamrock y se expresa como:

Los factores de modificación a la fatiga se muestran en la tabla 1.

Tabla 1 factores de modificación a la fatiga.

3.2.3. Sensibilidad de corte: Basado en 6.5. (b) y (c) y 7.6. Imagen en las páginas 225 y 272 del libro de Hamrock suponiendo:

Usando la línea de Goodman en la página 281 del libro de Hamrock, tenemos:

Inicialmente, el diseño del eje eligió un diámetro de 7/8" (22,22 mm) para usar cojinetes que se ajustaran a la carcasa del generador. Esta medida era perfecta para la tarea y, por lo tanto, la seguridad del eje era:

Para validar estos análisis, realizamos simulaciones utilizando ANSYS versión 12.0, un programa de análisis estructural basado en sistemas de elementos finitos, para visualizar el posible comportamiento del eje bajo carga. La Figura 18 muestra el diagrama de cuerpo libre del eje, y la Figura 19 muestra la deformación del eje debido a la carga de apoyo. Debido a la alta resistencia del material AISI 4140, las deformaciones son pequeñas, y en la Figura 20 se muestra el factor de seguridad del eje, que arroja valores cercanos a los obtenidos de los cálculos analíticos realizados en 3.2. en la sección. La Tabla 2 compara los factores de seguridad obtenidos mediante fórmulas y simulaciones.

Figura 18. Diagrama de cuerpo libre.

Figura 19. Deformación total del eje en milímetros.

Figura 20. Factor de seguridad del eje.

Tabla 2. Comparación factor seguridad.

Basándose en matemáticas y cálculos, se determina que el diámetro seleccionado es ideal para el trabajo en cuestión. Por lo tanto se utilizará un eje AISI 4140 de 7/8” de diámetro.

3.3. ANÁLISIS MODAL

Una vez determinadas las dimensiones del eje, realizamos un análisis computacional para determinar las frecuencias naturales del eje y del soporte del imán y verificamos que el sistema sea adecuado para operar a velocidades angulares entre 0 y 1300 rpm. La Tabla 4 muestra algunas de las frecuencias naturales y las rpm a las que se encontraron, mientras que la Tabla 3 muestra las distorsiones producidas por cada frecuencia. La Figura 21 muestra el fenómeno de deformación para el sistema eje-portaimán a una frecuencia de 1243.8 Hz, donde se puede apreciar una ligera expansión radial del portaimán.

Tabla 3. Deformación del sistema según frecuencia.

Tabla 4. Frecuencias naturales y sus velocidades de giro.

Figura 21. Deformación eje y portal imanes con frecuencia de 1243.8 Hz

A través del análisis y las observaciones anteriores, se ha establecido que la pieza es adecuada para operar dentro de los parámetros de diseño acordados para generar electricidad.

3.4. ANÁLISIS DE TEMPERATURA

Este análisis se realizó para determinar la temperatura que pueden alcanzar los imanes durante la operación de generación de energía para evitar su daño, ya que no deben exceder aprox. 80 grados centígrados, porque una vez alcanzado este valor, los imanes pueden perder hasta el 80% de su energía magnética, dejándolos inútiles para este proceso de generación. Este análisis se realizó utilizando el software de simulación SolidWorks Flow Simulation versión 2011. La Tabla 5 muestra el perfil global del generador producido por la simulación. La Figura 22 muestra la distribución de temperatura para cada imán en grados Celsius.

Tabla 5. Datos obtenidos, simulaciones de fluidos y temperaturas.

Figura 22. Temperatura de los imanes.

Durante las pruebas de simulación del generador, se encontró que la temperatura de los imanes aumentó de 31 a 37 grados centígrados, en este rango los imanes podían funcionar sin riesgo de desmagnetización, ya que este fenómeno ocurre a temperaturas que alcanzan alrededor de 80 grados. Celsius.

3.5. PROBLEMA DE GENERACIÓN

Al iniciar el desarrollo del proyecto se determinaron parámetros para el uso de 14 imanes en el rotor, tal como se describe en el 3.1. sección para lograr un mayor campo magnético y por lo tanto una mayor producción de corriente. Sin embargo, con el tiempo se descubrió que el diseño del conjunto de 14 imanes en el rotor no podía proporcionar suficiente campo magnético al núcleo seleccionado, ya que el núcleo y

El rotor debe cumplir con el parámetro básico, que se omitió al inicio de la construcción debido al desconocimiento de las ecuaciones, descubierto durante las últimas investigaciones.

La ecuación 16 define la relación entre el rotor y el núcleo, que se define como:

Dado que el núcleo tiene 36 elementos, la relación núcleo-rotor de 14 imanes no es suficiente para producir un campo magnético satisfactorio porque:

Por tanto, en cada bobina de fase interactúan tres fuerzas magnéticas (Fig. 23), ya sea negativa-positiva-negativa o positiva-negativa-positiva, dependiendo del momento de interacción de los imanes. La acción de estas tres fuerzas conduce a la falta de un campo magnético ideal, ya que en cada bobina sólo deberían interactuar dos fuerzas opuestas.

Figura 23. Interacción del campo magnético, con 14 imanes.

Conseguir un núcleo con 42 celdas para unir eficazmente un rotor de 14 imanes es comercialmente difícil de conseguir y requeriría cambiar el cuerpo del generador, es decir. todo el diseño se reconstruiría desde cero, lo que supondría un gran presupuesto y tiempo, por lo que se decidió extraer dos imanes del rotor y distribuirlos uniformemente por todo el rotor. De esta manera tienes:

Como resultado, se logra la interacción de dos fuerzas magnéticas opuestas en la bobina (Fig. 24), lo que da como resultado un campo magnético satisfactorio para generar energía eléctrica.

Debido a la reducción y redistribución de los imanes, la separación de los imanes aumenta significativamente, lo que resulta en un debilitamiento del campo magnético debido al espacio vacío en el que interactúa completamente la fuerza magnética del imán, que se resume en lo siguiente: la producción de electricidad se reduce.

Figura 24. Interacción del campo magnético con 12 imanes.

4. RESULTADOS Y ANÁLISIS

Con base en el análisis estadístico realizado, se determina el número de pruebas a realizar con base en los márgenes de error requeridos obtenidos de la Ecuación 17.

4.1. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA

Como se menciona en 3.5. En esta sección, era matemáticamente imposible hacer pasar una corriente eléctrica a través de un rotor con 14 imanes debido a la interacción de más de dos campos magnéticos en las bobinas, por lo que se modificó un rotor de 12 polos para lograr la dinámica. Estos resultados se muestran en la Tabla 6. La Figura 1 muestra el funcionamiento de cada rotor a igual carga, conexión y velocidad.

Tabla 6. Potencia de entrega por cada rotor en la bobina modificada.

Gráfica 1. Potencia entregada por cada rotor en la bobina modificada.

Como se menciona en 3.5. en sección... La interacción de más de dos fuerzas en la bobina afecta la potencia de salida del generador, lo cual se puede observar en la Figura 1, donde domina la curva producida por el rotor de 12 polos. Todo el diagrama produce más de 300 vatios de potencia y un rotor de 14 polos no puede producir 1 vatio.

4.2 TIPOS DE BOBINADOS

Como parte de los parámetros de adquisición de datos, se probaron dos tipos de bobinas, una siendo la bobina generadora original y la otra la bobina modificada. Esto fue para determinar la salida actual de cada bobina en las mismas condiciones. factor de capacidad.carga (Tabla 7), pero dado que la constante estructural k es diferente para cada estator, los devanados no se pueden comparar. La Figura 2 muestra el comportamiento de generación de cada máquina.

Tabla 7. La corriente suministrada por la bobina bajo las mismas condiciones de carga y conexión.

Gráfica 2. Potencia entregada bobina original.

Gráfica 3. Potencia entregada bobina modificada.

4.3 CONEXIÓN DE BOBINA

La bobina del generador modificado se construye con cuatro tipos diferentes de conexiones que se obtienen conectando los cables que se muestran en la Tabla 8.

Tabla 8. Método de conexión de bobina.

4.3.1. Análisis de conexión de bobinas: Dado que las bobinas están diseñadas con múltiples conexiones, como estrella, doble estrella, delta o doble delta, se realizaron pruebas para determinar qué tipo de conexión proporciona una mejor captación de corriente (Tabla 9). La Figura 3 muestra cómo el comportamiento de la bobina modificada depende del tipo de conexión.

Tabla 9. Perfil actual por tipo de conexión.

Gráfico 4. Potencia según tipo de conexión.

Después de los datos de la prueba, se determinó que el método de conexión para obtener la mejor carga de energía eléctrica es un método de conexión en estrella simple y, por lo tanto, todas las pruebas relevantes del generador se llevan a cabo utilizando este método de conexión.

4.4 FUENTE DE ENERGÍA

En la Tabla 10 se muestran los resultados obtenidos de la prueba del generador a diferentes valores de carga, teniendo en cuenta el rango de error calculado para cada valor obtenido, como se muestra en el siguiente ejemplo con una carga de 240 Ω y una velocidad de rotación de 320 rpm.

Tabla 10. Datos potencia generador eléctrico.

El margen de error que se muestra en la tabla 10 es el producto del cambio de energía durante la prueba, debido a que la carga aplicada se llama carga variable, debido a que estas resistencias aumentan su resistencia y diámetro al aumentar la temperatura, además del efecto de la longitud, debido a que las resistencias utilizadas son de diferentes formas y tamaños, esto provoca diferencias en los valores obtenidos.

4.4.1. Análisis de Potencia: En los datos obtenidos durante las pruebas (Apéndice A), se puede observar un patrón claro en la generación de energía, donde se puede determinar que a mayor carga resistiva, mayor energía producida. Alimentado por un generador de imanes permanentes (Figura 4). Sin embargo, a medida que aumenta la carga, la corriente disminuye (Figura 6), pero el voltaje de salida aumenta (Figura 5).

Figura 5. Potencia obtenida en función de la carga.

Gráfica 6. Voltaje producido según carga.

Gráfica 7. Corriente producida según carga.

4.5 TORQUE

Inicialmente, los datos de torque se recolectaron utilizando un pequeño banco de pruebas equipado con un motor Siemens de 1 HP y un convertidor de frecuencia, ambos pertenecientes a la Universidad Pontificia de Bolívar, campus Bucaramanga. Sin embargo, el par del motor de 1 caballo de fuerza no fue suficiente para generar energía eléctrica, por lo que se realizaron pruebas de par en una máquina herramienta instalada en un torno de laboratorio de procesos industriales para determinar el par consumido por la máquina durante su operación y la eficiencia neta de la máquina. . generador. La Tabla 11 muestra el par según la carga resistiva, mientras que la Figura 7 muestra el par de cada resistencia a diferentes velocidades de rotación.

Tabla 11 Torque según carga.

Gráfica 8. Torque según carga.

4.5.1 Análisis de torque: Como se muestra en la Figura 7, a medida que la carga resistiva disminuye, el par aumenta significativamente, lo cual es causado por el aumento de la fuente de alimentación, como se muestra en la Figura 6, se debe al campo magnético del imán. y el campo magnético del hierro del estator producido por el núcleo.

4.6 EFICIENCIA MAGNÉTICA

Para poder determinar la eficiencia magnética del generador es necesario conocer la energía máxima que pueden entregar los imanes, lo cual requiere del producto máximo del volumen de los imanes y el (B-H) que tienen esos imanes. La Tabla 12 muestra algunas propiedades de los imanes de neodimio.

Tabla 12. Propiedades de los imanes.

Este comportamiento se rige por la Ecuación 17.

En base a estas propiedades, comenzamos a calcular la energía máxima que aporta el imán, como resultado de lo cual:

Para determinar la potencia eléctrica máxima suministrada por el imán, simplemente multiplique esta por la velocidad angular de rotación, es decir, si la máquina está girando a 320 rpm, la potencia eléctrica máxima suministrada por el imán será:

4.6.1. Análisis de eficiencia magnética: Con base en los resultados obtenidos se determina la eficiencia magnética del equipo (Tabla 13).

Tabla 13. Eficiencia magnética del alternador con carga de 240 Ω.

La eficiencia magnética es el producto de la fuerza que ejerce un imán sobre una bobina para producir electricidad; la eficiencia máxima alcanzada en las pruebas fue de aprox. 30%. Esta ineficiencia se debe a la separación de los imanes incrustados en el rotor, provocada por las modificaciones realizadas en el mismo, retirando dos de los catorce imanes para obtener un campo magnético satisfactorio. Además del desgaste constante de los imanes debido a las fuerzas de oxidación naturales (Fig. 25), también existen dificultades para manipularlos debido a su fuerte fuerza magnética. Por estos motivos, los valores de eficiencia magnética son bajos. Sin embargo, este valor es aceptable porque el generador está diseñado para alcanzar 1 kW de potencia y se espera una eficiencia mínima del 50%.

Figura 25. Desglose de los imanes de neodimio.

4.7. LA EFICIENCIA NETA DEL GENERADOR

Como se menciona en 4.5. En la sección, se realiza una medición de par para conocer la eficiencia eléctrica del generador y determinar la viabilidad de utilizar un sistema de generación de energía con imanes permanentes, que es una nueva frontera en términos de generación de energía en la actualidad.

Según los datos obtenidos durante las pruebas, la eficiencia de la máquina depende de la carga resistiva conectada, como se muestra en la Tabla 14. Además, en las Figuras 8 y 9 se muestra que el funcionamiento de la máquina depende de la resistencia a la que está adaptada.

Tabla 14. Eficiencia del generador en función de la carga.

Gráfica 9. Eficiencia a carga de 240 Ω.

Gráfica 10. Eficiencia con carga de 26,6 Ω.

Del desarrollo de los resultados se desprende que el rendimiento energético depende del tamaño de la carga agregada al sistema, esto se puede observar en la figura 8 y figura 9, donde una carga de 240 ohmios proporciona una eficiencia del 42% a 1250 rpm, mientras que una carga de 240 ohmios proporciona una eficiencia del 42%. Una carga de 26,6 ohmios proporciona una eficiencia del 9,74% a las mismas RPM. Estas ineficiencias se deben a fallas en el diseño de la máquina y a espacios entre los imanes dentro del rotor del generador, lo que resulta en un campo magnético más bajo.

5. CONCLUSIONES

Al reducir la carga resistiva conectada al generador, la corriente de salida aumentará pero el voltaje de salida disminuirá significativamente. Se espera que esto cause una reducción en la energía eléctrica debido al diámetro del cable de bobinado y al tipo de conexión.

La constante estructural k de la máquina afecta la producción de electricidad debido a la ecuación de Lorentz, debido a que para aumentar el nivel de producción de energía se debe aumentar el torque requerido por la máquina para producir esa energía.

La principal fuente de falla del generador es el calor que genera, ya que el sistema no debe operarse por encima de los 80 grados centígrados ya que esto puede dañar seriamente los imanes de neodimio, dejando la máquina total o parcialmente inservible.

La eficiencia del generador depende de la carga para la que está adaptado, así como de diversos factores que inciden en la adquisición de un buen campo magnético (por ejemplo, el espacio entre los imanes del rotor) y su desgaste.

La potencia producida por un generador depende en parte de las conexiones de la bobina, ya sea estrella, doble estrella, delta o doble delta.

La potencia generada por un generador depende en parte del espesor del hilo de bobinado, ya que cuanto más fino sea el hilo de bobinado, mayor será el número de vueltas por bobina y por tanto mayor potencia.

6. RECOMENDACIONES

Por la seguridad mecánica y eléctrica del generador, no se recomienda operar a una velocidad superior a 800 rpm para evitar sobrecalentamiento y posibles daños permanentes al equipo.

No utilice el generador durante mucho tiempo (más de 15 minutos) sin un sistema de refrigeración que garantice la seguridad térmica del dispositivo.

Se recomienda reemplazar los cojinetes del equipo por cojinetes con recubrimientos laterales (estaño o caucho) para evitar peladuras de los cojinetes y daños mecánicos al generador.

Rediseñar el sistema de refrigeración de la máquina para que el flujo de aire generado se distribuya uniformemente para evitar cortocircuitos por alta temperatura garantizando al mismo tiempo la suficiente seguridad del operador.

Dado que los imanes son frágiles en un ambiente corrosivo, mantenga el generador en un ambiente controlado ya que estos imanes son de ferrita y, aunque están cromados, fallarán debido a la oxidación.