Adaptación de un Generador Eléctrico de Imanes Permanentes y flujo radial

Santos Jaimes Alfonso Ingeniero Mecánico; Estudiante de Maestría en Ingeniería Mecánica, Universidad de Los Andes Álvaro Enrique Pinilla Sepúlveda Ph.D., M.Sc., Ing. Mec., Profesor Titular, Universidad de Los Andes RESUMEN: El objetivo de la presente investigación es la adaptación de un generador eléctrico de flujo radial que permita la obtención de una potencia eléctrica mayor a 400 wattios en condiciones de bajas revoluciones del eje (entre 300 y 1000 RPM) con una eficiencia neta entre el 60 y el 70%. Para el desarrollo de este generador se toma como base un alternador tradicional de carro marca HINO, el cual genera corriente alterna a 3600 RPM en el eje en condiciones normales. Para conseguir el objetivo se reemplaza el bobinado inductor tradicional de los alternadores por 6 pares de polos de imanes permanentes, los cuales no consumen energía para producir el campo magnético además de aumentar el torque inducido en el rotor producto de la interacción con el campo magnético originado por la corriente que circula por el bobinado del estator. Otra modificación importante realizada al alternador fue la utilización de un bobinado inducido con características geométricas opuestas a las tradicionales, es decir un diámetro de alambre pequeño (calibre 16) con un mayor número de vueltas (40) por bobina con el fin de aumentar la constante de construcción de la máquina K y por consiguiente el voltaje y la potencia generada. Palabras Claves: Air Gap, Tierras Raras, Imanes Permanentes, Núcleo Ranurado. 1. INTRODUCCIÓN La obtención de energía eléctrica a partir de fuentes renovables es una necesidad que se hace cada vez más evidente en nuestra sociedad, debido a esto los sistemas eólicos, hidráulicos, etc. han cobrado importancia en los últimos tiempos. Debido al bajo desarrollo de esta forma de obtención de energía en nuestro país es conveniente el desarrollo de maquinas con eficiencias globales (60-70%) y magnéticas (>80%) que permitan un mejor aprovechamiento de los recursos en sistemas de pequeña generación (<100kw). Un generador de imanes permanentes funciona como un sistema sincrónico, la única diferencia es que el rotor donde están adheridos los imanes se encuentra ubicado en la parte interna, y el estator en donde se encuentran las bobinas en la parte externa. [3], [5].

Una de las ventajas de esta clase de generador es que se puede adaptar directamente al rotor del eolo-generador lo que evita la utilización de sistemas mecánicos de transmisión que originan pérdidas indeseables para el sistema. Además esta clase de generadores de imanes permanentes no necesitan de una corriente excitatriz para producir el campo magnético ya que este es suministrado constantemente por los imanes evitando el consumo de parte de la potencia eléctrica obtenida por el sistema. La principal desventaja con respecto a los sistemas convencionales es la baja velocidad de rotación (su rango de operaciones debe estar entre 300 a 1000 RPM), por lo cual para obtener la potencia eléctrica de salida requerida se hace necesario cambios tanto en el bobinado inductor como en el inducido a fin de alcanzar una mayor potencia de entrada en el eje del generador y por consiguiente mejores condiciones de potencia entregada.

2. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN El principal problema que se busca solucionar con el diseño y construcción de este generador es que su funcionamiento sea adecuado aún en condiciones de bajas velocidades de rotación, debido a que los alternadores convencionales de automóviles están diseñados para cargar baterías a 12V cuando su velocidad de rotación se encuentra a 3600 RPM, además para efectos de disminuir costos se optó por la utilización de materiales que se encuentran comercialmente en nuestro mercado. El alternador utilizado es uno marca Hino [14] con un diámetro interno y longitud del estator de 11 y 4 cms respectivamente, las cuales fueron las principales restricciones que se tuvieron en cuenta durante el diseño y selección de los elementos a utilizar en la construcción del generador. La ecuación que rige el comportamiento de generación de voltaje interno en un alternador es[1],[8],[9]:

( )1** wFkE i= donde: E = El voltaje interno generado k = Constante de construcción de la máquina

iF = Flujo magnético a través del estator w = Velocidad angular de giro De la ecuación 1 se puede observar que para obtener el mismo o un aumento de voltaje a bajas condiciones de giro del eje se hace necesario aumentar el flujo magnético que atraviesa las bobinas al igual que la constante de construcción de la máquina. Para conseguir un aumento en el flujo magnético a través de las bobinas del estator se reemplaza el bobinado inductor del alternador por 6 pares de polos de imanes permanentes de tierras raras (Neodimio, Hierro y Boro); los cuales poseen una inducción magnética que es 7 a 10 veces superior a los materiales magnéticos tradicionales1, para este tipo de imanes la temperatura de trabajo puede llegar hasta 120ºC, siendo esta condición una de sus principales desventajas frente a otros materiales magnéticos como el Samario – Cobalto

1 www.calamit.com

donde su temperatura puede llegar hasta los 350 ºC. Si los imanes son sometidos a temperaturas superiores durante su trabajo, estos pueden perder permanentemente hasta el 80% de la capacidad de producir inducción magnética, de tal forma que quedarían completamente inservibles para esta aplicación. Las características geométricas y magnéticas de los imanes utilizados se encuentran enunciadas en la tabla 1 y 2.

Tabla 1. Características Geométricas de los Imanes

Material Longitud Espesor Ancho Tierras Raras 46mm 10mm 21mm

Tabla 2. Características Magnéticas de los Imanes2

Características Magnéticas Producto de (B-H)máxima Remanencia Temperatura de Curie Densidad Fuerza Campo Coercitivo

280 kJ/m3

11400 – 12000 Gauss 120 ºC

7.5 Kg/m3

930kA/m

Estas características permiten determinar la energía máxima que los imanes pueden suministrar cuando son colocados en el generador por medio de la siguiente ecuación:

( ))2(

2** NVHB

E máxM

−=

Donde N es el número de imanes montados en el generador y V es el volumen de un imán. Reemplazando las características del imán seleccionado se obtiene:

2

12*)021.0*01.0*046.0(*321 33 mm

kJEM =

JEM 61,18= La potencia eléctrica máxima que se puede producir resulta de multiplicar la energía máxima de los imanes por la velocidad angular a la cual se encuentran girando.

Tabla 3. Potencia Eléctrica Máxima

RPM P. Eléctrica Máxima (W)

RPM P. Eléctrica Máxima (W)

100 200 300 400

194.88 389.77 584.65 779.53

500 600 700 800

974.41 1169.29 1364.18 1559.06

Para adaptar los imanes al alternador se reemplaza el rotor por uno que permitiera alojarlos adecuadamente. (ver figura 1)

Consegconstrucel aumeinducidalambre Estas mobtencióen condtransfer La potdirectamcausa dde los icircula aLa ecuatorque i

debido dependelas bobconectaconstrucdisminutorque i Cargas de la resistivade espegeneradfuncionde la cvoltaje i

2 www.im

3. PRUEBAS REALIZADAS AL GENERADOR Las pruebas realizadas se dividen en dos partes, la primera, la cual consiste en el montaje del generador en un torno para determinar la máxima

Figura 1. Rotor e Imanes Permanentes uir un mayor valor de la constante de ción de la máquina k , es posible mediante nto del número de espiras por bobina en el o; debido a esto se utiliza un diámetro de calibre 23 con 40 vueltas.

odificaciones del alternador permiten la n de voltajes entre líneas de 60-100 voltios iciones de cargas resistivas para máxima

encia de potencia.

encia de salida del generador depende ente del torque inducido en el rotor por

e la interacción entre el campo magnético manes y el producido por la corriente que través de las bobinas trifásicas del estator. ción que rige el comportamiento de este

nducido es[10]: γτ SenBKH sRind =

a que el campo producido en el estator del valor de la corriente que circula por inas, un aumento en la carga resistiva da al generador con la misma constante de ción de la máquina

sB

K arroja una ción de la corriente y por consiguiente un nducido en el rotor menor.

inductivas y capacitivas aumentan el valor corriente en comparación con cargas s de la misma magnitud. por tal motivo es rarse una mayor potencia de salida del or bajo esas condiciones de amiento. Esto se debe al retraso o adelanto orriente con respecto a la dirección del nterno generado.

a.es

potencia eléctrica que puede suministrar y calcular la eficiencia magnética del sistema; la segunda es el montaje en un banco de pruebas con torquimetro electrónico que permite conocer la potencia de entrada y la eficiencia eléctrica neta del generador. Para realizar las pruebas se determina mediante los test de resistencias, corto circuito y circuito abierto la impedancia interna de cada uno de los bobinados para poder suministrar la carga que permita la máxima transferencia de potencia eléctrica por parte del generador. Los resultados enco trados para el bobinado modificado son:

0

20

40

60

80

100

120

140

0 200 400 600 800 1000

RPMVo

l y A

mp

(Fas

e)Test Circuito Abierto Cortocircuito

Gráfica 1. Test Cortocircuito y Circuito Abierto B. Inicial

G

Lr

ráfic a i

esul

RP

10141928385477

n

a 2. Test Cortocircuito y Circuito Abierto B. Modificado

020406080

100120140160180200

0 300 600 900 1200

RPM

Volt

y A

mp

Circuito Abierto Cortocircuito

mpedancia de cada uno de los bobinados ta de dividir el voltaje sobre la corriente.

Tabla 4. Impedancia de las Bobinas M Impedancia ( )

Bobinado Inicial Ω Impedancia (Ω )

Bobina Modificada 2 1 5 5 7 0 7

0.193 0.208 0.225 00.23 0.25 0.25 0.25

9.36 8.2 7.9 7.8 7.5 7.4 7.4

3.1 Pruebas en el Torno Debido a que no se cuenta con un banco de resistencias que permita cargar el generador con valores pequeños como los requeridos por el bobinado 1, entonces las pruebas se realizaron con cargas de 8.56, 9.97 y 11.8 Ohmios para ambos casos. Por lo anterior es imposible comparar las potencias de salida de los dos bobinados porque son máquinas eléctricamente distintas. Los resultados obtenidos son:

Con estos resultados se determina la eficiencia magnética del generador

Tabla 5. Eficiencia Magnética Bobina Inicial y Modificada RPM Pot.

Eléctrica Máxima (W)

Eficiencia Magnética

Bobina 1(%)

Eficiencia Magnética

Bobina 2(%)102 141 185 285

198.78 274.78 360.53 555.42

0.43 0.87 1.44 1.79

6.28 10.7 21.42 42.35

80

Gráfica 4. Voltajes Producidos por los Bobinados 1 y 2

387 540 777

754.2 1052.37 1514.25

4.49 7.61 11.54

71.04 88.37 93.36

0

10

20

30

40

50

60

70

0 100 200 300 400 500 600 700 800RPM

Volti

os

B1 (8,56 ohmios) B1 (9,97 ohmios) B1 (11,8 ohmios)

B2 (8,56ohmios) B2 (9,97ohmios) B3 (11,8ohmios)

También se realizó pruebas con un motor cuyo factor de potencia es 0.8 conectado directamente al generador, los resultados obtenidos en cuanto a la potencia entregada bajo esta condición de carga es:

500600700800900

1000

Wat

t

8

Gráfica 4. Corriente producida por los bobinados 1 y 2

0100200300400

0 300 600 900 1200RPM

Potencia sin freno Potencia con Freno

Gráfica 6. Potencia producida con y sin freno

0

1

2

3

4

5

6

7

0 200 400 600 800RPM

Am

perio

s

B1 (8,56ohmios) B1 (9,97ohmios) B1 (11,8ohmios)B2 (8,56ohmios) B2 (9,97ohmios) B2 (11,8ohmios)

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

N-m

1600

Gráfica 5. Potencia producida por los bobinados 1 y 2

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 200 400 600 800RPM

Wat

tios

B1 (8,56ohmios) B1 (9,97ohmios) B1 (11,8ohmios)B2 (8,56ohmios) B2 (9,97ohmios) B2 (11,8ohmios)

0

0,2

0,4

0 300 600 900 1200RPMTorque Suministrado

Gráfica 7. Torque de Frenado Producido por el Motor 3.2 Pruebas realizadas en el Banco con Torquimetro Electrónico El propósito de estas pruebas es determinar la eficiencia neta que produce el generador durante su funcionamiento, es decir; cuanta de la potencia

mecánica que le esta siendo entregada al rotor es transformada en potencia eléctrica; para ello se utiliza un torquimetro electrónico OMEGA TQ501-200. Las pruebas realizadas al bobinado modificado con cargas resistivas de 8.56 (condición de máxima transferencia de potencia) y 15.3 ohmios dan como resultado los siguientes valores.

Tabla 6. Eficiencia Neta del Generador con 8.56 Ohmios

RPM Pot IN (W) Pot Out (W) Eficiencia (%)100 200 300 400 500 600 700

60.38 223.93 488.53 847.52 1325.64 1896.3 2560.94

12.63 82.42 276.63 573.45 837.2

1058.66 1262.89

20.92 36.80 56.63 67.66 63.15 55.83 49.31

0,00

200,00

400,00

600,00

800,00

1000,00

1200,00

1400,00

1600,00

1800,00

2000,00

0 100 200 300 400 500 600 700 800

RPM

Wat

tios

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

Efic

ienc

ia (%

)

Pot OUT (P1) Pot IN (P3) Eficiencia (P3)

Gráfica 9. Curva de Potencia del Generador con 15.3 Ω 4. CONLCUSIONES • La potencia de salida entregada por un

generador depende no solo de la eficiencia interna del mismo, sino del torque que induce en el rotor la interacción de los campos magnéticos de los imanes permanentes y el originado al circular corriente por el bobinado inducido.

Gráfica 8. Curva de Potencia del Generador con 8.56 Ω

Tabla 7. Eficiencia Neta del Generador con 15.3 Ohmios RPM Pot IN (W) Pot Out (W) Eficiencia (%)100 200 300 400 500 600 700

43.29 158.18 346.51 603.68 923.45 1325.05 1794.76

12.63 82.42 276.63 573.45 837.2

1058.66 1262.89

0.083 21.24 53.63 64.47 74.13 70.85 64.3

0,00

500,00

1000,00

1500,00

2000,00

2500,00

3000,00

0 200 400 600 800R P M0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

Pot Out (P1) Pot IN (P3) Eficiencia (P3)

• La constante de construcción K de los

generadores no solo influye en la obtención del voltaje interno del generador, sino que de la misma manera contribuye en el momento torsor que experimenta el rotor, modificando la potencia de salida del mismo.

• Un aumento en la carga resistiva adaptada a los

terminales del generador ocasiona una disminución del valor de la corriente que circula por el bobinado inducido y un aumento del voltaje de salida, por lo cual es de esperarse una disminución de la potencia entregada por el generador cuando la constante de construcción de la máquina permanece constante ya que el torque inducido sobre el rotor también disminuye.

• Realizar una comparación directa entre los

bobinados inicial y modificado no es posible debido a que son dos máquinas eléctricas completamente diferentes ya que el valor de la constante de construcción de la máquina para cada uno de los casos varía.

• Una disminución en la carga resistiva adaptada

a los terminales del generador del bobinado inicial ocasiona un aumento del valor de la

corriente que circula por el bobinado inducido y una disminución del voltaje de salida, por lo cual es de esperarse una aumento de la potencia entregada por el generador cuando se cargue con el valor de 0.25 ohmios.

• Utilizar cargas inductivas adaptadas al

generador implica una disminución del voltaje de salida y un ligero aumento en la corriente que circula por el bobinado, por tal razón al compararla con una carga igual netamente resistiva es de esperarse un ligero aumento en el torque inducido sobre el rotor y por tal razón una potencia de salida superior.

• Utilizar cargas capacitivas adaptadas al

generador implica un aumento del voltaje de salida y de la corriente que circula por el bobinado, por tal razón al compararla con una carga igual netamente resistiva es de esperarse un aumento en el torque inducido sobre el rotor y por tal razón una potencia de salida superior.

• La impedancia interna del generador aumenta

cuando se disminuye el diámetro del alambre del bobinado, pasando de 0.25Ω a 9.36Ω, lo que origina una mayor potencia de entrada para que el generador funcione y por consiguiente una mayor producción de potencia eléctrica.

• Lo potencia entregada por el generador a 400

RPM es de 573.45 Wattios con una carga resistiva de 8.56Ω, mientras que con una carga de 15.3Ω la potencia entregada disminuye a 389.19 Wattios, esto debido principalmente a que la potencia de entrada del generador es menor cuando se carga con una resistencia mayor.

• Las principales restricciones de

funcionamiento del generador están relacionadas con la temperatura interna que este puede soportar, la cual no debe exceder de los 120 ºC que es la temperatura de Curie de los Imanes permanentes de Tierras Raras. Un exceso de este valor puede originar la perdida hasta del 80% de la inducción magnética que originan dejándolo inservible, además también se debe tener en cuenta la temperatura que

puede soportar el recubrimiento de las bobinas puesto que excederla implica cortos internos y daño de las mismas.

• La utilización de Imanes permanentes de

Tierras raras (Neodimios, Hierro y Boro) que poseen una alta inductancia magnética permiten la obtención de voltajes (50-120 V), corriente (3-8A) y potencia eléctrica (200-1200W) con el bobinado modificado a bajas revoluciones del rotor (300-700RPM) del generador.

• El comportamiento del generador es

completamente sincrónico en todas las condiciones de giro del rotor, esto se comprobó midiendo directamente la velocidad angular y compararla con la velocidad sincrónica calculada a partir de la frecuencia de salida de la energía eléctrica AC.

5. RECOMENDACIONES • No utilizar el generador por encima de las 700

RPM, debido a que la máxima corriente que puede soportar el alambre de cobre calibre 23 es tan solo de 7 Amperios, un aumento de ella implica una disminución de la vida útil del bobinado llegando incluso a originar cortos internos que las dañarían.

• Diseñar una nueva carcaza o modificar la

existe con el fin de permitir que el aire entregado por el ventilador cumpla más eficientemente con la refrigeración interna del generador, si no es posible entonces buscar alternativas adicionales para evitar un aumento de temperatura con el fin de evitar daños parciales o totales del generador.

• Los cambios geométricos de las bobinas

originan un sobrecalentamiento que puede originar cortos dentro del mismo, por ello se hace necesario la utilización de aislantes tipo F o H [10] que pueden soportar hasta 105 y 125º respectivamente por encima de la temperatura ambiente; además se recomienda el cambio de la carcaza que poseía el alternador ya que no posee ranuras que permitan que el aire entregado por el ventilador ayude a refrigerar

las bobinas del inducido durante el proceso de generación.

• Buscar alternativas que permitan una adecuada

refrigeración interna del generador tales como ventiladores, envolventes, etc. Para poder disminuir el riesgo de fallas durante el proceso de funcionamiento del mismo.

• Adaptar el banco de resistencias construido

para poder obtener cargas resistivas mas bajas (0.5 a 8 ohmios) con el fin de poder comparar los resultados obtenidos para cada uno de los bobinados en condiciones de máxima transferencia de potencia.

5. REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍCAS [1] BERNAL, Iván. Reacondicionamiento del

Aerogenerador Fiva I, Universidad de los Andes, 1994.

[2] FITZGERALD, Arthur Eugene. Electric Machinery, Third Edition, United States, 1971.

[3] LIWSCHITZ-GARIK, Michael. Maquinas de Corriente Alterna.

[4] Manual Delmar de Electricidad y Magnetismo, Tomo I. Editorial Diana, Primera Edición, México 1971.

[5] OROZCO Ramírez Rodrigo. Caracterización y Optimización de un Generador Eléctrico de Imanes Permanentes. Universidad de Los Andes, 2002

[6] PATRICK, Dale R. Rotating electrical machines and power system.

[7] PURCELL, Edward. Electricidad y Magnetismo. Editorial Reverté, Segunda Edición, Barcelona, 1988.

[8] RODRÍGUEZ, Uribe Daniel. Puesta en Marcha de un Aerogenerador, Universidad de Los Andes, 1993

[9] SISKIND, Charles Seymour. Electrical machines; direct & alternating current. 1897.

[10] STEPHEN J. Chapman. Máquinas electrícas, 2ª Edición. McGraw-Hill, 1993

[11] STILL, Alfred. Elementos de Diseño Máquinas Eléctricas.

[12] www.calamit.com[13] www.ima.es[14] www.casapellas.com