DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UNPROTOTIPO DE UN MOTO-GENERADOR

MAGNÉTICO

10 de julio de 2012

LUIS ENRIQUE PEDRAZA C. COD: 20102283035 luenpeca86@hotmail.comSERGIO ARTURO IBÁÑEZ O. COD: 20102283005 saio@colombia.com

UNIVERSIADAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDASFACULTAD TECNOLÓGICAINGENIERÍA EN CONTROL

1

Índice1. INTRODUCCIÓN 4

2. ESTADO DEL ARTE 52.1. MAGNETISMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2. MOTOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2.1. Clasificación de Motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2.2. Motor Eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.3. IMANES PERMANENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.3.1. Tipos De Imanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.4. MOTOR MAGNÉTICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3. JUSTIFICACIÓN 9

4. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA 10

5. OBJETIVOS 105.1. OBJETIVO GENERAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

6. ALCANCES Y LIMITACIONES 11

7. RESULTADOS 11

8. METODOLOGÍA 11

9. CRONOGRAMA 12

10.PRESUPUESTO 15

Referencias 16

2

Índice de figuras1. Bosquejo De un Motor Magnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42. Ley De Atracción Y Repulsión Magnética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53. Esquema De Un Motor Eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54. Motor de Combustión Interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65. Motor Eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76. Imanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77. Imanes de Neodimio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88. M.A.E. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89. Fuentes De Energía No Renovables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 910. Fuentes De Energía Renovables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 911. Primer Diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Índice de cuadros1. Cronograma De Actividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142. Presupuesto Global De La Propuesta Por Fuentes De Financiación . . . . . . . . . . . . 153. Descripción y Cuantificacion de Equipos de Uso Propio . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154. Materiales Y Suministros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3

1. INTRODUCCIÓNEste documento trata sobre la propuesta para trabajo de grado, donde se proyecta desarrollar un

moto-generador magnético, basándonos en el principio de repulsión de los imanes permanentes, dichacaracterística se aprovechará distribuyendo de forma conveniente unos imanes en un rotor y estator,como se muestra en la figura 1, y así producir un movimiento rotacional el cual se aprovechará paraproducir energía eléctrica.

Figura 1: Bosquejo De un Motor Magnético

Los desarrollos sobre estos motores que se efectúan en la actualidad aun están en prueba, general-mente la información que se encuentra trata sobre aficionados que fabrican un prototipo en su taller,dicha información generalmente son videos de motores caseros pero que demuestran su funcionamiento.inclusive uno esta aplicado a la generación de luz.[1, 2, 3]

La única mención de un estudio formal, fue un vídeo de la presentación de un prototipo en launiversidad de delft en los países bajos donde se expone un motor que mueve unas aspas a granvelocidad.[4]

4

2. ESTADO DEL ARTE

2.1. MAGNETISMOEl magnetismo es un fenómeno físico por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o

repulsión sobre otros materiales (figura 2). Hay algunos materiales conocidos que han presentadopropiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones quecomúnmente se llaman imanes. Sin embargo todos los materiales son influidos, de mayor o menorforma, por la presencia de un campo magnético[5].

Figura 2: Ley De Atracción Y Repulsión Magnética

En magnetismo se conoce la existencia de dos polos: polo norte (N) y polo sur (S), que son lasregiones donde se concentran las líneas de fuerza de un imán. Un motor para funcionar se vale de lasfuerzas de atracción y repulsión que existen entre los polos, como lo visualizamos en la gráfica 3. Deacuerdo con esto, todo motor tiene que estar formado con polos alternados entre el estator y el rotor,ya que los polos magnéticos iguales se repelen, y polos magnéticos diferentes se atraen, produciendoasí el movimiento de rotación.[6]

Figura 3: Esquema De Un Motor Eléctrico

5

2.2. MOTORUn motor es la parte de una máquina capaz de transformar algún tipo de energía (eléctrica, de

combustibles fósiles, etc.), en energía mecánica capaz de realizar un trabajo, el ejemplo clásico de estamaquina es el motor de un automóvil como se puede apreciar en la figura 4 .[7]

Figura 4: Motor de Combustión Interna

2.2.1. Clasificación de Motores

Existen diversos tipos, siendo de los más comunes los siguientes:

Motores térmicos, cuando el trabajo se obtiene a partir de energía calórica.

• Motores de combustión interna, son motores térmicos en los cuales se produce una combus-tión del fluido del motor, transformando su energía química en energía térmica, a partir dela cual se obtiene energía mecánica.

• Motores de combustión externa, son motores térmicos en los cuales se produce una combus-tión en un fluido distinto al fluido motor.

Motores eléctricos, cuando el trabajo se obtiene a partir de una corriente eléctrica.

2.2.2. Motor Eléctrico

Los motores eléctricos utilizan la inducción electromagnética que produce la electricidad para pro-ducir movimiento, según sea la constitución del motor: núcleo con cable arrollado, sin cable arrollado(figura 5), monofásico, trifásico, con imanes permanentes o sin ellos; la potencia depende del calibredel alambre, las vueltas del alambre y la tensión eléctrica aplicada.

6

Figura 5: Motor Eléctrico

2.3. IMANES PERMANENTESUn imán (del francés aimant) es un cuerpo o dispositivo con un campo magnético significativo, de

forma que tiende a juntarse con otros imanes o materiales ferromagnéticos.[8]Existe una gran variedad de imanes en el mercado según el material de fabricación generalmente,

esto determina la calidad del mismo así como sus características, en la figura 6 podemos apreciar unagran variedad de ellos.

Figura 6: Imanes

2.3.1. Tipos De Imanes

ALNICO: compuesto por un 8% de Aluminio, un 14% de Níquel, un 24% de Cobalto, un 51% deHierro y un 3% de Cobre. Son lo que presentan mejor comportamiento a temperaturas elevadas,aunque son susceptibles de desmagnetización. Tienen la ventaja de poseer un buen precio, aunqueno tienen mucha fuerza.

Cerámicos o de Ferrita: Fabricados con Bario y Estroncio. Están compuestos de aproximadamenteun 80% de Óxido de Hierro y de un 20% de Óxido de Estroncio (óxidos cerámicos). Son resistentesa muchas sustancias químicas, disolventes y ácidos. Pueden trabajar a temperaturas de -40 ºCa 260 ºC. Las materias primas son de fácil adquisición y de bajo coste. Son resistentes a muchassustancias químicas, como por ejemplo a los disolventes, lejías, y ácidos débiles.

7

De Tierras Raras. Son metálicos, con una fuerza de 6 a 10 veces superior a los materiales mag-néticos tradicionales y con temperaturas de trabajo que varían según el material. El Neodimio(figura 7), su temperatura de trabajo puede llegar de 90ºC hasta 150ºC, en Samario-Cobalto,pueden llegar hasta 350ºC. La utilización de estos imanes está condicionada por la temperatura.Para evitar problemas de oxidación en los Neodimio, se recubren según necesidades, los imanesde Samario no presentan problemas de oxidación.[9]

Figura 7: Imanes de Neodimio

2.4. MOTOR MAGNÉTICOUn motor magnético es un dispositivo que genera energía mecánica basándose en un sistema de

imanes permanentes dispuestos de manera conveniente, para producir un movimiento rotativo continuo,mientras que dure la energía magnética encerrada dentro de los imanes. [10]

En la figura 8 vemos la construcción de un motor desarrollado como demostración del principio defuncionamiento.

Figura 8: M.A.E.

8

3. JUSTIFICACIÓNLos principales recursos energéticos que utilizamos (el carbón, el petróleo, el gas natural y el

uranio) son limitados y, por lo tanto, pueden agotarse. Además, su utilización provoca un gran impactoambiental en la biosfera al contaminar el aire, el agua y el suelo tal como se ve en la figura 9. Estoshechos han generado un interés creciente por el desarrollo de nuevas tecnologías para la utilizaciónde fuentes de energía renovables alternativas que, aunque actualmente son poco rentables, tienen laventaja de ser poco contaminantes siendo la energía solar y la energía eólica las mas desarrolladas,figura 10. En la actualidad, en nuestro país, las energías alternativas representan únicamente alrededorde 1,5% de la producción energética.[11]

Figura 9: Fuentes De Energía No Renovables

Figura 10: Fuentes De Energía Renovables

9

4. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMADado que las principales fuentes energéticas del mundo son basadas en combustibles fósiles, recursos

no renovables, y que se está viendo un creciente interés en las fuentes de energías limpias, hemos decididoimplementar un prototipo de un moto-generador cuyo principio de funcionamiento es el magnetismo,creando un fuente de energía teóricamente ilimitada, que podría tener una inversión fuerte pero conretorno de capital a mediano plazo.

Dicho moto-generador es planteado como una fuente de energía de baja potencia para aplicacionesmóviles en principio.

5. OBJETIVOS

5.1. OBJETIVO GENERALDiseñar e implementar un prototipo de un moto-generador utilizando como fuente de energíaimanes permanentes.

5.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS1. Diseñar una fuente de energía alternativa.

2. Identificar el comportamiento de los imanes permanentes.

3. Generar la energía suficiente para aplicarla a un dispositivo de baja potencia tal como un celular,un netbook o inclusive la iluminación de una habitación.

10

6. ALCANCES Y LIMITACIONESEn un principio establecimos una potencia de 50 vatios para el generador, teniendo en cuenta las

observaciones del profesor Hermas Eslava, decidimos dejar abierta la potencia del equipo hasta notener resultados arrojados por las pruebas preliminares.

Es prematuro decir que la energía que se puede producir con este diseño es importante, puesestamos trabajando sobre unas bases muy precarias, lo que si podemos decir es que las implicacionesque pueden resultar sobre los resultados de este proyecto podrían fomentar la investigación en nuestrauniversidad y la universidad pública, porque después de todo el ideal es que la energía sea de libreacceso.

7. RESULTADOSLa conclusión mas importante a la que hemos llegado es la dificultad para determinar la eficiencia

de este tipo de aparatos debido al poco estudio que se ha realizado en este tema, en un principiopodríamos decir que la aplicabilidad es amplia, pero el costo beneficio pude ser muy alto, así como lafactibilidad que no se cuenta con un comercio establecido al respecto.

Debido a que el desarrollo de este proyecto requiere de mucha investigación y aún mas de pruebaspreliminares, hemos decidido no presentar la propuesta al concejo curricular hasta no tener unasnociones mas claras respecto a los resultados que podamos tener.

8. METODOLOGÍADadas las premisas observadas en los diferentes documentos encontrados en el Internet, considera-

mos los siguientes aspectos fundamentales a la hora de la fabricación del motor:

Tipo de imán: es claro que a mayor fuerza magnética del imán a usar, mayor será el desempeñodel motor; lo importante aquí es determinar la relación costo-beneficio de la clase de imán a lahora del montaje, así como de los que sean de fácil acceso en el mercado nacional.

Geometría del dispositivo: gracias a los desarrollos hechos por otras personas, realizaremos dife-rentes distribuciones de los imanes en el rotor y el estator así como de el tamaño para determinarlas relaciones de velocidad, torque, etc. En la figura 11 podemos ver el primer diseño que hemosrealizado según las observaciones a otros motores ya fabricados.

Materiales y componentes: se deberá hacer un estudio de los diferentes materiales y componentesque se requieran en la fabricación del prototipo, tales como clase de cojinetes, teflón, empaq,aluminio, acero, etc.

Fuente de energía: según los resultados en la fabricación del motor, se determinará si es posibleacoplar un generador comercial o se implementará en la estructura interna del motor.

11

Figura 11: Primer Diseño

9. CRONOGRAMAEl cronograma de actividades que planteamos se relacionan a continuación:

1. Investigación de Imanes: estudio de características de los diferentes imanes de fácil adquisiciónen el mercado local.

2. Investigación de materiales estructurales: estudio de los posibles materiales a utilizar en el cuerpoestructural del equipo.

3. Diseños preliminares de las estructuras: se irán realizando diseños con las mejoras pertinentes amedida que van arrojando resultados las pruebas preliminares.

4. Fabricación de estructuras preliminares: se harán varios diseños para determinar cual presentaun mejor desempeño a medida que se observen las características previas.

5. Diseño de mecanismos de control: se estipula que para el control del equipo se haga con unmecanismo comandado por actuadores electrónicos.

6. Fabricación del mecanismo de control: este debe ir paralelo al desarrollo del rotor y estator amedida que se van realizando.

7. Adquisición de imanes: de acuerdo a los resultados que vayamos obteniendo, se compraran imanesadecuados para el proyecto.

8. Pruebas de rendimiento: después de la fabricación de cada uno de los prototipos iniciales, seharán pruebas tales como velocidad, fuerza (torque), a todos y cada uno de ellos para hacer unatabla comparativa de características

9. Fabricación de equipo definitivo: luego de evaluar los prototipos se determinará cual ha tenidomejor desempeño y se fabricará teniendo en cuenta que tanto el diseño así como los materiales ycomponentes sean los más óptimos.

12

10. Pruebas de Laboratorio: se busca llevar a un banco de pruebas para así obtener unos resultadosmás confiables en cuanto a características del motor.

11. Acople del generador: dependiendo de los resultados en cuanto al desempeño del motor, se de-terminará si se puede instalar un generador comercial o se deba diseñar e integrar el generadoral motor.

12. Pruebas de campo: teniendo el equipo prácticamente definido, se harán pruebas en campo realde acción del equipo conectándolo a elementos de consumo tales como celulares, computadoresportátiles, etc dependiendo de la potencia resultante.

13. Ajustes e Imprevistos,: se contemplaron dos semanas para ajustes de ultima hora ante cualquiereventualidad que se nos presente.

14. Informes periódicos: la ultima semana del mes se hará un informe de los avances en el desarrollodel proyecto

15. Elaboración del documento final: se irá documentando el desarrollo del proyecto a medida quese registran los avances para así poder armar el articulo final de una forma más estructurada.

Nota: los meses están divididos en semanas, cada uno de cuatro.

13

ME

SI

ME

SII

ME

SIII

ME

SIV

ME

SV

NACTIV

IDAD

12

34

12

34

12

34

12

34

12

34

1Invest.Iman

esX

X2

Invest.M

aterialesEstructurales

XX

3Diseños

Prelim

inares

Estructuras

XX

XX

XX

4Fa

bricaciónEstructuras

Prelim

.X

XX

XX

X5

DiseñoMecan

ismos

deCon

trol

XX

6Fa

bricaciónMec.C

ontrol

XX

7Adq

uisición

deIm

anes

XX

8Pruebas

deRendimiento

XX

XX

9Fa

bricaciónde

Equ

ipoDefinitivo

XX

XX

10Pruebas

deLa

boratorio

X11

Acoplede

Generad

orX

X12

Pruebas

deCam

poX

X13

Ajustes

eIm

previstos

XX

14Inform

esPeriodicos

XX

XX

X15

Elabo

ración

deDocum

ento

Final

XX

XX

XX

Cua

dro1:

Crono

gram

aDeActividad

es

14

10. PRESUPUESTOPretendemos adjuntarnos aun grupo de investigación o en su defecto conseguir un a ayuda econó-

mica con las que cuenta la universidad para el desarrollo de este tipo de proyectos ya que los recursospersonales con los que contamos no son suficientes para culminar el moto-generador.

FuentesRubros U.D. Contrapartida TotalPersonal 0 $2’000.000 $2’000.000Materiales $1’000.000 0 $1’000.000Equipos $500.000 0 $500.000

Bibliografía 0 $200.000 $200.000Software 0 $50.000 $50.000

Servicios Técnicos $500.000 0 $500.000Total $2’000.000 $2’250.000 $4’250.000

Cuadro 2: Presupuesto Global De La Propuesta Por Fuentes De Financiación

Equipos ValorComputador Escritorio 1200000Computador Portatil 1500000

TOTAL 2700000

Cuadro 3: Descripción y Cuantificacion de Equipos de Uso Propio

MATERIAL VALORImanes $300.000Plásticos $300.000Herrajes $200.000Papelería $100.000

Transportes $100.000TOTAL $1’000.000

Cuadro 4: Materiales Y Suministros

15

Referencias[1] Motor Magnetico REVOLUCIONARIO! - YouTube.

[2] isifix. motor magnetico argentino segundo video. August 2011.

[3] leszwil. CD magnetic motor. September 2009.

[4] Muammer Yildiz . Motor presentado en la Universidad de Delft. June 2012.

[5] Victor Rivera . Electromagnetismo. http://victorgomezciasciasfisicas.blogspot.com/2011_06_01_archive.html.

[6] Motores de corriente directa (C.D.).

[7] Wikipedia contributors. Definicion Motor. Wikimedia Foundation, Inc., June 2012. Page VersionID: 56760764.

[8] Wikipedia contributors. Iman (fisica). Wikimedia Foundation, Inc., June 2012. Page Version ID:56817783.

[9] Imanes de Neodimio.

[10] M.A.E. - Google Docs. May 2012.

[11] ENERGIA LIMPIA,. May 2012.

16