Alternador Lineal De Velocidad Variable

Descripción de un alternador lineal de 1.5 KVA. proyectado para aplicar a un generador eólico multipala con movimiento lineal alternativo. Se trata de utilizar una turbina multipala de alto par y baja velocidad de las utilizadas para el bombeo de agua. Datos de inicio para el diseño: Este diseño tiene su origen en otro anterior pensado para adaptar a un motor Stirling, con 3 variantes que le proporcionan la posibilidad de trabajar a 750, 1000 o 1500 pulsaciones por minuto. Santiago, que trabaja con turbinas eólicas multipala para el accionamiento de bombas de extracción de agua mediante la impulsión con cilindros y pistones de desplazamiento lineal, denominadas habitualmente como aspirante-impelentes, se interesó por la idea y la posibilidad de adaptar un alternador para ese tipo de trabajo. Santiago planteó: “Me gustaría saber tu opinión al respecto, te doy los datos básicos y me dices que te parece. Hélice multipala (alto par de arranque) de 3 metros de diámetro. Recorrido lineal: 150 mm RPM: entre 15 y 60, cada giro de la rueda sería un recorrido de ida i vuelta del pistón del alternador. Potencia: desde unos pocos vatios a 15 RPM hasta 1.500 vatios a 60 RPM. Destino de la electricidad: rectificarla y cargar baterías, por lo que no es necesario tener una frecuencia exacta.”

Por ello partiendo de esos datos vamos a intentar diseñar una máquina que cumpla esas características. Este alternador también podría ser utilizado en un hipotético aprovechamiento energético del movimiento del oleaje costero, en lo que algunos denominan energía undomotríz Smax= 1500 VA, E= de 25 a 100 Voltios, Imax = 15 Amp. (Se adoptará una baja densidad de corriente para evitar problemas de refrigeración). Potencia de 375 a 1500 VA. El paso polar de un polo, por ejemplo de un polo N al siguiente polo N, son 24 mm, Luego para 144 mm de desplazamiento cada pulsación proporciona 12 ciclos (6 de ida y 6 de vuelta), luego

15 pulsaciones supondrían una frecuencia de 3 Hz. Y 60 pulsaciones nos dan 12 Hz., que usaremos como base de cálculos.

1º Descripción de funcionamiento: El flujo magnético fluye de un norte a un sur a través de un doble circuito magnético paralelo en el que se colocan las bobinas excitadas. Al desplazarse linealmente en vaivén un excitador compuesto de imanes permanentes y de discos polares, estos últimos van encarando los polos, conmutando el flujo e inviertiéndolo: N-S, S-N, y así sucesivamente.

Esquema simplificado de la excitación magnética y circuito de generación eléctrica.

2º Circuito Magnético: El circuito magnético estatórico en este caso no está constituido por palastro compuesto de chapas apiladas de acero para usos magnéticos, ya que debido al bajo rango de frecuencias (3-12 Hz) se puede fabricar de acero dulce magnético, este circuito magnético estará mecanizado para formar unos polos de 6 mm de ancho con un entrante en semicírculo. Este recorte se efectuará en ambas caras de forma alterna, con una separación longitudinal entre ellos de un paso polar de 12 mm, (6 mm del disco y 6 mm del imán) de forma que cuando un disco polar “Norte” encare un polo, el disco polar “Sur” encare el otro polo de la pared opuesta. El recorte se puede realizar dejando lisa la pared opuesta a un polo o tallando un círculo de 70 mm de diámetro y 18 mm de ancho en los huecos centrales y de 12 mm de ancho en el hueco del extremo. Las piezas de ambas caras son idénticas, solo que al montarlas se invertirán para que los polos opuestos no coincidan. Estos polos semicirculares completan el hueco circular de 51 mm de diámetro por el que se desplaza el excitador magnético. (0.5 mm de holgura de entrehierro)

Vista frontal del circuito magnético

Vista lateral del circuito magnético.

Vista 3D de la colocación de los polos alternos. Se dejará asimismo dos espacios de 70x30 mm para alojar las bobinas. En el caso de las opciones para menores corrientes, y por lo tanto hilo de menor sección, será preciso redimensionar estos huecos a un menor tamaño, respetando siempre la distancia de 70 mm. Las piezas rectangulares de los extremos que forman los núcleos de la bobina, serán de 150 x 90 x 30 e irán atornilladas para facilitar la colocación de dicha bobina. Se buscará la máxima planitud, para que al atornillarla no presente rendijas que hagan de entrehierro.

Vista 3D del detalle excitador-polos excitados

3º Excitación magnética: Está constituida por un excitador que se desplaza axialmente entre los polos recortados en el palastro. Este excitador está construido con discos de acero e imanes permanentes colocados de forma alternativa. Los discos realizan la misión de polos magnéticos. A través de estos polos el circuito estatórico recibe el flujo magnético de un conjunto de 12 imanes de Neodimio de forma anular (D= 40 mm, d=16 mm, h=6 mm) con una inducción remanente de B= 1.23 Teslas. De la cual se aprovecharán 0.3 Teslas. De estos imanes simultáneamente siempre trabajan 12 de ellos por lo que: Superficie de 1 imán =0.0010555 M2; 12 imanes 12*0.0010555=0.0126669 M2 Y si estimamos una reducción de B=1.2 Teslas a B=0.3 Teslas debida a la presencia de un entrehierro de 1 mm (0.5x2), nos proporcionan un flujo total de 0.0038 Weber. Los imanes en forma de anillo, van insertados en un eje de acero inox. amagnético de 16 mm de diámetro.

Imán Neodimio; Orientación: Axial, Grado: 35, Medidas: 40x16x6

Entre imán e imán y en ambos extremos irá colocada el disco de acero dulce que cumplirá la misión de zapata polar. Esta pieza será de 50 mm de diámetro y 6 mm de espesor. Dada la alta tendencia a la corrosión del Neodimio, conviene sellar los imanes, rellenando con Epoxy u otro producto similar el hueco resultante de la diferencia de dimensiones entre las piezas polares del excitador y los anillos del imán de Neodimio. Se debe de respetar la polaridad de los imanes al insertarlos en el eje.

Vista lateral del excitador de imanes permanentes con 24 imanes. Los imanes al estar encarados por polos opuestos (N con N y S con S) ejercen una fuerza de repulsión magnética de unos 22 Kg. por par de polos encarados, esto obliga por necesidades del montaje a roscar el eje de inoxidable de 16 mm, y roscar también las zapatas polares para que hagan de tuercas de sujeción, una a una. Por ello se debe limitar el eje de acero inoxidable roscado a la longitud de los imanes, más unos 30 mm por ejemplo en cada lado, y usar dos redondos postizos de acero común de buena calidad de 25 o 30 mm de diámetro y unos 150 mm de longitud, con un agujero interior roscado a 16 mm de unos 30 a 35 mm de profundidad, donde se roscaría el eje de los imanes. Usando una tuerca de acero inoxidable de 10 mm de espesor como separador magnético entre las zapatas polares y el postizo de acero común. Si los cojinetes guía fuesen de bronce se puede prescindir de esta tuerca. Ese eje postizo y liso es el que se deslizaría por los cojinetes-guía.

4º Circuito de generación eléctrica: Vamos a calcular una salida de 25 Voltios a 3 Hz. (15 p/m) Está constituido por dos bobinas de 250 espiras cada una, conectadas en serie, el número sale de: E = 4.44 * flujo * f * N 25 = 4.44*0.0038*3*N; N = 25/0.0506 = 493,9 espiras, adoptamos 500, como son 2 bobinas: 500/2= 250 espiras/bobina Verificamos para 60 pulsaciones/ minuto;

Frecuencia 0.2*60 = 12 Hz.

E = 4.44*0.0038*12*250 = 50.6 Voltios/bobina; Voltios totales = 101,23 V. La máquina dará 0.2 Hz y 1.687 Voltios por pulsación/minuto. El hilo del bobinado será de cobre esmaltado de 6 mm2 de sección. (Que corresponde a un diámetro de 2.76 mm). Supone una baja densidad de corriente obligada por las características térmicas de la máquina. Las bobinas estarán devanadas en el mismo sentido de giro y la salida de una se conectara a la entrada de la otra. Área de la sección de bobina: 1.2*6*250 = 1800 mm2; Luego su espesor: 1800/70 = 25.7 mm, adoptamos 30 mm. Cada bobina será de 210x150x70 mm, con un hueco interior de 70x30 mm.; La espira media será ((210+150) /2 + (90+30)/2))*2 = 480 mm.

Vista lateral del alternador lineal.

Vista frontal del alternador lineal.

5º Estudio de saturación. En un polo: Superficie polar 0.000471 m2.; Flujo por polo: 0.0038/12 = 0.0003166 Weber; B = 0.0003166/0.000471 = 0.67 Teslas En el núcleo: Superficie del núcleo de la bobina: 0.070 x 0.150 = 0.0105 m2.; Flujo: 0.0038 Weber. B = 0.0038/0.0105 = 0.362 Teslas. No existe ningún riesgo de saturación magnética.

6º Cálculo del esfuerzo en el eje del generador lineal. Para la potencia máxima de 1500 W, con 60 p/m, y una carrera de 150 mm, tenemos que calcular la fuerza resistente del alternador para el pico de la potencia máxima, que será por lo tanto 1500 por (raíz de 2) = 2115 W Tenemos 1 p/seg. y por lo tanto una velocidad media de 0.3 metros/seg., si a esta velocidad la consideramos como senoidal, el pico máximo de velocidad será 0.3 por (raíz de 2) = 0.3*1.41 = 0.425 metros/seg. Luego como S = F * V;

2115 = F * 0.425 F = 4976.47 Newton. Que suponen 507.3 Kg.

Los 16 mm de diámetro suponen 201 mm2, con lo que el esfuerzo quedaría en 2.52 Kg./mm2. que se estima como muy bajo.

7º Dimensiones y montaje: El diámetro interior por donde se desliza el excitador será mecanizado a 51 mm. dejando una holgura o entrehierro de 0.5 mm, con respecto a las zapatas de 50 mm de diámetro del excitador. Las dimensiones totales del conjunto del circuito magnético con bobinas y excitador son aproximadamente: Alto: 410 mm. Ancho: 120 mm. Largo: 480 mm (Incluida carrera); El eje sería de 620 mm. El conjunto puede ir montado en una caja o carcasa de aluminio rectangular de aproximadamente 420 mm de altura interior, 180 mm de ancho y 510 mm de longitud (medidas internas), y unos 30 mm de pared, u otra carcasa similar. Se podría dotar de aletas externas de refrigeración si se comprobase su necesidad, las pérdidas Joule evaluadas teóricamente parecen indicar la necesidad de algún tipo de refrigeración. Por ello se deben colocar puentes térmicos entre el estator y la carcasa de forma que se pueda evacuar el calor de las perdidas al exterior, esos puentes térmicos pueden consistir en forros de Al, Cu u otro material buen conductor térmico En los escudos o tapas de la caja se alojarán los 2 cojinetes-guía del eje, que se realizaran en bronce del usado habitualmente en cojinetes.

8º Perdidas por efecto Joule e histéresis. Longitud de la espira media 480 mm. Longitud total del hilo = 500 x 0.48 = 240 mts. R= 1/56 * L/s = 240/(56*6) = 0.71 ohmios. Pcu= 0.71* 15^2 = 159.75 vatios, 80 vatios por bobina, estas pérdidas son altas, pero admisibles. Este nivel de perdidas es consecuencia de las premisas de diseño, en el que se buscó una tensión de 25 V a muy baja frecuencia, lo que obliga a un alto número de espiras y por ello una importante resistencia ohmica y al mismo tiempo se desea una corriente de 15 Amp., factores que combinados elevan mucho las perdidas por efecto joule. Parece necesario colocar algún elemento disipador de calor en la carcasa. Las perdidas magnéticas son despreciables por trabajar a muy baja frecuencia. Como el regulador de carga electrónico empieza a trabajar con 8 V, la corriente a 15 p/m alcanzará sin problemas los 15 Amp. nominales. Ya que 15*0.71 = 10.65 V de caída de tensión, y 25 V-10.65 V nos dan 14.35 V eficaces de C.A. a 3 Hz. Esta máquina bien refrigerada puede aportar hasta unos 2500 Vatios, 25 Amp. a 100 Voltios, sin prácticamente ningún problema, siempre y cuando la turbina eólica se los pueda suministrar.

Víctor Luis Álvarez. Para cualquier aclaración o comentario, se puede contactar con el autor en: [email protected]