Motor síncrono electromagnético controlado

UNIVERSIDAD APEC
Decanato de Ingeniería y Tecnología
ELECTRÓNICA DE POTENCIA
(TEC−154)
PRESENTACIÓN DE PROYECTO
Motor Síncrono Electromagnético Controlado
SANTO DOMINGO, RD
2 de septiembre de 2006
UNIVERSIDAD APEC
Motor Síncrono Electromagnético
Electrónica de Potencia
Presentación
Como proyecto correspondiente a las evaluaciones parciales para la materia Electrónica de Potencia. Nuestro
grupo propone el diseño y la construcción de un motor sincrónico electromagnético, que emula el
comportamiento de un motor de explosión en cilindros, haciendo uso de las leyes del electromagnetismo para
crear campos de atracción y repulsión magnética que producen movimiento, el cual, controlado mediante
circuitos electrónicos y en combinación con artificios mecánicos, genera un torque de rotación que puede ser
empleado para impulsar diversas maquinarias.
El objetivo, ha sido crear una máquina novedosa, funcional pero sencilla a la vez, que ilustre el
comportamiento y funcionamiento práctico de los conceptos aprendidos en el desarrollo de las clases. La
construcción esta planteada partiendo de elementos caseros totalmente asequibles, así como de ciertos
dispositivos electrónicos de uso convencional.
Introducción
El Motor de explosión. Funcionamiento.
Cuando accionamos el arranque de un vehículo, consideramos que lo mas normal del mundo es que éste se
ponga en funcionamiento inmediatamente y pocas veces nos paramos a pensar en la difícil tarea que tiene que
realizar, para que esto sea así de fácil.
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¿Que ha quedado? solo han quedado los elementos que están sometidos a mas altas temperaturas y al mas
duro trabajo, los componentes del tren alternativo pistón, biela, cigüeñal y los encargados de que "cada cosa
se haga a su tiempo",como son los órganos de distribución.
Al motor de cuatro tiempos se le llama de ésta manera, porque efectúa durante su funcionamiento 4 tiempos ó
etapas, dando el cigüeñal 2 vueltas completas ó 720 grados mientras el árbol de levas (cuya misión es abrir las
válvulas) dará solamente 1 vuelta ó 360 grados.
Denominándose Punto Muerto Superior (PMS) cuando el Embolo está en su máxima posición "arriba" y
Punto Muerto Inferior (PMI) cuando está "abajo" los tiempos son
ADMISION−COMPRESION−EXPLOSION−ESCAPE siendo sólo el tercero ó EXPLOSIÓN el único
práctico ó aprovechable" del que se extrae la fuerza" inicialmente describiremos el ciclo Teórico de
funcionamiento y en otra ocasión hablaremos del ciclo Práctico.
Admisión
Cigueñal: Describirá en su giro un ángulo de 180 grados ó media vuelta (en un relog desde las 12h. hasta las
6h.) pudiendo ser el sentido de giro horario ó antihorario según haya decidido el fabricante.
Embolo: En PMS inicia su descenso hasta el PMI, produciendo en su carrera un vació que pasa a ocuparlo el
aire, tanto mas rápido cuanto mas rápidamente descienda el Embolo.
Válvula de Admisión: Inicia su apertura dejando pasar el aire del que hemos hablado anteriormente desde el
Colector de Admisión hacia el Cilindro.
−En motores de Carburación el Cilindro se llenará de Mezcla Aire−Gasolina, ya que el Carburador está
situado en el colector de Admisión y es precisamente la velocidad del aire la que arrastra consigo la gasolina
que hay en él, dosificando esta Mezcla.
−En motores de Inyección en Colector el circuito de gasolina es independiente del flujo de aire pero se mide
éste para su dosado, la pulverización se efectúa enfrente de la válvula de Admisión por lo tanto también sería
Mezcla.
−En motores de Inyección Directa y Diesel sería exclusivamente aire, formándose la mezcla en el interior del
cilindro.
Válvula de Escape: Cerrada
Compresión
Cigueñal: Se encuentra abajo da media vuelta más (en un reloj desde las 6h. hasta las 12h.) hasta alcanzar la
parte mas alta por lo que al acabar éste tiempo habrá completado una vuelta completa ó 360 grados.
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Embolo: En PMI iniciando su ascenso hasta el PMS, comprimiendo el aire ó la mezcla formados en el tiempo
anterior,aumentando su presión y temperatura.
Válvula de Admisión: Cerrada
Válvula de Escape: Cerrada
Explosión
Bujía: Entre sus electrodos salta un arco ó chispa de alta tensión (entre 6000 V y 40000 V ) inflamando la
Mezcla, en un motor Diesel en ese momento se produciría la Inyección de gasoleo (En la práctica tanto la
chispa en la bujía como la inyección de gasoleo se producirían a finales del tiempo anterior en función del
grado de avance).
Cigüeñal: Se encuentra a las 12h. aumenta su velocidad angular y se dirige hacia las 6h. la energía generada
en estos 180 grados es la empleada para efectuar los demás tiempos y su aprovechamiento como propulsor.
Embolo: Está en PMS y a consecuencia de la Explosión que se produce al inflamarse la Mezcla, produce un
desplazamiento vertical de gran violencia por parte del émbolo hacia el PMI, transmitiéndolo a la biela y ésta
al cigüeñal.
Válvula de Admisión: Cerrada
Válvula de Escape: Cerrada
Escape
Cigueñal: Está a las 6h.desplazándose a las 12h.por lo que unido a los tiempos anteriores, se completan 2
vueltas o lo que es lo mismo 720 grados.
Embolo: Se encuentra en PMI y continua hasta el PMS, empujando a los gases quemados en el tiempo
anterior a salir del cilindro hacia el exterior.
Válvula de Admisión: Cerrada
Válvula de Escape:Abierta
Motor Síncrono Electromagnético
El funcionamiento del motor que presentamos, se basa en el principio de acción del motor de explosión
expuesto anteriormente. Varios cilindros donde se produce el continuo movimiento de émbolos que sujetan el
eje del cigüeñal a través de las bielas, para producir la rotación de la volanta acoplada al eje.
En nuestro caso, la fuerza para el vaivén del pistón, ha sido sustituida por la fuerza de atracción
electromagnética alternante de un par de núcleos bobinados, controlados por circuito electrónico para producir
intensidades de flujo variables y a su vez, fuerzas de atracción variables.
A continuación, presentamos una fotografía del modelo en maqueta que hemos preparado, previo a la
construcción, para simular el comportamiento del motor de un solo cilindro.
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Figura1. Maqueta original del grupo, en cartón piedra, que ilustra el diseño de un motor de un solo cilindro,
con electroimanes y biela acoplados al cigüeñal (aparece en amarillo).
Funcionamiento
Los electrimanes están representados por los dos pequeños cubos en la parte superior e inferior. El cubo
superior, representa el electromán con polaridad variable, lo cual se logrará alternando la dirección en circula
la corriente directa por la bobina del núcleo. El cubo inferior, será el electroimáncon polaridad fija.
Acoplado al eletroimán inferior, mediante rodamientos, aparece la biela que sujeta el eje del cigüeñal, que esta
representado por la barra de plástico amarilla que aparece en la ilustración anterior.
La estructura externa que sujeta el diseño, corresponde al cilindro, en nuestro caso, un cubo, donde se produce
el vaivén hacia arriba y hacia abajo del electroimán de polaridad fija, acoplado a la biela. Este imán llevará
carboncillos adaptados a dos de sus laterales, que rozan con dos láminas de baquelita de cobre, a través de las
cuales les llegará la corriente directa para producir el campo.
El concepto que pretendemos desarrollar es el siguiente: inicialmente, al aplicar corriente directa regulada
mediante un circuito que puede ser a transistores, el electroimán inferior se polariza con un sur magnético, que
se verifica con el uso de una brújula. El electroimán superior se polariza con un norte. Ocurre la atracción de
polos opuestos, y el electroimán inferior, que está encarrilado en la estructura externa que circunscribe su
movimiento, se mueve hacia arriba buscando su polo opuesto. En el momento en que llega al tope superior, un
circuito con swith o controlado digitalmente, invierte la polaridad del electroimán superior (inmóvil), creado
ahora campos similares que se repelen, iniciando el movimiento del electroimán inferior móvil hacia el tope
de abajo, donde nueva vez, el circuito invierte la polaridad, ya sea a través de un limit swith o temporizador
digital. Así se logra emular el comportamiento del pistón en el motor de explosión. El giro del eje del
cigüeñal, que produce el empuje y el hale de la biela, es asistido por un contrapeso colocado en uno de los
laterales del eje, luego del rodamiento que servirá de cojinete.
La idea planteada, se ilustra en los siguientes diagramas:
Como se mencionó anteriormente, se pretende construir el diseño partiendo de materiales caseros de fácil
acceso. A continuación un listado previo a tomar encuenta para la construcción.
• Angulares de aluminio
• Tornillos para solenoides
• Conectores BNC (Juntura), para emular rodamientos.
• Metal para estructura externa
• Contrapeso en medialuna de metal o material diverso.
• Eje de cigüeñal, material diverso.
• Base en madera para soporte.
• Plástico (opcional)
• Tornillos para sujetar con sus tuercas.
• Carboncillos para imán móvil.
• Baquelita de cobre.
Anexo
Descripción de la constitución del pistón
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2 Cilindros
Descripcion:
Las bielas estan en paralelo, ambas se mueven al mismo tiempo, su uso es en linea en el
mundo del automovil, en las motos los hay en V
Ventajas:
−Coste de produccion muy reducido
−Bajo consumo y mantenimiento muy ajustado
Desventajas:
−Escasa potencia
−Muchas vibraciones, −no se equilibran las masas moviles
Cilindros en linea(3,4,5 y 6 cilindros)
Uno detras de otro, tanto los pistones como el cigüeñal se encuentran en el mismo plano
vertical, es el mas utilizado en la actualidad por los turismo
En linea(en la imagen un L6)
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Ventajas:
−Costes de produccion muy ajustados
−Tamaño reducido
−El uso de elementos externos, turbos, distribucion variable , etc... permite el aumento de
potencia sin disparar en exceso el consumo
Desventajas:
−Los problemas de vibracion de antaño se han solucionado con diferentes correas que
equilibran los movimientos de distitas masas*
*Buscar tema de SYT en su firma sobre motores equilibrados
Cilindros en V
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Los cilindros de disponen en 2 bloques, formando un angulo entre ellos y usando un unico
cigueñal, la produccion de estos tiene una clara finalidad, el ahorro de espacio, si en vez
de tenerlos en linea los tenemos en V el motor sera mas corto y mas ancho, adaptandose
mejor al vano motor, por otra parte el cigueñal de mas de 4 cilindros en linea debe ser
muy robusto para soportar las grandes vibraciones torsionales...
En V (en la imágen, un V8):
Ventajas:
−Suavidad
−Baja sonoridad
−Muy homogeneas, las masas se equilibran al actuar las fuerzas en 2 direcciones−
−El par motor a bajas vueltas es muy elevado debido a la enorme fuerza que actua sobre el
cigueñal−
Desventajas:
−El peso es mayor que la disposicion en linea
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−El desarrollo es mas costoso, debido a que se produce en 2 planos del espacio
Cilindros en W.
Es el mas dificil de explicar sin una foto que lo aclare...
Se divide en 2 modulos o bancadas en V estrecha, 15º unidas entre si a un mismo cigüeñal
que a su vez forma una V ancha, 72º, en realidad la composicion en V−V, de frente lo
veriamos como 2 V inclinadas unidas por el vertice al cigueñal.
En W (éste es un W12):
Ventajas:
−Uno de los motores mas compactos del mundo si tenemos en cuanta el nº de cilindros
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−Comportamiento muy similar a los V, aunque son mas progresivos y el par a bajas vueltas
es mayor
Desventajas:
−Cuenta con 4 arboles de levas(aumento de peso considerable)
−Excesiva anchura
−Complejidad del bloque motor
Cilindros opuestos
isposición horizontal opuesta o bóxer (éste es de 4 cilindros):
Los cilindros se situan horizontalmente a ambos lados del cigueñal, los pistones estan
enfrentados, por lo tanto el equilibrio de masas es muy homogeneo
Ventajas:
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−Rebaja sustancialmente el centro de gravedad(mayor estabilidad)
−Excelenta refrigeracion del bloque motor
−Ausencia de vibraciones.
−Un sonido muy peculiar
Desventajas:
−A la hora de realizar una reparacion, hay que desmontar parcial o totalmente el bloque
motor, con el consiguiente aumento de tiempo y precio
−El desarrollo es mas costoso que los motores en linea
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Figura 2.
Figura 3.
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