diseño y fabricación de un prototipo de un moto

DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN
PROTOTIPO DE UN MOTO-GENERADOR
MAGNÉTICO
10 de julio de 2012
LUIS ENRIQUE PEDRAZA C. COD: 20102283035 [email protected]
SERGIO ARTURO IBÁÑEZ O. COD: 20102283005 [email protected]
UNIVERSIADAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA EN CONTROL
1
Índice
1. INTRODUCCIÓN
2. ESTADO DEL ARTE
2.1. MAGNETISMO . . . . . . . .
2.2. MOTOR . . . . . . . . . . . . .
2.2.1. Clasificación de Motores
2.2.2. Motor Eléctrico . . . . .
2.3. IMANES PERMANENTES . .
2.3.1. Tipos De Imanes . . . .
2.4. MOTOR MAGNÉTICO . . . .
4
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3. JUSTIFICACIÓN
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6
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7
7
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4. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
10
5. OBJETIVOS
10
5.1. OBJETIVO GENERAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
5.2. 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 figuras
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Bosquejo De un Motor Magnético . . . . .
Ley De Atracción Y Repulsión Magnética
Esquema De Un Motor Eléctrico . . . . .
Motor de Combustión Interna . . . . . . .
Motor Eléctrico . . . . . . . . . . . . . . .
Imanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Imanes de Neodimio . . . . . . . . . . . .
M.A.E. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fuentes De Energía No Renovables . . . .
Fuentes De Energía Renovables . . . . . .
Primer Diseño . . . . . . . . . . . . . . .
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. 9
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Cronograma De Actividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Presupuesto Global De La Propuesta Por Fuentes De Financiación
Descripción y Cuantificacion de Equipos de Uso Propio . . . . . .
Materiales Y Suministros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Índice de cuadros
1.
2.
3.
4.
3
14
15
15
15
1.
INTRODUCCIÓN
Este 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, dicha
característica 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 para
producir energía eléctrica.
Figura 1: Bosquejo De un Motor Magnético
Los desarrollos sobre estos motores que se efectúan en la actualidad aun están en prueba, generalmente 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 la
universidad de delft en los países bajos donde se expone un motor que mueve unas aspas a gran
velocidad.[4]
4
2.
2.1.
ESTADO DEL ARTE
MAGNETISMO
El 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 presentado
propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones que
comúnmente se llaman imanes. Sin embargo todos los materiales son influidos, de mayor o menor
forma, 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 las
regiones donde se concentran las líneas de fuerza de un imán. Un motor para funcionar se vale de las
fuerzas de atracción y repulsión que existen entre los polos, como lo visualizamos en la gráfica 3. De
acuerdo 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, produciendo
así el movimiento de rotación.[6]
Figura 3: Esquema De Un Motor Eléctrico
5
2.2.
MOTOR
Un 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 esta
maquina 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 combustión del fluido del motor, transformando su energía química en energía térmica, a partir de
la cual se obtiene energía mecánica.
• Motores de combustión externa, son motores térmicos en los cuales se produce una combustión 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 producir 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 calibre
del alambre, las vueltas del alambre y la tensión eléctrica aplicada.
6
Figura 5: Motor Eléctrico
2.3.
IMANES PERMANENTES
Un 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 una
gran 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 % de
Hierro 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, aunque
no tienen mucha fuerza.
Cerámicos o de Ferrita: Fabricados con Bario y Estroncio. Están compuestos de aproximadamente
un 80 % de Óxido de Hierro y de un 20 % de Óxido de Estroncio (óxidos cerámicos). Son resistentes
a muchas sustancias químicas, disolventes y ácidos. Pueden trabajar a temperaturas de -40 ºC
a 260 ºC. Las materias primas son de fácil adquisición y de bajo coste. Son resistentes a muchas
sustancias 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 magnéticos 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 imanes
de Samario no presentan problemas de oxidación.[9]
Figura 7: Imanes de Neodimio
2.4.
MOTOR MAGNÉTICO
Un 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 de
funcionamiento.
Figura 8: M.A.E.
8
3.
JUSTIFICACIÓN
Los 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 impacto
ambiental en la biosfera al contaminar el aire, el agua y el suelo tal como se ve en la figura 9. Estos
hechos han generado un interés creciente por el desarrollo de nuevas tecnologías para la utilización
de fuentes de energía renovables alternativas que, aunque actualmente son poco rentables, tienen la
ventaja 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 alrededor
de 1,5 % de la producción energética.[11]
Figura 9: Fuentes De Energía No Renovables
Figura 10: Fuentes De Energía Renovables
9
4.
DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
Dado 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 decidido
implementar 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 con
retorno de capital a mediano plazo.
Dicho moto-generador es planteado como una fuente de energía de baja potencia para aplicaciones
móviles en principio.
5.
5.1.
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Diseñar e implementar un prototipo de un moto-generador utilizando como fuente de energía
imanes permanentes.
5.2.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1. 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 LIMITACIONES
En 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 no
tener resultados arrojados por las pruebas preliminares.
Es prematuro decir que la energía que se puede producir con este diseño es importante, pues
estamos trabajando sobre unas bases muy precarias, lo que si podemos decir es que las implicaciones
que pueden resultar sobre los resultados de este proyecto podrían fomentar la investigación en nuestra
universidad y la universidad pública, porque después de todo el ideal es que la energía sea de libre
acceso.
7.
RESULTADOS
La 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 principio
podríamos decir que la aplicabilidad es amplia, pero el costo beneficio pude ser muy alto, así como la
factibilidad 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 pruebas
preliminares, hemos decidido no presentar la propuesta al concejo curricular hasta no tener unas
nociones mas claras respecto a los resultados que podamos tener.
8.
METODOLOGÍA
Dadas las premisas observadas en los diferentes documentos encontrados en el Internet, consideramos 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 desempeño
del motor; lo importante aquí es determinar la relación costo-beneficio de la clase de imán a la
hora 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 diferentes distribuciones de los imanes en el rotor y el estator así como de el tamaño para determinar
las relaciones de velocidad, torque, etc. En la figura 11 podemos ver el primer diseño que hemos
realizado según las observaciones a otros motores ya fabricados.
Materiales y componentes: se deberá hacer un estudio de los diferentes materiales y componentes
que 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 posible
acoplar un generador comercial o se implementará en la estructura interna del motor.
11
Figura 11: Primer Diseño
9.
CRONOGRAMA
El cronograma de actividades que planteamos se relacionan a continuación:
1. Investigación de Imanes: estudio de características de los diferentes imanes de fácil adquisición
en el mercado local.
2. Investigación de materiales estructurales: estudio de los posibles materiales a utilizar en el cuerpo
estructural del equipo.
3. Diseños preliminares de las estructuras: se irán realizando diseños con las mejoras pertinentes a
medida que van arrojando resultados las pruebas preliminares.
4. Fabricación de estructuras preliminares: se harán varios diseños para determinar cual presenta
un 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 un
mecanismo comandado por actuadores electrónicos.
6. Fabricación del mecanismo de control: este debe ir paralelo al desarrollo del rotor y estator a
medida que se van realizando.
7. Adquisición de imanes: de acuerdo a los resultados que vayamos obteniendo, se compraran imanes
adecuados para el proyecto.
8. Pruebas de rendimiento: después de la fabricación de cada uno de los prototipos iniciales, se
harán pruebas tales como velocidad, fuerza (torque), a todos y cada uno de ellos para hacer una
tabla comparativa de características
9. Fabricación de equipo definitivo: luego de evaluar los prototipos se determinará cual ha tenido
mejor desempeño y se fabricará teniendo en cuenta que tanto el diseño así como los materiales y
componentes sean los más óptimos.
12
10. Pruebas de Laboratorio: se busca llevar a un banco de pruebas para así obtener unos resultados
más confiables en cuanto a características del motor.
11. Acople del generador: dependiendo de los resultados en cuanto al desempeño del motor, se determinará si se puede instalar un generador comercial o se deba diseñar e integrar el generador
al motor.
12. Pruebas de campo: teniendo el equipo prácticamente definido, se harán pruebas en campo real
de acción del equipo conectándolo a elementos de consumo tales como celulares, computadores
portátiles, etc dependiendo de la potencia resultante.
13. Ajustes e Imprevistos,: se contemplaron dos semanas para ajustes de ultima hora ante cualquier
eventualidad que se nos presente.
14. Informes periódicos: la ultima semana del mes se hará un informe de los avances en el desarrollo
del proyecto
15. Elaboración del documento final: se irá documentando el desarrollo del proyecto a medida que
se 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
14
N
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
ACTIVIDAD
Invest. Imanes
Invest. Materiales Estructurales
Diseños Preliminares Estructuras
Fabricación Estructuras Prelim.
Diseño Mecanismos de Control
Fabricación Mec. Control
Adquisición de Imanes
Pruebas de Rendimiento
Fabricación de Equipo Definitivo
Pruebas de Laboratorio
Acople de Generador
Pruebas de Campo
Ajustes e Imprevistos
Informes Periodicos
Elaboración de Documento Final
M
1
X
X
E
2
X
X
X
X
X
X
X
M
1
X
X
E
2
X
X
X
X
X
X
X
X
II
4
X
X
X
S
3
X
X
X
X
M
1
X
E
2
Cuadro 1: Cronograma De Actividades
X
X
X
I
4
S
3
X
S
3
X
X
X
III
4
X
M
1
X
E
2
X
S
3
X
X
X
IV
4
X
M
1
X
E
2
X
X
X
S
3
X
X
X
V
4
10.
PRESUPUESTO
Pretendemos adjuntarnos aun grupo de investigación o en su defecto conseguir un a ayuda económica con las que cuenta la universidad para el desarrollo de este tipo de proyectos ya que los recursos
personales con los que contamos no son suficientes para culminar el moto-generador.
Rubros
Personal
Materiales
Equipos
Bibliografía
Software
Servicios Técnicos
Total
U.D.
0
$1’000.000
$500.000
0
0
$500.000
$2’000.000
Fuentes
Contrapartida
$2’000.000
0
0
$200.000
$50.000
0
$2’250.000
Total
$2’000.000
$1’000.000
$500.000
$200.000
$50.000
$500.000
$4’250.000
Cuadro 2: Presupuesto Global De La Propuesta Por Fuentes De Financiación
Equipos
Computador Escritorio
Computador Portatil
TOTAL
Valor
1200000
1500000
2700000
Cuadro 3: Descripción y Cuantificacion de Equipos de Uso Propio
MATERIAL
Imanes
Plásticos
Herrajes
Papelería
Transportes
TOTAL
VALOR
$300.000
$300.000
$200.000
$100.000
$100.000
$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 Version
ID: 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