Generador Ceiling

En la siguiente entrada comentaremos como aprovechar un motor eléctrico para transformarlo en un generador eléctrico.

Ingenio Triana comenzo modificando un tipo de motor denominado "ceiling" y que es muy utilizado en los ventiladores de techo.
Lo primero que debemos tener en cuenta es si funciona como motor(es decir, si lo conectamos gira), ya que si no hace nada ... :
1.- La placa electrónica no esta conectada o no funciona, notamos que circula corriente pero se queda como frenado si lo giro manualmente.
2.-No ace nada, gira libremente, puede que algún hilo de las bobinas este roto y el circuito este abierto, la placa electrónica puede tener un circuito de protección y corta la corriente, algún fusible quemado.

Mientras las bobinas y los rodamientos del rotor esten en buen estado lo demas lo podemos descartar y reutilizar para otro fin.

Lo segundo que debemos hacer es localizar los extremos de las bobinas (entrada y salida).
Una vez que sabemos que el motor esta en buen estado, podemos quitar el circuito electrónico y dejar solo los cables del bobinado.




En este caso solo se tiene un conjunto de bobinas conectadas en serie como podemos ver en la imagen:


En la imagen el conjunto de bobinas internas estaba dañado, pero aún se pueden aprovechar las exteriores.

Nuestro motor dispone de 14 bobinas interiores y exteriores, por lo que tenemos cuatro cables( dos entradas y dos salidas para cada grupo de bobinas):




Cuando tengamos esto listo, debemos colocar los imanes enfrentados en las bobinas. Un iman por cada bobina,ya que según el tipo de generador que se va a construir, en este caso monofásico. Esto significa que habra la misma cantidad de bobinas como de imanes en cada rotor. Ej. 10 bobinas y 10 imanes en el rotor.Para motores trifásicos(más eficientes) el número de imanes es distinto al número de bobinas.La razon de esto es que cuando un iman este frente a una bobina,  se produce amarre, o efecto cogging. Esto se arregla hasta cierto grado al poner diferente cantidad de bobinas e imanes en cada rotor.

Principios básicos sobre bobinas:
 - Mientras más potente el iman, tendremos mas voltaje y/o corriente. Un detalle: para la misma masa de un iman, se desperdicia un poco de espacio si ponemos imanes redondos. Los rectangulares son mas estrechos.Por lo que menciono el ancho del iman, es porque al diseñar los rotores hay que tener en cuenta que si se ponen muy pegados ( y como estarán los polos alternados) muchas lineas magneticas o energia magnetica se ira hacia el iman vecino y no al que está enfrente que es lo que se busca. En otras palabras, la energia o parte de ella se ira al iman que este mas cerca.
 -Mientras mas espiras tengan las bobinas que se hagan, habra mas voltaje y/o corriente. Ahora, si en las bobinas se usa alambre muy delgado, habra mas espiras y por lo tanto mas voltaje, pero habra menos corriente. Lo contrario también se cumple y por lo tanto es cierto: alambre + grueso = menos espiras, menos voltaje pero mas corriente. El voltaje es directamente proporcional al numero de espiras (estamos hablando de la construccion de bobinas, porque hay otros factores que influyen en el voltaje, como son las RPM, la distancia entre rotores, es decir, entre los imanes y el rotor, etc.)
 -Mientras mas rapido pasen los imanes frente a las bobinas, se producira mas corriente. De aqui sale otra verdad: de dos rotores con la misma cantidad de imanes y las mismas revoluciones por minuto, el que tenga los imanes mas alejados del centro del disco, producira mas corriente pues girara a mayor velocidad.
 -Cuando un iman pasa frente a un conductor,  al hacer las bobinas, trataremos que los imanes atraviesen las bobinas de la forma mas perpendicular posible

 -Si al armar los rotores, colocamos los imanes alternando los polos (como mencione anteriormente y que es como dan el mejor resultado), un iman con el polo norte hacia arriba y el siguiente con el polo norte hacia abajo y así sucesivamente. Debemos asegurarnos de que un iman no pase al mismo tiempo por los dos lados de una misma bobina , esto anulará en gran manera la corriente que se produzca.
-La bobina debe tener el centro del mismo tamaño que el iman,me refiero al ancho del iman, no al largo.
 De largo la bobina debe ser mas grande que el iman, para que los lados de la bobina sean lo mas perpendiculares posibles al paso de este. Ahora procederemos a acomodar de esta manera los imanes, norte, sur, norte, sur, etc. Esta es la razon por la cual los imanes siempre son en cantidades pares, a diferencia de las bobinas, que pueden ser en cantidades pares o no.
- Una medida digamos estandar para calcular el tamaño y forma de las bobinas es el ancho del iman. Se sugiere que tanto el centro como el ancho de cada lado de las bobinas sean igual al ancho del imán.



Bueno, si ya tenemos más claro la función que desempeñan las bobinas, podemos pasar a ver como interancionan las distintas partes de nuestro generador monofáfico, las pérdidas que puede tener nuestro modelo y algunas mejoras que se pueden realizar.

Motor / Alternador Ceiling

Indice:





  • 1.-PÉRDIDAS MECÁNICAS, MAGNÉTICAS Y ELÉCTRICAS Y POSIBLES SOLUCIONES

  • Descripción
    Pérdidas:
    1. Pérdidas en función del origen
    2. Incremento térmico
    3. Los pares pulsantes en las máquinas de imanes permanentes
    4. Saliencia o Efecto cogging



  • 2.-MEJORA DE LA EFICIENCIA

  • -Posibilidades para incrementar la eficiencia
    -Métodos para minimizacion del cogging
    -El campo de entrehierro. Punto de operación del iman
    -Mejora del circuito magnético




  • 3.-PRODUCCIÓN DE ENERGÍA
  • -Conexión serie o paralelo de los dos grupos de 14 bobinas


    Introducción
    Introducción:


    El motor ceiling es de tipo radial con rotor exterior dividido en delgas y núcleo fijo como estator formado por 14 bobinas en 2 grupos interior y exterior al eje central.

    Las medidas disponibles en el mercado son: 153x126.5mm, 153x130mm, 172x145mm, 188x161mm.



    Se permite la disposición de imanes en forma de matriz Halbach. En el rotor los imanes están colocados en la superficie.

    Para adaptar el motor a generador, el sistema ceiling se puede modificar colocando imanes permanentes en el rotor, con la distribución adecuada para completar el circuito magnético que circula a través del hierro e induce a las bobinas produciendo intensidad de corriente sobre estas generando una onda sinusoidal. 

     
    El núcleo de hierro esta laminado para disminuir la permeabilidad magnética del material.
    Gracias a las ranuras profundas y estrechas se incrementa la permeancia magnética.



    1.-Pérdidas mecánicas, magnéticas y eléctricas y posibles soluciones.

    Descripción:

    Accionamiento directo:las máquinas de accionamiento directo seran mas desfavorables en cuestión de eficiencia que las maquinas arrastradas a mayor velocidad a traves de un sistema de conversión mecánica, como es una multiplicadora en un aerogenerador.
    El par desarrollado por la maquina ha de ser mucho mayor, y esta íntimamente ligado a las perdidas en el cobre de la máquina.


    Pérdidas:

    -Pérdidas en función del origen:
    1. Las perdidas en el cobre estan intimamente relacionadas con la generacion del esfuerzo electromagnético, por lo que son inevitables. Hay una parte de las perdidas en el cobre que no contribuyen a la generación de dicho par, que son las referidas a las cabezas de bobina.
    2. La distorsión armonica en las corrientes. La presencia de armónicos, no útiles para el par, es una perdida añadida en el cobre.
    3. Las perdidas en el hierro se deben a la variación del campo magnetico en este.
    Aparecen tanto por histeresis magnetica como por corrientes inducidas.
    (Las perdidas se evaluan mediante el método de flujo de lluvia)

    -Incremento térmico:
    1. Incremento de temperatura de los bobinados, que conlleva un incremento de la resistividad del conductor, y por tanto de las perdidas. 
    2. Incremento de temperatura en los imanes. La reduccion de campo remanente con la temperatura hace que se precise mayor carga en corriente para mantener el par, que a la postre puede ser la referencia que marque el control para que el convertidor alimente con corriente la maquina.

    -Los pares pulsantes en las máquinas de imanes permanentes:
    Rizado. Aparece cuando hay carga en la maquina.

    1. Mutuo o de alineamiento. Se debe a la interaccion del flujo de los imanes con el flujo de las corrientes del estator. La amplitud de la oscilacion depende de la cantidad de armonicos presentes en el campo de entrehierro creado por el iman, y en el campo de entrehierro creado por las corrientes, el cual depende de las caracteristicas del bobinado y de los armonicos temporales de la propia corriente.

    2. De reluctancia. Se debe a la reluctancia variable en funcion de la posicion que ofrece el rotor a las corrientes de estator.

    Saliencia o Efecto cogging:Se debe a la interaccion del flujo magnetico del rotor con un estator que ofrece una reluctancia variable con la posicion a dicho rotor.

    2.-Mejora de la eficiencia:


    -Posibilidades para incrementar la eficiencia:
    1. Reducción de perdidas en el cobre:puede conseguirse ajustando el proceso de bobinado y hacer uso de tecnicas como el acortamiento de paso;
    2. Reducción de perdidas en el hierro:Las perdidas en el hierro son proporcionales a la amplitud de la oscilacion del campo magnetico.
      Por tanto, reducir las perdidas puede venir dado por la reduccion de dicho nivel de campo.
    -Metodos para minimizacion del cogging:

    Las interacciones que aparecen entre el iman y los componentes
    ferromagneticos del estator, asociado a la distinta reluctancia que el iman ve al cambiar su posicion relativa.
    Su limitacion puede venir dada por el par de arranque que el generador ceiling es capaz de proporcionar, este debe ser capaz de superar el cogging.Las formas de reducir el cogging se refieren a la configuracion de las bobinas, del hierro, y de la forma en que los imanes van montados sobre el hierro.El inclinado de imanes o de ranuras puede reducir notablemente este efecto.

    -Sensibilidad del campo de entrehierro respecto a las corrientes
    La capacidad de las corrientes de modificar el campo de entrehierro existente en la maquina, y por tanto el campo B con el que opera el iman, es lo que se puede denominar como sensibilidad de la propia maquina respecto de la corriente.

    La fuerza contraelectromotriz se opone al movimiento una vez las bobinas quedan imantadas al paso de los distintos polos de imanes.
    Si estas se encuentran cortocircuitadas se puede ver este efecto claramente.
    -El campo de entrehierro. Punto de operación del iman.
    El campo de entrehierro cuando la maquina se encuentra en vacio determina la fuerza electromotriz inducida y da una idea, bajo la hipotesis de linealidad, de la capacidad de generar par en la maquina. 

    Campo de entrehierro
    1. El campo asociado al flujo de dispersión, tanto de los imanes como de los devanados estatóricos.
    2. El campo que cruza el entrehierro, tanto el creado por los imanes como el creado por las corrientes del inducido.
    3. La interacción de campos y corrientes que contribuye a la generacion de par.
    4. La interacción de campos y estructuras reluctantes que contribuyen a la generación de par, ya sea útil para la maquina o parásito, como el cogging.

    -Mejora del circuito magnético:

    Procurar que el imán tenga las lineas de campo lo más orientadas posible al nucleo de la bobina para evitar flujos de dispersión.


    Esta imagen que encontramos por internet muestra otra posible configuración de bobinas del ceiling, pero el principio es el mismo, orientar las lineas de campo de forma correcta:






    Con ayuda de un software de simulación de campos magnéticos (FEMM) pudimos analizar el flujo magnético y las lineas de campo en nuestro proyecto, aunque para mayor precisión sobre todo para elegir los materiales, realizamos otro diseño virtual de nuestro ceiling con otro software mas avanzado: el Ansoft Maxwell, que ademas admite exportar archivos desde AutoCad o SolidWorks, por lo que podemos desarrollar de forma más rápida nuestro proyecto en otro formato y luego exportarlo.

    Aquí se muestran varias imágenes donde podeis ver la apariencia que presenta:



    Las siguientes imágenes muestran en color resaltado los imanes y las bobinas, donde en el interfaz de usuario a la izquierda se pueden configurar distintos materiales y propiedades de los mismos. Por último muestra los resultados tanto en forma númerica en tablas, también de forma visual mediante una animación, en la cual seguiremos investigando más adelante, devido a la amplia versatilidad y complejidad de ciertas funciones del programa avanzamos más lento, en cuanto tengamos mas progresos lo publicaremos.





    Aislamos los imanes de la parte conductora del rotor mediante una cinta metálica,para que los campos magnéticos no interactuen entre sí.


    A continuacón tenemos una serie de cuestiones y sugerencias que hemos obtenido tras la experimentación con motores ceiling y que dejamos propuestas por si alguien que entienda sobre este tema pueda aportar alguna mejora.

    Las letras en rojo indica que son cuestiones que no podemos asegurar con total seguridad ya que escapan a nuestros conocimientos y posibilidades de recursos, basadas en nuestras propias pruebas realizadas.

    En esta imagen pienso que se puede mejorar las perdidas por dispersión si se reduce la superficie del imán mientras no baje el flujo demasiado.


    Si el iman es mucho mayor puede igualar a dos imanes por bobinas si las lineas de campo (flujo) son suficientes para repartirse entre el nucleo de hierro.

    Si se disponen en pares los imanes, estudiaremos la dirección del flujo magnetico y si alternan campos magneticos (NN SS NN SS … o NS NS NS NS...) según la superficie y la reluctancia que tenga el nucleo de hierro. 



    3.-Producción de energía:
    Lo primero que hacer es quitar el circuito si aun lo tenemos conectado para eliminar pérdidas en el cobre y aislar el eje del generador.
    La bobina de arranque se conecta en serie con el condensador.


    -Conexión serie o paralelo de los dos grupos de 14 bobinas:
              Las bobinas auxiliares( próximas al eje central actuan de  motor de arranque.         
    Otro método es dejar las bobinas de arranque y centrarnos en las exteriores que son las que entregan mayor intensidad.




    4.-CUESTIONES:
    En el cobre hay perdidas eléctricas, y posiblemente en el circuito magnético también. ¿Cuanta perdida experimenta un circuito por exceso de hierro en el nucleo?

    ¿disminuir superficie o grosor de laminas?

     El hierro del centro del estator ¿produce pérdidas magnéticas?


    Posibles respuestas aún no verificadas:
    usar mas núcleo para las bobinas, que el flujo magnetico no se induzca sobre el bobinado directamente, necesitamos memoria, hysteresis pero hysteresis ordenada , o sea foucault no se cumple.

    Los imanes continuamente presentes mantienen su flujo magnético en un estado estático , pero mantienen el núcleo sin corrientes parásitas porque los mantienen magnetizados solo en un sentido, el flujo aumenta solo cuando se cierra el circuito magnetico con otro elemento del mismo material del nucleo, puede ser ferrite. Esta comprobado que si mantengo un nucleo magnetizado en un sentido, no puede haber corrientes magneticas desordenadas dentro del nucleo. Asi que Foucalt 0 , las corrientes de foucalt si son evitables, Lenz no, pero Lenz se cumple, y de la forma que queremos, el campo no se varia completamente, se mantiene estatico y solo se aumenta el flujo magnetico en un determinado momento.


    5.-GLOSARIO:

    Las magnitudes y unidades básicas que se utilizan en los circuitos magnéticos son:

    Fuerza magnetomotriz, Fmm: Causa capaz de producir el flujo magnético ( Þ). Su unidad es el amperio (A). En la práctica se usa el amperio-vuelta (Av).

    Flujo magnético, Þ : Número total de líneas de inducción que existen en el circuito magnético. Es la medida de la cantidad de magnetismo. Su unidad es el Weber (Wb).

    Reluctancia magnética, Rm: Es la oposición que ofrece el circuito magnético al establecimiento del flujo. Depende de la naturaleza del material y de sus dimensiones. Su unidad es Henrio a la menos uno (H-1).

    Inducción magnética, B: Número de líneas de flujo por unidad de superficie que existen en el circuito magnético perpendiculares a la dirección del campo. Su unidad es el Tesla (T).

    Intensidad de campo, H: Causa imanadora o excitación magnética por unidad de longitud del circuito magnético. Su unidad es el Av/m.

    Permeabilidad, μ: Es la capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a través de sí los campos magnéticos, la cual está dada por la relación entre la inducción magnética existente y la intensidad de campo magnético que aparece en el interior de dicho material. Su unidad es Wb/A*m. También están la permeabilidad del vacío (μ0) y lapermeabilidad relativa (μr). La relación entre todas es: μ=μr*μ0.










    11 comentarios:

    1. este mismo proyecto con el motor bedini o sea electronico

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    2. me gusto la nota esta muy completa

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    3. Como conecto los imanes ? ..... tengo este pequeño 'motor de ventilador de techo' ... están catorce arriba y catorce abajo, de las cuales salen cable blanco, rojo, café, y plomo.
      Como conecto los imanes.... ah pues en mi 'motor' hay una especificación así: 52'' 110v.
      ... quisiera hacer un generador de voltaje alterno.
      Ayúdenme como hago con este motor, lo quiero hacer girar manualmente con una polea manual.
      ¿Cómo mido el voltaje de salida en esos cables de ese color que les indiqué?
      ....... mi motor tiene como les indiqué de dos 'circunferencias' por decirles, en cada una están 14 bobinas en total son 28, 14 arriba y 14 abajo.

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    4. Hola Emanuel,

      Antes de decirte que hacer, necesitamos saber que tienes exactamente. Para empezar a conocer el motor que tienes, debemos observar y medir algunos detalles importantes.

      Como bien has observado, el número de bobinas que tiene son 14 en ambos lados, tiene un diámetro de 52" (pulgadas) y a las revoluciones por minuto(rpm) para las que está diseñado, consume una tensión de 110V.

      Para saber la disposición de imanes, el tamaño, la fuerza, etc, deberías de realizar diferentes, pruebas, algunas sencillas, otras más complejas, pero haciendo algunas básicas puedes conseguir aproximaciones muy buenas sin ser un experto.

      Lo primero es medir la distancia entre el núcleo de hierro de cada bobina, el imán debe tener la superficie de la cara que apunte hacia el núcleo deberá tener una superficie similar o inferior, nunca mayor para no saturar el campo magnético de la bobina, ni traspasar el flujo magnético entre bobinas contiguas.

      Los imanes, deben tener los polos orientados de forma alterna, y deben tener la forma similar al núcleo de la bobina. Por ejemplo, si el núcleo de hierro de cada bobina es de forma rectangular, el poner un imán redondo puede disminuir la eficiencia, sería idóneo disponer de un imán rectangular de dimensiones muy parecidad.

      Una vez tienes una idea aproximada de los imanes que necesitas, debes medir con un polímetro continuidad en las bobinas, esto se comprueba cogiendo dos extremos y conectando las pinzas o puntas, para ver si hay continuidad.

      Este método sirve para agrupar los pares de bobinas, y saber cuantos grupos tienes en total, dependiendo del número de cables que salgan del ventilador.

      Para fabricar una carcasa donde alojar los imanes, nosotros usamos una impresora 3D, pero se puede fabricar de resina epoxi, plástico o madera incluso, cualquier material que no sea ferromagnético como el hierro.

      Con esta fase completada, y teniendo los imanes ya listos para colocar, puedes pasar a medir voltaje e intensidad conectando una carga de prueba como una bombilla, y por último, debes plantear un circuito rectificador de esa potencia que estas generando para que este equilibrada, continua y sea segura sin picos de tensión e intensidad.

      Para obtener una buena eficiencia del generador, es importante saber a que revoluciones por minuto genera 110V, a veces este dato lo proporciona el fabricante, si no, debes comprobar tu mismo a cuantas revoluciones genera un voltaje que puedes controlar lo más proximo a 110V por ejemplo, y luego rectificas y utilizas.

      Espero que tanta información no te sea dificil de asimilar, pero he intentado desglosar los pasos necesarios que deberías realizar para ir consiguiendo buenos resultados. Estos son pruebas que se pueden realizar disponiendo de un multímetro y un calibre o una regla para medir distancias entre bobinas y tamaño del núcleo.

      Un saludo,
      Ingenio Triana.

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    5. El título de Ingeniero puede obtenerse aprobando de cualquier manera exámenes en una universidad. Pero el titulo de Ingenioso te lo dan los genes y la perseverancia, la prueba y error, el estudio teórico llevado a la práctica. El tropezar y volver a empezar. Ingenio Triana, gracias por compartir.

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    6. Hola amigos soy Juan, quiero embobinar un estator motor brushless de 12 polos el embobinado quidro hacerlo bifilar.un embobinado para motor y el otro para generado Que configuración seria buena para tener el mejor rendimiento ...saludos y gracias.

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    7. Hola amigos, quisiera encotra algún sitio,o tutoriales para embobinar estator de motores brushless, con todas las configuraciones posible saludos y gracias

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    8. Hola Ingenio Triana (son de Sevilla?), muy interesante el uso del estator de un ventilador aunque me intereso mas la parte en la que hablan de Principios básicos sobre bobinas: pero ahí me quede con una duda espero me la puedan aclarar,...copio y pego : Debemos asegurarnos de que un iman no pase al mismo tiempo por los dos lados de una misma bobina , esto anulará en gran manera la corriente que se produzca. simplemente no entendí la situación y una consulta este generador al conectarse una carga tendería a frenarse tal cual un alternador de coche seguramente, bueno gracias por compartir un saludo desde argentina

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      1. Hola Adrian,

        El efecto que intentamos explicar es el siguiente: Si por ambos extremos de una bobina, pasa un flujo magnético opuesto y simultáneamente, las fuerzas se anulan y se pierde mucha eficiencia. No tiene por que pasar un imán por ambos lados, sino que aunque pase un solo iman por uno de los extremos de la bobina, si existe un núcleo de hierro o material ferromágnetico en el lado opuesto del imán, puede afectar de igual forma al conducirse el flujo magnetico por el material ferromagnético.

        Por otra parte, respecto a la pregunta de si se frena al conectar una carga, efectivamente ese efecto se produce.

        Una forma de aislar estos efectos por la carga que conectamos, es mediante la carga de energia de una batería a un rango de trabajo adecuado, según el esfuerzo mecánico que podamos realizar. Por ejemplo, si el generador lo voy a incorporar a un sistema manual mediante pedaleo, nos interesa poca resistencia mecánica en el giro para no cansarnos rapidamente. Si por el contrario, este generador se acopla a las aspas movidas por la fuerte corriente de un río, podemos incrementar la resistencia al giro y generar mucha más potencia. Eso depende de la utilidad final. Este esfuerzo mecánico se puede regular de dos formas, Variando la distancia entre el imán y el nucleo de la bobina, o aumentando el flujo del imán que colocamos, es decir, imanes "mas fuertes" para que todos lo entendamos.


        Esperamos que esta información sea de utilidad y esperamos tener tus dudas aclaradas.


        Un saludo,
        Ingenio Triana.

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    9. INNOVACIÓN ENERGÉTICA en: https://www.facebook.com/Innovaciones.Tecnologicas.en.Energia.Limpia/

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    10. https://www.facebook.com/Innovaciones.Tecnologicas.en.Energia.Limpia/

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