Construcción del Motor de Imanes Permanentes de Muammer Yildiz
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(2) por imanes de campos permanentes que son ubicados de forma radial y axial [5], los cuales permiten que se presente una interacción rotor-estátor de tal forma que se comporten como un sistema de levitación magnética, reduciendo de esta manera las pérdidas por rozamiento. Éste tipo de sistemas generan una estructura mecánica con hasta 5 DOF (grados de libertad) [6], y son analizados mediante modelos computacionales. Por otra parte, la adopción del uso de los imanes de campos permanentes se esta convirtiendo en una alternativa en los motores sincrónicos. Esto es debido a que gracias a ellos se puede mejorar la potencia, eficiencia y velocidad, y se evita que se presenten fallas por corto circuito en el estátor [7]. Esto permite que la aplicación de este tipo de motores se lleve a cabo por ejemplo en vı́as ferroviarias, excavaciones petrolı́feras [8], y en la generación de electricidad, campos en los cuales se mejora considerablemente el rendimiento. Un modelo de motor magnético es el diseñado por Howard Jonhnson, el cual esta compuesto por un rotor exterior en el que se ubican tres pares de imanes permanentes con forma ovalada, cuya distribución es de forma simétrica que se consigue con una unión mecánica entre los mismos. Los imanes permanentes del estator mantienen una distancia entre ellos que no es constante, y varı́a a lo largo de la circunferencia [9]. Por otra parte, en la patente de Muammer Yildiz se presenta una máquina que consiste en un rotor giratorio y dos estatores, uno interior y otro exterior. Entre ambos estatores se sitúa el rotor y además se encuentran constituidos por imanes permanentes [10]. Un campo de investigación en el que se ha estado trabajando, es en el de la comprobación de funcionamiento de algunos de los dispositivos mencionados. Un ejemplo de esto es la tesis de maestrı́a del centro de investigación en materiales avanzados de México, en donde se realizó el análisis de tres patentes de imanes permanentes, a través del método de sistemas estacionarios del programa COMSOL y la comprobación matemática de la suma de fuerzas entre los imanes del rotor y estator, obteniendo como resultado una suma de fuerzas igual a cero, lo que les lleva a concluir que los dispositivos estudiados no son capaces de generar un movimiento continuo [11]. II.. PARTES DE LA PATENTE ESTUDIADA. El dispositivo que desarrolla Muammer Yildiz se encuentra referenciado con el número de patente EP2153515 A2, en Alemania el 12 de febrero de 2009. Se conoce con el nombre de Dispositif avec un agencement d’aimants (Dispositivo con una disposición de imanes)[10]. Este motor consta de un rotor y dos estatores. Estas partes del dispositivo están constituidas por imanes permanentes, que según el documento al realizar el proceso natural de atracción y repulsión son capaces de generar movimiento en el rotor. Según lo anterior el motor está conformado por las partes que se muestran en la figura 1 (Vista superior motor), en la cual se indican los elementos principales que permiten el funcionamiento del motor:. Figura 1.. II-A. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.. Vista superior motor.. Partes: Rotor. Estator interno. Estator externo. Dispositivo de sujeción. Eje. Imanes del estator externo. Imanes del rotor. Imanes del estator interno. Marco. Tornillo. Rodamientos. Núcleo del estator interno. Tapa del extremo del rotor. Imanes. III.. PARTES DEL MOTOR CONSTRUIDO. En las figuras 2 (Vista frontal del Motor) y 3 (Vista de Rotor), se muestran las partes que componen el motor; estas se diseñaron con la ayuda del programa Solidworks 2014. Para su fácil identificación se realizó una enumeración que va del uno al nueve, con el objetivo de que el lector comprenda de forma clara el diseño utilizado y la distribución de las partes:.
(3) Figura 2.. Vista frontal del Motor.. Figura 3.. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. III-A.. Figura 4.. Radios de estator, rodamiento y eje.. Figura 5.. Vista frontal de montaje con estator.. Vista de Rotor.. Base. Soporte lateral. Estator. Rodamiento. Palanca de empuje. Eje. Tapas laterales del rotor. Imanes. Rotor. Dimensiones del motor. En las figuras 4 (Radios de estator, rodamiento y eje), 5 (Vista frontal de montaje con estator), 6 (Vista lateral), 7 (Vista superior), 8 (Vista de montaje del rotor), 9 (Dimensiones del rotor) y 10 (Dimensión de los imanes) se presentan las dimensiones definidas para la construcción del motor. Para esto se empleo la ayuda del programa Solidworks, con el cual se realizó el diseño y distribución del prototipo. Estas son de vital importancia, ya que son las que nos permiten realizar la construcción de forma exacta y además nos garantiza que los materiales a utilizar puedan ser adquiridos con exactitud.. Figura 6.. Vista lateral..
(4) Figura 10.. Figura 7.. Vista superior.. IV.. Dimensión de los imanes.. C UADRO DE COSTOS DE MATERIALES. En la tabla I, se presenta una descripción de los materiales que se utilizaron de forma directa, los cuales hacen referencia a aquellos que son tangibles al motor y los de forma indirecta que hacen referencia a elementos de apoyo para su construcción. Para ello se requirió de un presupuesto de $ 271.000, los cuales salieron de recursos propios.. Figura 8.. Figura 9.. Vista de montaje del rotor.. Dimensiones del rotor..
(5) Tabla I. V.. INSTRUCTIVO DE ENSAMBLE DEL MOTOR. A continuación se presenta un instructivo de ensamble de las piezas que conforman el motor magnético. Para esto se mostrará mediante imágenes descriptivas y la tabla II el proceso realizado durante la construcción.. Figura 11.. Estator.. Figura 12.. Rotor.. Tabla II. Una vez adquiridos los materiales referenciados en la tabla II, y el diseño definitivo del motor, se procedió con el ensamble y montaje de piezas, tal como se describirá a continuación: Paso 1: Apertura de agujeros de las piezas c y g para instalación de imanes; para lo cual se debe tener en cuenta que en la pieza c la apertura se hace de forma lineal con un espacio entre agujeros de 2.5 cm sumando un total de 5 imanes por lı́nea, las cuales suman un total de 8, con un espacio entre ellas de 4 cm, con lo cual se obtiene un total de 40 imanes que conforman la pieza c. Por otra parte en la pieza g la apertura se hace de forma diagonal con un ángulo de α = 39◦ y un total de 5 agujeros por lı́nea con una separación entre ellos de 2.5 cm, lo cual suma por lı́nea 5 imanes; la separación entre lı́neas en la pieza g tienen una separación de 4 cm sumando un total de 6 lı́nes, que finalmente suman un total de 30 imanes en la pieza g. Como se muestra en las figuras 11 (estator) y 12 (rotor).. Paso 2: Acople entre las piezas g y h que conforman el rotor y que son necesarias para acoplar al eje. Como se observa en las figuras 12 (rotor) y 13 (tapas laterales) lo cual da como resultado la pieza que se muestra en la figura 14 (acople entre tapas laterales y rotor)..
(6) Figura 13.. Tapas laterales Figura 17.. Acople de rodamientos en laterales.. Paso 5: En la figura 18 (montaje del motor magnético) se presenta el acople final del motor.. Figura 14.. Acople entre tapas laterales y rotor.. Paso 3: Acople entre las piezas e y d que se evidencia en la figura 15 (acople entre palanca de impulso y eje), las cuales se acoplan a las piezas mostradas en el paso 2 y que nos dará como resultado la pieza que se muestra en la figura. 16 (montaje final del rotor).. Figura 18.. VI.. Montaje del motor magnético.. P RUEBAS DE LABORATORIO. Finalizada la construcción del motor que se muestra en la figura 19 (Motor Construido).. Figura 15.. Acople entre palanca de impulso y eje.. Figura 19.. Figura 16.. Montaje final del rotor.. Paso 4: Acople entre las piezas b y f que se muestran en la figura 17 (acople de rodamientos en laterales), las cuales nos permite acoplar el rotor y estator.. Motor Construido.. Se procedió con las pruebas de laboratorio, con el objetivo de comprobar el funcionamiento que describe el dispositivo construido. Para esto, como primera medida se realizó la medición de campo magnético con las pinzas EXTECH EMF TESTER 480826 Y EXTECH EMF Meter 480836, las cuales nos permitieron tomar mediciones en los ejes X, Y, Z y XYZ, esto en el estator y en el rotor. Se debe aclarar que esta prueba se realizó sin que las partes estén acopladas, ya que nos facilitó la medición con los.
(7) equipos. Los resultados obtenidos se presentan en las tablas a continuación. VI-A.. Tabla de datos:. En la tabla III, se muestran los resultados obtenidos con las pinzas en el estator, para ello se tomaron mediciones en los ejes X, Y, Z y XYZ. Esta medición se puede observar en la figura 20 (Medición de Campo en el Estator).. De igual forma en la tabla IV, se presentan los resultados de las mediciones que se obtuvieron en el rotor, para ello los datos fueron tomados en los ejes X, Y, Z y XYZ. Esta medición se puede observar en la figura 21 (Medición de Campo en el Rotor).. Tabla IV. Tabla III. Figura 21.. Figura 20.. Medición de Campo en el Estator.. Medición de Campo en el Rotor..
(8) Finalmente en la tabla V, se presentan los datos de la unión entre rotor y estator, que son los que al final conforman el motor magnético. Esta medición se presenta en la figura 22 (Medición de Campo en Rotor-Estator).. Figura 24.. Medición de Campo motor.. Figura 25.. Medición de Campo motor.. Figura 26.. Medición de Campo motor.. Tabla V. Figura 22.. Medición de Campo en Rotor-Estator.. Otra prueba que se realizó, fue la medición de campo estando el motor armado obteniendo los resultados que se indican en las figuras 23, 24, 25 y 26 (Medición de Campo motor).. VI-B.. Medición de velocidad alcanzada por el motor:. Al igual que la medición de campo, también se realizó la medición de velocidad. Para esto se hizo uso de un tacómetro con el cual se obtuvieron los resultados que se presentan en la tabla VI. Figura 23.. Medición de Campo motor..
(9) Tabla VI. Las fuerzas que se presentan en la tabla VI, hace referencia a aquellas que se pueden aplicar con la mano y la cual es la que causa que se presenten, las velocidades iniciales mostradas. A continuación en las figuras 27, 28, 29 y 30 (Medición de velocidad) se presentan las mediciones tomadas.. Figura 30.. VI-C.. Figura 27.. Medición de velocidad.. Figura 28.. Medición de velocidad.. Figura 29.. Medición de velocidad.. Medición de velocidad.. Análisis de datos recolectados:. Como se pudo observar, se realizaron dos pruebas al motor, estas permitieron obtener los resultados ya presentados y además llevaron a realizar el siguiente análisis: El campo magnético obtenido en el estator, medido a través de los ejes X,Y y Z, los cuales se presentan en la tabla III, indican que en el eje X, el campo se encuentra dentro de un rango de 5.8 a 6.4 [mG], que al sacar un promedio se obtiene un valor de campo de 6.16 [mG]. Realizando el mismo análisis para los ejes Y y Z se obtienen valores promedio de 0.343 [mG] y 2.22 [mG]. Al medir los tres ejes, es decir XYZ, se encuentra un valor promedio de 1.395 [mG]. Comparando este último resultado con el encontrado a tráves de simulaciones en el programa COMSOL, se observa que el campo en el simulador es de 1.8 [mG], comprobando que tanto el campo obtenido de manera práctica como el teórico, no alcanzan una capacidad considerable que permita que el campo total del estator sea capaz de ejercer un efecto de repulsión al rotor, y que como resultado genere movimiento. En el rotor al realizar el mismo análisis de campo magnético en los diferentes ejes, se observa que en el eje X el valor promedio de campo magnético es de 5.62 [mG], en el eje Y de 0.38 [mG] y en el eje Z de 3.36 [mG]. Con relación a la medición de los tres ejes XYZ, el valor promedio que se alcanza es de 2.021 [mG]. Al analizar los resultados y compararlos con los de la simulación en COMSOL, en el cual se obtuvo un valor de 2.1 [mG], se encutra que la variación no es considerable y que el campo magnético producido por el rotor no es representativo como para ejercer una repulsión al estator, sino que tanto el campo del rotor como del estator tienden a estabilizarse. Posteriormente al realizar la medición de campo con el motor acoplado y al aplicar una fuerza externa, en este caso con la mano, se puede observar que el campo aumenta desde un valor estacionario de 1 [mG] hasta alcanzar un valor máximo de 155.7 [mG] en movimiento; pero al transcurrir un tiempo de 3[s] el campo vuelve a su estado estacionario o de estabilidad. Por último en la prueba de medición de velocidad, cuyos valores se presentan en la tabla VI, se puedo observar que al aplicar una fuerza inicial en el eje, se genera una velocidad.
(10) inicial directamente proporcional a la fuerza aplicada con la mano tal como se observa en la figura 31 (Variación del torque en el motor), pero con el transcurso de un tiempo de 3[s] el rotor siempre tiende a detenerse, llegando a una velocidad final igual a cero. A medida que se aplica una fuerza mayor, los resultados muestran que el valor de velocidad máximo alcanzado fue de 27.9 [RPM] ejerciendo una fuerza de 65 [Kgf] como se observa en la figura 30 (Medición de velocidad) y en la tabla VI.. Figura 32.. Figura 31.. VII.. Campo magnético.. Variación del torque en el motor.. E VALUACI ÓN DE LOS RESULTADOS PR ÁCTICOS EN RELACI ÓN CON LOS TE ÓRICOS. Una vez analizados los resultados prácticos se hace necesario realizar una comparación con los resultados teóricos. Para esto se comparan los datos obtenidos durante el desarrollo de las simulaciones. Durante el desarrollo de este proyecto se realizaron simulaciones en el programa COMSOL, a partir de un modelo cercano del motor de imanes permanentes del prototipo construido. Como resultados se obtuvieron, que el campo magnético en el rotor y en el estator se sectoriza en la parte central del estator lo cual hacı́a que las fuerzas siempre tendieran a estabilizarse tal como se puede observar en las figuras 32 (Campo magnético), 33 (Lı́neas de campo magnético) y 34 (Vectores de campo magnético).. Figura 33.. Figura 34.. Lı́neas de campo magnético.. Vectores de campo magnético.. De igual forma las simulaciones dieron como resultado que al aplicar un torque de 18 [Kgf], este motor adquirı́a una velocidad inicial y tras algunas fluctuaciones durante un intervalo de tiempo de 5[s] este siempre tiende a detenerse, este comportamiento se presenta en la figura 35 (Variación del torque respecto al tiempo)..
(11) Finalmente este tipo de dispositivos también podrı́an abordarse como motores de impulso, para lo cual se hace necesario el uso de electroimanes y una disposición similar a la utilizada para la construcción de nuestro motor u otras disposiciones que el investigador quiera considerar. VIII.. Figura 35.. Variación del torque respecto al tiempo.. Al comparar los resultados presentados con los obtenidos en la práctica, los cuales se describen durante el desarrollo de este proyecto, se comprueba que los resultados son muy similares. Un ejemplo claro es el campo medido con las pinzas, en donde se puede evidenciar que el campo en promedio es de 1.3 [mG], debido a las fuerzas magnéticas que hacen que estas tiendan a estabilizarse. En cuanto a la velocidad, el comportamiento es muy similar si se comparan las gráficas de las figuras 31 (Variación del torque en el motor) y 35 (Variación Torque respecto al Tiempo). Haciendo un análisis comparativo se puede observar como el dispositivo simulado como el práctico adquieren una velocidad inicial, realizan una pequeña fluctuación y en un lapso de tiempo en ambos casos de 3[s] siempre tienden a detenersen o a llegar a cero. Por tal motivo se puede decir que se cumplió con los objetivos planteados durante la ejecución del proyecto, ya que se pudo comprobar que los resultados teóricos concuerdan con los prácticos, y por consiguiente se puede decir con absoluta certeza que no es cierto que un dispositivo de este estilo sea capaz de producir un movimiento continuo y mucho menos perpetuo. VII-A.. Consideraciones:. Para futuras investigaciones serı́a bueno que se analizara posibles distribuciones de imanes tanto en el rotor como en el estator, con el objetivo de validar si de alguna de estas se genera un movimiento no permanente, pero si, que tenga una duración de tiempo mayor y por tanto un velocidad más constante. Otro aspecto que se podrı́a analizar e implementar para este tipo de dispositivos, serı́a algún elemento que durante un intervalo muy corto de tiempo aı́sle en el entrehierro el campo magnético, de tal forma que entre rotor y estator solo se experimente una fuerza ya sea de atracción o repulsión.. C ONCLUSIONES. Se pudo evidenciar que en los espacios que quedan entre imanes tanto del rotor como del estator, también se produce un efecto de atracción y repulsión, esto como si entre estos espacios vacı́os se ubicaran imanes. Sin importar la fuerza inicial que se aplique al eje para producir movimiento en el rotor, este siempre tiende a detenerse después de un corto instante de tiempo, debido a las fuerzas de atracción y repulsión que crean los imanes; por tal motivo esto hace que siempre busquen un punto de equilibrio y el motor se detenga. Se puede indicar que no es posible la generación de un movimiento perpetuo para la configuración de motor de imanes permanentes (Motor de Muammer Yildiz), aunque como indica el artı́culo “Interacción de imanes permanentes para generar movimientos mecánicos no convencionales” hay distintas tipos de motores de imanes permanentes. Basado en la investigación realizada, se puede decir que los principios fı́sicos de la termodinámica se pueden aplicar perfectamente para este tipo de dispositivos, ya que según el ciclo de Carnot y la máquina de calor, la energı́a que entra a un sistema, es aproximadamente la misma que sale sumando las pérdidas durante el proceso. Realizar una investigación utilizando programas computacionales es de una gran ayuda, ya que al realizar la construcción del motor de imanes permanentes que se estudió previamente mediante el programa COMSOL, se obtuvieron resultados muy similares. R EFERENCIAS [1] G. Troy, “Magnetic motor,” september 1990. Patent. [2] W. Ho Shum, “An energy machine,” March 1991. Patent. [3] J. Bedini, “Device and method of a back emf permanent electromagnetic motor generator.,” May 2000. Patent. [4] B. Li, G. Li, and H. Li, “Magnetic field analysis of 3-dof permanent magnetic spherical motor using magnetic equivalent circuit method,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 47, no. 8, pp. 2127–2133, 2011. [5] W. Fengxiang, W. Jiqiang, K. Zhiguo, and Z. Fengee, “Radial and axial force calculation of bldc motor with passive magnetic bearing,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 1, pp. 290–293, 2004. [6] T. Tezuka, N. Kurita, and T. Ishikawa, “Design and simulation of a five degrees of freedom active control magnetic levitated motor,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 49, no. 5, pp. 2257–2262, 2013. [7] A. A, Ali, D. V, F. J, D. B, and R. A, “Modelling of surface-mounted permanent magnet synchronous machines with stator faults,” in The 30th Annual Conference of the IEEE Industrial ElectroniCS Society., 2004. [8] D. Saban, C. Bailey, K. Brun, and D. Lopez, “Test procedures for high-speed, multi-megawatt permanent-magnet synchronous machines,” in BEYOND IEEE STD 115 & API 546., 2009. [9] H. Johnson, “Amazing magnet-powered motor,” February 1956.Patent. [10] M. Yildiz, “Device having an arrangement of magnets.,” August 2010.Patent. [11] J. L. F. Ruiz., “¿energı́a libre? motor magnético impulsado por imanes permanentes,” 2017..
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