Generador de imanes permanentes para aplicaciones industriales

Generator of Permanent Magnets for Industrial Applications

M.Sc. Ernesto Yoel Fariñas Wong,
Dr. Ing. Abdel Jacomino Bermúdez
y M.Sc. Idielin Martínez Yong.
Centro de Estudios de Termoenergética Azucarera (CETA).


Resumen
En lugares apartados de las redes eléctricas nacionales es necesario un suministro estable de energía eléctrica para determinadas aplicaciones; una fuente muy usada en el mundo es la producción de esta a partir de generadores de imanes permanentes. Si bien es cierto que la adaptación de alternadores de autos para generar brindan resultados satisfactorios para ciertas condiciones de carga y requerimientos de potencia, no es así en aquellos casos donde la fuerza motriz es variable, por lo que se necesita otro tipo de equipamiento, como un generador de imanes permanentes. Este tipo de máquina no requiere de sistemas de transmisión ni alimentación a un circuito de campo.

El generador de imanes permanentes también encuentra su aplicación en picocentrales hidráulicas y ruedas hidráulicas.

La configuración básica consiste en un rotor de imanes permanentes de neodimio ferrítico, para establecer el flujo magnético de forma axial. Se opta por esta disposición debido a la simplicidad del diseño.

Palabras claves: Generadores, generador de imanes permanentes, turbinas, aeroturbinas

Abstract
A stable power supply for certain applications is indispensable in remote places of the national electric grids. The energy production from permanent magnet generators has long been a worldwide practice. It's true that the adaptation of car alternators to generate power, has yielded satisfactory results for certain load conditions and power requirements; however, this is not the case when the engine force is variable and another type of equipment is required and it's when the use of permanent magnet generator is indispensable, this type of machine does not need transmission systems nor feeding a field circuit. This generator is also used in hydraulic picocentrales (power centers reaching a peak level), hydraulic wheels and the like.

The generator basic configuration consists of a rotor of permanent magnets of ferritic neodymium to establish a magnetic flow in an axial way. This generator was chosen for the simplicity of the design.

Key words: Generator, permanent magnet generator, turbine, wind turbine.

Introducción
La problemática de la generación de electricidad en Cuba adquiere en el país una importancia científico-técnica y económica significativa, dada las necesidades de producción de este tipo de energía y las condiciones en que se acomete en la etapa actual.

Como resultado de una línea de desarrollo orientada con bases científicas y a partir de estudios realizados en varios centros de investigación de países desarrollados, dan como resultado un trabajo de desarrollo de generadores a partir de imanes permanentes que ineludiblemente tendrá repercusión social, pues el desarrollo de estos equipos además de poseer un variado uso industrial está vinculado al Programa Nacional de Ciencia y Técnica, donde el partido y los organismos de administración del Estado centran todo su esfuerzo.

Este tipo de generador se viene difundiendo desde hace unos años a partir del desarrollo que ha alcanzado la electrónica, lo que ha permitido el uso de estos equipos por organismos como el MINAZ, el MINAGRI y el MINBAS.

La producción de estos equipos actualmente no se ha desarrollado en nuestro país dada las limitaciones que existían en su uso y explotación; estos trabajos constituyen los primeros que se hacen en el campo de los generadores de imanes permanentes para aplicaciones industriales.

Por medio de este estudio se muestra cómo se puede hacer el diseño de un equipo muy necesario en la industria en general, de gran uso en estos momentos y debido a los avances de la electrónica, que permite la manipulación de estas máquinas con gran precisión.

Descripción general
Rotor de imanes permanentes de ocho polos.
Imanes de neodimio grado N 38.
Estator con bobinado calibre AWG 14.
Carcasa de aluminio.

Las posibles configuraciones para el estator en una máquina de flujo axial son las que se muestran en la figura 1.

Fig. 1. Esquemas de disposiciones de rotor axial.


La configuración elegida es la correspondiente a la disposición (b). Este tipo permite la flexibilidad de conexión estrella o delta de acuerdo con el régimen de operación del generador.

Representa también una ventaja sobre la disposición mostrada en (a) el hecho de que en esta disposición (a) se requiere la presencia de núcleos, lo cual genera mayores pérdidas; así mismo, menos pérdidas se tienen en una rectificación de onda completa para un circuito trifásico que para un monofásico.

Consideraciones magnéticas
El flujo de campo magnético es establecido por los imanes permanentes; esto a su vez generará el voltaje inducido de acuerdo con la Ley de Faraday. La optimización del flujo de campo magnético dependerá del circuito magnético, es decir, los materiales y la geometría involucrada determinarán un mayor o menor aprovechamiento del campo magnético del imán permanente.

La principal conclusión que se obtiene para este prototipo es que existe dispersión del flujo magnético debido a la presencia de espacios "de aire" entre bobinas y entre imanes. Adicionalmente, las tolerancias de fabricación poseen una gran importancia debido a que el logro de tolerancias exigentes en las superficies de apoyo determinarán la reluctancia del circuito magnético, que opondrá resistencia al flujo del campo magnético.

Como puede observarse en la figura 2, el objetivo es obtener un punto de operación del imán, determinado por la intersección de la curva de carga con la curva de magnetización del imán, por encima del punto de energía máxima del imán (Bhmax).

Fig. 2. Curva característica de imán.


Consideraciones eléctricas
El diseño del circuito eléctrico del generador se basa en la Ley de Faraday, para la tensión inducida en vacío se tiene la siguiente relación:

donde:
EA: Tensión inducida.
N: Número de vueltas o espiras por bobina.
m: Número de bobinas.
f: Flujo que atraviesa una bobina.
F: Frecuencia eléctrica.

Las pérdidas en la tensión inducida dependerán del bobinado del estator y de las condiciones de operación del equipo.

La forma de conexión puede ser en delta (triángulo) o estrella. Dado que las máquinas que operarán en regímenes de carga variables deben poseer la capacidad de conmutación entre ambas configuraciones.

En el caso de operar con una línea de tensión de 12 V será conveniente que el generador tenga una configuración delta (triángulo) en el bobinado; para el caso de una línea
de 24 V lo conveniente será una configuración estrella.

Adicionalmente deberá considerarse el uso de sistemas electrónicos de control para la regulación de carga y protección de las baterías. Estos equipos tienen como función derivar los excesos de carga, por la presencia de cargas variables, hacia bancos de resistencias de disipación; de esta forma se evitan sobrecargas en las baterías. Si las baterías están sometidas a niveles prohibitivos de descarga, los equipos de protección tienen por misión desconectar las cargas de las baterías, esto es importante pues descargas excesivas de las baterías implican disminución en su tiempo de vida.

Fig. 3.



Fig. 4.

Conclusiones
1. No se requiere de corriente de excitación para crear el campo inductor, pues este es proporcionado por los imanes. Esto hace innecesaria la lectura de la velocidad de giro del rotor para controlar la conexión del generador a las baterías solo cuando se alcanzan las revoluciones por minuto de generación. Por consiguiente, se simplifican los dispositivos de control electrónico.

2. Dado el diseño particular del generador de imanes permanentes, no se requiere emplear una transmisión de velocidad, puesto que su acoplamiento con el rotor es directo. De este modo se consigue generar a bajas velocidades de giro. Si bien es cierto que el empleo de una transmisión de velocidad en un generador con alternador de auto permitía un aumento de dicha velocidad, también aumentaba el torque mecánico; además, se produce una pérdida de potencia en dependencia de la eficiencia de la transmisión.

3. Se logra una simplificación notable del equipo; esto se traduce en un mantenimiento menos complejo y una disminución en la probabilidad de falla de los componentes del equipo.

4. Teniendo en cuenta que los equipos mencionados son de gran aplicabilidad práctica tanto en la industria azucarera como en la industria en general, se propone la fabricación de dichas máquinas para usos industriales.

Bibliografía
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