Maquinas Electricas Rotativas

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MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS. GENERADORES DE IMANES PERMANENTES

ASIGNATURA: ELECTRICIDAD LUIS RAMÍREZ ALDANA

INGENIERÍA AEROESPACIAL | UNIVERSIDAD DE CÁDIZ

INDICE 0.- INTRODUCCIÓN 1.- MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS 1.1.- ORIGEN DE LAS MÁQUINAS ELECTRICAS 1.2.- DEFINICIÓN 1.3.- CONSTITUCIÓN GENERAL DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS 1.3.1.- INDUCTOR 1.3.2.- INDUCIDO 1.4.-PRINCIPIO GENERAL DE FUNCIONAMIENTO 1.4.1.- POLOS 1.5.- POTENCIA Y ENERGÍA DE UNA MÁQUINA ELÉCTRICA ROTATIVA 2.- GENERADORES DE IMANES PERMANENTES 2.1.- ¿QUE SON? 2.2.- TIPOS DE GENERADORES 2.2.1.- GENERADOR DE FLUJO AXIAL 2.2.2.- GENERADOR DE FLUJO TRANSVERSAL 2.2.3.- GENERADOR DE FLUJO RADIAL 2.3.- VENTAJAS FRENTE A UN GENERADOR DE ROTOR BOBINADO 2.4.- TIPOS DE IMANES 2.4.1.- IMANES DE LAS TIERRAS RARAS 2.5.- DESMAGNETIZACIÓN DE LOS IMANES 2.6.- USO 3.-BIBLIOGRAFÍA

LUIS RAMÍREZ ALDANA

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0.- INTRODUCCIÓN En este trabajo se tratarán todos los aspectos relacionados con las máquinas eléctricas rotativas como tema general y a continuación se profundizará en los generadores de imanes permanentes. Para comenzar se explicará un poco la evolución histórica de las máquinas eléctricas y su importancia en el día a día, un instrumento fundamental. Más adelante se comentará los modos de clasificación de las máquinas y se hablará de las características y las partes por las que están formadas estas máquinas. Para acabar explicando el funcionamiento de un modo teórico. Se intenta dar una visión general del funcionamiento de estas. Una vez acabado con las máquinas eléctricas el trabajo se centrará en los generadores de imanes permanentes. Se comentan las principales características de los generadores y los diferentes tipos existentes. También se comentarán los usos que se le dan a estos generadores de modo general y desde el punto de vista de una de las mayores empresas en cuanto a fabricación de generadores de imanes permanentes. El objetivo de este trabajo es que al finalizar la lectura el lector obtenga una visión clara de cómo y para qué sirven estas máquinas las cuales son indispensables en la sociedad actual.


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1.- MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS 1.1.- Origen de las máquinas eléctricas Es difícil imaginar la vida sin motores eléctricos, no solo a nivel industrial sino también en el ámbito doméstico. Acciones como la de arrancar un coche o usar la lavadora dependen de ellos. Pero aún más importante son los generadores porque, ¿cómo obtendríamos la energía eléctrica? Las diferentes etapas en que han sido desarrollados los convertidores electromagnéticos de energía (máquinas eléctricas que transforman energía mecánica en eléctrica y viceversa) desde que en 1832 apareció el primer artilugio hasta nuestros días, han sido muy valiosas si analizamos las aportaciones que éstos han prestado al desarrollo tecnológico e industrial de la humanidad. El fundamento teórico en el que se basa el funcionamiento de los convertidores electromecánicos se encuentra en los tres principios fundamentales de la indu cción electromagnética: • Una corriente eléctrica que circula por un conductor arrollado a un núcleo metálico de hierro o acero hace que éste se comporte como un imán. • Las corrientes eléctricas ejercen entre sí fuerzas a distancia. • Cuando se mueve un conductor en el seno de un campo magnético, se produce (induce) sobre él una corriente eléctrica. Estos principios constituyen la génesis de las máquinas eléctricas y son debidos, en gran medida, al trabajo de tres grandes hombres de ciencia: • Dominique François Jean Arago (1786-1853). • André Marie Ampère (1775-1836). • Michael Faraday (1791-1867).


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1.2.- Definición Se entiende por máquina eléctrica al conjunto de mecanismos capaces de generar, aprovechar o transformar la energía eléctrica. Un tipo particular, son las máquinas eléctricas rotativas que están constituidas por la combinación de circuitos eléctricos y magnéticos. Tienen partes fijas y partes móviles. Si la máquina convierte energía mecánica en energía eléctrica se llama generador, mientras que si convierte energía eléctrica en energía mecánica se denomina motor. Esta relación se conoce como principio de conservación de la energía electromecánica. Podemos clasificar las máquinas eléctricas rotativas en: •

Generadores: Transforman la energía mecánica en energía eléctrica.

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Motores: Transforman la energía eléctrica en energía mecánica.


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Otra forma de clasificación es por la forma de energía eléctrica que utilicen


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1.3.- CONSTITUCIÓN GENERAL DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS 1.3.1.- Inductor

Es una de las dos partes fundamentales que forman una máquina eléctrica, se encarga de producir y de conducir el flujo magnético. Se le llama también estator por ser la parte f ija de la máquina. El inductor, a su vez, consta de los siguientes elementos: La pieza polar , sujeta a la culata de la máquina, incluye al núcleo propiamente dicho y a su expansión. El núcleo forma parte del circuito magnético de la máquina junto con los polos, las expansiones polares, el entrehierro, inducido y la culata, y en él se encuentran los devanados inductores. El devanado inductor está formado por el conjunto de espiras que, en número prefijado para cada tipo de máquina, producirá el flujo magnético cuando circule la corriente eléctrica. La expansión polar es la parte más ancha de la pieza polar, y se encuentra próxima al inducido o rotor de la máquina. •

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1.3.2.- Inducido

El inducido constituye el otro elemento fundamental de la máquina. Se denomina también rotor por ser la parte giratoria de la misma.

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El núcleo del inducido está formado por un cilindro de chapas magnéticas que están construidas, generalmente, de acero laminado con un 2 % de silicio para mejorar las pérdidas en el circuito magnético. Este cilindro se fija al eje de la máquina, el cual descansa sobre unos cojinetes de apoyo. Las chapas que forman el inducido o rotor de la máquina disponen de ranuras en las que se alojan los hilos de cobre del devanado inducido. El devanado inducido se encuentra conectado al circuito exterior de la máquina a través del colector, y es donde se produce la conversión de energía. El colector es un conjunto de láminas de cobre, denominadas delgas, aisladas entre sí y conectadas a las secciones del devanado del inducido. Sobre las delgas se deslizan las escobillas. Las Escobillas generalmente, se fabrican de carbón o de grafito, se hallan alojadas en un portaescobillas desde donde se deslizan sobre las delgas del colector y, mediante un conductor flexible, se unen a los bornes del inducido La Culata es la envoltura de la máquina eléctrica y está hecha de material ferromagnético. Su misión es conducir el flujo creado por el devanado inductor. También se unen a ella los polos de la máquina. El Entrehierro es el espacio existente entre la parte fija y la parte móvil de la máquina, es decir, entre el rotor y las expansiones polares, evitándose de esta manera el rozamiento entre ambos. Los Cojinetes sirven de apoyo al eje del rotor de la máquina.


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1.4.-PRINCIPIO GENERAL DE FUNCIONAMIENTO Las máquinas eléctricas se basan en la ley de Biot y Savart. Esta ley indica el campo magnético creado por corrientes eléctricas estacionarias y se puede enunciar como: "si un conductor está inmerso en el seno de un campo magnético y por él circula una corriente eléctrica, se verá sometido a unas fuerzas de carácter electromagnético que tenderán a desplazarlo". En las máquinas rotativas, los conductores se montan paralelos al eje de rotación y sobre el inducido Como los conductores se encuentran alojados en ranuras en el rotor y, por tanto están fuertemente unidos a él, las fuerzas ejercidas en los conductores se transmiten al rotor originando un par motor que hace girar el eje. Cuando gira el inducido, los conductores cortan las líneas de campo magnético, de este modo se genera en ellos una fem. Para poder extraer la corriente generada, hay que conectar los conductores del inducido a un circuito de carga exterior por medio de las escobillas. En los generadores de corriente continua (dinamos) el campo magnético permanece en reposo, mientras que el inducido es el órgano móvil de la máquina. Por el contrario, en los generadores de corriente alterna, el inducido generalmente permanece estático y el campo magnético gira.


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1.4.1- Polos Los circuitos magnéticos tienen polos norte y sur, de tal manera, que las líneas de fuerza del campo magnético salen del polo norte y entran por el polo sur. Las máquinas rotativas necesitan para funcionar un campo magnético, generados por bobinas enrolladas en núcleos de hierro. Estos núcleos se denominan polos. Están unidos por un extremo a la culata, quedando libre el otro extremo, que dará nombre al polo. Los polos tienen que tener diferente polaridad alternativamente para que las líneas de fuerza se distribuyan correctamente. El número total de polos de una máquina eléctrica rotativa debe ser par, para que sean la mitad norte y la mitad sur. Este número total de polos se denomina 2p. P es el número de pares de polos que tiene la máquina. La mayor parte de las máquinas eléctricas son de construcción simétrica. Esto significa que sus devanados y sus núcleos magnéticos son tales que generan polos magnéticos Norte y Sur que se suceden alternativamente, de forma que la distribución del campo magnético a lo largo del entrehierro se repite para cada par de polos. Por consiguiente, la distribución del campo magnético en el entrehierro es una función periódica donde cada ciclo abarca dos polos magnéticos consecutivos (un par de polos). Además, los devanados inductor e inducido tienen igual número de polos.


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1.5.- POTENCIA Y ENERGÍA DE UNA MÁQUINA ELÉCTRICA ROTATIVA La potencia que desarrolla una máquina eléctrica es la energía por unidad de tiempo. Depende de: Si se trata de un motor, la potencia dependerá de los mecanismos acoplados al eje del motor y que serán accionados por él. Si se trata de un generador, dependerá del circuito al que alimenta. Según esto, es fácil apreciar que las máquinas eléctricas pueden funcionar con diferentes valores de potencia útil. De todos estos valores, el que caracteriza la máquina se denomina potencia nominal. Todas las condiciones que el constructor de la máquina ha diseñado para que funcione (tensión, potencia, etc.) se encuentran especificadas en la placa de características. En esta placa se indican todos los valores nominales de la máquina y se encuentra en un lugar visible:

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2.- GENERADORES DE IMANES PERMANENTES 2.1.- ¿Qué son? Un generador de imanes permanentes (abreviado en ingles PMG) es un generador síncrono en el que se ha sustituido el bobinado de excitación, normalmente en el rotor, por un sistema formado por imanes permanentes que suministran un campo de excitación constante. La configuración básica consiste en un rotor de imanes permanentes de Neodimio férrítico El rotor donde están adheridos los imanes se encuentra ubicado en la parte interna, y el estator en donde se encuentran las bobinas en la parte externa. Este tipo de generador genera la inducción del estator mediante imanes que producen el campo magnético. Este tipo de generador síncrono está sustituyendo poco a poco a los de rotor bobinado. Según la dirección del campo magnético generado y la di sposición de los imanes, se distinguen entre varios tipos de generadores. Una de las ventajas de esta clase de generador es que se puede adaptar directamente al rotor del eolo-generador lo que evita la utilización de sistemas mecánicos de transmisión que originan pérdidas indeseables para el sistema. Además esta clase de generadores de imanes permanentes no necesitan de una corriente excitatriz para producir el campo magnético ya que este es suministrado constantemente por los imanes evitando el consumo de parte de la potencia eléctrica obtenida por el sistema. La principal desventaja con respecto a los sistemas convencionales es la baja velocidad de rotación (su rango de operaciones debe estar entr e 300-1000 RPM), por lo cual para obtener la potencia eléctrica de salida requerida se hace necesario cambios tanto en el bobinado inductor como en el inducido a fin de alcanzar una mayor potencia de entrada en el eje del generador y por consiguiente mejores condiciones de potencia entregada. El principal problema que se busca solucionar con el diseño y construcción de este generador es que su funcionamiento sea adecuado aún en condiciones de bajas velocidades de rotación. Esto es debido a que los alternadores convencionales de automóviles están diseñados para cargar baterías a 12V cuando su velocidad de rotación se encuentra a 3600 RPM.


La energía máxima que los imanes pueden suministrar cuando son colocados en el generador por medio de la siguiente ecuación:

Donde N es el número de imanes montados en el generador y V es el volumen de un imán. La potencia eléctrica máxima que se puede producir resulta de multiplicar la energía máxima de los imanes por la velocidad angular a la cual se encuentran girando. La potencia de salida entregada por un generador depende no solo de la eficiencia interna del mismo, sino del torque que induce en el rotor la interacción de los campos magnéticos de los imanes permanentes y el originado al circular corriente por el bobinado inducido. Un aumento en la carga resistiva adaptada a los terminales del generador ocasiona una disminución del valor de la corriente que circula por el bobinado inducido y un aumento del voltaje de salida, por lo cual es de esperarse una disminución de la potencia entregada por el generador cuando la constante de construcción de la máquina permanece constante ya que el torque inducido sobre el rotor también disminuye. Se mueven en un movimiento circular uniforme, y el número de imanes es siempre par y con los polos magnéticos alternados.


2.2.- TIPOS DE GENERADORES 2.2.1.- Generador de flujo axial Los imanes se disponen sobre un disco de hierro que gira alrededor de un eje perpendicular que pasa por su centro. El flujo en el entrehierro lleva una dirección axial respecto al eje de giro, es decir, paralelo al eje. El rotor se encuentra en forma de disco, con los imanes dispuestos a lo largo del perímetro, y el estator está ranurado de forma radial. Esta disposición se caracteriza por ser más compacta pero es más difícil de construir.

2.2.2.- Generador de flujo transversal Tienen una orientación radial de entrehierro y tiene el ranurado del estator con una orientación transversal. Esta orientación transversal en el estator permite que el área de la bobina sea independiente de la elección del paso polar. Por tanto, el paso polar puede ser reducido a valores de 1-2 cm y en consecuencia la corriente se incrementa a valores muy altos. Solo la mitad de los polos del rotor contribuyen a la generación de la fuerza electromotriz en el estator. El imán que está en frente del núcleo del estator crea un flujo útil alrededor de la bobina del estator; sin embargo, el imán que no está en frente del núcleo del estator intercambia flujo a través del aire. 2.2.3.- Generador de flujo radial

El generador de flujo radial crea el flujo en el entrehierro en dirección radial al eje de giro. Los imanes se colocan sobre la superficie lateral de un cilindro que gira alrededor de su propio eje. En este caso el campo magnético de los imanes es perpendicular al eje de giro, y por tanto va en dirección radial. De ahí la frase “f lujo radial” que realmente significa campo magnético en dirección radial o perpendicular al eje de giro. Esta máquina también es llamada convencional al ser la m ás usada entre los tipos de generadores de imanes permanentes La disposición de los imanes es en sentido axial en la superficie cilíndrica del rotor y las ranuras del estator también están en sentido axial en la superficie interior del estator. Debido a que la permeabilidad de los imanes permanentes es aproximadamente la del vacío, en este tipo de máquina se pueden considerar de polos lisos y con un entrehierro elevado, lo que da lugar a que la inductancia síncrona no sea muy elevada.


2.3.- VENTAJAS FRENTE A UN GENERADOR DE ROTOR BOBINADO

La máquina síncrona de rotor bobinado tiene la ventaja de que la corriente de excitación es ajustable y, como consecuencia, también lo será la tensión de inducido. Por esta razón, estos generadores se utilizan en sistemas de velocidad constante conectados directamente a la red, por ejemplo, turbogeneradores. Sin embargo, en los aerogeneradores, al ser la velocidad del viento variable, también lo será la velocidad del rotor y, por tanto, es necesario situar un convertidor antes de la conexión de la red, con lo que se pierde esa ventaja que tenía las máquinas síncronas de rotor bobinado. Las máquinas síncronas de imanes permanentes tienen una ventaja frente a las de rotor bobinado: con un elevado número de polos, permite que la masa del yugo del estator y rotor se reduzcan. Además, este elevado número de polos resulta atractivo en estas máquinas porque en las de rotor bobinado, a medida que aumentamos el número de polos y disminuye el paso polar, se debe aumentar la altura de los polos, por lo que las máquinas de rotor bobinado son más pesadas que las de imanes permanentes. Situación, en la que al disminuir el paso polar, aumenta mucho la cantidad de material de los polos. Otra desventaja importante de las máquinas síncronas de rotor bobinado es que habrá más pérdidas debido al bobinado en el rotor ya que, aunque haya pérdidas en los imanes magnéticos, serán mucho menor que las del bobinado. 2.4.-TIPOS DE IMANES

Lo que se busca en los imanes permanentes es: 

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Una elevada remanencia, ya que cuando mayor es la remanencia, mayor es el flujo magnético que puede crear un imán. Una elevada coercitividad (resistencia a la desmagnetización), ya que cuando mayor es la coercitividad del imán, más difícil es que se desmagnetice.

Existen cuatro familias principales de materiales de imanes permanentes que van desde la ferrita, de bajo precio y baja energía, hasta los imanes de las tierras raras, de alto coste y alta energía. A continuación se van a describir con detenimiento cada tipo de familia: 

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Los alnicos. Son una aleación de Aluminio, Níquel y Cobalto. Poseen una elevada temperatura máxima de operación y una elevada remanencia, pero su coercitividad es baja. Estos imanes, por tanto, no se pueden utilizar para generadores. Las ferritas. Las ferritas son materiales cerámicos de muy bajo coste. Tienen una resistencia a la desmagnetización moderada. Son utilizados por su bajo coste, aunque poseen un peso elevado. Imanes de las tierras raras. Son los imanes más poderosos magnéticamente. LUIS RAMÍREZ ALDANA 14

2.4.1.- Imanes de las tierras raras

Las tierras raras son unos elementos pertenecientes a la t abla periódica. Las aleaciones de estos elementos son las que producen los imanes permanentes de las ti erras raras. Éstos tienes valores elevados de coercitividad y saturación magnética, lo que aumenta sus productos de energía. Existen 2 aleaciones de imanes permanentes de las tierras raras usados en la actualidad: 

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Aleaciones de samario. La utilizada es la Sm-Co, una aleación con un elevado producto de energía. La aleación Sm-Co es muy cara para la producción en masa y se suele utilizar en instrumental de laboratorio o especiales. Sm-Co es un buen material para usos que requieren elevado rendimiento en ambientes de trabajo con altas temperaturas, ya que tiene unas características térmicas excelentes. Aleaciones de Neodimio. La más utilizada es la de Nd-Fe-B. el Neodimio es una tierra rara más abundante que el samario y más liviana, y el Hierro es un metal de transición más barato que el cobalto. Añadiendo el Boro se obtiene un imán con una temperatura de operación mayor, si bien sigue siendo la desventaja respecto a los imanes Sm-Co.

2.5.-DESMAGNETIZACIÓN DE LOS IMANES Uno de los principales problemas en los generadores de imanes permanentes es la posible desmagnetización irreversible de los imanes. Cuando esto sucede, hay que sustituir los imanes, por lo que hay que analizar la posible desmagnetización comprobando que no se produce ante un cortocircuito. La desmagnetización del imán se produce debido al campo inducido por las corrientes del estator, que lleva un sentido opuesto al campo remanente del imán y que va a disminuir su campo total. Si este campo disminuye hasta un valor mínimo, el imán no volverá a su curva inicial de histéresis hasta acabar desmagnetizándose.

2.6.- USO Los generadores se usan, por ejemplo, para alimentar los reguladores que actúan en la excitación de grandes generadores síncronos. Su principal beneficio en estos casos es que cuando hay un cortocircuito en el gran generador síncrono son capaces de suministrar la energía necesaria al regulador para que este sobreexcite al generador y poder mantener la t ensión el tiempo suficiente para que salten las protecciones. Otro gran uso de los generadores es la generación eólica. Mediante los generadores se eliminan las escobillas y los sistemas reductores, con lo que se ahorra en mantenimiento, espacio y precio.


Una gran empresa que trabaja con generadores de imanes permanentes es POTENCIA. Para la realización de este trabajo traté de conseguir información contactando con ellos a través de e-mail. No se mostraron muy colaboradores y simplemente me facilitaron su dirección web en la cual he encontrado algunos datos sobre la empresa, la cual es una de las más importantes en la fabricación y distribución de generadores de imanes permanentes. POTENCIA es pionera a nivel mundial en el diseño, ingeniería y f abricación de generadores de imanes permanentes, empezando con el diseño y fabricación de generadores eólicos de tracción directa de 5 kW y 28 polos en 1975, hace más de 30 años. POTENCIA es líder mundial en la fabricación de generadores de imanes permanentes (GIP) de gran tamaño para aerogeneradores. Actualmente fabrican 20 MWs de generadores por semana. Ha desarrollado muchos diseños para su uso con imanes tradicionales de ferrita y con imanes de neodimio, que son más potentes. Ellos aseguran que sus generadores de imanes permanentes son la mejor opción, gracias a que presentan un nivel de pérdidas 50% más bajo y tienen una salida 2 veces mayor para un peso y un volumen específicos. Los generadores de imanes permanentes de POTENCIA son idóneos para su uso con turbinas eólicas, turbinas hidroeléctricas, energía generada por el oleaje, turbinas geotérmicas/de vapor, turbinas de gas y motores de combustión interna, y los hay tanto en velocidad constante como en velocidad variable. Además cuentan con diferentes patentes como GIP autorregulados.


3.- BIBLIOGRAFÍA Máquinas eléctricas: Máquinas eléctricas rotativas. Conceptos básicos. Junta de Andalucia. http://agrega.juntadeandalucia.es/repositorio/22012011/b2/esan_2011012213_9133957/ET2_U4_T2_Contenidos_v02.pdf (Consultado el 25/11/2014) Miguel Angel Rodríguez Pozueta. Doctor Ingeniero Industrial. Universidad de Cantabria. CONSTITUCIÓN DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS. http://personales.unican.es/rodrigma/PDFs/constitucion%20maq%20elec.pdf (Consultado el 25/11/2014) Máquinas eléctricas rotativas. http://www.infoplc.net/files/documentacion/motion_control/infoPLC_net_8448127641.pdf (Consultado el 26/11/2014) http://www.sav.us.es/formaciononline/asignaturas/asigte/apartados/textos/apartado2_4.PD F (Consultado el 25/11/2014) Generadores de imanes permanentes, OBEKI S.A. http://www.obeki.com/productos/Generadores%20de%20Imanes%20Permanentes.pdf (Consultado el 13/12/2014) Libro: Tecnología industrial II 2ºBachillerato Mc graw Hill (Consultado el 20/11/2014) Paloma Zahonero Carrasco. Universidad Pontificia Comillas. Generador de flujo radial de imanes permanentes. (Consultado el 05/12/2014) Alfonso Santos Jaimes. Universidad de los Andes. Adaptacion de un generador eléctrico de imanes permanentes y flujo radial.

(Consultado el 13/12/2014) POTENCIA INDUSTRIAL. http://www.potenciaindustrial.com.mx/html/permanent-sp.html (Consultado el 13/12/2014)


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