martes, 14 de diciembre de 2010

Investigación sobre un prototipo de Motor Adams


Informe de la investigación
Este es un informe sobre los experimentos realizados sobre el motogenerador diseñado por Robert Adams en 1969, un ingeniero eléctrico neozelandés miembro fundador de la IEEE de ese país fallecido en 2006.
El dispositivo es llamado motogenerador porque cumple una doble función. Genera trabajo mecánico mediante el movimiento del rotor (motor), y produce energía eléctrica durante este proceso (generador).
En estas páginas se intentarán mostrar los resultados a los que se ha arribado tras varios meses de pruebas.

Introducción
Básicamente, el esquema del motor se resume en el siguiente gráfico:

Figura 1

El dispositivo se compone de un rotor, el cual contiene cuatro imanes permanentes, y dos o cuatro bobinas con núcleo de material ferromagnético como parte del estator. Los imanes del rotor deben estar colocados de tal forma que todos los polos del mismo signo estén apuntando en el mismo sentido respecto del eje de rotación. Además, estos imanes deben colocarse en un ángulo de 90° uno respecto del otro, logrando de esta manera que los imanes estén colocados sobre dos líneas perpendiculares entre sí cuyo cruce se encuentra en el centro del rotor.

Las bobinas del estator deben estar conectadas en serie, y disponerse sobre una misma línea frente al contorno del rotor, de tal manera que el polo magnético generado en el extremo más cercano al rotor sea de la misma polaridad que el polo de la cara visible de los imanes del rotor.

Como requisito adicional, debe disponerse de un mecanismo de sincronismo que permita circular una corriente eléctrica por las bobinas en un momento determinado.

Funcionamiento

Los imanes se ven atraídos por los núcleos ferromagnéticos del estator, con lo cual se produce un movimiento de rotación en el rotor. Cuando el imán se aproxima al núcleo, acciona el dispositivo de sincronización, el cual hace circular una corriente por la bobina. Esta corriente en el bobinado induce un campo magnético de polaridad contraria al polo externo de los imanes del rotor, con lo cual se suprime la atracción magnética entre el imán del rotor y el núcleo ferromagnético de la bobina, permitiendo entonces que el movimiento de rotación continúe. Una vez que el imán se aleja del núcleo el dispositivo de sincronización se desconecta, y el campo magnético de la bobina colapsa, permitiendo entonces que el siguiente imán sea atraído por el núcleo, y repitiendo el proceso nuevamente.

Dispositivo de prueba

Como se puede observar, se trata de un modelo muy rudimentario, pero ha servido a los fines prácticos para poder realizar mediciones y probar distintas configuraciones de trabajo.

Figura 2


El rotor se compone de un cabezal de video reproductor, elegido éste por su baja fricción y equilibrado balance, el cual fue adherido a una carcasa de lectora de discos de computadora, y aloja a cuatro imanes de neodimio de sección circular de 12 mm de diámetro y 5 mm de espesor. Las bobinas del estator están compuestas por alambre esmaltado de cobre de diámetro 0,1 mm y 1000 vueltas cada una, con núcleos de hierro laminado extraído de transformadores en desuso. Para la construcción del circuito de sincronización se ha utilizado un transistor de potencia BD245 montado en un disipador, el cual es activado por un reed switch, o interruptor magnético (ampliamente utilizado en los disparadores de alarmas), y puede apreciarse en la figura 2 siendo sostenido por un cabezal de lectura de disco rígido.


Cabe aclarar que este no es el primer modelo construido, y que se han intentado otras configuraciones, pero se comenta la presente porque es la que ha cumplido con los objetivos buscados al iniciar esta investigación.

Comportamiento eléctrico

Una batería de 12V 7Ah alimenta al motor (representado en la figura 3 por la bobina) y al circuito de control. Cuando un imán del rotor se acerca a la llave magnética (el reed switch), ésta se cierra, haciendo que el transistor de potencia BD245 se sature y conduzca. En ese momento una corriente atraviesa las bobinas del motor y permite que continúe la rotación del rotor, como se ha explicado anteriormente, mientras que una corriente pasa de la batería hacia la salida del generador. Justo cuando la llave magnética se abre y corta la corriente de la base del transistor, y por ende, la corriente que atraviesa la bobina, el campo magnético colapsante de la bobina produce un fenómeno transitorio conocido como fuerza contra electromotriz (fcem), el cual genera un pulso negativo de alto voltaje y una corriente eléctrica opuesta al sentido de la corriente que atravesaba dicha bobina.

Además de este fenómeno, durante el tiempo que el transistor se encuentra cortado, el movimiento del rotor produce una variación del flujo magnético de los imanes sobre las bobinas, lo cual induce una corriente eléctrica en las mismas que se dirige hacia la salida del generador.

 Figura 3

Para ilustrar estos fenómenos, se muestra en la siguiente figura la salida del generador bajo el análisis de un osciloscopio.

Figura 4

Es una forma de onda compleja, y por lo tanto hay que analizarla en partes.

Figura 5

Vemos en la figura 5 que la onda se compone de cuatro partes perfectamente diferenciadas. En la parte A se observa el periodo durante el cual la llave magnética se encuentra cerrada. Hay una corriente eléctrica que atraviesa la bobina de positivo a negativo. En la figura B la llave magnética se encuentra abierta, y se observa el pico de tensión negativo producido por la fcem inducida en la bobina. El capacitor en la salida del generador amortigua este pulso, y se han llegado a observar pulsos de 78V sin su presencia. En la figura C se puede apreciar un fenómeno extraño y no explicado en los párrafos anteriores. Parece tratarse de una oscilación atenuante producida por el circuito resonante formado por los bobinados del motor y el capacitor de la salida del generador. En la figura D se muestra la tensión inducida en las bobinas por el cambio del flujo magnético debido al movimiento de rotación de los imanes del rotor.


Análisis de la potencia

Para poder determinar la eficiencia del conjunto debemos calcular la potencia efectiva de entrada y la de salida. En el caso de la potencia de salida no hay grandes dificultades, ya que la tensión de salida es rectificada y filtrada por medio de un capacitor, lo cual nos asegura una corriente continua que puede ser registrada por cualquier instrumento convencional. Para la potencia de entrada debemos realizar un cálculo matemático para determinar su efectividad.

Se define como valor efectivo de una corriente a aquel valor capaz de producir la misma disipación de calor que una corriente continua. Este concepto se puede aplicar también a la tensión y a la potencia variables en el tiempo.

Comencemos con el cálculo de la potencia de entrada. Una forma de calcular la potencia es realizar el producto de la tensión por la corriente. Por lo tanto se realizará el producto de la tensión de entrada por la corriente de entrada para determinar su valor.

Cálculo de la potencia efectiva de entrada

Tanto la tensión como la corriente de entrada son ondas alternadas en el tiempo. Como ya se explicó antes, el dispositivo de sincronización permite el paso de la corriente a través de los bobinados del motor sólo en un momento específico. Vamos a ver cuál es la forma de onda para la corriente de entrada:

Figura 6

Cómo se puede apreciar en la figura 6, la entrada tiene forma de onda cuadrada, con lo cual los cálculos se simplifican bastante. El periodo de esta onda es el siguiente:



Figura 7

Mediante el gráfico de la figura 7 podemos ver que el periodo de conducción de la llave magnética (T') es aproximadamente de ¼ del periodo total de la onda (T).

Para realizar el cálculo del valor efectivo de una onda, se utiliza la siguiente expresión:
        _______________
       /      T
Aef =  1/T * ∫ a²(t dt
              0

La función a(t) de la ecuación es en nuestro caso una onda cuadrada. La definición de esta función es la siguiente:

    ⎧  A    0  ≤ t ≤ T/4
a(t)    ⎨
    ⎩  0   T/4 ≤ t ≤ T

Siendo A el máximo valor que puede alcanzar dicha función en el periodo estudiado.

Por lo tanto, la integral de dicha función es la siguiente:

 T             T/4              T/4
∫ a²(t dt  =  ∫ A²dt  =  [ A²t ]   =  A²T/4 
0             0                 0

Reemplazando el resultado de la integral en la expresión del valor efectivo, resulta:
        _____________      ______
Aef  =  1/T * A²T/4   =   A²/4   =  A/2

Por lo tanto, para determinar la tensión efectiva de entrada, reemplazamos en esta ecuación el valor de A por el de la tensión de la batería:

Vef ent = 12,58V / 2 = 6,29V


Para determinar el valor efectivo de la corriente de entrada, debemos seguir un procedimiento similar. La única salvedad es que debemos conocer la corriente de entrada pico, o sea, la corriente de entrada cuando el dispositivo de sincronismo hace conducir al transistor. Para ello, con el motor en reposo, conectamos el amperímetro entre la batería y la entrada del circuito del motor. Movemos el rotor hasta que el imán cierre la llave magnética y medimos la corriente de entrada. El valor registrado es de 0,56A con una carga en la salida de 28Ω. Sin la carga, el valor es de 0,185A.


Por lo tanto, el valor efectivo de la corriente de entrada es:

Ief ent = 0,56A / 2 = 0,28A

Y por consiguiente, el valor de la potencia efectiva de entrada queda como:

Pef ent = Vef ent * Ief ent = 6,29V * 0,28A = 1,7612W

Para validar el cálculo hecho, cabe mencionar que se registró la corriente de entrada mediante el amperímetro con el motor funcionando. El valor registrado fue de 0,328A, y en ese momento el motor funcionaba con un periodo T' = T/3. Realizando el cálculo del valor efectivo de la corriente para este periodo el resultado es de A/3, por lo tanto, sabiendo que el instrumento mide valores efectivos, multiplicamos la corriente registrada (efectiva) por la raíz cuadrada de tres, y el resultado es de 0,5681A. Un valor muy aproximado al utilizado para realizar los cálculos, aquel registrado con el motor detenido, lo cual arroja un error del 1,42%.

Cálculo de la potencia efectiva de salida

En este caso sólo debemos remitirnos al valor registrado por los instrumentos, ya que como se mencionó anteriormente, la salida es una corriente continua debido a la rectificación y filtrado de la onda de salida del generador.

Se utilizó como carga una resistencia de 28Ω con una capacidad de disipación de potencia de 3W, y se registró una caída de tensión sobre la misma de 9,82V. Para calcular la potencia efectiva de salida aplicamos la fórmula:

Pef sal  =  Vef sal ² / R sal  = (9,82V)² / 28ohm  =  3,444W

Como confirmación de la potencia de salida se puede mencionar el hecho de que la resistencia comenzó a sobrecalentarse y emitir humo al comenzar a quemarse el recubrimiento de la misma. Ni que decir que era imposible tocarla sin quemarse los dedos de la mano. Por lo tanto, se había como mínimo alcanzado la capacidad de disipación de potencia para la que fue construida (3W).

Observaciones adicionales

Mediante el periodo de la onda registrada por el osciloscopio podemos conocer la velocidad de rotación del motor. El periodo T es de 12 mseg (0,012 segundos), lo que resulta en una frecuencia de 83,3333Hz, que es lo mismo que decir que la llave se cierra 83,3333 veces por segundo. Sabemos que la llave magnética se cierra cuatro veces por vuelta del rotor, o sea, una vez por cada imán de éste. Por lo tanto, si dividimos la frecuencia por cuatro, nos dará la cantidad de vueltas por segundo del rotor. El resultado es de 20,8333 vueltas por segundo. Ahora, para conocer las RPM (revoluciones por minuto) del rotor, sólo basta con multiplicar este último número por 60, ya que hay 60 segundos en un minuto. Esto nos da una velocidad del rotor del motor de 1250 RPM.

El ajuste de la distancia de la llave magnética respecto al rotor y su ángulo respecto a las bobinas es crítico, y la clave del rendimiento de este motogenerador. Acercar la llave al rotor implica que permanecerá cerrada durante un periodo de tiempo más prolongado que si la alejáramos. El ángulo formado con las bobinas determina el momento en el cual se producirá la anulación de la atracción entre los imanes del rotor y el núcleo ferromagnético de las bobinas del estator.

En la figura 8 podemos apreciar los siguientes elementos: La línea amarilla indica la línea imaginaria que alinea las bobinas y pasa por el centro del rotor. La línea verde muestra la posición de la llave magnética respecto del centro del rotor. La línea roja marca el diámetro del rotor, en este caso 600 mm. La línea púrpura indica la distancia entre el perímetro del rotor y la llave magnética, en este caso 227 mm. El ángulo formado entre la línea imaginaria que forman las bobinas pasando por el centro del rotor (línea amarilla) y la línea imaginaria que forma el centro del rotor con la llave magnética (línea verde) es de 54°.

Figura 8

Consideraciones finales


La corriente de entrada al motor sin carga es de 0,185A, con lo cual, sin carga, el consumo del motogenerador es de 0,58W. Eso significa que la diferencia entre esta corriente y la corriente de entrada con el motor cargado (0,375A) es la corriente que la batería entrega sobre la carga, la cual produce una potencia efectiva de 1,18W. Los 2,26W restantes son generados exclusivamente por la fcem de las bobinas y la inducción de una fem (fuerza electromotriz) en las mismas por la rotación de los imanes.

Todavía quedan muchas pruebas por hacer, como agregar dos pares de bobinas más, todas conectadas en serie, colocar bobinas en el perímetro del rotor para recolectar la energía generada por la fem inducida en ellas, o anexar una carga mecánica en el eje del rotor para probar la potencia mecánica del motor.

Debido a su principio de funcionamiento, el torque de motor es definido por la fuerza de atracción ejercida entre los imanes del rotor y los núcleos de las bobinas del estator.

La distancia de las bobinas al rotor no es condicionante para un mejor desempeño. Durante las pruebas se desplazaron de una separación de 5 mm a una de 15 mm, y la tensión de salida pasó de 9,46V a 9,23V. Para un desplazamiento de 10 mm la potencia se redujo en 0,0019W.

El diseño de las bobinas es una parte fundamental del motor. El hecho de cambiar las bobinas anteriores de 200 vueltas por las mencionadas en este informe de 1000 vueltas produjo resultados inesperados. Queda pendiente investigar cuál es el mejor diseño para alcanzar los máximos rendimientos.

Otra prueba pertinente consistiría en elevar la tensión de entrada, y observar de qué manera cambia la salida del generador. Se supone que se pueden obtener rendimientos superiores a los registrados en esta experiencia.

Se debería utilizar un dispositivo de sincronismo que no esté basado en una llave magnética, propensa al desgaste de sus contactos. Opciones a tener en cuenta serían un disparador por medio de un optoacoplador o un sistema mecánico mediante escobillas, tal como aconseja su inventor.

Si el torque del motor fuera suficiente para mover el rotor de un generador y no afectara el rendimiento actual, estaríamos alcanzando una nueva panacea energética. Experiencias subsiguientes consistirán en el acoplamiento de un generador de imán permanente a este dispositivo.



4 comentarios:

  1. Compadre yo lo apaño, se nota que hay un análisis serio del asunto, eligió bién los materiales a pesar de ser materiales reciclados.
    Te dejo mi msn, moscaelectrica =AT= G
    Soy ejec. electrónico de la utem, soy de maipú. Tengo un osciloscopio viejo pero funcional, aver si te puedo contactar, un gran abrazo.
    Victor

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  2. hola me podrías enviar el proyecto ya que lo encuentro muy interesante gracias mi correo es jsf.seco@gmail.com

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    1. Lo que se ha experimentado es lo que se encuentra en este blog. No hay un proyecto mas extenso. Para lo que necesites estoy a tus ordenes.

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    2. Si puedes contrastar los resultados con tu propio experimento hazmelo saber.

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