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Descripción de un alternador lineal de 1.5 KVA proyectado para aplicar a un motor Stirling de pistón libre con movimiento rectilíneo:
Datos de inicio para el diseño:
S= 1500 VA, E= 240 Voltios (V= 235 Voltios), I= 6.5 Amp. (Se adopta una baja densidad de corriente para evitar problemas de refrigeración).
Para una frecuencia de 50 Hz:
Con 1500 pulsaciones/minuto del motor Stirling el desplazamiento será empleando un conjunto de 7 imanes, que supone una carrera de 24 mm
Con 1000 pulsaciones/minuto del motor Stirling el desplazamiento será empleando un conjunto de 8 imanes, que supone una carrera de 36 mm
Con 750 pulsaciones/minuto del motor Stirling el desplazamiento será empleando un conjunto de 9 imanes que supone una carrera de 48 mm.
1º Descripción de funcionamiento:
El flujo magnético fluye de un norte a un sur a través de un doble circuito magnético paralelo en el que se colocan las bobinas excitadas.
Al desplazarse linealmente en vaivén un excitador compuesto de imanes permanentes y de discos polares, estos últimos van encarando los polos, conmutando el flujo e inviertiéndolo: N-S, S-N, y así sucesivamente.
Esquema simplificado de la excitación magnética y circuito de generación eléctrica.
2º Circuito Magnético:
El circuito magnético estatórico está constituido por palastro compuesto por chapas apiladas de acero para usos magnéticos, este conjunto esta recortado para formar unos polos de 6 mm de ancho con un entrante en semicírculo.
Vista frontal del circuito magnético Vista lateral del circuito magnético.
Vista 3D del circuito magnético.
Este recorte se efectuará en ambas caras de forma alterna, con una separación longitudinal entre ellos de un paso polar de 12 mm, (6 mm del disco y 6 mm del imán) de forma que cuando un disco polar “Norte” encare un polo, el disco polar “Sur” encare el otro polo de la pared opuesta.
Estos polos semicirculares completan el hueco circular por el que se desplaza el excitador magnético.
3º Excitación magnética:
Está constituida por un excitador que se desplaza axialmente entre los polos recortados en el palastro.
Este excitador está construido con discos de acero e imanes permanentes colocados de forma alternativa. Los discos realizan la misión de polos magnéticos.
A través de estos polos el circuito estatórico recibe el flujo magnético de un conjunto de 7 a 9 imanes (7 para 1500 p/min., 8 para 1000 p/min., 9 para 750 p/min.) de Neodimio de forma anular (D=34 mm, d=12 mm, h=6 mm) con una inducción remanente de B= 1.32 Teslas.
De estos simultáneamente siempre trabajan cinco de ellos por lo que:
Superficie de 1 imán =0.0007948 M2;
5 imanes 5*0.0007948=0.00397 M2
Y si estimamos una reducción de B=1.32 Teslas a B = 0.42 Teslas debida a la presencia de un entrehierro de 0.8 mm (0.4x2) nos proporcionan un flujo total de unos 0.00164 Weber.
Los imanes en forma de anillo, de grado 35, van insertados en un eje de acero inox. amagnético de 12 mm de diámetro.
Imán Neodimio; Orientación: Axial, Grado: 35, Medidas: 34x12x6
Entre imán e imán y en ambos extremos irá colocada el disco de acero dulce que cumplirá la misión de zapata polar. Esta pieza será de 50 mm de diámetro y 6 mm de espesor.
Dada la alta tendencia a la corrosión del Neodimio, conviene sellar los imanes, rellenando con Epoxy u otro producto similar el hueco resultante por la diferencia de dimensiones entre las piezas polares del excitador y los anillos del imán de Neodimio.
Vista lateral del excitador de imanes permanentes. (750 p/min.)
4º Circuito de generación eléctrica:
Está constituido por dos bobinas de 330 espiras cada una, conectadas en serie, el número sale de:
Como: E=4.44 * flujo * f * N
240=4.44*0.00164*50*N;
N=240/0.364=660 espiras, como son 2 bobinas
660/2=330 espiras/bobina
(Aunque para cálculos vamos a incrementarlas hasta unas 340 espiras por la estimación de un factor de forma desconocido de la bobina.)
El hilo del bobinado será de cobre esmaltado de 2.5 mm2 de sección.
(Que corresponde a un diámetro de 1.78 mm).
Aunque esta sección permite más de 6.5 Amp., mientras no se puedan efectuar los correspondientes ensayos de calentamiento se adopta por precaución esta medida como conservadora.
Cada bobina será de 120x70x50 mm, con un hueco interior de 75x15 mm.
Vista lateral del alternador lineal (versión 750 p/m)
Vista frontal del alternador lineal.
5º Dimensiones y montaje:
Las dimensiones totales del conjunto del circuito magnético son:
Alto: 180 mm. Ancho: 150 mm.
Largo (1): 114 mm para 1500 p/min. (incluida carrera)
Largo (2): 138 mm para 1000 p/min. (incluida carrera)
Largo (3): 162 mm para 750 p/min. (incluida carrera)
El conjunto para 750 p/ min. puede ir montado en una caja o carcasa de aluminio circular de aproximadamente 185 mm de diámetro interior y 165 mm de longitud (medidas internas), y unos 30 mm de pared.
Se podría dotar de aletas externas de refrigeración si se comprobase su necesidad, aunque con las pérdidas evaluadas teóricamente de momento no parece necesario.
En los escudos o tapas de la caja se alojarán los 2 cojinetes-guía del eje, que se realizaran en bronce del usado habitualmente en cojinetes.
La caja puede rellenarse de aceite de transformador tipo Repsol Tensión o similar, en cuyo caso habría que implementar retenes en los cojinetes-guía.
6º Perdidas por efecto Joule e histéresis.
Longitud de la espira media 302 mm.
Longitud total del hilo = 2 x 340 x 0.302 = 205.36 mts.
R= 1/56 * L/s = 205.36/(56*2.5)= 1.466 ohmios.
Pcu= 1.466* 6.5^2= 61.97 vatios, considerando conexiones etc. podemos aceptar aproximadamente 70 vatios disipados en calor por efecto joule.
Si consideramos otro tanto para las pérdidas en el hierro: Pt= Pcu + Pfe= 140 vatios.
El rendimiento eléctrico teórico sería en ese caso:(1500-140)/1500 = 90.6 %.
Víctor Luis Álvarez.
Para cualquier aclaración o comentario, se puede contactar con el autor en:
