Cálculo y diseño de un microalternador multipolar de 250 VA destinado a microturbinas eólicas tipo Savonius de baja velocidad.

Descripción preliminar, pendiente del desarrollo definitivo y de sus correspondientes planos y esquemas.

Introducción

Aun existen en el mundo muchas comunidades que no disfrutan del uso de la energía eléctrica, este prediseño esta realizado con la intención de crear una máquina útil para conseguir la electrificación de quienes carecen de ella. Y que al mismo tiempo sea posible su construcción y utilización por aficionados amantes de las energías alternativas de cualquier lugar.

Se trata por ello de diseñar un microalternador multipolar monofásico que permita el aprovechamiento de los recursos eólicos que suministran las turbinas de baja velocidad como la turbina multipala de un relativo alto par motor y bajas revoluciones, con un bajo coste y con una tecnología artesanal que permita su fabricación por los artesanos locales de los países en los que la electrificación rural aun no se ha desarrollado. Esta máquina está pensada para un muy pequeño rotor Savonius de 760 mm de diámetro y 600 mm de altura. Que dará 280 vatios a 500 rpm con una velocidad del viento de 20 m/seg. (72 Km/hora)

Este estudio se ha realizado primando especialmente las características de sencillez y economía sobre otros factores como el rendimiento; Ya que sus pérdidas en el hierro serán superiores a las habituales por carecer de palastro en los polos inducidos, aunque las pequeñas dimensiones de los núcleos magnéticos del inducido hacen que estas pérdidas sean menos significativas debido a los cortos recorridos de las corrientes parásitas.

Por otra parte el aumento de la frecuencia a altas velocidades incrementa la reactancia y disminuye la tensión teórica de salida, lo que nos beneficia, e incrementa las perdidas, que en ese momento no representa un gran problema, incluso nos beneficia por suponer un aumento del par resistente que disminuya el posible embalamiento de la máquina.

Por otra parte que la frecuencia de salida sea variable carece de importancia, pues será rectificada a C.C. para la carga de baterías.

Es importante significar que los alternadores destinados a la microeólica dotados de excitación fija, de imanes permanentes, son de tensión y frecuencia variables, y prácticamente lineales, con respecto a la velocidad.

Por ello estos alternadores no son los elementos más determinativos del funcionamiento de la instalación, el cual dependerá básicamente de la siguiente etapa que consiste en el regulador de carga de baterías.

Con el inconveniente, de cara a ciertas ubicaciones, que esos sistemas basados en la electrónica no son técnicamente accesibles, en cuanto a su construcción y mantenimiento, al personal no formado adecuadamente para ello.

La máquina que buscamos

Pretendemos una máquina monofásica, lenta, sencilla, fácil de instalar y mantener por las poblaciones donde se implemente su instalación. El rango de trabajo será entre 125 y 500 rpm., que supone un rango de tensiones entre 12.5 y 50 V. C.A., y frecuencias de entre 12.5 Hz y 50 Hz que se rectificarán y acoplarán al correspondiente regulador de carga de baterías que admite tensiones dentro de ese margen.

Fijamos como bases de cálculo una potencia de 0.25 KVA. y 50 Voltios de salida a 500 rpm. (50 Hz), por lo que para 250 VA, la intensidad será de 5 Amp.

Descripción y cálculo del alternador

Rueda polar (rotor)

La rueda polar constará de 12 polos, o 6 pares de polos, que es lo mismo, por lo que para 50 Hz su velocidad será 3000/6 = 500 rpm. Y su tensión de 50 V.

Como excitadores por motivos económicos elegimos imanes permanentes en anillo de Neodimio de diámetros 20 mm/3 mm y grosor 8 mm, grado N35, magnetización axial, con una inducción remante B=1.2 Teslas y estimamos un entrehierro de 0.5 mm entre las zapatas polares y la superficie de los núcleos de las bobinas inducidas. Lo que nos dará 0.5 Teslas.

Como núcleos de los anillos de imán usaremos tornillos de acero inoxidable (amagnético) o latón M3 de 20 mm de largo, de cabeza avellanada que sujetarán un disco de acero de 24 mm de diámetro, y 2 mm de espesor que actuará como zapata polar, este disco tendrá un taladro central de 3 mm avellanado.

Se trata entonces de dimensionar la rueda polar para ubicar en ella 12 polos, con una separación de 32 mm entre los centros de los mismos para minimizar la dispersión del flujo magnético.

La longitud de la circunferencia donde están los ejes de los polos será entonces de 12x32 = 384 mm que se corresponde con un diámetro de 122.23 mm por lo que elegimos un disco de acero de 135 mm de diámetro y 2.5 mm de espesor, en el que en el diámetro calculado de 122.23 mm trazaremos una circunferencia sobre la que haremos 12 taladros de 3 mm. Separados sus centros 32 mm entre si.

En cada taladro colocaremos un tornillo inox. o latón M3x20 que ira pasante, en el mismo se colocará previamente un anillo de Nd de 20x3x8 y el disco que hace de zapata polar y lo fijaremos con una tuerca y arandela por la parte trasera, cuidando de no ejercitar esfuerzos sobre los imanes para no quebrarlos, a tal fin sujetaremos las cabezas mientras apretamos las tuercas posteriores.

Las cabezas de los tornillos tienen que quedar rigurosamente en un mismo plano paralelo al del disco.

Los anillos de Nd consecutivos tienen que ser de polaridad opuesta de forma que a un N le siga un S, formando circuitos magnéticos entre los polos adyacentes.

Polo excitador y polo excitado

Una vez terminada la colocación de los polos magnéticos comprobaremos que las polaridades son las correctas mediante la utilización de una aguja imantada, vale cualquier brújula de bolsillo para ello.

Como el entrehierro estimado es de 0.5 mm, el anillo de Nd nos dará una inducción para ese entrehierro del orden de 0.4 Teslas que supone un flujo.

Flujo = 0.012*0.012*PI*0.4 = 0.0001809 Weber por polo.

El cálculo de la inducción está realizado mediante el programa ubicado en:

http://www.magnetsales.com/Design/Tools1.htm#flux

Para una salida de V= 50 V, con 50 Hz estimamos necesaria una E= 55 V. Luego:

55=4.44* 0.0001809*50*N

De donde N será N = 1369 espiras, por lo que adoptaremos 1380 espiras que significa 115 espiras por polo del inducido.

Inducido (estator)

Como la máquina es muy lenta su refrigeración es muy deficiente y además no usaremos palastro de chapas magnéticas apiladas, aunque las perdidas por histéresis y corrientes de Foucault no serán muy elevadas debido al uso de bajas frecuencias, así y todo tenemos que minimizar en lo posible las pérdidas por el efecto Joule.

Detalle de dos polos consecutivos

Por ello para 250 VA a 50 V corresponden 5 A, si adoptamos una densidad de corriente de 2.5 A/mm2 escogeremos una sección de 2 mm2 que supone un hilo esmaltado de 1.6 mm de diámetro.

Se prepara entonces un disco como el anterior con taladros en idénticas ubicaciones a 32 mm de distancia entre centros, pero de 16 mm de diámetro, donde se colocan tornillos M16 DIN 931 de acero, de cabeza exagonal parcialmente roscados, de una longitud de 80 mm, que irán, fijados por doble tuerca interna/externa al disco giratorio, estas tuercas servirán para ajustar que las cabezas de los tornillos estén exactamente en un mismo plano paralelo al del disco.

Estos tornillos formarán el núcleo magnético de las bobinas, su superficie no roscada de 65 mm de longitud se aislará con tres o cuatro vueltas de cinta aislante para bobinados, y sobre ellas se devanaran 102 espiras de hilo esmaltado de 1.6 mm de diámetro en cada polo, que serán distribuidas en 3 capas. Repitiéndose la operación en el polo siguiente pero con sentido de bobinado inverso.

Como se dijo antes se extremará la precaución de que cada polo este enrollado en distinto sentido que los adyacentes de forma que si en uno de ellos se bobina en sentido CW (sentido horario) el siguiente tiene que ir en sentido CCW (sentido anti-horario) ya que cada polo del inducido estará frente a un polo del inductor y como estos tienen polaridad alterna, en los polos inducidos si estuviesen devanados en el mismo sentido se generarían corrientes opuestas que se anularían. Es preciso aislar bien los polos, que el hilo esmaltado no toque el acero.

Cálculo de saturación magnética: En los polos inducidos, tenemos 0.0001809 Weber por polo, luego 0.0001809/(0.008*0.008*PI) dan 0.9 Teslas que esta dentro del entorno correcto en cuanto a la saturación magnética.

El conjunto de las bobinas del inducido irá en serie y su comienzo y final se conectaran en una regleta que hará de placa de bornes.

Montaje mecánico y ajuste.

El disco de inducidos estará fijo a una bancada, sin emplear soldadura para evitar alabeos de origen térmico. Y presentara un orificio por donde pasará libremente el eje del disco móvil para acceder al rodamiento situado en el extremo de este disco.

En esta bancada formada por dos perfiles en U longitudinales y otros dos transversales soldados entre si y con cartelas soldadas en las esquinas, se fijarán unos soportes de rodamiento con un rodamiento radial y otro axial que permita el juego en ese sentido, en dichos rodamientos se situará el eje de giro, constituido por un redondo de acero de 12 mm de diámetro, que ira fijado por un chaveta al rotor, el estator ira atornillado a un soporte regulable en altura fijo a la bancada.

Una vez montados rotor y estator, se ajustaran en altura desde el estator y después desplazando la chaveta del rotor se aproximarán las caras de los polos del rotor y el estator, ajustándolos en planos paralelos y dejando una separación de 0.5 mm entre ellos.

En el hueco del eje, entre discos, se colocará un ventilador calado en el eje.

Una vez que tengamos un montaje satisfactorio aplicaremos a las roscas un bloqueante líquido como el Loctite o similares. Lo ideal si se dispone de maquinas herramientas sería mecanizar las cabezas de los tornillos después de montadas para dejarlas todas exactamente en un mismo plano.

Estudio de pérdidas por efecto Joule.

Tenemos 12 bobinas de 115 espiras cada una, con un diámetro medio de 19 mm luego su longitud será de 115*19* PI = 6.86 metros y una resistencia de 0.061 Ohmios cada bobina.

Las pérdidas Joule por bobina serán 1.53 W, y las totales 18.38 W. Que suponen un rendimiento más que aceptable dadas las premisas de partida del diseño de la máquina.

Víctor Luis Álvarez.

Para cualquier aclaración o comentario, se puede contactar con el autor en: victorluisbmh@hotmail.com