universidad nacional de colombia

¿Cómo hacer un electroimán?

Nelson Felipe Oliveros Mesa G2N28

Paula Angélica Solarte Blandón G2N28

26/11/2012

Nuestra intención es mostrar que debemos tener en cuenta a la hora de construir un electroimán. Cuales fueron las consideraciones y aspectos decisivos para ejecutar el proyecto y demostrar que es un proyecto aplicado al electromagnetismo. Al final, los requisitos de diseño se lograron gracias al uso de las leyes electromagnéticas y simulaciones.

¿Cómo hacer un electroimán?26 de noviembre de 2012

PROBLEMA

El proceso de diseño de un electroimán requiere un conocimiento de las leyes básicas del electromagnetismo. Para un dispositivo óptimo es esencial un buen diseño, eligiendo los materiales y procedimientos de construcción adecuados. Principalmente los mayores retos para la construcción de dicho dispositivo son:

Elegir un buen material ferromagnético, que presente una baja reluctancia y permita un buen desempeño.

Calcular la corriente necesaria para generar un campo magnético capaz de ejercer una fuerza suficiente para levantar un peso de 1Kg.

Elegir el calibre de conductor adecuado a fin de transportar sin degradarse, la corriente calculada para proporcionar la fuerza magnetomotriz necesaria.

La solución a estos tres interrogantes plantea la necesidad de investigar sobre los siguientes tópicos.

Leyes de maxwell Circuitos magnéticos Materiales ferromagnéticos.

JUSTIFICACION

En el ámbito industrial, es de gran importancia la capacidad de transportar productos o materias primas de un lado a otro. Puesto que se busca la mayor eficiencia en cada subproceso, realizar tareas repetitivas de transporte es sumamente ineficiente, por esta razón, elementos como electroimanes “acoplados a sistemas mecánicos” y bandas transportadoras son vitales en las empresas.

El mayor interés de este proyecto es mostrar por medio de un dispositivo didáctico, la viabilidad y utilidad de los electroimanes en el proceso de transporte “de materias primas, productos etc. obviamente metálicos” de un punto a otro en una cadena de producción.

OBJETIVO GENERAL

Diseñar y construir un electroimán capaz de levantar un peso mínimo de 1kg capaz de funcionar con corriente AC o DC.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Diseñar el núcleo teniendo como base de partida criterios como baja reluctancia, alta permeabilidad, bajo costo y dimensiones adecuadas.

Calcular la corriente necesaria para lograr establecer un flujo capaz de levantar un peso alrededor de 1kg

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Calcular el calibre del conductor de modo que soporte la corriente a la cual será sometido.

Calcular el número de espiras requerido por la bobina.

CALCULOS

El área de sección transversal de la varilla es:

S= π D2

4=1.131∗10− 4m21.

La longitud de la varilla será de aproximadamente 10 cms.

Teniendo en cuenta la baja reluctancia del hierro podemos suponer que toda la energía magnética se consume en el entrehierro entre el electroimán y su carga, asumiendo un entrehierro de 1mm y el área transversal mencionada en la sección anterior tenemos que:

Fdl=12B2

μ0Sdl2.

Dónde:

Sdl Es el volumen del entrehierro, dl representa la longitud del entrehierro

F es la fuerza representada por el peso a levantar, 1Kg para este caso

B es la densidad de campo magnético

μ0 Es la permeabilidad del aire igual a 4 π∗10−7

Simplificando la ecuación 2 tenemos:

F=12B2

μ0S3.

Puesto que la fuerza es igual al peso de la carga, 1Kg, despejamos B de la ecuación 3 y obtenemos:

B=√ 2μ0FS =0.15Wbm24.

De las relaciones para el circuito magnético tenemos:

¿=ϕR5.

¿=BSR 6

Dónde:

N es el número de vueltas de la bobina.

I es la corriente que circulara por la bobina.

R es la reluctancia del entrehierro.

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La reluctancia del entrehierro es igual a:

R= lμ0 S

=7036027.5Oersted 7.

Donde l es la longitud del entrehierro. Puesto que tenemos 2 entrehierros en serie la reluctancia total sería igual a 14072055 Oersted, reemplazando este valor en la ecuación 6 y teniendo una salida de corriente nominal de 1 A tenemos que el número de vueltas necesario es:

N=BSR=238.7≈240 vueltas

¿Cómo elegir el alambre?

Como la corriente del bobinado será de 1 A, podemos observar en la tabla1 que el alambre calibre 24 soporta esta corriente con un factor de protección del 30%. El costo por Kg de este alambre es de $5000 y su densidad lineal es de 1.82Kg/Km.

¿Cómo elegir el núcleo?

1 http://www.upnfm.edu.hn/bibliod/images/stories/tindustrial/libros%20de%20electricidad/Intalaciones%20Electricas/cablesyalambres.pdf

Varilla en U: si bien este modelo aumenta en precio, ya que después de adquirir la varilla recta se necesita aplicarle un doblado para que adquiera esta forma, su precio después de ser cotizado en varios lugares, el más económico tiene un precio de 20000 pesos, lo cual no es costoso, pero aun así aumenta el coste del diseño y deberá ser tenido en cuenta, en cuanto a función, es la configuración más fácil de modelar en circuito magnético:

La reluctancia dada por la culata y por la armadura que será el objeto a cargar, además de los dos entrehierros, todos estos valores son fáciles de calcular y nos permite una exactitud mayor en los cálculos.

Teniendo en cuenta lo dicho anteriormente, hemos decidido seleccionar el diseño de varilla en u, a pesar de que cortar una barra de acero es más económico que doblarla, el desempeño en términos de energía es mucho mayor que el desempeño de una varilla recta, además, proporciona ventajas enormes a la hora de realizar los cálculos referentes al bobinado. Por otra parte, puesto que el hierro no

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es un material demasiado rígido, se puede doblar con relativa facilidad.

FUENTE DE ALIMENTACIONDebido a que el material que se va a levantar debe estar sujeto al electroimán durante un tiempo largo, esto para poder trasportar el material de un lugar a otro, debemos establecer una fuerza constante sobre el material, esto nos conduce a generar un flujo constante en la bobina solenoide, por consiguiente la corriente que circula por la bobina debe ser constante DC.

Luego de establecer qué tipo de corriente va a circular por la bobina, podemos decir que la fuente a utilizar va a ser de corriente directa.

FUENTES DE FINANCIOAMIENTO Y ESTUDIO DE MERCADO

Los recursos serán aportados por los integrantes del grupo. En anexos se encuentra adjunto las cotizaciones de los materiales.

ANALISIS DE RESULTADOS

Se observó que el electroimán era capaz de levantar 990 grs con una corriente de 2.2 A.

La desviación respecto a los resultados esperados se debió fundamentalmente a la geometría

de la pieza que se levantó, esta era un tubo hueco de hierro, rectangular, cuyo espesor era bastante pequeño. Este hecho hace que la reluctancia del material a levantar sea considerable contradiciendo la suposición inicial de un material ideal que se hizo para simplificar los cálculos. Sin embargo para la eficiencia y desempeño que se pretendía alcanzar con este proyecto, la desviación es aceptable.

Respecto al material podemos concluir que sin lugar a dudas el hierro es el material idóneo para este tipo de proyectos. Sus propiedades físicas que facilitan su maquinado, sus propiedades magnéticas que le otorgan una alta permeabilidad, su bajo costo y fácil adquisición, hacen de este material el ideal para la construcción de electroimanes. Un factor que no está a su favor es su tendencia a la corrosión, sin embargo esta dificultad es fácilmente superada cubriendo el material con pintura.

APLICACIONES INDUSTRIALES Las aplicaciones industriales que puede tener un electroimán de este tipo dependen del cliente, en este caso se supuso la necesidad de levantar placas metálicas continuamente, debido a la dificultad en el transporte de este tipo de materiales el electroimán se convierte en un elemento

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indispensable en la cadena de producción. El diseño en forma de manija facilita su acoplamiento a un sistema electromecánico además de que proporciona mayor agarre y seguridad en el transporte de la pieza. La automatización de un proceso como este incrementa las ganancias del cliente ya que aumenta la productividad y disminuye los riesgos intrínsecos de un proceso de transporte no automatizado.

Al estar con una temperatura elevada y la dificultad de manejo, se empleó el diseño en forma de manija, de tal manera que con un botón pueda aplicar tensión al electroimán, levantar la placa metálica, luego desactivar el sistema y así cumplir con el trasporte de la placa de forma segura, en este caso, se beneficia el empleador porque su proceso se optimiza, y el empleado gana, ya que su seguridad fue el motivo del diseño y podrá cumplir con su papel con menos riesgos.

ANEXOS

BIBLIOGRAFIA

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http:// enciclopedia.us.es/index.php/Electroim%C3%A1n

http://cyt-ar.com.ar/cyt-ar/index.php/C%C3%B3mo_armar_un_electroim%C3%A1n