Generador Eléctrico Con Imanes de Neodimio

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“Año de la Promoción de la Industria Responsable y del Compromiso Climático” Universidad Nacional “San Luis Gonzaga de Ica” Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Escuela de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Curso : Sistema de potencia I Docente : Ing. Ismael Aragon Tema : Relaciones de de generadores y Centrales Electricas …. Integrantes : Jean Pierre inga neyra Ciclo : VIIIME-03 Fecha de Presentación : 02-10-2015

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“Año de la Promoción de la Industria Responsable y del Compromiso Climático”

Universidad Nacional “San Luis Gonzaga de Ica”

Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Escuela de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Curso : Sistema de potencia I

Docente : Ing. Ismael Aragon

Tema : Relaciones de de generadores y Centrales Electricas ….

Integrantes : Jean Pierre inga neyra

Ciclo : VIIIME-03

Fecha de Presentación : 02-10-2015

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1. HISTORIA

Origen de los generadores

Los primeros generadores se conocen como de carga electroestática, estos generaban grande cargas en electricidad estática a voltajes muy elevados y corrientes bajas. Los primeros generadores de este tipo tienen sus orígenes a finales del siglo XVII, sin embargo, no existieron máquinas que emplearan esta energía sino hasta mediados del siglo XVIII.

Estos generadores empleaban discos metálicos los cuales eran cargados a través del efecto triobeléctrico (el que asociamos a frotar un material neutro como el ambar, con uno de carga positiva como la lana), y posteriormente con los sistemas de inducción electroestática (desarrollados a mediados del siglo XVIII).

Generador de Van der Graaf en acción

Estos primeros dispositivos eran más de investigación y demostración de fenómenos interesantes que funcionales. Las cargas generadas y su poca duración no podían ser empleadas con otros fines. Uno de los pocos usos que se les dio fue la máquina de Wimshurst y el generador de Van der Graaf, este último tendría grandes aplicaciones posteriormente en la química.

Posteriormente, y gracias a los avances en la teoría eléctrica y del magnetismo, se lograron crear generadores más eficientes. Sus orígenes se les atribuyen a Anyos Jedlik, quien crearía los primeros dispositivos rotantes a través de dispositivos electromagnéticos. Hoy en día se le conoce a este dispositivo como los dínamos de Jedliks, aunque él nunca lo patento, y no fue sino hasta tiempo después que Charles Wheatstone y Ersnt von Siemens los patentarían.

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Antes de que se descubrió la conexión entre el magnetismo y la electricidad, se han utilizado los generadores electrostáticos. Ellos operan en principios electrostáticos. Estos generadores generan muy alto voltaje y baja corriente. Funcionaron con correas móviles cargadas eléctricamente, placas y discos que llevaron a cargo a un alto potencial de electrodo. La carga se genera mediante dos mecanismos:

Inducción electrostática El efecto triboeléctrica, donde el contacto entre dos aisladores les

deja cargada.

Debido a su ineficiencia y la dificultad de máquinas que producen voltajes muy altos de aislamiento, los generadores electrostáticos tenían puntuaciones de baja potencia, y nunca se utilizaron para la generación de cantidades comercialmente significativas de la energía eléctrica. La máquina de Wimshurst y el generador de Van de Graaf son ejemplos de estas máquinas que han sobrevivido.

En 1827, el húngaro Anyos Jedlik comenzó a experimentar con los dispositivos rotatorios electromagnéticos que llamó electromagnético auto-rotores, ahora llamado dínamo del Jedlik. En el prototipo del motor de arranque eléctrico de un solo polo tanto la estacionaria y las partes giratorias eran electromagnética. Él formuló el concepto del dinamo, al menos, 6 años antes de Siemens y Wheatstone, pero no patentó como pensaba que no fue el primero en darse cuenta de esto. En esencia, el concepto es que en lugar de imanes permanentes, dos electroimanes opuestos el uno al otro inducen el campo magnético alrededor del rotor. También fue el descubrimiento del principio de auto-excitación.

En los años de 1831-1832, Michael Faraday descubrió el principio de funcionamiento de los generadores electromagnéticos. El principio, más tarde llamado la ley de Faraday, que es una fuerza electromotriz se genera en un conductor eléctrico que rodea un flujo magnético variable. También construyó el primer generador electromagnético, llamado el disco de Faraday, un tipo de generador homopolar, usando un disco de cobre girar entre los polos de un imán de herradura. Se produce un pequeño voltaje DC.

Este diseño era ineficaz, debido a la auto-cancelación de sentidos opuestos de corriente en regiones que no estaban bajo la influencia del campo magnético. Mientras actual fue inducida directamente por debajo del imán, la corriente circularía hacia atrás en las regiones que estaban fuera de la influencia del campo magnético. Esta contracorriente limita la salida de potencia a los cables de la recogida, y calefacción residuos inducida del disco de cobre. Más tarde generadores homopolares resolverían este

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problema mediante el uso de una serie de imanes dispuestos alrededor del perímetro del disco para mantener un efecto de campo constante en una dirección de flujo de corriente.

Otra desventaja es que la tensión de salida fue muy baja, debido a la única trayectoria de la corriente a través del flujo magnético. Los experimentadores han encontrado que el uso de múltiples vueltas de alambre en una bobina podría producir mayores tensiones, más útiles. Dado que la tensión de salida es proporcional al número de vueltas, los generadores pueden ser fácilmente diseñados para producir cualquier voltaje deseado variando el número de vueltas. Arrollamientos de alambre se convirtieron en una característica básica de todos los diseños de generadores posteriores.

El dinamo fue el primer generador eléctrico capaz de suministrar energía para la industria. El dínamo utiliza inducción electromagnética para convertir la rotación mecánica en corriente directa a través del uso de un conmutador. El primer dinamo fue construido por Hippolyte Pixii en 1832.

Una máquina dinamo consiste en una estructura estacionaria, que proporciona un campo magnético constante, y un conjunto de devanados que se convierten dentro de ese campo giratorio. En las máquinas pequeñas el campo magnético constante puede ser proporcionado por uno o más imanes permanentes; máquinas más grandes tienen el campo magnético constante proporcionada por uno o más electroimanes, que por lo general se denominan bobinas de campo.

A través de una serie de descubrimientos accidentales, la dinamo se convirtió en la fuente de muchas invenciones posteriores, incluyendo el motor de corriente eléctrica, el alternador de CA, el motor síncrono de CA, y el convertidor rotatorio.

Sistemas generadores de corriente alterna se conoce en formas simples del descubrimiento de la inducción magnética de la corriente eléctrica. Las primeras máquinas fueron desarrolladas por los pioneros como Michael Faraday y Hippolyte Pixii.

Faraday desarrolló el "rectángulo giratorio", cuya operación fue heteropolar - cada conductor activo pasado sucesivamente a través de las regiones donde el campo magnético estaba en direcciones opuestas. La primera demostración pública de un "sistema de alternador" más sólida se llevó a cabo en 1886. Grande de dos fases generadores de corriente alterna fueron construidos por un electricista británico, JEH Gordon, en 1882 - Lord

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Kelvin y Sebastian Ferranti también desarrolló los primeros alternadores, produciendo frecuencias comprendidas entre 100 y 300 Hz. En 1891, Nikola Tesla patentó una práctica alternador de "alta frecuencia". Después de 1891, alternadores polifásicos se introdujeron para suministrar corrientes de varias fases diferentes. Más tarde alternadores fueron diseñados para variar las frecuencias de corriente alterna entre dieciséis y alrededor de un cientos de hertzios, para su uso con iluminación de arco, lámparas incandescentes y motores eléctricos.

Grande dinamos de generación de energía están ahora, rara vez se ven debido al uso ahora casi universal de corriente alterna para la distribución de energía. Antes de la adopción de la AC, muy grandes dinamos de corriente continua son el único medio de generación y distribución de energía. CA ha llegado a dominar debido a la capacidad de CA para ser fácilmente transformado desde y hacia voltajes muy altos para permitir bajas pérdidas más grandes distancias.

Disco de Faraday

Durante 1831 y 1832, Michael Faraday descubrió que un conductor eléctrico moviéndose en un campo magnético generaba una diferencia de potencial. Aprovechando esto, construyó el primer generador electromagnético, el disco de Faraday, un generador homopolar, empleando un disco de cobre que giraba entre los extremos de un imán con forma de herradura, generándose una pequeña corriente continua.

Dínamo de Pixii

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El dínamo fue el primer generador eléctrico apto para un uso industrial, pues fue el basado en los principios de Michael Faraday. Construido en 1832 por el fabricante francés de herramientas Hippolyte Pixii. Empleaba un imán permanente que giraba por medio de una manivela. Este imán estaba colocado de forma que sus polos norte y sur pasaban al girar junto a un núcleo de hierro con un cable eléctrico enrollado (como un núcleo y una bobina). Pixii descubrió que el imán giratorio producía un pulso de corriente en el cable cada vez que uno de los polos pasaba junto a la bobina; cada polo inducía una corriente en sentido contrario, esto es, una corriente alterna. Añadiendo al esquema un conmutador eléctrico situado en el mismo eje de giro del imán, Pixii convirtió la corriente alterna en corriente continua.

Dínamo de Pacinotti, 1860

En 1831 aparece el primer generador Británico, inventado por Michael Faraday. En 1836 Hippolyte Pixii, un francés que se dedicaba a la fabricación de instrumentos, tomando como la base los principios de Faraday, construyó el primer dinamo, llamada Pixii's dynamo. Para ello se utilizó un imán permanente que se giraba mediante una manivela. El imán se colocó de forma que sus polos norte y sur quedaran unidos por un pedazo de hierro envuelto con un alambre. Entonces Pixii se dio cuenta que el imán producía un impulso de corriente eléctrica en el cable cada vez que transcurría un polo de la bobina. Para convertir la corriente alterna a una corriente directa ideó un colector que era una división de metal en el eje del cilindro, con dos contactos de metal.

En 1860 Antonio Pacinotti, un científico italiano, ideó otra solución al problema de la corriente alterna.

En 1871 Zénobe diseña la primera central comercial de plantas de energía, que operaba en París en la década de 1870. Una de sus ventajas fue la de idear un mejor camino para el flujo magnético, rellenando el espacio ocupado por el campo magnético con fuertes núcleos de hierro y reducir al mínimo las diferencias entre el aire inmóvil y las piezas giratorias.

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El resultado fue la primera dinamo como máquina para generar cantidades comerciales de energía para la industria.La dinamo de Gramme

Dínamo pequeño Gramme, ca, 1878

Los diseños de Faraday y Pixii sufrían del mismo problema: inducían picos repentinos de corriente sólo cuando los polos N o S del imán pasaban cerca de la bobina; la mayor parte del tiempo no generaban nada.

Antonio Pacinotti, un científico italiano, resolvió esto reemplazando la bobina giratoria por una de forma toroidal, enroscada en un trozo de hierro con forma de anillo. Así, siempre estaba una parte de la bobina influida magnéticamente por los imanes, suavizando la corriente.

Posteriormente Zénobe Gramme reinventó el diseño al proyectar los primeros generadores comerciales a gran escala, que operaban en París en torno a 1870. Su diseño se conoce como la dinamo de Gramme.

A partir de entonces se han realizado nuevas versiones con mejoras, pero el concepto básico de bucle giratorio sin fin permanece en todas las dinamos modernas.

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La Corriente Directa A pesar de los extraordinarios logros de Edison hubo problemas con la corriente eléctrica que utilizaba, que como vimos era corriente directa. Esto ocasionó problemas. En efecto, en primer lugar, la utilización de circuitos en paralelo requirió que los cables fueran muy gruesos, lo cual generaba costos altos. En segundo lugar, y de más importancia, al aumentar la demanda de iluminación se necesitaron cargas cada vez más altas que implicaban corrientes eléctricas enormes. Por lo tanto, se estaba ante la alternativa de enviar corrientes muy altas a través de grandes cables de cobre, lo cual era muy ineficiente, o de construir muchas plantas generadoras de electricidad cercanas a los usuarios, con el respectivo aumento considerable de los costos. Además, rápidamente quedó en evidencia que el sistema de corriente directa que se ramificaba dos kilómetros fuera la planta estaba cerca de su límite de crecimiento.

Por otro lado, la transmisión de corriente eléctrica de alto voltaje a largas distancias, por medio de alambres relativamente delgados, podría ser muy eficiente. La objeción era que un generador de corriente directa produce corriente con un voltaje determinado que no se puede modificar y por tanto, no habría forma de reducir el voltaje al valor que se necesitara, en particular en el uso doméstico. Hemos de mencionar que cuando hablamos de alto voltaje nos referimos a decenas de miles de volts, mientras que los valores para los usuarios son de 125 a 250 volts.

La Corriente Alterna

La solución a estos dilemas se encontró con la construcción de generadores de corriente alterna por un lado, y la invención del transformador por el otro. Estos dos dispositivos basan su funcionamiento en la ley de inducción de Faraday. Veamos un poco de su historia.

Desde que Faraday descubrió la Inducción Electromagnética se construyeron los primeros generadores que producían corriente eléctrica que variaba o alternaba al transcurrir el tiempo; el número de veces que el valor de la corriente cambia en un segundo es la frecuencia de la corriente y se mide en hertz (Hz); así, una corriente de 60 Hz es aquella que varía 60 veces en un segundo. En 1888, Nikola Tesla obtuvo una patente por un generador polifásico alterno que producía gran potencia eléctrica; muy pronto este tipo de máquina fue la más usada. Hoy en día se emplean generadores que son versiones muy mejoradas del generador polifásico de Tesla. Los primeros generadores fueron diseñados para que produjeran

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corrientes que tenían diferentes valores de sus frecuencias: los de 25, 33.5, 40, 50, 60, 90, 130, 420 Hz fueron los más usados. Con el tiempo se ha convenido en utilizar 60 Hz.

Por otro lado, un inventor francés, Lucien H. Gaulard, y un ingeniero inglés, John D. Gibbs, obtuvieron en 1882 una patente para un dispositivo que ellos llamaron generador secundario. De esta manera incorporaron a un sistema de iluminación la corriente alterna. El sistema que ellos patentaron fue una versión poco práctica de lo que hoy en día llamamos un transformador.

El primer transformador fue, de hecho, construido por Faraday cuando realizó los experimentos en los que descubrió la inducción electromagnética. El aparato que usó fueron dos bobinas enrolladas una encima, al variar la corriente que circulaba por una de ellas, cerrando o abriendo el interruptor, el flujo magnético a través de la otra bobina variaba y se inducía una corriente eléctrica en la segunda bobina. Pues bien, este dispositivo es precisamente un transformador. Faraday no puso mayor atención en este aparato ya que estaba interesado en otras cuestiones. En el transcurso de los años varios experimentadores trabajaron con diferentes versiones de transformadores.

La dinamo en el automóvil

Uno de los usos más comunes que se le dio a la dinamo fue el de generador de energía eléctrica para el automóvil. A medida que, desde principios del siglo XX, los automóviles se iban haciendo más complejos, se demostró que los sistemas de generación de energía eléctrica con los que se contaba (principalmente magnetos) no eran lo suficientemente potentes para las necesidades del vehículo. Aunque se trataba de un elemento que proporcionaba la energía necesaria con relativamente poco peso, presentaba ciertos problemas. El más importante era que la velocidad de rotación que se le suministraba nunca era constante, ya que las revoluciones del motor están continuamente variando, siendo requisito el que tenía que ser capaz de suministrar la misma corriente en ralentí, movimiento lento, aun cuando el motor estuviera a pleno rendimiento. Esto se solucionó con los reguladores que, aunque son sencillos en su diseño, requieren de un reglaje muy delicado. Estos dispositivos debían ser capaces de regular el voltaje y la intensidad. Además debería evitar que la dinamo funcionara como un motor eléctrico cuando el vehículo estuviera al ralentí, que es cuando prácticamente no produce energía, para que el flujo de corriente no se invirtiera.

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Dado que las dinamos tienen un diseño muy parecido al de los motores eléctricos, en el automóvil llegaban a funcionar como tales cuando se invertía el flujo de corriente al ser mayor el potencial que suministraba la batería que el potencial que suministraba la dinamo.

Desde los años 70 han sido sustituidos progresivamente por el alternador, no quedando ningún vehículo en producción con este sistema actualmente. La corriente generada es producida cuando el campo magnético creado por un imán o un electroimán fijo, inductor, atraviesa una bobina, inducido, colocada en su centro. La corriente inducida en esta bobina giratoria, en principio alterna, es transformada en continua mediante la acción de un conmutador giratorio, solidario con el inducido, denominado colector, constituido por unos electrodos denominados delgas. De aquí es conducida al exterior mediante otros contactos fijos llamados escobillas que conectan por frotamiento con las delgas del colector.

Usos comunes del Dínamo

Dínamo de botella convencional

Han sido ampliamente utilizadas por los ciclistas durante años. Gracias a la dinamo, que genera energía eléctrica, los ciclistas han podido circular por las noches por la carretera con una mínima iluminación. En realidad, las denominadas dinamos de bicicleta son alternadores; ya que consisten en un imán, solidario al eje de giro, y una bobina estática, sin delgas, ni escobillas, que rectifiquen la corriente. La corriente así producida es

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alterna y no continua, a pesar de ello, tradicionalmente, se les ha llamado dinamos.

En las dinamos tradicionales, o de botella, el extremo del eje de la dinamo porta un cabezal que se apoya a voluntad en el neumático de una de las ruedas, de modo que al girar la rueda gira a su vez la dinamo. El sistema es bastante rudimentario y produce un apreciable rozamiento que obliga a pedalear con fuerza. Debido a esto este tipo de dinamos ha ido siendo sustituido por otros modelos sin fricción, como la dinamo de buje o la de oreja. Además, la aparición de nuevos métodos de iluminación con lámparas de ledes y de mejores baterías, con gran potencia y autonomía, ha reducido el uso de las dinamos en general.

Historia del Imán de Neodimio

Un imán de neodimio también conocido como imán NdFeB, NIB, o Neo es el tipo de imán de tierras raras más extensamente utilizado, se trata de un imán permanente hecho de una aleación de neodimio, hierro y boro, combinados para formar un compuesto que cristaliza en el sistema cristalino tetragonal con la fórmula empírica Nd2Fe14B.

En 1982, General Motors y Sumitomo Special Metals descubrieron el compuesto Nd2Fe14B. El esfuerzo fue hecho principalmente debido al alto costo material de los imanes permanentes de SmCo, que habían sido desarrollados anteriormente. General Motors se enfocó en el desarrollo de los imanes nanocristalinos de Nd2Fe14B hilados por fusión (melt spinning), mientras que Sumitomo desarrolló imanes de Nd2Fe14B sinterizados de densidad completa. La General Motors Corporation comercializó sus inventos de polvo Neo isotrópico, y vinculó los procesos de producción de imanes Neo y procesos de producción relacionados fundando Magnequench en 1986. Magnequench es ahora parte de la compañía Neo Materials Technology Inc. y provee polvo de Nd2Fe14B hilado por fusión a los fabricantes de imanes vinculados. La fábrica Sumitomo se ha vuelto parte de la corporación Hitachi y actualmente fabrica y da licencia a otras compañías para producir imanes de Nd2Fe14B sinterizados. Hitachi tiene más de 600 patentes sobre imanes de neodimio.

El Nd2Fe14B sinterizado tiende a ser vulnerable a la corrosión. En particular, la corrosión a lo largo de los límites de grano puede causar el deterioro de un imán sinterizado. Este problema es atacado en muchos productos comerciales añadiendo una cubierta protectora. El plateado de níquel o el plateado de cobre níquel de dos capas es usado como un método estándar, aunque el plateado con otros metales o polímeros y cubiertas de laca protectora son usadas también.

Los imanes de neodimio son los más poderosos tipos de imanes permanentes hechos por el hombre. Han reemplazado a otros tipos de

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imanes en muchísimas aplicaciones de la industria moderna que requieren imanes permanentes de gran poder; aplicaciones tales como la fabricación de motores en herramientas inalámbricas, discos duros, y sellos magnéticos.

Imanes de Neodimio cúbicos cubiertos de una capa de níquel para protegerlos de la corrosión.

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2. MARCO TEÓRICO2.1. Máquinas eléctricas   rotativas

Llamamos máquinas eléctricas a los dispositivos capaces de transformar energía eléctrica en cualquier otra forma de energía. Las máquinas eléctricas se pueden dividir en:

Máquinas eléctricas rotativas, que están compuestas de partes giratorias, como las dinamos, alternadores y motores.

Máquinas eléctricas estáticas, que no disponen de partes móviles, como los transformadores.

Vamos a fijarnos en el grupo de las máquinas rotativas, que lo constituyen los motores y los generadores. Las máquinas eléctricas rotativas son reversibles, ya que pueden trabajar de dos maneras diferentes:

Como motor eléctrico: Convierte la energía eléctrica en mecánica.

Como generador eléctrico: Convierte la energía mecánica en eléctrica.

Detalle del rotor y del estator de un generador

Las máquinas eléctricas se pueden dividir en rotativas y estáticas.

En este caso vamos a fijarnos en el grupo de las máquinas rotativas

que lo constituyen los motores y los generadores.

Todas las máquinas rotativas están formada por una parte fija

llamada estator, tiene forma cilíndrica, y otra móvil llamada rotor.   El

rotor se monta en un eje que descansa en dos rodamientos o

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cojinetes. El espacio de aire que separa el estator del rotor,

necesario para que pueda girar la máquina se denomina entrehierro.

Normalmente tanto en el estator como en el rotor existen

devanados hechos con conductores de cobre por los que circulan

corrientes suministradas o cedidas a un circuito exterior que

constituye el sistema eléctrico. Uno de los devanados crea un flujo en

el entrehierro y se denomina inductor. El otro devanado recibe el flujo

del primero y se denomina inducido. De igual manera, se podría

situar el inductor en el estator y el inducido en el rotor o viceversa.

2.1.1. Pérdidas y eficiencia de las máquinas eléctricas rotativas

Como cualquier máquina, la potencia de salida que ofrecen las

máquinas eléctricas rotativas es menor que la potencia de

alimentación que se les suministra, potencia suministrada. La

diferencia entre la potencia de salida y la suministrada son las

pérdidas:

La potencia de salida de un generador eléctrico es la potencia

eléctrica que entrega, la potencia útil. La potencia suministrada

o  total es la potencia mecánica de entrada: la potencia mecánica

que absorbe la máquina para poder generar electricidad.  

Dentro de una máquina eléctrica rotativa, las pérdidas más

significativas son:

Pérdidas mecánicas: Causadas por el rozamiento entre

las piezas móviles y por la ventilación o refrigeración

interior de los devanados.

Pérdidas eléctricas o pérdidas en el cobre: Se producen

en el circuito eléctrico y en sus conexiones y son debidas

al efecto Joule.

Pérdidas magnéticas o pérdidas en el hierro: Dependen de

las variaciones que se producen en los campos

magnéticos y de la frecuencia.

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Así mismo, el cociente entre la potencia de salida (también

llamada potencia útil) y la potencia suministrada (también

llamada potencia total o absorbida) es la eficiencia. Esta

eficiencia se expresa en tanto por ciento (%):

Por lo tanto, la eficiencia de una máquina eléctrica determina la

cantidad de trabajo útil que puede producir, a partir de la energía

total que consume.

2.1.2. Los generadores eléctricos

Detalle de un generador eléctrico

Un generador es una máquina eléctrica rotativa que

transforma energía mecánica en energía eléctrica. Lo consigue

gracias a la interacción de los dos elementos principales que lo

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componen: la parte móvil llamada rotor, y la parte estática que se

denomina estator.

Cuando un generador eléctrico está en funcionamiento, una de

las dos partes genera un flujo magnético (actúa como  inductor)

para que el otro lo transforme en electricidad (actúa

como inducido).

Los generadores eléctricos se diferencian según el tipo de

corriente que producen. Así, nos encontramos con dos grandes

grupos de máquinas eléctricas rotativas: los alternadores y las

dinamos.

Los alternadores generan electricidad en corriente alterna. El

elemento inductor es el rotor y el inducido el estator. Un

ejemplo son los generadores de las centrales eléctricas, las

cuales transforman la energía mecánica en eléctrica alterna.

Las dinamos generan electricidad en corriente continua. El

elemento inductor es el estator y el inducido el rotor. Un

ejemplo lo encontraríamos en la luz que tiene una bicicleta, la

cual funciona a través del pedaleo.

2.1.2.1 Principio de funcionamiento de un generador eléctrico: Ley de Faraday

Representación del experimento que realizó Faraday

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El principio de funcionamiento de los generadores se basa

en el fenómeno de inducción electromagnética.

La Ley de Faraday. Esta ley nos dice que el voltaje

inducido en un circuito es directamente proporcional al

cambio del flujo magnético en un conductor o espira. Esto

quiere decir que si tenemos un campo magnético generando

un flujo magnético, necesitamos una espira por donde circule

una corriente para conseguir que se genera la f.e.m. (fuerza

electromotriz).

Este descubrimiento, realizado en el año 1830 por Michael

Faraday, permitió un año después la creación del disco de

Faraday. El disco de Faraday consiste en un imán en forma

de U, con un disco de cobre de doce pulgadas de diámetro y

1/5 de pulgas de espesor en medio colocado sobre un eje,

que está girando, dentro de un potente electroimán. Al

colocar una banda conductora rozando el exterior del disco y

otra banda sobre el eje, comprobó con un galvanómetro que

se producía electricidad mediante imanes permanentes.  Fue

el comienzo de las modernas dinamos  Es decir,

generadores eléctricos que funcionan por medio de

un campo magnético. Era muy poco eficiente y no tenía

ningún uso como fuente de energía práctica, pero demostró

la posibilidad de generar electricidad usando magnetismo y

abrió la puerta a los conmutadores, dinamos de corriente

continua y finalmente a los alternadores de corriente.

Como se observa en el capítulo de electromagnetismo,

cuando dentro de un campo magnético tenemos una espira

por donde circula una corriente eléctrica aparecen un par de

fuerzas que provocan que la espira gire alrededor de su eje.

De esta misma manera, si dentro de un campo magnético

introducimos una espira y la hacemos girar provocaremos la

corriente inducida. Esta corriente inducida es la responsable

de la f.e.m. y será variable en función de la posición de la

espira y el campo magnético.  

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La cantidad de corriente inducida o f.e.m. dependerá de la

cantidad de flujo magnético (también llamado líneas) que la

espira pueda cortar, cuanto mayor sea el número, mayor

variación de flujo generara y por lo tanto mayor fuerza

electromotriz.

Se observa los dos casos más extremos, cuando la espira está

situada a 0º o 180º y no corta líneas, y cuando está a 90º y 270º

y las corta todas

Al hacer girar la espira dentro del imán conseguiremos una

tensión que variará en función del tiempo. Esta tensión

tendrá una forma alterna, puesto que de 180º a 360º los

polos estarán invertidos y el valor de la tensión será negativo.

El principio de funcionamiento del alternador y de la dinamo

se basa en que el alternador mantiene la corriente alterna

mientras la dinamo convierte la corriente alterna en corriente

continua.

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Señales de salida de un alternador, en corriente alterna, y de

una dinamo en corriente continuo

2.1.2.2 Generador de corriente alterna: el alternador

Los generadores de corriente alterna o alternadores son

máquinas que transforman energía mecánica, que reciben

por el rotor, en energía eléctrica en forma de corriente

alterna. La mayoría de alternadores son máquinas de

corriente alterna síncrona, que son las que giran  a

la velocidad de sincronismo, que está relacionada con el

nombre de polos que tiene la máquina y la frecuencia de la

fuerza electromotriz. Esta relación hace que el motor gire a

la misma velocidad que le impone el estator a través del

campo magnético. Esta relación viene dada por la

expresión:

Donde f es la frecuencia a la cual está conectada la máquina y P es el número de pares de polos.

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Modelización del funcionamiento de un generador

 Su estructura es la siguiente:

Estator: Parte fija exterior de la máquina. El estator

está formado por una carcasa metálica que sirve de

soporte. En su interior encontramos el núcleo del

inducido, con forma de corona y ranuras

longitudinales, donde se alojan los conductores del

enrollamiento inducido. Rotor: Parte móvil que gira dentro del estator El

rotor contiene el sistema inductor y los anillos de rozamiento, mediante los cuales se alimenta el sistema inductor. En función de la velocidad de la máquina hay dos formas constructivas.

o Rotor de polos salidos o rueda polar: Utilizado para turbinas hidráulicas o motores térmicos, para sistemas de baja velocidad.

o Rotor de polos lisos: Utilizado para turbinas de vapor y gas, estos grupos son llamados turboalternadores. Pueden girar a 3000, 1500 o 1000 r.p.m. en función de los polos que tenga.

El alternador es una máquina eléctrica rotativa

síncrona que necesita de una corriente de excitación en el

bobinado inductor para generar el campo eléctrico y

funcionar. Por lo tanto su diagrama de funcionamiento es el

siguiente:

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Diagrama de funcionamiento del alternador

Al ser máquinas síncronas que se conectan a la red han

de trabajar a una frecuencia determinada. En el caso de

Europa y algunas zonas de Latinoamérica se trabaja a 50

Hz, mientras que en los Estados Unidos usan 60 Hz. En

aplicaciones especiales como en el caso de la aeronáutica,

se utilizan frecuencias más elevadas, del orden de los 400

Hz.

El principio de funcionamiento de los alternadores es el

mismo que hemos estudiado hasta ahora, con una pequeña

diferencia. Para generar el campo magnético, hay que

aportar una corriente de excitación (Ie) en corriente

continua. Esta corriente genera el campo magnético para

conseguir la corriente inducida (Ii) que será corriente

alterna.

Los alternadores están acoplados a una máquina motriz

que les genera la energía mecánica en forma de

rotación. Según la máquina motriz tenemos tres tipos:

Máquinas de vapor: Se acopla directamente al

alternador. Generan una velocidad de giro baja y

necesitan un volante de inercia para generar una

rotación uniforme.

Motores de combustión interna: Se acoplan

directamente y las características son similares al

caso anterior.

Turbinas hidráulicas: La velocidad de

funcionamiento tiene un rango muy amplio. Estos

alternadores están diseñados para funcionar bien

hasta el doble de su velocidad de régimen.

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Excitatriz de los alternadores

Los alternadores necesitan una fuente de corriente continua para alimentar los electroimanes (devanados) que forman el sistema inductor. Por eso, en el interior del rotor se incorpora la excitatriz.

La excitatriz es la máquina encargada de suministrar la corriente de excitación a las bobinas del estator, parte donde se genera el campo magnético. Según la forma de producir el flujo magnético inductor podemos hablar de:

Excitación independiente. La corriente eléctrica proviene de una fuente exterior.

Excitación serie. La corriente de excitación se obtiene conectando las bobinas inductoras en serie con el inducido. Toda la corriente inducida a las bobinas del rotor pasa por las bobinas del estator.

Excitación Shunt o derivación. La corriente de excitación se obtiene conectando las bobinas del estator en paralelo con el inducido. Solo pasa por las bobinas del estator una parte de la corriente inducida.

Excitación Compound. En este caso las bobinas del estator están conectadas tanto en serie como en paralelo con el inducido. 

Efectos del funcionamiento de un alternador

Cuando un alternador funciona conectado a un circuito exterior se crean corrientes inducidas que nos generan los siguientes efectos:

Caída de tensión en los bobinados inducidos: La resistividad que nos presentan los conductores hace que tengamos una caída de tensión.

Efecto de reacción en el inducido: El tipo de reacción que tendremos en el inducido dependerá de la carga conectada:

Resistiva: Tenemos un incremento en la caída de tensión interna y una disminución de la tensión en los bornes de salida.

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Inductiva: Aparece una caída de tensión importante en los bornes de salida.

Capacitiva: Disminuye la caída de tensión interna y eleva más el valor de la tensión de salida en los bornes de salida.

Efecto de dispersión del flujo magnético: Hay líneas de fuerza que no pasan por el inducido, se pierden o llegan al siguiente polo. Cuanta más alta sea la corriente del inducido, más pérdidas por dispersión nos encontramos.

2.1.2.3. Generador de corriente continua: la dinamo

El generador de corriente continua, también llamado dinamo, es una máquina eléctrica rotativa a la cual le suministramos energía mecánica y la transforma en energía eléctrica en corriente continua. En la actualidad se utilizan muy poco, ya que la producción y transporte de energía eléctrica es en forma de corriente alterna.

Una de las características de las dinamos es que son máquinas reversibles: se pueden  utilizar tanto como generador o como motor.  El motor es la principal aplicación industrial de la dinamo, ya que tiene facilidad a la hora de regular su velocidad de giro en el rotor.

Las principales partes de esta máquina son:

Estator

El estator es la parte fija exterior de la dinamo. El estator contiene el sistema inductor destinado a producir el campo magnético. Está formado por:

Polos inductores: Diseñados para repartir uniformemente el campo magnético. Distinguimos en ellos el núcleo y la expansión polar. El número de polos ha de ser par, en caso de máquinas grandes se han de utilizar polos auxiliares.

Devanado inductor: Son las bobinas de excitación de los polos principales, colocadas alrededor del núcleo. Están hechos con conductores de cobre o de aluminio recubiertos por un barniz aislante.

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Culata: La culata sirve para cerrar el circuito magnético y sujetar los polos. Está construida con material ferromagnético.

Rotor

El rotor es la Parte móvil que gira dentro del estator. El rotor al estar sometido a variación de flujo crea la fuerza electromotriz inducida, por lo tanto contiene el sistema inducido. Está formado por:

Núcleo del inducido: Cilindro construido para reducir las pérdidas magnéticas. Dispone de ranuras longitudinales donde se colocan las espiras del enrollamiento del inducido.

Devanado inducido: Formado por espiras que se distribuyen uniformemente por las ranuras del núcleo. Se conecta al circuito exterior de la máquina por medio del colector y las escobillas.

Colector: Cilindro solidario al eje de la máquina formado por segmentos de cobre o láminas aisladas eléctricamente entre ellas. En cada lámina se conecta una bobina. Es el encargado de realizar la conversión de corriente alterna a corriente continua.

Escobillas: Son piezas de carbón-grafito o metálicas, que están en contacto con el colector. Hacen la conmutación de la corriente inducida y la transportan en forma de corriente continua hacia el exterior.

Cojinetes: Sirven de soporte y permiten el giro del eje de la máquina.

Entrehierro

El entrehierro e s el espacio de aire comprendido entre el rotor y el estator. Suele ser normalmente de entre 1 y 3 milímetros. El entrehierro es imprescindible para evitar rozamientos entre la parte fija y la parte móvil.

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Detalle de la espira de una dinamo con los colectores delgas

La conmutación en las dinamos

La conmutación es la operación de transformación de una señal alterna a una señal continua y también se conoce como rectificación de señal. Las dinamos hacen esta conmutación porque tienen que suministrar corriente continua.

Esta conmutación en las dinamos se realiza a través del colector de delgas.  Los anillos del  colector están cortados debido a que por fuera de la espira la corriente siempre tiene que ir en el mismo sentido. 

A la hora de realizar esta conmutación existen diferentes problemas. Cuando el generador funciona con una carga conectada en sus bornes, nos encontramos con una caída de tensión interna y una reacción en el inducido.

El inducido creará un flujo magnético que se opone al generado por el imán. A este efecto se le da el nombre de fuerza contra- electromotriz, que desplazará el plano neutro.

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Para solucionar este problema se pueden realizar diversas mejoras como:

Desplazamiento de las escobillas: Este método cambia las escobillas a su nueva posición corrigiendo el desvío del plano, el problema es que el motor puede trabajar desde el 0% de su carga total al 100%, por lo que el plano puede cambiar.

Polos de conmutación o auxiliares: la función de estos polos auxiliares es la de compensar el flujo producido por las bobinas inducidas y compensarlo. Es una solución muy útil y económica.

Bobinas de compensación: Cuando los generadores son de gran potencia, los polos de conmutación no son suficientes, en este caso usamos bobinas de compensación.

2.1.2.4. Ventajas del alternador respecto a la dinamo

El alternador tiene varias ventajas que hacen que sea un tipo de máquina más utilizada, ya no solo el hecho de que produce electricidad en corriente alterna, que es como se consume, si no por otras ventajas del tipo utilización.

Las ventajas del alternador respecto a la dinamo son las siguientes: 

En el alternador eléctrico se puede obtener mayor gama de velocidad de giro. La velocidad de giro puede ir desde 500 a 7.000 rpm. La dinamo a altas rpm sufre el el colector y las escobillas elevado desgaste y subida de temperaturas.

El conjunto rotor y estator en el alternador es muy compacto. 

Los alternadores poseen un solo elemento como regulador de tensión.

Los alternadores eléctricos son más ligeros: pueden llegar a ser entre un 40 y un 45% menos pesados que las dinamos, y de un 25 a un 35% más pequeños.

El alternador trabaja en ambos sentidos de giro sin necesidad de modificación. 

La vida útil del alternador es superior a la de la dinamo. Esto es debido a que el alternador eléctrico es más robusto y compacto, por la ausencia del colector en el inducido, y soporta mejor las altas temperaturas. 

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2.1.3. Excitación

Un generador eléctrico o un motor eléctrico que utiliza bobinas de campo en lugar de imanes permanentes, requiere una corriente a estar presentes en las bobinas de campo para que el dispositivo sea capaz de trabajar. Si las bobinas de campo no están alimentados, el rotor en un generador puede girar sin producir ningún tipo de energía eléctrica utilizable, mientras que el rotor de un motor no puede girar en absoluto.

Generadores más pequeños a veces se auto-excitado, lo que significa que las bobinas de campo son alimentados por la corriente producida por el propio generador. Las bobinas de campo se conectan en serie o en paralelo con el devanado del inducido. Cuando el generador comienza primero a girar, la pequeña cantidad de magnetismo remanente presente en el núcleo de hierro proporciona un campo magnético para ponerlo en marcha, la generación de una pequeña corriente en el inducido. Esto fluye a través de las bobinas de campo, la creación de un campo magnético mayor que genera una corriente de armadura más grande. Este proceso de "arranque" continúa hasta que el campo magnético en los niveles básicos fuera debido a la saturación y el generador alcanza una potencia de salida de estado estacionario.

Muy grandes generadores de la central eléctrica a menudo utilizan un generador independiente más pequeño para excitar las bobinas de campo de la más grande. En el caso de un grave apagón generalizado en islanding de las centrales se ha producido, las estaciones pueden necesitar para llevar a cabo un arranque en negro para excitar a los campos de los mayores generadores, a fin de poder restablecer el servicio al cliente.

2.2. Imanes de Neodimio

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Los imanes de neodimio han reemplazado a los tradicionales imanes de alnico y ferrita en muchas de las miles de aplicaciones que tienen en la tecnología moderna, allí donde se requiera poderosos imanes permanentes para una determinada aplicación. Esto es debido a que su gran potencia permite el uso de piezas mucho más pequeñas y livianas. Algunos ejemplos:

Actuadores para las cabezas de lectura de discos duros Producción de imágenes por resonancia magnética

nuclear (MRI) Pastillas para guitarras eléctricas. Altavoces y auriculares Motores eléctricos

Herramientas inalámbricas servomotores motores síncronos motores paso a paso Motores para automóviles tanto híbridos como

eléctricos. El motor eléctrico de cada Toyota Prius requiere de 1 kilogramo de neodimio para su fabricación.

Generadores eléctricos para turbinas de viento; hasta 600 kg de materia prima por megawatt (se estima que el contenido de neodimio es de 31% del peso del imán).

La demanda para el neodimio en vehículos eléctricos se estima que es 5 veces mayor que en turbinas de viento.

Los imanes de Neodimio son 20 veces más potentes que los imanes comunes (negros o plomos.

Propiedades magnéticas

Para comparar imanes permanentes se utilizan algunas propiedades importantes tales como: la remanencia (Mr), que mide la fuerza del campo magnético; la coercividad (Hci), que mide la resistencia del material a ser desmagnetizado; el producto energético (BHmax), que mide la densidad de la energía magnética, y

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la temperatura de Curie (TC), que es la temperatura a la cual un material pierde su magnetismo. Los imanes de neodimio poseen la mayor remanencia, una muy alta coercividad y producto energético, pero en cambio presentan una temperatura de Curie mucho más baja que otros tipos de imanes. Para preservar las propiedades magnéticas de estos imanes a altas temperaturas usualmente se suele alear al neodimio con terbio y disprosio. La tabla que aparece a continuación compara el perfil de comportamiento de los imanes de neodimio con otros tipos de imanes permanentes.

Tipo de imán Mr (T) Hci (kA/m) BHmax (kJ/m3) TC (°C)

Nd2Fe14B (sinterizado) 1,0–1,4 750–2000 200–440 310–400

Nd2Fe14B (ligado) 0,6–0,7 600–1200 60–100 310–400

SmCo5 (sinterizado) 0,8–1,1 600–2000 120–200 720

Sm(Co, Fe, Cu, Zr)7 (sinterizado) 0,9–1,15 450–1300 150–240 800

Alnico (sinterizado) 0,6–1,4 275 10–88 700–860

Sr-ferrita (sinterizado) 0,2–0,4 100–300 10–40 450

Otras aplicaciones

Además, la mayor fuerza de los imanes de neodimio ha inspirado nuevas aplicaciones en áreas donde los imanes no eran usados anteriormente, tales como broches de joyería magnéticos, conjuntos de construcción magnéticos para niños (y otros juguetes de imanes de

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neodimio) y como parte del mecanismo de cierre del equipo moderno de paracaidismo deportivo.

La fuerza y la homogeneidad del campo magnético en los imanes de neodimio ha abierto también nuevas aplicaciones en el campo médico con la introducción de escáneres de imagen por resonancia magnética (MRI) usados para visualizar el cuerpo en departamentos de radiología como una alternativa a los imanes superconductores que usan una bobina de alambre superconductor para producir el campo magnético. Como con la mayoría de los imanes basados en sólidos, el gradiente del campo magnético de los imanes de neodimio disminuye hacia los centros de sus superficies, así que hay una fuerza que atrae objetos metálicos a los bordes.

Disco duro

Imanes en forma de esferas cubiertos de Níquel

Riesgos

La enorme fuerza ejercida por los imanes de tierras raras ha creado riesgos que no se habían visto para otros tipos de imanes. Incluso imanes de neodimio apenas un poco más grandes que un par de

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centímetros cúbicos son lo suficientemente poderosos como para causar graves lesiones a cualquier parte del cuerpo que quede pinzada entre dos imanes, o entre un imán y una superficie metálica, pudiendo provocar hasta fracturas. Si accidentalmente una persona queda atrapada entre dos imanes, o entre un imán y una superficie metálica, la reacción natural de esta persona es tratar de liberar el miembro o la parte corporal atrapada. Sin embargo, debido a que esto en general hace que el espacio entre los dos magnetos se reduzca, la fuerza de pinzamiento generada entre ellos puede llegar a hacerse peligrosamente grande. De ser posible, la persona debería tratar de soportar el dolor y hacer lo que esté a su alcance para aumentar la distancia entre los imanes (o por lo menos prevenir que se sigan acercando), y después tratar de retirar el miembro atrapado. Los profesionales que trabajan con tales imanes suelen incluir cuñas de bronce como parte habitual de sus herramientas.

Imanes librados a su suerte, pueden chocar unos contra otros con fuerza suficiente como para astillarse y provocar una lluvia de astillas volando a gran velocidad que pueden causar serias lesiones. Ha habido incluso casos de niños que habiéndose tragado varios imanes de neodimio, han sufrido severas lesiones y hasta la muerte al quedar dos o más asas de su tracto gastrointestinal atrapadas entre los imanes. Los fuertes campos magnéticos pueden ser peligrosos para dispositivos mecánicos o electrónicos, como así también pueden provocar la pérdida de datos en dispositivos de almacenamiento magnéticos tales como floppy disks y tarjetas de crédito, y magnetizar relojes y otros mecanismos de relojería como así también crear sombras fantasma en monitores TRC a grandes distancias.

Producción

Hay dos vías principales para la manufactura de imanes de neodimio:

La metalurgia clásica de polvos, también llamada proceso de imanes sinterizados.

La solidificación rápida, también llamada proceso de imanes ligados.

Los imanes de neodimio sinterizados se preparan fundiendo las materias primas en un horno, colando el material fundido en moldes y enfriándolo para formar lingotes. Luego se produce un polvo extremadamente fino a partir de estos lingotes. Este polvo es sometido más tarde a un proceso de sinterizado en fase líquida por medio del cual las partículas se alinean magnéticamente y se unen entre sí para formar bloques densos, los cuales son tratados térmicamente,

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cortados con la forma deseada, sometidos a un tratamiento superficial para prevenir la corrosión, y magnetizados. Actualmente se producen entre 45.000 y 50.000 toneladas de imanes de neodimio sinterizados cada año. La mayor parte en China y Japón. A partir de 2011, China produce más de 95% de los elementos de tierras raras, y produce 76% de los imanes de tierras raras del mundo.

Los imanes de neodimio ligados se preparan a partir de una delgada cinta de aleación de Nd-Fe-B obtenida por medio deshilado. Esta cinta contiene granos de Nd2Fe14B de escala nanométrica (nanogranos) aleatoriamente orientados. La cinta se pulveriza para producir pequeñas partículas, que son mezcladas con un polímero y la mezcla resultante es luego moldeada por inyección para formar imanes. Los imanes ligados ofrecen un flujo magnético menor que el de los imanes sinterizados, pero presentan la ventaja de que pueden ser moldeados en formas muy intrincadas y debido a que no son conductores de la electricidad, no presentan pérdidas significativas debidas a la formación de corrientes de Foucault. Se producen aproximadamente unas 5.500 toneladas de imanes de neodimio ligados cada año.

Adicionalmente, es posible utilizar las partículas nanocristalinas obtenidas del hilado por fusión para obtener imanes isotrópicos de alta densidad utilizando altas presiones y temperaturas, y luego aplicar un nuevo tratamiento térmico sobre estos imanes isotrópicos ya sea por forjado o extrusión para obtener imanes anisotrópicos de alta energía.

3. REALIZACIÓN DE LA PRUEBA AL GENERADOR

Instrumentos:

1 Multímetro. 1 Amperímetro

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1 foco de 24 v. 1 bobina de un motor de batidora de 400w.

Datos obtenidos:

DATOS

Voltaje 6.9 v. Aprox.

Intensidad de corriente 0.1 mA Aprox.

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4. CONCLUSIONES

El campo magnético de un generador siempre va a depender de los imanes permanentes y de un electroimán, los imanes que se utilizan en un generador son de hierro, en este trabajo estamos utilizando los imanes de Neodimio que son más potentes y eficientes, ya que generan un campo magnético más potente, pero por el precio de estos imanes no se utilizan mucho en las industrias.

Ninguna máquina eléctrica es perfecta, ya que debido a las pérdidas de potencia producidas en el Cu por el efecto Joule que se da en el circuito eléctrico, pérdidas mecánicas que se dan por el rozamiento de las piezas móviles y ventilación, por las pérdidas magnéticas producidas en las variaciones del campo magnético.

La corriente inducida dependerá de la cantidad del flujo magnético que el flujo pueda cortar.