Generadores y motores Halbach con eficiencias del 99%

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No solo tenen una alta eficiencia, sino que además son relativamente sencillos de construir.
Imagino salen más caros pues hay que poner más imanes aunque lo compensan por el incremento de campo magnético. En el primer link logran un campo de 2.2 Teslas con imanes cerámicos que llegan a 0.38 teslas, o sea, multiplican el campo por 5.8. Si hubieran empleado imanes de neodimio hubieran tenido ¡8 teslas!

Estos son los links que tengo:
http://www.askmar.com/Magnets/Halbach%2 ... 0Motor.pdf
http://en.wikipedia.org/wiki/Halbach_array
http://www.gaussboys.com/pages.php?pageid=6
http://www.matchrockets.com/ether/halbach.html
http://goldeneye.ethz.ch/motoren/electr ... /index_EN/

En el primer link creo el rotor tiene hecho el bobinado del motor como el famoso motor de Lorentz (el primer motor eléctrico que se construyó).
Es muy importante el hecho de que el link del motor de avión, la construcción del motor es multipolar, alineando los imanes según la famosa figura:

Repetida. De esta forma se pueden lograr hacer bobinas con mucho menos cobre, lo cual no viene mal al precio al que está. La gran ventaja de los motores y generadores multipolares es que no precisan de engranajes para aumentar la velocidad angular del rotor, abaratando e incrementando la vida de los generadores eólicos.

Para rematar pongo aquí un link de venta de imanes de neodimio (aunque hay muchos en internet):
http://www.kjmagnetics.com

El grado de los imanes viene aquí (1 kilogaus=1KG=0.1 teslas):
http://www.kjmagnetics.com/specs.asp
Los imanes de neodimio suelen ser de grado N42 que corresponde con 1.3-1.33 teslas, aunque los hay nuevos de grado N52 que superan los 1.45 teslas.

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Hola.

Francamente no veo la ventaja en esta configuración de imanes. Para mi están sobrando imanes.
Tampoco creo en ese rendimiento anunciado.
Hay una pregunta simple que debes hacerte: Si los chinos ya lo vieron (juro que así es) Por qué no estamos hasta las narices de estos motores?
En mi opinión, y sin perder mucho tiempo en el análisis, son mucho mas caros y no creo para nada en el rendimiento anunciado.
Han medido este rendimiento en algún prototipo? Mas de una vez, claro, pues si van desmagnetizando los imanes ya no vale la medida...
Parece que la aplicación mas importaten del arreglo de imanes es la levitación dinámica, o sea los cojinetes magnéticos.

Saludos

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Tiene sus ventajas e inconvenientes.
En el primer link que puse hay medidas eficiencias del 98.9 al 99.6 y esas eficiencias no las he visto en ningún otro sitio.
Hay un detalle y es que el motor vá a 84000 rpm, eso se debe a que el campo es homogéneo y para que pueda tener esa potencia debe ir muy rápido (50kW). Evidentemente lo que se gana en velocidad y ahorro de cobre se pierde por otro lado si has de poner una reductora que reduzca tantas rpm.
No obstante hay otra ventaja: la ausencia de vibraciones, y el ir a tantas RPM permite usarlo en almacenamiento flyweels. De hecho se usa esta configuración para hacer levitar un flywheel. Imagínate un flywheel donde metas y saques energía con esa eficiencia y que no tenga cojinetes.

Yo lo veo interesante y se puede construir de una manera sencilla. Además siempre he querido construir un generador hub sin engranajes.

De hecho he calculado un generador multipolar para su uso en generación eólica y estos son los resultados:

Potencia nominal: 17 megawatios
Viento de arranque: 8m/s
Coste de los imanes: 7800€
Coste del cobre: 7800€
Peso total del cobre y de los imanes: menos de una tonelada

Sería un generador sin multiplicadora, aunque he visto que hacerlo levitar magnéticamente costaría una fortuna y no merece la pena
Son datos teóricos, pero me gustaría hacer un prototipo a escala y medirlo. Las cifras van muy bien pues he quitado de los cálculos el 30% de pérdidas de los engranajes que ya no lleva.

Aun así lo veo bien comparando con las 350-400 toneladas que pesan las nacelles de 3MW.

En mi opinión es que si antes no habían generadores multipolares o de imanes de tierras raras o de Halbach era porque el cobre no estaba tan caro pero los imanes sí. Ahora las cosas son al revés. Por eso he diseñado el generador para gastarme lo mismo en cobre que en imanes. También puedo hacer el cálculo para el uso de cable de aluminio en vez de cobre, saldrá más voluminoso pero aún más barato y menos pesado.

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Es razonable lo que piensas, pero tengo alguna objeción.
El precio alto actual del cobre es alto por motivos económicos, no por poca abundancia en la naturaleza.
No es así con las tierras raras, que se llaman así por ser normalmente escasas.
Lo que quiero decir es que si subes el consumo de imanes de tierras raras, su precio se disparará mucho mas alto que el del cobre.
El cobre fue el primer o uno de los primeros metales usados por el hombre dada su abundancia. Las tierras raras no se descubrieron hasta mucho mas avanzada la historia escrita actual.
Pienso que estas configuraciones son buenas para generador de microturbinas de gas, dadas las RPM necesarias para que esto sea rentable.
Y después tendrás que conectar electrónica de potencia para manejar toda la energía y aquí si te bajará el rendimiento del sistema global
Mejor por un lado y peor por otro, aun que si logras alivianar las nacells no será poca cosa

Saludos: Alejandro

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De acuerdo en todo menos en el asunto del cobre, pues como dicen la demanda se acelera y su precio se dispara, aunque ahí está el aluminio. He hechado algunas cuentas y ya es rentable su uso, además aluminio sí que hay.
Sin embargo el precio de los imanes de neodimio no para de caer.

Voy a poner las fórmulas para que se entienda el asunto:

V=F*A*B*n
Donde:
V=voltios a la salida de las espiras de la bobina
F=frecuencia a la que pasa el iman por delante de la bobina
A=area del iman
B=teslas de la bobina: 1.31 en imanes de neodimio y 0.38 en los cerámicos
n=número de espiras

La potencia generada por el generador depende de la que tú le des, P(watios)=I*V
¿Cual es la corriente máxima que se le puede sacar?
Pues eso depende de si empleas cobre ó aluminio y depende de como saques el calor debido a esa corriente.
Por lo general un hilo de cobre de 0.5mm de diámetro le puedes sacar 0.3 amperios. No se recomiendan hilos de más grosor pues son muy difíciles de enrollar. El aluminio sin embargo al ser su conductividad menor solo puede pasar 0.18A (debiera subirse el diámetro del hilo a 0.65mm para pasar 0.3A que equivale a AWG22)

En cuanto a si interesa el uso del aluminio ó cobre, el área del aluminio/cobre debe ser=2.82E-08/1.678E-08 =1.68 veces, si bien la densidad del aluminio es 3.31 veces menor que el cobre, lo nos dice que se ahorra el 50% del peso.
Si vemos el precio del cobre y del aluminio:
6.52€ y 1.67€/kg ( http://www.lme.co.uk/copper.asp) resulta que gastaríamos 1 euro en aluminio por 7.8 euros de cobre. ¿Por que no se hace? quizá el coste del hilo es un porcentaje pequeño del motor, paro en realidad ya se están empezando a bobinar motores con hilo de aluminio (Baldor) y cada vez serán más los motores y generadores con hilo de aluminio

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Esto es grande, según he encontrado en internet la concentración en el planeta es:

Neodimio 38mg/kg
Cobre: 0.7mg/kg
Cobalto20-25mg/kg (también se hacen superimanes con ellos)
Aluminio: 82 GRAMOS/kg

O sea que hay neodimio, cobalto y aluminio sin problemas, aunque el aluminio es más difícil de purificar luego.

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Con aluminio ya vi motores en jaula de ardilla (que hace tiempo que se fabrica la jaula de aluminio y no de cobre) y con el estator bobinado en hilo esmaltado de aluminio. El inconveniente es que al ser la misma tecnología resulta un motor mas voluminoso, y por eso a pesar de costo del cobre, este se sigue usando. En motores universales no se puede usar aluminio por la soldadura con el colector. Estos motores se siguen usando por su alta relación potencia/peso del aparato, pero vienen siendo desplazados por motores de continua con imán permanente y rectificador para convertirlos en algo de mejor rendimiento que uno universal (aún mejor relación Potencia/Peso).
En cuanto a la inducción magnética, una cosa es la que hay cerca de los polos del imán y otra la que hay donde estén las bobinas. Importa el flujo que puedan cortar las bobinas. No estoy muy seguro de que ese campo uniforme que consigues dentro del arreglo de imanes tenga toda la inducción del imán, si no mas bien un porcentaje de esta, ya que parte de las lineas de flujo se desvían a los imanes adyacentes. Además este flujo es así en ausencia de rotor.
Estoy si de acuerdo que al no usar guías magnéticas polares nos evitamos todas las pérdidas en el hierro, pero no se como fabricar un rotor eficiente sin hierro. He visto rotores de poco espesor que supongo que puedes soportar con algún plástico u otro material no conductor que no se estire ni rompa con la fuerza centrífuga a la que estará sometido (que no es poca si vas a altas velocidades).
Bueno, es toda una tecnología nueva.
Si los imanes siguen bajando habrá que usarlos
Agrego un dato mas: Con cobre se puede usar alambre esmaltado redondo hasta casi 3 mm de diámetro y se consigue alambre de sección casi rectangular de mayor sección aún con la misma tecnología de aislación. De allí en adelante se usan conductores en paralelo con transposiciones, algo parecido al hilo de Litz. Supongo que en Aluminio se puede hacer lo mismo.

Saludos: Alejandro

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Eso es cierto, tienes un porcentaje del campo residual nominal. Para tener el campo nominal debería usarse un imán muy fino y estar muy cerca de la superficie. Para tener el nominal, habría que poner enfrentados un imán con otro N-S y sujetarlos para que no se pegue (el campo estaría en medio).
Tienes razón que a lo mejor con la configuración Halbach a lo mejor el campo además de ser más potente llega más lejos (a lo mejor los imanes laterales pueden ser más finos)
Lo suyo sería buscar un sensor para medirlo. El que más señal admite es el SS94A2D que llegue a 2500 gauss (0.25T) (es de los más comunes) , no encuentro ninguno que llegue a 1.5Teslas
El sensor que he dicho es de tres patas, por una se alimenta a más de 6V (se recomienda 9V), otra es tierra y entre la tercera y tierra se mide el campo.

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Pues ya he montado el sensor, me ha costado 15€ y lo he comprado en RS a través de Electrónica Merchán y me he encontrado con resultados interesantes para los que se quieran hacer un motor o un generador (eólico o no), por lo pronto un imán de 10mm de lado de 1.3 Teslas pierde campo a poco que lo alejes. Estos son los resultados en militeslas de un imán simple a 5,10,15 y 30mm:
165, 55, 24 y 3.2mT
Si pongo dos en serie sale:
173, 86, 32 y 6.7
Si pongo 7 en serie:
182,78,38,10

Y ahora viene lo interesante, pongo unos imanes en configuración Halbach, pero es muy difícil pues no se dejan, los envolví en cinta de kapton muy dura y los pegué con loctite y aun así trataban de escapar. Estos son los resultados a 10,15,20 y 30mm:
86, 26, 17 y 5.2 militeslas, o sea, mejoro solo un 10% a 15mm

Y entonces se me ocurre poner dos imanes enfrentados y la cosa se dispara. Separo los imanes entre sí 10, 20 y 30mm:
308, 140, 62 militeslas.
Si los imanes se ponen uno detrás de otro y son alargados enfrentados entre sí, puedes lograr un volumen de 20x20xlongitud de imanes con unos 240 militeslas en toda la zona.

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Hola Fusión

Me ha quedado la duda de como es la última configuración que mencionas. Puedes colgar algún diagrama o foto?

Muchas gracias