Basándome en los modelos bipolares de corriente continua he diseñado tres modelos nuevos para imanes de diferentes medidas. También existieron motores similares de 3, 4 y 10 polos. De estos nuevos motores bipolares existe un modelo para imanes de 10 x 20 x 40 milímetros, otro para imanes de 25 x 20 x 5 milímetros y un tercero para imanes de 20 x 20 x 5 milímetros. Las gráficas de la prueba de este último modelo con tres tipos de rotores se pueden ver aquí. El montaje de delgas y escobillas también se puede ver aquí. Previamente había desarrollado dos modelos que no llegaron a funcionar.
Para comparar entre si los tres modelos de motores con diferentes medidas de imanes dispongo de diferentes rotores bobinados con hilo de cobre esmaltado de varios diámetros y longitudes. Con hilo de una decima de milímetro tengo bobinados dos rotores, uno de ellos con dos metros y otro con 10 metros de hilo. Para poderlos identificar tiene hechas tantas marcas sobre el plástico como metros de longitud tenga el hilo del bobinado. Un metro de este hilo pesa 0,0698 gramos. Este hilo tan fino es fácil de romper, mismamente por una zona que accidentalmente se haya doblado en exceso. Con hilo de tres décimas de milímetro tengo bobinados dos rotores, uno de ellos con dos metros y otro con 10 metros de hilo. Un metro de este hilo pesa 0,6284 gramos. Con hilo de 0,5 milímetros tengo bobinados tres rotores, uno de ellos con un metro, otro con dos y un tercero con tres metros de hilo. Un metro de este hilo pesa 1,7455 gramos. Para terminar, con hilo de 0,8 milímetros tengo bobinado un rotor con un metro de hilo. Un metro de este hilo pesa 4,4686 gramos.
Un poco de física
Ley de Joule
La ley de Joule describe cómo la corriente eléctrica genera calor en un conductor. Esta ley establece que la cantidad de calor producido es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente, a la resistencia del conductor y al tiempo que la corriente fluye. En otras palabras, cuanto mayor sea la corriente, la resistencia y el tiempo, mayor será el calor generado.
Q: calor generado (en julios, J)I: intensidad de corriente (en amperios, A)R: resistencia del conductor (en ohmios, Ω)t: tiempo (en segundos, s)
Cálculo de la resistencia de un hilo conductor
La resistencia de un cable metálico viene dada por la siguiente fórmula:
R = resistencia del cable (en ohmios)ρ = resistividad del material (en Ω⋅𝑚)L = longitud del cable (en metros)S = área de la sección transversal del cable (en metros cuadrados)
Ensayos con los motores
Motor 10 x 20 x 40 con imanes de ferrita
La fuente de alimentación a la que se conecta el motor permite variar el voltaje con el que le alimentamos. También nos permite saber el voltaje y la intensidad eléctrica consumida por el mismo. Un simple producto de estas dos variables nos permite conocer cual es la potencia (En watios) consumida por el motor.
Mediante un tacómetro podemos medir la velocidad a la que gira el motor para cada voltaje de la corriente a la que le conectamos. Dado que la potencia de un motor eléctrico es el resultado de multiplicar el voltaje por la intensidad y también la velocidad de rotación en radianes por segundo (rad/s) y el par en Newtons-metro (Nm), si dividimos la potencia entre la velocidad de rotación encontraremos una aproximación del par generado por el motor.
La potencia la hemos calculado multiplicando las dos magnitudes eléctricas (voltaje e intensidad), por lo que incluirá en este valor las pérdidas debidas al rozamiento mecánico y al desgaste, calor y ruido generado por el mismo, también a las pérdidas debidas al efecto Joule y a las debidas a la elasticidad de las escobillas que hace que los pequeños movimientos producidos sobre ellas al girar el rotor hagan que las mismas se calienten y se deterioren al romperse algunos de sus enlaces metálicos. También se producirán algunas pequeñas pérdidas al saltar las chispas entre las escobillas y las delgas calentando el aire, gastando estos elementos y generando ondas electromagnéticas.
Debido a estas perdidas el resultado de multiplicar la velocidad de rotación del rotor por el par real ha de ser algo menor que el valor de la potencia obtenida al multiplicar el voltaje por la intensidad.
El tacómetro láser DT-2234C+ lo conseguí en Aliexpress por 16,32 euros y no es muy preciso, pero sirve para tomar muchas medidas y hacer los cálculos correspondientes. La indicación que proporciona es la velocidad de giro en RPM, por lo que este valor se ha de pasar a rad/s.
La fuente de alimentación utilizada de 30 voltios y 5 amperios tiene un coste de 46 euros.
Los resultados obtenidos en las pruebas puedan variar algo de un momento a otro pues influye sensiblemente el ajuste entre las escobillas y las delgas del rotor. Se ha de conseguir que la presión sea mínima, pero el contacto entre estos dos elementos no se pierda. Como existe un cierto juego entre el eje de giro y las piezas de plástico durante el funcionamiento también se producen variaciones en la intensidad y la velocidad de giro, tomando como valores para la gráfica los que parecen más estables. También influye en el funcionamiento el buen contacto que ha de existir entre las pinzas de cocodrilo de la fuente de alimentación y los cables del motor. Aun con todas estas dificultades para obtener medidas precisas los resultados son muy significativos y permiten observar el diferente comportamiento por parte de los imanes del estator y las bobinas del rotor, en cuanto al grueso y la longitud del hilo con el que están hechas.
Los valores registrados son los correspondientes al funcionamiento de estos motores en vacío, cabe la posibilidad de cargar un poco estos motores, bien mediante una goma elástica que ejerza una pequeña presión sobre el extremo del rotor, o sobre una corriente aire generada por un secador de pelo, por ejemplo, que incida sobre la mitad del rotor para frenarlo. De esta manera se pueden volver a ensayar viendo la potencia que podrían llegar a proporcionar.
Bobina de 1 décima y dos metros
Con la bobina realizada con hilo de cobre esmaltado de una décima de milímetro de diámetro y de dos metros de largo el voltaje a que comienza a funcionar es también de 2 voltios, la intensidad de 0,2 amperios y la velocidad de giro de 570 rpm.
Bobina de 1 décima y 10 metros
Con la bobina realizada con hilo de cobre esmaltado de una décima de milímetro de diámetro y de 10 metros de largo la intensidad para cada voltaje es mucho menor que la que consumía con la bobina de dos metros de largo.
Bobina de 3 décimas y 2 metros
Con la bobina realizada con hilo de cobre esmaltado de 3 décimas de milímetro de diámetro y de 2 metros de largo el voltaje a que comienza a funcionar es de 0,38 voltios.
Bobina de 3 décimas y 10 metros
Con la bobina realizada con hilo de cobre esmaltado de 3 décimas de milímetro de diámetro y de 10 metros de largo el voltaje a que comienza a funcionar es también de 0,38 voltios, pero la intensidad es tan solo de 0,04 amperios y la velocidad de giro también algo menor, pero no está claro que esto sea muy significativo.
Bobina de 5 décimas y 1 metro
Con la bobina realizada con hilo de cobre esmaltado de 5 décimas de milímetro de diámetro y de un metro de largo el voltaje a que comienza a funcionar es también de 0,4 voltios, la intensidad de 0,62 amperios y la velocidad de giro de 1400 rpm. Por encima de un voltio la intensidad es suficientemente grande como para producir un gran deterioro en las delgas. Las escobillas no parecen tan afectadas, o quizás lo están menos, pero a lo largo de un trozo de más largo.
Bobina de 5 décimas y 2 metros
Con la bobina realizada con hilo de cobre esmaltado de 5 décimas de milímetro de diámetro y de dos metro de largo el voltaje a que comienza a funcionar es también de 0,4 voltios, la intensidad de 0,35 amperios, sensiblemente menor que con la bobina de un metro, y la velocidad de giro de 1200 rpm. Por encima de un voltio la intensidad es suficientemente grande como para producir un gran deterioro en las delgas.
Bobina de 5 décimas y 3 metros
Con la bobina realizada con hilo de cobre esmaltado de 5 décimas de milímetro de diámetro y de dos metro de largo el voltaje a que comienza a funcionar es también de 0,36 voltios, la intensidad de 0,19 amperios, sensiblemente menor que con las bobinas de uno y dos metros, y la velocidad de giro de 1200 rpm. Por encima de un voltio la intensidad es suficientemente grande como para producir un gran deterioro en las delgas.
Bobina de 8 décimas y 1 metro
Con la bobina realizada con hilo de cobre esmaltado de 8 décimas de milímetro de diámetro y de 1 metro de largo el voltaje a que comienza a funcionar es de 0,27 voltios y lo he hecho funcionar hasta 1,4 voltios girando entonces a 5.700 RPM.
Motor 20 x 20 x 5 con imanes de neodimio
Bobina de 1 décima y dos metros
Con la bobina realizada con hilo de cobre esmaltado de una décima de milímetro de diámetro y de dos metros de largo el voltaje para que comience a girar ha de ser tan grande (mayor de 8 voltios) que se genera tanto calor que finalmente se pone incandescente, se deteriora su esmalte y se cortocircuita. Si comenzase a girar el viento inducido serviría para refrigerarla un poco y quizás soportase tanta intensidad. Lo cierto es que con estos imanes de ferrita no funciona una bobina tan pequeña.
Bobina de 1 décima y 10 metros
Con la bobina realizada con hilo de cobre esmaltado de una décima de milímetro de diámetro y de 10 metros de largo el voltaje a que comienza a funcionar es también de 7,5 voltios, la intensidad de 0,06 amperios y la velocidad de giro de 1.180 rpm.
Bobina de 3 décimas y 2 metros
Con la bobina realizada con hilo de cobre esmaltado de 3 décimas de milímetro de diámetro y de 2 metros de largo el voltaje a que comienza a funcionar es de 2,2 voltios, la intensidad de 0,37 amperios y la velocidad de giro de 1.170 rpm. Se ha probado hasta 4,2 voltios y a este voltaje se calienta ligeramente pero sin llegar a ser preocupante.
Bobina de 3 décimas y 10 metros
Con la bobina realizada con hilo de cobre esmaltado de 3 décimas de milímetro de diámetro y de 2 metros de largo el voltaje a que comienza a funcionar es de 1,1 voltios, la intensidad de 0,05 amperios y la velocidad de giro de 1.140 rpm. Se ha probado hasta 3,2 voltios y a este voltaje se calienta de forma insignificante. La intensidad es sensiblemente menor que en el caso de la bobina del mismo grueso de hilo y de 2 metros de largo.
Bobina de 5 décimas y un metro
Con la bobina realizada con hilo de cobre esmaltado de 5 décimas de milímetro de diámetro y de un metro de largo el voltaje a que comienza a funcionar es de 0,68 voltios, la intensidad de 1,23 amperios y la velocidad de giro de 1800 rpm. Por encima de un voltio la intensidad es suficientemente grande como para producir un gran deterioro en las delgas.
Bobina de 5 décimas y 2 metros
Con la bobina realizada con hilo de cobre esmaltado de 5 décimas de milímetro de diámetro y de dos metros de largo el voltaje a que comienza a funcionar es de 0,55 voltios, la intensidad de 0,86 amperios, sensiblemente menor que con la bobina de un metro, y la velocidad de giro de 190 rpm. Por encima de un voltio la intensidad es suficientemente grande como para producir un gran deterioro en las delgas.
Bobina de 5 décimas y 3 metros
Con la bobina realizada con hilo de cobre esmaltado de 5 décimas de milímetro de diámetro y de tres metros de largo el voltaje a que comienza a funcionar es de 0,45 voltios, la intensidad de 0,46 amperios, sensiblemente menor que con la bobina de uno y dos metros, y la velocidad de giro de 1400 rpm. Por encima de un voltio la intensidad es suficientemente grande como para producir un gran deterioro en las delgas.
Bobina de 8 décimas y 1 metro
Con la bobina realizada con hilo de cobre esmaltado de 8 décimas de milímetro de diámetro y de 1 metro de largo el voltaje a que comienza a funcionar es de 0,4 voltios, la intensidad de 1,25 amperios, girando entonces a 1.280 RPM.
Motor 25 x 20 x 5 con imanes de ferrita
Bobina de 1 décima y dos metros
Con la bobina realizada con hilo de cobre esmaltado de una décima de milímetro de diámetro y de dos metros de largo el voltaje para que comience a girar ha de ser tan grande (mayor de 8 voltios) que se genera tanto calor que finalmente se pone incandescente, se deteriora su esmalte y se cortocircuita. Si comenzase a girar el viento inducido serviría para refrigerarla un poco y quizás soportase tanta intensidad. Lo cierto es que con estos imanes de ferrita no funciona una bobina tan pequeña.
Bobina de 1 décima y 10 metros
Con la bobina realizada con hilo de cobre esmaltado de una décima de milímetro de diámetro y de 10 metros de largo el voltaje a que comienza a funcionar es también de 1,7 voltios, la intensidad de 0,2 amperios y la velocidad de giro de 1.320 rpm.
Bobina de 3 décimas y 2 metros
Con la bobina realizada con hilo de cobre esmaltado de 3 décimas de milímetro de diámetro y de 2 metros de largo el voltaje a que comienza a funcionar es de 1,5 voltios, la intensidad de 0,77 amperios y la velocidad de giro de 900 rpm. Se ha probado hasta 3,6 voltios y a este voltaje se calienta ligeramente pero sin llegar a ser preocupante.
Con la bobina realizada con hilo de cobre esmaltado de 3 décimas de milímetro de diámetro y de 2 metros de largo el voltaje a que comienza a funcionar es de 1,2 voltios, la intensidad de 0,17 amperios y la velocidad de giro de 880 rpm. Se ha probado hasta 3,2 voltios y a este voltaje se calienta de forma insignificante. La intensidad es sensiblemente menor que en el caso de la bobina del mismo grueso de hilo y de 2 metros de largo.
Bobina de 5 décimas y un metro
Con la bobina realizada con hilo de cobre esmaltado de 5 décimas de milímetro de diámetro y de un metro de largo el voltaje a que comienza a funcionar es de 0,6 voltios, la intensidad de 0,57 amperios y la velocidad de giro de 1400 rpm. Por encima de un voltio la intensidad es suficientemente grande como para producir un gran deterioro en las delgas.
Bobina de 5 décimas y 2 metros
Con la bobina realizada con hilo de cobre esmaltado de 5 décimas de milímetro de diámetro y de dos metros de largo el voltaje a que comienza a funcionar es de 0,76 voltios, la intensidad de 0,6 amperios y la velocidad de giro de 1000 rpm. Por encima de un voltio la intensidad es suficientemente grande como para producir un gran deterioro en las delgas.
Bobina de 5 décimas y 3 metros
Con la bobina realizada con hilo de cobre esmaltado de 5 décimas de milímetro de diámetro y de tres metros de largo el voltaje a que comienza a funcionar es de 0,73 voltios, la intensidad de 0,47 amperios y la velocidad de giro de 1800 rpm. Por encima de un voltio la intensidad es suficientemente grande como para producir un gran deterioro en las delgas.
Bobina de 8 décimas y 1 metro
Con la bobina realizada con hilo de cobre esmaltado de 8 décimas de milímetro de diámetro y de 1 metro de largo el voltaje a que comienza a funcionar es de 0,65 voltios, la intensidad de 1,35 amperios, girando entonces a 1.130 RPM.
Como curiosidad este es el motor que construyó mi hija Elena cuando estudiaba 2º de ESO.
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