En esta segunda parte sobre el motor Mendocino, añadiremos paneles solares y bobinas de alambre para hacer girar este motor. Si no has leído la primera parte, consulta el artículo: Pseudo-Levitation. Ese artículo describe cómo hacer levitar el eje giratorio del motor utilizando imanes de neodimio.
¿Qué es un motor Mendocino?
El motor Mendocino es un motor eléctrico alimentado por energía solar y levitado magnéticamente. Fue inventado por Larry Spring, del condado de Mendocino en California, de ahí su nombre. (Técnicamente, él vivía en el condado de Mendocino, no en la ciudad de Mendocino, pero ese es el nombre que se quedó con el motor).
El motor consiste en un eje giratorio que se mantiene en el aire por imanes repelentes, estabilizado al descansar un punto contra una pared. Es alimentado por paneles solares montados en el eje giratorio, que generan corrientes a través de bobinas de alambre aislado.
¿Cómo funciona un motor eléctrico?
Al igual que muchos motores eléctricos, el motor Mendocino consiste principalmente en dos imanes.
Un imán es un imán permanente que proporciona un campo magnético constante. De hecho, por eso se les llama "imanes permanentes", porque el campo permanece encendido todo el tiempo. El segundo imán es una bobina de alambre que actúa como un electroimán que podemos encender y apagar. Cuando una corriente circula por esta bobina de alambre, actúa como otro imán, con un polo norte y un polo sur.
Fuerzas magnéticas en un motor eléctrico
Olvidemos por un momento el electroimán. Imagina simplemente colocar dos imanes permanentes cerca uno del otro. Uno permanecerá estacionario, mientras que el otro es libre de girar sobre un eje, justo al lado del primero. Las fuerzas magnéticas tenderán a tratar de rotar el imán que gira libremente para alinear su campo magnético con el campo del imán estacionario.
Demostramos estas fuerzas en el siguiente video utilizando imanes D68PC-RB codificados por colores.
¿Cuál es el par de torsión sobre este imán rotatorio en varias posiciones? ¿Qué tan fuertes son las fuerzas magnéticas que intentan rotarlo? En el gráfico que muestra varias posiciones de rotación a continuación, podemos ver dónde el par de torsión es más alto y en qué dirección. El par de torsión mostrado representa el par de torsión que actúa sobre el imán rotatorio en esa posición.
Volvamos a la idea de esa bobina de alambre, un electroimán que podemos encender y apagar electrónicamente. Si reemplazamos uno de estos imanes (elijamos el que gira) con un electroimán, podemos encender y apagar la corriente eléctrica en varias partes del ciclo de rotación. Deberíamos poder encender la electricidad para intentar hacerla girar en una dirección, haciendo girar el eje del motor.
¿Cuándo debemos encender la corriente eléctrica? ¿En qué dirección?
En el gráfico siguiente, cambiamos el imán rotatorio a un electroimán, representado por el ejemplo clásico de alambre enrollado alrededor de un clavo. En una región, de 45 a 135 grados de rotación, hacemos pasar corriente a través del electroimán en una dirección. Para seguir intentando rotar el electroimán giratorio en la misma dirección de las agujas del reloj, hacemos pasar corriente en la dirección opuesta en la región de 225 a 315 grados.
Debido a que hacemos pasar la corriente en direcciones opuestas, el par de torsión siempre gira el eje en una dirección. Durante los períodos "apagados", la inercia del motor giratorio tiene que ser suficiente para llevarlo al siguiente ciclo "encendido" para que siga girando.
En los motores de CC con escobillas, las escobillas conductivas se configuran para hacer contacto desde una fuente eléctrica a la bobina de alambre. Con las escobillas configuradas para hacer contacto solo durante esos momentos en el ciclo de rotación que ayudarán a que gire, el motor girará alimentado por la corriente eléctrica proporcionada.
Los motores de CC sin escobillas modernos funcionan utilizando ciclos de encendido y apagado similares, pero utilizan otros medios para averiguar dónde está el motor giratorio en el ciclo. De Wikipedia:
Debido a que el controlador debe dirigir la rotación del rotor, el controlador requiere algún medio para determinar la orientación/posición del rotor (en relación con las bobinas del estator). Algunos diseños utilizan sensores de efecto Hall o un codificador rotatorio para medir directamente la posición del rotor. Otros miden la fuerza electromotriz inversa en las bobinas no accionadas para inferir la posición del rotor, eliminando la necesidad de sensores de efecto Hall separados, y por lo tanto, a menudo se denominan controladores sin sensores.
Los paneles solares resuelven el problema de control
Debido a que un motor Mendocino utiliza paneles solares que reciben luz desde arriba, pueden colocarse de manera que los propios paneles giratorios proporcionen el ciclo de encendido y apagado de la energía. Debido a que los paneles giran en un motor Mendocino, los paneles giratorios entran y salen de una fuente de luz. Esto maneja automáticamente el encendido y apagado de la corriente a las bobinas de alambre. Solo tenemos que configurarlos para que las bobinas se enciendan en un momento oportuno.
Cómo conectar los paneles solares y las bobinas de alambre
Conectamos los paneles como se muestra en el boceto a continuación. El boceto muestra solo un conjunto de paneles con una sola bobina de alambre. La bobina solo muestra unas pocas vueltas, para mayor claridad. En el motor que construimos, añadimos un segundo conjunto de paneles y una bobina de alambre de la misma manera.
Detalles técnicos: Elegir paneles solares y alambre magnético
¿Qué paneles solares se deben utilizar? ¿Cuántas vueltas en las bobinas de alambre? ¿Qué calibre de alambre se debe utilizar? Aquí es donde las cosas se complican. Las respuestas a todas estas preguntas están interrelacionadas de muchas maneras interesantes.
Encontramos algunos ejemplos de motores Mendocino en línea, donde los constructores incluyen detalles sobre el tipo de alambre que utilizaron y cuántas vueltas. Muchos de ellos muestran una mano de obra realmente deslumbrante, ¡mucho mejor que nuestro ejemplo tosco! Parece que 100 vueltas de alambre es lo más común en las descripciones que hemos visto en línea. Lo que no pudimos encontrar fue una justificación que explicara por qué se utilizaron tantas vueltas.
Por cierto, el alambre magnético es el nombre común para el alambre de cobre sólido de una sola hebra que tiene un aislamiento laqueado, comúnmente utilizado para motores, transformadores, etc. ¡ACTUALIZACIÓN: Ahora ofrecemos este tipo de alambre en nuestra sección de alambre magnético!
Antes de pedir piezas para el motor, de alguna manera tuvimos que decidir: ¿Qué paneles solares debemos comprar? ¿Qué calibre de alambre? Hicimos algún análisis teórico, comparando varias especificaciones de células solares con varios calibres de alambre y número de vueltas de alambre. Los resultados realmente dependían de las formas interesantes en que funcionan los paneles solares, así como de la forma y el diseño del motor.
Las matemáticas:
Los paneles solares como estos tienen una curva de rendimiento que describe de qué son capaces. En esta curva hay un punto importante llamado "resistencia característica". Si conectas el panel a una resistencia con ese valor (o alguna carga a esa resistencia), obtendrás la mayor potencia de él. Por lo tanto, elegimos una longitud de alambre magnético que tenía una resistencia igual a esa especificación.
En el gráfico de la derecha, esa resistencia ocurre justo en la curva de cada especificación del panel. Si bien ambos paneles representados pueden ofrecer una cantidad similar de potencia (vatios), uno ofrecerá corrientes más altas a un voltaje más bajo, mientras que el segundo ofrece una corriente mucho más baja pero a un voltaje más alto.
Tomamos la electricidad del panel y la hacemos pasar por una bobina de alambre magnético delgado, que consta de muchas vueltas alrededor de un bucle. Cuando está sentado en un campo magnético (cerca de un imán), se puede sentir un par de torsión en ese bucle de alambre. ¿Cuánto par de torsión? El par de torsión máximo, en el ángulo donde se encuentra el par de torsión máximo, se puede expresar como , donde
- N = el número de vueltas de alambre
- I = la corriente a través del alambre
- B = el campo magnético dentro del bucle de alambre
- A = el área del bucle
Para cada caso, analizamos cuál sería el número óptimo de bobinas de alambre y calculamos un valor de par de torsión teórico que podríamos esperar que proporcionara. Si bien no es perfecto, era una forma decente de comparar las dos opciones. Si bien es interesante, el análisis entra en más detalles y en la ingeniería eléctrica que probablemente contiene demasiadas matemáticas para un artículo de blog, por lo que no entraremos más en detalles aquí. Si estás interesado en recorrer nuestro proceso de pensamiento, puedes descargar este PDF que describe nuestro análisis.
Los paneles solares y el alambre magnético que elegimos fueron...
Elegimos un panel solar con mayor voltaje y menor clasificación de corriente. Esto se mostró como "Panel B" en el gráfico anterior y como "SZGD5433" en el PDF. Los pedimos a un distribuidor llamado Futurlec. No tenemos una relación con ellos; simplemente son un lugar donde encontramos paneles solares en línea a un precio excelente.
Elegimos alambre magnético de calibre 30 (30AWG) y usamos aproximadamente 1000 vueltas en cada bobina. Esto eran más vueltas de alambre, y más pesado que la mayoría de los motores que hemos visto. Hay algunos motores de gran apariencia en línea que utilizan tan solo 100 vueltas. Eso es algo bueno si no quieres usar imanes tan grandes: nuestra pieza flotante pesaba media libra. ¡El cobre es pesado!
Puedes encontrar alambre de calibre 30 como este como MW30-8 en nuestra sección de alambre magnético.
En retrospectiva, puede que haya sido mejor diseñar alrededor de menos bobinas de alambre. No solo enrollar 1000 vueltas (¡dos veces!) llevó mucho tiempo, sino que las ventajas de un mayor par de torsión pueden haber sido superadas por el peso mucho mayor del conjunto. ¡Se necesita más par de torsión para rotar el rotor pesado!
No hemos construido un segundo motor, pero sospechamos que podrías usar los mismos paneles que nosotros con menos vueltas de alambre. Obtendrás menos par de torsión, pero entonces, tampoco tendrás una masa tan pesada que estés intentando rotar.
La construcción
Construimos el marco del rotor con madera ligera, unida con pegamento de pistola de pegamento caliente. Puede que no sea el método de construcción más preciso, pero fue una forma rápida de experimentar con un prototipo fácilmente modificable rápidamente. Utilizamos madera fina de una tienda de manualidades que se podía cortar fácilmente con un cuchillo de aficionado.
Comienza a enrollar el alambre de cobre alrededor del rotor. Hicimos diez vueltas mientras mantenemos el alambre en un lado del eje de 1/2" de diámetro...
...y luego diez vueltas en el lado opuesto del eje.
Al enrollar el alambre, llevamos un recuento en papel para evitar perder la cuenta.
Haz el mismo enrollado en la posición opuesta, cruzando el primer enrollado.
Etiqueta los cables para que puedas hacer un seguimiento de la dirección de la bobina y qué cable es cuál. Aquí mostramos la primera célula solar con los cables soldados en su lugar. La cinta está ahí solo para evitar tirones en la unión de soldadura durante el montaje.
Aquí está la célula solar final, soldada pero aún no ensamblada en su posición.
¡Míralo girar!
En el video a continuación, colocamos el rotor terminado en la parte superior de la base del motor. Debido a que el conjunto del rotor era tan pesado, poco más de media libra, aumentamos el tamaño de los imanes utilizados tanto para el rotor como para la base. El rotor utiliza dos imanes de anillo RX088, 1" de diámetro exterior x 1/2" de diámetro interior x 1/2" de grosor. En la base, apilamos tres imanes RX033CS-N para formar un imán más alto, en cuatro ubicaciones.
Mostramos dos imanes diferentes colocados debajo de la bobina para proporcionar el campo magnético. A mano para nuestras pruebas iniciales, vea el imán DX4X0 de 1-1/4" de diámetro x 1" de grosor en su lugar. Un imán DX48 más corto, de 1-1/4" de diámetro x 1/2" de grosor, se fijó de forma más permanente a la base.
Notas, conclusiones y otras ideas
La mayoría de los motores de CC sin escobillas se construyen al revés, donde las bobinas de alambre permanecen inmóviles y los imanes giran. Dado que la fuente de alimentación generalmente no gira con la parte giratoria como lo hacen nuestros paneles solares, es más fácil de construir. Sin embargo, funcionan con los mismos principios.
El par de torsión que proporciona este motor depende del campo magnético dentro de la bobina de alambre. Si podemos hacer que el campo magnético sea más grande, girará mejor. Una idea que nunca llegamos a probar fue usar 2 imanes permanentes, uno arriba y otro abajo de la bobina giratoria. Una configuración como esta podría producir un campo magnético más fuerte y uniforme. Incluso podrías usar imanes más pequeños con una configuración así. Como tenemos muchos imanes grandes, ¡tomamos la ruta fácil y simplemente colocamos un imán grande debajo!
Si bien disfrutamos construyendo este motor de demostración, no resultó ser algo lo suficientemente bueno como para dejarlo sentado en el alféizar de la ventana. La construcción aproximada que se muestra simplemente no está lo suficientemente equilibrada y tenderá a oscilar fuera de control con el tiempo. El equilibrio cuidadoso puede ser la parte más desafiante de construir un motor Mendocino exitoso.
Dependiendo de la posición inicial, el motor puede o no arrancar por sí solo. Hay grandes "zonas muertas" donde no obtiene suficiente par de torsión para comenzar a girar y necesita una ayuda para arrancar. Tal vez un motor hexagonal con 6 paneles solares y 3 bobinas de alambre podría hacer un motor mejor y que se autoinicie.
Hemos visto algunas configuraciones que usan tres imanes en la base dispuestos en un patrón triangular. El tercer imán se agrega por encima del imán del eje del rotor. ¿Una configuración como esta ayudaría a reducir la oscilación en el eje? Las experimentaciones iniciales sugieren que sí, pero no tenemos una respuesta concluyente sobre cuál es mejor. Todavía vimos oscilación con el tercer imán, pero osciló un poco diferente.
El tamaño de este motor puede haber sido exagerado. Si tenemos la oportunidad de construir otro, nos gustaría usar un eje más pequeño (quizás un lápiz), menos vueltas de alambre magnético (para un peso más ligero) e imanes más pequeños. Esto ayudaría a reducir el costo y el tiempo de construcción requerido para el proyecto.
Lista de partes
Aquí hay una breve lista de lo que usamos para construir nuestro motor Mendocino. Para el rotor (la parte giratoria del motor):
- Varilla de madera de 1/2" de diámetro, comprada en una ferretería local
- Madera fina de una tienda de manualidades, que se puede cortar con un cuchillo de aficionado
- Pegamento caliente para sujetar las piezas (¡no use pegamento caliente en imanes de neodimio!)
- Alambre magnético aislado de calibre 30, MW30-4 o MW30-8
- Cuatro células solares de Futurlec, SZGD5433
- Dos imanes de anillo RX088
Para la base:
- Madera para la base y la pared
- Trozo delgado de aluminio para la pared
- Doce imanes RX033CS-N. Alternativamente, los imanes RX038DCB-N52 también podrían haber funcionado bien. Aun así, nos gusta planificar apilando múltiples imanes más delgados. Esto le permite ajustar la resistencia alterando el número de imanes utilizados en cada pila.
¡Gracias por seguirnos! Si construyes tu propio motor Mendocino, ¡envíanos una foto! Nos encantaría verla. Asegúrate de hacernos saber si tenemos permiso para usar tu foto aquí.
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