Construccion del Motor de imanes permanentes deMuammer Yildiz

Jerson C. Rodrıguez M Faiber A. Dıaz S.jersonc_92@hotmail.com ingfad@hotmail.com

Dora M. Martınez C.dmmartinezc@udistrital.edu.co

Ingenierıa Electrica por ciclos PropedeuticosFacultad Tecnologica

Universidad Distrital Francisco Jose de CaldasBogota D.C., Colombia

Resumen—Este artıculo presenta la investigacion y construc-cion realizada de un motor de imanes permanentes, a partirde la patente de Muammer Yildiz y del artıculo “Interaccionde imanes permanentes para generar movimientos mecanicos noconvencionales”.

A continuacion, se describen las partes que componen el motorcon las dimensiones y el cuadro de costos, en el cual se indicala relacion del precio de las piezas por unidad y su conjunto,luego se presenta la estructura y distribucion de las partes quecomponen el motor de Muammer Yildiz, adicionalmente se tieneen cuenta los materiales que se utilizaron de forma indirectapara la construccion del motor, para ası llegar al precio final demontaje del motor.

Posteriormente se presenta un instructivo explicativo del pasoa paso para la construccion del motor, en el cual se muestracomo se acopla cada pieza en el motor. Se muestran el registrode los datos recolectados durante las pruebas de laboratorio,antes de ensamblar el rotor y estator y despues de finalizadala construccion del motor. A partir de lo anterior se mostrarala comparacion de los resultados teoricos con los resultadospracticos obtenidos durante las pruebas de laboratorio.

Finalmente se desarrollan las conclusiones resultado del cum-plimiento de los objetivos que se trazaron en el proyecto.

Abstract— This article presents the research and construction of apermanent magnet motor, based on Muammer Yildiz’s patent and thearticle Interaction of permanent magnets to generate non-conventionalmechanical movements”.

Next, the parts that make up the engine with the dimensions andthe cost table are described, in which the relation of the price ofthe pieces per unit and its set is indicated, then the structure anddistribution of the parts that compose it are presented. In addition,the engine of Muammer Yildiz takes into account the materials thatwere used indirectly for the construction of the engine, in order toreach the final price of the engine assembly.

Afterwards, an explanatory instruction is presented, step by step,for the construction of the engine, in which it is shown how eachpiece is fitted in the engine. The record of the data collected duringthe laboratory tests is shown, before assembling the rotor and statorand after the construction of the motor has been completed. Based onthe above, the comparison of the theoretical results with the practicalresults obtained during the laboratory tests will be shown.

Finally the conclusions result of the fulfillment of the objectivesthat were drawn in the project.

I. INTRODUCCION

Los campos magneticos permanentes se han convertido enobjeto de estudio en la actualidad por sus usos en distintasareas, en las cuales se ha podido comprobar ciertos patronesde desempeno y utilidad. Algunos de estos resultados, y lasaplicaciones que ellos han mostrado, proporcionan un puntode partida para el desarrollo de esta investigacion.

Uno de los campos de aplicacion documentados es el dela construccion de motores magneticos que se basan en losprincipios de atraccion y repulsion magnetica. Un ejemploestudiado se puede apreciar en una patente asignada en 1990[1], en la que se presenta un dispositivo motorico que ensu diseno tiene una gran similitud con los motores de losautomoviles, puesto que se soporta con un bloque de pistones,con la diferencia que para generar el movimiento no esnecesario la utilizacion de energıas fosiles, sino que utilizala interaccion de fuerzas magneticas.

Otro dispositivo similar que se ha desarrollado, documen-tado y patentado, es un generador de electricidad a traves deun sistema conformado por una interaccion motor magnetico-generador [2]. La patente propuesta por Bedini [3] emplea unaestructura soportada con circuitos electronicos, lo que permitealgun grado de almacenamiento de la energıa generada, queposteriormente se utiliza en el mismo sistema.

Para lograr que dichos mecanismos motoricos sean maseficientes, algunos investigadores han propuesto un metodocomputacional llamado MEC (Magnetic Equivalent Circuits),que opera con 3 DOF (grados de libertad) [4]. Este sistema tie-ne como principio buscar la forma en que el campo magneticose aproveche mas eficazmente, observando que para lograr esteobjetivo es necesario ubicar a los imanes en una configuracioncircular.

Otro campo que se ha venido trabajando es en el reemplazode las escobillas o cojinetes, que son parte fundamental dealgunos tipos de motores electromagneticos. El cambio se hace

por imanes de campos permanentes que son ubicados de formaradial y axial [5], los cuales permiten que se presente unainteraccion rotor-estator de tal forma que se comporten comoun sistema de levitacion magnetica, reduciendo de esta maneralas perdidas por rozamiento. Este tipo de sistemas generan unaestructura mecanica con hasta 5 DOF (grados de libertad) [6],y son analizados mediante modelos computacionales.

Por otra parte, la adopcion del uso de los imanes de campospermanentes se esta convirtiendo en una alternativa en losmotores sincronicos. Esto es debido a que gracias a ellos sepuede mejorar la potencia, eficiencia y velocidad, y se evitaque se presenten fallas por corto circuito en el estator [7].Esto permite que la aplicacion de este tipo de motores selleve a cabo por ejemplo en vıas ferroviarias, excavacionespetrolıferas [8], y en la generacion de electricidad, campos enlos cuales se mejora considerablemente el rendimiento.

Un modelo de motor magnetico es el disenado por HowardJonhnson, el cual esta compuesto por un rotor exterior enel que se ubican tres pares de imanes permanentes conforma ovalada, cuya distribucion es de forma simetrica quese consigue con una union mecanica entre los mismos. Losimanes permanentes del estator mantienen una distancia entreellos que no es constante, y varıa a lo largo de la circunferencia[9]. Por otra parte, en la patente de Muammer Yildiz sepresenta una maquina que consiste en un rotor giratorio y dosestatores, uno interior y otro exterior. Entre ambos estatores sesitua el rotor y ademas se encuentran constituidos por imanespermanentes [10].

Un campo de investigacion en el que se ha estado traba-jando, es en el de la comprobacion de funcionamiento dealgunos de los dispositivos mencionados. Un ejemplo de estoes la tesis de maestrıa del centro de investigacion en materialesavanzados de Mexico, en donde se realizo el analisis de trespatentes de imanes permanentes, a traves del metodo de siste-mas estacionarios del programa COMSOL y la comprobacionmatematica de la suma de fuerzas entre los imanes del rotor yestator, obteniendo como resultado una suma de fuerzas igual acero, lo que les lleva a concluir que los dispositivos estudiadosno son capaces de generar un movimiento continuo [11].

II. PARTES DE LA PATENTE ESTUDIADA

El dispositivo que desarrolla Muammer Yildiz se encuentrareferenciado con el numero de patente EP2153515 A2, enAlemania el 12 de febrero de 2009. Se conoce con el nombrede Dispositif avec un agencement d’aimants (Dispositivo conuna disposicion de imanes)[10].

Este motor consta de un rotor y dos estatores. Estas partesdel dispositivo estan constituidas por imanes permanentes, quesegun el documento al realizar el proceso natural de atracciony repulsion son capaces de generar movimiento en el rotor.

Segun lo anterior el motor esta conformado por las partesque se muestran en la figura 1 (Vista superior motor), enla cual se indican los elementos principales que permiten elfuncionamiento del motor:

Figura 1. Vista superior motor.

II-A. Partes:

1. Rotor.2. Estator interno.3. Estator externo.4. Dispositivo de sujecion.5. Eje.6. Imanes del estator externo.7. Imanes del rotor.8. Imanes del estator interno.9. Marco.

10. Tornillo.11. Rodamientos.12. Nucleo del estator interno.13. Tapa del extremo del rotor.14. Imanes.

III. PARTES DEL MOTOR CONSTRUIDO

En las figuras 2 (Vista frontal del Motor) y 3 (Vista deRotor), se muestran las partes que componen el motor; estasse disenaron con la ayuda del programa Solidworks 2014.

Para su facil identificacion se realizo una enumeracion queva del uno al nueve, con el objetivo de que el lector comprendade forma clara el diseno utilizado y la distribucion de laspartes:

Figura 2. Vista frontal del Motor.

Figura 3. Vista de Rotor.

1. Base.2. Soporte lateral.3. Estator.4. Rodamiento.5. Palanca de empuje.6. Eje.7. Tapas laterales del rotor.8. Imanes.9. Rotor.

III-A. Dimensiones del motor

En las figuras 4 (Radios de estator, rodamiento y eje), 5(Vista frontal de montaje con estator), 6 (Vista lateral), 7(Vista superior), 8 (Vista de montaje del rotor), 9 (Dimensionesdel rotor) y 10 (Dimension de los imanes) se presentan lasdimensiones definidas para la construccion del motor. Paraesto se empleo la ayuda del programa Solidworks, con el cualse realizo el diseno y distribucion del prototipo. Estas son devital importancia, ya que son las que nos permiten realizar laconstruccion de forma exacta y ademas nos garantiza que losmateriales a utilizar puedan ser adquiridos con exactitud.

Figura 4. Radios de estator, rodamiento y eje.

Figura 5. Vista frontal de montaje con estator.

Figura 6. Vista lateral.

Figura 7. Vista superior.

Figura 8. Vista de montaje del rotor.

Figura 9. Dimensiones del rotor.

Figura 10. Dimension de los imanes.

IV. CUADRO DE COSTOS DE MATERIALES

En la tabla I, se presenta una descripcion de los materialesque se utilizaron de forma directa, los cuales hacen referenciaa aquellos que son tangibles al motor y los de forma indirectaque hacen referencia a elementos de apoyo para su construc-cion. Para ello se requirio de un presupuesto de $ 271.000,los cuales salieron de recursos propios.

Tabla I

V. INSTRUCTIVO DE ENSAMBLE DEL MOTOR

A continuacion se presenta un instructivo de ensamblede las piezas que conforman el motor magnetico. Para estose mostrara mediante imagenes descriptivas y la tabla II elproceso realizado durante la construccion.

Tabla II

Una vez adquiridos los materiales referenciados en la tablaII, y el diseno definitivo del motor, se procedio con el ensambley montaje de piezas, tal como se describira a continuacion:

Paso 1: Apertura de agujeros de las piezas c y g parainstalacion de imanes; para lo cual se debe tener en cuentaque en la pieza c la apertura se hace de forma lineal con unespacio entre agujeros de 2.5 cm sumando un total de 5 imanespor lınea, las cuales suman un total de 8, con un espacio entreellas de 4 cm, con lo cual se obtiene un total de 40 imanes queconforman la pieza c. Por otra parte en la pieza g la aperturase hace de forma diagonal con un angulo de α = 39◦ y untotal de 5 agujeros por lınea con una separacion entre ellos de2.5 cm, lo cual suma por lınea 5 imanes; la separacion entrelıneas en la pieza g tienen una separacion de 4 cm sumando untotal de 6 lınes, que finalmente suman un total de 30 imanesen la pieza g. Como se muestra en las figuras 11 (estator) y12 (rotor).

Figura 11. Estator.

Figura 12. Rotor.

Paso 2: Acople entre las piezas g y h que conforman el rotory que son necesarias para acoplar al eje. Como se observa enlas figuras 12 (rotor) y 13 (tapas laterales) lo cual da comoresultado la pieza que se muestra en la figura 14 (acople entretapas laterales y rotor).

Figura 13. Tapas laterales

Figura 14. Acople entre tapas laterales y rotor.

Paso 3: Acople entre las piezas e y d que se evidencia en lafigura 15 (acople entre palanca de impulso y eje), las cualesse acoplan a las piezas mostradas en el paso 2 y que nosdara como resultado la pieza que se muestra en la figura. 16(montaje final del rotor).

Figura 15. Acople entre palanca de impulso y eje.

Figura 16. Montaje final del rotor.

Paso 4: Acople entre las piezas b y f que se muestran en lafigura 17 (acople de rodamientos en laterales), las cuales nospermite acoplar el rotor y estator.

Figura 17. Acople de rodamientos en laterales.

Paso 5: En la figura 18 (montaje del motor magnetico) sepresenta el acople final del motor.

Figura 18. Montaje del motor magnetico.

VI. PRUEBAS DE LABORATORIO

Finalizada la construccion del motor que se muestra en lafigura 19 (Motor Construido).

Figura 19. Motor Construido.

Se procedio con las pruebas de laboratorio, con el objetivode comprobar el funcionamiento que describe el dispositivoconstruido. Para esto, como primera medida se realizo lamedicion de campo magnetico con las pinzas EXTECH EMFTESTER 480826 Y EXTECH EMF Meter 480836, las cualesnos permitieron tomar mediciones en los ejes X, Y, Z y XYZ,esto en el estator y en el rotor.

Se debe aclarar que esta prueba se realizo sin que laspartes esten acopladas, ya que nos facilito la medicion con los

equipos. Los resultados obtenidos se presentan en las tablas acontinuacion.

VI-A. Tabla de datos:

En la tabla III, se muestran los resultados obtenidos con laspinzas en el estator, para ello se tomaron mediciones en losejes X, Y, Z y XYZ. Esta medicion se puede observar en lafigura 20 (Medicion de Campo en el Estator).

Tabla III

Figura 20. Medicion de Campo en el Estator.

De igual forma en la tabla IV, se presentan los resultados delas mediciones que se obtuvieron en el rotor, para ello los datosfueron tomados en los ejes X, Y, Z y XYZ. Esta medicion sepuede observar en la figura 21 (Medicion de Campo en elRotor).

Tabla IV

Figura 21. Medicion de Campo en el Rotor.

Finalmente en la tabla V, se presentan los datos de la unionentre rotor y estator, que son los que al final conforman elmotor magnetico. Esta medicion se presenta en la figura 22(Medicion de Campo en Rotor-Estator).

Tabla V

Figura 22. Medicion de Campo en Rotor-Estator.

Otra prueba que se realizo, fue la medicion de campoestando el motor armado obteniendo los resultados que seindican en las figuras 23, 24, 25 y 26 (Medicion de Campomotor).

Figura 23. Medicion de Campo motor.

Figura 24. Medicion de Campo motor.

Figura 25. Medicion de Campo motor.

Figura 26. Medicion de Campo motor.

VI-B. Medicion de velocidad alcanzada por el motor:

Al igual que la medicion de campo, tambien se realizo lamedicion de velocidad. Para esto se hizo uso de un tacometrocon el cual se obtuvieron los resultados que se presentan enla tabla VI.

Tabla VI

Las fuerzas que se presentan en la tabla VI, hace referenciaa aquellas que se pueden aplicar con la mano y la cual es la quecausa que se presenten, las velocidades iniciales mostradas.A continuacion en las figuras 27, 28, 29 y 30 (Medicion develocidad) se presentan las mediciones tomadas.

Figura 27. Medicion de velocidad.

Figura 28. Medicion de velocidad.

Figura 29. Medicion de velocidad.

Figura 30. Medicion de velocidad.

VI-C. Analisis de datos recolectados:

Como se pudo observar, se realizaron dos pruebas al motor,estas permitieron obtener los resultados ya presentados yademas llevaron a realizar el siguiente analisis:

El campo magnetico obtenido en el estator, medido a travesde los ejes X,Y y Z, los cuales se presentan en la tabla III,indican que en el eje X, el campo se encuentra dentro de unrango de 5.8 a 6.4 [mG], que al sacar un promedio se obtieneun valor de campo de 6.16 [mG]. Realizando el mismo analisispara los ejes Y y Z se obtienen valores promedio de 0.343[mG] y 2.22 [mG]. Al medir los tres ejes, es decir XYZ, seencuentra un valor promedio de 1.395 [mG]. Comparando esteultimo resultado con el encontrado a traves de simulacionesen el programa COMSOL, se observa que el campo en elsimulador es de 1.8 [mG], comprobando que tanto el campoobtenido de manera practica como el teorico, no alcanzan unacapacidad considerable que permita que el campo total delestator sea capaz de ejercer un efecto de repulsion al rotor, yque como resultado genere movimiento.

En el rotor al realizar el mismo analisis de campo magneticoen los diferentes ejes, se observa que en el eje X el valorpromedio de campo magnetico es de 5.62 [mG], en el ejeY de 0.38 [mG] y en el eje Z de 3.36 [mG]. Con relaciona la medicion de los tres ejes XYZ, el valor promedio quese alcanza es de 2.021 [mG]. Al analizar los resultados ycompararlos con los de la simulacion en COMSOL, en el cualse obtuvo un valor de 2.1 [mG], se encutra que la variacionno es considerable y que el campo magnetico producido porel rotor no es representativo como para ejercer una repulsional estator, sino que tanto el campo del rotor como del estatortienden a estabilizarse.

Posteriormente al realizar la medicion de campo con elmotor acoplado y al aplicar una fuerza externa, en este casocon la mano, se puede observar que el campo aumenta desdeun valor estacionario de 1 [mG] hasta alcanzar un valormaximo de 155.7 [mG] en movimiento; pero al transcurrirun tiempo de 3[s] el campo vuelve a su estado estacionario ode estabilidad.

Por ultimo en la prueba de medicion de velocidad, cuyosvalores se presentan en la tabla VI, se puedo observar que alaplicar una fuerza inicial en el eje, se genera una velocidad

inicial directamente proporcional a la fuerza aplicada con lamano tal como se observa en la figura 31 (Variacion del torqueen el motor), pero con el transcurso de un tiempo de 3[s] elrotor siempre tiende a detenerse, llegando a una velocidadfinal igual a cero. A medida que se aplica una fuerza mayor,los resultados muestran que el valor de velocidad maximoalcanzado fue de 27.9 [RPM] ejerciendo una fuerza de 65[Kgf] como se observa en la figura 30 (Medicion de velocidad)y en la tabla VI.

Figura 31. Variacion del torque en el motor.

VII. EVALUACION DE LOS RESULTADOS PRACTICOS ENRELACION CON LOS TEORICOS

Una vez analizados los resultados practicos se hace necesa-rio realizar una comparacion con los resultados teoricos. Paraesto se comparan los datos obtenidos durante el desarrollo delas simulaciones.

Durante el desarrollo de este proyecto se realizaron simu-laciones en el programa COMSOL, a partir de un modelocercano del motor de imanes permanentes del prototipo cons-truido. Como resultados se obtuvieron, que el campo magneti-co en el rotor y en el estator se sectoriza en la parte centraldel estator lo cual hacıa que las fuerzas siempre tendierana estabilizarse tal como se puede observar en las figuras 32(Campo magnetico), 33 (Lıneas de campo magnetico) y 34(Vectores de campo magnetico).

Figura 32. Campo magnetico.

Figura 33. Lıneas de campo magnetico.

Figura 34. Vectores de campo magnetico.

De igual forma las simulaciones dieron como resultadoque al aplicar un torque de 18 [Kgf], este motor adquirıauna velocidad inicial y tras algunas fluctuaciones durante unintervalo de tiempo de 5[s] este siempre tiende a detenerse,este comportamiento se presenta en la figura 35 (Variacion deltorque respecto al tiempo).

Figura 35. Variacion del torque respecto al tiempo.

Al comparar los resultados presentados con los obtenidos enla practica, los cuales se describen durante el desarrollo de esteproyecto, se comprueba que los resultados son muy similares.Un ejemplo claro es el campo medido con las pinzas, en dondese puede evidenciar que el campo en promedio es de 1.3 [mG],debido a las fuerzas magneticas que hacen que estas tiendana estabilizarse.

En cuanto a la velocidad, el comportamiento es muy similarsi se comparan las graficas de las figuras 31 (Variaciondel torque en el motor) y 35 (Variacion Torque respecto alTiempo). Haciendo un analisis comparativo se puede observarcomo el dispositivo simulado como el practico adquieren unavelocidad inicial, realizan una pequena fluctuacion y en unlapso de tiempo en ambos casos de 3[s] siempre tienden adetenersen o a llegar a cero.

Por tal motivo se puede decir que se cumplio con losobjetivos planteados durante la ejecucion del proyecto, ya quese pudo comprobar que los resultados teoricos concuerdan conlos practicos, y por consiguiente se puede decir con absolutacerteza que no es cierto que un dispositivo de este estilo seacapaz de producir un movimiento continuo y mucho menosperpetuo.

VII-A. Consideraciones:

Para futuras investigaciones serıa bueno que se analizaraposibles distribuciones de imanes tanto en el rotor como enel estator, con el objetivo de validar si de alguna de estasse genera un movimiento no permanente, pero si, que tengauna duracion de tiempo mayor y por tanto un velocidad masconstante.

Otro aspecto que se podrıa analizar e implementar paraeste tipo de dispositivos, serıa algun elemento que duranteun intervalo muy corto de tiempo aısle en el entrehierro elcampo magnetico, de tal forma que entre rotor y estator solose experimente una fuerza ya sea de atraccion o repulsion.

Finalmente este tipo de dispositivos tambien podrıan abor-darse como motores de impulso, para lo cual se hace necesarioel uso de electroimanes y una disposicion similar a la utilizadapara la construccion de nuestro motor u otras disposiciones queel investigador quiera considerar.

VIII. CONCLUSIONES

Se pudo evidenciar que en los espacios que quedanentre imanes tanto del rotor como del estator, tambiense produce un efecto de atraccion y repulsion, esto comosi entre estos espacios vacıos se ubicaran imanes.Sin importar la fuerza inicial que se aplique al eje paraproducir movimiento en el rotor, este siempre tiende adetenerse despues de un corto instante de tiempo, debidoa las fuerzas de atraccion y repulsion que crean losimanes; por tal motivo esto hace que siempre busquenun punto de equilibrio y el motor se detenga.Se puede indicar que no es posible la generacion deun movimiento perpetuo para la configuracion de motorde imanes permanentes (Motor de Muammer Yildiz),aunque como indica el artıculo “Interaccion de imanespermanentes para generar movimientos mecanicos noconvencionales” hay distintas tipos de motores de imanespermanentes.Basado en la investigacion realizada, se puede decir quelos principios fısicos de la termodinamica se puedenaplicar perfectamente para este tipo de dispositivos, yaque segun el ciclo de Carnot y la maquina de calor, laenergıa que entra a un sistema, es aproximadamente lamisma que sale sumando las perdidas durante el proceso.Realizar una investigacion utilizando programas compu-tacionales es de una gran ayuda, ya que al realizar laconstruccion del motor de imanes permanentes que seestudio previamente mediante el programa COMSOL, seobtuvieron resultados muy similares.

REFERENCIAS

[1] G. Troy, “Magnetic motor,” september 1990. Patent.[2] W. Ho Shum, “An energy machine,” March 1991. Patent.[3] J. Bedini, “Device and method of a back emf permanent electromagnetic

motor generator.,” May 2000. Patent.[4] B. Li, G. Li, and H. Li, “Magnetic field analysis of 3-dof permanent

magnetic spherical motor using magnetic equivalent circuit method,”IEEE Transactions on Magnetics, vol. 47, no. 8, pp. 2127–2133, 2011.

[5] W. Fengxiang, W. Jiqiang, K. Zhiguo, and Z. Fengee, “Radial and axialforce calculation of bldc motor with passive magnetic bearing,” IEEETransactions on Magnetics, vol. 1, pp. 290–293, 2004.

[6] T. Tezuka, N. Kurita, and T. Ishikawa, “Design and simulation of afive degrees of freedom active control magnetic levitated motor,” IEEETransactions on Magnetics, vol. 49, no. 5, pp. 2257–2262, 2013.

[7] A. A, Ali, D. V, F. J, D. B, and R. A, “Modelling of surface-mountedpermanent magnet synchronous machines with stator faults,” in The 30thAnnual Conference of the IEEE Industrial ElectroniCS Society., 2004.

[8] D. Saban, C. Bailey, K. Brun, and D. Lopez, “Test procedures forhigh-speed, multi-megawatt permanent-magnet synchronous machines,”in BEYOND IEEE STD 115 & API 546., 2009.

[9] H. Johnson, “Amazing magnet-powered motor,” February 1956.Patent.[10] M. Yildiz, “Device having an arrangement of magnets.,” August

2010.Patent.[11] J. L. F. Ruiz., “¿energıa libre? motor magnetico impulsado por imanes

permanentes,” 2017.