Simulación de un Generador de Corriente Alterna por Elementos Finitos.

Animación 2D.

En este apartado se describe un procedimiento que le permitirá obtener una animación de un Generador de Corriente Alterna simulado por Elementos Finitos con FEMM.

Empezamos abriendo el fichero FEMM que pretendemos animar.

Crearemos un grupo ( group ) con los componentes del rotor, para lo que seleccionaremos sus componentes uno a uno, e indicaremos el mismo valor para el campo "In Group" en el cuadro de diálogo "Properties of the selected Block". Esto nos permitirá seleccionar el rotor dentro de un fichero Lua Script ( acgen.lua ). En este caso al rotor le he asignado el grupo "1".

El fichero Lua es animation.lua.

La idea consiste en crear un bucle que guarde la imagen de la simulación a medida que va girando el rotor.

Ajustaremos la ventana del FEMM al area que queremos ver en la animación, y abriremos el fichero Lua, mediante la opción "Open Lua Script" del menú "File".

Esperaremos un momemto, mientras se realizan las simulaciones y se guardan las imagenes.

Si todo es correcto, ahora ya tenemos una serie de ficheros BMP: acgen_0.bmp, acgen_18.bmp, acgen_36.bmp, etc... Que podemos convertir facilmente a GIF utilizando el software gratuido IrfanView o Gimp.

En cuanto tenemos los ficheros en formato GIF, sólo nos queda juntarlos en un gran fichero del mismo formato mediante el Microsoft Gif Animator, que también es gratuito.

Para hacer esto, hacemos una copia del fichero acgen_0.gif y la renombramos acgen.gif.

Abrimos este último fichero con el MS Gif Animator.

Intertamos los restantes ficheros GIF, en el orden correspondiente.

Configuramos la diración de la imagen "Image Duration" a 10 para todas las imágenes, y definimos el bucle de animación "Animation Looping" a repetir para siempre "Repeat Forever".

Ahora ya podemos guardar la animación, que podreis poner en vuestra página web.

Tensión de Salida en Circuito Abierto.

En este otro apartado se presenta un algoritmo que le permitirá determinar la tensión de salida en circuito abierto del generador modelado en FEMM, con la ayuda del lenguaje de programación Lua.

La idea consiste en determinar la tensión inducida aplicando la expresión matemática Vind = N * d Phi / dt. Donde Vind es la tensión inducida en los bobinados del generador, N el número de espiras del bobinado y Phi el flujo magnético a través del bobinado.

El resultado es el siguiente, la tensión inducida respecto del tiempo, Vind(t):

Con este modelo, puedes cambiar las dimensiones y forma de los imanes permanentes del rotor, la dimensiones del generador, la velocidad de rotación, el número de espirar de las bobinas del estator, etc... , y ver como afect a la Tensión Inducida, es decir, a la Tensión de Salida en Circuito Abierto de tu diseño de generador y ajustar el diseño a las especificaciones de tu aplicación.

Por ejemplo:

Cuando he cambiado la forma del rotor por la siguiente:

 

He obtenido una tensión de salida senoidal.

Veamos ahora que ocurre al cambiar las unidades de milímetros a centímetros, incrementar en número de polos del rotor de 2 a 4, incrementar el nº de polos del estator de 2 a 4, incrementar el número de espiras del bobinado a 5000 ( 2 x 2500 ) e incrementar la velocidad de rotación a 5500 rpm. Se ha obtenido un resultado más acorde con lo estamos aconstumbrados.

Es decir una tensión de salida senoidal de 313 V de pico, es decir 220 V eff, aproximadamente.

Aunque la frecuencia es de sólo 18.3 Hz, para cargar una baterías, o bién hacer funcionar unas bombillas o estufas eléctricas de 220 V, ya vale.

De todos modos, para aumentar la frecuencia no ha más que incrementar la velocidad y/o el el número de polo del rotor. Entonces, podemos reducir el número de espiras del bobinado para obtener la misma tensión de salida.

Fuerza de Rotación en Circuito Abierto.

Otro ejemplo de lo que es puede hacer mediante el Análisis por Elementos Finitos. Calcular la Fuerza de Rotación en condiciones de Circuito Abierto, es decir, sin nada conectado a nuestro generador. Esta Fuerza de Rotación en Circuito Abierto es debida a la fuerza de atracción entre los imanes permanentes del rotor y la material ferromagnñetico del estator, ya que la corriente por el bobinado es nula.

Con el tercer modelo de generador se ha obtanido la siguiente gráfica de fuerza en el rotor.

Que ahora también és senoidal, ya que no hay separación entre los imanes permanentes del rotor, y la varación del campo magnético es más suave y constante.

Mediante el Análisis por Elementos Finitos, podemos apreciar los efectos de la modificación de las dimensiones y forma en la fuerza aplicada al rotor, es decir la fuerza necesaria para hacerlo girar para generar dicha tensión salida en circuito abierto. Para obtener la fuerza necesaria para girar un generador con carga no nula, es decir corriente de salida distinta de cero, tendremos que utilizar postprocesado un poco más complicado.

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