Un magneto es un generador eléctrico que utiliza imanes permanentes para producir pulsos periódicos de corriente alterna . A diferencia de un dinamo , un magneto no contiene un conmutador para producir corriente continua . Se clasifica como una forma de alternador , aunque generalmente se lo considera distinto de la mayoría de los demás alternadores, que utilizan bobinas de campo en lugar de imanes permanentes.
Los generadores de magnetos accionados manualmente se utilizaban para proporcionar corriente de llamada en los sistemas telefónicos . Los magnetos también se adaptaron para producir pulsos de alto voltaje en los sistemas de encendido de algunos motores de combustión interna alimentados con gasolina para proporcionar energía a las bujías . [1] El uso de estos magnetos de encendido para el encendido ahora se limita principalmente a los motores sin un sistema eléctrico de bajo voltaje, como cortadoras de césped y motosierras , y a los motores de aeronaves , en los que mantener el encendido independiente del resto del sistema eléctrico garantiza que el motor continúe funcionando en caso de falla del alternador o la batería. Para redundancia, prácticamente todas las aeronaves con motor de pistón están equipadas con dos sistemas de magnetos, cada uno de los cuales suministra energía a una de las dos bujías de cada cilindro.
Los magnetos se utilizaban para sistemas eléctricos aislados especializados, como los sistemas de lámparas de arco o los faros , para los que su simplicidad era una ventaja. Nunca se han utilizado ampliamente para la generación de electricidad en masa , con los mismos fines o en la misma medida que los dinamos o los alternadores. Solo se han utilizado para la generación de energía en unos pocos casos especializados.
La producción de corriente eléctrica a partir de un campo magnético en movimiento fue demostrada por Faraday en 1831. Las primeras máquinas que producían corriente eléctrica a partir del magnetismo utilizaban imanes permanentes; la máquina dinamo , que utilizaba un electroimán para producir el campo magnético, fue desarrollada más tarde. La máquina construida por Hippolyte Pixii en 1832 utilizaba un imán permanente giratorio para inducir voltaje alterno en dos bobinas fijas. [2]
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La primera máquina eléctrica utilizada para un proceso industrial fue un magneto, el generador eléctrico Woolrich . [3] En 1842, John Stephen Woolrich obtuvo la patente británica 9431 para el uso de un generador eléctrico en galvanoplastia , en lugar de baterías. Se construyó una máquina en 1844 y se otorgó licencia para su uso a Elkington Works en Birmingham . [4] Dicha galvanoplastia se expandió hasta convertirse en un aspecto importante de la industria del juguete de Birmingham , la fabricación de botones, hebillas y pequeños artículos metálicos similares.
La máquina que sobrevivió tiene un campo aplicado de cuatro imanes de herradura con campos axiales. El rotor tiene diez bobinas axiales. La galvanoplastia requiere CC, por lo que el magneto de CA habitual no funciona. La máquina de Woolrich, inusualmente, tiene un conmutador para rectificar su salida a CC.
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La mayoría de los primeros dinamos eran bipolares [nota 1] y, por lo tanto, su salida variaba cíclicamente a medida que la armadura giraba más allá de los dos polos.
Para lograr una potencia de salida adecuada, los generadores de magnetos utilizaban muchos más polos; normalmente dieciséis, de ocho imanes de herradura dispuestos en un anillo. Como el flujo disponible estaba limitado por la metalurgia del imán, la única opción era aumentar el campo utilizando más imanes. Como esta seguía siendo una potencia insuficiente, se apilaron discos de rotor adicionales axialmente , a lo largo del eje. Esto tenía la ventaja de que cada disco de rotor podía al menos compartir el flujo de dos imanes costosos. La máquina ilustrada aquí utiliza ocho discos y nueve filas de imanes: 72 imanes en total.
Los primeros rotores utilizados se enrollaban en dieciséis bobinas axiales, una por polo. En comparación con la dinamo bipolar, esta tenía la ventaja de tener más polos, lo que daba una salida más uniforme por rotación, [nota 2] lo que era una ventaja a la hora de accionar lámparas de arco. De este modo, los magnetos se ganaron un pequeño nicho como generadores de iluminación.
El ingeniero eléctrico belga Floris Nollet (1794-1853) se hizo especialmente conocido por este tipo de generadores de arco eléctrico y fundó la empresa franco-británica Société de l'Alliance para fabricarlos.
El ingeniero francés Auguste de Méritens (1834-1898) desarrolló aún más los magnetos para este propósito. [5] Su innovación fue reemplazar las bobinas del rotor que antes se enrollaban en bobinas individuales, con una armadura de "bobinado en anillo". [6] Estos devanados se colocaron sobre un núcleo de hierro segmentado, similar a un anillo de Gramme , de modo de formar un único aro continuo. Esto dio una corriente de salida más uniforme, lo que era aún más ventajoso para las lámparas de arco. [7]
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Hoy en día, a De Méritens se lo recuerda sobre todo por su producción de generadores de magnetos específicamente para faros. Estos eran apreciados por su simplicidad y fiabilidad, en particular por no tener conmutadores. [7] En el aire marino de un faro, el conmutador que se había utilizado anteriormente con los generadores de dinamo era una fuente continua de problemas. Los fareros de la época, normalmente marineros semi-retirados, no tenían la suficiente habilidad mecánica o eléctrica para mantener estas máquinas más complejas.
El magnetogenerador de Méritens ilustrado muestra la armadura de "enrollado en anillo". Como ahora solo hay un disco de rotor, cada imán de herradura consta de una pila de imanes individuales, pero actúa a través de un par de piezas polares .
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Tanto los dinamos como los alternadores necesitaban una fuente de energía para accionar sus bobinas de campo, que no podía ser suministrada por la salida de su propio generador sin algún proceso de " arranque ".
Henry Wilde , un ingeniero eléctrico de Manchester, Inglaterra, desarrolló una combinación de magneto y generador de electroimán, donde el magneto se usaba solo para suministrar el campo al alternador más grande. Estos se ilustran en la obra de Rankin Kennedy, Instalaciones eléctricas [8]. Kennedy mismo desarrolló una versión más simple de esto, destinada al uso de iluminación en barcos, donde un dinamo y un magneto se ensamblaban en el mismo eje. [9] La innovación de Kennedy aquí fue evitar la necesidad de un engranaje de escobillas en absoluto. La corriente generada en el magneto se transmite por cables unidos al eje giratorio a la bobina de campo giratoria del dinamo. La salida del dinamo luego se toma de las bobinas del estator. Esto es "de adentro hacia afuera" en comparación con el dinamo convencional, pero evita la necesidad de un engranaje de escobillas.
La invención del campo autoexcitado por Varley , Siemens y Wheatstone eliminó la necesidad de un excitador magnético. Un pequeño campo residual en la armadura de hierro de las bobinas de campo actuó como un imán permanente débil y, por lo tanto, como un magneto. El cableado en derivación del generador devuelve parte de su corriente de salida a las bobinas de campo, lo que a su vez aumenta la salida. Debido a esto, el campo se "acumula" de manera regenerativa, aunque esto puede llevar entre 20 y 30 segundos para que se complete. [10]
El uso de magnetos en este tipo de motores ya no es habitual, aunque todavía se utilizan excitadores independientes para grupos electrógenos de alta potencia, ya que permiten un control más sencillo de la potencia de salida. Son especialmente habituales en las transmisiones de locomotoras diésel-eléctricas .
Los magnetos tienen ventajas de simplicidad y confiabilidad, pero su tamaño es limitado debido al flujo magnético disponible de sus imanes permanentes. La excitación fija de un magneto dificultaba el control de su voltaje terminal o la producción de potencia reactiva cuando funcionaba en una red sincronizada. Esto restringía su uso para aplicaciones de alta potencia. Los magnetos de generación de energía se limitaban a campos estrechos, como el suministro de energía a lámparas de arco o faros, donde sus características particulares de estabilidad de salida o confiabilidad simple eran más valoradas.
Las pequeñas turbinas eólicas , en particular los diseños de construcción propia, están adoptando ampliamente los alternadores magneto para la generación. [11] [12] Los generadores utilizan imanes de tierras raras de neodimio giratorios con un estator trifásico y un rectificador de puente para producir corriente continua (CC). Esta corriente bombea agua directamente, se almacena en baterías o impulsa un inversor de red que puede suministrar la red eléctrica comercial . Un diseño típico es un generador de flujo axial reciclado a partir de un disco de freno de automóvil y un cojinete de cubo. Un puntal MacPherson proporciona el cojinete acimutal para llevar la turbina hacia el viento. [13] El disco de freno, con sus imanes de tierras raras adjuntos, gira para formar la armadura. Un disco de madera contrachapada que lleva múltiples bobinas axiales se coloca a lo largo de este, con un anillo de armadura de hierro detrás.
En tamaños grandes, desde 100 kW hasta MW, las máquinas desarrolladas para turbinas eólicas modernas se denominan generadores síncronos de imanes permanentes . [14]
Un uso popular y común de los magnetos en la actualidad es para alimentar luces y dispositivos alimentados por USB en bicicletas. Lo más común es un magneto pequeño, llamado dinamo de botella , que se frota contra el neumático de la bicicleta y genera energía a medida que la rueda gira. Más caro y menos común, pero más eficiente, es el dinamo de buje , que hace girar imanes de neodimio alrededor de una bobina de cobre en una jaula de garras dentro del buje de una rueda. Comúnmente conocidos como dinamos , ambos dispositivos son de hecho magnetos, que producen corriente alterna en lugar de la corriente continua producida por un dinamo verdadero .
El magneto también tuvo una aplicación médica para el tratamiento de enfermedades mentales en los inicios de la electromedicina . En 1850, Duchenne de Boulogne , un médico francés, desarrolló y fabricó un magneto con un voltaje exterior y una frecuencia variables, mediante la variación de las revoluciones a mano o variando la inductancia de las dos bobinas, para experimentos clínicos en neurología .
Los magnetos adaptados para producir impulsos de alto voltaje para las bujías se utilizan en los sistemas de encendido de los motores de pistón de encendido por chispa. Los magnetos se utilizan en los motores de pistón de las aeronaves por su fiabilidad y simplicidad, a menudo en pares. Los vehículos de competición, como las motocicletas y las motos de nieve, pueden utilizar magnetos porque son más ligeros que un sistema de encendido que depende de una batería. Los motores de combustión interna pequeños utilizados para cortadoras de césped, motosierras, bombas portátiles y aplicaciones similares utilizan magnetos por motivos de economía y reducción de peso. Los magnetos no se utilizan en vehículos de carretera que tienen una batería de arranque, que pueden necesitar un mayor control de la sincronización del encendido del que puede proporcionar un sistema de magnetos, aunque los controladores de estado sólido sofisticados son cada vez más comunes.
Los teléfonos manuales para el servicio de estaciones de batería locales en centrales magnetoeléctricas estaban equipados con un generador magneto accionado manualmente para producir un voltaje alterno para alertar al operador de la oficina central o para hacer sonar los timbres de otros teléfonos en la misma línea (participante) .
El desarrollo de los modernos imanes de tierras raras hace que el alternador magneto simple sea una propuesta más práctica como generador de energía, ya que estos permiten una intensidad de campo mucho mayor. Como los imanes son compactos y livianos, generalmente forman el rotor, por lo que los devanados de salida se pueden colocar en el estator, evitando la necesidad de escobillas. [ cita requerida ]
A finales de los años 1980, los avances en materiales magnéticos como el samario-cobalto , un tipo temprano de tierras raras, permitieron utilizar alternadores de imán permanente en aplicaciones que requieren un generador extremadamente robusto. En misiles guiados , estos generadores pueden reemplazar a un alternador de conmutación de flujo . [15] Estos deben funcionar a altas velocidades, acoplados directamente a una turbina. Ambos tipos comparten la ventaja de que las bobinas de salida son parte del estator, evitando así la necesidad de escobillas.
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