Construcción del Motor de imanes permanentes de
Muammer Yildiz
Jerson C. Rodrı́guez M
jersonc_92@hotmail.com
Faiber A. Dı́az S.
ingfad@hotmail.com
Dora M. Martı́nez C.
dmmartinezc@udistrital.edu.co
Ingenierı́a Eléctrica por ciclos Propedéuticos
Facultad Tecnológica
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Bogotá D.C., Colombia
Resumen—Este artı́culo presenta la investigación y construcción realizada de un motor de imanes permanentes, a partir
de la patente de Muammer Yildiz y del artı́culo “Interacción
de imanes permanentes para generar movimientos mecánicos no
convencionales”.
A continuación, se describen las partes que componen el motor
con las dimensiones y el cuadro de costos, en el cual se indica
la relación del precio de las piezas por unidad y su conjunto,
luego se presenta la estructura y distribución de las partes que
componen el motor de Muammer Yildiz, adicionalmente se tiene
en cuenta los materiales que se utilizaron de forma indirecta
para la construcción del motor, para ası́ llegar al precio final de
montaje del motor.
Posteriormente se presenta un instructivo explicativo del paso
a paso para la construcción del motor, en el cual se muestra
como se acopla cada pieza en el motor. Se muestran el registro
de los datos recolectados durante las pruebas de laboratorio,
antes de ensamblar el rotor y estator y después de finalizada
la construcción del motor. A partir de lo anterior se mostrará
la comparación de los resultados teóricos con los resultados
prácticos obtenidos durante las pruebas de laboratorio.
Finalmente se desarrollan las conclusiones resultado del cumplimiento de los objetivos que se trazaron en el proyecto.
Abstract— This article presents the research and construction of a
permanent magnet motor, based on Muammer Yildiz’s patent and the
article Interaction of permanent magnets to generate non-conventional
mechanical movements”.
Next, the parts that make up the engine with the dimensions and
the cost table are described, in which the relation of the price of
the pieces per unit and its set is indicated, then the structure and
distribution of the parts that compose it are presented. In addition,
the engine of Muammer Yildiz takes into account the materials that
were used indirectly for the construction of the engine, in order to
reach 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 each
piece is fitted in the engine. The record of the data collected during
the laboratory tests is shown, before assembling the rotor and stator
and after the construction of the motor has been completed. Based on
the above, the comparison of the theoretical results with the practical
results obtained during the laboratory tests will be shown.
Finally the conclusions result of the fulfillment of the objectives
that were drawn in the project.
I.
I NTRODUCCI ÓN
Los campos magnéticos permanentes se han convertido en
objeto de estudio en la actualidad por sus usos en distintas
áreas, en las cuales se ha podido comprobar ciertos patrones
de desempeño y utilidad. Algunos de estos resultados, y las
aplicaciones que ellos han mostrado, proporcionan un punto
de partida para el desarrollo de esta investigación.
Uno de los campos de aplicación documentados es el de
la construcción de motores magnéticos que se basan en los
principios de atracción y repulsión magnética. Un ejemplo
estudiado se puede apreciar en una patente asignada en 1990
[1], en la que se presenta un dispositivo motórico que en
su diseño tiene una gran similitud con los motores de los
automóviles, puesto que se soporta con un bloque de pistones,
con la diferencia que para generar el movimiento no es
necesario la utilización de energı́as fósiles, sino que utiliza
la interacción de fuerzas magnéticas.
Otro dispositivo similar que se ha desarrollado, documentado y patentado, es un generador de electricidad a través de
un sistema conformado por una interacción motor magnéticogenerador [2]. La patente propuesta por Bedini [3] emplea una
estructura soportada con circuitos electrónicos, lo que permite
algún grado de almacenamiento de la energı́a generada, que
posteriormente se utiliza en el mismo sistema.
Para lograr que dichos mecanismos motóricos sean más
eficientes, algunos investigadores han propuesto un método
computacional llamado MEC (Magnetic Equivalent Circuits),
que opera con 3 DOF (grados de libertad) [4]. Éste sistema tiene como principio buscar la forma en que el campo magnético
se aproveche más eficazmente, observando que para lograr este
objetivo es necesario ubicar a los imanes en una configuración
circular.
Otro campo que se ha venido trabajando es en el reemplazo
de las escobillas o cojinetes, que son parte fundamental de
algunos tipos de motores electromagnéticos. El cambio se hace
por imanes de campos permanentes que son ubicados de forma
radial y axial [5], los cuales permiten que se presente una
interacción rotor-estátor de tal forma que se comporten como
un sistema de levitación magnética, reduciendo de esta manera
las pérdidas por rozamiento. Éste tipo de sistemas generan una
estructura mecánica con hasta 5 DOF (grados de libertad) [6],
y son analizados mediante modelos computacionales.
Por otra parte, la adopción del uso de los imanes de campos
permanentes se esta convirtiendo en una alternativa en los
motores sincrónicos. Esto es debido a que gracias a ellos se
puede mejorar la potencia, eficiencia y velocidad, y se evita
que se presenten fallas por corto circuito en el estátor [7].
Esto permite que la aplicación de este tipo de motores se
lleve a cabo por ejemplo en vı́as ferroviarias, excavaciones
petrolı́feras [8], y en la generación de electricidad, campos en
los cuales se mejora considerablemente el rendimiento.
Un modelo de motor magnético es el diseñado por Howard
Jonhnson, el cual esta compuesto por un rotor exterior en
el que se ubican tres pares de imanes permanentes con
forma ovalada, cuya distribución es de forma simétrica que
se consigue con una unión mecánica entre los mismos. Los
imanes permanentes del estator mantienen una distancia entre
ellos que no es constante, y varı́a a lo largo de la circunferencia
[9]. Por otra parte, en la patente de Muammer Yildiz se
presenta una máquina que consiste en un rotor giratorio y dos
estatores, uno interior y otro exterior. Entre ambos estatores se
sitúa el rotor y además se encuentran constituidos por imanes
permanentes [10].
Un campo de investigación en el que se ha estado trabajando, es en el de la comprobación de funcionamiento de
algunos de los dispositivos mencionados. Un ejemplo de esto
es la tesis de maestrı́a del centro de investigación en materiales
avanzados de México, en donde se realizó el análisis de tres
patentes de imanes permanentes, a través del método de sistemas estacionarios del programa COMSOL y la comprobación
matemática de la suma de fuerzas entre los imanes del rotor y
estator, obteniendo como resultado una suma de fuerzas igual a
cero, lo que les lleva a concluir que los dispositivos estudiados
no son capaces de generar un movimiento continuo [11].
II.
PARTES DE LA PATENTE ESTUDIADA
El dispositivo que desarrolla Muammer Yildiz se encuentra
referenciado con el número de patente EP2153515 A2, en
Alemania el 12 de febrero de 2009. Se conoce con el nombre
de Dispositif avec un agencement d’aimants (Dispositivo con
una disposición de imanes)[10].
Este motor consta de un rotor y dos estatores. Estas partes
del dispositivo están constituidas por imanes permanentes, que
según el documento al realizar el proceso natural de atracción
y repulsión son capaces de generar movimiento en el rotor.
Según lo anterior el motor está conformado por las partes
que se muestran en la figura 1 (Vista superior motor), en
la cual se indican los elementos principales que permiten el
funcionamiento del motor:
Figura 1.
II-A.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Vista superior motor.
Partes:
Rotor.
Estator interno.
Estator externo.
Dispositivo de sujeción.
Eje.
Imanes del estator externo.
Imanes del rotor.
Imanes del estator interno.
Marco.
Tornillo.
Rodamientos.
Núcleo del estator interno.
Tapa del extremo del rotor.
Imanes.
III.
PARTES DEL MOTOR CONSTRUIDO
En las figuras 2 (Vista frontal del Motor) y 3 (Vista de
Rotor), se muestran las partes que componen el motor; estas
se diseñaron con la ayuda del programa Solidworks 2014.
Para su fácil identificación se realizó una enumeración que
va del uno al nueve, con el objetivo de que el lector comprenda
de forma clara el diseño utilizado y la distribución de las
partes:
Figura 2.
Vista frontal del Motor.
Figura 3.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
III-A.
Figura 4.
Radios de estator, rodamiento y eje.
Figura 5.
Vista frontal de montaje con estator.
Vista de Rotor.
Base.
Soporte lateral.
Estator.
Rodamiento.
Palanca de empuje.
Eje.
Tapas laterales del rotor.
Imanes.
Rotor.
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 (Dimensiones
del rotor) y 10 (Dimensión de los imanes) se presentan las
dimensiones definidas para la construcción del motor. Para
esto se empleo la ayuda del programa Solidworks, con el cual
se realizó el diseño y distribución del prototipo. Estas son de
vital importancia, ya que son las que nos permiten realizar la
construcción de forma exacta y además nos garantiza que los
materiales a utilizar puedan ser adquiridos con exactitud.
Figura 6.
Vista lateral.
Figura 10.
Figura 7.
Vista superior.
IV.
Dimensión de los imanes.
C UADRO DE COSTOS DE MATERIALES
En la tabla I, se presenta una descripción de los materiales
que se utilizaron de forma directa, los cuales hacen referencia
a aquellos que son tangibles al motor y los de forma indirecta
que hacen referencia a elementos de apoyo para su construcción. Para ello se requirió de un presupuesto de $ 271.000,
los cuales salieron de recursos propios.
Figura 8.
Figura 9.
Vista de montaje del rotor.
Dimensiones del rotor.
Tabla I
V.
INSTRUCTIVO DE ENSAMBLE DEL MOTOR
A continuación se presenta un instructivo de ensamble
de las piezas que conforman el motor magnético. Para esto
se mostrará mediante imágenes descriptivas y la tabla II el
proceso realizado durante la construcción.
Figura 11.
Estator.
Figura 12.
Rotor.
Tabla II
Una vez adquiridos los materiales referenciados en la tabla
II, y el diseño definitivo del motor, se procedió con el ensamble
y montaje de piezas, tal como se describirá a continuación:
Paso 1: Apertura de agujeros de las piezas c y g para
instalación de imanes; para lo cual se debe tener en cuenta
que en la pieza c la apertura se hace de forma lineal con un
espacio entre agujeros de 2.5 cm sumando un total de 5 imanes
por lı́nea, las cuales suman un total de 8, con un espacio entre
ellas de 4 cm, con lo cual se obtiene un total de 40 imanes que
conforman la pieza c. Por otra parte en la pieza g la apertura
se hace de forma diagonal con un ángulo de α = 39◦ y un
total de 5 agujeros por lı́nea con una separación entre ellos de
2.5 cm, lo cual suma por lı́nea 5 imanes; la separación entre
lı́neas en la pieza g tienen una separación de 4 cm sumando un
total de 6 lı́nes, que finalmente suman un total de 30 imanes
en la pieza g. Como se muestra en las figuras 11 (estator) y
12 (rotor).
Paso 2: Acople entre las piezas g y h que conforman el rotor
y que son necesarias para acoplar al eje. Como se observa en
las figuras 12 (rotor) y 13 (tapas laterales) lo cual da como
resultado la pieza que se muestra en la figura 14 (acople entre
tapas laterales y rotor).
Figura 13.
Tapas laterales
Figura 17.
Acople de rodamientos en laterales.
Paso 5: En la figura 18 (montaje del motor magnético) se
presenta el acople final del motor.
Figura 14.
Acople entre tapas laterales y rotor.
Paso 3: Acople entre las piezas e y d que se evidencia en la
figura 15 (acople entre palanca de impulso y eje), las cuales
se acoplan a las piezas mostradas en el paso 2 y que nos
dará como resultado la pieza que se muestra en la figura. 16
(montaje final del rotor).
Figura 18.
VI.
Montaje del motor magnético.
P RUEBAS DE LABORATORIO
Finalizada la construcción del motor que se muestra en la
figura 19 (Motor Construido).
Figura 15.
Acople entre palanca de impulso y eje.
Figura 19.
Figura 16.
Montaje final del rotor.
Paso 4: Acople entre las piezas b y f que se muestran en la
figura 17 (acople de rodamientos en laterales), las cuales nos
permite acoplar el rotor y estator.
Motor Construido.
Se procedió con las pruebas de laboratorio, con el objetivo
de comprobar el funcionamiento que describe el dispositivo
construido. Para esto, como primera medida se realizó la
medición de campo magnético con las pinzas EXTECH EMF
TESTER 480826 Y EXTECH EMF Meter 480836, las cuales
nos 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 realizó sin que las
partes estén acopladas, ya que nos facilitó la medición con los
equipos. Los resultados obtenidos se presentan en las tablas a
continuación.
VI-A.
Tabla de datos:
En la tabla III, se muestran los resultados obtenidos con las
pinzas en el estator, para ello se tomaron mediciones en los
ejes X, Y, Z y XYZ. Esta medición se puede observar en la
figura 20 (Medición de Campo en el Estator).
De igual forma en la tabla IV, se presentan los resultados de
las mediciones que se obtuvieron en el rotor, para ello los datos
fueron tomados en los ejes X, Y, Z y XYZ. Esta medición se
puede observar en la figura 21 (Medición de Campo en el
Rotor).
Tabla IV
Tabla III
Figura 21.
Figura 20.
Medición de Campo en el Estator.
Medición de Campo en el Rotor.
Finalmente en la tabla V, se presentan los datos de la unión
entre rotor y estator, que son los que al final conforman el
motor magnético. Esta medición se presenta en la figura 22
(Medición de Campo en Rotor-Estator).
Figura 24.
Medición de Campo motor.
Figura 25.
Medición de Campo motor.
Figura 26.
Medición de Campo motor.
Tabla V
Figura 22.
Medición de Campo en Rotor-Estator.
Otra prueba que se realizó, fue la medición de campo
estando el motor armado obteniendo los resultados que se
indican en las figuras 23, 24, 25 y 26 (Medición de Campo
motor).
VI-B.
Medición de velocidad alcanzada por el motor:
Al igual que la medición de campo, también se realizó la
medición de velocidad. Para esto se hizo uso de un tacómetro
con el cual se obtuvieron los resultados que se presentan en
la tabla VI.
Figura 23.
Medición de Campo motor.
Tabla VI
Las fuerzas que se presentan en la tabla VI, hace referencia
a aquellas que se pueden aplicar con la mano y la cual es la que
causa que se presenten, las velocidades iniciales mostradas.
A continuación en las figuras 27, 28, 29 y 30 (Medición de
velocidad) se presentan las mediciones tomadas.
Figura 30.
VI-C.
Figura 27.
Medición de velocidad.
Figura 28.
Medición de velocidad.
Figura 29.
Medición de velocidad.
Medición de velocidad.
Análisis de datos recolectados:
Como se pudo observar, se realizaron dos pruebas al motor,
estas permitieron obtener los resultados ya presentados y
además llevaron a realizar el siguiente análisis:
El campo magnético obtenido en el estator, medido a través
de 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 un
rango de 5.8 a 6.4 [mG], que al sacar un promedio se obtiene
un valor de campo de 6.16 [mG]. Realizando el mismo análisis
para 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, se
encuentra un valor promedio de 1.395 [mG]. Comparando este
último resultado con el encontrado a tráves de simulaciones
en el programa COMSOL, se observa que el campo en el
simulador es de 1.8 [mG], comprobando que tanto el campo
obtenido de manera práctica como el teórico, no alcanzan una
capacidad considerable que permita que el campo total del
estator sea capaz de ejercer un efecto de repulsión al rotor, y
que como resultado genere movimiento.
En el rotor al realizar el mismo análisis de campo magnético
en los diferentes ejes, se observa que en el eje X el valor
promedio de campo magnético es de 5.62 [mG], en el eje
Y de 0.38 [mG] y en el eje Z de 3.36 [mG]. Con relación
a la medición de los tres ejes XYZ, el valor promedio que
se alcanza es de 2.021 [mG]. Al analizar los resultados y
compararlos con los de la simulación en COMSOL, en el cual
se obtuvo un valor de 2.1 [mG], se encutra que la variación
no es considerable y que el campo magnético producido por
el rotor no es representativo como para ejercer una repulsión
al estator, sino que tanto el campo del rotor como del estator
tienden a estabilizarse.
Posteriormente al realizar la medición de campo con el
motor acoplado y al aplicar una fuerza externa, en este caso
con la mano, se puede observar que el campo aumenta desde
un valor estacionario de 1 [mG] hasta alcanzar un valor
máximo de 155.7 [mG] en movimiento; pero al transcurrir
un tiempo de 3[s] el campo vuelve a su estado estacionario o
de estabilidad.
Por último en la prueba de medición de velocidad, cuyos
valores se presentan en la tabla VI, se puedo observar que al
aplicar una fuerza inicial en el eje, se genera una velocidad
inicial directamente proporcional a la fuerza aplicada con la
mano tal como se observa en la figura 31 (Variación del torque
en el motor), pero con el transcurso de un tiempo de 3[s] el
rotor siempre tiende a detenerse, llegando a una velocidad
final igual a cero. A medida que se aplica una fuerza mayor,
los resultados muestran que el valor de velocidad máximo
alcanzado fue de 27.9 [RPM] ejerciendo una fuerza de 65
[Kgf] como se observa en la figura 30 (Medición de velocidad)
y en la tabla VI.
Figura 32.
Figura 31.
VII.
Campo magnético.
Variación del torque en el motor.
E VALUACI ÓN DE LOS RESULTADOS PR ÁCTICOS EN
RELACI ÓN CON LOS TE ÓRICOS
Una vez analizados los resultados prácticos se hace necesario realizar una comparación con los resultados teóricos. Para
esto se comparan los datos obtenidos durante el desarrollo de
las simulaciones.
Durante el desarrollo de este proyecto se realizaron simulaciones en el programa COMSOL, a partir de un modelo
cercano del motor de imanes permanentes del prototipo construido. Como resultados se obtuvieron, que el campo magnético en el rotor y en el estator se sectoriza en la parte central
del estator lo cual hacı́a que las fuerzas siempre tendieran
a estabilizarse tal como se puede observar en las figuras 32
(Campo magnético), 33 (Lı́neas de campo magnético) y 34
(Vectores de campo magnético).
Figura 33.
Figura 34.
Lı́neas de campo magnético.
Vectores de campo magnético.
De igual forma las simulaciones dieron como resultado
que al aplicar un torque de 18 [Kgf], este motor adquirı́a
una velocidad inicial y tras algunas fluctuaciones durante un
intervalo de tiempo de 5[s] este siempre tiende a detenerse,
este comportamiento se presenta en la figura 35 (Variación del
torque respecto al tiempo).
Finalmente este tipo de dispositivos también podrı́an abordarse como motores de impulso, para lo cual se hace necesario
el uso de electroimanes y una disposición similar a la utilizada
para la construcción de nuestro motor u otras disposiciones que
el investigador quiera considerar.
VIII.
Figura 35.
Variación del torque respecto al tiempo.
Al comparar los resultados presentados con los obtenidos en
la práctica, los cuales se describen durante el desarrollo de este
proyecto, se comprueba que los resultados son muy similares.
Un ejemplo claro es el campo medido con las pinzas, en donde
se puede evidenciar que el campo en promedio es de 1.3 [mG],
debido a las fuerzas magnéticas que hacen que estas tiendan
a estabilizarse.
En cuanto a la velocidad, el comportamiento es muy similar
si se comparan las gráficas de las figuras 31 (Variación
del torque en el motor) y 35 (Variación Torque respecto al
Tiempo). Haciendo un análisis comparativo se puede observar
como el dispositivo simulado como el práctico adquieren una
velocidad inicial, realizan una pequeña fluctuación y en un
lapso de tiempo en ambos casos de 3[s] siempre tienden a
detenersen o a llegar a cero.
Por tal motivo se puede decir que se cumplió con los
objetivos planteados durante la ejecución del proyecto, ya que
se pudo comprobar que los resultados teóricos concuerdan con
los prácticos, y por consiguiente se puede decir con absoluta
certeza que no es cierto que un dispositivo de este estilo sea
capaz de producir un movimiento continuo y mucho menos
perpetuo.
VII-A.
Consideraciones:
Para futuras investigaciones serı́a bueno que se analizara
posibles distribuciones de imanes tanto en el rotor como en
el estator, con el objetivo de validar si de alguna de estas
se genera un movimiento no permanente, pero si, que tenga
una duración de tiempo mayor y por tanto un velocidad más
constante.
Otro aspecto que se podrı́a analizar e implementar para
este tipo de dispositivos, serı́a algún elemento que durante
un intervalo muy corto de tiempo aı́sle en el entrehierro el
campo magnético, de tal forma que entre rotor y estator solo
se experimente una fuerza ya sea de atracción o repulsión.
C ONCLUSIONES
Se pudo evidenciar que en los espacios que quedan
entre imanes tanto del rotor como del estator, también
se produce un efecto de atracción y repulsión, esto como
si entre estos espacios vacı́os se ubicaran imanes.
Sin importar la fuerza inicial que se aplique al eje para
producir movimiento en el rotor, este siempre tiende a
detenerse después de un corto instante de tiempo, debido
a las fuerzas de atracción y repulsión que crean los
imanes; por tal motivo esto hace que siempre busquen
un punto de equilibrio y el motor se detenga.
Se puede indicar que no es posible la generación de
un movimiento perpetuo para la configuración de motor
de imanes permanentes (Motor de Muammer Yildiz),
aunque como indica el artı́culo “Interacción de imanes
permanentes para generar movimientos mecánicos no
convencionales” hay distintas tipos de motores de imanes
permanentes.
Basado en la investigación realizada, se puede decir que
los principios fı́sicos de la termodinámica se pueden
aplicar perfectamente para este tipo de dispositivos, ya
que según el ciclo de Carnot y la máquina de calor, la
energı́a que entra a un sistema, es aproximadamente la
misma que sale sumando las pérdidas durante el proceso.
Realizar una investigación utilizando programas computacionales es de una gran ayuda, ya que al realizar la
construcción del motor de imanes permanentes que se
estudió previamente mediante el programa COMSOL, se
obtuvieron resultados muy similares.
R EFERENCIAS
[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 axial
force calculation of bldc motor with passive magnetic bearing,” IEEE
Transactions on Magnetics, vol. 1, pp. 290–293, 2004.
[6] T. Tezuka, N. Kurita, and T. Ishikawa, “Design and simulation of a
five degrees of freedom active control magnetic levitated motor,” IEEE
Transactions 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-mounted
permanent magnet synchronous machines with stator faults,” in The 30th
Annual Conference of the IEEE Industrial ElectroniCS Society., 2004.
[8] D. Saban, C. Bailey, K. Brun, and D. Lopez, “Test procedures for
high-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., “¿energı́a libre? motor magnético impulsado por imanes
permanentes,” 2017.