La mayoría de las explicaciones sobre un aerogenerador se detienen en las palas. Pero las palas solo deciden cuánta energía está disponible: lo que ocurre con ella lo decide el generador y, en concreto, cómo están dispuestos sus imanes. Esto es una mirada al interior del generador de imanes permanentes que TESUP fabrica para el Atlas y el Magnum, y a la propiedad que determina si una turbina gira con viento flojo o simplemente se queda quieta.
¿Qué es un generador de imanes permanentes?
Un generador de imanes permanentes produce electricidad mediante imanes fijos en lugar de electroimanes que primero hay que excitar. Como el campo magnético está siempre presente, la máquina genera desde la primera vuelta y no necesita corriente de excitación, ni anillos rozantes, ni energía externa para arrancar.
El generador de TESUP es una máquina de imanes permanentes de 24 polos con imanes NdFeB N42 (neodimio-hierro-boro), cada uno de 60 × 25 × 5 mm, niquelados y de forma abombada. Son 24 en total, 180 cm³ de imán, girando dentro de un estátor de 16 cm × 12 cm.
¿Por qué 24 polos y por qué sin multiplicadora?
El número de polos fija la relación entre velocidad de giro y frecuencia de salida. Un generador con pocos polos tiene que girar rápido para ser útil, por eso muchas turbinas colocan una multiplicadora entre el rotor y el generador. Es además el componente con más probabilidad de fallar, el que exige cambios de aceite y el que hace ruido.
Veinticuatro polos dan tensión útil a baja velocidad de giro, de modo que el rotor puede accionar el generador directamente. Sin multiplicadora no hay aceite, no hay desgaste de engranajes y hay un componente menos que pueda agarrotarse en un tejado en febrero.
¿Qué es el par de retención?
El par de retención es la resistencia que se nota al girar a mano un motor de imanes permanentes: esa reticencia a saltos, como si el eje quisiera asentarse en posiciones fijas. La causa es la atracción de los imanes hacia los dientes de acero del estátor. Cada diente es una posición de reposo preferente de la que hay que sacar al rotor.
En un ventilador o una herramienta eléctrica es una molestia menor. En un aerogenerador pequeño es el mayor obstáculo para funcionar con viento flojo, porque el par de retención es un umbral fijo que el viento debe superar antes de que algo se mueva. Por debajo, la producción no es baja: es cero.
Por eso la velocidad de arranque importa mucho más que la potencia nominal en una turbina doméstica. La potencia nominal describe un día de viento. La velocidad de arranque describe todos los demás.
¿Cómo reduce el par de retención inclinar los imanes?
Si cada imán queda exactamente paralelo a los dientes del estátor, los 24 polos alcanzan su pico de atracción en el mismo instante. Esos picos se suman, y el resultado es un impulso fuerte y a saltos que el viento debe vencer en cada paso.
Inclinar significa montar los imanes con un ligero ángulo respecto al eje de giro, de modo que cada imán aborde un diente de forma progresiva en lugar de todo a la vez. Los picos dejan de coincidir: se reparten y se cancelan parcialmente. El par total que produce el generador no cambia; lo que desaparece es el rizado.
TESUP emplea montaje inclinado de los imanes exactamente por esto. Menos par de retención significa un umbral de arranque más bajo, y ese umbral más bajo es lo que permite al Atlas arrancar solo a 2 m/s con su juego de palas para viento suave: aproximadamente un tercio de la velocidad de arranque de un aerogenerador de eje horizontal típico.
La inclinación no sale gratis: reduce ligeramente el flujo concatenado máximo, así que una máquina inclinada cede algo de potencia punta a cambio de arrancar antes. Para una turbina doméstica, donde el viento flojo es lo habitual y el temporal la excepción, es el intercambio correcto.
Por qué el utillaje decide realmente el par de retención
La inclinación solo cancela el par de retención si cada imán se sitúa exactamente donde marca el diseño. La cancelación es un efecto geométrico: 24 imanes, cada uno desfasado un ángulo preciso, para que sus picos de atracción no coincidan en el tiempo. Si los alojamientos de esos imanes varían de un rotor a otro, el ángulo de inclinación varía con ellos: los picos vuelven a alinearse, el par de retención sube y con él la velocidad de viento necesaria para liberar el rotor.
Por eso ±0,05 mm en todos los componentes mecanizados no es un alarde de ficha técnica. Es la tolerancia que exige la física. Un rotor con tolerancias holgadas puede llevar exactamente los mismos imanes, el mismo número de polos y el mismo cobre, y aun así arrancar más tarde.
Mantener esa tolerancia en un prototipo es sencillo. Mantenerla en cada unidad, durante años, es un problema de utillaje. De ahí que esto llegara a nuestra fábrica:
Una herramienta de prensa como esta no se compra por velocidad, aunque sea más rápida. Se compra por repetibilidad. El primer rotor conformado en ella y el diezmilésimo salen del mismo acero, guiados por las mismas columnas, con las mismas dimensiones. Es la única manera de que una cifra de tolerancia signifique algo cuando se fabrica en serie y no de una en una.
También significa un componente más que ya no depende del control de calidad de otro. Nuestras plantas europeas ya producen más de 270 componentes internamente: generadores, tarjetas electrónicas, palas y herrajes de montaje. Cada herramienta que llega alarga esa lista en un punto.
¿Por qué una turbina de en torno a 1 kW usa un motor de 15 kW?
Porque la potencia de un generador es un límite térmico, no una promesa de producción. Los 15 kW continuos son lo que la máquina puede sostener indefinidamente sin sobrecalentarse, y lo fijan tres cosas: el aislamiento del hilo esmaltado de clase 200 °C (IEC 60317-13 GR 2, el mismo grado que se usa en servomotores industriales y trenes de potencia de vehículos eléctricos), los 4 kg de bobinado de cobre como masa térmica y la refrigeración pasiva por la carcasa.
Con la producción típica del Atlas, en torno a 1 kW, el motor trabaja a menos del 7 % de su régimen continuo. Funciona frío. Las pérdidas en el cobre crecen con el cuadrado de la corriente, así que una máquina muy por debajo de su límite disipa muy poco, y es el calor lo que envejece el aislamiento y acaba terminando la vida de un motor.
La cifra de 22 kW de pico es la capacidad de sobrecarga de corta duración para las rachas. La acotan dos límites físicos: el umbral de desmagnetización de los imanes N42 y la saturación del hierro del estátor.
De dónde procede realmente la energía
La potencia disponible en el viento sigue:
P = ½ · ρ · A · V³ · Cp · η
Donde ρ es la densidad del aire, A el área barrida, V la velocidad del viento, Cp el coeficiente de potencia y η el rendimiento eléctrico. El rotor del Atlas barre 1,035 m² (1030 mm de diámetro × 1005 mm de altura), alcanza un Cp de 0,28 con buen viento y convierte con un 92 % de rendimiento eléctrico.
El término dominante es V³. La velocidad del viento va al cubo, así que un emplazamiento con un 30 % más de viento rinde aproximadamente el doble de energía, no un 30 % más. Por eso la altura del mástil y la ubicación cambian el resultado más que cualquier especificación de esta página, y por eso una respuesta honesta a «¿cuánto voy a producir?» empieza siempre por una pregunta sobre su ubicación en lugar de por una cifra.
Especificación completa del generador
| Parámetro | Valor |
|---|---|
| Tipo de generador | 24-pole permanent magnet, direct drive |
| Imanes | NdFeB N42, 60 × 25 × 5 mm, nickel-coated |
| Volumen de imán | 24 magnets · 180 cm³ |
| Montaje de imanes | Skewed |
| Estátor | 16 cm × 12 cm · 2.4 L |
| Bobinado | 4 kg copper · 90 turns/slot |
| Aislamiento del hilo | Class 200 °C, IEC 60317-13 GR 2 · CE / UL |
| Tolerancia de mecanizado | ±0.05 mm |
| Rotor | 1030 mm × 1005 mm · 1.035 m² |
| Velocidad de arranque | 2 m/s |
| Coeficiente de potencia (Cp) | 0.28 |
| Rendimiento eléctrico | 92% |
| Potencia del motor | 15 kW / 22 kW |
Qué dice esto y qué no dice
Cada cifra de arriba es una propiedad de la máquina, y las propiedades de la máquina son la parte que controlamos. Par de retención, número de polos, grado del imán, clase de aislamiento y tolerancia de mecanizado son iguales en cada unidad que enviamos.
La producción anual no lo es. Depende de su viento, y la producción publicada del Atlas abarca de 180 a 2.900 kWh al año precisamente porque la diferencia entre un jardín resguardado de urbanización y un emplazamiento costero expuesto es así de grande. Díganos su ubicación y la altura del mástil y le daremos un rango realista en lugar del mejor caso.