¿Y
si los engranajes no se desgastasen, no tuviesen contacto físico entre ellos,
no apareciesen fuerzas de rozamiento que reduce su eficiencia, produce calentamientos
superficiales y a la postre, fatiga que derivará en roturas?
Lo habitual es que una caja de transmisión esté compuesta por un tren de engranajes que se acoplan entre un eje de entrada y uno, o más, de salida. Los engranajes utilizan la rotación para transferir par y modificar la velocidad.
Desde los comienzos del desarrollo industrial, las transmisiones por engranajes mecánicos han ido evolucionando hasta conseguir el actual estado en el cual pueden presumir de alta eficiencia, relación de transmisión precisa, robustez mecánica y relativa facilidad de fabricación.
Sin embargo, existen unas limitaciones muy conocidas por diseñadores, fabricantes y usuarios. Nos referimos a los fallos que presentan, dos principalmente: la fatiga superficial en el flanco del diente y la fatiga por flexión en la raíz del diente.
Las tensiones de contacto, cíclicamente variables, en el engrane de los engranajes producen una fatiga que, aunque se mitiga con lubricantes, puede llevar al fallo si las tensiones de contacto son altas y en función de los ciclos de tensión.
Cuando se escuchan los ruidos que producen los engranajes significa escuchar ruido, desgaste y que, con el tiempo, terminará en colapso. El ruido aumenta con la velocidad de rotación del engranaje, y, aunque en menor medida, con la carga que se da entre los dientes.
ENGRANAJES MAGNÉTICOS
El sistema es posible y existe desde hace tiempo. Se trata
de engranajes magnéticos; un sistema que promete acoplamiento sin contacto
puesto que la transmisión de par se realiza por torsión mediante campos
magnéticos. Efectivamente, un engranaje magnético es aquel que utiliza fuerzas
magnéticas para transmitir par entre dos componentes giratorios sin contacto
físico. Se trata pues, y en algunos casos, de una alternativa a los
engranajes mecánicos tradicionales que dependen del engrane de los dientes para
transferir potencia.
Tensiones entre los dientes de engranajes en contacto
Algo de historia: Figura como inventor un tal Armstrong en
1901 que se preocupó en patentar el invento (patente 687.292 de EEUU con el
título de "Dispositivo de transmisión de potencia")
El uso de medios magnéticos para fines de
engranaje no es idea reciente. Los primeros esfuerzos para aplicar esta
tecnología en sistemas de transmisión de potencia mecánica datan de principios
del siglo XX. En aquellas primeras etapas los engranajes magnéticos eran muy
análogos a los engranajes mecánicos.
En cuanto a los materiales se ha ido
evolucionando desde los imanes de ferrita de bario pasando por
aluminio-níquel-cobalto (AlNiCo), posteriormente por el samario-cobalto (SmCo),
y llegando a la tecnología actual con imanes permanentes de tierras raras,
neodimio-hierro-boro (NdFeB)
ENGRANAJES MECÁNICOS vs. ENGRANAJES MAGNÉTICOS
Son similares en la función que cumplen, transmitir movimiento, generando una relación mecánica entre dos dispositivos acoplados.
La mayoría de los tipos de engranajes mecánicos se pueden replicar con engranajes magnéticos.
El tipo más básico sería el diseño equivalente al engranaje recto mecánico, sustituyendo los tradicionales dientes de acero por potentes imanes dispuestos en dos rotores sin contacto. Los polos expuestos presentan polaridades alternantes N y S (un par de imanes de polaridades opuestas equivale a un diente de un engrane convencional)
En ambos sistemas el proceso es similar, un rotor
(conductor) gira a una velocidad diferente al otro (conducido); a la relación
de velocidades entre conductor y conducido se le denomina relación de
transmisión (i). Al espacio entre rotores magnéticos se denomina entrehierro.
Cuando el rotor conductor gira, los polos magnéticos
ejercen una fuerza sobre los polos presentes en el rotor conducido,
transmitiendo un par magnético a través del entrehierro.
La potencia se transmite sin contacto físico, lo hace por
flujo magnético.
El engranaje motriz se conecta a un eje de entrada que es
el que recibe la energía mecánica desde, por ejemplo, un motor. El engranaje
conducido se conecta al eje de salida que es el que tendrá una carga.
Aplicaciones engranajes mecánicos y su equivalente magnético
Los sistemas de engranajes magnéticos suelen utilizar
imanes permanentes. También pueden utilizar electroimanes en casos especiales,
como relaciones de transmisión variables, pero es mucho más raro.
En cuanto a los acoplamientos entre engranajes magnéticos, al igual que en engranajes mecánicos, se pueden configurar de diversas maneras:
- Ejes de entrada y salida paralelos: similares a los engranajes rectos
- Transmisión cicloidal: se trata de una transmisión similar a la de los engranajes planetarios (epicíclicos)
Pero existe una configuración muy curiosa en la que no
existe un sistema de engranajes mecánicos similares; se trata de la
disposición en la cual dos engranajes giratorios están aislados físicamente
entre sí; solo interactúan magnéticamente. Se utiliza un cilindro
ferromagnético intermedio estacionario; con ello se consigue una relación de
movimiento gracias a la relación armónica entre el número de polos de entrada y
de salida; es lo que se denomina "acoplamiento de flujo".
Diferencias entre engranajes magnéticos y convencionales
- Sin desgaste: No tienen desgaste en las superficies de contacto de los engranajes, aunque ojo, también existe desgaste, pero este se limita a los cojinetes.
- Menos mantenimiento: menos necesidad de grasas, menos residuos. Ideal por tanto para entornos críticos o remotos.
- Mayor vida útil: reducción de costos a largo plazo.
- Funcionamiento silencioso: menos vibración, menos ruido.
- Relaciones de transmisión: Desde 1,01 a 1 hasta 50 a 1. Además, las relaciones se pueden cambiar electrónica o mecánicamente en un tiempo récord, nada que ver con los convencionales.
- Protección contra sobrecarga: el acoplamiento se desacopla magnéticamente.
- Alta eficiencia: Con los últimos desarrollos se están logrando densidades de par comparables a los engranajes mecánicos. La eficiencia de transmisión ronda el 99% a plena carga
- Tamaño compacto: Una transmisión magnética suele ser más pequeña y liviana que su homólogo en mecánico
- Aislamiento físico entre los ejes de entrada y salida
Menos mantenimiento: Transmisión de potencia sin contacto;
imanes permanentes de boro de hierro y neodimio con ventajas en su rendimiento,
sin ruido, sin vibración, sin necesidad apenas de reemplazar piezas.
Imagina engranajes magnéticos en turbinas
eólicas, tanto en tierra como en mar, con un enorme ahorro de mantenimiento.
Planetario mecánico y magnético
Limitaciones: Efectivamente también existen importantes limitaciones:
- Costo inicial elevado: Cuando se habla de imanes de tierras raras como neodimio, los costes son bastante superiores a los engranajes convencionales (al final del artículo se ha puesto unos “números gordos” sobre ello)
- Limitación de par: Aunque con densidades de par comparables, en su implementación no se alcanzan pares tan grandes como se pueden conseguir con engranajes mecánicos de contacto
- Pérdida de eficiencia a altas velocidades o con grandes separaciones entre rotores
- Complejidad en el diseño: requiere simulaciones precisas de campos magnéticos.
Densidad de par: es uno de los criterios para evaluar el rendimiento de un engranaje. La densidad de par mide la cantidad de par que se puede transmitir dentro del volumen unitario del engranaje.
USOS
Alguna de las ventajas del engranaje magnético, como la ausencia de lubricación, le confiere una enorme utilidad en entornos donde el mantenimiento es complicado o incluso imposible (imagínese entornos de vacío como son los vehículos espaciales) o en entornos peligrosos por su atmósfera o incluso en entornos explosivos.
- Aplicaciones industriales: bombas para productos químicos, farmacéuticos o alimentarios (se evitan muchas fuentes de contaminación)
- Sistemas en ambientes extremos (alta presión, vacío, criogenia)
- Sector médico: equipos donde la esterilidad y la ausencia de fricción son cruciales. Bombas de sangre y dispositivos de asistencia ventricular
- Drones o satélites con sistemas sellados.
Dos ejemplos claros:
Movilidad aeroespacial: Se
están usando con un éxito inesperado en vehículos aeroespaciales que incorporan
motores eléctricos con engranajes magnéticos (se destaca el enorme éxito del
robot Curiosity, también el Perseverance, que lleva recorriendo
contra todo pronóstico, la superficie de Marte)
Otros vehículos, en este caso en desarrollo, son los que se están pensando para el transporte de mercancías y personas, una especie de “drones” con rotores eléctricos que combinan el vuelo vertical con el horizontal.
Aerogeneradores: En
estos sistemas se convierte la energía eólica en eléctrica. Para ello se
necesita una caja de cambios que aumenta la velocidad transmitida por las palas
(baja velocidad y alto par) hasta el eje de alta velocidad y bajo par que
impulsa el generador eléctrico.
Hasta ahora, los aerogeneradores de eje horizontal utilizaban
engranajes mecánicos para transmitir la potencia mecánica del rotor al
generador eléctrico, que suele ser una máquina de imanes permanentes. Debido a
los problemas inherentes del mecanismo de engranajes mecánicos, se está
adoptando sistemas o bien de accionamiento directo (se mueve el generador
directamente desde las palas del rotor; pero esto implica generadores de
grandes dimensiones) o el uso de engranajes magnéticos.
Las turbinas eólicas con engranajes magnéticos ya han
demostrado que poseen muy buenas capacidades de operación y son capaces de
trasmitir el par producido.
PRECIOS, FUTURO Y TENDENCIAS
En términos generales, los engranajes magnéticos presentan
un costo inicial muy superior al de los engranajes convencionales de acero,
aunque el rango varía enormemente según el tamaño, la aplicación y el volumen
de compra. Pero para dar una idea al lector del orden de magnitud, hablaremos
que en el extremo inferior un engranaje magnético puede costar entre 4 y 8
veces más que uno de acero en producción masiva.
¿Por qué tanta diferencia?
La razón hay que buscarla tanto en el material de
fabricación, como en las técnicas propias de fabricación y por supuesto en el
volumen de compra.
- Materiales: Los actuales imanes
de tierras raras (neodimio, samario‑cobalto)
tienen un coste elevado (sobre 100 €/kg) mientras que el acero al carbono no
suele superar el euro/kg
- Fabricación y diseño: El montaje
se hace con tolerancias de micras y además llevan controles de calidad que
incluyen proceso de equilibrado dinámico.
- Volumen y personalización: Mientras
que los engranajes mecánicos de acero se hacen en serie, los magnéticos se suelen
fabricar a demanda.
Futuro
La tendencia es al uso de imanes de neodimio con mayor densidad energética. La industria está involucrada en una paulatina miniaturización con el fin de llegar a más aplicaciones en microelectrónica y nanorrobótica. Con incremento en industrias tan exigentes como son la medicina, energía nuclear, espacio.
 |
| Diseño creativo de mecanismos con engranajes magnéticos |
Principales fabricantes: Siemens, ABB, Tecnologías magnéticas
Ltd, KTR Systems… Pero hay un caso a resaltar y es el de Magnomatics.
Magnomatics está a la cabeza en el
desarrollo de engranajes magnéticos; se trata de un estupendo ejemplo de
colaboración universidad-empresas. Magnomatics surgió en 2006 de un grupo de
investigación de la Universidad de Sheffield para comercializar investigaciones
innovadoras.
