Magneto

La primera máquina eléctrica utilizada en 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 autorizó su uso en la fábrica Elkington Works de 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 otros pequeños artículos metálicos.

La máquina que se conserva tiene un campo aplicado mediante cuatro imanes de herradura con campos axiales. El rotor tiene diez bobinas axiales. La galvanoplastia requiere corriente continua, por lo que el magneto de corriente alterna habitual no funciona. La máquina de Woolrich, de forma inusual, tiene un conmutador para rectificar su salida a corriente continua.

La mayoría de las primeras dinamos eran bipolares ^{[ nota 1 ]} y, por lo tanto, su salida variaba cíclicamente a medida que la armadura giraba pasando por los dos polos.

Para lograr una potencia de salida adecuada, los generadores magnéticos utilizaban muchos más polos; generalmente dieciséis, provenientes de ocho imanes de herradura dispuestos en anillo. Dado que el flujo magnético disponible estaba limitado por la metalurgia del imán, la única opción era aumentar el campo magnético mediante el uso de más imanes. Como esto seguía siendo una potencia insuficiente, se apilaban discos de rotor adicionales axialmente , a lo largo del eje. Esto tenía la ventaja de que cada disco de rotor podía compartir, al menos, el flujo de dos imanes costosos. La máquina que se muestra aquí utiliza ocho discos y nueve filas de imanes: 72 imanes en total.

Los primeros rotores utilizados se bobinaban con dieciséis bobinas axiales, una por polo. En comparación con la dinamo bipolar, esto tenía la ventaja de contar con más polos, lo que proporcionaba una salida más uniforme por rotación ^{[ nota 2 ]} , lo cual resultaba beneficioso al alimentar lámparas de arco. De este modo, los magnetos se labraron 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 iluminación de arco y fundó la empresa anglo-francesa Société de l'Alliance para fabricarlos.

El ingeniero francés Auguste de Méritens (1834-1898) perfeccionó los magnetos para este fin. ^{[ 5 ]} Su innovación consistió en reemplazar las bobinas del rotor, previamente enrolladas en bobinas individuales, por una armadura de bobinado anular. ^{[ 6 ]} Estos devanados se colocaron sobre un núcleo de hierro segmentado, similar a un anillo de Gramme , para formar un único aro continuo. Esto proporcionó una corriente de salida más uniforme, lo cual resultó aún más ventajoso para las lámparas de arco. ^{[ 7 ]}

Hoy en día, De Méritens es recordado principalmente por la fabricación de generadores magnéticos específicamente para faros. Estos se apreciaban por su simplicidad y fiabilidad, en particular por la ausencia de conmutadores. ^{[ 7 ]} En el ambiente marino de un faro, el conmutador que se había utilizado anteriormente con los generadores de dinamo era una fuente constante de problemas. Los fareros de la época, generalmente marineros semirretirados, carecían de los conocimientos mecánicos y eléctricos necesarios para el mantenimiento de estas máquinas más complejas.

El generador magneto de Méritens ilustrado muestra la armadura de bobinado anular. Como ahora solo hay un disco de rotor, cada imán en forma de herradura consta de una pila de imanes individuales, pero actúa a través de un par de piezas polares .

Los dínamos y alternadores requieren una fuente de energía para alimentar sus bobinas de campo. Esta energía no podría ser suministrada por la salida de su propio generador sin algún proceso de " arranque" (bootstrapping ).

Henry Wilde , ingeniero eléctrico de Manchester, Inglaterra, desarrolló una combinación de magneto y generador electromagnético, donde el magneto se utilizaba únicamente para alimentar el campo al alternador de mayor tamaño. Estos se ilustran en la obra de Rankin Kennedy , Electrical Installations ^{[ 8 ].} El propio Kennedy desarrolló una versión más simple, destinada a la iluminación de barcos, donde un dínamo y un magneto se ensamblaban en el mismo eje. ^{[ 9 ]} La innovación de Kennedy consistió en eliminar por completo la necesidad de escobillas. La corriente generada en el magneto se transmite mediante cables conectados al eje giratorio hasta la bobina de campo giratoria del dínamo. La salida del dínamo se obtiene entonces de las bobinas del estator. Este sistema es de tipo "invertido" en comparación con el dínamo convencional, pero evita la necesidad de escobillas.

La invención del campo autoexcitado por Varley , Siemens y Wheatstone eliminó la necesidad de un magnetoexcitador. Un pequeño campo residual en la armadura de hierro de las bobinas de campo actuaba como un imán permanente débil, y por lo tanto, como un magneto. El cableado en derivación del generador realimenta 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 regenera, aunque esto puede tardar entre 20 y 30 segundos en completarse. ^{[ 10 ]}

El uso de magnetos en este caso está obsoleto, aunque todavía se utilizan excitadores independientes para grupos electrógenos de alta potencia, ya que permiten un control más sencillo de la potencia de salida. Estos son especialmente comunes en las transmisiones de las locomotoras diésel-eléctricas .

Las pequeñas turbinas eólicas , en particular los diseños de autoconstrucción, están adoptando ampliamente alternadores magneto para la generación. ^{[ 11 ] [ 12 ]} Los generadores utilizan imanes de neodimio de tierras raras 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 a la red eléctrica comercial . Un diseño típico es un generador de flujo axial reciclado a partir de un disco de freno y un cojinete de cubo de automóvil. Un puntal MacPherson proporciona el cojinete de azimut para llevar la turbina hacia el viento. ^{[ 13 ]} El disco de freno, con sus imanes de tierras raras acoplados, gira para formar la armadura. Un disco de madera contrachapada que contiene múltiples bobinas axiales se coloca junto a este, con un anillo de armadura de hierro detrás de él.

En tamaños grandes, desde el rango de 100  kW hasta MW, las máquinas desarrolladas para las turbinas eólicas modernas se denominan generadores síncronos de imanes permanentes . ^{[ 14 ]}

A finales de la década de 1980, los avances en materiales magnéticos como el samario-cobalto , un tipo de tierras raras primitivo, permitieron el uso de alternadores de imanes permanentes 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 operar a altas velocidades, acoplados directamente a una turbina. Ambos tipos comparten la ventaja de que las bobinas de salida forman parte del estator, evitando así la necesidad de escobillas.