Diseño y Construcción de un Ejercitador Multifuncional con

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Encuentro de Investigación en IE, 28 — 30 de Marzo, 2007
Diseño y Construcción de un Ejercitador
Multifuncional con Generador Eléctrico
Milton Jiménez Ángeles1 Daniel Grijalva Hernández1,2, Juan de Dios Ortiz
Alvarado1, Maximiano Ruiz Torres 1, Jorge A Huerta Ruelas 1
1. CICATA-IPN, Querétaro, Qro., México
Teléfono 442 2121111 ext. 120 Fax ext. 103
e-mail: jhuertar@ipn.mx
2. Instituto Tecnológico de Veracruz, Calz. Miguel Ángel de Quevedo #2779,
Veracruz, Ver.
Resumen — El presente trabajo, muestra el diseño de un
dispositivo multifuncional cuyo principal objetivo es
generar energía eléctrica a partir del ejercicio físico del
usuario. Este dispositivo es multifuncional porque
engloba tres actividades físicas las cuales se consideran,
principalmente, como cardiovasculares. El diseño del
dispositivo tuvo en mente considerar aspectos
psicológicos que motiven una actividad recreativa de
mayor satisfacción personal debido a que se obtiene un
valor agregado mediante la producción de energía
eléctrica de una manera limpia y renovable. Esta fuente
de energía es parte de un sistema de alimentación de una
red de corriente directa, que contiene tres fuentes
diferentes de generación. La energía acumulada puede
ser utilizada en electrónica personal, iluminación y
equipos de DC de bajo consumo de energía,
principalmente. Este proyecto es parte de un programa
para el desarrollo de tecnologías para su uso en
edificaciones inteligentes.
Abstract — The Present work shows a design about a
multifunctional device which uses the physical-human
exercise to produce electrical energy. This machine is
said multifunctional because the user can do three
different kinds of physical exercises on it. These
exercises are cardiovascular mainly. The Design of the
device considered psychological variables which should
induce better recreational activity satisfaction, due by
additional benefit of electric energy production, clean
and renewable. This energy generator device is part of a
complete energy DC system, which contains three
different generation sources. The Accumulated energy
can be used to charge electronic personal devices,
illumination and low consumption DC equipment. This
project participates in a program to develop
technologies to be used in intelligent buildings.
Descriptores — Edificaciones inteligentes, Generador
eléctrico, mecanismo ejercitador.
I. INTRODUCCIÓN
E
n condiciones donde no se tiene disponible una
red de suministro de corriente alterna se requiere
del uso de sistemas de generación de energía eléctrica
[1], a partir de otra fuente de energía como es el caso
de los generadores movidos por motores de
combustión interna o las celdas fotovoltaicas.
Estos sistemas presentan varios inconvenientes como
son por un lado la dependencia de combustibles
fósiles [2], la no operación de las celdas fotovoltaicas
[3], en ausencia de luz solar o en un caso de
emergencia donde se requiere proveer de cierta
potencia en un lapso de tiempo corto. En este
contexto se propone un sistema que contribuya a
resolver estos inconvenientes.
El presente trabajo consiste en el desarrollo de un
sistema ejercitador multifuncional que incluya la
generación de energía eléctrica a partir de la energía
mecánica generada por una persona que realiza
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ejercicio. Este sistema ofrece un doble beneficio,
mejorar la salud del usuario por medio de la práctica
del ejercicio físico y tener disponible energía para su
uso en determinadas aplicaciones de bajo consumo.
A partir de este contexto se ha diseñado una máquina
ejercitadora que sirve para ejecutar tres tipos
específicos de ejercicio (bicicleta estacionaria,
remadora y bicicleta inversa) y no sólo uno, como
usualmente las máquinas comerciales lo hacen sino
que incluye una variedad de ellos [4]. El dispositivo
presenta ventajas ergonómicas sobre otras máquinas
tanto para la comodidad del usuario como para
generar una potencia mecánica más eficiente para
generar energía eléctrica, función que no tienen
contemplada las máquinas disponibles en el mercado.
Para esta aplicación se debe considerar un diseño
especial del generador de energía eléctrica, en este
caso un alternador, debido a las condiciones
mecánicas de operación como velocidad y fuerza que
una persona promedio puede desarrollar con el
sistema ejercitador. Este sistema podrá utilizarse en
escenarios que van desde las residencias inteligentes,
donde podrá servir como fuente de suministro auxiliar
para energizar dispositivos eléctricos convencionales
hasta en las zonas rurales donde la energía comercial
no se encuentra disponible, pasando por el
consumidor medio que requiere mejorar su bienestar
físico con un beneficio adicional en cuanto a sus
necesidades de energía eléctrica.
fabricantes de bicicletas estacionarias [7].
En base a lo anterior, se buscó que el dispositivo
permitiera realizar ejercicio cardiovascular, donde las
principales actividades son la bicicleta, el remo y la
bicicleta inversa. La selección de éstos fue en base a
contar con un cuadro completo y balanceado que
permitiera lograr los beneficios a la salud en la mayor
parte del cuerpo y que conlleva a un estado físico
proporcionado si se realiza de una manera regular. Se
buscó la ergonomía en el diseño, entendiéndola como
el campo de conocimientos multidisciplinarios que
estudia las características, necesidades, capacidades y
habilidades de los seres humanos, analizando aquellos
aspectos que afectan al entorno artificial construido
por el hombre relacionado directamente con los actos
y gestos involucrados en toda actividad de éste [8]. La
máquina debe ser estacionaria, planeada para estar
instalada en un cuarto de gimnasio o en un cuarto de
servicio.
El diseño conceptual fue hecho en software
AUTOCADTM. Las magnitudes de longitud utilizadas
son promedio ya que el diseño tiene en consideración
pequeños ajustes de acuerdo al tamaño de las
personas y a ajustes finales durante la caracterización.
La Figura 1 muestra el esquema del
diseño
conceptual del mecanismo ejercitador.
II. MECANISMO EJERCITADOR
Anteriormente se han diseñado mecanismos
ejercitadores para generar energía eléctrica de tipo de
bicicleta; algunos de estos ya incluyen además de un
dinamo o generador de energía [5], un sistema de
carga de batería y un inversor para convertir el voltaje
de CD de las baterías al nivel de CA de línea
domestica.
En estas bicicletas descritas, el generador se construye
solo como un accesorio que podría ser operado por
cualquier bicicleta ordinaria sin ser considerados
algunos requerimientos ergonómicos para asegurar la
postura del usuario de una manera correcta o para una
mayor eficiencia del dispositivo [6]. Por otro lado, la
ergonomía es un factor importante que consideran los
Figura 1.- Diseño conceptual del mecanismo ejercitador.
A continuación se describen los ejercicios
cardiovasculares considerados en el diseño:
1) Bicicleta y Bicicleta inversa: Para el diseño de
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la bicicleta se eligió utilizar, primeramente, un asiento
con respaldo. El asiento con respaldo muestra la
ventaja de que ayuda a reducir los efectos de la
gravedad y en la circulación sanguínea del usuario. El
asiento es deslizable por unos rieles que contiene el
perfil del banco para poder lograr el ajuste de tamaño
y espacio del usuario, y podrá ser sujeto además de
que se obtiene una mayor potencia. La bicicleta
inversa fue pensada para el ejercitamiento de las
extremidades superiores, y es especialmente útil para
el usuario discapacitado o en rehabilitación de sus
extremidades inferiores. El mecanismo de ambas
puede ser identificado, de color amarillo, en la Figura
2.
2) Remo: Se propuso utilizar un mecanismo
Grashof de 4 barras, el cual tiene una función análoga
al mecanismo de biela encontrado en las locomotoras.
El mecanismo de la remadora puede observarse por
debajo del banco en la Figura 2.
El movimiento de los tres elementos de ejercitación
se transmite a una sola polea por medio de un juego
de bandas.
A esta polea se acopla alternador por medio de una
flecha para transmitir el movimiento hacia el rotor. La
Figura 2 muestra el esquema completo del mecanismo
ejercitador indicando la transmisión de potencia
mecánica al generador.
Amp. Por lo tanto se requiere generar una potencia
eléctrica de 120 W.
Tomando en cuenta las condiciones de operación
mecánicas de la máquina ejercitadora, la cual fue
diseñada para proporcionar una velocidad nominal de
350 r.p.m, poco peso en los componentes mecánicos y
mínimo mantenimiento se decidió utilizar el esquema
de alternador con imanes permanentes en el rotor. El
diseño contempla 20 polos para obtener suficiente
disponibilidad de potencia generada a la velocidad de
350 r.p.m. La estructura mecánica del alternador se
construyó de madera para disminuir el peso, y evitar
los inconvenientes de la inercia mecánica, así como
permitir que el mecanismo sea fácil de transportar e
instalar.
Para el rotor se utilizaron imanes permanentes de
neodimio (NdFeB) que contienen una alta densidad
de flujo magnético, en este caso el valor nominal
residual es de 12,300 gauss. Los imanes se colocan
equidistantes entre si en el centro de la superficie
periférica del rotor, como se muestra en la figura 3 y
se fijan con adhesivo epóxico.
Figura 3.- Ubicación de los imanes permanentes en la superficie periférica
del rotor.
Figura 2.- Esquema general del sistema ejercitador que muestra la
ubicación del generador.
III. DISEÑO DEL GENERADOR
Para el diseño del generador se tomaron como datos
iniciales los requerimientos de suministro de potencia.
Para la carga típica de una batería de 12 V es
deseable tener un suministro de corriente de hasta 10
En el estator se encuentran los devanados en los que
se induce la fuerza electromotriz producto del campo
magnético giratorio. De acuerdo a la ley de Faraday y
considerando un área efectiva de 13.85 cm2 en cada
polo de los imanes se puede calcular la fuerza
electromotriz inducida por espira [9], [10] y [11].
E ind =
dφ
dt
(1)
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depende de la velocidad de giro del rotor.
Donde φ es el flujo total cortado por la espira y es
igual a el producto del área efectiva del imán por la
densidad de flujo.
Así mismo debe considerarse una variación senoidal
de la densidad de flujo magnético percibida por el
devanado producida por el cambio de posición de los
imanes en cada revolución. De esta manera el flujo
magnético que induce al devanado respecto al tiempo
queda de acuerdo a (2).
φ (t ) = φ m senωt
( 2)
Vind = 0.538Cosωt V .
(3)
El valor de amplitud obtenido sirve como referencia
para determinar el número de espiras requerido en
cada devanado. Hay que considerar sin embargo que
el material del núcleo de los devanados del estator
debe seleccionarse para obtener el máximo de
eficiencia en la inducción de voltaje.
El alambre conductor utilizado para el devanado es
calibre 18 AWG acorde con el requerimiento de
corriente.
IV. RESULTADOS
Para estimar el desempeño del alternador se tomó el
voltaje obtenido en uno de los devanados respecto a la
velocidad de giro del rotor, de esta manera puede
estimarse cuánto afecta este parámetro al voltaje
generado.
Para la caracterización, se acopló el eje del
mecanismo a un motor de CD de velocidad controlada
y se utilizó un devanado de 50 espiras con núcleo de
aire para inducir voltaje. La figura 4 muestra la forma
de onda de voltaje senoidal obtenida en el
osciloscopio. La frecuencia de la onda senoidal
Figura 4.- Forma de onda del voltaje inducido en uno de los devanados
del estator.
La amplitud del voltaje obtenido a la velocidad
nominal de 350 rpm fue de 560 mV. Este valor
aumentará sustancialmente si se utiliza un núcleo de
material ferromagnético, al mejorarse la inducción de
fuerza electromotriz en las espiras del devanado.
Se tomaron lecturas de la amplitud de voltaje senoidal
obtenido en función de la velocidad de giro. La Figura
5 muestra los resultados obtenidos normalizados
respecto a la amplitud de voltaje obtenida a la
velocidad nominal de 350 rpm.
% relativo al voltaje generado a velocidad nominal
El valor de ω corresponde a la velocidad angular de
giro del rotor multiplicada por el número de pares de
polos que se tienen en el rotor en este caso 10.
Sustituyendo (2) en (1) y aplicando los valores antes
mencionados se obtiene la expresión para el voltaje
inducido por espira.
100
80
60
40
20
0
0
50
100
150
200
250
300
350
Velocidad [rpm]
Figura 5.- Gráfica del porcentaje del voltaje generado a diferentes
velocidades respecto al valor obtenido a la velocidad nominal.
La gráfica de la Figura 5 comprueba la relación lineal
que existe entre el voltaje generado y la velocidad de
giro. Es importante analizar esta característica del
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alternador si se tiene por objeto utilizarlo para la
carga de baterías, ya que en este caso se requiere que
el voltaje obtenido no varíe en un rango muy grande,
y siempre se mantenga mayor o igual que el valor de
voltaje de la batería que se busca cargar.
V. CONCLUSIONES
El mecanismo diseñado presenta múltiples ventajas
respecto a mecanismos ejercitadores comerciales. La
caracterización del sistema jugará un papel
fundamental para la validación del diseño y mejorar
en la práctica cualquier dificultad o molestia que le
ocasione al usuario y optimizar la relación esfuerzo
físico/energía generada.
Durante el diseño del alternador se tomaron en cuenta
los problemas que puede generar la intensidad de
flujo magnético que generan los imanes de Neodimio
al momento de que el usuario quiera poner en
movimiento al generador, el peso del diseño fue otro
punto a considerar ya que se pensó en la facilidad
para poder mover el sistema ejercitador.
Dentro de las aplicaciones, los principales problemas
que puede presentar el alternador es que su velocidad
de operación no sea constante, esto provocaría una
falla en el momento de almacenar la energía en un
banco de baterías. Para mejorar el desempeño del
alternador en condiciones donde la velocidad de giro
es variable, es factible implementar un sistema
regulador de voltaje que consista en modificar la
conexión entre los devanados en serie o paralelo y
cubrir la demanda de corriente o voltaje requerida.
Otra mejora es emplear fibra de vidrio o nylamid para
formar la base del rotor y estator, ya que este material
es más ligero de manera que se podría incrementar la
velocidad de operación del alternador con un esfuerzo
menor.
AGRADECIMIENTOS
Se agradece el apoyo otorgado de la Secretaria de
Investigación y Posgrado del Instituto Politécnico
Nacional a través de los proyectos SIP-20060221 y
SIP-20061607.
REFERENCIAS
[1] Centre for Technology Alternatives for Rural Areas
(CTARA) "Integrating Village - Industry with Human and
Animal Power," Agosto, 2006,
http://www.ircc.iitb.ac.in/~webadm/update/archives/Issue1_
2005/rural_technology1.html
[2]. Mark-Tiele W., Kuyvenhoven S., Energy, powering
your World, 2002.
http://scitech.web.cern.ch/scitech/Schools/EFDA.pdf
[3]. Instituto de Investigaciones Legislativas del
Senado de la República, Nuevas energías renovables,
2004, Septiembre 6, 2006,
http://xml.cie.unam.mx/xml/se/pe/NUEVAS_ENERG
_RENOV.pdf
[4] Raffo D., Multi-mode exercise machine, June 6, 2000.
New Zeland 6,071,215F.
[5] Bienville F., Bicycle based emergency battery
charging system, April 6, 2004. US 6,717,280
[6] Matt Shaver's Home Page, Octubre
http://users.erols.com/mshaver/bikegen .
2006,
[7];
Kazuhiko Arai, Saitama-Ken A., Exercise
stationary Bike, September 30, 2003. US D480, 120 S
[8]
Wikipedia,
Noviembre
2006,
http://es.wikipedia.org/wiki/Ergonom%C3%ADa
[9] Kingsley, Kusko y Fitzgerald, Teoría y análisis de
las maquinas eléctricas, Mc Graw Hill, 1980
[10] Stephen J., Maquinas Eléctricas, McGraw Hill,
2004.
[11] Serway R., Electricidad y magnetismo, Mc Graw
Hill, 1996.