Acoplamientos magnéticos: sin engranajes ni correas, sólo imanes

Como ingeniero aeroespacial apasionado del diseño práctico, paso la mayor parte del tiempo experimentando y construyendo cosas funcionales. A través de mi canal de YouTube, comparto retos de ingeniería como este para inspirar a otros a ser creativos y empezar a construir por sí mismos.

¿Por qué construir un motor sin contacto?

Había oído hablar antes de los acoplamientos magnéticos, sobre todo en el contexto de los agitadores del fondo de los vasos de laboratorio, donde el campo magnético giratorio impulsa una diminuta barra en un recipiente sellado. Pero nunca había construido uno.

Parecía el reto práctico perfecto: ¿cómo de fuertes y funcionales podían ser estas conexiones sin contacto? ¿Podría hacer girar un eje sólo con fuerza magnética y controlarlo?

Mientras investigaba diferentes configuraciones, me topé con una curiosa variante que no dependía en absoluto de un segundo imán. En su lugar, utilizaba una placa de cobre sólido e imanes giratorios para generar movimiento. A partir de ahí empezó la emoción.

Este sistema utiliza corrientes de Foucault, bucles de corriente eléctrica inducidos en conductores que generan campos magnéticos opuestos. Es el mismo principio que subyace al frenado magnético de las montañas rusas o los trenes de alta velocidad.

Mi objetivo era sencillo: construir ambas versiones, probarlas y hacerme una idea de las fuerzas implicadas.

Del boceto CAD al cobre y los imanes

Todo empezó como un boceto en Fusion 360. Modelé dos discos giratorios, cada uno con seis imanes de neodimio de polaridad alterna: el polo norte en un disco y el polo sur en el otro. La idea era que, al girar un disco, las fuerzas magnéticas transfirieran el movimiento al otro.

CAD model of the copper disk, designed in Fusion 360 to interact with the magnetic coupling.©

Modelo CAD del disco de cobre, diseñado en Fusion 360 para interactuar con el acoplamiento magnético.©

The CNC-machined copper disk — delivered by Xometry with a clean bead-blasted finish.©

El disco de cobre mecanizado por CNC, suministrado por Xometry con un acabado de granallado limpio ©.

Imprimí los soportes en 3D con mis impresoras Bambu Lab y pedí las placas de cobre a Xometry.

Versión 1: imán contra imán

Esta versión utilizaba dos discos magnéticos idénticos colocados frente a frente. Cuando un disco giraba, el campo magnético arrastraba al segundo. El acoplamiento era sorprendentemente fuerte y extremadamente sensible.

Aligning the magnet disks during assembly — alternating poles create the magnetic link.© — Alineación de los discos magnéticos durante el montaje: la alternancia de polos crea el enlace magnético.©

Montaje del acoplador magnético, los imanes se enfrentan en polaridad alterna.©

Sin embargo, la conexión era rígida, demasiado rígida. Si algo se atascaba o encontraba resistencia, todo el sistema se detenía. No había deslizamiento, lo que es estupendo para la transferencia de par, pero no es ideal en aplicaciones en las que se necesita flexibilidad o seguridad.

Versión 2: imán frente a placa de cobre

Aquí es donde se puso realmente emocionante. Cuando hice girar el disco magnético cerca de la placa de cobre, la placa empezó a girar, sin tocar nada. Esa es la magia de las corrientes de Foucault en acción.

Though copper isn’t magnetic, the falling magnet slows slightly as eddy currents create resistance just before contact.© — Aunque el cobre no es magnético, el imán que cae se ralentiza ligeramente, ya que las corrientes de Foucault crean resistencia justo antes del contacto.©

Se sentía como hacer girar una paleta a través de la miel. La conexión era suave, resistente y autorregulable. Cuanto más rápido se movían los imanes, más fuertes eran las corrientes inducidas y el par. Cuanto más cerca estaban los imanes de la placa, más fuerza podían transferir.

The copper plate begins spinning — driven only by the magnetic field and eddy currents.© — La placa de cobre comienza a girar, impulsada únicamente por el campo magnético y las corrientes de Foucault.

Demasiado lejos, y el acoplamiento se debilitaba. Demasiado cerca, y el sistema intentaba tirar de sí mismo hacia delante. El efecto fue sorprendentemente fuerte: incluso con una distancia de más de 8 mm, la interacción siguió funcionando.

Una cosa que me sorprendió: el montaje de cobre también funcionaba a la inversa. Cuando hice girar la placa de cobre, empezó a girar el disco magnético. No me lo esperaba.

Incluso probé con diferentes grosores: una placa de 6 mm frente a una de 3 mm. La más fina respondió más rápido, probablemente debido a su menor inercia.

Potencial en el mundo real

¿Podría tener aplicaciones en el mundo real? Desde luego.

Piense en situaciones en las que necesita accionar un eje a través de una pared sellada, por ejemplo, en procesos químicos, sistemas submarinos o líneas de producción de alimentos. Estos entornos se benefician de la transferencia de par sin contacto, ya que no hay riesgo de contaminación o fugas.

El deslizamiento natural de la versión de cobre podría incluso actuar como elemento de seguridad, proporcionando arranques suaves o desconectándose en caso de sobrecarga.

¿Y ahora qué?

Si construyera una próxima versión, diseñaría un sistema que me permitiera ajustar sobre la marcha la separación entre el disco magnético y la placa de cobre. De ese modo, podría ajustar con precisión la cantidad de par transferido.

También me gustaría probar diferentes configuraciones o materiales de los imanes, quizá incluso convertirlo en una aplicación para el mundo real.

De momento, me alegro de haber probado la versión de cobre, aunque al principio no creía en ella. Resulta que a veces los mejores resultados vienen de las ideas de las que más dudas.

¿Quieres verlo en acción? Vea el vídeo completo en mi canal. Y si tienes alguna idea sobre dónde podrían ser útiles los acoplamientos magnéticos, me encantaría que me la contaras.