Discussione: Esistono batterie magnetiche-meccaniche?

Salve a tutto il forum! Chiedo a voi di far lume nella mia ignoranza.

Mi chiedevo se esistono accumulatori energetici che sfruttano la forza di attrazione (o repulsione) di due calamite statiche.

Invece di immagazzinare energia in un volano.

Ovvero se si usa energia (elettrica per esempio) per azionare un argano che separa due calamite inizialmente unite, questa (energia elettrica) a meno delle perdite per attrito viene trasformata in energia potenziale creata con lo spostamento x tra due calamite che si attraggono.

Al contrario se poi una calamita viene lasciata libera di muoversi, avvicinandosi all'altra aziona nuovamente l'argano che trasformando il moto da traslazione a rotazione produce nuovamente energia meccanica ed eventualmente energia elettrica. Sempre a meno degli attriti tra le parti mobili.

(non so se mi sono spiegato bene...)
Tale sistema è fattibile? E' utilizzato in qualche applicazione?
Grazie mille!


P.S. non parlo di queste: Batterie magnetiche

Si, e' fattibile, ma oltre alle perdite per attrito ci sono anche le perdite magnetiche, quindi il rendimento e' basso. Un'applicazione esistente? I freni di alcuni motori autofrenanti.
Ciao
Mario

P.S.: tu non vedi i tuoi messaggi tra i "nuovi messaggi" ma gli altri li vedono

Grazie Mario

ero preoccupato per i messaggi perchè nei miei forum gestiti con Vbulletin i nuovi messaggi compaiono sempre e comunque anche se sono i propri.

Tralasciando questo: in che senso le perdite magnetiche? Non ne avevo mai sentito parlare (ammetto di essere ignorante) ma pensavo che se due calamite vengono avvicinate la loro attrazione si mantenesse costante...

Per quanto riguarda il rendimento meccanico mi informo, ma se opportunamente lubrificato un meccanismo a cremagliera non dovrebbe essere poi così grave.

Ma nei motori autofrenanti non c'è un magnete permanente ma un elettromagnete che spinge delle molle giusto? QUindi non è esattamente quello che avevo in mente.

Grazie a tutti per le eventuali risposte e scusate ancora per prima!

Ho cercato in rete ed un meccanismo pignone cremagliera sta sul 90% del rendimento, addirittura ho trovato questo sistema a rulli che promette un rendimento dell 99%. Comunque sia si sa che i rendimenti meccanici influiscono sempre in parte minore rispetto alle altre trasformazioni(ad esempio all'interno di una termoelettrica..)..resta da capire le perdite magnetiche che non conosco..

Lork,
le perdite magnetiche possono essere per isteresi e per correnti parassite, durante il movimento relativo.
Ora sono di corsa, mi contatti in privato, grazie?
Ciao
Mario

Ho cercato in varie parti sul web ed ho appurato che le perdite magnetiche "Si manifestano quando il materiale è attraversato da un flusso di induzione di campo magnetico variabile nel tempo, oppure quando il materiale è in movimento rispetto alle linee di campo magnetico venendo così tagliato dalle linee stesse." Una pari definizione l'ho trovata sul forum electroyou

Quindi essendo questo un caso in cui non dovrebbero esserci campi variabili nel tempo e il materiale non sarebbe "tagliato dalle linee del campo" e comunque avrebbe un moto molto lento, anche questa causa non sarebbe sufficiente per chiudere il discorso...

Siccome se si parla senza numeri in questi casi è meglio tacere :-) con il materiale reperibile in rete cercherò di valutare le potenze in gioco...a presto!

Prelevando informazioni da wikipedia (se sono sbagliate non è colpa mia) si possono trarre queste conclusioni:

Magnetizzazione

Per approfondire, vedi la voce Magnetizzazione.

La magnetizzazione di un corpo è il valore del suo momento magnetico per unità di volume, solitamente indicato con M e misurato in A/m. È un campo vettoriale (come il campo magnetico e a differenza del momento magnetico), poiché il suo valore varia al variare delle diverse sezioni del corpo. Una buona barra magnetica solitamente possiede un momento magnetico di circa 0.1 A·m² e quindi, supponendo un volume di 1 cm³ (ovvero 0,000001 m³), una magnetizzazione di 100 000 A/m. Il ferro può raggiungere anche il milione di A/m di magnetizzazione.

Quindi come si può presupporre di costruire magneti permanenti con M = 500 000 A/m
Ipotizziamo di usare due magneti cilindrici di lunghezza t=0,5 m e raggio r = 0,1 m per un totale approssimato di 250 kg di peso.
Quindi considerando il meccanismo a cremagliera ed il riduttore si va a circa 300-350 kg

La forza di attrazione dei due magneti, come suggerisce l'esperienza e come conferma la teoria, è inversamente proporzionale alla distanza tra i due. Quindi in poche parole per estrarre/fornire alla coppia di calamite una potenza costante dovremo avvicinare/allontanare le due parti con velocità decrescente/crescente.

Se ipotizziamo di spostare i due nostri magneti per una distanza che varia da 1 mm (attaccati, non è zero a causa delle rugosità e della difficoltà di estrarre energia cinetica dal moto molto lento per piccole distanze) fino a 5 cm=>

Il lavoro fornito o ricavato dall'accumulatore a meno delle perdite (alla fine considero i rendimenti) sarà dato dall'integrale della forza sulla distanza W= Integrale(F*dx)

Per ottenere la forza in funzione della distanza si può sempre ricorrere a wikipedia, mentre per l'integrale si fa affidamento ai calcolatori online:

magnete2.jpg

Pertanto in queste condizioni (magnetiche!) le forze in gioco al variare della distanza sono molto grandi:

grafico forza.JPG

La forza di attrazione (o repulsione) tra i due magneti posti a 1 mm di distanza è considerevole (24,6 MegaN) mentre a 5 cm diminuisce fino a 9,7 kN. Quindi risulta logico che se si prevede una costruzione reale e non teorica, occorre tenere conto delle forze che determinano le dimensioni della struttura e di conseguenza del peso e costo.

Sempre per rimanere nel concreto si può pensare valido un meccanismo (o più meccanismi in parallelo->prodotto dei rendimenti) che riesca a sopportare forze massime di 60 kN (costituito da 10 cremagliere da 6 kN del catalogo postato precedentemente che hanno un rendimento complessivo del 0.99^10=0.9). Ovviamente se si pensasse veramente di fare una cosa del genere si procede nella creazione di una cremagliera apposita per alti carichi che avrà un rendimento migliore rispetto all'accoppiamento di 10..

Quindi il campo di utilizzo si sposta da 5 cm a 2 cm. Facendo così abbiamo prediletto una scelta economica che permette di risparmiare sul peso e quindi ipotizzare anche applicazioni mobili a scapito della possibilità di immagazzinare molta ma molta più energia. Infatti per forze di 60 kN, usando un acciaio con snervamento a 280 MPa e sicurezza 2 si ottiene una sezione minima trasversale dell'intera struttura che mantiene separati i due magneti di 428 mmq che per 1,5 m di lunghezza costituiscono un peso esiguo di 5 kg!

Tornando ai nostri conti energetici:

Per calcolare l'energia teoricamente immagazzinabile occorre calcolare l'integrale di cui sopra per gli estremi da 2 cm a 5 cm. (ovviamente l'energia immagazzinabile sarà maggiore per unità di spostamento man mano i magneti si avvicinano)

W=W= Integrale(F*dx)[0,02-0,05]=1161-426.82 = 735,82 Joule => 0.0002 kWh => uno schifo...

Anche se tralasciamo il peso della struttura (applicazione statica) e pensassimo di avvicinare ulteriormente i due magneti, aumenteremmo le capacità di stoccare energia. Ma non quanto sperato...
Ad esempio prendiamo un magnete più largo con un raggio di 30 cm. (peso totale dei due 2,2 t)
Poi abbassiamo il campo di lavoro a 1 mm fino a 5 cm.

In questo modo l'energia massima stoccabile è miseramente di 0.543 kWh...se non ho sbagliato i calcoli.

QUindi riassumendo il tutto, sarebbe molto bello poter utilizzare questa energia potenziale per stoccare energia (meccanica->elettrica) ma purtroppo i numeri dei miei calcoli dimostrano che anche senza contare i rendimenti di trasformazione (che comunque non sarebbero gravi) le quantità stoccabili sono esigue anche per "batterie" ragguardevoli...

Se volete dare un occhio ai calcoli

Ciao a tutti!

P.S. Aaaaarghhh! Mi sono dimenticato di fare un ulteriore test!!! Infatti io ho utilizzato sempre una magnetizzazione di 500 000 A/m ma su wikipedia dice che si possono raggiungere valori di 1000 000 A/m. Considerando che la magnetizzazione nella formula della forza appare al quadrato => allora se usassimo questo valore le forze aumenterebbero di 4 volte. Come aumenta il lavoro? :-) Per calcoli precisi ci penso un'altra volta..

Originariamente inviata da Lork

peso totale dei due 2,2 t) Poi abbassiamo il campo di lavoro a 1 mm fino a 5 cm.In questo modo l'energia massima stoccabile è miseramente di 0.543 kWh

Guarda... Con una batteria agli ioni di Li, per esempio da 720 kJ/kg, per stoccare 0,543 kWh te la cavi con soli 2,715 kg di batteria. Altroché 2'200 kg!

Ma difatti è quello che ho voluto dimostrare con i numeri...

Lork,
non ho letto tutto quello che hai scritto, ma

Quindi essendo questo un caso in cui non dovrebbero esserci campi variabili nel tempo e il materiale non sarebbe "tagliato dalle linee del campo"

nel tuo caso ci sono sia i campi variabili ed il materiale sarebbe tagliato dalle linee di campo.
Ciao
Mario

Abbiamo già appurato che la cosa non è fattibile, ma per quanto riguarda le perdite magnetiche in magneti permanenti e fermi (o con movimenti millimetrici) non sono ancora convinto.

Il campo magnetico è statico e non variabile perchè non è prodotto da un solenoide con corrente alternata ed i magneti non sono in movimento se non per movimenti millimetrici quindi non tagliano nessuna linea di campo. Puoi spiegare meglio?

Quindi due calamite unite ferme sul tavolo dopo un certo tempo si dovrebbero staccare???

Originariamente inviata da Lork

i magneti non sono in movimento se non per movimenti millimetrici

Appena li metti in moto, il campo non può più dirsi "statico".

Bene sarei curioso di vedere qualche numero circa le perdite di forza per spostamenti millimetrici. Scommetto che non sono poi così rilevanti, altrimenti ne avremmo certezza dall'esperienza. Se prendo due calamite da bambini e le sottopongo a ripetuti cicli di avvicinamento ed allontanamento per distanze molto brevi, vi pago da bere se l'entità della forza tra le due "calamitine" (a pari distanza) diminuisce prima di quella del vostro braccio... :-)