Desarrollan engranajes magnéticos que 'levitan'

Investigadores de la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M) han desarrollado un nuevo mecanismo de transmisión entre piezas sin contacto, basado en fuerzas magnéticas, que evita la fricción y el desgaste y hace innecesaria la lubricación. Puede aplicarse en el ámbito de la navegación espacial, pero también se ha adaptado para emplearse en otras industrias, como en ferrocarriles o aviones.

El proyecto en el que se enmarca este avance es Magdrive (Magnetic-Superconductor Cryogenic Non-contact Harmonic Drive), un proyecto de investigación europeo coordinado por el profesor José Luis Pérez Díaz, del Instituto Pedro San Juan de Lastanosa de la UC3M, en el que participan siete entidades europeas.

Consiste en el desarrollo de una caja reductora, es decir, un mecanismo que transforma la velocidad de un eje de entrada a otra en el eje de salida (como en una bicicleta o la caja de cambios de un automóvil), de tipo magnético. En este caso, a diferencia de la reductora convencional, que emplea contacto en los dientes en los engranajes, esa transmisión se produce sin contacto entre las piezas gracias al magnetismo.

Entre sus principales ventajas figura el nulo desgaste entre las piezas, que hace innecesaria la lubricación. Por tanto, “la vida operativa de estos dispositivos puede ser muchísimo mayor que la de una reductora convencional de dientes, pudiendo funcionar incluso en temperaturas criogénicas”, comenta en la nota de prensa de la universidad uno de los investigadores, Efrén Díez Jiménez, que como Pérez pertenece al departamento de Ingeniería Mecánica de la UC3M. Incluso es capaz de seguir funcionando en caso de sobrecarga. Si se bloquea el eje, “las partes simplemente se deslizan entre sí, pero nada se rompe”. Además, también produce menos ruido, se reduce la vibración, y tiene la capacidad de transmitir movimiento a través de las paredes.

Una caja de cambios que levita

Además de hacer la transmisión sin contacto, los ejes se han sujetado igualmente sin contacto. “Es la primera vez en la historia que tanto el eje de entrada como el de salida de una reductora están flotando sin ningún tipo de contacto, sobre todo cuando mantiene girando, a 3.000 revoluciones por minuto, un mecanismo en el que no hay nada más ”, comenta el investigador principal del proyecto, José Luis Pérez Díaz.

Aunque el objetivo primario del proyecto era construir un prototipo que se pudiera utilizar en las condiciones extremas del espacio, también han desarrollado otro que se puede emplear a temperatura ambiente.

Para el espacio han desarrollado el prototipo criogénico, que mantiene los ejes flotando y que puede trabajar a temperaturas de 210 grados bajo cero y en vacío. El mecanismo integra en su estructura cojinetes levitantes superconductores que generan fuerzas de repulsión estables. Esto permite que gire y, además, lo estabiliza frente a movimientos de oscilación o posibles desequilibrios. Es la primera máquina en la historia que no tiene ningún tipo de fricción.

Sus aplicaciones en el espacio son variadas, “desde brazos robóticos o posicionadores de antenas, donde se necesitan movimientos de alta precisión o no se quiere que haya contaminación por lubricantes; hasta en vehículos que, por temperatura o por las condiciones extremas de ausencia de presión, hacen que los mecanismos convencionales no tengan una vida larga, como ocurre en las ruedas de un rover que hay que poner en Marte”.

Condiciones terrestres

El segundo prototipo que han desarrollado se puede utilizar a temperatura ambiente. La reductora magnética “sustituye los dientes de los engranajes por imanes permanentes que se repelen y se atraen entre sí”, de forma que logra “la transmisión de pares y fuerzas entre las partes móviles sin contacto”, explica Díez Jiménez. Aunque el prototipo criogénico era el objetivo global del proyecto porque resolvía el problema planteado por la Agencia Espacial Europea (ESA), “sin duda el prototipo de temperatura ambiente es el que puede tener mayor impacto y aplicación industrial”, concluyen.

Sus aplicaciones se pueden trasladar a cualquier campo donde se utilicen reductoras convencionales mecánicas, como la automoción, el sector del ferrocarril, la industria petrolera o la mecánica y fabricación en general, enumeran los investigadores. Gracias a la ausencia de lubricación y aceites, también encuentra aplicación en industrias como la farmacéutica, la biomédica, o la de la alimentación, donde los requerimientos de limpieza son muy exigentes.

Los resultados finales del proyecto han sido presentados en diferentes congresos, conferencias y reuniones organizadas por la ESA, la NASA y la ASME (American Society of Mechanical Engineers, Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos). Los investigadores han publicado parte de sus resultados en la revista Engineering Tribology, entre otras.

Actualmente se encuentran analizando la implantación de este tipo de sistemas en diversas áreas industriales. Además, las últimas novedades, que ya han sido aceptadas, serán publicadas por la revista Aerospace Science and Technology.

Magdrive es un proyecto europeo, del área Espacio del Séptimo Programa Marco, coordinado por la UC3M y con la participación del Consejo Nacional de la Investigación (CNR-SPIN) de Génova y la Universidad de Cassino (ambos en Italia), la Fundación de la facultad de ciencias de la Universidad de Lisboa (Portugal) y tres empresas: BPE de Alemania, la española Lidax y CAN Superconductors, de República Checa. Además, ha dado lugar a la creación de la empresa Mag Soar como spin-off.

Referencias bibliográficas:

J. Perez-Diaz, E. Diez-Jimenez, and E. Al.: Performance of magnetic-superconductor non-contact harmonic drive for cryogenic space applications. Aerosp. Sci. Technol. (2014, pendiente de publicación).

Diez-Jimenez, Efren; Valiente-Blanco, Ignacio; Castro-Fernandez, Victor; et ál.: Design and analysis of a non-hysteretic passive magnetic linear bearing for cryogenic environments. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology (2014). DOI: 10.1177/1350650114527584.