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UNIVERSIDAD NACIOCENTRO DEL P
FACULTAD DE INGEMECÁNICA
CONVENIO ESPE
MAESTRÍA EN
P r o g rEn
L ínDiseño y c
transmisión
Arturo
Huanc
NAL DELRÚ
NIERÍA
MINISTERIO DE ENERGÍA
ÍFICO Nº 005-2011-MEM-CARELEC-UNCP/FIM
TECNOLOGÍA ENERGÉ
a m a d e in v e stig a c ió n :er
gías Renovables
a de inv estigac ión :onstrucción del sistema de
cánica de un aerogenera
Presentado por:Huber Gamarra Moreno
yo-05 de enero de 2012
Y MINAS
TICA
or
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2
ÍNDICEÍNDICE .......................................................................................................................................... 21 ANTECEDENTES.................................................................................................................. 32 JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................... 43 OBJETIVOS Y METAS .......................................................................................................... 5
3.1 Objetivo general ............................................................................................................... 5
3.2 Objetivos específicos ....................................................................................................... 5
3.3 Metas................................................................................................................................ 6
4 AREAS PROBLEMATICAS CENTRALES............................................................................. 6a) Caja negra del sistema de generación eólica .................................................................. 6
b) Matriz de funciones .......................................................................................................... 6
c) Síntesis de funciones ....................................................................................................... 7
d) Caja blanca del grupo ...................................................................................................... 8
4.1 Políticas de investigación................................................................................................. 8
4.2 Programa de investigación............................................................................................... 9
4.3 Línea de investigación...................................................................................................... 9
a) Caja negra del sistema de transmisión mecánica ........................................................... 9
b) Matriz de funciones del sistema de transmisión mecánica directa ................................ 11
c) Síntesis de funciones del sistema de transmisión mecánica......................................... 11
d) Caja blanca del sistema de del sistema de transmisión mecánica directa.................... 11
4.3.1 Denominación........................................................................................................ 124.3.2 Objetivo.................................................................................................................. 124.3.3 Problemas.............................................................................................................. 12
5 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES ................................................................................... 136 FUNDAMENTOS DEL DESARROLLO................................................................................ 137 SOPORTE............................................................................................................................ 15
7.1 Capital humano .............................................................................................................. 15
7.2 Materiales, equipamiento e instrumentos ...................................................................... 16
8 PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN ................................................................................ 179 REFERENCIA BIBLIOGRAFICA ......................................................................................... 20ANEXO: FORMATO DE TEMA DE TESIS ................................................................................. 21
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1 ANTECEDENTES
En la universidad de Chile, facultad de ciencias físicas y matemáticas del
departamento de ingeniería eléctrica se desarrolló el trabajo de tesis
denominado “Diseño y construcción de un prototipo de generador eólico de
eje vertical” elaborado por “Antezana Núñez, Juan Cristobal”, quien
investigó para titularse como ingeniero Civil Electricista el año 2004, y de
cuyo trabajo se concluye que: “El diseño e implementación de un prototipo
de aerogenerador de eje vertical permite abastecer de energía eléctrica a
pequeños consumos en zonas aisladas de la red, y tuvo como propósito
aprovechar el recurso eólico, práctico poco habitual considerando el
potencial energético que posee Chile”.
De igual forma en la universidad de Zaragoza España en la tesis “Diseño y
Construcción de un aerogenerador de 100 W para su aplicación de zonas
indígenas de México”, cuyo autor es: “Pérez Ramiro Rodrigo” quien
investigó para titularse como Máster Europeo en energías renovables
durante el año 2006, cuyo trabajo tuvo como objetivo principal “desarrollar
la tecnología de diseño, fabricación e instalación de aerogeneradores
pequeños para el cargado de baterías, para el desarrollo de este generador
se tomó como base el diseño realizado por ITDG Perú y HUGG Piggot para
lo cual fue necesario evaluar también las condiciones energéticas eólicasdel lugar con el fin de conocer los parámetros característicos del viento”.
También En la Universidad de Chile se encuentra la memoria, titulada
“Diseño de aerogeneradores con imanes permanentes para su utilización
en electrificación rural”, cuyo autor es: Baillarie Rosenmann Paul, quien
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presentó y sustentó para optar el título de Ingeniero Civil Electricista en el
año 2007, de cuyo trabajo de investigación se deduce la siguiente
conclusión final: “una alternativa factible para solucionar la carencia de
abastecimiento en zonas aisladas de dicho país es el aprovechamiento de
la energía eólica, por lo que se logró diseñar una máquina de generación
eólica capaz de entregar 40,65 MWh anuales. En dicho trabajo además se
expone el completo procedimiento necesario para la realización del diseño
de un generador síncrono de imanes permanentes, acompañado de las
consideraciones de diseño necesarias para su utilización en una turbina
eólica. También se aborda el problema de abastecimiento de energía
eléctrica en zonas rurales, para lo cual se realizó estudios climáticos y de
consumo eléctrico en una localidad, con lo que se pudo aplicar la solución
propuesta, un aerogenerador de flujo axial de imanes permanentes como
fuente de generación de energía eléctrica, presentando un procedimiento
para la creación y evaluación de este tipo de proyectos.”
2 JUSTIFICACIÓN
El presente trabajo se enfocará a sectores de la población de escasos
recursos, que se ubican en zonas aisladas del Valle del Mantaro con
potencial eólico y que no pueden acceder fácilmente a la energía eléctrica;
ya sea por ubicarse en un entorno de difícil acceso y condiciones extremas,o por su situación socioeconómica; por ello, la solución propuesta en el
presente trabajo de investigación va dirigido principalmente a suplir las
necesidades de esos sectores de la región, que por su situación
geográfica, económica y/o social, no tienen acceso a la energía eléctrica
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suficiente para un adecuado desarrollo y mejoramiento de la calidad de
vida.
Es importante resaltar también el hecho de que la creciente demanda de
energía eléctrica, cada vez más indispensable en todas las actividades
humanas, hace necesario buscar nuevas formas de satisfacerla, con la
desventaja de que actualmente gran parte de esta generación resulta
ineficiente, pues no se toman en cuenta factores ambientales necesarios
para el desarrollo humano, por lo cual, la potenciación de energías
renovables que no afecten el entorno es crucial en la generación
energética en el presente siglo.
Es por dichos motivos que se plantea realizar un proyecto que permita
solución es prácticas de acorde a la zona, aprovechando los vientos
locales, por medio del diseño de “aerogeneradores de baja potencia”, que
buscan en primera instancia apoyar a sectores desfavorecidos de la región
central del Perú.
3 OBJETIVOS Y METAS
3.1 Objetivo general
Obtener energía eléctrica de baja potencia en zonas aisladas del valle del
Mantaro mediante un sistema de generación eólica.
3.2 Objetivos específicos
Estudiar el potencial eólico de las zonas aisladas del valle del Mantaro.
Diseñar los componentes del sistema de generación eólica de baja
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potencia.
Aplicar el sistema degeneración eólica de baja potencia en una zona
aislada del valle del Mantaro.
3.3 Metas
Diseñar y construir un prototipo de un sistema de generación eólica de
baja potencia para suministrar energía eléctrica a una zona aislada del
valle del Mantaro.
4 AREAS PROBLEMATICAS CENTRALESa) Caja negra del sistema de generación eólica
Figura. 1.1: Caja negra del sistema de generación eólico
b) Matriz de funciones
Tabla 1.1: Elementos y funciones del sistema de generación eólicaELEMENTO FUNCIÓN
Rotor Convierte la fuerza del viento en el par necesariopara generar la potencia útil.
Palas Captar la energía dinámica absoluta para convertir en un movimiento rotacional.
Bujes Sirve de acoplamiento entre la pala y el rotor Árbol de bajavelocidad
Transfiere el par torsor desde el rotor al resto deltren de potencia.
SISTEMA DE GENERACIÓN EÓLICA
Energía eléctrica
VariableIndependiente
VariableDependiente
EnergíaCinética del viento
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Acoplamiento Tiene como función conectar los árbolesFreno Reduce las revoluciones del rotor cuando es
necesario. Actúa cuando la velocidad del viento esdemasiado alta, y existe el riesgo de rotura del rotor
o las aspas. Está gobernado por el controlador.Caja multiplicadorade engranajes
Tiene como función adaptar la baja velocidad deleje del rotor a las mayores velocidades deoperación del generador eléctrico.
Árbol de altavelocidad
Tramsitir el par del rotor para una velocidad derotación alta del generador.
Generador asíncrono
Produce energía eléctrica en el estator, cuando lavelocidad de giro de su rotor, impulsado por el ejede alta, es superior a la velocidad de giro del campomagnético de excitación creado por el estator.
Generador síncrono Convierte la energía mecánica de rotación enenergía eléctrica.
Motoreductor Se encarga hacer girar la corona de orientaciónsegún la dirección del viento. Este mecanismo estágobernado en todo momento por el controlador.
Veleta Detecta la dirección en la que sopla el viento. Esteaparato la manda los datos al controlador, para queeste actúe sobre el motor de orientación enconsecuencia.
Sensores Captan señales sobre los parámetros de operacióndel sistema.
Acondicionador deseñal
Chequean la velocidad y la dirección del viento.
Torre Elevar el rotor de la maquina respecto del nivel delsuelo.Góndola Proteger de los agentes atmosféricos.
c) Síntesis de funciones
Tabla 1.2: Síntesis de funciones
Elementos Esencial No esencial Rotor XPalas X
Bujes XÁrbol de bajavelocidadAcoplamiento XFreno XCajamultiplicadorade engranajes
X
Árbol de alta X
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velocidadGenerador asíncrono
X
Generador
síncrono
X
Motoreductor XVeleta XSensores XAcondicionador de señal
X
Torre XGóndola X
d) Caja blanca del grupo
Figura. 1.2: Caja blanca del sistema de generación eólico
4.1 Políticas de investigación
Las políticas propuestas para el presente trabajo de investigación se
detallan a continuación:
Los proyectos de investigación deben resolver problemas de
generación de energía eléctrica mediante el aprovechamiento de la
energía eólica, de acuerdo a las líneas de investigación sugeridas para
los programas de estudio de postgrado que financia el MINEM
(CARALEC).
Captacion TransmisiónMecánica
Generacióneléctrica
Regulación ycontrol
Orientación
Soporte
Energíacinética
delviento
Energíaeléctrica
+
+ +
+
+
+
++
+
+
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La investigación en este caso es necesaria para resolver problemas de
falta de energía en zonas rurales aisladas, para mejorar la calidad de
vida de los pobladores.
Los integrantes del equipo de investigación de sistema de generación
eólica ejecutarán el proceso de investigación durante el desarrollo de
estudios concluyendo al finalizar el último semestre con la sustentación
del borrador de tesis.
Las actividades de investigación han de efectuarse en zonas rurales
aisladas de la región, y en la UNCP.
Los proyectos de investigación utilizarán el método científico y el
enfoque sistémico.
Los proyectos de investigación requieren de la construcción de
modelos y prototipos
La investigación será compartida entre los integrantes del equipo de
investigación, la comunidad beneficiaria así como expertos en el tema
a quienes se recurrirá a través de consultas oportunas.
4.2 Programa de investigación
Energías renovables
4.3 Línea de investigación
a) Caja negra del sistema de transmisión mecánica
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Figura. 4.1: Caja negra del sistema de transmisión mecánica
En la mayoría de los diseños, la velocidad de giro de la turbina no se
corresponde con la velocidad de giro del generador y es necesario
incluir una caja multiplicadora.
El cuerpo de baja velocidad de este elemento se acopla al rotor eólico
a través del eje primario o eje lento y el cuerpo de alta velocidad al
generador eléctrico mediante el eje secundario o eje rápido. Además,
en el tren de potencia se incluyen los apoyos del sistema de giro con la
estructura de la góndola y el freno mecánico, cuya función es bloquear
la turbina en operaciones de mantenimiento y eventualmente contribuir
a paradas de emergencia.
Las funciones del tren de potencia no se limitan a transmitir la potencia
mecánica con el mayor rendimiento posible, sino que sus componentes
deben estar diseñados para soportar los esfuerzos de empuje
admitidos por el rotor eólico. Por otra parte, un buen diseño del tren de
potencia debe garantizar que dos sus elementos sean de fácil montaje
y sustitución en caso de avería.
Es necesario tener en cuenta que hoy día el empleo de generadores
SISTEMA DE TRANSMISION MECANICA
Alta velocidadrotacional del ejedel hacia elgenerador eléctrico
VariableIndependiente
VariableDependiente
Baja velocidadrotacional deleje del rotor
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multipolares directamente acoplados, esto es sin caja multiplicadora, es
una solución muy prometedora en los diseños de turbinas más
modernas.
b) Matriz de funciones del sistema de transmisión mecánica directa
Tabla 4.1: Atributos y funciones del sistema de transmisiónmecánica directa
ATRIBUTO FUNCIÓN Eje del rotor de bajavelocidad
Entrega el torque desde el rotor de baja rpm al restodel tren de potencia
Freno mecánico La función principal del freno mecánico es mantener bloqueado el eje de giro durante las operaciones de
puesta en marcha y mantenimiento delaerogenerador.
Cojinete Aloja al rodamientoRodamiento Permite la rotación del eje
c) Síntesis de funciones del sistema de transmisión mecánica
A continuación se en la tabla 4.2. se detalla la síntesis de las funciones
del sistema de transmisión mecánica directa:
Tabla 4.2: Síntesis de funciones del sistema de transmisiónmecánica directa
ELEMENTO Primario SecundarioEje del rotor debaja velocidad
X
Freno mecánico XCojinete XRodamiento X
d) Caja blanca del sistema de del sistema de transmisión mecánica
directa
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Figura. 4.2: Caja blanca del sistema de transmisión mecánica directa
4.3.1 Denominación
Diseño y construcción del sistema de transmisión mecánica de un
aerogenerador.
4.3.2 Objetivo
Diseñar y construir los componentes un sistema de transmisión
mecánica directa del sistema de generación eólica.
4.3.3 Problemas
PROBLEMA PROBLEMAS Descriptivo
¿Cuáles son las características del eje del rotor,rodamientos, cojinetes y freno mecánico quepermiten lograr velocidad rotacional alta hacia eleje del generador multipolo?
Explicativo¿Cómo se relacionan el eje del rotor,rodamientos, cojinetes y freno mecánico quepermiten lograr velocidad rotacional alta hacia eleje del generador multipolo?
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Experimental¿Qué pasa con la velocidad rotacional del ejehacia el generador multipolo si se modifica la
estructura del eje del rotor, rodamientos,cojinetes y freno mecánico?
Aplicada¿Cómo combinar las formas o estructuras deleje del rotor, rodamientos, cojinetes y frenomecánico para mejorar la velocidad rotacionaldel eje hacia el generador multipolo?
5 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
ACTIVIDAD 2011 2012 2012 2013
I SEMESTREII
SEMESTREIII
SEMESTREIV
SEMESTRED E F M A M J J A S O N D E F M
Sistema
problemáticox x x x
Presentación einscripción delplan de tesis
x x x x
Desarrollo de latesis
x x x x x x
Presentación ypresustentación deborrador detesis
x x x x
6 FUNDAMENTOS DEL DESARROLLO
Carta Gonzales José A.; Calero Pérez Roque; Colmenar Santos Antonio;
Castro Gil Manuel-Alonso (2009), señalan que un sistema de generación
eólica está compuesto por seis subsistemas, que son:
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A) Subsistema de captación:
B) Subsistema de transmisión mecánica
C)Subsistema de generación eléctrica
D)Subsistema de orientación
E) Subsistema de regulación
F) Subsistema de soporte.
Dichos autores también indican que un sistema de transmisión mecánica
para generación de potencia en sistema eólico esta formado por un eje que
transmite el movimiento rotacional del rotor y la potencia al multiplicador de
velocidad. Un soporte que permite la rotación del eje en el cojinete de
rodamientos. Un ajuste y alineamiento adecuado permitirá el
funcionamiento con un mínimo de perdida por fricción.
Así mismo, Álvarez Munguía Ricardo (2008) afirma que “Una de lassoluciones más atractivas que han aparecido en los últimos años consiste
en la eliminación de la caja multiplicadora que adecúa la velocidad de giro
de la turbina a la del generador. De este modo se elimina uno de los
elementos más sujetos a fallos y se incrementa la fiabilidad del sistema.
Otras ventajas derivadas de la eliminación de la caja multiplicadora
provienen de la disminución de los requerimientos de mantenimiento y de
las pérdidas asociadas. Se ha de mencionar también la reducción del ruido
emitido por la aeroturbina.
Sin embargo la eliminación del multiplicador de velocidad conlleva la
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necesidad de incorporar generadores de baja velocidad, con elevado
número de polos (con el consecuente aumento del tamaño del generador).
En general, el diámetro de estos generadores es inversamente
proporcional a la masa de material electromagnéticamente activo.
En el caso de pequeños aerogeneradores con generador asíncrono de
jaula de ardilla se puede prescindir de la caja multiplicadora, con las
grandes ventajas que ello conlleva”
7 SOPORTE
7.1 Capital humano
El equipo de trabajo para el estudio y ejecución del presente trabajo de
investigación está constituido por:
NOMBRES Y APELLIDOS
OBLIGACIONES CAPITAL HUMANO APORTE ALTRABAJO
Raúl Mayco
Chávez
Responsable Profesor Principal
adscrito FIM-UNCPDictado deasignaturas:Termodinámica,Centraleshidroeléctricas,centrales termo-hidráulicas.Estudio de Maestría:Tecnología energética
Análisis y
diseño en elsistema detransmisión
EdmundoMuñico Casas
Colaborador Profesor Asociadoadscrito FIM-UNCPDictado deasignaturas: Mecánicade fluidos, turbomaquinas,termodinámica,energías noconvencionales,centralestermohidráulicas
Análisis ydiseño en elsistema decaptación sindifusor
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Estudio de Maestría:Desarrollo Ruralsostenible
Rolando
MontalvánLozano
Colaborador Profesor Asociado
adscrito FIM-UNCPDictado deasignaturas: Maquinaseléctricas, electrónicaEstudio de Maestría:AdministraciónFinanzasEstudio de Doctorado:Ingeniería eléctrica
Análisis y
diseño en elsistema delgenerador eléctrico
Mario ArellanoVílchez
Colaborador Profesor Auxiliar adscrito FIM-UNCPDictado deasignaturas: AnálisismatemáticoEstudio de Maestría:Administraciónmención informáticapara la gestiónEstudio de Doctorado:Tecnología energética
Análisis ydiseño en elsistema decaptación condifusor
Arturo GamarraMoreno
Colaborador Profesor Auxiliar adscrito FIM-UNCPDictado de
asignaturas:Matemática básicaEstudio de Maestría:Administraciónmención informáticapara la gestiónEstudio de Doctorado:Sistema
Análisis ydiseño delsistema de
transmisióndirecto
ArmandoCalcina Sotelo
Colaborador Profesor Auxiliar adscrito FIM-UNCPDictado deasignaturas: Motores
de combustión internaEstudio de Maestría:Ciencias energéticascon mención en gasnatural
Análisis ydiseño en elsistema delregulación y
control
7.2 Materiales, equipamiento e instrumentos
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Materiales
Fibra de vidrío
Madera
Sensores y otros elementos electrónicos
Imanes permanentes
Rodamientos
Equipos e Instrumentos
Anemómetro
Ordenador GPS
Tacómetro
Voltímetro
8 PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN
Considerando en este caso la siguiente línea de investigación: Diseño y
construcción del sistema de transmisión mecánica de un
aerogenerador ; y las preguntas mostradas en cada uno de los problemas,
se tiene:
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Del gráfico anterior y de las referencias bibliográficas así como del interés
por financiar proyectos por CARELEC se concluye que las investigaciones
aplicadas referentes a encontrar las mejores soluciones para el sistema de
transmisión directa en este caso, será la que mayor importancia tiene.
Es necesario tener en cuenta la propuesta como trabajos futuros que hace
Baillarie Rosenmann Paul (2007) quien señala: que “Debido a la positiva
evaluación teórica de la implementación de aerogeneradores de eje
horizontal para el abastecimiento de energía eléctrica en zonas rurales, se
plantea como desafíos futuros para trabajos que sigan en esta misma línea,
el que parece como paso lógico a seguir, la confección de un prototipo de
este aerogenerador de eje horizontal, a fin de lograr el conocimiento
práctico del cual aún Chile carece, con miras a concretar la
manufacturación de este tipo de tecnología en forma local, siendo éste el
camino para concretar una futura independencia energética, sobre todo en
vista del próximo agotamiento de los combustibles fósiles, hecho que será
precedido por el aumento inconmensurable de sus precios, lo que dañaría
seriamente la economía de dicho país si se enfrentase ese momento con la
actual matriz energética del país, donde la generación eléctrica en base a
centrales térmicas juega un papel muy importante”.
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9 REFERENCIA BIBLIOGRAFICA
Álvarez Munguía Ricardo. Mejora del rendimiento de un generador eólico
asíncrono conectado a la red, mediante convertidores electrónicos y
controladores de lógica borrosa. Tesis Doctoral. España: Universidad de
Salamanca 2008
Antezana Núñez, Juan Cristobal. Diseño y construcción de un prototipo de
generador eólico de eje vertical. Tesis de grado. Chile: Universidad de
Chile 2004.
Baillarie Rosenmann Paul. Diseño de aerogeneradores con imanes
permanentes para su utilización en electrificación rural. Tesis de grado
Chile: Universidad Chile. 2007
Carta Gonzales José A.; Calero Pérez Roque; Colmenar Santos Antonio;
Castro Gil Manuel-Alonso. Centrales de Energías renovables. Generación
eléctrica con energías renovables. Madrid, España: Pearson Educación
S.A. 2009.
Pérez Ramiro Rodrigo. Diseño y Construcción de un aerogenerador de 100
W para su aplicación de zonas indígenas de México. Tesis de Maestría.
España: Universidad de Zaragoza; 2006
Espinoza Montes, Ciro. Sistema problemático. Diseñando líneas de
investigación. Huancayo, Perú: Imagen Gráfica, diciembre de 2011
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ANEXO: FORMATO DE TEMA DE TESIS
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
MAESTRIA EN TECNOLOGÍA ENERGÉTICA
APELLIDOS Y NOMBRES DEL MAESTRANDO
Gamarra Moreno_Arturo Huber______________________________________
_______________________________________________________________
LINEA DE INVESTIGACIÓN
Diseño y construcción del sistema de transmisión mecánica de un
aerogenerador___________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
TEMA DE TESIS
Sistema de transmisión mecánica directa para aumentar la baja velocidad de
rotación del rotor de un aerogenerador
PROBLEMA¿Cómo combinar las formas o estructuras del eje del rotor, rodamientos,
cojinetes y freno mecánico para mejorar la velocidad rotacional del eje hacia el
generador multipolo?
__________________________
Tesista
__________________________
V°B° Docente
__________________________
V°B° Director de la UPGFIM
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