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La importancia de las caracter�sticas principales de seleccionar un motor para la propulsi�n de veh�culos el�ctricos

 

The importance of the main characteristics of selecting an engine for the propulsion of electric vehicles

 

A import�ncia das principais caracter�sticas da sele��o de um motor para a propuls�o de ve�culos el�tricos

 

Jairo Edison Guasumba-Maila I jguasumba@tecnoecuatoriano.edu.ec https://orcid.org/0000-0002-0533-0397

V�ctor Alfonso Garay-Cisneros II vgaray@tecnoecuatoriano.edu.ec https://orcid.org/0000-0001-6739-9309

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	Neyser Rolando Camacho-Quille III rquille@hotmail.com https://orcid.org/0000-0002-6662-2158
			Cristopher Alexander C�rdova-Vergara III cris199764@hotmail.com https://orcid.org/0000-0001-8180-9175

 

 

 

 

Correspondencia: jguasumba@tecnoecuatoriano.edu.ec

Ciencias de la T�cnicas y Aplicadas

Art�culos de investigaci�n

 

 

*Recibido: 16 de julio de 2021 *Aceptado: 30 de agosto de 2021 * Publicado: 08 de septiembre de 2021

 

       I.            Mag�ster en Dise�o Mec�nico, Docente Investigador, Coordinador de Carrera de Mec�nica y Electromec�nica Automotriz, Instituto Superior Tecnol�gico Tecnoecuatoriano, Ecuador.

    II.            Magister en Educaci�n Menci�n Gesti�n del Aprendizaje. Mediado por Tic, Docente investigador. Director de Vinculaci�n con la sociedad, Miembro del Consejo Acad�mico Superior ISTTE, Instituto Superior Tecnol�gico Tecnoecuatoriano, Ecuador.

�III.            Participante Investigador, Estudiante Tecnolog�a Superior en Mec�nica Automotriz, Instituto Superior Tecnol�gico Tecnoecuatoriano, Ecuador.

�IV.            Participante Investigador, Estudiante Tecnolog�a Superior en Electromec�nica Automotriz, Instituto Superior Tecnol�gico Tecnoecuatoriano, Ecuador.

Resumen

Un veh�culo el�ctrico es un veh�culo accionado por un motor el�ctrico y funciona utilizando la energ�a almacenada en las bater�as a partir del controlador de acuerdo con la potencia requerida por el usuario y fabricante ya que aporta como factor de sostenibilidad en las grandes ciudades. El objetivo de este trabajo fue caracterizar las caracter�sticas en lo que respecta a la creciente innovaci�n en el sistema del motor el�ctrico, ha resultado fundamental obtener una comprensi�n de gran alcance de los criterios relacionados con la determinaci�n de los motores el�ctricos. Se observa que el uso de motor el�ctrico ha variado de un fabricante a otro en busca de la optimizaci�n y mayor rendimiento. En conclusi�n, se present� las aplicaciones, y los resultados de los motores m�s utilizados en el mercado acorde a diversas fuentes de informaci�n sus principales caracter�sticas aplicativas como constructivas, adem�s de sus alcances de eficiencia.

Palabras clave: Veh�culo el�ctrico; motor el�ctrico; eficiencia; fiabilidad; industria automotriz.

 

Abstract

An electric vehicle is a vehicle powered by an electric motor and works using the energy stored in the batteries from the controller in accordance with the power required by the user and manufacturer as it contributes as a sustainability factor in large cities. The objective of this work was to characterize the characteristics in regard to the increasing innovation in the electric motor system, it has been essential to obtain a wide-ranging understanding of the criteria related to the determination of electric motors. It is observed that the use of electric motor has varied from one manufacturer to another in search of optimization and greater performance. In conclusion, the applications and the results of the most widely used motors in the market were presented according to various sources of information, their main application and constructive characteristics, in addition to their efficiency ranges.

Keywords: Electric vehicle; electric motor; efficiency; reliability; Automotive industry.

 

Resumo

O ve�culo el�trico � um ve�culo movido a motor el�trico e funciona utilizando a energia armazenada nas baterias do controlador de acordo com a pot�ncia exigida pelo usu�rio e pelo fabricante, pois contribui como fator de sustentabilidade nas grandes cidades. O objetivo deste trabalho foi caracterizar as caracter�sticas no que diz respeito � crescente inova��o no sistema de motores el�tricos, sendo essencial obter uma compreens�o abrangente dos crit�rios relacionados � determina��o de motores el�tricos. Observa-se que o uso de motor el�trico tem variado de um fabricante para outro em busca de otimiza��o e maior desempenho. Em conclus�o, foram apresentadas as aplica��es e os resultados dos motores mais utilizados no mercado segundo v�rias fontes de informa��o, a sua principal aplica��o e caracter�sticas construtivas, bem como as suas gamas de rendimento.

Palavras-chave: Ve�culo el�trico; motor el�trico; efici�ncia; confiabilidade; ind�stria automotiva.

 

Introducci�n

Los veh�culos h�bridos y completamente el�ctricos son cada vez m�s populares como veh�culos de pasajeros. Una parte clave del tren de transmisi�n de veh�culos h�bridos y totalmente el�ctricos es la m�quina el�ctrica. Mantener los veh�culos el�ctricos h�bridos (HEV) competitivos en costo y rendimiento para sus Contrapartes del motor de combusti�n interna tradicional (ICE), el motor de tracci�n debe tener una alta eficiencia en todo el rango de velocidad, una buena relaci�n peso-potencia y ser lo m�s bajo posible (Walker et al., 2015). Los motores el�ctricos est�n destinados a su uso particular en veh�culos el�ctricos. Los veh�culos el�ctricos pueden encender motores AC / DC seg�n la configuraci�n o dependiendo de la utilizaci�n esperada del veh�culo el�ctrico. Ha habido una inmensa investigaci�n en el aspecto de los motores el�ctricos y se han creado tipos distintivos de motores de CC y CA a lo largo de los a�os (Bhatt et al., 2019).

Las caracter�sticas tales como peso, eficiencia, fiabilidad y factor costo� (entre otras) son relevantes al estudio de los motores, as� como las bater�as com�nmente ocupadas para alimentar a este tipo de motores. Acorde a este tema se puede apreciar c�mo, al momento de seleccionar un motor, se toman en cuenta varios factores, calificados en varios rangos y acorde a diversos par�metros. En la actualidad podemos encontrar m�ltiples y variadas propuestas a la hora de seleccionar un motor para la propulsi�n de veh�culos el�ctricos. Debido a esto se ha logrado recopilar una gran cantidad de informaci�n, en la cual podremos observar las comparaciones entre los motores existentes en el mercado y optar por la que m�s nos convenga.

El an�lisis t�cnico y comparativo de algunos motores es para la formula SAE el�ctrico es de corriente continua de 100 Kw, controlador electr�nico de 50 �450 V / 340 A, adem�s el paquete de bater�as de eBaracus �M�dulo LIFEP04 20Ah con celdas A123� nos brinda 178.2 V y una capacidad de 20Ah, y una energ�a nominal de 3.51 KW, para cubrir con las exigencias se instalaran dos de �stos paquetes dispuestos en serie que nos brindaran un voltaje nominal de 356.4 V y una energ�a de 7.02 KW, por lo que abastecer� todos los sistemas el�ctricos y electr�nicos del veh�culo permitiendo el mejor rendimiento del mismo en cada una de las pruebas de pista. Este tipo de bater�a es de Litio-Ferrofosfato. (CABRERA, A., CALLE, C. 2016). Por otro lado, el motor seleccionado luego de realizar los an�lisis pertinentes es el UQM Powerphase 100 Traction System de corriente alterna s�ncrono de imanes permanentes. Este inversor presenta una limitaci�n de tensi�n de 425 VDC. Adem�s se ha seleccionado un paquete de bater�as CALB CA100FI 100Ah LiFePo4 Cell, se necesitaran 108 celdas para cumplir con los 335 VDC y tienen una capacidad de 100Ah. Este tipo de bater�a es de Litio-Ferrofosfato (Christian Abarca Aguilar. 2019; Cuesta Capellan. 2017).

Para ello, se hace necesario en primera instancia conocer que tipos de motores se pueden utilizar en veh�culos el�ctricos. Acto seguido, se deben definir y comprender, as� como conocer las caracter�sticas propias de cada motor. De esta manera, se podr� seleccionar con mayor facilidad y certeza el motor m�s adecuado para nuestro veh�culo el�ctrico, sac�ndole as� el m�ximo provecho a sus caracter�sticas y capacidades. El presente� documento expone las caracter�sticas principales a tener en cuenta a la hora de seleccionar un motor para la propulsi�n de veh�culos el�ctricos. Para ello, se ha escogido y comparado informaci�n de distintas fuentes.

 

2. Diferentes motores el�ctricos

La finalidad del motor consiste en entregar el par a las ruedas de tracci�n, garantizando en la mayor medida posible que existan el menor n�mero de perdidas mec�nicas posibles, con un nivel de empuje constante. Al existir estas p�rdidas se podr�a asumir que el motor resulta poco fiable aunque est� cumpliendo con su funci�n correctamente y trabajando dentro de los rangos establecidos. Dada la dificultad en conseguir determinados repuestos para diferentes modelos de veh�culos el�ctricos no muy conocidos en el mercado (marcas poco comerciales), resulta muy importante conocer la ubicaci�n donde poder conseguir esos motores concretos, la asequibilidad de estos, los precios y que tanto se dificulta la obtenci�n de los repuestos.

 

En palabras de Zeraoulia (2006) respecto a las caracter�sticas de accionamiento y aquellas� que deben tener los motores empleados para propulsi�n de VE, estas se resumen de la siguiente manera: Alta densidad de potencia con el fin de minimizar el volumen ocupado por los motores y reducir el peso adicional que debe transportar el VE; Alto par motor a bajas velocidades con el fin de lograr r�pida aceleraci�n y disponer de alta capacidad para superar pendientes; Amplio rango de variaci�n de velocidad; Baja inercia para lograr respuestas r�pidas ante cambios en la consigna de velocidad; Alto rendimiento en todo el rango de velocidades con el fin de aumentar la autonom�a del VE; Buena capacidad de sobrecarga con el fin de poder superar requerimientos adicionales durante breves per�odos; Costo razonable (Zeraoulia et al., 2006; Verucchi, Bossi�, Garc�a y Ruschetti., 2015)

Una detallada descripci�n de las m�quinas el�ctricas utilizadas para tracci�n respecto a los principales modelos de veh�culos el�ctricos h�bridos, orientado estos motores a su uso en veh�culos el�ctricos (Zeraoulia et al., 2006). Adem�s, Walker, Galea y Gerada (2015) se describen las diferentes tecnolog�as y topolog�as de m�quinas que se han considerado para alcanzar los objetivos de FreedomCar (programa de la Oficina Nacional de Eficiencia Energ�tica y Energ�a Renovable de EE. UU). A continuaci�n se muestra distintos motores en base a la descripci�n de su funcionamiento.

Motor de im�n permanente de montaje en superficie: Las m�quinas SMPM (Choi y Jahns, 2013) tienen PM (Permanent Magnet) en la superficie del rotor, que proporcionan el flujo de campo. Si bien tener los PM lo m�s cerca posible del espacio de aire proporciona el factor de utilizaci�n m�ximo del im�n que resulta en una alta densidad de torque, tiene algunas desventajas. Solo se ha encontrado un intento documentado de usar 36 SMPM de 30 polos de ranura. Los dise�os exceden ligeramente el l�mite del di�metro del estator. Tambi�n se muestra que para el par m�ximo, la corriente debe exceder el l�mite del objetivo.

Motor de im�n permanente interior: La m�quina IPM funciona seg�n el mismo principio que la SPM pero tiene los PM enterrados debajo de la superficie del rotor (Vagati, Pellegrino y� Guglielmi, 2010). Esto proporciona una densidad de torsi�n de alineaci�n magn�tica y de potencia casi tan buena como el SPM� y tambi�n mejora la robustez del rotor, incluso a velocidades m�s alta. Puede alcanzar velocidades m�s altas que la m�quina SMPM, aunque el rendimiento (en t�rminos de eficiencia y par) no es �ptimo a estas velocidades m�s altas.

 

Esta m�quina es el est�ndar actual de la industria para la tracci�n automotriz, ya que tiene una alta densidad de torque y capacidades moderadas de alta velocidad. Los IPM se utilizan en muchas aplicaciones actuales de veh�culos h�bridos, como muchos de los modelos Toyota Prius (El-Refaie, 2013) y Cummins de tracci�n h�brida de Generator Technologies.

Motores de inducci�n: Los IM utilizan los principios de la inducci�n electromagn�tica para generar un flujo de campo a partir de barras de rotor conductoras de electricidad. Esto mantiene uno de los beneficios de las m�quinas PM, es decir, que solo el estator debe recibir corriente. Son baratos, confiables y resistentes y tienen un rendimiento lo suficientemente bueno como para producir una tracci�n adecuada (Jalalifar,� Payam, Mirzaeian, y� Nezhad, 2006) Una ventaja notable de los IM es que el flujo del rotor puede regularse mediante un control orientado al campo. Esto los hace bastante competitivos contra las m�quinas PM en la regi�n de alta velocidad. Pueden ser motores de inducci�n con jaula de ardilla destacan por su bajo costo, robustez, gran confiabilidad (por t�cnicas de control con un alto nivel de evoluci�n y experiencia)� y bajo mantenimiento, ofreciendo adem�s un buen servicio en cuanto a variaci�n de velocidades. Cabe destacar, que pese a su buen servicio en velocidades, si estas se incrementan por encima de la nominal, el rendimiento se reducir� en gran medida (presentando bajo factor de potencia, bajo rendimiento y un bajo factor de utilizaci�n del inversor). El funcionamiento de este presenta una gran ventaja, pues es reversible. A�n as�, es aplicado tanto aparatos elevadores y veh�culos el�ctricos como cintas transportadoras y gr�as, entre otros. Una de las caracter�sticas principales de este motor es que presenta corriente alterna trif�sica en la que la velocidad de giro del rotor es levemente inferior a la velocidad del campo magn�tico que se genera en el estator, velocidad de sincronismo (Palacios, 2017). Adem�s las caracter�sticas deseadas de dicho sistema de propulsi�n son (Faiz et al, 2003): Altos cocientes par/inercia y potencia/peso, es decir, ofrece una gran eficiencia en cuanto a sus caracter�sticas mec�nicas y sus prestaciones; Alto par m�ximo (300 a 400% del par nominal); Alta eficiencia en un amplio rango de velocidades; Recuperaci�n de energ�a durante el frenado.

Motores de reluctancia conmutada: Las m�quinas SR producen un par basado �nicamente en la resistencia del rotor. Los SR se definen por tener una estructura de rotor simple, robusta y de bajo costo y capacidad para rotaci�n de alta velocidad (Nakamura, Murota y Ichinokura, 2007); Esto proviene de que el rotor est� hecho de acero laminado (con una forma dentada para producir la resistencia). El movimiento es m�s discreto que otras m�quinas y, por lo tanto, genera vibraciones m�s altas que causan ruido ac�stico y ondulaci�n de par. El rotor simple tambi�n significa menor potencia y densidad de par, por lo que las m�quinas de alto par deben ser muy grandes (Zeraoulia et al., 2006; Verucchi, Bossi�, Garc�a y Ruschetti., 2015). Debido a la baja densidad de torque de la mayor�a de los dise�os SR.

Motores de renuencia s�ncrona: Las m�quinas SynRel son un h�brido entre la m�quina SR y la m�quina s�ncrona. Esta m�quina solo produce un par de reticencia, en funci�n de la prominencia de la m�quina. El rotor est� hecho de acero laminado, con barreras de flujo colocadas dentro del rotor, como se ve en la Figura 1, para crear una diferencia en las reticencias de los ejes d y q.

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Figura 1 secci�n del rotor

 

Debido a la falta de PM o devanados, el rotor de un SynRel tiene los beneficios del rotor SR, ya que es barato y robusto y, si est� dise�ado correctamente, puede alcanzar altas velocidades (Malan,� Kamper y Williams, 1998). Si bien se puede lograr un nivel aceptable de densidad de par (considerando que no incluye PM), su rendimiento no se puede comparar con el de una m�quina de PM y, por lo tanto, es improbable que los requisitos del par m�ximo y nominal de Se llegar� a la aplicaci�n en cuesti�n. El SynRel, particularmente con asistencia PM, ha sido sugerido para aplicaciones HEV y EV.

Motores de cambio de flujo: Uno de los principales beneficios de las m�quinas FS es que pueden desarrollarse para producir el flujo puramente en el estator, que comprende tanto los devanados del inducido como la disposici�n de producci�n en el campo. Este �ltimo puede ser PM (PMFS) o con un campo de herida (WFFS) para producir el flujo de campo, o podr�a tener ambos. El rotor es generalmente un dise�o similar a un rotor SR y, por lo tanto, ofrece los mismos beneficios de robustez y bajo costo (Raminosoa, Gerada y Galea, 2011).

El uso de bobinados de campo proporciona m�s control del flujo de campo, pero requiere un d.c. entrada actual; en la Figura 2 se muestra una m�quina de rotor externo que usa esto. Si se usan PMs, no se requiere entrada de corriente de campo y, por lo tanto, se producen menos p�rdidas, sin embargo, se deber� emplear el debilitamiento de campo a velocidades m�s altas para reducir y reducir el flujo de campo niveles aceptables. La ventaja de tener tanto MP como bobinados de campo es que los MP pueden producir la mayor parte del flujo, pero los bobinados pueden controlar esto para fortalecer o debilitar el campo.

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Figura 2 m�quina de rotor externo

 

Si bien la densidad de potencia de las m�quinas PMFS es comparable a la de una m�quina s�ncrona de PM, la relaci�n de utilizaci�n de PM es menor que la de la m�quina Toyota Prius IPM, por lo que se necesitar�a una masa de PM m�s grande para obtener esta densidad de potencia similar a Un dise�o de IPM (Ruiwu, Mi y Ming, 2012). Sin embargo, debido a que las PM estar�an en el estator, estar�an m�s cerca del sistema de enfriamiento, esto significa que se requerir�a menos disprosio (necesario para mejorar la temperatura m�xima de operaci�n de NdFeB), posiblemente reduciendo el costo total del material de PM. Otra ventaja de los PM en el estator es que no hay problemas con la retenci�n del im�n.

 

Motores de memoria de flujo: Los motores FM son una variante de una m�quina IPM de polo radial, que utiliza la desmagnetizaci�n parcial reversible de las PM para controlar el flujo que fluye a trav�s del entrehierro. Esto proporciona una regi�n de debilitamiento de campo m�s amplia, lo que resulta en mejores rendimientos a alta velocidad. El rotor generalmente usa PMs radiales, con una direcci�n de magnetizaci�n tangencial (Ostovic, 2001), como en la Figura 3. La desmagnetizaci�n de las PM debe ser controlada.

Esto puede hacerse con un control muy cuidadoso de la corriente del eje d, o empleando un segundo conjunto de devanados (en el rotor o estator). Se utilizan PM trapezoidales (con el �rea m�s amplia m�s cerca del radio exterior del rotor) porque esto proporciona control espacial sobre la desmagnetizaci�n de PM (Ostovic, 2001).

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Figura 3. El rotor generalmente usa PMs radiales

 

Este tipo de m�quina se ha sugerido para aplicaciones de tracci�n automotriz como generador de arranque integrado (ISG) debido al control preciso del flujo y la alta eficiencia de la m�quina. La m�quina utilizada para esto es de baja potencia, 2.2kW, en comparaci�n con los objetivos DoE, por lo que el problema de escalar los imanes sigue siendo un problema.

Motores homopolares: Hay un renovado inter�s en esta tecnolog�a debido al dise�o libre de PM y al control preciso del flujo. El rotor es dos secciones de postes de hierro salientes rotados 180� el�ctricamente entre s� como se aprecia en la figura 4 (Severson, Nilssen, Undeland y Mohan, 2012). No tiene devanados ni PM en el rotor ofrece ventajas similares a las m�quinas SR. La bobina de campo separada permite una excitaci�n de campo controlable que es muy beneficiosa cuando se debilita el campo. La bobina de excitaci�n de campo es simple, confiable y su ubicaci�n ayuda a protegerla de las fuerzas sobre el rotor.

Figura 4 Dise�o de bajo par, con una velocidad mucho mayor.

 

Esta tecnolog�a nunca se ha considerado para aplicaciones de tracci�n automotriz de alto par, pero se ha dise�ado como un volante de alta velocidad adecuado para veh�culos el�ctricos h�bridos (Tsao, Senesky y Sanders, 2002).

Motores de flujo axial: Las m�quinas axiales generalmente tienen un volumen m�s peque�o para la misma potencia que sus contrapartes radiales. El principal beneficio de las m�quinas de flujo axial son los valores de densidad de torque extremadamente altos que se pueden lograr.

Estas m�quinas son m�s dif�ciles de escalar que las radiales porque el par es proporcional al cubo del di�metro e independiente de la longitud de la pila, por lo que para aumentar el par producido, se debe aumentar el di�metro y se deben fabricar laminaciones de diferentes tama�os. Esta incapacidad para escalar f�cilmente es un gran problema al considerar las m�quinas de tracci�n, que probablemente se producir�n para una gama de diferentes veh�culos. Las m�quinas de flujo axial a menudo est�n dise�adas para aplicaciones de tracci�n debido a su alta densidad de torque.

Motores de flujo transversal: Los TFM tienen flujo en la direcci�n transversal. Este tipo de m�quina utiliza un devanado de fase homopolar, un n�cleo de estator formado por n�cleos C laminados y un rotor provisto de PM heteropolares. Cada TFM es monof�sico, por lo que para m�ltiples fases, se necesitan m�ltiples m�quinas, en la Figura 7 se muestra un TFM con dos fases.

Las principales ventajas de TFM son la alta densidad de par potencial y la alta carga el�ctrica (Wei et al., 2009). Aumentar el n�mero de polos aumenta la potencia y reduce la velocidad de la m�quina; esto significa que el par aumenta en una cantidad considerable. Los principales inconvenientes de esta m�quina son que, similar a una m�quina de flujo axial, su construcci�n es muy compleja y la escala tambi�n es problem�tica.

 

Motores de espacios m�ltiples de aire: Las m�quinas con espacio de aire m�ltiple normalmente se basan en SMPM e IPM, pero existen otras, como SR o IM y combinaciones entre dos topolog�as.

Las m�quinas de doble rotor (DR) tienen dos rotores, que pueden ser un rotor interno y externo con un estator en el medio (que se muestra en la Figura 5) o un rotor interno, luego un rotor alrededor de este, luego un estator externo alrededor de este. Un inconveniente de las m�quinas con m�ltiples espacios de aire es la mayor complejidad del dise�o y los devanados que no se pueden enfriar f�cilmente con las camisas de agua convencionales (Yunyun, Li,� Xiaoyong,� Hua y Wang, 2012)

 

Figura 5 un rotor interno y externo con un estator en el medio

 

3. Aplicaciones de motores el�ctricos para veh�culos

Existen muchos tipos de motores el�ctricos, no solamente AC y DC, sino que se clasifican en diferentes tipos de motor seg�n su caracter�stica espec�ficas (pueden ser de escobillas, de inducci�n, monof�sicos, de jaula de ardilla, brushless, entre otros). As� se menciona Suarez Montoya (2017). Adem�s, Suarez (2017) en veh�culos el�ctricos menciona no se utiliza un tipo de motor especifico sino que cada fabricante o marca utiliza el tipo de motor que m�s considere conveniente, seg�n sus prestaciones, su capacidad, sus caracter�sticas, el mantenimiento y el precio para poder ser competitivos en el mercado, entre otros; A continuaci�n se presenta un listado de las diferentes marcas y modelos de veh�culos el�ctricos existentes en el mercado con sus respectivos los motores (Tabla 1)

 

Tabla 1: Listado de veh�culos el�ctricos

 

Una vez definidos los diferentes tipos de motores que se utilizan en veh�culos el�ctricos, se deduce que el motor de imanes permanentes y de inducci�n son los m�s empleados en este tipo de veh�culos, Ver Figura 6. Como se puede apreciar en el listado de veh�culos el�ctricos (Tabla 1) estos son usados en marcas como KIA, BYD, Mercedes Benz, Mitsubishi, Nissan principalmente, adem�s de marcas como Chevrolet, Ford, Citr�en y Opel (utilizando motor s�ncrono de imanes permanentes, debido a sus excelentes caracter�sticas). El siguiente motor m�s utilizado en el mercado se encentra en marcas l�deres en el mercado de veh�culos el�ctricos e h�bridos (Aixam, Mahindra y Tesla) siendo este el motor sin escobillas (o brushless).

 

Figura 6. Tipos de motores m�s utilizados en el mercado

 

 

4. An�lisis de variables de selecci�n en los motores el�ctricos

Zeraoulia (2005) realizan una comparaci�n entre las cuatro alternativas citadas, asignando como se muestra en la Tabla 2, una puntuaci�n entre 0 y 5 en distintos �tems (densidad de potencia, eficiencia, facilidades de control, confiabilidad, madurez tecnol�gica y costo) seleccionados por ser considerados los m�s id�neos para veh�culos el�ctricos. En base a la tabla se puede concluir que los motores con m�s ventajas son los motores de inducci�n y los de imanes permanentes, siendo estas las alternativas m�s pertinentes (debiendo optimizar el costo del accionamiento). As�, estas dos alternativas se definen como: Motor de inducci�n est�ndar de cuatro polos con el estator rebobinado para un voltaje de 25 V, con velocidad nominal de 1500 RPM, funcionando entre O y 6000 RPM: Motor de imanes permanentes construido a partir de un motor de inducci�n est�ndar al que se le elimina la jaula de ardilla y se le incorporan imanes permanentes en la superficie del rotor. Velocidad nominal de 1500 RPM, funcionando entre O y la velocidad nominal.

 

Tabla 2� Evaluaci�n de alternativas para propulsi�n de Veh�culos El�ctricos (VE)

 

En la comparaci�n de cinco motores para su aplicaci�n en veh�culos el�ctricos en diferentes �mbitos, Bhatt, Mehar y Sahajwani (2010)� iniciaron un an�lisis te�rico para evaluar individualmente seg�n las caracter�sticas m�s destacables, cada uno de los cinco motores. Entre ellas, se encuentran: Los motores de corriente continua (DC) son dif�ciles de controlar. Aunque proporcionan un gran par a bajas velocidades, son ineficaces y con un costo de soporte importante; Los motores el�ctricos sin escobillas (BLDC), a pesar de tener una gran potencia y productividad, adem�s de ser relativamente compactos, su valor es elevado en cuanto a mantenimiento y control; Los motores de inducci�n trif�sicos (3-phase IM) proporcionan una productividad superior al 91%. Resultan altamente confiables, adem�s de poseer una baja densidad de potencia y una aceleraci�n promedio. Este motor junto con el motor el�ctrico sin escobillas son los preferidos por los fabricantes de veh�culos el�ctricos; El motor s�ncrono (PMS) se favorece siempre que se necesita un par constante. Este tipo de motores optimizan el uso de la bater�a, adem�s de tener una mayor competencia a menores aceleraciones; El motor de reluctancia conmutado (SRM), adem�s de ser confiable, eficiente y adaptable a la capacidad de falla interna, resulta una gran opci�n ya que el costo del motor es muy menor. Como se aprecia en las figuras 7,8 y 9 respectivamente.

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Figura 7� Densidad de potencia (Bhatt, Mehar y Sahajwani, 2010)

 

Figura 8 Eficiencia de los motores (Bhatt, Mehar y Sahajwani, 2010)

 

 

 

 

Figura 9. Fiabilidad de motores (Bhatt, Mehar y Sahajwani, 2010)

 

Para identificar la tecnolog�a se aplicaron �ndices cualitativos relativos (QI) a cada tecnolog�a, en relaci�n a distintas bibliograf�as. (Walker, Galea y Gerada, 2015)� La Tabla 3 proporciona el QI de la capacidad de fabricaci�n de las m�quinas para esta aplicaci�n espec�fica. Se establecieron rangos de puntuacion fluctuando de 1 a 10 (1 el minimo, 10 el m�ximo) para los 6 factores clave (costo, volumen, masa, escalabilidad, econom�a de combustible equivalente, expectativa de vida y ponderaci�n total). Al asignar los valores de QI, un valor alto se refiere a una m�quina m�s peque�a (o una mayor densidad de potencia / par). Se ha incorporado un sistema de ponderaci�n al total para representar qu� factores son m�s cr�ticos para la comparaci�n. El costo fue visto como el QI m�s cr�tico y, por lo tanto, recibi� una ponderaci�n de 3. El volumen y la masa fueron los siguientes m�s importantes, por lo que su ponderaci�n es 2. Los otros tres QI fueron dados un valor de 1, ya que todav�a son significativos, pero no tanto como el costo, el volumen y la masa . (Walker, Galea y Gerada, 2015)

 

Tabla 3 Escala de motores QI

De la tabla 3 est� claro que el mejor rendimiento lo logra la m�quina IPM, seguida de cerca por la tecnolog�a SMPM. El estator doble y las m�quinas alternativas de direcci�n de flujo tambi�n funcionan bien, pero generalmente tienen inconvenientes importantes (complejidad del dise�o, el costo y la escasa escalabilidad)

En Tabla 4 se puede ver una comparaci�n de las m�quinas y su rendimiento para que se pueda mantener en ellos una adecuada y alta eficiencia (destacando el potencial para alcanzar el par m�ximo y el ancho del rango de velocidad). Algunas de las m�quinas (como la direcci�n de flujo alternativa y las m�quinas DS) se han eliminado de la tabla, debido a que su funcionamiento esmuy similar a otras m�quinas, adem�s de presentar otras grandes desventajas como problemas t�rmicos o falta de escalabilidad (Walker, Galea y Gerada, 2015).

 

Tabla 4 Comparaci�n de eficiencia

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Como se puede observar en la Tabla 4, las tecnolog�as SMPM e IPM pueden lograr mejores rendimientos de densidad de torque, pero no funcionan tan bien en los rangos de debilitamiento del campo. Por otro lado, la m�quina SR tiene una baja densidad de torque pero muy alta velocidad.

Seg�n Bhatt, Mehar y Sahajwani (2010) se realiz� un estudio para determinar los motores m�s adecuados seg�n el veh�culo el�ctrico, ya que como comentan: �La elecci�n del motor el�ctrico para la estructura de un veh�culo el�ctrico (EV) es un avance significativo �(p.01). En la actualidad, la mayor�a de los veh�culos el�ctricos utilizan motores de corriente continua (4 kW y menos potencia). El motor de inducci�n es un Motor AC excepcionalmente conocido. Una gran parte del veh�culo el�ctrico (EV) avanzado de potencia (m�s de 5kW), utiliza motores de inducci�n.

La bater�a es un dispositivo de dep�sito de energ�a primaria en EV. Actualmente la part�cula de litio se est� utilizado en los nuevos veh�culos el�ctricos (EV). Los distintos tipos de motores muestran diversas cualidades, por lo que es vital evaluar los motores. Algunos criterios fundamentales para elegir el motor m�s adecuado para el veh�culo el�ctrico vendr�n determinados seg�n posean alta vitalidad, bajo mantenimiento costo y gran control. Cabe destacar que, generalmente los motores m�s usados por los fabricantes de dicho tipo de veh�culo, son motores de corriente continua, motores de inducci�n, motores s�ncronos, motores de reluctancia conmutada y motores sin escobillas de imanes permanentes (Bhatt, Mehar y Sahajwani, 2010) En la tabla 5 se puede observar el tipo de motor y las marcas m�s comercializada en el mercado actual.

 

Tabla 5 Veh�culo el�ctrico fabricado por los principales productores y los motores el�ctricos utilizados

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5. Caracter�sticas desde la capacidad de bater�a

El motor seleccionado es el LMC LEM-200, fabricado por la compa��a inglesa Lynch Motors Company Ltd. Adem�s, se utiliz� 24 bater�as del modelo LEV50, cuentan con un voltaje nominal de 30 V y una capacidad nominal de 50 Ah. Este tipo de bater�a es de Ion-Litio. (Fco. De Borja Soler Jorba. 2015). Tambi�n, el motor seleccionado en este art�culo es el ME0708 de 4,8 Kw, con un controlador electr�nico de 24 -48 V a 135 A. Adem�s, se utiliz� el modelo de bater�as LG ICR18650HE2 2500mAh el cual tiene un voltaje de 3.60 V y una capacidad nominal de 2.5 Ah. Este tipo de bater�as es de Ion-Litio. (JHONATAN DAMI�N JIBAJA RAM�REZ. 2016). Adem�s un motor de 5 Kw con su respectivo controlador electr�nico de 48 V a 96 A. Adem�s, se utiliz� un paquete de bater�as 18650 el cual tiene 3.7 V y una capacidad de 2 Ah. Este tipo de bater�as es de Ion-Litio. (Felipe Rodrigo Sol�s Cascante. 2018). En suma el motor seleccionado en in-wheel motor o hub motor, son motores s�ncronos de imanes permanentes de 54 Kw, con un controlador electr�nico de 200-400 V. Adem�s, se utiliz� el modelo de bater�as Boston-Power Swing 5300 la cual tiene un voltaje nominal de 3.65 V y una capacidad nominal 5.3 Ah. Este tipo de bater�as es de Ion-Litio (Art�s A., Casa�� M., Ezequiel M. 2015).

Por otro lado, el Motor Magnax AXF225 fue seleccionado en el cual nos brinda un pico de 170 Kw. La bater�a seleccionada es LG Chem con una tensi�n total de 400 V y una capacidad �til de 40 Kwh. Este tipo de bater�as es de Ion-Litio. (Caballo F., Cabero R. 2019). Adem�s, el motor seleccionado para el modelo RT-200 de C.C con escobillas cuenta con 11.5 Kw, con un controlador electr�nico de 72 V a 200 A. Adem�s, se utiliz� el modelo de bater�a LFP040AH de la marca Thundersky el cual nos da un voltaje nominal de 3.65 V y una capacidad de 40 Ah. Este tipo de bater�as es de Litio-Ferrofosfato. (Xavier Bassons Castell�. 2010). Tambi�n el motor seleccionado es el BLDC Motor es un motor de corriente continua sin escobillas de 48 V, con un controlador electr�nico de 48V/72V/96V a 600A/500A/400A. Adem�s utiliza unas bater�as de 48 V con una capacidad de 30 Ah. Este tipo de bater�as es de Litio-Ferrofosfato. (Aguirre P., Hidalgo D., Panam� J., Padilla J., Veintimilla D. 2014).

Finalmente, se ha seleccionado un Motor Brushless sin Escobillas su modelo es Single Shaft Hub Motor Electric Wheelchair Motor 24 V 180 W, con un controlador electr�nico de 24 V a 7 A. La bater�a seleccionada es Bottle ebike battery con una tensi�n normal de 24 V y una capacidad de 20 A. Este tipo de bater�as es de Litio-Ferrofosfato. (CUASQUI A., DEFAS M. 2018). Tambi�n, el motor seleccionado en este art�culo es el QS12-E de UU Motor. Este es un motor �Brushless� de imanes permanentes de tipo In-Wheel con rotor externo, este motor de 4 Kw y una tensi�n de 60 V. Adem�s, se utiliz� un m�dulo de 20 bater�as Prismatic Battery 60 V 100 Ah producida por AA Portable Power Corp, las cuales cuenta con una 60 V y una capacidad de 100 Ah. Este tipo de bater�as es de LiFeMnPO4. (Santiago Garc�a Sol�. 2017).

 

6. Prototipos de veh�culos el�ctricos

El an�lisis din�mico del veh�culo permiti� la selecci�n de los principales componentes del veh�culo el�ctrico biplaza de estructura tubular, tales como el motor de corriente continua de imanes permanentes con escobillas de 9 Kw, controlador electr�nico de 48 VDC / 120 A y su adaptaci�n de trabajo a un sistema de freno regenerativo, adem�s de un sistema de bater�as de 48 V con una capacidad de 12.1 Ah, permitiendo al prototipo alcanzar una velocidad media de 50 km/h, desplazar una carga m�xima de 420 kg y vencer pendientes de 14% evaluadas en el recorrido de prueba adem�s tiene una autonom�a de 15.6 Km y la bater�a es del tipo N�quel Metal Hidruro. (Juan Rocha-Hoyos, Luis E. Tipanluisa, Salvatore W. Reina y C�sar R. Ayabaca. 2017).

El motor seleccionado en este art�culo que cumple con todas las especificaciones requeridas es el LEM 200-127, de tipo escobilla, controlador electr�nico de 48 V a 400 A. Adem�s, se utilizaron bater�as de Ni MH recicladas en el mejor estado posible. (ANTHONY DAVID LUZURIAGA DELGADO. 2018).

El motor el�ctrico seleccionado en este art�culo es el 1PV5138-4WS20, de 70 Kw de la compa��a Siemens, del tipo inducci�n AC, controlador electr�nico de 500v a 170 A. Adem�s, se utiliz� un paquete de 14 bater�as del modelo U27-36XP estas cuentan con un voltaje nominal por bater�a de 38.4 V y una capacidad nominal de 46 Ah. Este tipo de bater�as es de Hierro-Magnesio. (DIEGO ALBERTO GARC�A CHIRTALA. 2016).

La aplicaci�n para la que se seleccionan los motores consiste en el VE urbano (figura 10) y cuyas caracter�sticas principales se resumen en la tabla 6.

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Figura 10: Veh�culo el�ctrico urbano

 

 

 

 

 

Tabla 6 Caracter�sticas del Veh�culo El�ctrico urbano

 

Tambi�n se reviso acerca de la selecci�n de un motor as�ncrono utilizado en el dise�o del veh�culo formula SAE, tomando en cuenta las caracter�sticas de dise�o de dicho� veh�culo. Dicha revisi�n se realiz� en base al trabajo de titulaci�n de Cabrera y Calle (2016). En ella, podemos apreciar la Tabla 7

 

Tabla 7: Caracter�sticas de dise�o del veh�culo Formula SAE

 

El motor seleccionado despu�s de realizar el an�lisis t�cnico y comparativo para dicho trabajo de titulaci�n es el EMRAX 228 de la empresa ENSTROJ. La herramienta principal para seleccionar este motor� fue la matriz de selecci�n en la que se compararon dos motores el�ctricos de altas prestaciones. Cabe destacar en el motor EMRAX 228 su alta potencia y su eficiencia de hasta 98%. Sus respectivas caracter�sticas se muestran a continuaci�n en la tabla 8

 

Tabla 8 Datos t�cnicos del motor EMRAX 228

 

Para llegar a la selecci�n de la bater�a �ptima para el veh�culo Formula SAE en el trabajo de titulaci�n de Cabrera y Calle (2016), no solo se investigo acerca de las propiedades y ventajas de dicha tecnolog�a, sino que tambi�n se analizaron las celdas de Ion-Li / Pol�mero y los distintos� paquetes de bater�as existentes en el mercado. Como resultado se seleccion� un paquete de bater�as de la empresa eBaracus, el M�dulo LIFEPO4 de 20Ah con celdas Al23, pudi�ndose conectar en serie para obtener un voltaje nominal de 356V (adem�s contienen un sistema BMS basado en comunicaci�n CAN).

 

5. Conclusiones y recomendaciones

En este art�culo se present� las aplicaciones, las pruebas y los resultados de los motores m�s utilizados en el mercado acorde a diversas fuentes de informaci�n sus principales caracter�sticas aplicativas como constructivas, adem�s de sus alcances de eficiencia a la hora de ser aplicados en los veh�culos el�ctricos.

En esta revisi�n se muestra las diferentes marcas y modelos de veh�culos el�ctricos, se determina que se utilizan principalmente cinco tipos de motor: DC, motor as�ncrono o de inducci�n, motor s�ncrono de flujo axial, motor s�ncrono de imanes permanentes y motor tipo brushless o sin escobillas. Esto depender� tanto del dise�o como del fabricante, proporcionando distintas ventajas o desventajas.

Determinamos que la bater�a es un dispositivo de dep�sito de energ�a que debe corresponder a los nuevos veh�culos el�ctricos. Los distintos tipos de motores muestran diversas cualidades, por lo que es vital evaluar los motores, desde varios criterios para elegir el motor m�s adecuado seg�n posean alta vitalidad, bajo mantenimiento, costo y gran control para un mejor desempe�o.

 

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