Diseño de un motor eléctrico

Abstract

DESIGN OF AN ELECTRIC MOTOR AUTOR: Roberto Martínez Cruz DIRECTOR: Daniel S.Daniel El objetivo principal de este trabajo fin de grado es el diseño de un motor eléctrico con el propósito de adaptar un coche propulsado por un motor de combustión a uno únicamente impulsado por energía eléctrica. Para esta labor he decidió usar un motor de inducción trifásico AC y un motor sin escobillas DC, de modo que diseñe ambos para que puedan ser usados para el cometido dicho y posteriormente hacer una comparativa entre ellos para concluir cuál de los es el más conveniente para el cometido. El motivo por el cual me embarco en este proyecto es por la evolución de la industria automovilística que, como ya reflejo en el análisis del estado del mercado, está tomando un rumbo a tecnologías más eficientes y que reduzcan el nivel de contaminación, como es el caso del motor eléctrico, cuya emisión es cero en su misión de propulsar al vehículo. La razón por el cual esta tecnología aun no ha triunfado es debido al almacenamiento de batería que, aun hoy en día, es limitado y, en muchos casos, insuficiente para el cometido que se les pide a los coches eléctricos y, sobre todo, si comparamos su autonomía con las de un coche que use tecnología de Diesel o de Gasolina, por lo cual aun no han podido triunfar frente al coche con motor de combustión. En el apartado de diseño usare un programa llamado JMAG, un programa dedicado al diseño de motores eléctricos de toda clase y que he tenido que aprender a dominar desde cero para poder hacer este proyecto; en el cual, tras introducir parámetros de diseño previamente calculados en hojas de Mathcad (Un programa de cálculo matemático que es útil para situaciones en las cuales tienes que variar valores base y cálculos iterativos) , puedo iterar todos las dimensiones y parámetros del motor para conseguir el resultado más eficiente de este, teniendo en cuenta de que ha de dar el par y tener la potencia dentro de los valores prestablecidos. A raíz de este programa, he realizado un estudio de como influencia cada parámetro de diseño de ambos motores para los tres resultados primordiales: la potencia, el par y la eficiencia. Tras ejecutar este análisis, que no servirá únicamente para mi cometido, sino para futuros diseños ya sean míos o de gente que use mi trabajo, he podido modificar mi motor para obtener el resultado más beneficioso de cara a las especificaciones finales de este. El análisis se ha llevado a cabo de manera que solo vario un parámetro variándolo de diferentes formas para ver como afecta a las curvas de eficiencia – rpm, par – rpm y potencia – rpm, de manera que pueda hacerse una idea de como afectan en realidad al motor en sus especificaciones finales. Y no solo desde este punto de vista, sino desde el punto de vista de la estabilidad y la funcionalidad del motor al variar estos parámetros. Tras diseñas ambos motores, he hecho un análisis de sus resultados finales, dando prioridad a los valores referentes a las dimensiones y a las especificaciones finales, comparando las curvas antes nombradas de ambos tipos de motores. He podido comprobar que el motor de inducción, aun dando una eficiencia algo menor, es más ergonómico y indicado para el cometido, ya que su volumen y peso son mucho menores dando el mismo par y potencia, lo cual es beneficioso para un coche, ya que el objetivo es minimizar al máximo el espacio y peso del motor con el objetivo de que el sobrante sea aprovechado, por ejemplo, por las baterías. Aparte de esto, he podido comprobar que esta clase de motores son más controlables por la electrónica de potencia, es decir, por el inversor y el controlador vectorial, ambos elementos usados en el coche para variar de la manera mas eficiente la velocidad y el par del motor.DESIGN OF AN ELECTRIC MOTOR AUTHOR: Roberto Martinez Cruz DIRECTOR: Dr. Daniel S.Daniel The main objective of this end-of-grade work is the design of an electric motor for the purpose of adapt a car powered by a combustion engine to one driven only by electric power. For this work I have decided to use a three-phase AC induction motor and a DC brushless motor, so that it designs both so that they can be used for the said task and then make a comparison between them to conclude which of them is most convenient for the task. The reason I am embarking on this project is because of the evolution of the automotive industry which,as reflected in the analysis of the state of the market, is taking a course towards more efficient technologies and that reduce the level of pollution, such as the electric motor, which is zero emission in its mission to propel the vehicle. The reason this technology has not yet succeeded is due to battery storage, which, even today, is limited and, in many cases, insufficient for the task that is being asked to electric cars and, above all, if we compare their autonomy with those of a car that uses Diesel or Gasolinetechnology,so they have not yet been able to succeed in front of the combustion engine car. In the design section I will use a program called JMAG, a program dedicated to the design of electric motors of all kinds and that I have had to learn to master from scratch to be able to do this project; where, after introducing pre-calculated design parameters in Mathcad sheets (A mathematical calculation program that is useful for situations in which you have to vary base values and iterative calculations) , I can iterate all the dimensions and parameters of the engine to get the most efficient result of this, considering that you have to give the torque and have the power within the preset values. As a result of this program, I have conducted a study of how each design parameter of both engines has influenced the three main results: power, torque and efficiency. After running this analysis, which will not only serve my purpose, but for future designs whether mine or for people using my work, I have been able to modify my engine to obtain the most beneficial result for the final specifications of this. The analysis has been carried out in such a way that only one parameter vary it in different ways to see how it affects the efficiency curves – rpm, torque – rpm and power – rpm, so that you can get an idea of how they actually affect the engine in its specifi final cations. And not only from this point of view, but from the point of view of the stability and functionality of the engine by varying these parameters. After designing both engines, I have made an analysis of their final results, giving priority to the values related to dimensions and final specifications, comparing the previously named curves of both types of engines. Hand it could be seen that the induction motor, while giving a somewhat lower efficiency, is more ergonomic and suitable for the task, since its volume and weight are much smaller giving the same torque and power, which is beneficial for a car, since the goal is to minimize the space and weight of the engine to the maximum in order for the excess to be exploited, for example, by the Batteries. Apart from this, I have been able to verify that this class of motors are more controllable by power electronics, that is, by the inverter and vector controller, both elements used in the car to vary in the most efficient way the speed and torque of the engine.