1 TIPOS DE MOTORES PARA AUTOMÓVILES ELÉCTRICOS El tipo de motor eléctrico más empleado en tracción de automóviles eléctricos es el de corriente continua, ya que es de fácil regulación. La regulación puede ser clásica con resistencias, por troceador o por puente rectificador controlado. Estas dos últimas son electrónicas y se emplea una u otra según el tipo de alimentación. La mayor desventaja de los motores de corriente continua es su elevado costo de mantenimiento. Dentro de los motores de corriente alterna, el más usado es el asíncrono, trifásico y monofásico. Actualmente se regulan electrónicamente regulando la tensión y la frecuencia de la alimentación por medio de onduladores semicontrolados. Los motores síncronos necesitan un ondulador totalmente controlado en el inducido y puente rectificador en el inductor. Al ser necesario controlar exactamente la frecuencia de alimentación, su regulación es difícil, siendo poco usado. Existen otros tipos, como el motor lineal, que solo tienen aplicación en el campo de la experimentación.
2 MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA Este motor permite varias conexiones : 1. Excitación independiente. 2. Excitación derivación (shunt). 3. Excitación serie. 4. Excitación compuesta (compound). Las ecuaciones generales que definen el comportamiento de un motor de corriente continua, independientemente del tipo de excitación, son : E = K·N· ? (5.1) E = fuerza contraelectromotriz. M = K1 · I · ? (5.2) K = constante del motor para la fuerza electromotriz. N = número de vueltas por minuto. ? = flujo magnético inducido. U = E + I · r (5.3) M = Par mecánico del motor. E = U – I · r (5.4) K1 = constante del motor para el par. (5.5) I = intensidad de inducido. La tensión U que se aplica al motor es contrarrestada por la fuerza contraelectromotriz y las pérdidas óhmicas (Ec. 5.3).
2.1 CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA. MOTOR EXCITACIÓN SERIE. Siendo: I = Intensidad N = Nº de r.p.m. del motor M = Par motor Estas curvas se deducen de las ecuaciones fundamentales de los motores de corriente continua. Al tratarse de un motor de excitación serie la intensidad que pasa por el inducido es la misma que la del inductor, y conforme ésta se incrementa lo hace también el flujo ?, en consecuencia disminuye el número de vueltas del motor como se observa en la figura. En cuanto a la curva M (I) se deduce de M = K1 · I · ?, y por último la curva M (N) se obtiene por puntos de las dos anteriores.
2.2 MOTOR EXCITACIÓN SHUNT Estas curvas características coinciden prácticamente con las de los motores de excitación independiente fijo ya que ambos casos son muy similares. La curva I (N) se convierte de esta forma en una recta vertical ya que al ser independiente la tensión de inducido y de inductor, el flujo permanece prácticamente constante. Por este mismo motivo la curva M (I) tiene menos pendiente que en los motores de excitación serie, ya que ahora un incremento de intensidad en el motor no supone un aumento del flujo.
2.3 MOTOR COMPOUND La característica M (N) de un motor compound se deduce de las del Shunt, debido al efecto de la parte de inductor montada en serie, y es más inclinada que la del Shunt, debido al efecto de la parte de inductor montada en serie. Comparación de la característica mecánica de tres tipos de motores.
2.4 COMPARACIÓN DE LOS DIFERENTES TIPOS El motor derivación no tiene aplicación en tracción eléctrica debido a su característica “dura” de velocidad. El motor de excitación independiente fija tiene características similares. El motor Compound tiene un margen de regulación de velocidad superior, pero el más apropiado es el motor serie. En la actualidad se emplean motores serie con regulación reostática y motores de excitación independiente variable con regulación electrónica.
MOTOR SERIE: Elevado par de arranque. Disminución de velocidad y aumento de par en pendientes ascendentes. Facilidad de control, control por amplitud, troceadores… Problema en las escobillas
MOTOR BRUSHLESS. - Supresión de escobillas. - Libre de mantenimiento. - Control electrónico necesario. – Muy popular en automóviles eléctricos e híbridos. Tensión nominal: 96V. Potencia : 1100W. Velocidad 1100 rpm. Velocidad lineal: 75Km/h. Diám. llanta: 16” . Helios.
MOTORES PASO-PASO. - Par elevado en el arranque. - Control de giro muy preciso. - Amplio rango de regulación. - Control electrónico avanzado. – Motores de un solo paso. 1 Pulso – 1 Revolución.
MOTORES RUEDA. - Tracción directa. – La llanta es el motor. – Supresión del diferencial. - Régimen de giro muy bajo. - Muy silenciosos. - Electrónica compleja. COMPARACIÓN CON ELSISTEMA DE TRACCIÓN HÍBRIDA DE TOYOTA THS II.
(Gp:) Tensión / Potencia (Gp:) R.P.M. (Gp:) Velocidad (Gp:) Par (Gp:) Diam. Llanta. (Gp:) 48V/1500W (Gp:) 444-719 (Gp:) 35-55 Km/h (Gp:) 19.9-32.2 Nm (Gp:) 10" (Gp:) 48V/2000W (Gp:) 571-915 (Gp:) 45-70 Km/h (Gp:) 20.9-33.4 Nm (Gp:) 10" (Gp:) 48V/2500W (Gp:) 571-915 (Gp:) 45-70 Km/h (Gp:) 26.1-41.8 Nm (Gp:) 10" (Gp:) 48V/3000W (Gp:) 571-915 (Gp:) 45-70 Km/h (Gp:) 31.1-50.1 Nm (Gp:) 10" MOTORES RUEDA.
Motor rueda de GM . Control electrónico de los 2 motores rueda. MOTORES RUEDA.
Chevrolet S-10. 2 motor-ruedas de 25Kw cada una. Llanta de 16” Par mecánico: 105 Nm. R.P.M. : 1400 MOTORES RUEDA.
3 MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA En los motores de corriente alterna se pueden distinguir los siguientes tipos : – Motores síncronos. – Motores asíncronos de anillos rozantes. – Motores de jaula de ardilla. La ecuación de la velocidad de sincronismo de un motor de corriente alterna es: n1 = (5.10) Siendo : n1 = velocidad de sincronismo (r.p.m.). f1 = frecuencia de la red (Hz). p = número de pares de polos.
Los motores síncronos giran siempre a la velocidad de sincronismo. Por esto, para regular su velocidad, se debe controlar la frecuencia de alimentación o, más raramente, el número de polos. La velocidad de un motor asíncrono es algo menor que la velocidad de sincronismo. La relación es la siguiente : (r.p.m.). (5.11) Siendo : n = velocidad del motor (r.p.m.). s = deslizamiento (en %). El deslizamiento depende de la carga y es otro factor que podemos controlar para regular la velocidad de un motor asíncrono. El par de un motor asíncrono tiene la siguiente expresión : M ? k · ? · I2 (N.m) (5.12) U = k’ · W · f · ? (V) (5.13) Siendo : I2 = Intensidad rotórica. W = Nº de espiras. ? = Flujo.
La potencia eléctrica en el entrehierro es la siguiente : (W) (5.14) La potencia mecánica suministrada tiene la siguiente expresión : (W) (5.15) La diferencia PL – P2 se disipa como potencia eléctrica de pérdidas en el circuito rotórico (Pr). Pr = PL – s (5.16) Un método de aumentar el deslizamiento s es intercalar resistencias en el circuito rotórico para aumentar Pr. Otro método de controlar el deslizamiento es inyectar corriente continua en el rotor. Estos métodos sólo pueden aplicarse en motores de anillos rozantes.
Los motores de corriente alterna más usados en son los de jaula de ardilla. La única forma de regularlos completamente es controlando la tensión y la frecuencia de la alimentación. Son los más robustos y no requieren manteniendo alguno. Las gráficas I – n y M – n de un motor de jaula de ardilla de 975 r.p.m. son las que aparecen seguidamente. Al disminuir la frecuencia las curvas se comprimen proporcionalmente en la ordenada de velocidad. Al disminuir la tensión se comprimen en la ordenada de par e intensidad.
MOTORES ASÍNCRONOS. – Jaula de Ardilla o de rotor bobinado. – Robustez mecánica y eléctrica. – Conversión frecuencia / tensión, PWM, SPWM… Motor trifásico de jaula de ardilla.
MOTORES DE RELUCTANCIA VARIABLE. - Reducido tamaño. - Par de arranque muy elevado. – Control electrónico necesario. Rotor de motor de reluctancia conmutado.
——– 23.5 Kw. ——– 18.5 Kw. ——– 22 Kw. ——– 22Kw. CURVA DE PAR-VELOCIDAD.
COMPARATIVA Ventajas e inconvenientes de los diferentes tipos de motores. Corriente continua: Ventajas: - Sencillez en electrónica de control. - Sistemas de control económicos y precisos. Inconvenientes: - No son libres de mantenimiento. - Mayor peso y volumen para misma potencia y par que su correspondiente en corriente alterna.
Corriente alterna: Ventajas: - Robustez mecánica y eléctrica. - Reducido peso. - Precio. Inconvenientes: - Electrónica de potencia, control menos preciso. COMPARATIVA
4 FUTUROS DESARROLLOS. - Sistemas de tracción directa. - Fiabilidad de los motores, libres de mantenimiento. - Conectividad entre vehículos para su recarga. Tzero de GM con modulo AC-150 Motor de inducción de 50Kw. Par mecánico, 220Nm. Velocidad nominal: 5000 Rpm. Cargador externo autoportante Compuesto por un conjunto Motor Generador.
5 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE MOTORES PARA AUTOMÓVILES Alta eficiencia y sencillez del sistema tractor. Eliminación de partes mecánicas en movimiento, caja de cambios, diferencial, ejes de transmisión. Disposición del par máximo desde el momento inicial de arranque. Libres de mantenimiento. Sistemas silenciosos.
6 APLICACIONES - Sillas de ruedas. - Bicicletas. – Triciclos. - Scooters. - Automóviles. - Autobuses. - Camiones…