análisis de sistema motor in-wheel y motor-in-hub para un vehículo formula sae

Análisis de sistema Motor-in-wheel

y Motor-in-hub para un vehículo

Formula SAE

Ramón Sierra Sánchez

Análisis de sistema Motor-in-wheel y Motor-in-hub para un vehículo Formula SAE

Objeto del Proyecto Fin de Grado:

• Desarrollo del modelo eléctrico de vehículo

Formula SAE

• Explorar nuevos sistemas de motor:

In-wheel & In-hub

• Seleccionar sistema y motor adecuado para el

FSTec E-III


Estructura del proyecto:

1. Estudio de mercado

2. Tecnología del motor eléctrico

3. Necesidades del FSTec E-III

4. Motores disponibles

5. Requerimientos y cálculos

6. Selección del motor

7. Conclusión


El futuro es eléctrico









7. Conclusión


Soluciones de motor en rueda comerciales


Michelin Active Wheel

Protean Drive

Siemens VDO eCorner


Vehículos eléctricos de Formula SAE:

• University of Western Australia

• WHZ Racing Team

• University Racing Eindhoven

• Barcelona ETSEIB e-motorsport









7. Conclusión


TIPOS DE MOTOR ELÉCTRICO

FUNCIONAMIENTO BÁSICO

• Los polos magnéticos interactúan entre ellos.

• Se necesitan dos campos magnéticos (estator y rotor),

uno de ellos generado por la corriente eléctrica.

• Motor de corriente continua (DC)

• Motor de reluctancia

• Motor de corriente alterna (AC): síncrono o asíncrono



Motor de corriente continua (DC)

• Fácil de controlar → menor peso de la unidad de

control

• Velocidad de motor limitada

• Desgaste de las escobillas → posibilidad de motor

sin escobillas

• Peso y volumen altos



Motor de reluctancia

• No hay imanes permanentes ni corrientes en el rotor

• Alto rendimiento en un rango amplio de velocidades

del motor

• Fácil de producir

• Curva de par ondulada con alto nivel de ruido



Motor corriente alterna (AC)

Motor asíncrono

• Diseño sencillo y robusto

• Tipo más utilizado en el sector industrial

• Baja complejidad del controlador

Motor síncrono

• Diseño simple y compacto

• Alta eficiencia

• Control del motor muy complejo

• Alto coste



Motor DCMotor de

reluctancia

Motor AC

Asíncrono Síncrono

Eficiencia -- + + ++

Densidad de

potencia-- + + ++

Campo

magnético++ + + --

Velocidad

máxima-- ++ ++ +

Fiabilidad - + ++ ++


TOPOLOGÍAS

Motor-in-wheel

• Accionamiento directo: el motor mueve la rueda

directamente en proporción 1:1

• Motores de bajas revoluciones y alto par

• Alto peso y coste

Motor-in-hub

• Integran una reductora en el núcleo de la rueda

para lograr el par necesario

• Motores rápidos y pequeños

• Motores comunes → Gran variedad y facilidad de

adquisición


TOPOLOGÍAS

Motor-in-wheel

• Motor de flujo axial

• Forma y tamaño de la

rueda

• Uso eficiente del

espacio

• Liquid-cooled


TOPOLOGÍAS

Motor-in-hub

• Motor PMSM de flujo

radial

• Sistemas de transmisión:

-Tren de engranajes

-Engranaje planetario

-Correas

• Convection-cooled









7. Conclusión


Modelo eléctrico: FSTec E-III

• Mantener el coche actualizado:

Tracción a las 4 ruedas(4WD)

• Tren trasero:

-2 x Emrax 228 LC

-Disposición in-board

-Engranajes rectos

• Tren delantero









7. Conclusión


YASA 750

• Peso: 25 kg

• Par máximo: 750 Nm

• Velocidad: 2000 rpm

EMRAX 228 High Voltage LC

• Peso: 12,2 kg

• Par máximo: 240 Nm



Mavilor BLS113

• Peso: 6,3 kg

• Par máximo: 33,6 Nm


Turnigy CA120-70

• Peso: 2,6 kg



Mavilor BP74

• Peso: 2,8 kg











7. Conclusión


Masa

(motor + reductor)

Potencia 50 kW

Aceleración 0-100 km/h en 4s

Velocidad máxima 100 km/h

ANÁLISIS DE REQUERIMIENTOS

Expectativas para Formula SAE



Cálculos del tren de potencia

1. Límite de tracción

• Par (T) que es capaz de ejercer cada motor

• Restricciones del vehículo y los neumáticos:

2*Frear + 2*Ffront = M*ax (suponer T y reducción)

M*ax Distribución Fz Fx max = Fz*μ Tmax

Iterar

• 2 limitaciones: Tmax calculado y Tmax motor

+ +

+ +

++




2. Mantener una velocidad

• Los motores tienen que

vencer la fuerzas de

resistencia a rodadura(Frr) y

fricción aerodinámica(Fdrag).


3. Mantener una velocidad en subida

• Se obtiene la potencia requerida sumando la

calculada en el apartado anterior:

• Se puede recalcular el límite de tracción con la

nueva distribución de cargas.



+


4. Aceleración

• La potencia y par requeridos para alcanzar el

objetivo de aceleración son los más altos, y por

lo tanto los más influyentes.



Fac = M*a Tac


5. Curva



• Se puede calcular la distribución de cargas

laterales igual que con el peso.

• Se calcula el límite de tracción combinada de

cada rueda.

* Los límites de tracción calculados

son aproximaciones


Potencia Par

Límite de tracción - 782,5 Nm

Mantener velocidad 60km/h 1,47 kW 14,6 Nm

Mantener velocidad 100km/h 6,57 kW 39,1 Nm

Subida: Inclinación 6% @80 km/h 4,41 kW 32,7 Nm

Aceleración: 0-100km/h en 10s 13,02 kW 154,8 Nm

Aceleración: 0-100km/h en 4s 32,56 kW 387 Nm


Requerimientos en situaciones límite (4 motores)









7. Conclusión


Criterios de selección

• 2 tamaños de rueda: 10” o 13”

• Dinámica vehicular → Peso no amortiguado

• Comportamiento con respecto a los

requerimientos → Límite de tracción


MotorMasa

(motor + reductora)Dimensiones

Coste

(aprox.)

Par

máximo

YASA 750 25 kg Ø350 x 66 mm 8300€ 750 Nm

EMRAX 228

High Voltage12,2 kg Ø228 x 86 mm 3000€ 240 Nm

Mavilor BLS113 6,3 kg + 1,3 kg □110 x 215 mm 2200€ 33,6 Nm

Turnigy CA120–70 2,6 kg + 2 kg Ø118 x 79 mm 400€ 19,5 Nm

Mavilor BP74 2,8 kg + 2,3 kg □70 x 162 mm 1000€ 13,6 Nm


Motor Peso Coste Dimensiones Complejidad Potencia Comportamiento Total

YASA 750 1 1 1 5 5 5 18

EMRAX 228

High Voltage2 3 4 5 5 4 23

Mavilor

BLS1133 3 2 3 3 3 17

Turnigy

CA120–705 5 5 2 2 3 22

Mavilor BP74 5 4 4 2 1 2 18

• Motores con más puntuación:

-EMRAX: Motor para sistema Motor-in-wheel, más costoso

y pesado pero más eficaz y el acoplamiento es simple.

-Turnigy: Motor para sistema Motor-in-hub, muy barato y

ligero, baja eficiencia y necesita un alto ratio de reducción.









7. Conclusión


• El sistema Motor-in-wheel es más sencillo y eficiente

que el Motor-in-hub, tero también más costoso y pesado

• Motor EMRAX, sistema in-wheel, ruedas de 13”

• Futuras líneas de trabajo:

-Acoplamiento del motor EMRAX a la rueda y al

vehículo, con amortiguación y frenos

-Cálculos más exactos del límite de tracción

-Distribución de cargas en curva, rigidez de deriva

-Control del motor

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