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

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

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 DC
Motor 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

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

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

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)

Criterios de selección
• 2 tamaños de rueda: 10” o 13”
• Dinámica vehicular → Peso no amortiguado
• Comportamiento con respecto a los
requerimientos → Límite de tracción

Motor
Masa
(motor + reductora)
Dimensiones
Coste
(aprox.)
Par
máximo
YASA 750 25 kg Ø350 x 66 mm 8300€ 750 Nm
EMRAX 228
High Voltage
12,2 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 Voltage
2 3 4 5 5 4 23
Mavilor
BLS113
3 3 2 3 3 3 17
Turnigy
CA120–70
5 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.

• 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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